DE3832936A1 - Dichtungseinrichtung fuer einen isolierten geerdeten o(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)-sensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrochemischen Gassensor zum Ertasten der Sauerstoffkonzentration in einem unbekannten Gas relativ zu einem Bezugsgas. Dieser Sensor besitzt ein Elektrolyt-Fingerhutrohr mit einer inneren und einer äußeren leitenden Schicht, die mit einem Steuerelement verbunden ist. Änderungen in der Sauerstoffkonzentration im Gas im Vergleich zur Bezugskonzentration erzeugen ein Funktionssignal, das für das einem Motor zugeführte Luft/ Kraftstoff-Verhältnis kennzeichnend ist. Eine Dichtungsein­ heit verhindert, daß Wasser oder andere Flüssigkeiten mit dem Sensor in Verbindung treten. Ein Heizelement erhält elektrischen Strom vom Steuerelement, um die Temperatur des Fingerhutrohres über einer minimalen Betriebstemperatur zu halten. Folglich hängt das Funktionssignal nur vom Unter­ schied der Sauerstoffkonzentration zwischen dem unbekannten Gas und dem Bezugsgas ab.

Es ist bekannt, daß ein Körper aus einem Festelektrolyt, beispielsweise Zirkondioxid, der eine einer Bezugsgaskon­ zentration ausgesetzte Fläche und eine einer unbekannten Sauerstoffkonzentration ausgesetzte Fläche besitzt, eine elektrische Spannung zwischen diesen Flächen erzeugen kann.

Beispiele von Sensoren, bei denen ein derartiges Elektrolyt­ element Verwendung findet, sind die in den US-PS 39 60 692, 39 60 693, 40 19 974 und Re 28 792 beschriebenen Sensoren.

Indem man die Oberfläche des Zirkondioxids oder eines ande­ ren Festelektrolytkörpers mit einem katalytischen Material, wie beispielsweise Platin, beschichtet, kann ein relativ hohes Ausgangssignal erzeugt werden, wann immer das Verbren­ nungsgemisch ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis besitzt, das geringer ist als das stöchiometrische Mischungsverhältnis für diesen Kraftstoff, und ein relativ niedriges Signal, wann immer das Gemisch ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis be­ sitzt, das größer ist als das stöchiometrische Bildungs­ verhältnis für diesen Kraftstoff. Es wird somit von einem derartigen Sensor eine Stufenfunktion erzeugt, wenn sich das Luft/Kraftstoff-Gemisch-Verhältnis durch den stöchio­ metrischen Wert von einem relativ niedrigen zu einem relativ hohen Wert bewegt.

Gemäß den vorstehend genannten Veröffentlichungen ist der Festelektrolyt als Rohr mit geschlossenem Ende oder als Fin­ gerhutrohr ausgebildet. Das Fingerhutrohr ist auf der Innenseite und Außenseite mit einem porösen metallischen Elektrodenmaterial, beispielsweise Platin oder Palladium, be­ schichtet. Die Außenseite des Rohres mit geschlossenem Ende oder Fingerhutrohres ist in das Abgassystem eingesetzt und ist dem erhitzten Abgas ausgesetzt, das durch die Verbren­ nung der Gase in einer Brennkraftmaschine erzeugt wird, oder es ist dem eintretenden Luft/Kraftstoff-Gemisch ausgesetzt, während das Innere des Rohres mit geschlossenem Ende oder Fingerhutrohres der Atmosphäre ausgesetzt ist. Somit erzeugt der Sensor eine Spannung, die proportional ist zu dem Unter­ schied zwischen den Partialdrücken des Sauerstoffs zwischen der Innenseite und der Außenseite des elektrolytischen Fingerhutrohres.

Die Außenfläche des Fingerhutrohres ist normalerweise über die Befestigung des Gehäuses des Sensors am Abgassystem elektrisch geerdet. Das Abgassystem wiederum steht mit dem Chassis des Fahrzeuges in Verbindung, das einen der Leiter für den Sensor bildet. Diese Art von Erdung ist durch eine Klemme in der US-PS 41 11 778 verwirklicht.

Die meisten Fahrzeuge besitzen jedoch eine Vielzahl von elektrischen Lasten, so daß am entsprechenden Erdleiter für den Sauerstoffsensor verschiedenartige elektrische Span­ nungen anliegen können, wodurch der Leiter praktisch nie­ mals vollständig frei ist von Spannungsvariationen. Dies hat zur Folge, daß das Ausgangssignal, das zwischen der Innen­ fläche des Sensors und der Außenfläche, die zum Fahrzeug hin geerdet ist, gemessen wird, nicht das echte, vom Sensor selbst stammende Ausgangssignal darstellt. Die entsprechen­ den anderen elektrischen Lasten sowie das von den anderen elektrischen Bestandteilen des Fahrzeuges erzeugte Betriebs­ potential können das im Sensor gemessene tatsächliche Span­ nungssignal verändern und somit eine richtige Funktionsweise des Steuersystems, das das der Brennkammer zuzuführende Luft/Kraftstoff-Gemisch einstellt, behindern. Von dieser Art Sensor kann somit die Zusammensetzung der vom Motor abgege­ benen Abgase in nachteiliger Weise beeinflußt werden.

Gemäß der US-PS 40 19 974 versuchte man dieses Problem zu lösen, indem man eine Erdung durch Verformung zu einer Klemme, die mit dem Leiter der Außenfläche verbunden war, vornahm. Bei diesem Sensor ist eine elastische leitende Graphitmasse mit Hilfe eines Isolationspulvers um das Fin­ gerhutrohr herum angeordnet, um einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen der äußeren leitenden Fläche und dem Klem­ menanschlußstück zu erreichen. Diese Konstruktion hat jedoch den Nachteil, daß sie eine komplizierte und teure Herstel­ lung erfordert, um die einzelnen Bestandteile in ihren Re­ lativlagen zueinander zu halten, um sicherzustellen, daß eine angemessene und ununterbrochene elektrische Leiterbahn zwischen der äußeren leitenden Fläche und der elektrischen Klemme hergestellt wird.

Wenn Sauerstoffsensoren an Fahrzeugen installiert werden, sind sie oft extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Es ist nicht üblich, daß ein Sauerstoffsensor in Wasser ge­ taucht wird, wenn sich ein Fahrzeug durch einen Fluß oder auf einer überfluteten Straße bewegt. Die Forderung zur Auf­ rechterhaltung eines relativ trockenen Bezugsgases wurde in der US-PS 41 16 797 aufgestellt, wobei ein Filter aus Poly­ tetrafluoräthylen in der Strömungsbahn zur Bezugskammer angeordnet wurde. Bedauerlicherweise führt diese Dichtungs­ konstruktion jedoch nicht zu einer festen Dichtung, wenn die Bestandteile raschen Temperaturänderungen ausgesetzt sind.

Sauerstoffsensoren sind normalerweise im Auspuffrohr der meisten Fahrzeuge angeordnet. Die Normaltemperaturen der entsprechenden Abgase liegen etwa bei 600°C. Unter be­ stimmten Umständen kann jedoch das Abgas über eine be­ stimmte Zeitdauer 900°C erreichen. Der in der amerika­ nischen Patentanmeldung 37 362 offenbarte Sauerstoffsensor besitzt eine Konstruktion, gemäß der sowohl der elektro­ chemische Sensor als auch ein Heizelement entsprechend geerdet sind. Die Leitungen für den Sensor und das Heiz­ element, die mit einem Steuerelement in Verbindung stehen, und die Erdleitung erstrecken sich durch ein poröses Filter und eine elastische Dichtung. Solange wie die Temperatur im Dichtungsbereich unter 200°C liegt, wird dem elektro­ chemischen Fingerhutrohr ein trockenes Bezugsgas zugeführt. Wenn jedoch die Temperatur der Dichtung und des Filters über 200°C ansteigt, können die Unterschiede im Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten der Dichtung, des Filters und der Metallhülle zu einer Verformung entweder in der Dichtung oder im Filter führen, so daß auf diese Weise ein Leck entsteht, durch das Wasser in das Fingerhutrohr eindringen kann. Es wurde festgestellt, daß durch eine kontinuierliche axiale Belastung der Dichtung und des Filters bei diesem Sensor bei einer hohen Temperatur die entsprechende Dichtung einen Teil ihrer Elastizität verliert und sich die Porosität des Filters ändert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Sauerstoffsensors zu vereinfachen und eine axiale Belastung der Dichtung und des Filters zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sauerstoff­ sensor gelöst, der durch ein Verfahren hergestellt wird, bei dem Modulkomponenten systematisch miteinander verbunden wer­ den, um einen beheizten elektrochemischen Sensor zu schaffen, der eine isolierte Erdung besitzt.

Bei diesem Sensor ist ein elektrochemisches Fingerhutrohr in ein isoliertes Trägerelement in einer Metallhülle einge­ setzt. Das Fingerhutrohr besitzt eine Innenfläche und eine Außenfläche, die mit einem leitenden Material beschichtet sind. Eine Hülse besitzt ein geschlossenes Ende mit einer Vielzahl von Öffnungen darin. Ein poröses Filter weist einen ringförmigen axialen Vorsprung auf, der sich von einer Basis aus erstreckt. Eine gefaltete Dichtung umgibt mit ihrer Mitte den axialen Vorsprung. Danach wird der axiale Vor­ sprung am porösen Filter in eine Öffnung im geschlossenen Ende eingesetzt und so bewegt, daß die Dichtung mit dem ge­ schlossenen Ende in Kontakt gebracht und Leitungsdrähte durch das Filter und die Dichtung geführt werden. Eine erste Klemme ist an einem ersten Draht befestigt, der mit einer Stromquelle in einem Steuerelement in Verbindung steht, während eine zweite Klemme an einen zweiten Draht ange­ schlossen ist, um das Steuerelement elektrisch zu erden. Ein dritter und ein vierter Draht sind ebenfalls durch Kanäle in einem zylindrischen Element geführt. Ein erster Kontaktring ist am dritten Draht befestigt, während ein zweiter Kontakt­ ring am vierten Draht ist. Der erste Kontaktring befindet sich an einem ringförmigen Vorsprung, der sich vom zylin­ drischen Element aus erstreckt und an einer ersten Schulter angeordnet ist. Eine abgestufte Axialbohrung erstreckt sich durch diesen Vorsprung in das zylindrische Element. Der zweite Kontaktring befindet sich in der abgestuften Axial­ bohrung und ist an einer zweiten Schulter angeordnet. Zusätzlich zur elektrischen Isolierung des ersten und zweiten Kontaktringes bildet der ringförmige Vorsprung eine Führungsfläche für eine elastische Unterlegscheibe. Das zylindrische Element besitzt eine erste und zweite Axial­ nut, die an seiner Umfangsfläche angeordnet sind und sich in einen ersten und zweiten radial zueinander versetzt ange­ ordneten Schlitz erstrecken. Die Radialschlitze erstrecken sich mindestens in die abgestufte Axialbohrung. Die erste und zweite Klemme werden danach in den ersten und zweiten Radialschlitz gepreßt. Ein in die abgestufte Axialbohrung eingesetztes rohrförmiges Heizelement besitzt ein erstes Ende mit einer ersten Kontaktfläche, die mit der ersten Klemme in Eingriff steht, und einen zweiten Kontakt, der sich mit der zweiten Klemme in Eingriff befindet. Eine Schraubenfeder ist über dem rohrförmigen Heizelement an­ geordnet, und ein Kontaktteller befindet sich am Ende der Schraubenfeder. Der Kontaktteller weist eine Reihe von Vorsprüngen auf, die mit der Fläche des rohrförmigen Heiz­ elementes in Eingriff stehen, um die Schraubenfeder zu haltern und das rohrförmige Heizelement im Fingerhutrohr des Sensors zu positionieren. Eine zylindrische Kontaktverlän­ gerung besitzt ein erstes Ende mit einem daran angeordneten Flansch, der am ringförmigen Vorsprung der Klemme angeordnet ist. Das Heizelement wird zum Inneren des rohrförmigen elektrochemischen Elementes ausgerichtet, und es wird eine Kraft aufgebracht, um das zweite Ende an der Kontaktverlän­ gerung mit der Innenfläche des Trägerelementes in Kontakt zu bringen, während der Kontaktteller zur gleichen Zeit mit der Innenfläche des elektrochemischen Sensorelementes in Ein­ griff gebracht wird. Die elastische Unterlegscheibe und die Schraubenfeder drücken die Klemme elastisch vom elektro­ chemischen Sensorelement weg, um für eine elektrisch lei­ tende Bahn zwischen der Innenfläche und der Außenfläche des elektrochemischen Elementes und des Steuerelementes zu sorgen. Die Hülse ist mit Hilfe einer Laserschweißung, die sich um die Hülsenoberfläche herum erstreckt, mit der me­ tallischen Hülle verbunden, so daß die Hülse abgedichtet wird. Bei einer anderen Konstruktion kann ein Abschnitt der Hülse in eine Nut in der metallischen Hülle gewalzt werden, um die Verbindung abzudichten.

Ein Vorteil dieses Sauerstoffsensors wird durch die indi­ viduelle Montage der verschiedenen Bestandteile erreicht, die später zu der endgültigen Einheit zusammengefügt werden.

Ein weiterer Vorteil dieses Sauerstoffsensors besteht in dem speziellen Klemmenaufbau, mittels dem sowohl Leitungen an das elektrochemische Sensorelement als auch an ein zugehöri­ ges inneres Heizelement geführt werden.

Ein weiterer Vorteil des Sensors ist darin zu sehen, daß die Hülse, die den Klemmenaufbau trägt, eine abgedichtete Ver­ bindung in bezug auf eine Metallhülle besitzt, so daß ein Bezugsgas ein poröses Filter durchdringen muß, daß sich durch die Metallhülle erstreckt, bevor es in eine Bezugs­ kammer eines elektrochemischen Elementes eindringen kann.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß eine Dichtung und ein Filter radial in einer Metallhülle ge­ haltert werden, so daß eine axiale Expansion während Perio­ den mit hohen Temperaturen möglich ist, ohne daß hierbei eine Verformung der Dichtung oder des Filters aufgrund von axialen Begrenzungen auftritt.

Vorteilhaft ist ferner, daß der elektrische Erdanschluß sowohl für ein elektrochemisches Element als auch ein Heizelement in einem Steuerelement angeordnet ist, um sicherzustellen, daß ein erzeugtes Betriebssignal einen echten Vergleich zwischen dem Sauerstoffanteil in einem Gemisch des Abgases und dem eines Bezugsgases, nachdem diese hohen Temperaturen, Wasser oder anderen Flüssigkeiten über eine ausgedehnte Zeitdauer ausgesetzt worden sind, ermöglicht.

Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu­ tert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugmotors, der mit einem erfin­ dungsgemäß ausgebildeten elektro­ chemischen Sensor versehen ist, welcher in einem Abgassystem angeordnet ist, so daß ein Kraftstoffsteuersystem zur Verfügung gestellt wird, das eine An­ zeige für den Sauerstoffgehalt im Ab­ gas liefert;

Fig. 2 einen Schnitt durch den elektro­ chemischen Sensor der Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt entlang Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. 2;

Fig. 5 einen Schnitt entlang Linie V-V in Fig. 2;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht des Klem­ menelementes der Fig. 3;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht des Klemmenschuhs für die Leitung des Heiz­ elementes gemäß Fig. 2;

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Kon­ takttellers der Fig. 2;

Fig. 9 eine vergrößerte Schnittansicht der Leitungen für die Klemmenschuhe und Kontaktringe in Fig. 2;

Fig. 10 eine auseinandergezogene Ansicht des elektrochemischen Sensors der Fig. 2, wobei ein Verfahren dargestellt ist, mit dem die einzelnen Komponenten zu einer fertigen Einheit zusammengefügt werden;

Fig. 11 eine Teilschnittansicht einer anderen Dichtung zwischen der Metallhülle und der rohrförmigen Hülse für den Sensor der Fig. 2;

Fig. 12 eine vergrößerte Ansicht der elastome­ ren Dichtung der Fig. 2, wobei die gewundenen Flächen an den darin be­ findlichen Öffnungen und Flächen dar­ gestellt sind, die mit Flächen an der Metallhülse in Kontakt stehen;

Fig. 13 eine Endansicht der elastomeren Dichtung der Fig. 12; und

Fig. 14 eine vergrößerte Ansicht des porösen Filters, der zusammen mit der elasto­ meren Dichtung der Fig. 12 verwendet wird.

Die in Fig. 1 dargestellte Brennkraftmaschine 16 besitzt ein Abgassystem 18, durch das Abgase von einem Krümmer 20 über ein Rohr 22 an die Umgebung abgegeben werden. Ein elektrochemischer Sensor 24, der in einem Rohr 22 angeordnet ist, versorgt eine Steuereinheit 26 mit der Anzeige des Sauerstoffgehaltes der Abgase. Die Steuereinheit 26 ver­ sorgt eine elektronische Kraftstoffdosiervorrichtung 28 mit einem Funktionssignal zur Steuerung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses, das der Brennkraftmaschine 16 zugeführt wird.

Änderungen im Sauerstoffgehalt der Abgase werden vom elektrochemischen Sensor 24 ertastet und an die Steuerein­ heit 26 weitergegeben, um das an die Dosiervorrichtung 28 gegebene Signal in bezug auf das Luft/Kraftstoff-Verhältnis innerhalb vorgegebener Betriebsgrenzen zu halten, damit ein niedriger Kraftstoffverbrauch in Verbindung mit einem saube­ ren Abgas erreicht wird. Sowohl die positive als auch die negative Leitung für den Sensor 24 sind an die Steuereinheit 26 angeschlossen, damit irgendwelche Änderungen in bezug auf die elektrische Erdung im Fahrzeug nicht das Betriebssignal beeinflussen, das aus Änderungen des Sauerstoffgehaltes in den Abgasen erzeugt wird.

Der Sauerstoffsensor 24 ist in Einzelheiten in den Fig. 2-9 und 12-14 dargestellt. Der Sensor 24 besitzt eine Metallhülle 30 mit einer darin befindlichen Axialbohrung 32. Eine hexagonale Fläche 34 weist eine Unterlegscheibe 36 auf, die mit einem runden Vorsprung 38 in Eingriff steht, der in ein Gewinde 40 in ein entsprechendes Gewinde im Auspuffrohr 22 geschraubt worden ist. Die Metallhülle 30 besitzt eine Umfangsnut 42 benachbart zu einem ersten Ende 44 und eine innere ringförmige Schulter 46, die zwischen dem ersten Ende 44 und einem zweiten Ende 48 in der Axialbohrung 32 angeord­ net ist,

Ein belüftetes Abschirmelement 50 besitzt ein erstes Ende 52 und ein zweites Ende 53. Das zweite Ende 53 weist einen Flansch 54 auf. Das Abschirmelement 50 ist in die Axial­ bohrung 32 eingesetzt, und ein Flansch 54 sitzt an einer Schulter 46. Durch eine Vielzahl von Öffnungen 62, 62′ . . . 62 ⁿ können die Abgase frei in das Innere 64 des Abschirmele­ mentes 50 eindringen.

Ein Lagerelement 57 wird in der Axialbohrung 32 angeordnet und tritt mit dem Flansch 54 in Eingriff. Danach wird ein Dichtungs- und Isolationsring 60, beispielsweise aus Talk, in die Bohrung 32 benachbart zum Flansch 54 am Lagerelement 57 eingebracht. Eine als Isolationsabstandshalter 56 die­ nende Keramikscheibe wird in die Axialbohrung 32 eingebracht und tritt mit dem Ring 60 in Eingriff. Danach wird ein Ele­ mententräger 66 in der Bohrung 32 angeordnet, der einen zylindrischen Körper mit einem Flansch 68 an einem ersten Ende und einer einwärts vorstehenden Lippe 70 am anderen Ende aufweist. Der zylindrische Körper des Trägers 66 tritt mit dem Isolationsabstandselement 56 in Eingriff, während die Lippe 70 mit dem Ring 60 aus Talk in Eingriff tritt.

Das Sensorelement 72 besitzt die Form eines Fingerhutrohres und besteht aus einem Ionen-leitenden Festelektrolyt, wie beispielsweise Zirkondioxid. Das Fingerhutrohr weist ein ge­ schlossenes Ende 74 und ein offenes Ende 76 auf. Eine ring­ förmige äußere Rippe 78 benachbart zum offenen Ende 76 steht mit der Lippe 70 am Träger 66 in Eingriff. Die äußere Fläche 80 und innere Fläche 82 des Sensorelementes 72 sind mit einer porösen Elektronen-leitenden Schicht (Platin) ver­ sehen, um einen Katalysator für die Gase zu bilden, die an diesen Oberflächen vorhanden sind.

Ein poröser Isolationsschutzüberzug 81, d. h. Spinal, ist auf die äußere Fläche 80 aufgebracht. Die Überzüge 80 und 82 an der inneren und äußeren Fläche sind am offenen Ende 76 durch eine unbeschichtete Ringfläche 84 voneinander getrennt, um sicherzustellen, daß getrennte elektrische Leiter ausge­ bildet werden, die einen Ionenfluß durch das Fingerhutrohr ermöglichen. Der äußere leitende Überzug 80 steht mit dem Trägerkörper 66 in Kontakt und erstreckt sich am Isolations­ ring oder Abstandselement 56 und am Talkring 60 vorbei. Ein Kontaktteller 86, der am besten in Fig. 8 gezeigt ist, ist benachbart zum offenen Ende 76 des Überzuges 82 der inneren Fläche angeordnet und bewirkt eine Isolation zwischen dem inneren und äußeren Überzug.

Wenn eine Axialkraft auf den Träger 66 aufgebracht wird, preßt der Flansch 68 den Talkring 60 zusammen, so daß eine Dichtung mit der äußeren Fläche 80 der Metallhülle 30 des Fingerhutrohrs 72 und Trägers 66 gebildet wird.

Wie am besten in Fig. 8 gezeigt ist, besitzt der Kontakt­ teller 86 eine Reihe von Fingern oder Vorsprüngen 88, 88′ . . . 88 ⁿ , die sich von einer ringförmigen Basis 87 aus er­ strecken. Die Vorsprünge 88, 88′ . . . 88 ⁿ stehen mit einem rohrförmigen Element 90 an einem Heizelement 92 in Eingriff, um das Ende 94 des Heizelementes 92 etwa im radialen Mittel­ punkt des Inneren des Fingerhutrohres 72 zu halten, wie in Fig. 5 gezeigt ist.

Eine Hülse 96 besitzt ein geschlossenes Ende 98 und ein offenes Ende 100. Die Hülse 96 kann eine Ausbauchung 102 am offenen Ende 100 und eine Vielzahl von Öffnungen 104, 104′ . . . 104 ⁿ und 105 im geschlossenen Ende 98 aufweisen. Ein Ab­ schnitt 95 mit erstem Durchmesser der Hülse 96 ist durch eine Schulter 197 gegenüber einem Abschnitt 97 eines zweiten Durchmessers versetzt. Eine Laserschweißung 108 verbindet die Hülse 96 mit der Metallhülle 30, so daß eine wasser- und luftdichte Dichtung benachbart zum offenen Ende 100 ausge­ bildet wird.

Ein poröses Filtermaterial 112, das unter dem Warennamen Zitex von der Firma Norton Chemplast vertrieben wird, oder ein äquivalentes Material, das einen Durchfluß von Luft ermöglicht, jedoch einen solchen von Wasser ausschließt, ist in der Hülse 96 angeordnet, wie in Einzelheiten in Fig. 14 gezeigt ist. Das Filter 112 besitzt eine ringförmige Basis 110 mit einer Vielzahl von Öffnungen 111, 111′ . . . 111 ⁿ und einem axialen Vorsprung 113, der sich durch die Öffnung 105 erstreckt. Der Vorsprung 113 besitzt ein geschlossenes Ende 115, das in einem Scheitelpunkt 117 endet. Eine Gummi­ dichtung 123 ist zwischen dem Ende 98 der Hülse 96 und dem Filter 123 angeordnet, wie die Fig. 12 und 13 zeigen. Die Dichtung 123 besitzt eine mittige Öffnung 205 und eine Reihe von axialen Öffnungen 204, 204′ . . . 204 ⁿ , die der Reihe der axialen Öffnungen 111, 111′ . . . 111 ⁿ im Filter 112 und den Öffnungen 104, 104′ . . . 104 ⁿ im Ende 98 entsprechen. Lei­ tungsdrähte 106, 106′ . . . 106 ⁿ erstrecken sich durch die Öffnungen 104, 104′ . . . 104 ⁿ , 204, 204′ . . . 204 ⁿ und 111, 111′ . . . 111 ⁿ in das Innere der Hülse 96. Die Gummidichtung 123 besitzt eine Reihe von Falten 206, 206′ . . . 206 ⁿ auf ihrer Umfangsfläche und eine Reihe von Falten 208, 208′ . . . 208 ⁿ auf ihrer Innenfläche oder Öffnung 205. Des weiteren sind entsprechende Falten in den Öffnungen 204, 204′ . . . 204 ⁿ angeordnet, die eine Reihe von Dichtungsflächen mit den Leitungen 106, 106′ . . . 106 ⁿ , dem Inneren der Hülse 96 und dem Vorsprung 113 am Filter 112 bilden. Die Dichtung 123, die zwischen dem Ende 98 und dem Filter 112 angeordnet ist, besitzt eine ausreichende radiale Elastizität, um eine gute Dichtung mit der Hülse 96 und dem Isolationsüberzug auf den Leitungen 106 106′ . . . 106 ⁿ zu bilden, so daß als Bezugs­ gas dienende Luft im wesentlichen nur durch den Abschnitt des Vorsprungs 113 dringen kann, der sich durch die Öffnung 105 erstreckt. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Filters 112 ist die Kammer 118 nur trockner Luft als Bezugs­ gas ausgesetzt.

Ein Klemmenelement 120, das am besten in den Fig. 2, 3, 6 und 10 gezeigt ist, besitzt einen Abschnitt 122 mit einem ersten Durchmesser, der über eine Schulter 126 von einem Ab­ schnitt 134 mit einem zweiten Durchmesser getrennt ist. Ein axialer Vorsprung 133 erstreckt sich vom Abschnitt mit erstem Durchmesser aus. Ein Schlitz 135 ist am Ende des Vor­ sprungs 133 angeordnet, so daß die Basis 110 mit dem Ende des Vorsprungs 133 in Eingriff steht. Ein erster und zweiter Axialkanal 128 und 130 erstrecken sich von einem ersten Ende 132 bis zu einem zweiten Ende 134. Eine abgestufte axiale Blindbohrung 138 erstreckt sich vom zweiten Ende 134 in Richtung auf das erste Ende 132. Ein Axialschlitz 136 im Klemmenelement 120 erstreckt sich vom zweiten Ende 134 bis zu einer Schulter 140. Ein erster Kontaktring 142, der an der Leitung 106 befestigt ist, befindet sich an der Schulter 140. Eine Schraubenfeder 146, die das rohrförmige Heizele­ ment 92 umgibt, bildet eine elektrisch leitende Bahn zwischen dem Kontaktring 144 und dem Teller 86. Eine elastische Unterlegscheibe 148 umgibt den Abschnitt 124 mit zweitem Durchmesser und wirkt auf den Kontaktring 142 und den Flansch 150 an einem Trägerverlängerungselement 152. Das Trägerverlängerungselement 152 besitzt an dem Ende, das mit dem Inneren des Trägers 66 und dem offenen Ende 76 des Fin­ gerhutrohres des Sensorelementes 42 in Eingriff steht, eine Verjüngung 154. Die elastische Unterlegscheibe 148 sorgt für eine elektrisch leitende Bahn, so daß die äußere leitende Fläche 80 am Sensor 72 an die Leitung 106 angeschlossen ist.

Das Klemmelement 120 besitzt erste und zweite Nuten 156 und 158 am Umfang des Abschnitts 122 mit erstem Durchmesser, die sich bis zu einem ersten Radialschlitz 160 erstrecken, der entlang einem Durchmesser verläuft, welcher im wesentlichen rechtwinklig zu einer Ebene durch die Kanäle 128 und 130 an­ geordnet ist. Ein zweiter Schlitz 162 verläuft parallel zum ersten Schlitz 160. Obwohl dargestellt ist, daß sich die Schlitze 160 und 162 frei durch den Abschnitt 122 mit erstem Durchmesser erstrecken, können sie unter bestimmten Umstän­ den nur bis zu einer Bohrung 138 verlaufen. Unter normalen Betriebsbedingungen wirken die Nuten 156 und 158, die Schlitze 160 und 162 und die Löcher 128 und 130 als Strö­ mungsbahnen, um Luft vom Filter 112 in die Kammer 118 ein­ zuführen.

Wie in Fig. 7 gezeigt, besitzt das Klemmen- oder Kontakt­ element 164 eine ebene Fläche 166 mit einem sich von dieser aus erstreckenden Schenkel 168. Eine mittlere Öffnung 170 ist auf der ebenen Fläche 166 angeordnet und weist sich von dieser aus erstreckende Vorsprünge oder Finger 172, 172′ . . . 172 ⁿ auf. Leitungsdrähte 106′ sind am Schenkel 168 be­ festigt, und die ebene Fläche 166 ist in die Schlitze 160 eingesetzt. Wenn der Schenkel 168 mit dem Boden der Nut 156 in Eingriff steht, befindet sich die Öffnung 170 in der axialen Mitte der abgestuften Bohrung 138. In entsprechender Weise ist ein Leitungsdraht 106 ⁿ an einer zweiten Klemme 164′ befestigt und in den Schlitz 162 eingesetzt. Wenn der Schenkel 168′ mit dem Boden der Nut 158 in Eingriff steht, befindet sich die Öffnung 170′ in der radialen Mitte der ab­ gestuften Bohrung 138.

Das Heizelement 92, bei dem es sich um eine Widerstands­ heizung handelt, besitzt einen ersten Kontaktbereich 161 und einen zweiten Kontaktbereich 163, wie in Fig. 10 gezeigt ist. Wenn das Ende 93 des rohrförmigen Elementes 90 des Heizelementes 92 mit dem Boden 139 der Bohrung 138 in Ein­ griff steht, steht der erste Kontaktbereich 161 mit den Vor­ sprüngen 172, 172′ . . . 172 ⁿ an der Klemme 164′ und der zweite Kontaktbereich 163 mit den Vorsprüngen 172, 172′ . . . 172 ⁿ an der Klemme 164 in Eingriff, um die elektrische Schaltung von der Steuereinheit 26 aus zu vervollständigen. Zusätzlich dazu, daß sie eine elektrische Schaltung für das Heizelement 92 bilden, stehen die Vorsprünge an den Klemmen 164 und 164′ elastisch mit dem rohrförmigen Element 90 in Eingriff, um das Ende 94 in einer gewünschten Position relativ zum Ende 74 des Fingerhutrohres des Sensors 72 zu halten.

Jede Leitung 106, 106′ . . . 106 ⁿ besteht aus diversen Strän­ gen von einzelnen Drähten. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, ist eine erste Gruppe von Drähten 174 im Uhrzeigersinn ge­ wickelt, während eine zweite Gruppe von Drähten 176 gegen den Uhrzeigersinn gewickelt ist. Zwischen den ersten und zweiten Drähten 174 und 176 ist ein spiralförmiger Raum ausgebildet. Eine Kunststoffabdeckung 178 befindet sich auf der Außenseite der Drähte 176 und verhindert, daß elek­ trische Kurzschlüsse die Leitung zwischen der Steuereinheit 26 und dem Sensor 24 beeinflussen. Des weiteren sorgt dieser spiralförmige Raum zwischen den Drähten 174 und 176 für eine zusätzliche Strömungsbahn für die Zuführung von Luft (Be­ zugsgas) zur Kammer 118.

Verfahren zum Zusammenbau des Sensors

Fig. 10 zeigt ein bevorzugtes Verfahren zum Zusammenbau der einzelnen Bestandteile des Sensors, um auf diese Weise einen beheizten und außen geerdeten Elektrolytsensor zu erhalten, der zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes im Abgas einer Brennkraftmaschine verwendet wird.

Bei diesem Zusammenbau wird eine Metallhülle 30 ausgewählt, und ein belüftetes Abschirmelement 50 wird in die Bohrung 32 der Hülle 30 eingesetzt, bis der Flansch 54 mit der Schulter 46 in Eingriff tritt. Ein Lager 57 wird in die Bohrung 32 eingesetzt und gegen den Flansch 54 positioniert. Ein Dichtungsring 60 aus Talk wird in die Bohrung 32 benachbart zum Lagerelement 57 eingesetzt, und ein Isolationsring 56 wird auf dem Dichtungsring 60 aus Talk angeordnet.

Dann werden ein erstes Trägerelement 66 in die Bohrung 32 ein­ gesetzt, und der Flansch 68 wird mit dem Isolationsring 56 in Eingriff gebracht. Ein Werkzeug wird in die Bohrung 32 eingesetzt und wirkt auf den Flansch 68 und die Rippe 78 ein, so daß der Talkring zusammengepreßt und eine Dichtung zwischen dem Fingerhutrohr 72, der Metallhülle 30 und dem Träger 66 gebildet wird. Unter bestimmten Umständen kann eine Metalldichtung zwischen der Rippe 78 und der Lippe 70 erforderlich sein, um eine gute elektrische Verbindung sowie eine Gasdichtung zwischen der Fläche 30 und dem Träger 66 herzustellen.

Das geschlossene Ende 74 des Sensorelementes 72 wird in das Trägerelement 66 eingesetzt. Die äußere Rippe 78 tritt mit der Innenfläche 69 des Trägerelementes 66 in Eingriff, um eine elektrische Verbindung mit dem Überzug 80 auf der Außenfläche herzustellen.

Danach wird ein Trägerverlängerungselement 152 in der Bohrung 32 angeordnet und in die Fläche 69 am Trägerelement 66 gepreßt, bis es mit der Rippe 78 am Sensor 72 in Eingriff tritt.

Die Montage des Klemmenendes des Sensorelementes 24 beginnt, indem man die Leitungen 106, 106′ . . . 106 ⁿ durch die Öffnun­ gen 104, 104′ . . . 104 ⁿ im geschlossenen Ende 98 der Hülse 96, die Öffnungen 204, 204′ . . . 204 ⁿ in der Gummidichtung 123 und die Öffnungen 111, 111′ . . . 111 ⁿ im Filter 112 zieht. Die Dichtung 123 und das Filter 112 werden mit dem Ende 98 in Eingriff gepreßt. Die gefalteten Flächen 206, 206′ . . . 206 ⁿ besitzen eine ausreichende radiale Elastizi­ tät, um ene gute Dichtung mit dem Inneren der Hülse 96 zu bilden. Wenn die Dichtung 123 mit dem Ende 98 in Eingriff steht, erstreckt sich der Vorsprung 113 durch die Öffnung 105, so daß er der Umgebung ausgesetzt ist.

Eine erste Klemme 164 wird am Ende des Leitungsdrahtes 106′ befestigt, und eine zweite Klemme 164′ wird am Leitungs­ draht 106 ⁿ befestigt.

Die Leitungen 106 und 106′′ werden durch die Kanäle 128 und 130 im Klemmelement 120 und die daran befestigten Kontakt­ ringe 142 und 144 gezogen. Die Leitung 106′′ wird so gezo­ gen, daß der Kontaktring 144 an der Schulter 140 in der Bohrung 138 sitzt. In entsprechender Weise wird die Leitung 106 so gezogen, daß der Kontaktring 142 an der Schulter 126 sitzt.

Die erste Klemme 164 wird in den Schlitz 160 eingesetzt, während die zweite Klemme 164′ in den Schlitz 162 eingesetzt wird.

Das Ende 93 des rohrförmigen Heizelementes 92 wird in die Bohrung 138 eingesetzt und tritt dabei elastisch mit den Vorsprüngen an den Klemmen 164 und 164′ in Eingriff. Wenn das Ende 93 mit dem Boden 193 der Bohrung 138 in Kontakt tritt, geraten die Flächenbereiche 161und 163 am rohrför­ migen Element 90 mit den Vorsprüngen 172 an den Klemmen 164 und 164′ in Eingriff, so daß mit den Leitungen 106′ und 106 ⁿ eine vollständige elektrische Schaltung ausgebildet wird. Danach wird eine elastische Unterlegscheibe 138 an der zylindrischen Fläche 124 angebracht und benachbart zum Kon­ taktring 142 angeordnet.

Die Schraubenfeder 146 wird über das rohrförmige Element 90 geschoben, und das Ende 145 wird mit dem Kontaktring 144 in Eingriff gebracht. Der Kontaktteller 86 wird auf der rohr­ förmigen Fläche 90 angeordnet und benachbart zum Ende 147 der Schraubenfeder 146 positioniert. Die Vorsprünge 88 am Teller 86 treten mit der rohrförmigen Fläche elastisch in Eingriff, so daß die Schraubenfeder nicht anfällt, wenn der Klemmenabschnitt in einer vertikalen Position angeordnet ist und das Heizelement 92 zur Erde weist.

Es sind nunmehr zwei einzelne Einheiten entstanden, die zur Herstellung des Sensors 24 miteinander verbunden werden.

Die Hülseneinheit 96 und die Hülleneinheit 30 werden zusam­ mengebracht, wobei das Ende 94 am Heizelement 92 zur Bohrung 81 des Fingerhutrohrs 72 ausgerichtet wird. Der Kontakt­ teller 86 tritt mit der Innenfläche des offenen Endes 76 des Sensors 72 in Eingriff, und die Hülse 96 tritt mit dem Ende 42 der Metallhülle 30 in Eingriff, wenn das Ende 94 in die Bohrung 81 bewegt wird. Eine vorgegebene Kraft, die die Hülse 96 und die Hülle 30 zusammenbewegt, wird aufrechter­ halten, während ein Laser um die Hülse 96 herumbewegt wird, um die Teile miteinander zu verbinden. Wenn diese Teile zu­ sammenbewegt werden, wirkt die elastische Unterlegscheibe 148 auf die Trägerverlängerung 152, um das sich verjüngende Ende 154 mit der Fläche 69 des Trägers 66 in Eingriff zu halten und den äußeren leitenden Überzug 80 auf dem Finger­ hut des Sensors 72 mit dem negativen Signal 106 der Steuer­ einheit 26 zu verbinden. Zur gleichen Zeit bewegt die Feder 146 den Kontaktteller 86 in Eingriff mit der inneren lei­ tenden Fläche 82, um eine Verbindung mit dem positiven Signal 106′′ der Steuereinheit 26 herzustellen.

Verfahren zum Betrieb des Sensors

Wenn sich die Brennkraftmaschine 16 in Betrieb befindet, werden Abgase erzeugt und vom Rohr 22 der Umgebung zuge­ führt. Wenn der Sensor 24 im Rohr 22 installiert ist, dringen die Abgase durch die Öffnungen 62, 62′ im Ab­ schirmelement 50 in die Kammer 64 ein.

Umgebungsluft wird durch den Vorsprung 113 des Filters 112 zur Kammer 118 und zum inneren Überzug 82 des Fingerhut­ rohres des Sensors 72 geführt.

Elektrischer Strom von der Steuereinheit 26 wird durch die Leitungen 106′ und 106 ⁿ zum Heizelement 92 geführt. Der Widerstand des Heizelementes 92 ist so groß, daß die Tem­ peratur des Fingerhutrohres über ihrer minimalen Betriebs­ temperatur gehalten wird, die für Zirkondioxid über 350°C liegt.

Wenn sich der Ionenfluß zwischen der äußeren leitenden Fläche 80 und der inneren leitenden Fläche 82 ändert, wird ein entsprechendes Funktionssignal von der Leitung 106 der Steuereinheit 126 zugeführt. Da die Leitung 106′′ durch die Steuereinheit über eine isolierte Erdung elektrisch geerdet ist, stellt das Funktionssignal ein genaues Meßsignal in bezug auf die Änderung des Ionenflusses dar. Die Steuerein­ heit 26 wertet das Ionenflußsignal aus und erzeugt ein Betriebssignal, das das der Brennkraftmaschine 16 zugeführte Luft/Kraftstoff-Verhältnis steuert, damit die Abgase inner­ halb gewünschter Grenzen bleiben.

Unter Betriebsbedingungen kann die Temperatur, der die Hülle ausgesetzt ist, 400°C erreichen, so daß sich die einzelnen Bestandteile ausdehnen. Durch die gefaltete Form der Dichtung 123 kann eine Ausdehnung stattfinden, wenn sich das Filter 112 in Richtung auf den Anschlag 133 am Klemmenele­ ment 120 bewegt. Die Vielzahl der Falten oder Flächen 206, 206′ . . . 206 ⁿ stellt sicher, daß eine Fläche radial mit dem Inneren der Fläche 105 in Eingriff tritt, und zwar selbst dann, wenn eine seitliche Kraft an den Leitungen 106, 106′ . . . 106 ⁿ die Kraft übersteigt, mit der eine der Falten oder Flächen aus ihrem radialen Dichtungseingriff mit der Fläche 95 entfernt werden kann. Die Länge des Vorsprungs 113 ist so gewählt, daß sich die Fläche 115 durch die Öffnung 105 erstreckt, wenn die Basis 110 mit dem Anschlag 133 in Eingriff steht. Selbst bei einem derartigen Eingriff wird die als Bezugsgas dienende Luft noch über die Bohrung 119, den Schlitz 135 und die Nuten 156 und 158 der Kammer 118 zugeführt. Wenn keine hohen Temperaturen mehr auftreten, kehrt die Dichtung 123 in ihre Ausgangsform zurück, ohne daß dabei eine dauerhafte Deformation verbleibt. Die Porosität des Filters 112 bleibt ebenfalls im wesentlichen unverän­ dert, da das Filter keinen Axialkräften ausgesetzt war, die eine Kompression der Poren hätten bewirken können.

Bei einem praktischen Test wurden das Filter 112 und die Dichtung 123 über eine bestimmte Zeitdauer einer Temperatur von 250°C ausgesetzt und danach über eine Zeitdauer von 1 h in einen Wassertank getaucht. Danach wurde die Kammer 118 auf Wasser überprüft, wobei kein Wasser festgestellt werden konnte. Des weiteren wurde festgestellt, daß der Sensor 24 so funktionierte, wie er vor diesem Test funktioniert hatte.

Claims (5)

1. Sauerstoffsensor mit einem Elektrolytelement, das in einer Metallhülle angeordnet ist, und einem Klemmen­ element, das in einer an der Metallhülle befestigten Hülse angeordnet ist und das einen ersten und zweiten Kontakt an entsprechenden Leitungen haltert, die das Elektrolytelement mit einer Steuereinheit verbinden, sowie einen dritten und vierten Kontakt an entsprechen­ den Leitungen, die ein dem Elektrolytelement zugeord­ netes Heizelement an die Steuereinheit anschließen, wo­ bei die Metallhülle ein Endelement mit einer Vielzahl von Öffnungen für die Leitungen und eine mittlere Öffnung aufweist, welche den Zugang von Umgebungsluft zu einer Bezugsgaskammer zwischen dem Klemmelement und dem Elektrolyt ermöglicht, gekennzeich­ net durch:
ein Filter (112) mit einem Basiselement (110), das in radialen Eingriff mit der Hülse (96) steht und einen axialen Vorsprung (113) aufweist, der sich vom Basis­ element (110) durch die axiale Öffnung im Endelement erstreckt; und
ein Dichtungselement (123) mit einem Außenumfang mit einer Reihe von Flächen, die radial mit der Hülle (130) in Eingriff stehen, und einem Innenumfang mit einer Reihe von Flächen, die radial mit dem axialen Vorsprung (113) am Filter (112) in Eingriff stehen, wobei das Dichtungselement eine Reihe von Öffnungen (204-204 ⁿ ) für die Leitungen aufweist, die eine Reihe von Flächen besitzen, die mit den Leitungen in Ein­ griff stehen, um zu verhindern, daß Umgebungsluft durch die Öffnungen (204-204 ⁿ ) in der Dichtung eindringt, und sicherstellen, daß Umgebungsluft für die Bezugsgas­ kammer (118) durch den axialen Vorsprung (113) des Filters (112) dringt, wobei das Elektrolytelement den Abgasen eines Fahrzeuges ausgesetzt ist, während der Bezugsgaskammer im wesentlichen trockene Umgebungs­ luft zugeführt wird, wobei das Heizelement (92) die Bezugsgaskammer (118) über einer vorgegebenen Tempe­ ratur hält, so daß Änderungen im Sauerstoffgehalt der Abgase im Vergleich zum Sauerstoffgehalt in der als Bezugsgas dienenden Umgebungsluft einen Ionenfluß im Elektrolytelement bewirken, die über den ersten und zweiten Kontakt einer Steuereinheit (26) zugeführt werden, und wobei die Dichtung (123) in Axialrichtung temperaturabhängig expandiert, während der radiale Eingriff mit der Hülse (96) und dem axialen Vor­ sprung (113) am Filter (112) aufrechterhalten wird, um auf diese Weise sicherzustellen, daß kein Wasser in die Bezugsgaskammer (118) eindringt.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich das Filter (112) be­ wegt, wenn die Dichtung (123) expandiert, und mit ei­ nem Anschlag (133) am Klemmelement (120) in Eingriff tritt, der einen Schlitz aufweist, welcher sicher­ stellt, daß die Zufuhr von trockener Umgebungsluft zur Bezugsgaskammer (118) nicht unterbrochen wird.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen, die an den ersten, zweiten, dritten und vierten Kontakt angeschlossen sind, sich durch die Dichtung (123) erstrecken und eine seitliche Kraft auf einen Abschnitt der Dichtung ausüben können, wobei die Vielzahl der Flächen am Innen- und Außenumfang sicherstellt, daß ein radia­ ler Kontakt mit der Hülse (96) aufrechterhalten wird.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich der axiale Vorsprung (113) am Filter (112) durch die Hülse (96) erstreckt, wenn die Basis (110) mit dem Anschlag in Eingriff steht, um sicherzustellen, daß Umgebungsluft dem Filter außerhalb von der Hülse (96) zugeführt wird.

5. Sauerstoffsensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Bewegung der Dichtung (123) und des Filters (112), die durch eine entsprechende Tempe­ ratur verursacht wird, keine permanente Verformung bewirkt.