DE3620427A1 - Verschmutzungsgeschuetzter sauerstoffsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor oder -meßfühler zum Messen der Sauerstoffkonzentration im Abgas von einer Brennkraftmaschine oder sonstigen Ver­ brennungsvorrichtung.

Die meisten des bisherigen, für den genannten Zweck eingesetzten Sauerstoffsensoren verwenden Sauerstoff­ detektor- oder -meßelemente aus Zirkonoxid oder einem anderen Festelektrolyten.

In einem typischen Fall verwendet ein Sauerstoffsensor dieser Art ein röhrenförmiges Sauerstoffmeßelement aus einem Festelektrolyten, wie Zirkonoxid, das am einen Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist. Auf Innen- und Außenseiten des Sauerstoffmeßelementes sind innere bzw. äußere leitfähige Schichten oder Leiter­ schichten, üblicherweise aus Platin, aufgetragen, z. B. aufgedampft. Ein Ausgangsanschluß mit Luftöffnungen stellt eine Verbindung zwischen der Atmosphärenluft und der innerhalb des Sauerstoffmeßelements befindlichen Atmosphäre her. Eine Zuleitung dient zur Abnahme eines elektrischen Ausgangssignals von der inneren Leiter­ schicht, die über den Ausgangsanschluß elektrisch mit der Zuleitung verbunden ist. Ein Außenrohr nimmt das Sauerstoffmeßelement und den Ausgangsanschluß auf und ist mit Luftöffnungen zur Herstellung einer Verbindung zwischen der Atmosphärenluft und der Atmosphäre inner­ halb des Sauerstoffmeßelements versehen. Zum Messen der Sauerstoffkonzentration im Abgas von einer Verbrennungs­ vorrichtung o. dgl. ist der Sauerstoffsensor mit letzte­ rer derart verbunden, daß die innere Leiterschicht mit der Atmosphärenluft und die äußere Leiterschicht mit dem Abgas in Berührung stehen.

Wenn der vorstehend beschriebene Sauerstoffsensor als Zusatzteil bei einer Brennkraftmaschine oder einer sonstigen Verbrennungsvorrichtung verwendet wird, kann seine innere Leiterschicht durch im Umfeld der Maschine oder Vorrichtung vorhandenes Öl oder Wasser verunreinigt bzw. verschmutzt werden. Zur Vermeidung dieses Problems wird (normalerweise) ein öl- und wasserdichtes Dicht­ mittel zwischen der Abnahme-Zuleitung und dem Außenrohr vorgesehen. Öl oder Wasser kann aber dennoch über die Luftöffnungen im Außenrohr in den Sauerstoffsensor eindringen.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Sauerstoffsensors, der effektiv vor Verunreinigung oder Verschmutzung der inneren Leiterschicht durch Öl oder Wasser geschützt ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Sauerstoffsensor der ange­ gebenen Art erfindungsgemäß gelöst durch ein röhren­ förmiges, aus einem Festelektrolyten geformtes Sauer­ stoffmeßelement, das am einen Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist und bei dem sowohl auf Außen- als auch auf Innenfläche je eine leitfähige Schicht bzw. Leiterschicht aufgetragen, beispielsweise aufgedampft sind, einen Ausgangsanschluß, dessen eines Ende am oberen Abschnitt des offenen Endes Sauerstoffmeß­ elements festgelegt oder gehaltert ist, ein erstes, mit Luftöffnungen versehenes Rohr, welches das Sauerstoff­ meßelement und den Ausgangsanschluß schützt, und ein luftdurchlässiges Abstandstück, das zwischen dem Ausgangsanschluß und dem die Luftöffnungen aufweisenden Bereich des ersten Rohrs angeordnet und aus einem Gemisch aus anorganischen Fasern und einem thermoplastischen Kunstharz geformt ist.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Seiten­ ansicht eines Sauerstoffsensors oder -meßfühlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 1b einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1a,

Fig. 2a eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Seiten­ ansicht eines Sauerstoffsensors oder -meßfühlers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 2b einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2a,

Fig. 3a eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Seiten­ ansicht eines Sauerstoffsensors oder -meßfühlers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 3b einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 3a,

Fig. 4a eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Seiten­ ansicht eines Sauerstoffsensors oder -meßfühlers gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 4b einen Schnitt längs der Linie D-D in Fig. 4a,

Fig. 5a eine zur Hälfte im Schnitt gehaltene Seiten­ ansicht eines Sauerstoffsensors oder -meßfühlers gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfin­ dung und

Fig. 5b einen Schnitt längs der Linie E-E in Fig. 5a.

Fig. 1a veranschaulicht eine erste Ausführungsform des Sauerstoffsensors der Erfindung. Dabei ist ein Sauer­ stoffsensor 1 an einer Verbrennungsvorrichtung, z. B. einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt), angebracht bzw. in sie eingebaut. Ein röhrenförmiges Sauerstoff­ detektor- oder -meßelement 11 aus einem Festelektro­ lyten, wie Zirkonoxid (ZrO₂), weist einen geschlossenen Abschnitt 112 an einem unteren Ende 111 und einen offenen Abschnitt 114 an einem oberen Ende 113 auf. Auf die Innenfläche des Sauerstoffmeßelements 11 ist nach einem zweckmäßigen Verfahren, z. B. Aufdampfen, eine aus Platin (Pt) bestehende innere Leiterschicht 12 aufgebracht. Eine ebenfalls aus Platin bestehende äußere Leiterschicht 13 ist auf die Außenfläche des Sauerstoffmeßelements 11 aufgebracht, z. B. aufgedampft. Eine elektrisch mit der inneren Leiterschicht 12 verbundene Zuleitung 14 dient zum Abnehmen eines elektrischen Ausgangssignals von dieser Schicht 12. Ein elektrisch mit der äußeren Leiter­ schicht 13 verbundenes Metall-Einbauelement 15 ist rohrförmig ausgebildet, so daß es das Sauerstoffmeß­ element 11 aufzunehmen vermag. Am Umfang 151 des Ein­ bauelements 15 sind ein Sechskant 152 und ein Außen­ gewinde 154 angeformt, so daß der Sauerstoffsensor 1 an z. B. der Brennkraftmaschine anbringbar ist. An dem mit einer Wand (nicht dargestellt) der Brennkraftmaschine in Berührung bringbaren Abschnitt des Einbauelements 15 ist ein Dichtring 16 zur Verhinderung eines Abgasaustritts zwischen dem Sauerstoffsensor 1 und der genannten Wand vorgesehen. Das Einbauelement 15 ist ferner mit einem Spannbereich 153 versehen; durch Verspannen des letzteren ist das Sauerstoffmeßelement 11 im Zusammenwirken mit einer Dichtungs-Packungsscheibe (oder -schulter) 17, einer Talkumfüllung 18 und einem Spannring 19, die an der Innenumfangsfläche des Einbauelements 15 angeordnet sind, sicher in letzterem festgelegt. Ein Flansch 221 an einem Innenrohr 22 dient ebenfalls zur Befestigung des Sauerstoffmeßelements 11. Eine Schutzkappe (protector) 20 zum Schutze des Sauerstoffmeßelements 11 ist mit einer Anzahl von Öffnungen 201 zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Abgas und der äußeren Leiter­ schicht 13 versehen und an dem dem Brennraum zugeord­ neten Ende 155 des Einbauelements 15 angebracht.

Gemäß Fig. 1a ist ein Metall-Ausgangsanschluß 21 aus Federstahl geformt; er durchsetzt eine Bohrung 213 und stellt eine elektrische Verbindung zwischen der inneren Leiterschicht 12 am Sauerstoffmeßelement 11 und der Abnahme-Zuleitung 14 her. Bei der dargestellten Aus­ führungsform besteht der Ausgangsanschluß 21 aus einem Stab aus ausscheidungsgehärtetem rostfreiem Stahl (Sorte SUS 631). Der Ausgangsanschluß 21 weist einen Verbinder (junction) 211 auf, der in Radialrichtung elastisch und mit der inneren Leiterschicht 12 an der Innenfläche der oberen Bohrung 114 im Sauerstoffmeßelement 11 elektrisch verbunden ist. Zur Herstellung eines elektrischen Kon­ takts mit der inneren Leiterschicht 12 wird der Ver­ binder 211 in die Bohrung 114 eingepreßt; nach Aufhebung des Einpreßdrucks ist der Anschluß 21 sodann sicher gegen die innere Leiterschicht 12 festgelegt. Der Ver­ binder 211 ist durch das Außenrohr 22 geschützt. Der Ausgangsanschluß 21 und die Zuleitung 14 sind durch Zusammenpressen (compression) miteinander verbunden.

Die Verbindung zwischen dem Anschluß 21 und der Zulei­ tung 14 ist durch ein äußeres Schutzrohr 25 so geschützt, daß weder Wasser noch Öl in den Sauerstoffsensor 1 ein­ dringen kann. Das Schutzrohr 25 umschließt lose das Innenrohr 22 unter Ermöglichung eines Einströmens von Atmosphärenluft, außer an den Stellen, an denen beide Rohre, wie in Fig. 1b gezeigt, mittels flacher Umfangs­ flächen in inniger Berührung miteinander stehen. Das äußere Schutzrohr 25 enthält eine Feder 23 und ein Dichtmittel 24, das am oberen Ende des Schutzrohres durch die Feder festgelegt ist und von der Zuleitung 14 durch­ setzt wird. Das Dichtmittel besteht aus thermoplastischem Polyethylentherephthalat ((CF₂ = CF₂) _n , unter der Han­ delsbezeichnung Teflon bekannt). Ein unter der Feder 23 eingepreßtes Abstandsstück 26 drückt gegen das obere Ende 222 des Innenrohrs 22 an und ist aus einem glasfaser­ verstärkten Kunststoff geformt, der kaum elastisch ist und eine gute Dauerfestigkeit sowie hohe Wärmebeständig­ keit besitzt. Dieser Kunststoff des Abstandstücks 26 ist ein Gemisch aus 1. hoch luftdurchlässigen Glasfasern einer Porosität von 0,3-15% pro Querschnittsflächen­ einheit (wobei die Faser typischerweise einen Durchmesser von 10 µm und eine Länge von 100 µm besitzen und in einem Verhältnis von 30-50 Gew.-% zugemischt sind) und 2. Polyethylenterephthalat (Mischungsverhältnis 50-70 Gew.-%) als stark wasserabweisendes und hoch wärmebe­ ständiges Kunstharz. Das Abstandstück 26 kommuniziert mit der Atmosphärenluft über auch in Fig. 1b ersicht­ liche lotrechte Öffnungen 223, die als Einwärtseindrük­ kungen im Innenrohr 22 ausgebildet sind, verhindert jedoch ein Eindringen von Öl und Wasser, wodurch die innere Leiterschicht 12 verschmutzt werden würde. Da die innere Leiterschicht 12 sicher vor Oxidation geschützt ist, gewährleistet der Sauerstoffsensor 1 (gemäß der Erfindung) eine Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas über einen längeren Zeitraum hinweg, wobei die innere Leiterschicht und die äußere Leiterschicht 13 normalerweise in Berührung mit der Atmosphärenluft bzw. dem Abgas bleiben.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind der Ausgangs­ anschluß 21 und die Zuleitung 14 durch Verpressen (com­ pression) miteinander verbunden; sie können jedoch auch durch Hartlöten oder nach einer sonstigen üblichen Ver­ bindungstechnik miteinander verbunden sein.

Die Fig. 2a und 2b veranschaulichen eine zweite Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors. Dabei sind die funktionsmäßig den Teilen der ersten Aus­ führungsform entsprechenden Teile mit denselben Bezugs­ ziffern wie vorher bezeichnet.

Der Sauerstoffsensor 1 gemäß Fig. 1a und 2b verwendet zum Schutze des Verbinders 211 des Ausgangsanschlusses 21 ebenfalls eine Innenröhre 27, die aus einem Innenrohr­ (teil) 271 und einem in einem kleinen Abstand davon (und vom Außenrohr 27 bzw. 25) angeordneten Außenrohr(teil) 272 (vgl. Fig. 2a) an einer von den äußeren Flach­ seiten entfernten Stelle besteht. Das Außenrohr 272 ist seitlich unterhalb der Flachseiten mit Luftöffnungen 273 zum Zulassen von Atmosphärenluft über das Abstandstück 26, das aus einem Gemisch aus Glasfaser und Polyethylen­ terephthalat geformt ist, versehen. Wenn Öl oder Wasser auf einen erwärmten Sauerstoffsensor spritzt, verringert sich der in letzterem herrschende Druck so weit, daß Öl oder Wasser in den Sauerstoffsensor eingesaugt wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2a und 2b dient jedoch das Außenrohr 272 der doppelwandigen Röhre 27 als Puffer, der den Druck im Sauerstoffsensor 1 nur langsam absinken läßt. Die zweite Ausführungsform gewährleistet speziell eine weitgehende Verhinderung eines Eindringens von Wasser, wenn bei hohen Betriebstemperaturen Wasser auf den Sauerstoffsensor 1 spritzt.

Die Fig. 3a und 3b veranschaulichen eine dritte Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors 1, der ein rohrförmiges Dichtmittel 28 aus Silikongummi oder -kautschuk (SI) verwendet, das in einen weiten Temperaturbereich funktionsfähig ist und, bei hoher Wärmebeständigkeit, eine hohe Flexibilität selbst (noch) bei - 90°C zeigt. Dieser Sauerstoffsensor ist noch wirk­ samer abgedichtet als derjenige gemäß der ersten Aus­ führungsform, und er ist weitgehend unanfällig für fehlerhafte Arbeitsweise, die durch den Eintritt von Wasser oder Öl in den Sauerstoffsensor hervorgerufen werden könnte.

Die Fig. 4a und 4b zeigen eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Dabei weist die Zuleitung 14 des Sauer­ stoffsensors 1 einen Kern 141 auf, der mit dem Endab­ schnitt des Ausgangsanschlusses 21 verbunden ist, der seinerseits über einen Kern 142 mit der inneren Leiter­ schicht 12 verbunden ist.

Bei dem in Fig. 5a und 5b dargestellten Sauerstoffsensor 1 gemäß einer fünften Ausführungsform besteht das Innen­ rohr 27 zum Schutze des Außenabschnitts 212 des Aus­ gangsanschlusses 21 aus einem Innenrohrteil 271 und einem Außenrohrteil 272. In der Seite des Außenrohrteils 272 sind dabei Luftöffnungen 273 zum Zulassen von Atmo­ sphärenluft über das Abstandstück 26, das aus einem Gemisch aus Glasfaser und Polyethylenterephthalat ge­ formt ist, vorgesehen. Aufgrund des doppelwandigen Außenrohrs 27 bietet der Sauerstoffsensor 1 gemäß den Fig. 5a und 5b dieselben Vorteile wie der Sauerstoff­ sensor nach der zweiten Ausführungsform.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor mit dem beschrie­ benen Aufbau bietet die folgenden Vorteile:

Ein Abstandstück hoher Luftdurchlässigkeit und hohen Wasserabweisvermögens das aus einem Gemisch aus anor­ ganischen Fasern und einem thermoplastischen Kunstharz geformt ist, ist zwischen dem Ausgangsanschluß und dem Bereich des Außenrohrs, in welchem Luftöffnungen aus­ gebildet sind, angeordnet. Wenn der Sauerstoffsensor in eine Brennkraftmaschine oder (sonstige) Verbrennungs­ vorrichtung so eingebaut ist, daß die innere Leiter­ schicht mit der Atmosphärenluft und die äußere Leiter­ schicht mit dem Abgas von der Brennkraftmaschine o. dgl. in Berührung stehen, ermöglicht mithin der Sauerstoff­ sensor die Messung der Sauerstoffkonzentration im (zu untersuchenden) Abgas, während dabei aufgrund des Ab­ standstücks eine Berührung der inneren Leiterschicht mit Öl oder Wasser verhindert wird. Da die innere Leiter­ schicht nicht durch Öl oder Wasser beeinflußt wird, ist der Sauerstoffsensor geschützt vor fehlerhafter Arbeits­ weise aufgrund von Korrosion, so daß er bei langer Standzeit eine einwandfreie Messung der Sauerstoffkon­ zentration im Abgas gewährleistet.

Claims (6)

1. Sauerstoffsensor, gekennzeichnet durch
ein röhrenförmiges, aus einem Festelektrolyten geformtes Sauerstoffmeßelement (11), das am einen Ende geschlossen und am anderen Ende offen ist und bei dem sowohl auf Außen- als auch auf Innenfläche je eine leitfähige Schicht bzw. Leiterschicht (12, 13) auf­ getragen, beispielsweise aufgedampft sind,
einen Ausgangsanschluß (21), dessen eines Ende am oberen Abschnitt des offenen Endes des Sauerstoff­ meßelementes (11) festgelegt oder gehaltert ist,
ein erstes, mit Luftöffnungen versehenes Rohr (25), welches das Sauerstoffmeßelement und den Ausgangs­ anschluß schützt, und
ein luftdurchlässiges Abstandstück (26), das zwi­ schen dem Ausgangsanschluß (21) und dem die Luft­ öffnungen aufweisenden Bereich des ersten Rohrs ange­ ordnet und aus einem Gemisch aus anorganischen Fasern und einem thermoplastischen Kunstharz geformt ist.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein zweites, das erste Rohr umschließendes Rohr zur Herstellung eines Luftströmungswegs mit Ausnahme in einem Bereich enger Berührung zwischen beiden Rohren, wobei die Luftöffnungen einen Luftströmungs­ weg um den Bereich enger Berührung herum herstellen.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abstandstück aus einem glasfaser­ verstärkten Kunststoff in Form eines Gemisches aus Glasfaser und Polyethylenterephthalat geformt ist.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abstandstück eine Porosität im Bereich von 0,3-15% aufweist.

5. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Rohr einwandig ausgeführt ist.

6. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Rohr zwei Wände mit einem dazwischen festgelegten Luftströmungsweg aufweist.