DE3709516C2 - Sauerstoffsensor - Google Patents
SauerstoffsensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor oder -meß
fühler zum Messen der Sauerstoffkonzentration in z. B. dem
Abgas von einer Brennkraftmaschine.
Mit dem Ziel der Verbesserung der Kraftstoffausnutzung und
der Verringerung von Emissionen wird derzeit die
Regelung des Luft/Kraftstoffgemisches bei Brenn
kraftmaschinen auf der Grundlage von Messungen des Sauer
stoffpartialdrucks im Abgas von der Brennkraftmaschine
vorgenommen. Der Sauerstoffpartialdruck des Abgases wird
mit einem Sauerstoffsensor gemessen, der eine Schicht oder
Lage aus einem sauerstoffionenleitenden Elektrolyten, wie
einer Festlösungsverbindung aus Zirkonoxid oder Yttrium
oxid, verwendet. Ein Beispiel für einen solchen Sauer
stoffsensor ist in der (offengelegten) JP-Gebrauchsmuster
anmeldung 100658/1985 beschrieben. Der Sensor gemäß dieser
Schrift weist eine sauerstoffionenleitende Festelektrolyt
schicht in einem Spalt oder Zwischenraum zwischen einer inneren
und einer äußeren Elektrode auf, die zylinderförmig kon
zentrisch zueinander angeordnet sind. Dieser Sensor kann
als Sauerstoffkonzentrationssensor angesehen werden, der
eine Messung an einem zu untersuchenden Gas an der Außen
fläche der Festelektrolytschicht vornimmt. Dies bedeutet,
daß der Sensor ein Meßsystem darstellt, das ohne Einführung
einer Bezugsatmosphäre arbeitet.
Um zu gewährleisten, daß die als Bezugssauerstoffquelle
benutzte Luft beim obigen Sensor in Berührung mit der
Innenfläche der Festelektrolytschicht eingeführt wird,
ohne sich mit dem zu untersuchenden Gas zu vermischen,
wird eine "grüne" oder ungesinterte Lage (green sheet)
verwendet, die einen Schlitz aufweist, der einen Luftein
führkanal bildet, und die um ein Kernmaterial herumge
wickelt sein muß, welches in einer Stangen- oder Stabform
vorliegen kann und mit der Festelektrolytschicht bedeckt
ist. Die Anordnung aus dem Kern und der ungesinterten Lage
wird gesintert, wobei ein Erzeugnis mit einem Kanal zum
Einführen der Bezugsatmosphäre erhalten wird. Dabei
müssen - mit anderen Worten - mindestens zwei Lagen oder Schichten,
von denen die eine eine ungesinterte Lage aus der Fest
elektrolytschicht für die Messung des Sauerstoffpartial
drucks und die andere eine ungesinterte Lage, die als Ab
standselement dient und mit dem erwähnten Schlitz versehen
ist, darstellt, gesintert werden, nachdem sie konzentrisch
zueinander gewickelt worden sind. Die Herstellung einer
konzentrischen Anordnung aus mehr als einer ungesinterten
Lage unter Vermeidung einer Verformung wirft jedoch er
hebliche Schwierigkeiten auf. Darüber hinaus bedingt die
größere Zahl der erforderlichen Fertigungsschritte eine
verminderte Produktionsleistung.
Ein anderes Problem bei der oben beschriebenen Technik
besteht darin, daß die Verwendung eines Stabs für das Kern
material eine erhöhte Wärmekapazität des Sauerstoffsen
sors bedingt. Um den Sensor auf einer für die vorgesehene
Messung geeigneten Temperatur zu halten, muß ein Heiz
element für die Elektroden eine hohe Wärmeerzeugungs-Nenn
leistung besitzen; dabei erhöht sich jedoch der Leistungs
bedarf des Heizelements unter Beeinträchtigung seiner Halt
barkeit.
Ein weiterer Sauerstoffsensor ist aus der DE 35 09 197 A1
bekannt. Dieser bekannte Sensor besitzt ein längliches plana
res Sauerstoffühlerelement, das einen quaderförmigen flächi
gen Festelektrolytkorpus aufweist, auf dem Elektroden mit
Anschlußleitungen und Anschlußabschnitten aufgedruckt sind.
Der Zugang einer Bezugsatmosphäre zu einer der Elektroden
wird durch einen rechteckigen, einseitig offenen Rahmen aus
Zirkondioxid gebildet, der auf dem Festelektrolytkorpus
auflaminiert ist und von einer ebenfalls flächigen Sauer
stoffühlerschicht aus Zirkondioxid abgedeckt ist. Durch die
Laminierung mehrerer Schichten weist dieser Sensor auch das
zuvor beschriebene Problem auf, daß aufgrund der erhöhten
Wärmekapazität zur Erwärmung des Sensors Heizelemente einer
größeren Heizleistung erforderlich sind.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Sauerstoff
sensors, der sich einfach herstellen läßt und eine geringe
Wärmekapazität aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Sauer
stoffsensor, mit einem hohlzylindrischen Element, das am
einen axialen Ende offen und am anderen axialen Ende
geschlossen ist und in einer Seitenwand mindestens eine
durchgehende Öffnung aufweist, und einer sauerstoffionen
leitenden Festelektrolytschicht, die das hohlzylindrische
Element umschließt, wobei an gegenüberliegenden Seiten der
Festelektrolytschicht mindestens zwei Elektroden vorgesehen
sind, von denen die eine Elektrode im Bereich der durchgehen
den Öffnung des hohlzylindrischen Elements diesem zugewandt
angeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor oder -meßfühler läßt
sich als hohlzylindrisches Element umreißen, das am einen
Ende geschlossen, am anderen Ende aber für den Zulaß eines
Bezugsgases offen ist. Im hohlzylindrischen Element ist min
destens eine durchgehende Radialöffnung vorgesehen. Eine
sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht weist auf ihren
gegenüberliegenden Seiten mindestens zwei Elektroden auf. Die
Elektrolytschicht ist um das hohlzylindrische Element so her
umgewickelt, daß die innenseitige Elektrode der durchgehenden
Öffnung zugewandt ist.
Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor bietet verschiedene
Vorteile. Zum einen ist er keinen Änderungen aufgrund einer
sich ändernden Gasströmung unterworfen. Durch unterschiedli
che Wärmeausdehnung der verschiedenen Werkstoffe wird nur
eine geringe (mechanische) Spannung erzeugt. Der Sensor
besitzt einen einfachen Aufbau, so daß er sich kostensparend
herstellen läßt. Darüber hinaus ist keine äußere elektrische
Stromquelle erforderlich.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er
findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Sauer
stoffsensors gemäß einer Ausführungsform der Er
findung,
Fig. 2 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt
längs der Linie A-A in Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Teil- bzw. Schnittansicht
des hohlzylindrischen Elements beim Sauerstoff
sensor gemäß Fig. 1,
Fig. 4 eine auseinandergezogene perspektivische Darstel
lung des Sauerstoffsensors nach Fig. 1,
Fig. 5 eine teilweise im Schnitt gehaltene Darstellung
einer Sauerstoffmeßsonde unter Verwendung des
Sauerstoffsensors nach Fig. 1,
Fig. 6 eine auseinandergezogene perspektivische Darstel
lung eines Sauerstoffsensors gemäß einer zweiten
Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 7 eine auseinandergezogene perspektivische Darstel
lung eines Sauerstoffsensors gemäß einer dritten
Ausführungsform der Erfindung.
Mit dem erfindungsgemäßen Sauerstoffsensor sollen die oben
geschilderten Probleme beim Stand der Technik gelöst wer
den. Der Sauerstoffsensor umfaßt ein hohlzylindrisches
Element, das am einen Ende offen ist, am anderen Ende eine
Verschlußwand aufweist und in der Seitenwand mit einer
durchgehenden Öffnung versehen ist. Eine sauerstoffionen
leitende Festelektrolytschicht umschließt das hohlzy
lindrische Element, wobei die Festelektrolytschicht auf gegenüberliegenden Seiten min
destens zwei Elektroden aufweist. Eine Elektrode an der
Innenfläche der Festelektrolytschicht ist in einem der
Öffnung im hohlzylindrischen Element entsprechenden Be
reich vorgesehen.
Das hohlzylindrische Element beim erfindungsgemäßen Sauer
stoffsensor bildet einen Bezugsgas-Einführkanal insofern,
als die als Bezugssauerstoffquelle dienende atmosphärische
Luft in das Element an dessen offenem Ende eintritt und
über die durchgehende Öffnung in eine elektrochemische
Sauerstoffkonzentrationszelle
austritt, die aus der Festelektrolytschicht
und zwei Elektroden gebildet ist. Das hohlzylindrische
Element kann auf passende Weise, z. B. durch Gesenkform
pressen oder Extrudieren, hergestellt werden; sein Werk
stoff kann aus Keramikmaterialien, Metallen oder anderen
Materialien bestehen, die keinen vom Wärmedehnungskoeffi
zienten der Festelektrolytschicht wesentlich verschiedenen
Wärmedehnungskoeffizienten aufweisen. Wenn das zu
analysierende Gas von einer Brennkraft
maschine stammt und daher eine Temperatur von bis zu
600°C oder auch mehr besitzen kann, werden vorzugsweise
Keramikmaterialien verwendet. Bei Verwendung von Metall
muß das hohlzylindrische Element gegenüber der Elektrode
an der Innenfläche der Festelektrolytschicht isoliert
werden.
Die Festelektrolytschicht kann aus einem beliebigen Ma
terial geformt werden, das Sauerstoffionenleitfähigkeit
besitzt, z. B. Y2O3-ZrO2 oder CaO-ZrO2.
Die auf gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytschicht
vorgesehenen Elektroden können aus einem Edelmetall, wie
Platin, oder einem gasdurchlässigen Material in Form eines
Gemisches aus einem Edelmetall und einem Keramikpulver
geformt sein.
Die oben genannten Bauelemente können auf verschieden
artige Weise zu einem Sauerstoffsensor zusammengesetzt
werden. Gemäß einem entsprechenden Verfahren wird eine
ungesinterte Schicht oder Lage (green sheet) aus dem Fest
elektrolyten, auf deren gegenüberliegende Seiten Elek
troden nach einem Dickschichtauftragprozeß aufgedruckt
sind, derart um das hohlzylindrische Element herumge
wickelt oder -gelegt, daß sich die Elektrode an der Innen
fläche der Lage in einem der durchgehenden Öffnung im
hohlzylindrischen Element entsprechenden Bereich befindet.
Die Anordnung wird dann mittels einer geeigneten Form-Vor
richtung in einer Rohrform fixiert und zur Bildung
eines einheitlichen Systems des Sauerstoffsensors ge
sintert.
In der Nähe der Elektrode an der Innenfläche der Fest
elektrolytschicht kann ein Heizelement nach Dickschicht
auftragtechnik aufgedruckt sein. Wahlweise kann nach
derselben Technik ein Heizelement in der Nähe der Elektrode
an der Außenfläche der Festelektrolytschicht aufgedruckt
sein. Vorteilhaft bei der Anordnung eines Heizelements
ist, daß ein Bereich der Festelektrolytschicht in der
Nähe oder Nachbarschaft einer der Elektroden auf eine für die
vorgesehene Messung geeignete Temperatur erwärmt werden
kann.
Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor weist einen das
hohlzylindrische Element durchsetzenden Bezugsgas-Einführ
kanal zum Aufnehmen oder Einleiten von Atmosphärenluft
am offenen Ende und zum Auslassen derselben aus dem Ele
ment über die durchgehende Öffnung auf, so daß die Luft
die Elektrode an der Innenfläche der Festelektrolytschicht
kontaktiert. Da das Bezugsgas mit der Innenfläche der Fest
elektrolytschicht in Berührung gebracht wird, während deren
Außenfläche mit dem zu untersuchenden Gas in Berührung
steht, kann der Sauerstoffpartialdruck in dem zu unter
suchenden Gas durch Messung des zwischen den Elektroden
auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrolytschicht fließen
den Stroms bestimmt werden. Bei Anwendung dieser Ausge
staltung kann ein Sauerstoffsensor ohne eine ungesinterte
Lage mit einem Schlitz zur Bildung eines Bezugsgas-Ein
führkanals hergestellt werden. Außerdem begünstigt die
Verwendung eines hohlzylindrischen Elements die Herstel
lung eines Sauerstoffsensors, der einfach aufgebaut ist
und eine geringe Wärmekapazität besitzt.
Im folgenden ist eine erste Ausführungsform der Erfindung
anhand der Fig. 1 bis 5 beschrieben, in denen die einzelnen
Bauteile zur besseren Verdeutlichung nicht maßstabsgerecht
dargestellt sind.
Gemäß Fig. 1 besteht ein Sauerstoffsensor 1 gemäß der Er
findung aus einem hohlzylindrischen Element 4, um das eine
Festelektrolytschicht 8 herumgewickelt bzw. herumgelegt
ist. Das Element 4 besteht aus ZrO2 und weist in seiner
Außenfläche durchgehende Öffnungen bzw. Bohrungen 2 und
3 auf. Die Festelektrolytschicht 8 ist an ihrer Innen
seite mit einer Bezugselektrode 5 versehen und weist an
ihrer Außenseite eine Meßelektrode 6 sowie zwei Heizele
mente 7 auf. Die beiden Heizelemente 7 gemäß Fig. 1 sind
einmal in dem von der Festelektrolytschicht 8 bedeckten
Zustand und zum anderen in einem teilweise freigelegten
Schnitt, welcher den gewählten Aufbau des Heizelements
7 erkennen läßt, dargestellt.
Aus der Darstellung von Fig. 2 (Schnitt längs der Linie
A-A in Fig. 1) ist ersichtlich, daß die Bezugselektrode 5
in einem gewählten Bereich der Innenfläche der Festelek
trolytschicht in Berührung oder Kontakt mit dem hohlzy
lindrischen Element 4 angeordnet ist. Dieser gewählte Be
reich entspricht den durchgehenden Öffnungen bzw. Boh
rungen 2 und 3. Die Meßelektrode 6 befindet sich an der
Außenfläche der Festelektrolytschicht 8 in einem gewählten
oder bestimmten Bereich, welcher der Bezugselektrode 5
gegenüberliegt und mit dieser korrespondiert. Die Heiz
elemente 7 sind dabei an der Außenfläche der Festelektrolyt
schicht 8 so angeordnet, daß die Meßelektrode 6 zwischen
ihnen liegt.
Die innenseitige Bezugselektrode 5 ist mit einem Anschluß
11 (vgl. Fig. 1) über eine durchgehende Öffnung oder Boh
rung in der Festelektrolytschicht 8 verbunden. Die Meß
elektrode 6 ist mit einem Anschluß 12 verbunden, während
die Heizelemente 7 an zwei Anschlüsse 13 angeschlossen
sind.
Fig. 4 veranschaulicht den Sauerstoffsensor gemäß Fig. 1
in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung, wo
bei das an der Unterseite von Fig. 4 gezeigte hohlzylindrische
Element 4 auch in Fig. 3 im Schnitt längs der Linie B-B
dargestellt ist. Hierbei besitzt das hohlzylindrische
Element 4 einen Außendurchmesser von 3,2 mm und einen
Innendurchmesser von 1,5 mm, wobei es am einen Ende 14
offen und am anderen Ende durch eine Wand 15 verschlossen
ist. Die beiden Bohrungen 2 und 3 jeweils eines Durch
messers von 1 mm sind in einen bestimmten Bereich der Sei
tenwand in der Nähe der verschließenden Wand 15 ausgebil
det. Die endseitige Öffnung 14, der Hohlraum 16 und die
Bohrungen 2 und 3 des Elements 4 bilden einen Bezugsgas-
Einführkanal, in welchem die über die Öffnung 14 ein
strömende atmosphärische Luft den Hohlraum 16 durchströmt
und über die Bohrungen 2 und 3 austritt. Das hohlzylindrische
Element 4 der beschriebenen Ausgestaltung läßt sich ohne
weiteres durch Gesenkformpressen oder Extrudieren bzw.
Strangpressen herstellen.
Gemäß Fig. 4 besteht die Festelektrolytschicht 8 aus einer
ungesinterten Lage (green sheet) 8a aus einem Pulver einer
Mischkristallzusammensetzung von Y2O3 und ZrO2 im Gemisch mit
einem herkömmlichen Bindemittel. In einer Ecke der unge
sinterten Lage 8a ist eine durchgehende Öffnung bzw. Boh
rung 21 ausgebildet, über welche die Bezugselektrode 5
mit dem Anschluß 11 verbindbar ist.
Die die Innenfläche der Festelektrolytschicht 8 bildende
Rückseite der ungesinterten Lage 8a ist mit der Bezugs
elektrode 5 versehen, die durch Aufdrucken einer zirkon
oxidhaltigen Platinschicht mit einer Dicke von 10 µm nach
Dickschichtauftragtechnik ausgebildet ist.
Die die Außenfläche der Festelektrolytschicht 8 bildende
Vorderseite der ungesinterten Lage 8a ist mit den im fol
genden angegebenen, nach Dickschichtdrucktechnik ausge
bildeten Elementen versehen. Hierbei werden
zunächst der Bezugselektroden-Anschluß 11, die
Meßelektrode 6 und der Meßelektroden-Anschluß 12 aus zirkon
oxidhaltigem Platin in Form jeweils einer 10 µm dicken
Schicht geformt. Sodann wird auf der Oberfläche der Meß
elektrode 6 eine Schutzschicht 22 aus platinhaltigem Alu
miniumoxid mit einer Dicke von 20 µm ausgebildet. Als
nächstes wird eine Isolierschicht 23 aus Aluminiumoxid
mit einer Dicke von 30 µm auf der Gesamtoberfläche der
ungesinterten Lage 8a, mit Ausnahme eines von den An
schlüssen 11 und 12 eingenommenen Bereichs 24 und eines
von der Meßelektrode 6 eingenommenen Bereichs 25, erzeugt.
Danach werden die beiden Heizelemente 7 und die Heizele
ment-Anschlüsse 13, die jeweils aus aluminiumoxidhaltigem
Platin bestehen und eine Dicke von 10 µm besitzen, auf
der Oberfläche der Isolierschicht 23 erzeugt. Schließlich
wird eine Isolierschicht 26 aus siliziumoxidhaltigem Alu
miniumoxid mit einer Dicke von 20 µm auf der Gesamtfläche
der Isolierschicht 23 ausgebildet, mit Ausnahme eines durch
die Heizelement-Anschlüsse 13 bedeckten Bereichs 27 und
eines von der Meßelektrode 6 eingenommenen Bereichs 28.
Nachdem sie mit den erforderlichen Teilen nach Dickschicht
drucktechnik versehen worden ist, wird die ungesinterte
Lage 8a an ihrer Rückseite oder Innenseite mit einer Schicht
aus Zirkonoxidpaste bestrichen und um das hohlzylindrische
Element 4 so herumgewickelt, daß sich die Bezugselektrode
5 in einem Bereich befindet, der den Bohrungen 2 und 3
im Element 4 entspricht. Die herumgewickelte ungesinterte
Lage 8a wird durch Anpressung mit Hilfe eines Gummiele
ments unter Vakuum fest gegen das hohl
zylindrische Element 4 gehalten und dann in der Atmosphäre
gesintert, wodurch der Sauerstoffsensor 1 gemäß Fig. 1
erhalten wird.
Der auf diese Weise hergestellte Sauerstoffsensor 1 wird
gemäß Fig. 5 mit Hilfe eines Füllpulvers 33 aus Ruß, Tal
kum o. dgl., einer Dichtungspackung 34 und eines Dicht
rings 35 in einem Halter 32 fixiert. Eine Anschluß-Druck
metallvorrichtung 36 wird durch Hartlöten mit den einzel
nen Anschlüssen 11, 12 und 13 verbunden, und eine ge
trennte Zuleitung 37 wird gegen jede derartige Metall
fixiervorrichtung unter Druck verspannt. Nach Anbringung
eines Metallrahmens (bzw. einer Mutter) 38, eines Schutz
gehäuses 39, einer Durchführung 40 und einer Schutzkappe
41, die eine Gasströmung zur Meßelektrode 6 zuläßt, ist
eine Sauerstoffmeßsonde 42 fertiggestellt.
Beim beschriebenen Sauerstoffsensor 1 tritt Atmosphären
luft am offenen Ende 14 (von der Oberseite gemäß Fig. 5
her) in das hohlzylindrische Element 4 ein und strömt über
die Bohrungen 2 und 3 in Berührung mit der Bezugselektrode
5 aus. Da der erforderliche Bezugsgas-Einführkanal ohne
Verwendung einer geschlitzten ungesinterten Lage vorge
sehen ist, kann der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor mit
hoher Produktionsleistung und einer kleineren Zahl von
Fertigungsschritten hergestellt werden.
Außerdem begünstigt die Verwendung des hohlzylindrischen
Elements 4 die Verringerung der Wärmekapazität (oder des
Wärmeinhalts) des Sauerstoffsensors; hierdurch wird ein
verbesserter thermischer Wirkungsgrad der Heizelemente
7 und damit ein geringerer Leistungsverbrauch erzielt.
Vorteilhaft ist dabei auch, daß die Heizelemente nach
Dickschichttechnik auf die Oberfläche der ungesinterten
Lage 8a aufgedruckt werden, wodurch die Herstellung des
Sauerstoffsensors erheblich vereinfacht wird.
Im folgenden ist anhand von Fig. 6 eine zweite Ausführungs
form der Erfindung beschrieben, deren wesentliches Merk
mal darin besteht, daß die Heizelemente an der Innenfläche
einer Festelektrolytschicht vorgesehen sind.
Gemäß Fig. 6 wird die die Innenfläche der Festelektrolyt
schicht bildende Rückseite einer ungesinterten Lage (green
sheet) 108a nach Dickschichtdrucktechnik mit einer Be
zugselektrode 105, einer Isolierschicht 152, Heizele
menten 107 und einer Isolierschicht 151 in der angegebenen
Reihenfolge versehen. Die die Außenfläche der Festelektro
lytschicht bildende Vorderseite der ungesinterten Lage
108a wird nach derselben Technik mit einer Meßelektrode
106, einer Schutzschicht 122, einer Isolierschicht 153,
einem Bezugselektroden-Anschluß 111, einem Meßelektroden-
Anschluß 112 sowie Heizelement-Anschlüssen 113 in der an
gegebenen Reihenfolge versehen. Die auf diese Weise mit
den erforderlichen Bauelementen versehene ungesinterte
Lage 108a wird um ein hohlzylindrisches Element 104 in
der Weise herumgewickelt, daß die Bezugselektrode 105 auf
der ungesinterten Lage 108a in einem Bereich zu liegen
kommt, der einer durchgehenden Öffnung oder Bohrung 102
in der Seitenwand des hohlzylindrischen Elements 104 ent
spricht. Anschließend wird die Anordnung, wie bei der zu
erst beschriebenen Ausführungsform, zur Bildung des fer
tigen Sauerstoffsensors gesintert. Die Elemente des Sauer
stoffsensors bestehen dabei aus denselben Werkstoffen wie
die entsprechenden Elemente der zuerst beschriebenen Aus
führungsform.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 sind die Heizelemente
107 an derselben Seite der ungesinterten Lage 108a wie
die Bezugselektrode 105 vorgesehen, so daß die Bezugselek
trode mit hohem Wirkungsgrad auf eine für die vorgesehene
Messung geeignete oder zweckmäßige Temperatur erwärmt wer
den kann. Auch wenn das zu untersuchende Gas niedrige
Temperatur besitzt, kann der Sauerstoffpartialdruck in
diesem Gas ohne weiteres gemessen werden, weil die Meß
zone nicht für die vorgesehene Messung zu kalt wird. Ein
offensichtlicher Vorteil dieses Merkmals besteht darin,
daß dann, wenn der Sauerstoffsensor für die Messung des
Sauerstoffpartialdrucks im Abgas von einer Brennkraftma
schine benutzt wird, die angestrebte Messung unmittelbar
nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine einsetzen kann.
Im folgenden ist anhand von Fig. 7 eine dritte Ausführungs
form der Erfindung beschrieben, deren Hauptmerkmal darin
liegt, daß das hohlzylindrische Element gemäß der ersten
Ausführungsform als Bauteil eines Luft/Kraftstoff-Verhält
nissensors benutzt wird.
Gemäß Fig. 7 wird die die Innenfläche der Festelektrolyt
schicht bildende Rückseite einer ungesinterten Lage (green
sheet) 208a nach Dickschichtdrucktechnik mit einer zweiten
Pumpelektrode 262, einer Diffusionsdrosselschicht (diffusion
limiting layer) 261, einer Meßelektrode 206, einer anderen
Elektrolytschicht 263 und einer Bezugselektrode 205 in
der angegebenen Reihenfolge versehen. Die die Außenfläche
der Festelektrolytschicht bildende Vorderseite der unge
sinterten Lage 208a wird nach derselben Technik mit einer
ersten Pumpelektrode 264, einer Isolierschicht 226, Heiz
elementen 207 sowie einer Isolierschicht 229 in der ange
gebenen Reihenfolge versehen. Die auf diese Weise mit den
entsprechenden Bauelementen versehene ungesinterte Lage
208a wird, wie im Fall der zuerst beschriebenen Ausführungs
form, um ein hohlzylindrisches Element 204 herumgewickelt
und anschließend in der Atmosphäre zur Lieferung eines
Luft/Kraftstoffverhältnissensors gesintert.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 sind die Heizelemente
207 auf der Oberfläche einer einzigen Schicht einer unge
sinterten Lage 208a ausgebildet, wodurch die Herstellung
eines Verhältnissensors der genannten Art wesentlich ver
einfacht wird. Da das hohlzylindrische Element 204 und
die einzige Schicht aus der ungesinterten Lage 208a die
beiden Hauptbauelemente darstellen, besitzt der Sensor
eine verringerte Wärmekapazität; hierdurch wird effektiv
der Energieverbrauch der Heizelemente 207 unter Verbesse
rung ihrer Haltbarkeit bzw. Standzeit verringert.
Ein weiterer Vorteil des Sensors gemäß der dritten Aus
führungsform besteht darin, daß aufgrund des beschriebenen
einfachen Aufbaus ein elektrochemisches Sauerstoffkonzen
trationszellenelement mit einem Sauerstoffpumpelement so
kombiniert werden kann, daß ein Luft/Kraftstoffverhältnis
signal auf der Grundlage eines gemessenen Pumpstroms abge
griffen werden kann.
Ersichtlicherweise ist die Erfindung keineswegs auf die
vorstehend dargestellten und beschriebenen Ausführungs
formen beschränkt, sondern verschiedenen Änderungen und
Abwandlungen zugänglich.
Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor weist einen einfachen
Aufbau auf, weil ein hohlzylindrisches Element, das am
einen Ende offen ist und in seiner Seitenwand eine durch
gehende Öffnung oder Bohrung aufweist, als Bezugsgas-Ein
führkanal benutzt wird, wobei dieses hohlzylindrische Ele
ment umfangsmäßig mit einer Festelektrolytschicht belegt
ist. Da hierbei nur die Festelektrolytschicht um das hohl
zylindrische Element herumgewickelt oder herumgelegt zu
werden braucht, kann der gewünschte Sauerstoffsensor mit
hoher Produktionsleistung und mit einer verringerten Zahl
von Fertigungsschritten hergestellt werden. Außerdem wird
durch das hohlzylindrische Element effektiv die Wärme
kapazität des Sauerstoffsensors verringert; infolgedessen
wird nicht nur der thermische Wirkungsgrad eines zum Akti
vieren des Sensors benutzten Heizelements verbessert, son
dern auch der Energie- oder Strombedarf des Heizelements
herabgesetzt.
Claims (8)
1. Sauerstoffsensor, mit
einem hohlzylindrischen Element (4, 104, 204), das am einen axialen Ende (14) offen und am anderen axialen Ende (15) geschlossen ist und in einer Seitenwand mindestens eine durchgehende Öffnung (2, 3, 102, 202, 203) aufweist, und
einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht (8), die das hohlzylindrische Element (4, 104, 204) umschließt, wobei an gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytschicht (8) mindestens zwei Elektroden (5, 6, 105, 106, 205, 206, 262, 264) vorgesehen sind, von denen die eine Elektrode im Bereich der durchgehenden Öffnung (2, 3, 102, 202, 203) des hohlzylindrischen Elements (4, 104, 204) diesem zugewandt angeordnet ist.
einem hohlzylindrischen Element (4, 104, 204), das am einen axialen Ende (14) offen und am anderen axialen Ende (15) geschlossen ist und in einer Seitenwand mindestens eine durchgehende Öffnung (2, 3, 102, 202, 203) aufweist, und
einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht (8), die das hohlzylindrische Element (4, 104, 204) umschließt, wobei an gegenüberliegenden Seiten der Festelektrolytschicht (8) mindestens zwei Elektroden (5, 6, 105, 106, 205, 206, 262, 264) vorgesehen sind, von denen die eine Elektrode im Bereich der durchgehenden Öffnung (2, 3, 102, 202, 203) des hohlzylindrischen Elements (4, 104, 204) diesem zugewandt angeordnet ist.
2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, bei dem die Fest
elektrolytschicht an ihrer dem hohlzylindrischen Element
zugewandten Seite ein Heizelement aufweist.
3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, wobei zwischen dem
Heizelement und der Festelektrolytschicht eine Isolierschicht
vorgesehen ist.
4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, bei dem die Fest
elektrolytschicht an ihrer vom hohlzylindrischen Element
abgewandten Seite ein Heizelement aufweist.
5. Sauerstoffsensor nach Anspruch 4, wobei zwischen dem
Heizelement und der Festelektrolytschicht eine Isolierschicht
vorgesehen ist.
6. Sauerstoffsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei das erste axiale Ende des hohlzylindrischen Elements zu
einem Bezugsgas hin offen ist und die vom hohlzylindrischen
Element abgewandte Elektrode mit einem zu messenden oder zu
untersuchenden Gas beaufschlagbar ist.
7. Sauerstoffsensor nach Anspruch 6, wobei die beiden Elek
troden jeweils im Bereich der durchgehenden Öffnung ausgebil
det sind.
8. Sauerstoffsensor nach einem der vorstehenden Ansprüche,
wobei die Elektroden durch eine(n) auf die Festelektrolyt
schicht aufgedruckte(n) Dickschicht oder -film gebildet sind.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61066663A JPH0676988B2 (ja) | 1986-03-24 | 1986-03-24 | 酸素センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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