DE3509196A1

DE3509196A1 - Elektrochemischer sauerstoffsensor

Info

Publication number: DE3509196A1
Application number: DE19853509196
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Kato; Takao Murase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1984-03-16
Filing date: 1985-03-14
Publication date: 1985-09-26
Also published as: DE3509196C2; JPS60150447U; JPH0535327Y2; US4591422A

Description

Tedtke - Bühling - Kinns - Grupe SSSSKA

SSSmSKbA

Pellmann - Grams - Struif ^Dipl

Dipl.-C Dipl.-Ing. R. Kinne - 6 - Dipl.-Ing. R Grupe

P -"i ^ Q R Dipl.-Ing. B. Pellmann

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Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

NGK INSULATORS, LTD. Bavariaring4, Postfach 20 2403

Nagoya-shi,Japan 8000 München 2

Tel.: 0 89-53 96 Telex: 5-24 845 tipat Telecopier: 0 89-537377 cable: Germaniapatent München

14. März 1985 DE 4662 /

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Elektrochemischer Sauerstotfsensor

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration in einem zu messenden Gas, insbesondere einem von einer Brennkraftmaschine erzeugten Abgas. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen solchen Sauerstoffsensor, der ein planares längliches Fühlerelement und eine Schutzabdeckung aufweist, die das Fühlerelement umgibt und dieses derart schützt, daß es dem zu messenden Gas nicht unmittelbar ausgesetzt ist.

Es ist ein Sauerstoffsensor bekannt, der die Sauerstoffkonzentration eines von einer Brennkraftmaschine abgegebenen Abgases erfaßt bzw. bestimmt, um die Verbrennung bzw. die Kraftstoffverbrennungsbedingungen der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von vom Sauerstoffsensor erzeugten Signalen zu steuern und auf diese Weise das Abgas zu reinigen und den Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine zu senken. Bei einem Ausführungsbeispiel eines derartigen Sauerstoffsensors findet ein

2ü Fühlerelement Verwendung, das einen Korpus aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyt, beispielsweise mit Kalziumoxid oder Yttriumoxid dotiertem Zirkonoxid, umfaßt und desweiteren geeignete Elektroden besitzt, die auf gegenüberliegenden Flächen des Festelektrolytkorpus angeordnet sind. Bei diesem Sauerstoffsensor

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ist eine der Elektroden einem Referenzgas ausgesetzt, während die andere Elektrode dem Abgas ausgesetzt ist. Im Betrieb erzeugt der Sauerstoffsensor ein Ausgangssignal, das eine zwischen den beiden Elektroden nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle erzeugte elektromotorische Kraft verkörpert. In neuerer Zeit setzt man zunehmend planare längliche Fühlerelemente anstelle der herkömmlich verwendeten rohrförmigen Fühlerelemente ein, und zwar aus Gründen einer einfacheren Herstellung und eines einfacheren Aufbaues des Sensors. Bei einem-derartigen Sauerstoffsensor, bei dem ein solches planares längliches Fühlerelement Verwendung findet, ist ein Sauerstofferfassungselement, das einem Abgas oder einem anderen zu messenden Gas ausgesetzt werden soll, in einem Sauerstofferfassungsabschnitt des Fühlerelementes angeordnet, welcher Abschnitt benachbart zu einem Ende des länglichen Fühlerelementes positioniert ist. Bei einem anderen Typ eines bekannten Sauerstoff sensors findet ein Fühlerelement Verwendung, das eine längliche Platte aufweist, auf der ein Oxid, wie beispielsweise Titanoxid, vorgesehen ist, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration des Abgases oder anderen zu messenden Gases, dem das Fühlerelement ausgesetzt ist, variiert. Im Betrieb erfaßt der Sauerstoffsensor eine Veränderung des elektrischen Widerstandes dieses Oxides, die den Sauerstoffpartialdruck des zu messenden Gases'-.'iedergibt.

Sauerstoffsensoren der verschiedenen oben beschriebenen Typen werden derart installiert, daß ihr

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Fühlerelement teilweise in eine Leitung einges etzt wird, durch die man ein Abgas oder ein anderes zu messendes Gas strömen läßt, wobei der Erfassungsabschnitt des Fühlerelementes, genauer gesagt das an einer Fläche des Fühlerelementes angeordnete Erfassungselement, dem zu messenden Gas ausgesetzt wird, Allgemein gesagt findet bei dem Sauerstoffsensor eine Schutzabdeckung Verwendung, die üblicherweise im Querschnitt eine zylindrische Form besitzt,um das Fühlerelement aus einer Reihe von Gründen mit einer Umhüllung zu versehen. Hierzu zählen der Schutz des Elementes gegen thermische Schockeinwirkungen durch Abgase mit hohen Temperaturen, eine Absenkung der Temperatur des Abgases, bevor dieses das Fühlerelement erreicht,und das Verhindern der Ablagerung von Partikeln im Abgas auf dem Fühlerelement.

Die Schutzabdeckung besitzt Strömungsmitteldurchflußöffnungen in ihrer zylindrischen Wand, so daß das durch die Leitung strömende zu messende Gas in die Schutzabdeckung eingeführt und mit dem Fühlerelement, das in der Schutzabdeckung angeordnet ist, in Kontakt gebracht wird. In diesem Zusammenhang ist es erforderlich, daß die Durchflußmenge des zu messenden Gases in die Schutzabdeckung zum Kontakt mit dem Fühlerelement ausreichend groß gehalten wird, um eine Erfassung der Sauerstoffkonzentration zu ermöglichen, jedoch minimal gehalten wird, um das Fühlerelement zu schützen.

Eine übermäßig große Menge des in die Schutzabdeckung

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strömenden Gases führt zu einer frühen Qualitätsverschlechterung des Fühlerelementes, d.h. einer verkürzten nutzbaren Lebensdauer desselben.

Bei einem üblichen Sauerstoffsensor, der ein vorstehend erwähntes planares Fühlerelement besitzt, ist ein Erfassungselement, das in einem Erfassungsabschnitt des Kühlerelementes in der Nachbarschaft seines einen Endes vorgesehen ist, in einem stark begrenzten Bereich auf einer der gegenüberliegenden Flächen des planaren Fühlerelementes angeordnet. Das bedeutet, daß nur eine geringe Durchflußmenge des zu messenden Gases in die Schutzabdeckung erforderlich ist, um die Messung der Sauerstoffkonzentration zu ermöglichen. Darüberhinaus findet in besonders leichter Weise eine Qualitätsverschlechterung des Fühlerelementes, genauer gesagt seines in dem kleinen Bereich angeordneten Erfassungselementes, statt, wenn durch die Ausbildung der Schutzabdeckung das zu messende Gas direkt gegen das Erfassunaselement strömen kann.

Bei dem bekannten Sauerstoffsensor, bei dem ein planares Fühlerelement Verwendung findet, ist das Fühlerelement mit einer zylindrischen Schutzabdeckung umgeben, die die gleiche Konstruktion besitzt wie eine Schutzabdeckung, die für ein herkömmlich ausgebildetes rohrförmiges Fühlerelement, verwendet wird. Genauer gesagt, die Schutzabdeckung, die das planare Fühlerelement umgibt, besitzt über den gesamten Umfang i^hrer zylindrischen Wand

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herum Strömungsmitteldurchflußöffnungen. Als Folge davon wird eine große Menge des zu messenden Gases, d.h. eines durch ein Abgasrohr strömenden Abgases, derart in die Schutzabdeckung eingeführt, daß nicht nur das Erfassungselement am Erfassungsabschnitt am Ende des Fühlerelementes, sondern auch andere Abschnitte des Elementes, die keine Elektrode tragen, direkt den Gasströmen ausgesetzt sind. Folglich sind verschiedene Teile des Sauerstoffühlerelementes, beispielsweise ein Festelektrolytkorpus sowie Platinelektroden überflüssigerweise einer Qualitätsverschlechterung ausgesetzt, die eine Verkürzung der nutzbaren Lebensdauer des Sauerstoffsensors mit sich bringt.

Zusätzlich zu diesen Problemen besteht bei dem bekannten Sauerstoffsensor, bei dem ein planares Fühlerelement Verwendung findet, das Problem, daß das Ansprechverhalten des Sensors durch die Position der Strömungsmitteldurchflußöffnungen, die in der Schutzabdeckung ausgebildet sind, und die Umfangslage der Schutzabdeckung relativ zu den Strömungslinien des durch die Leitung, an der der Sensor befestigt ist, strömenden zu messenden Gases beeinflußt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoffsensor zu schaffen, der eine Schutzabdeckung für ein planares Fühlerelement aufweist, welche so ausgebildet ist, daß sie das Fühlerelement vor einer Qualitätsverschlechterung durch den Kontakt mit einem zu messenden Gas, das

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durch die Wand der Schutzabdeckung eingeführt wird, schützt und damit die nutzbare Lebensdauer des Sensors verlängert und die Schwankungen im Ansprechverhalten des Sensors, welche durch die spezielle Umfangslage des Sensors relativ zur Strömungslinie des zu messenden Gases durch eine Leitung, an der der Sensor zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases befestigt ist, verursacht werden, herabsetzt. 10

Diese Aufgabe wird erfind ungsgemäß durch einen Sauerstoffsensor gelöst, der ein planares Sauerstoff-Fühlerelement mit einem Sauerstoff-Erfassungsabschnitt in der Nachbarschaft eines Endes desselben sowie eine Schutzabdeckung umfaßt, die das Fühlereiement umgibt, um insbesondere den ERfassungsabschnitt zu schützen. Auf dem Sauerstofferfassungsabschnitt ist ein Sauerstofferfassungselement angeordnet, das dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und das planare Fühlerelement besitzt gegenüberliegende Primärflächen, die größer ausgebildet sind als andere Flächen desselben. Der Erfassungsabschnitt ist auf der Seite von einer der Primärflächen angeordnet. Der Sauerstoffsensor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzabdeckung Strömungsmittelwege aufweist, über die das zu messende Gas durch eine Wand der Schutzabdeckung strömen kann, so daß das Erfassungselement des Fühlerelementes dem zu messenden Gas ausgesetzt ist.

Die Strömungsmittelwege sind durch einen Teil der

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Wand der Schutzabdeckung ausgebildet, der der einen Primärfläche des planaren Fühlerelementes nicht gegenüberliegt.

Bei dem in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildeten Sauerstoffsensor ermöglichen die Strömungsmittelwege ein Eindringen des zu messenden Gases in die Schutzabdeckung in einer minimal möglichen Menge, die zur Messung oder Be-Stimmung der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases erforderlich ist. Die Position der Strömungsmittelwege relativ zum Fühlerelement ist so festgelegt, daß verhindert wird, daß das Erfassungselement des Fühlerelementes dem Strom des zu messenden Gases unmittelbar ausgesetzt ist,und daß eine durch einen solchen direkten Kontakt bedingte Qualitätsverschlechterung minimiert wird. Somit wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Strömungsmittelwege in der Schutzabdeckung relativ zum Fühlerelement eine Verbesserung in bezug auf die nutzbare Lebensdauer und das Ansprechverhalten des Sauerstoffsensors erreicht. Insbesondere wird das Ansprechverhalten des Sensors durch die spezielle Umfangslage des Sauersto-ffsensors, genauer gesagt durch die Umfangslage der Schutzabdeckung relativ zur Strömungslinie des zu messenden Gases durch eine Leitung, an der der Sensor befestigt ist, minimal beeinflußt.

Bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfassen die Strömungswege mindestens

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eine öffnung, die in einem Teil der Wand der Schutzabdeckung ausgebildet ist, der einer der gegenüberliegenden Seitenflächen des Fühlerelementes, die sich über die Länge des Fühlerelementes erstrecken, gegenüberliegt. Vorzugsweise ist diese mindestens eine öffnung in der Nachbarschaft des Erfassungsabschnittes des Fühlerelementes angeordnet.

Bei einer Variante der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfaßt die mindestens eine öffnung mindestens eine öffnung, die einer der gegenüberliegenden Seitenflächen des Fühlerelementes gegenüberliegt, und mindestens eine öffnung, die der anderen Seitenfläche gegenüberliegt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Satz von mehreren öffnungen so angeordnet, daß sie der einen Seitenfläche gegenüberliegt, und ein anderer Satz von mehreren öffnungen so angeordnet, daß er der anderen Seitenfläche gegenüberliegt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfassen die Strömungsmittelwege desweiteren eine öffnung, die an einem Ende der Schutzabdeckung auf der Seite ausgebildet ist, die dem Erfassungsabschnitt des Fühlerelementes entspricht.

In dem Fall, in dem das Erfassungselement im Erfassungsabschnitt auf einer der gegenüberliegenden Primärflächen des Fühlerelementes angeordnet ist, können die Strömungsmittelwege desweiteren mindestens eine zusätzliche öffnung aufweisen, die in einem Teil der Wand ausgebildet ist, der der anderen der

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gegenüberliegenden Primärflächen gegenüberliegt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besitzt das Sauerstoffühlerelement einen planaren Festelektrolytkorpus, der beispielsweise im wesentlichen aus Zirkondioxid bestehen kann, und Elektroden, die auf dem planaren Festelektrolytkorpus angeordnet sind. In diesem Fall dient eine der Elektroden als das Erfassungselement des Fühlerelementes, das dem zu messenden Gas ausgesetzt ist. Darüberhinaus kann das Fühlerelement eine elektrische Heizeinrichtung aufweisen.·

Bei einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Schutzabdeckung eine zylindrische Wand, durch die die Strömungsmittelwege ausgebildet sind. In diesem Fall weist die zylindrische Wand die öffnung (en) oder eine zusätzliche öffnung bzw.zusätzliche öffnungen auf, und das Ende der zylindrischen Wand auf der Seite, die dem Erfassungsabschnitt des Fühlerelementes entspricht, bildet die vorstehend erwähnte öffnung. Das in die Schutzabdeckung eingeführte zu messende Gas wird durch diese öffnung abgegeben.

Bei einer anderen Ausführungsform weist die zylindrische Schutzabdeckung eine Endwand an einem Ende der zylindrischen Wand auf der dem Erfassungsabschnitt des Fühlerelementes entsprechenden Seite auf. Diese Endwand kann mit mindestens einer öffnung versehen sein, durch die das in die Schutzabdeckung eingeführte zu messende Gas abgegeben wird.

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Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfassen die Strömungsmittelwege mindestens eine öffnung, die in einem Teil der Wand der Schutzabdeckung ausgebildet ist, der zu einer Verlängerungslinie einer der gegenüberliegenden Seitenflächen des Fühlerelementes ausgerichtet ist, die sich über die Länge des Fühlerelementes erstreckt. Dieser Teil der Wand, in dem mindestens eine öffnung ausgebildet ist, ist von dem Erfassungsabschnitt des Fühlerelementes in einer Richtung über die Länge der vorstehend erwähnten Verlängerungslinie, d.h. über die Länge der Seitenfläche, entfernt angeordnet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur 1

Figur 2

Figur 3 (a)

eine Teilansicht, teilweise im Schnitt, einer Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sauerstoff sensors ;

eine perspektivische Ansicht eines Beispiels eines in dem Sauerstoffsensor der Figur 1 verwendeten
Sauerstoffühlerelementes;

eine Ansicht zur Verdeutlichung
von Gasöffnungen, die in einer das Fühlerelement der Figur 2 umgebenden Schutzabdeckung ausgebildet sind;

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Figur 3 (b)

einen schematischen Schnitt entlang Linie III-III in Figur 1;

S Figur 4 einen schematischen, Figur 3 Cb)

entsprechenden Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Sauerstoffsensors; und

Figur 5 . einen schematischen Querschnitt

durch einen Sauerstoffer-. fassungsabschnitt des Fühlerelementes der Figur 2, der benachbart zu seinem einen Ende angeordnet ist.

Der in Figur 1 dargestellte Sauerstoffsensor umfaßt ein längliches planares Sauerstoffühlerelement mit einem laminaren Aufbau, das mit 2 bezeichnet ist. Dieses planare Fühlerelement 2 besteht aus Zirkonoxid-Keramik oder anderen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytmaterialien. Wie in Figur 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt ist, handelt es sich bei dem Fühlerelement 2 um einen länglichen Korpus, der im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet ist und eine relativ geringe Breite aufweist. Das Fühlerelement 2 besitzt einen Durchgang 4 für ein Referenzgas, der über die Länge des länglichen Korpus ausgebildet ist. Der Durchgang 4 endet an einem ersten Endabschnitt 2a (am linken Ende der Figur 2) des länglichen Korpus des Fühlerelementes 2 und wird mit der umgebenden Atmosphäre in Verbindung gehalten, die für den Sensor als Referenzgas dient.

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Wie bekannt und in Figur 5 dargestellt ist, umfaßt das Fühlerelement 2 eine äußere Elektrode 3a,die derart an dem ersten Endabschnitt 2a angeordnet ist, daß sie einem Abgas oder anderen durch den Sauerstoffsensor zu messenden Gasen ausgesetzt ist. Diese äußere Elektrode 3a wird hiernach als "Erfassungselement" des Fühlerelementes 2 bezeichnet. Eine innere Elektrode 3b ist in einem Abschnitt des Fühlerelementes 2 im wesentlichen zu der äußeren Elektrode 3a ausgerichtet derart angeordnet, daß sie dem Referenzgas im Referenzgasdurchgang 4 ausgesetzt ist. Bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel -bildet der erste Endabschnitt 2a des Fühlerelementes 2, an dem die äußere und innere Elektrode 3a, 3b angeordnet sind, einen Erfassungsabschnitt 5 (Figur 2) des Elementes 2. Geeignete Leitungen erstrecken sich von dieser äußeren und inneren Elektrode 3a, 3b in Richtung auf einen zweiten Endabschnitt 2b (rechtes Ende der Figur 2) des Fühlerelementes 2, so daß elektrische Signale der Elektroden 3a, 3 b einer äußeren Vorrichtung zugeführt werden können. Das Fühlerelement 2 umfaßt eine geeignete bekannte elektrische Heizeinrichtung 20, die Abschnitte 5 des Fühlerelementes 2, an denen die Elektroden 3a, 3b angeordnet sind, erhitzt. Durch das Erhitzen dieser Abschnitte 5 durch die Heizeinrichtung 20 wird es möglich, die erforderliche Aufwärmzeit zum Erreichen einer ständigen Funktionsweise des Sensors nach dem Beginn des Kontaktes mit dem zu messenden Gas, beispielsweise einem Abgas, (d.h. nach dem Anlassen einer kalten Brennkraftmaschine, deren Abgas vom Sensor erfaßt wird) zu reduzieren. Darüberhinaus hält die Heizeinrichtung 20 den ersten Endabschnitt 2a (Erfassungsabschnitt 5) des Fühlerelementes 2

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auf einer gewünschten Temperatur über einem unteren Grenzwert, und zwar selbst dann, wenn die Temperatur des zu messenden Gases (d.h. Abgases) für den beabsichtigten Betrieb des Sensors nicht hoch genug ist. Daher wird durch die Heizeinrichtung 20 eine beständige und genaue Messung der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases durch den Sauerstoffsensor zu beliebigen Zeitpunkten sichergestellt.

Das auf diese Weise ausgebildete planare Fühlerelement 2 ist in einer zylindrischen Schutzabdeckung 6, die aus einem geeigneten metallischen Material besteht, untergebracht bzw. wird von dieser umschlossen. Das Fühlerelement 2 ist in der Schutzabdeckung 6 über einen keramischen Isolator 8 und ein wärmebeständiges Dichtungselement 10 gelagert, die in die Schutzabdeckung eingepaßt sind und durch die sich das Fühlerelement 2 erstreckt, wie in Figur 1 gezeigt. Auf diese Weise wird das Fühlerelement 2 strömungsmitteldicht in der Schutzabdeckung 6 gelagert. Die Schutzabdeckung 6 wird derart durch ein ringförmiges Gehäuse 12 gelagert, daß sie (und das darin angeordnete Fühlerelement 2) sich durch die Bohrung des Gehäuses 12 erstreckt, so daß der erste Endabschnitt 2a (einschließlich des Erfassungsabschnittes 5) in eine Leitung (nicht gezeigt), beispielsweise ein Abgasrohr, durch das ein Abgas strömt, vorsteht. Der Sauerstoffsensor ist an der Leitung, durch die das Strömungsmittel fließt, befestigt, indem das ringförmige Gehäuse 12 an der Leitung befestigt ist.

Die Schutzabdeckung 6 des Sauerstoffsensors, die das

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Fühlerelement 2 abdeckt, besitzt Strömungswege, die durch einen Teil oder Teile ihrer zylindrischen Wand, die nicht dem Erfassungselement 3a gegenüberliegen, ausgebildet sind. Genauer gesagt, die zylindrische Wand der Schutzabdeckung 6 besitzt mehrere (bei diesem Ausführungsbeispiel drei) Strömungsmitteldurchtrittsöffnungen 14, die in einem Teil der zylindrischen Wand ausgebildet sind, der einer Seitenwand 2c des Fühlerelementes 2 gegenüberliegt, genauer gesagt einem Abschnitt der Seitenwand 2c benachbart zum ersten Endabschnitt 2a gegenüberliegt, wie in den Figuren 3 (a) und 3(b) dargestellt ist. Daher sind diese Strömungsmitteldurchtrittsöffnungen 14 in der Nachbarschaft des ersten Endabschnittes 2a des Fühlerelementes 2 angeordnet und in Axialrichtung der Schutzabdeckung 6 voneinander beabstandet. In einem anderen Teil der zylindrischen Wand, der dem vorstehend angegebenen Teil diametral gegenüberliegt, sind ähnliche Strömungsmitteldurchtrittsöffnungen ausgebildet, so daß sie auf eine Seitenwand 2b gerichtet sind, die der Seitenfläche 2c gegenüberliegt, wie in Figur 3 (b) dargestellt. Mit anderen Worten, die beiden Sätze der Strömungsmitteldurchtrittsöf fnungen 14 sind in diametral gegenüberliegenden Teilen der zylindrischen Wand der Schutzabdeckung 0 ausgebildet, so daß sie weder einer Fläche 2e des rechteckförmigen Fühlerelementes 2, auf der das Erfassungselement 3a angeordnet ist, noch einer Fläche 2f, die der Fläche 2e gegenüberliegt, gegenüberliegt. Diese Flächen 2e, 2f werden als Primärflächen des Fühlerelementes 2 bezeichnet, die größer ausgebildet sind als die anderen Flächen.

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Die gegenüberliegenden Seitenflächen 2c und 2d, die den Öffnungen 14 gegenüberliegen, erstrecken sich über die Länge des länglichen Fühlerelementes 2 und verlaufen senkrecht zu den Primärflächen 2e und 2f. Die gegenüberliegenden Primärflächen 2e, 2f begrenzen das Fühlerelement 2 in Dickenrichtung, während die gegenüberliegenden Seitenflächen 2c, 2d das Fühlerelement in Breitenrichtung begrenzen.

Darüberhinaus besitzt die Schutzabdeckung 6 eine Öffnung 18 an einem Ende der zylindrischen Wand auf der Seite, die dem ersten Endabschnitt 2a des Fühlerelementes 2 entspricht. Diese Öffnung 18 wirkt mit den Strömungsmitteldurchflußöffnungen 14 zusammen und bildet die Strömungswege, die das Eindringen des zu messenden Gases in die Schutzabdeckung 6 und die Abgabe desselben davon ermöglichen.

Wie vorstehend erläutert, sind die Öffnungen 14 und die Öffnung 18 nur in den Teilen der Schutzabdeckung 6 ausgebildet, die den Seitenflächen 2c, 2d und einer Endfläche 2e des ersten Endabschnittes 2a gegenüberliegen. Keine Öffnungen sind in den anderen Teilen der Schutzabdeckung 6 ausgebildet. 25

Wie vorher erläutert, wird der mit der Schutzabdeckung 6 versehene Sauerstoffsensor so installiert, daß der Endabschnitt der Schutzabdeckung 6, die die Öffnungen 14 aufweisen, einem Strom eines Abgases oder eines anderen zu messenden Gases ausgesetzt ist, der durch eine Leitung fließt, an der das ringförmige Gehäuse 12 befestigt ist. In diesem Zustand

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wird das zu messende Gas in einer minimal möglichen Menge durch die Strönungsmitteldurchflußöffnungen 14, die der Seitenfläche 2d des Fühlerelementes 2 gegenüberliegen, wie in Figur 3 (b) gezeigt, in die Schutzabdeckung 6 eingeführt. Der eingeführte Strom des zu messenden Gases wird an der Seitenfläche 2d in zwei Teilströme entlang den gegenüberliegenden Primärflächen 2e und 2f aufgeteilt. Die beiden Teilströme des Gases vereinigen sich wieder, bevor sie die öffnungen 14 der Schutzabdeckung ö, die der Seitenfläche 2c des Fühlerelementes 2 gegenüberliegen, erreichen. Das Gas wird dann durch die öffnungen 14, die der Seitenfläche 2c gegenüberliegen, in den Strom außerhalb der Abdeckung 0 abgegeben. Gleichzeitig verläßt das in die Schutzabdeckung 6 eingeführte Gas diese durch die öffnung 18 am Ende derselben.

Die Schutzabdeckung 6 erlaubt somit nur die Einführung einer begrenzten Menge des zu messenden Gases durch die öffnungen 14, die der Seitenfläche 2d des Fühlerelementes 2 gegenüberliegen. Dadurch wird eine unmittelbare schädliche Beeinflussung des Festelektrolyten, der Elektroden und der anderen Bauteile des Fühlerelementes 2 durch das zu messende Gas auf ein Minimum gebracht. Eine Qua]itätsverschlechterung dieser Bauteile wird daher in wirksamer Weise verhindert, und die nutzbare Lebensdauer des Sauerstoffsensors in signifikanter Weise verlängert.

Die drei Strömungsmitteldurchflußöffnungen 14 sind entlang einer im wesentlichen geraden Linie auf

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jeder Seite des länglichen Fühlerelementes 2 angeordnet. Die der Seitenfläche 2c gegenüberliegenden öffnungen 14 sind symmetrisch zu den der gegenüberliegenden Seitenfläche 2d gegenüberliegenden öffnungen 14 angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird das zu messende Gas nicht senkrecht zu den Primärflächen 2e oder 2f auf das Fühlerelement 2 gerichtet, obwohl der Sauerstoffsensor relativ zu den Strömungslinien des zu messenden Gases durch die Leitung, mit der der Sensor verbunden ist, in Umfangsrichtung angeordnet ist. Mit anderen Worten, das zu messende Gas'wird durch einen der beiden gegenüberliegenden Sätze von öffnungen 14 (durch die öffnungen 14, die einer der gegenüberliegenden Seitenflächen 2c, 2d gegenüberliegen) in die Schutzabdeckung 6 eingeführt. Das bedeutet, daß das Gas immer in Richtung auf eine der Seitenflächen 2c, 2d geführt wird, unabhängig von der Umfangslage des Sauerstoffsensors relativ zur Strömungsrichtung des zu messenden Gases durch die Leitung, d.h. relativ zur Leitung. Somit besitzt die Umfangslage des Sauerstoffsensors relativ zu den Strömungslinien des durch die Leitung fließenden Gases einen vergleichsweise geringen Einfluß auf das Ansprechverhalten des Sauerstoffsensors. Mit anderen Worten, bei dem Sauerstoffsensor ist unabhängig von der Umfangslage des Sensors ein relativ gutes Ansprechverhalten sichergestellt. Darüberhinaus gestattet die öffnung 18 am Ende der Schutzabdeckung 6 eine Abgabe des eingeführten zu messenden Gases durch diese, wodurch eine glatte Strömung des Gases über die Länge des Fühlerelementes 2 und somit eine Verbesserung des Ansprechverhaltens des Sensors erzielt

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wird.

Während die drei Strömungsmitteldurchtrittsöffnungen 14 bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform in jedem der diametral gegenüberliegenden Teile der zylindrischen Wand 6, welche den entsprechenden Seitenflächen 2c, 2d des Fühlerelementes 2 gegenüberliegen, ausgebildet sind, ist es auch möglich, die Zahl der erforderlichen öffnungen 14 zu verändern. Darüberhinaus können die Größe, der Abstand und

andere Eigenschaften der öffnungen 14 in geeigneter Weise festgelegt werden, so daß die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in der beabsichtigten Wirkungsweise gelöst werden kann. 15

Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt die Schutzabdeckung 6 die öffnung 18 an ihrem Ende, das dem ersten Endabschnitt 2a des Fühlerelementes 2 entspricht. Dieses Ende der Schutzabdeckung 6 kann jedoch auch durch eine Endwand verschlossen sein. Falls gewünscht, kann diese Endwand eine geeignete Anzahl von öffnungen oder Löchern aufweisen, durch die das in die Abdeckung 6 eingeführte zu messende Gas nach außen in die Leitung abgegeben wird. 25

Obwohl die Schutzabdeckung 6 bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Strömungsmittel durchtrittsöffnungen 14 nur in den diametral gegenüberliegenden Teilen ihrer zylindrischen Wand, die den Seitenflächen 2c, 2d des Fühlerelementes 2 gegenüberliegen, aufweist, können auch zusätzliche öffnungen 14' , die den öffnungen 14 entsprechen, in einem anderen Teil der zylindrischen

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Wand ausgebildet sein, wie in Figur 4 gezeigt. Genauer gesagt, wenn ein Erfassungselement 16 (äußere Elektrode) des Elementes 2 nur auf der Primärfläche 2e angeordnet ist, können die zusätzlichen öffnungen 14' in einem Teil der zylindrischen Wand der Abdeckung 6 ausgebildet sein, der der Primärfläche 2f gegenüberliegt. In diesem Fall wird auch das Erfassungselement oder die äußere Elektrode 16 gegen eine Qualitätsverschlechterung durch einen direkten Kontakt mit Strömen des in die Schutzabdeckung b eingeführten zu messenden Gases geschützt.

Bei den dargestellten Ausführungsformen ist das Fülllerelement 2 relativ zur Schutzabdeckung 6 derart angeordnet, daß die öffnungen 14, 14' Teilen der Seitenflächen 2c, 2d benachbart zum ersten Endabschnitt 2a (Erfassungselement 16) gegenüberliegen. Es ist jedoch auch möglich, das Fühlerlement 2 derart in der Schutzabdeckung 6 anzuordnen, daß die

2Ü öffnungen 14, 14' in Längsrichtung des Elementes 2 von der Endfläche 2g (erster Endabschnitt 2a) des Fühlerelementes 2 entfernt angeordnet sind. In diesem Fall sind die öffnungen 14, 14' zu einer Verlänqerungslinie der entsprechenden Seitenflächen 2c, 2d des Fühlerelementes 2 ausgerichtet angeordnet.

Bei dem in den dargestellten Ausführungsformen verwendeten Fühlerelement 2 findet ein planarer Festelektroiytkorpus Verwendung, der aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyt besteht und nach den Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle arbeitet. Es wird jedoch ebenfalls vorge-

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schlagen, ein Fühlerelement zu verwenden, das mit einem Sauerstofferfassungselement versehen ist, das aus einem Oxid, beispielsweise Titandioxid, besteht, dessen elektrischer Widerstand in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration des zu messenden Gases schwankt.

Andere Modifikationen und Verbesserungen der vorliegenden Erfindung innerhalb des durch die Patentansprüche festgelegten Rahmens derselben sind naturgemäß ebenfalls möglich.

Wie vorstehend erläutert, ist der erfindungsgemäß ausgebildete Sauerstoffsensor, der mit einer Schutzabdeckung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß er Strömungsmittelwege aufweist, die in der Schutzabdeckung ausgebildet sind und die Öffnungen umfassen, welche sich durch Teile der Wand der Schutzabdeckung erstrecken, die den Primärflächen eines von der Schutzabdeckung umgebenen Fühlerelementes nicht gegenüberliegen. Falls erforderlich, können die Strömungswege desweiteren eine an dem Ende der Schutzabdeckung ausgebildete öffnung umfassen, das dem Endabschnitt des Fühlerelementes entspricht, an dem der Erfassungsabschnitt angeordnet ist. Durch die öffnungen kann das zu messende Gas in einer minimal möglichen Menge, die für die Messung oder die Bestimmung der Sauerstoffkonzentration des Gases erforderlich ist, in die Schutzabdeckung eingeführt werden. Die Lage der öffnungen relativ zum Fühlerelement ist so festgelegt, daß ein direkter Kontakt des Erfassungselementes des Fühlerelementes mit Strömen des zu messenden Gases verhindert und eine Qua 1itatsverschlechterung des Fühler-

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elernentes aufgrund eines derartigen direkten Kontaktes minimiert wird. Somit trägt die erfindungsgemäße Anordnung der Öffnungen und der Öffnung in der Schutzabdeckung zu Verbesserungen in bezug auf die nutzbare Lebensdauer und das Ansprechverhalten des Sauerstoffsensors bei. Insbesondere wird das Ansprechverhalten des Sensors durch die spezielle Umfangslage des Sauerstoffsensors, genauer gesagt durch die Umfangslage der Schutzabdeckung relativ zu den Stromungslinien des zu messenden Gases durch eine Leitung, an der der Sensor befestigt ist, nur geringfügig beeinfluß-t. Die vorliegende Erfindung stellt somit einen verbesserten Sauerstoffsensor zur Verfügung, der beispielsweise als Abgassensor zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann und sich durch eine große industrielle Bedeutung auf den entsprechenden Gebieten auszeichnet.

Hrfindungsgemäß wird somit ein Sauerstoffsensor vorgeschlagen, der ein planares Sauerstoffühlerelement, das einen in der Nachbarschaft eines Endes desselben angeordneten Sauerstofferfassungsabschnitt besitzt, und eine Schutzabdeckung aufweist, die das Fühlerelement umgibt, um insbesondere den Erfassungsabschnitt zu schützen. Der Erfassungsabschnitt ist mit einem Sauerstofferfassungselement versehen, das einem zu messenden Gas ausgesetzt ist. Das Fühlerelerent ^Mesitzt gegenüberliegende Primärflächen, die größer sind als andere Flächen desselben, und das Erfassungselement ist auf einer Seite von einer dieser Primärflächen angeordnet. Die Schutzabdeckung

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ist mit öffnungen versehen, die einen Durchfluß des zu messenden Gases durch eine Wand der Schutzabdeckung gestatten, so daß das Erfassungselement dem zu messenden Gas ausgesetzt ist. Diese öffnungen erstrecken sich durch einen Teil der Wand der Schutzabdeckung, der der vorstehend erwähnten einen Primärflache des planaren Fühlerelementes nicht gegenüberliegt.

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Claims

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Patentansprüche

Sauerstoffsensor mit einem planaren Sauerstofffühlerelement, das einen Sauerstofferfassungsabschnitt aufweist, der in der Nähe eines Endes desselben angeordnet ist, und einer Schutzabdeckung, die das Fühlerelement umschließt, um insbesondere den Erfassungsabschnitt zu schützen, wobei sich auf dem Sauerstofferfassungsabschnitt ein Sauerstofferfassungselement befindet, das einem zu messenden Gas ausgesetzt ist, das Fühlerelement gegenüberliegende Primärflächen aufweist, die größer ausgebildet sind als die anderen Flächen desselben und das Erfassungselement auf der Seite von einer der Primärflächen angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzabdeckung (6) Strömungsmittelwege aufweist, die ein Strömen des zu messenden Gases durch eine Wand der Schutzabdeckung (6) gestatten, so daß das Erfassungselement (3a) dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und daß sich die Strömungswege durch einen Teil der Wand erstrecken, der der einen Primärfläche (2e, 2f) des planaren Fühlerelementes (2) nicht gegenüberliegt.

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2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswege mindestens eine Öffnung (14) umfassen, die in einem Teil der Wand der Schutzabdeckung (6) ausgebildet ist, der einer der gegenüberliegenden Seitenflächen (2c, 2d) des Fühlerelementes (2) gegenüberliegt, die sich über die Länge des Fühlerelementes erstrecken.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Wand der Schutzabdeckung (6) in der Nachbarschaft des Erfassungsabschnittes (5) angeordnet ist.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Öffnung (14) Öffnungen umfaßt, die beiden gegenüberliegenden Seitenflächen (2c, 2d) des Fühlerelementes (2) gegenüberliegen.

5. Sauerstoffsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (14) aus einer Vielzahl von Öffnungen bestehen, die einer der gegenüberliegenden Seitenflächen (2c, 2d) gegenüberliegen, und aus einer Vielzahl von Öffnungen, die der anderen Seitenfläche gegenüberliegen.

6. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswege desweiteren eine Öffnung (18) umfassen,

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die an einem Ende der Schutzabdeckung (6) auf der Seite ausgebildet ist, die dem Erfassungsabschnitt (5) des Fühlerelementes (2) entspricht.

7. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erfassungselement (16) auf einer der gegenüberliegenden Primärflächen (2e, 2f) angeordnet ist und daß die Strömungswege desweiteren mindestens eine zusätzliche öffnung (14^f) umfassen, die in einem Teil der Wand ausgebildet ist, der der anderen der gegenüberliegenden Primärflächen (2e, 2f) gegenüberliegt/

8. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net daß das Sauerstoffühlerelement (2) einen planaren Festelektrolytkorpus umfaßt, der im wesentlichen aus Zirkondioxid besteht, sowie Elektroden (3a, 3b ; 16), die auf dem planaren Festelektrolytkorpus angeordnet sind, wobei eine der Elektroden (3a, 16) als dem zu messenden Gas ausgesetztes Erfassungselement dient.

9. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das Fühlerelement (2) eine elektrische Heizeinrichtung (20) eingearbeitet ist.

10. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß die Schutzabdeckung (6) eine zylindrische Wand besitzt, durch die sich die Strömungsmittelwege erstrecken.

11. Sauerstoffsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennze ichnet, daß die Strömungsmittelwege mindestens eine öffnung (14, 14') aufweisen, die in einem Teil der zylindrischen Wand der Schutzabdeckung (6) ausgebildet ist, der einer der gegenüberliegenden Seitenflächen (2c, 2d, 2e, 2f) des Fühlerelementes (2) gegenüberliegt, die sich über die Länge des Fühlerelementes erstrecken.

12. Sauerstoffsensor nach Anspruch 11, d a d u r ch gekennzeichnet, daß die Schutzabdeckung (6) an einem Ende ihrer zylindrischen Wand auf der dem Erfassungsabschnitt (5) des Fühlerelementes (2) entsprechenden Seite eine öffnung (18) aufweist und daß die Strömungswege diese öffnung (18) umfassen, durch die das durch die mindestens eine öffnung (14, 14') eingeführte zu messende Gas abgegeben wird.

13. Sauerstoffsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzabdeckung eine Endwand an einem Ende der zylindrischen Wand auf der Seite aufweist, die dem Erfassungsabschnitt des Fühlerlementes entspricht.

14. Sauersto-ffsensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Endwand

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mindestens eine öffnung aufweist, durch die das in die Schutzabdeckung eingeführte zu messende Gas abgegeben wird.

15. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungswege mindestens eine öffnung umfassen, die in einem Teil der Wand der Schutzabdeckung ausgebildet ist, der zu einer Verlängerungslinie einer der gegenüberliegenden Seitenflächen des Fühlerelementes, die sich über die Länge desselben erstrecken, ausgerichtet ist und der vom Erfassungsabschnitt in einer Richtung entlang der Verlängerungslinie entfernt angeordnet ist.

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