DE3140444A1 - Gas-sensor mit in perforierter haube eingeschlossenem spuerelement - Google Patents

Gas-sensor mit in perforierter haube eingeschlossenem spuerelement

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DE3140444A1
DE3140444A1 DE19813140444 DE3140444A DE3140444A1 DE 3140444 A1 DE3140444 A1 DE 3140444A1 DE 19813140444 DE19813140444 DE 19813140444 DE 3140444 A DE3140444 A DE 3140444A DE 3140444 A1 DE3140444 A1 DE 3140444A1
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hood
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gas
sensing element
gas sensor
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DE19813140444
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Nagaishi Hatsuo
Minami Hidehiro
Okamura Kenji
Sone Kohki
Kitagasaki Yoshitaka
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Nissan Motor Co Ltd
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Nissan Motor Co Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4077Means for protecting the electrolyte or the electrodes

Description

  • Gas-Sensor mit in perforierter Haube eingeschlossenem Spürelement Beschreibung Diese Erfindung bezieht sich auf einen Gas-Sensor mit einem Spürelement in der Form eines auf einer plattenförmigen Unterlage angeordneten Laminates von relativ dünnen Schichten, das in einer im wesentlichen zylindrischen,mit Gaseinlaß- und Auslaßöffnungen ausgebildeten Haube eingeschlossen ist.
  • Gegenwärtig werden verschiedene Arten von Gas-Sensoren auf vielen Gebieten benutzt. Beispielsweise ist es in der Automobilindustrie üblich, in einem Steuersystem für das Iiuft-raftstoff-Verhältnis entweder einen Sauerstoff-Sensor oder einen Kohlendioxid-Sensor zur Erzeugung eines Rückkoppelungssignals zu benutzen, das zur Anzeige eines effektiven BuSt-Eraftstoff-Verhältnisses eines dem Motor zugelieferten Gasgemisches dient.
  • In den meisten Fällen weist das empfindliche Teil eines solchen Gas-Sensors eine Schicht entweder eines festen Elektrolyten oder eines Halbleiter-Metalloxides als wesentlichesElement des Sensors auf, wobei einige andere Schichten wie beispielsweise Elektroden- und Schutzschichten vorgesehen sind. Es ist eine jungste Entwicklung, das empfindliche Teil in der Form eines auf einer Unterlage angeordneten Laminates von relativ dünnen Schichten zu konstruieren und somit die Größe des Sensors zu reduzieren und die Empfindlichkeit zu erhöhen. Aus praktischen Gründen wie der Produktions-Vereinfachung wird üblicherweise eine plattenförmige Unterlage benutzt, sodaß das emfindliche Teil als Ganzes im wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist.
  • In einem in der Praxis verwendeten Ges-Sensor ist das plattenförmige empfindliche Teil oder Spürelement an einem Ende eines Sensor-Gehäuses befestigt, und eine hohlzylindrische Haube ist an dem Sensor-Gehäuse so angebracht, daß das Spürelement darin eingeschlossen ist zum Zwecke des Schutzes gegenüber Erschütterungen und Anprallens während der Handhabung sowie gegenüber hohen Temperaturen und hoher Strömungsgeschwindigkeit des zu messenden Gases. Um einen Teil des zu messenden Gases mit dem Spürelement in Kontakt zu bringen, sind zwei oder mehr oeffnungen in der Form von Schlitzen oder Bohrungen in der zylindrischen Seitenwandung der Haube ausgeformt, Im Hinblick auf die Aufrechterhaltung einer hohen Ansprechempfindlichkeit i des Spürelementes sind diese Öffnungen so angeordnet, daß das in das Innere der Haube eingeströmte Gas direkt gegen das Spürelement prallt. Mit anderen Worten, eine die Öffnungen halbierende Schnittebene schneidet das Spürel ement, Im allgemeinen zeigt die Beistungscharakteristik eines plattenförmigen Gas-Spürelementes gewisse Anderungen9 wenn sich die Ausrichtung des Elementes bezüglich der Strömungsrichtung eines zu messenden Gases ändert Dies bedeutet, daß das Element richtungsabhängig ist.
  • Wir haben beispielsweise festgestellt, daß bei Verwendung eines Sauerstoff-Sensors mit einem plattenförmigen Spürelement in dem vorerwähnten Steuersystem für das I'uft-Kraftstoff-Verhältnis die Steuerungsgenauigkeit in einem gewis.sen MaBe abhängt von der Ausrichtung des Sauerstoff-Spurelementes bezüglich der Strömungsrichtung des Auspuffgases an der Stelle, an der der Sensor angeordnet ist. Von einem praktischen Gesichtspunkt aus betrachtet, ist es ein großer Nachteil, daß der Sensor immer mit einer bestimmten Ausrichtung in dem Auspuffsystem installiert werden muß.
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gas-Sensor, der ein Spürelement in der Form eines auf einer plattenförmigen Unterlage angeordneten Laminates von relativ dünnen Schichten aufweist, das in einer im wesentlichen hohlzylindrischen Schutzhaube mit Gaseinlaß- und Auslaßöffnungen eingeschlossen ist.
  • Hauptaufgabe der Erfindung ist die Lösung des oben beschriebenen Problemes der Veränderung der Iieistungs charakteristik des Spürelementes infolge eimer Anderung der Ausrichtung des Spürelementes bezüglich der Strömungsrichtung eines zu messenden Gases.
  • Der Kernpunkt der Erfindung ist die Anordnung der Gaseinlaß- und AuslaBöffnungen an solchen Stellen der Haube, daß das in das Innere der Haube eingeströmte Gas nicht direkt gegen das Spürelement prallt.
  • Ein Gas-Sensor gemäß der Erfindung umfaßt ein Gehäuse zum Anbringen des Sensors an eine getrernte Vorrichtung, in der ein zu messendes Gas strömt, und weiterhin ein Spürelement mit einer plattenförmigen Unterlage und einem Laminat aus einer Vielzahl von relativ dünnen Schichten einschließlich wenigstens einer Schicht eines auf einer Hauptfläche der Unterlage ausgeformten gasempfindlichen Materials. Außerdem umfaßt ein Gas-Sensor gemäß der Erfindung eine im wesentlichen hollzylindrische Haube, die derart an dem Sensor-Gehäuse befestigt ist, daß das Spürelement in der Haube eingeschlossen und vollkommen mit Abstand von der Innenseite der Haube angeordnet ist, wobei die Haube mit wenigstens zwei Öffnungen in ihrer Zylinderwandung ausgebildet ist, sodaß ein Teil aus in der vorerwähnten Vorrichtung strömenden Gases in das Innere der Haube einströmen und wieder ausströmen kann. Dieser Gas-Sensor ist dadurch gekennzeichnet, daß jede d-er vorerwähnten Öffnunl)en in der Haubenwandung zwischen dem Spürelement und dem freien Ende der Haube in der Eaubenl-;ngsrichtung derart angeordnet ist, daß keine dem Querschnitt der Haube entsprechende und wenigstens eine der Öffnungen schneidende Ebene das Spürelement schneidet In diesem Gas-Sensor berührt das in das Innere der Haube durch irgendwelche der Öffnungen in der Zylinderwandung der Haube eingeströmte Gas das Laminat~Teil des Gas-Spürelementes nach wiederholtem Aufprall gegen und Rückprall von der inneren Fläche der zylindrischen Haube und befindet sich dadurch in einem Zustand guter Durchmischung und relativ niedriger Strömungsgeschwindigkeit Aus diesem Grunde zeigt das Spürelement eine praktisch konstante iieistungscharakteristik ungeachtet seiner Ausrichtung bezüglich der Strömungsrichtung des Gases außerhalb der Haube.
  • Vorzugsweise sind die Öffnungen in der Zylinderwandung der Haube in Form von entweder in Umfangsrichtung bogen:Eörmigen Schlitzen oder kreisrunden Bohrungen derart angeordnet, daß die Mittelpunkte aller Schlitze oder Bohrungen in einer Querschnittsebene der Haube enthalten sind Im folgenden soll die Erfindung anhand der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben werden Es zeigen Fig. 1 eine Übersicht- und Schnittansicht eines Sauerstoff-Spürelementes zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Sauerstoff-Sensor, Fig. 2 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Sauerstoff Sensors als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 von Fig 2, Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Eraftfahrzeug-Verbrennungsmotors einschließlich eines Steuersystems für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis, das einen erfindungsgemäßen Sauerstoff-Sensor zur Erzeugung eines Rückkoppelungssignals verwendet, Fig. 5(A) bis 5(D) vier verschiedene Ausrichtungen.
  • eines empfindlichen Teiles eines in den Fig. 2 und 3 dargestellten Sauerstoff-Sensors bezüglich der Strömungsrichtung eines Auspuffgases in einem in Fig. 4 gezeigten Auspuffkrümmer auf einem Abschnitt, auf dem der Sauerstoff-Sensor angeordnet ist.
  • Fig 6 ein Diagramm, das die Änderungen der Leistung eines Steuersystems für das LuSt-Kraftstoff-.
  • Verhältnis infolge der in den Fig. 5(A) bis 5(D) gezeigten Veränderungen der Ausrichtung des Sauerstoff-Sensors von Fig. 2 und 3 darstellt, Fig. 7 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Sauerstoff-Sensors, der dem in Fig. 2 gezeigten Sensor ähnelt, jedoch-nicht mit der Erfindung in Übereinstimmung steht, Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie 8-8 von Fig. 7, Fig. 9(A) bis 9(D) eine mit den Fig. 5(A) bis 5(D) gleiche Aufgabenstellung, jedoch bezüglich des in den Fig. 7 und 8 gezeigten Sensors, Fig. 10 ein Diagramm, das den gleichen Sachverhalt wie Fig. 6 darstellt, Jedoch bezüglich der Ausrichtungen des in den Fig. 9(A) bis 9(D) gezeigten Sauerstoff-Sensors, Fig. 11 und 13 in der gleichen Ansicht zwei Abänderungen des in Fig. 2 dargestellten Sauerstoff-Sensors, Fig. 12 und 14 Schnitte entlang der Linie 12-12 von Fig. 11 bzw. entlang der Linie 14-14 von Fig."3, Fig. 15 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines Sauerstoff-Sensors als ein weiteres, verschiedenes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 16 einen Schnitt entlang der Linie 16-16 von Fig. 15, Fig 17 und 19 in der gleichen Ansicht zwei Abänderungen des in Fig. 15 gezeigten Sauerstoff-Sensors, Fig. 18 und 20 Schnitte entlang der Linie 18-18 von Fig. 17 bzw. entlang der Linie 20-20 von Fig 19 Fig. 1 zeigt ein bekanntes Sauerstoff-Spürelement 1o, das nach dem Prinzip der Sauerstoff-Konzentrationskette arbeitet und in einer Auspuffanlage eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors verwendet werden kann Ein strukturmäßiges Hauptbestandteil dieses Elementes 1o ist eine aus einem keramischen Material, wie Aluminiumoxid, bestehende Grundplatte oder Unterlage 12. Ein Konzentrationsketten-Teil 15 des Sauerstoff-Spürelementes 1o hat die Form eines Laminates von relativ dünnen filmähnlichen Schichten. Genauer gesagt, eine innere, oft als Referenz-Elektrodenschicht bezeichnete Elektrodenschicht 16 ist auf einer Hauptfläche der Unterlage 12 ausgebildet. Ebenso ist eine Schicht 18 eines für Sauerstoff-Ionen leitfähigen, festen Elektrolyten wie Zirkonoxid, das durch eine geringe Menge Yttriumoxid stabilisiert wurde, so auf der gleichen Seite angeordnet, daß die innere Elektrodenschicht 16 dicht und vollständig bedeckt ist. Eine äußere Elektrodenschicht 20, die oft als Meßelektrodenschicht bezeichnet wird, ist auf der Außenfläche der festen Elektrolytschicht 18 aufgelegt. Platin ist ein typisches Beispiel eines für die äußere Elektrodenschicht 20 geeigneten Materials Im wesentlichen bilden diese drei Schichten 16, 18,20 den Konzentrationsketten-Teil.
  • Beispielsweise beträgt die Dicke der festen Elektrolyt schicht 18 ungefähr fünfzig Mikron oder weniger, und jede der zwei Elektrodenschichten 16 und 20 ist so dünn wie etwa fünf Mikron. Jede dieser drei Schichten 16,18, 20 kann durch Bedampfen gebildet werden,oder durch Aufbringung einer ein pulverförmiges Elektroden- oder festes Elektrolytmaterial.enthaltenden Paste auf die Oberfläche der Unterlage 12 oder der darunter liegenden Schicht und anschließendes Sintern des in der aufgebrachten Paste enthaltenen pulverförmigen Materials.
  • Die Unterlage 12 kann beispielsweise ungefähr 6 mm x 1o mm breit und 1-2 mm dick sein.
  • Üblicherweise sind die Außenflächen des Konzentrationsketten-Teiles 15 dieses Elementes ?o mit einer Schutzschicht 22 bedeckt, die aus einem keramischen Material besteht und eine poröse Struktur zum I)urchlaß eines zu messenden Gases aufweist.
  • Ein elektrisches Heizelement 14 ist in der Unterlage 12 eingebettet, da die Beitfähigkeit für Sauerstoff-Ionen in der festen Elektrolytschicht 18 stark abnimmt, wenn die Temperatur des Elementes 1o eine bestimmte Grenze unterschreitet. In der Praxis kann die Unterlage 12 durch Blächen-zu-Blächen-Verbindung zwei er Aluminiumoxid-Bleche 12a und 12b hergestellt werden, deren eines im vorhergehenden mit dem Reiz element 14 versehen wurde.
  • Dieses Heizelement 14 kann beispielsweise die Form eines Platindrahtes oder einer dünnen Platinschicht aufweisen, die durch Aufdrucken einer Platinpaste und Sintern des in der aufgedruckten Paste enthaltenen Platinpulvers hergestellt wurde.
  • Der Konzentrationsketten-Teil 15 dieses Sauerstoff-Spürelementes 1o erzeugt eine elektromotorische.EraIt, wenn ein Unterschied im Sauerstoff-Teildruck zwischen der äußeren und der inneren Elektrodenseite der festen Elektrolytschicht 18 besteht. Zur Messung der Sauerstoff-Eonzentration in einem Gas, dem die äußere Elektrodenschicht 20. durch Poren in der Schutzschicht 22 ausgesetzt ist, besteht die Notwendigkeit, einen Referenz-Sauerstoffteildruck an der Grenzfläche zwischen der festen Elektrolytschicht 18 und der inneren Elektrodenschicht 16 zu erzeugen Gemaß den U.S. Patenten 4 2o7 159 und 4 224 113 wird der Heferenz-Sauerstoffteildruck dadurch erzeugt, daß die feste Elektrolytschicht 18 mikroskopisch porös ausgebildet ist und ein Gleichstrom ausreichender Stärke dem Konzentrationsketten-Teil 15 von außen so zugeführt wird, daß ein Stromfluß durch die feste Elektrolytschicht 18 zwischen den zwei Elektrodenschichten 16 und 20 stattfindet Ein Sauerstoffteildruck ausreichender Größenordnung kann an der Grenzfläche zwischen der inneren Elektrode 16 und dem festen Elektrolyten 18 aufrechterhalten werden durch die gemeinsame Wirlmno der Wanderung von Sauerstoffionen durch die feste Elektrolytschicht 18 infolge des vorher erwähnten Stromflusses und Diffusion von Sauerstoffmolekülen durch die Poren in der festen Elektralytschicht 18 Für diesen Fall ist Platin oder seine Begierungen ein geeignetes Material für die innere Elektrodenschicht 16 Eine andere Methode zur Herstellung eines Referenz-Sauerstoffteildruckes in dem Konzentrationsketten-Teil 15 besteht in der Verwendung eines elektronenleitenden Gemisches eines bestimmten Metalles und seiner Oxide, wie Ni-NiO beispielsweise, als Material für die innere Elektrodenschicht 16 In diesem Falle besitzt die feste Elektrolytschicht 18 eine dichte und praktisch gasundurchlässige Struktur Das Sauerstoff-Spürelement lo der Fig 1 ist mit drei Zuführungsdrähten 24, 26 und 28 ausgestattet. Der Zuführungsdraht 24 ist mit der inneren Elektroden - schicht 16 und der Zuführungsdraht 26 mit der äußeren Elektrodenschicht 20 verbunden, um den vorher erwähnten Gleichstrom dem Konzentrationsketten-Teil 15 zuzuführen und eine von dem Konz-entrationsketten-Teil 15 erzeugte elektromotorische Kraft abzuleiten. Der Zufübrungsdraht 28 ist zur Zufuhr von Heizstrom mit dem Heizelement 14 verbunden. Obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt, ist der Zuführungsdraht 26 ebenfalls mit dem Heizelement 14 verbunden, um als gemeinsamer Massedraht für die Konzentrationskette 15 und das Heizelement 14 zu dienen. Natürlich ist es freigestellt, einen hier nicht gezeigten separaten Massedraht für das Heizelement 14 statt der Verbindung des Zuführungsdrahtes 26 mit dem Heizelement 14 zu verwenden.
  • Für praktische Anwendungen muß das Sauerstoff-Spürele ment der Fig. 1 mit Trag- und Gehäuseteilen zusammengebaut werden, um eine Sauerstoffsensor-Einheit zu schaffen,die beispielsweise im Ausuffkrümmer eines Kraftfahrz eugmotors befestigt werden kann.
  • Die Fig. 2 und 3 zeigen einen Sauerstoff-Sensor 30, der die vorliegende Erfindung verwirklicht und das Sauerstoff-Spürelement 1o der Fig. 1 enthält. Das Sauerstoff-Spürelement 1o ist fest an die Stirnfläche eines zylindrischen Stabes 32 montiert, der aus einem keramischen Material wie Aluminiumoxid besteht und mit drei axialen, hier nicht gezeigten Bohrungen versehen ist, durch die jeweils die Zuführungsdrähte 24,26 und 28 des Elementes 1o hindurchgeführt sind. Der keramische Stab 32 ist mit Paßsitz in eine röhrenförmige Halterung 34 eingesetzt, die aus Metall,wie beispielsweise aus rostfreiem Stahl besteht.
  • Ein im wesentlichen röhrenförmiges, mit Gewinde und Überwurfmutter versehenes Metallgehäuse 38 ist an der Außenseite der Halterung 34 befestigt. Eine hohlzylindrische Haube 36 aus rostfreiem Stahl ist im wesentlichen koaxial an dem vorderen Ende der röhrenförmigen Halterung 34 so befestigt, daß das Sauerstoffelement lo darin eingeschlossen is. Zur festen Unterstützung der Haube 36 ist ein Spannring 40 an die Außenfläche eines vorderen Endteiles der Halterung 34 und an die Außenfläche eines Endteiles der Haube 36 angeschweißt. Die gesamte Innenseite der Haube 36 ist mit Abstand von den Außenflächen des Sauerstoff-Spürelementes 1o angeordnet.
  • Wie in Fig 3 gezeigt, ist das Sauerstoff-Spürelement 1o in dem Sensor 30 derart angeordnet, daß die Hauptflächen der plattenförmigen Unterlage 12 und dementsprechend das flache Laminat des Konzentrationsketten-Ueiles 15 sich senkrecht zu den Querschnitten der zylindrischen Haube 36 erstrecken. Die Haube 36 hat eine solche Länge, daß genügend Abstand zwischen dem nicht unterstützten Ende loa des Sauerstoff-Spürelementes lo und dem vorderen, in diesem Beispiel offenen Ende 39 der Haube 36 verbleibtO.ßuf einem Mittel abschnitt zwischen dem vprderen Ende 39 und dem vorderen Ende loa des Elementes 1o ist die Haube 36 mit zwei sich in Umfangsrichtung erstreckenden Schlitzen 37 ausgebildet, die symmetrisch bezüglich einer die Längsachse der Haube 96 enthaltenden Ebene und senkrecht zu den Hauptflächen der Unterlage 12 des Elementes 1o angeordnet sind.
  • Dieser Sauerstoff-Sensor 30 ist derart konstruiert, daß ein Hauptteil der Haube 36, d.h. das Teil links von der Linie P-P in Fig. 2, in das Innere eines Auspuffkrümmers oder eines Auspuffrohres eindringt, wobei die Längsachse der Haube 36 sich in etwa senkrecht zur Strömungsrichtung des Auspuffgases an der Stelle erstreckt 9 an der der Sensor 30 installiert ist Fig. 4 erläutert die Anwendung des Sauerstoff-Sensors 30 von Fig 2 in einem System für eine automatische Steuerung des Buft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor 42. Der Motor 42 weist einen üblichen Ansaugkrümmer 44 mit Luftzufuhr durch einen Luftfilter 48, elektronisch steuerbare Eraftstoffeinspritzventile 46 und einen üblichen Auspuffkrummer 50 auf.
  • Ein Auspuffrohr 51 verbindet den Auspuffkrümmer To'mit einem katalytischen Konverter 52, der beispielsweise einen konventionellen Drei-Weg-Katalysator enthält.
  • Der Sauerstoff-Sensor 30 ist als Bestandteii des Steuersystems des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses in einem stromabwärtigen Abschnitt des Auspuffkrümmers 50 so befestigt, daß die Haube 36 dem Auspuffgas in der oben beschriebenen Weise ausgesetzt ist. Die Ausgangsspannung dieses Sensors 30 repräsentiert den Sauerstoffanteil in dem Auspuffgas und dementsprechend ein effektives luft-Kraftstoff-Verhltnis eines in dem Motor 42 verbrannten Gasgemisches.
  • Um den Motor 42 im normalen Betrieb mit einem optimalen luft-Kraft stoff-Gemisch, in diesem Falle mit einem stochiometrischen Gemisch, zu versorgen, wobei der Drei-Weg-Katalysator in dem Konverter 52 mit bestem Wirkungsgrad arbeiten kann, empfängt eine elektronische Steuereinheit 54 das Ausgangssignal des Sauerstoff-Sensors 3o und übermittelt ein Steuersignal zu den kraftstpffeinspritzventilen 46. Dieses Steuersignal basiert auf der Richtung und der Größenordnung einer Abweichung des effektiven, von dem Ausgangssignal des Sensors 30 angezeigten luft-Kraftstoff-Verhältnisses von dem gewünschten luft-Kraftstoff-Verhältnis.
  • Die Steuereinheit 54 hat auch die Auf gabe, einen Heizstrom an das Heizelem-ent in dem Sauerstoff-Sensor zu liefern und, wenn notwendig, den Konzentrationsketten-Teil 15 des Sensors 3o mit einem zweiten Gleichstrom zur Errichtung eines Referenz-Sauerstoffteildruckes zu versorgen.
  • Wie in den Fig 2 und 3 dargestellt, tritt ein Teil des in dem Auspuffkrümmer strömenden Auspuffgases in Abhängigkeit von der Winkelstellung der Haube 36 bezüglich der Strömungsrichtung des Auspuffgases durch einen oder beide Schlitze 37 in das Innere der Haube 36 des Sauerstoff-Sensors 30 en¢Jedoch prallt das in das Innere der Haube 36 eingeströmte Auspuffgas nicht direkt auf das Sauerstoff-Spürelement 1o auf, das in Längsrichtung der Haube 36 etwas entfernt von den Schlitzen 37 angeordnet ist Das Auspuffgas kommt mit der größeren Außenfläche des Konzentrationsketten-Teiles 15 nach wiederholtem Aufprall auf und Rückprall von der Innenfläche der Haube 76 und/oder der Unterlage 12 des Elementes lo in Berührung.
  • Als Ergebnis solchen Aufprallens und Rückprallens ist das Auspuffgas gut gemischt und hat eine bedeutende Verringerung seiner Strömungsgeschwindigkeit erfahren Info:Lgedessen ist die Sauerstoff-MeRflmktion des plattenförmigen Elementes Ao nahezu unabhängig von seiner Ausrichtung in bezug auf die Winkelstellungen der Schlitze 37 und der Strömungsrichtung des Auspuffgases außerhalb der Haube 36 Dies bedeutet, daß die Richtungsabhängigkeit des plattenförmigen Sauerstoff-Spürelementes 1o durch Anordnung der Gaseinlaßöffnungen 77 der Haube 36 im ausreichenden Abstand von dem Element lo ausgeglichen wird Die Fig 5(A)-bis 5(D) und Fig 6 erläutern das Ergebnis eines Experimentes mit dem in den Fig 2 und 3 gezeigten Sauerstoff-Sensors 30, der in dem in Fig 4 dargestellten Steuersystem für das luft-Kraftstoff-Verhältnis benutzt wird. Der Sensor 3o war an dem Auspuffkrümmer 50 in einem bestimmten Abschnitt desselben in vier verschiedenen Anordnungen derart angebracht, daß die Ausrichtung des Eonzentrationsketten-Teiles 15 des Sauerstoff-Spürelementes 10 bezüglich der durch den Pfeil G dargestellten Strömungsrichtung des Auspuffgases so eingestellt war, wie es die Fig. 5(A) bis 5(D) jeweils zeigen. In jedem dieser Fälle wurde der Motor 42 und das Steuersystem für das Buft-Eraftstoff-Verhältnis für einen vorbestimmten Zeitabschnitt mit dem Ziel in Gang gesetzt, ein stochiometrisches Buft-Kraftstoff-Verhältnis von 14,7 bezogen auf das Gewicht aufrechtzuerhalten. Am Ende des vorerwähnten Zeitabschnittes wurde mittels Analyse von Proben des luft-Kraft stoff- Gemisches das tatsächliche luft-Kraftstoff-Verhältnis untersucht.
  • Das Erebni der Analysen ist in Fig. 6 dargestellt, wobei A, 3, C und D auf der Abzisse die in den Fig. 5(A), 5(B), 5(C) und 5 (D) jeweils gezeigten Ausrichtungen des Sauerstoff-Spürelementes 1o repräsentieren. Unter Berücksichtigung der bereits bekannten Gesamt-Genauigkeit des Steuersystems wurde das Ergebnis jeder dieser in Fig. 6 gezeigten Fälle als zufriedenstellend beurteilt. Vermutlich ist der geringe Unterschied zwischen den Ergebnissen der Fälle (C) und (D) einer Abweichung der Position der Schlitze 37 des Sauerstoff-Sensors 30 von dem Zentrum des As~puffgasstromes in dem Auspuffkriimmer 50 zuzuschreiben.
  • Zum Zwecke des Vergleiches zeigen die Fig. 7 und 8 einen Sauerstoff-Sensor 60, der nahezu identisch mit dem In den Fig. 2 und 3 dargestellten Sensor 30 ist, jedoch in dem folgenden einen Punkt von der vorliegenden Erfindung abweicht. Eine der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Haube 36 entsprechende hohl zylindrische Haube 56 dieses Sensors 60 ist mit sechs kreisrunden, peripher gleichmäßig verteilten Öffnungen 57 so ausgebildet, daß ein in das Innere der Haube 56 durch irgendeine dieser Öffnungen 57 eingeströmte Gas direkt auf das Sauerstoff-Spürelement 1o aufprallt. Mit anderen Worten, eine durch die Mittelpunkte dieser Öffnungen 57 gehende Querschnittsebene schneidet das Sauerstoff-Spürelement lo.
  • Bis jetzt wurde diese Anordnung der Gaseinlaß- und Auslaßöffnungen 57 in der Haube 56, ungeachtet ihrer Ausbildung als kreisrunde Bohrungen oder längliche Schlitze, mit dem Ziel verwendet, ein schnelles Ansprechen des Sauerstoff-Spürelementes 10 auf eine Änderung der Gaszusammensetzung zu erreichen. Dabei wurde jedoch die Richtungsabhängigkeit des Elementes 1o ungenügend berücksichtigt Der in den Fig. 7 und 8 dargestellte Sauerstoff-Sensor 60 wurde dem oben beschriebenen Experiment durch Anderung der Ausrichtung des Sauerstoff-Spürelementes 10 in der in den Fig. 9(A) bis 9(D) gezeigten Art unterworfen. Das Ergebnis der Analyse von Proben des luft-Kraftstoff-Gemisches ist in der Fig 1o dargestellt, wobei A, 3, C und D auf der Abzisse die in den Fig. 9(A), 9(B), 9(C) und 9(1>) jeweils gezeigten Ausrichtungen des Sauerstoff-Spürelementes lo repräsensieren. Dieses Versuchsergebnis demonstriert, daß bei Verwendung des in den Fig. 7 und 8 gezeigten Sensors 60 die Leistung des Steuersystems für das Luft-Kraftstoff-Verhältnis wesentlich von der Winkel stellung zwischen dem Sauerstoff-Spürelement 10 in dem Sensor 60 und der Strömungsrichtung des Auspuffgases abhängt Der beachtliche Effekt der vorliegenden Erfindung wird durch Vergleich der in Fig. 6 und 10 dargestellten Diagramme deutlich.
  • Die Fig. 11 und 12 zeigen eine geringfügige Abänderung der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Haube 3G Die in den Fig. 11 und 12 gezeigten Schlitze 37 sind mit ihren in den Fig.2 und 3 dargestellten Gegenstücken identisch. Das vordere Ende der Haube 36 von Fig. 11 ist nicht wie in Fig. 2 voll geöffnet, sondern weist die Form einer ringförmigen Wand 62 auf, sodaß eine relativ kleine kreisförmige Öffnung 63 im Zentrum verbleibt.
  • Diese Abänderung bewirkt keinen bedeutenden Unterschied in den Wirkungen der Haube 36. Jedoch kann gesagt werden, daß ein physikalischer Schutz des Sauerstoff-Spürelementes lo durch die Haube 36 etwas verbessert wird.
  • Bezugnehm-end auf die Fig. 13 und ist es auch möglich, die ringförmige Wand 62- an dem vorderen Ende der Haube 36 von Fig. 11 zu einer in Fig. 13 gezeigten geschlossenen Abschlußwand 64 abzuändern, sodaß das Auspuffgas lediglich durch die in Umfangsrichtung angeordneten Schlitze 37 in das Innere der Haube 36 ein- und wieder au.stlömen kann.
  • Diese Abänderung trägt zu einer weiteren Verbesserung der physikalischen Schutzwirkung der Haube 36 und damit zu einer Verlängerung der Lebensdauer des Sauerstoff-Spürelementes 1o bei.
  • Die Fig. 15 und 16 zeigen eine weitere Abänderung der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Haube 36. In diesem Falle ist jeder der zwei in den Fig. 2 und 3 gezeigten kreisbogenförmigen Schlitze 37 durch eine Vielzahl von kreisrunden, mit gleichmäßigen Abständen auf dem Umfang der Haube 36 an&eordneten Öffnungen 65 ersetzt, wobei es sich in diesem Beispiel um fünf Öffnungen handelt.
  • Diese Öffnungen 65 sind in der Langsrichbung des Sauerstoff-Sensors 3o vor dem nicht unterstützten Ende loa des Sauerstoff-Spürelementes 10 angeordnet.
  • Dies bedeutet, daß eine horizontale, die Senbren der Öffnungen 65 enthaltende Ebene von dem Ende 1oa des Elementes 1o entfernt ist. Verglichen mit dem einzelnen langlichen Schlitz 37 ist die Kombination der fünf Öffnungen 65 wirksamer bezüglich einer guten Durchmischung des Auspuffgases vor seiner Beruhrung mit dem empfindlichen Teil 15 des Elementes 10. Dies wird durch eine erhöhte Neigung zur Turbulenz des in das Innere der Haube 36 durch die Vielzahl der relativ kleinen Öffnungen 65 eingeströmtea Auspuffgases bewirkt.
  • Die Gesamtanzahl der oben beschriebenen Öffnungen 65 und die Abstände zwischen denselben können beliebig unter Berücksichtigung der beabsichtigten Verwendung des Sauerstoff-Sensors 3o oder der physikalischen Eigenschaften des Spürelementes 1o bestimmt werden In den Fig. 17 und 18 ist die Haube 36 mit sechs kreisrunden Öffnungen 65 ausgebildet, die in Umfangsrichtung gleichmäßige Abstände aufweisen. Falls gewünscht, kanu eine Vielzahl von Öffnungen, die durch die Öffnungen 65 in den Fig. 15-18 repräsentiert sind, in verschiedenen Abständen von dem vorderen Ende der Haube 36 angeordnet werden.
  • Als eine zusätzliche Abänderung weist diese Haube 36 eine ringförmige Wand 62 an ihrem vorderen Ende dergestalt auf, daß ähnlich der Haube 36 von Fig 11 eine kreisrunde Öffnung 63 in einem Zentrumsbereich verbleibt Wie in den Fig. 19 und So gezeigt, kann die ringförmige Wand 62 von Fig. 17 zu einer geschlossenen Abschlußwand 64 abgeändert werden, so wie es bereits unter Bezugnahme auf Fig. 13 beschrieben wurde.

Claims (7)

  1. Gas-Sensor mit in perforierter Haube eingeschlossenem Spürelement Patentanspruche 1. Gas-Sensor, g e k e n n z e i c h n e t durch ein Gehäuse (32,34,38) zum Anbringen des Sensors an eine Vorrichtung, in der ein zu messendes Gas strömt, und durch ein Spürelement (Io) mit einer an einem Endteil des Gehäuses (32,34,38) befestigten plattenförmigen Unterlage (12) und einem Laminat (15) aus einer Vielzahl von relativ dünnen Schichten einschließlich wenigstens einer auf einer Hauptfläche der Unterlage (12) ausgeformten Schicht eines gasemptindlichen Materials, und durch eine im wesentlichen hohl zylindrische Haube (36), die derart an dem Gehäuse (32,34,38) befestigt ist, daß das Spürelement (lo) in der Haube (36) eingeschlossen und vollkommen mit Abstand von der Innenseite der Haube (36) angeordnet ist, und durch wenigstens zwei in der Zylinderwandung der Haube (36) angebrachte Öffnungen (37,65), die einem Teil des in der Vorrichtung strömenden Gases das Einströmen in das Innere der Haube (36) und das Ausströmen ermöglichen, wobei jede der Öffnungen (37,65) derart zwischen dem Spürelement (io) und dem freien Ende der Haube (36) in der Haubenlängsrichtung angeordnet ist, daß keine dem Querschnitt der Haube (36) entsprechende und wenigstens eine der Offnungen (37,65) schneidende Ebene das Spürelement (1o) schneidet Gas-Sensor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Öffnungen (37) als bogenförmige Schlitze ausgebildet sind, deren jede sich in TTmfangsrichtung der Haube (36) erstreckt
  2. 3. Gas-Sensor nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Schlitze (37) derart angeordnet sind, daß eine Querschnittsebene der Haube (36) alle Schlitze (37) schneidet.
  3. 4. Gas-Sensor nach wenigstens einem der Ansprtiche 1-3, dadurch g e'k e n n z e i c h n e t , daß die Öffnungen (37) aus zwei bogenförmigen Schlitzen bestehen, die sich in Umfangsrichtung der Haube (36) erstrecken und symmetrisch zu einer, die Längsachse der Haube (36) enthaltenden Ebene angeordnet sind.
  4. 5. Gas-Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1-4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Öffnungen (65) als eine Vielzahl von im wesentlichen kreisrunden Bohrungen ausgebildet sind
  5. 6. Gas-Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1-5, dadurch g e k e n n z e i c h fl e t , daß die Bohrungen (65) derart angeordnet sind, daß eine Querschnittsebene der Haube (36) die Hittelpunkte aller Bohrungen (65) enthält
  6. 7. Gas-Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1-6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Unterlage (12) derart an dem Gehäuse (32,34,38) befestigt ist, daß eine Hauptfläche der Unterlage (12) sich im wesentlichen Darallel zu der Sängsachse der Haube (36) erstreckt.
    Gas-Sensor nach wenigstens einem der Ansprüche 1-7, dadurch g e k e n n z e i zu c h n e t , daß das Spürenement (10) als ein Sauerstoff-Spiirelement ausgebildet ist , das eine auf der Hauttfläche dci' Unterlage (12) ausgeformte innere Elektrodenschicht (16), eine auf der Außenfläche der inneren Elektrodenschicht (16) angebrachte, für Sauerstoffionen leitfähige, feste Elektrolytschicht (18) und eine auf der Außenfläche der festen Elektrolytschicht (18) ausgebildete äußere Elektrodenschicht (20) aufweist
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