DE3701934A1 - Ionenstromsonde - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ionenstromsonde zur Messung von Ionenströmen im Verbrennungsraum von Ver­ brennungsmotoren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Ionenstromsonde steht im Betrieb mit einer Regeleinrichtung in Verbindung, mit deren Hilfe das Betriebsverhalten eines Verbrennungsmotors geregelt wer­ den kann. Dabei fällt der Ionenstromsonde die Aufgabe zu, einen Ist-Wert für das Betriebsverhalten des Verbrennungs­ motors über die Größe der Ionenströme zu charakterisieren, damit dieser Ist-Wert mit einem Soll-Wert verglichen wer­ den kann.

Die Ionenstromsonde hat oftmals ihren Standort im Be­ reich der Kipphebel des Motors und kommt deshalb mit der Ölschmierung derselben sowie auch Öldämpfen in Berührung, so daß sie flüssigkeitsdicht sein muß. Außerdem unterliegt die Ionenstromsonde kopfseitig den Kompressionsdrücken des Verbrennungsmotors, so daß auch Anforderungen an ihre Gas­ dichtheit zu stellen sind.

Bei einer auf die Anmelderin zurückgehenden bekannten Ionenstromsonde der eingangs genannten Art sind die ge­ nannten Forderungen nur unzureichend erfüllt. Der Anschluß­ stift für die Steuerleitung erstreckt sich bei dieser bekannten Ionenstromsonde am rückwärtigen Ende aus dem Isolator heraus, so daß der Anschluß der Steuerleitung an einer Stelle erfolgt, die gegenüber Verschmutzungen durch Motoröl nicht ausreichend geschützt ist. Außerdem ist bei einem solchen Anschluß die Ionenstromsonde stark neben­ schlußgefährdet. Ferner ist bei der bekannten Ionenstrom­ sonde zur Abdichtung zwischen den zusammengehörigen Ring­ schultern des Metallkörpers und des Isolatorkörpers ledig­ lich ein Dichtring vorgesehen, der sich auf Dauer als un­ zureichend erweist. Darüber hinaus erfolgt die elektrische Verbindung zwischen dem Anschlußstift und der Mit­ telelektrode über ein dichtgepreßtes leitfähiges Granulat, das sich hinsichtlich seiner Leitungseigenschaften als zeitlich nicht konstant erweist und mit der Zeit immer hochohmiger wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ionenstromsonde bereitzustellen, welche bei einem Einsatz in einem Verbren­ nungsmotor hinsichtlich ihrer Eigenschaften von den sich aus einem solchen Einsatz ergebenden Umgebungsbedingungen weitgehend unbeeinflußt bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ionenstromsonde, wie sie in Anspruch 1 gekennzeichnet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Ge­ genstand der Unteransprüche.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Auf dieser zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ionenstromsonde im Längsschnitt,

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform derselben, ebenfalls im Längsschnitt, und

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform derselben, ebenfalls im Längsschnitt.

Die in Fig. 1 dargestellte Ionenstromsonde weist einen im wesentlichen stabförmigen Metallkörper 1, einen in diesem angeordneten keramischen Isolatorkörper 2 und eine in einer axialen Bohrung des Isolatorkörpers ange­ ordnete und aus dessen Spitze herausragende Mittelelektro­ de 7 auf, welche in der axialen Bohrung des Isolatorkörpers mit einem Anschlußstift 8 verbunden ist, der an seinem anderen Ende und immer noch innerhalb der Bohrung des Isolatorkörpers 2 mit der Seele 19 einer geschirmten Steuerleitung 4 verbunden ist, die sich axial aus dem rückwärtigen Ende des Metall­ körpers 1 zum Anschluß an eine nicht näher beschriebene elektronische Regeleinrichtung herauserstreckt. In dieses rückwärtige Ende des Metallkörpers 1 ist eine Druckschrau­ be 5 eingeschraubt, welche eine axiale Durchgangsbohrung aufweist, in welcher die Steuerleitung 4 verläuft. Die Druckschraube 5 quetscht zwischen ihrem Schaftende und dem rückwärtigen Ende des Isolatorkörpers 2 einen Dichtring 21 derart, daß dieser mit seinem inneren Rand außen gegen die Seele 19 der dort schirmfreien Steuerleitung 4 und mit sei­ nem äußeren Rand innen gegen den Metallkörper 1 gedrückt wird, auf welche Weise das Eindringen etwa von Öl bzw. Öl­ dämpfen an die Verbindung von Seele und Anschlußstift, also dort­ hin, wo elektrisch leitende Teile freiliegen, verhindert ist. Durch das Anordnen des Verbindungspunktes von An­ schlußstab 8 und Steuerleitung 4 tief in der Bohrung des Isolatorkörpers 2 werden außerdem lange Kriechstromwege erreicht, welche die Ausbildung von Nebenschlüssen verhin­ dern.

Das Schirmgeflecht 10 der Steuerleitung 4 endet in einer die Durchgangsbohrung der Druckschraube 5 umgebenden Sackbohrung, in wel­ che eine Kontaktschraube 6 eingeschraubt ist, die das Schirmgeflecht zwischen zwei Scheiben 11 und 12 festklemmt. An dieser Stelle gelangt das Schirmgeflecht auf das Masse­ potential der Sonde und außerdem wird hierdurch eine gute Zugentlastung für die Steuerleitung 4 gewährleistet.

Zur wechselseitigen Festlegung von Isolatorkörper 2 und Metallkörper 1 weist der Isolatorkörper 2 eine in Um­ fangsrichtung verlaufende Formrille 16 auf, in welche bei 15 die Wand des Metallkörpers 1 hineinverformt, z. B. ein­ gerollt ist. Ferner liegen der Metallkörper 1 und der ke­ ramische Isolatorkörper 2 über eine innere Ringschulter 13 bzw. eine äußere Ringschulter 14 aneinander an, wobei die Neigungswinkel der beiden Schultern bezüglich der Sonden­ achse so gewählt sind, daß die innere Ringschulter 13 des Metallkörpers schräger verläuft als die äußere Ringschul­ ter 14 des Keramikkörpers. Durch diese unterschiedlichen winkelmäßigen Ausbildungen ergibt sich eine Abdichtlippe, die sich durch Andrücken des Isolatorkörpers 2 an den Me­ tallkörper 1 plastisch verformt und eine Dichtung dar­ stellt, die der dort vorgesehenen Dichtringdichtung der bekannten Sonde überlegen ist. Zur Erzielung der geeigne­ ten axialen Vorspannung zwischen Metallkörper 1 und Keramik­ körper 2 wird ein eingestochener Bereich 17 zwischen dem eingerollten Bereich 15 und der Ringschulter 13 gestaucht, beispielsweise durch Widerstandserwärmung elektrogestaucht, wobei die Stauchung gegen ein später abgedrehtes bei 18 an­ gedeutetes Widerlager erfolgt. Nach der Stauchung wirkt die Einrollung 15 bei 24 als ein Federelement, das bleibend dafür sorgt, daß die Ringschulter 13 dichtend gegen die Ringschulter 14 gezogen wird. Die stabförmige Mittelelek­ trode 7 legt sich bei 3 mit einer Ringschulter ebenfalls gegen eine entsprechende Ringschulter der Bohrung des Keramik­ körpers 2 und wird gegen diese durch ein Glaslot 9 gehalten und abgeschlossen, mit welchem die Mittelelektrode 7 in die Bohrung des Isolatorkörpers eingeschmolzen ist. Die Verbindung zwischen Mittelelektrode 7 und dem Anschluß­ stift 8 erfolgt hier durch Einschrauben einer dünnen stiftartigen Fortsetzung 30 der Mittelelektrode in den Abschlußstift 8. Auf diese Weise ist eine niederohmige und zeitlich konstant bleibende elektrische Verbindung zwischen dem Anschlußstift 8 und der Mittelelektrode 7 geschaffen.

22 bezeichnet einen unverlierbaren Dichtring, der als Dichtung beim Einschrauben der Ionenstromsonde in den Zylinderkopf dient. Das Einschrauben kann über den Sechs­ kant der Druckschraube 5 erfolgen, die nach ihrem Ein­ schrauben in den Metallkörper 1 mit diesem beispielsweise durch Schweißen fest verbunden wird.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der gegenständ­ lichen Ionenstromsonde in Winkelform.

Der Metallkörper weist hier zwei senkrecht zu­ einander liegende Teile 1 a und 1 b auf, und ebenso ist der Isolatorkörper mit den Teilen 2 a und 2 b zweigeteilt. Die spitzenseitigen Teile 1 a und 2 a von Metallkörper und Iso­ latorkörper sind genau wie bei der ersten Ausführungsform über unterschiedlich geneigte Ringschultern und einen zwi­ schen Ringschulter und einem Widerlager für den Isolatorkörper vorgesehenen gestauchten Teil des Metallkörpers aneinander festgelegt. Das Widerlager ist bei dieser Ausführungsform durch eine Hintergreifung eines Stufenringes 23 gebildet, welcher sich seinerseits gegen einen umgekehrt wie die Ringschulter des Isolator­ körpers konischen Teil des Isolatorkörpers legt. Ebenso wie Metall- und Isolatorkörper ist auch der Anschlußstift mit den Teilen 8 a und 8 b zweigeteilt, wobei der vordere Teil wiederum mit einem Fortsatz 30 der Mittelelektrode 7 ver­ schraubt ist, wobei wiederum die Mittelelektrode mit ei­ nem Glaslot 9 eingeschmolzen ist, welches sich wiederum zwischen dem vorderen Teil des Anschlußstiftes 8 a und einem verdickten Teil der Mittelelektrode 7, mit welchem diese gegen eine entsprechend geformte innere Ringschulter des keramischen Isolatorkörpers 2 a drückt, befindet.

Am rückwärtigen Ende liegen hinsichtlich der Abdichtung der Durchführung der Steuerleitung 7 zum hinteren Teil des Anschlußstiftes 8 b die gleichen Verhältnisse wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 vor. War bei der Ausführungsform der Fig. 1 die Seele 19 der Steuerleitung 4 mit dem Anschlußstift 8 über eine am Ende der Seele angebrachte Schraubspitze verschraubt, so liegt hier bei 25 eine Verschweißung vor. Außerdem ist die Seele der Steuerleitung mit einem Kitt 26 in die axiale Bohrung des rück­ wärtigen Isolatorkörpers 8 b eingekittet.

Das Widerlager für den hinteren Teil 2 b des Isola­ torkörpers bildet hier eine innere Schulter 24 des Metall­ körpers 1 b, gegen welche der Isolatorkörper 8 b mit einer entsprechenden äußeren Schulter anliegt. Die elektrische Verbindung der beiden zu verschiedenen Schenkeln gehöri­ gen Teile 8 a und 8 b des Anschlußstiftes erfolgt über eine Rastfeder 27, welche gegen den Teil 8 a zur Anlage kommt und auch mit dem Teil 8 b in Verbindung steht. 28 be­ zeichnet eine Wasserschutzkappe die den Eckteil der Sonde umgibt. Diese ist selbst von einem die beiden Teile 1 a und 1 b des Metallkörpers verbindenden metallischen Körper 1 c umgeben.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der gegen­ ständlichen Ionenstromsonde.

Diese dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform im wesent­ lichen dadurch, daß die elektrische Verbindung zwischen Mittelelektrode 7 und Anschlußstift 8 nicht über eine stiftartige Fortsetzung der Mittelelektrode erfolgt, son­ dern über das zu diesem Zweck besonders niederohmig ge­ wählte Glaslot 9, mit welchem die Mittelelektrode 7 gas­ dicht im Isolatorkörper 2 festgelegt ist.

Ferner ist bei der Ausführungsform der Fig. 3 die Steuerleitung 4 einschließlich Schirm 10 und dessen um­ gebendem Mantel sowie einem z. B. Wärmeschrumpfschlauch 29 oder einer Tülle durch den Dichtring 21 geführt. Dies vereinfacht die Ausführung der Druckschraube 5, an der nun kein Massekontakt des Schirms 10 mehr hergestellt wird. Der Schirm 10 endet vielmehr innerhalb des Isolator­ körpers 2 und wird steuergeräteseitig geerdet.

Claims (6)

1. Ionenstromsonde zur Messung von Ionenströmen im Verbrennungsraum von Verbrennungsmotoren, mit einem äuße­ ren mantelartigen Metallkörper (1; 1 a, 1 b), welcher von einem gegen eine innere Ringschulter (13) des Metallkör­ pers mit einer äußeren Ringschulter (14) anliegenden und durch ein Widerlager des Metallkörpers axial festgelegten Isolatorkörper (2; 2 a, 2 b) durchsetzt ist, und wobei der Isolatorkörper seinerseits von einer zur Spitze der Sonde verlaufenden Mittelelektrode (7) durchsetzt wird, die sich mit einer äußeren Ringschulter gegen eine gleichsinnig wie die Ringschulter des Metallkörpers orientierte innere Ringschulter des Isolatorkörpers legt und am inneren Ende mit einem Anschlußstift (8; 8 a, 8 b) verbunden ist, an wel­ chen andererseits eine Steuerleitung (4) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß­ stift (8; 8 a, 8 b) steuerleitungsseitig im Inneren des Iso­ latorkörpers endet und daß der Bereich des Anschlusses der Steuerleitung (4) an den Anschlußstift steuerleitungsseitig dichtend nach außen abgeschlossen ist.

2. Ionenstromsonde nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur dichtenden Abschließung eine am steuerleitungsseitigen Ende des Metallkörpers (1; 1 a, 1 b) in diesen eingeschraubte Druckschraube (5) vorgesehen ist, die in einer Durchgangsbohrung von der Steuerleitung (4) durchsetzt wird und zwischen sich und dem Isolatorkörper (2; 2 a, 2 b) einen Dichtring (21) nach außen gegen die Innenwand des Metallkörpers und nach innen gegen die Steuerleitung preßt.

3. Ionenstromsonde nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerleitung (4) ei­ nen Schirm (10) aufweist, der in einer an der Kopfseite der Druckschraube (5) ausgebildeten, die Durchgangsboh­ rung für die Steuerleitung erweiternden Sackbohrung mit einer in diese geschraubten Kontaktschraube (6) festge­ klemmt ist.

4. Ionenstromsonde nach einem der vorstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Ringschulter (13) des Metallkörpers (1; 1 a, 1 b) schräger als die äußere Ringschulter (14) des Keramik­ körpers (2; 2 a, 2 b) ist, und daß durch Stauchung des Me­ tallkörpers in einem zwischen seiner Schulter und dem Widerlager liegenden Bereich eine die Schultern von Me­ tallkörper und Isolator gegeneinander drückende axiale Vorspannung erzielt ist.

5. Ionenstromsonde nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittelelektrode (7) über eine von ihrem Ringschulterbereich ausgehende rück­ wärtige stiftartige Fortsetzung (30) mit dem andererseits mit der Steuerleitung (4) verbundenen Anschlußstift (8; 8 a, 8 b) verbunden ist, und daß zwischen dem Ring­ schulterbereich und dem Anschlußstift eine die stiftartige Fortsetzung umgebende Glaseinschmelzung (9) im Isolatorkörper (2; 2 a, 2 b) vorgesehen ist.

6. Ionenstromsonde nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Mittelelektrode (7) über ein zwischen dieser und dem Anschlußstift (8) befindliches niederohmiges Glaslot (9) mit dem ande­ rerseits mit der Steuerleitung (4) verbundenen Anschluß­ stift verbunden ist.