DE3843089A1

DE3843089A1 - Sauerstoffuehler

Info

Publication number: DE3843089A1
Application number: DE3843089A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Nagata; Atsushi Iino; Nobuhide Kato; Hiroshi Ishikawa; Yasuhiko Hamada
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1987-12-25
Filing date: 1988-12-21
Publication date: 1989-07-13
Also published as: JPH01169350A; US4916934A; DE3843089C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffühler, mit dem jederzeit optimale Messungen durchgeführt werden können, ohne daß diese durch die Einbaurichtung des Meß fühlers beeinflußt werden.

Um die Meßgenauigkeit eines Sauerstoffühlers, der ein ebenes Fühlerelement verwendet, zu verbessern, ist in dem japanischen Gebrauchsmuster Nr. 60-1 50 447, Fa. NGK Insulators, Ltd. ein Sauerstoffühler offenbart (siehe Fig. 5a), bei dem ein ebenes Fühlerelement 21 durch ein Schutzgehäuse 22 geschützt wird, das Strömungsöffnungen 23 aufweist, durch die ein zu messendes Gas strömt und die an Stellen angeordnet sind, die nicht einem größeren Abschnitt der Oberfläche des Fühlerelements gegenüberliegen. Das Bezugszeichen 25 kennzeichnet eine Gasauslaßöffnung.

Aber bei dem in dem japanischen Gebrauchsmuster Nr. 60-1 50 447 offenbarten Sauerstoffühler ist, wie in Fig. 5b (Schnitt entlang der Linie Vb-Vb in Fig. 5a) gezeigt, ein Meßabschnitt 24 an dem größeren Abschnitt der Oberfläche des ebenen Fühlerelements 21 ausgebildet. Dieser Sauerstoffühler hat den Nachteil, daß die Richtung, in der zu messende Gas auf den Meßabschnitt 24 strömt, von dessen Einbaurichtung abhängt. Die Art, in der das Gas gegen den Meßabschnitt 24 strömt, unterscheidet sich zwischen einem Fall, in dem das Gas in einer A-Richtung eintritt und einem Fall, in dem das Gas in einer B-Richtung eintritt. Falls das zu messende Gas, wie im vorliegenden Fall aus verschiedenen Richtungen auf den Meßabschnitt 24 strömt, schwankt ein λ-Regelpunkt des Fühlers aus Gründen, die später beschrieben werden.

Demzufolge können Messungen nicht mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Probleme zu lösen und einen Sauerstoffühler zu schaffen, der ein ebenes Fühlerelement verwendet und mit dem jederzeit Messungen mit hoher Genauigkeit und einem konstanten λ-Regelpunkt, unabhängig von der Einbaurichtung eines Meßabschnitts, durchgeführt werden können.

Erfindungsgemäß umfaßt ein Sauerstoffühler ein ebenes Fühlerelement, an dem an mindestens einer äußeren Seiten fläche ein Meßabschnitt zum Nachweis eines zu messenden Gases angeordnet ist, ein Metallgehäuse zum Schutz des Meßabschnitts des Fühlerelements und Gaseinströmöffnungen, die in dem Metallgehäuse ausgebildet sind, um das Gas einströmen zu lassen; das Fühlerelement ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinströmöffnungen an Stellen des Metallgehäuses ausgebildet sind, die nicht dem Meßabschnitt des Fühlerelements gegenüberliegen, daß an den Gaseinström öffnungen Führungsflächen angeordnet sind, um das Gas im Inneren des Metallgehäuses in einer vorgegebenen Richtung zu verwirbeln und daß an der Bodenfläche des Metallgehäuses eine Gasausströmöffnung ausgebildet ist, durch die das zu messende Gas ausströmt.

Bei der oben beschriebenen Konstruktion sind die Gasein strömöffnungen an dem Endabschnitt des Metallgehäuses an Stellen ausgebildet, die nicht dem Meßabschnitt des Fühler elements gegenüberliegen, so daß das zu messende Gas nicht direkt gegen den Meßabschnitt strömen kann; die Führungs flächen sind jeweils an den entsprechenden Gaseinström öffnungen ausgebildet und die Gasausströmöffnung ist an der Bodenfläche des Metallgehäuses angeordnet. Dadurch strömt das Gas selbst dann jederzeit in gleichbleibender Weise gegen den Meßabschnitt, wenn sich dessen Einbaurichtung ändert.

Gemäß Fig. 3 wird durch die Führungsflächen eine gleich mäßige Strömung ausgebildet und diese breitet sich zu dem ebenen Fühlerelement hin aus. Der durch die durchgezogene Linie gekennzeichnete Wirbel wird dann entlang der inneren Umfangsfläche des Metallgehäuses in der Meßzone erzeugt. Zwischen dem Fühlerelement und dem gleichförmigen Wirbel bilden sich dann schwache Wirbel aus. Daher können solche Wirbel, unabhängig von der Einbaurichtung des Sauerstoff fühlers relativ zu der Strömung des zu messenden Gases stets gleichförmig ausgebildet werden.

Da die Gasausströmöffnung an der Bodenfläche des Metallge häuses ausgebildet ist, löst sich die Hauptströmung des Gases am Boden ab. Folglich verringert sich der Druck zu der Bodenfläche hin und das Gas im Inneren des Metallge häuses strömt aus und verursacht so eine Abwärtsströmung des Gases im Inneren des Metallgehäuses nahe dessen zentralen Abschnitt. Die Abwärtsströmung nahe dem zentralen Abschnitt des Metallgehäuses unterstützt die Wirbelbildung und vergleichmäßigt die Strömung weiter. Da die Menge des einströmenden, zu messenden Gases durch die Menge des ausströmenden Gases ansteigt, wird der Wirbel verstärkt und vergleichmäßigt so zusätzlich die Strömung. Wird darüberhinaus ein Ausströmrohr zu der Grundfläche des Metallgehäuses hinzugefügt, so wird die Überlagerung zwischen der Abwärtsströmung und dem Wirbel im Inneren des Metallgehäuses verhindert und der Wirbel kann weiter verstärkt werden.

Gemäß den Fig. 1b und 2b ist es vorteilhaft, die Weite des Zwischenraums "t" zwischen der Führungsfläche und dem entfernteren Seitenrand der Gaseinströmöffnung, d. h. dem Öffnungswinkel der Gaseinströmöffnung, nicht größer als 0,8 mm auszubilden und nicht weniger als 8 Führungsflächen anzuordnen, da in diesem Fall der Wirbel weiter vergleichmäßigt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b eine Draufsicht bzw. eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Sauer stoffühlers,

Fig. 2a und 2b eine Draufsicht bzw. eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des Sauerstoffühlers,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Gasströmung in einem Sauerstoffühler,

Fig. 4a und 4b Diagramme zur Erklärung, warum der λ-Regel punkt von der Art, wie das zu messende Gas gegen den Meßabschnitt eines Meßfühlers strömt abhängt und

Fig. 5a und 5b eine Draufsicht bzw. eine Schnittdarstellung eines herkömmlichen Sauerstoffühlers.

Zunächst wird die Ursache beschrieben, wegen der der λ- Regelpunkt von der Weise abhängt, wie das zu messende Gas gegen den Meßabschnitt strömt.

Gemäß Fig. 4a verschiebt sich der λ-Regelpunkt im allge meinen leicht hin zur mageren Seite des theoretischen Luft- Kraftstoffverhältnisses. Die Verschiebung wird auf folgende Weise verursacht.

Auch in einer mageren Atmosphäre (einer Sauerstoffüber schußatmosphäre) sind unverbrannte Komponenten wie CO und HC in einem Abgas enthalten. Die unverbrannten Komponenten werden idealerweise durch eine Reaktion mit Überschußsauer stoff in Gleichgewichtsgase umgewandelt. In diesem Fall stimmt der λ-Regelpunkt mit dem theoretischen Luft-Kraft stoffverhältnis überein. Die oben beschriebene Gleichge wichtsreaktion läuft während dem Durchströmen des Gases durch eine Deckschicht und eine Platinschicht des Sauer stoffühlers ab. Falls die Reaktion vollständig abläuft, bis das Gas die Oberfläche einer Dreiphasengrenzfläche aus dem Gas, Platin und Zirkonium als einem Trägermittel des Sauerstoffühlerelements erreicht, so erhält man den oben beschriebenen Idealzustand. Tatsächlich aber läuft diese Reaktion nicht vollständig ab. Einige der unverbrannten Komponenten erreichen die Dreiphasengrenzfläche und reagieren mit dem O^-- des ZrO₂. Dadurch wird zum Beispiel

CO + O^-- → CO₂ + 2e,

so daß die Elektronen im ZrO₂ verbleiben. Damit wird eine elektromotorische Kraft an dem Teil der zahlreichen Dreiphasengrenzflächen erzeugt, der von den unverbrannten Komponenten erreicht wird. Aus diesem Grund wird auch in der mageren Atmosphäre eine elektromo torische Kraft erzeugt und der λ-Regelpunkt wird folglich entsprechend zur mageren Seite hin verschoben. Falls das zu messende Gas stark gegen den Meßabschnitt strömt, steigt aus diesem Grund die Menge der unverbrannten Komponenten an, die die Oberfläche der Dreiphasengrenzflächen erreichen, so daß die elektromotorische Kraft ansteigt (die Verschiebung zur mageren Seite hin wird größer). Falls das Gas schwach gegen den Meßabschnitt strömt, hat dies das Gegenteil zur Folge. Da die Gleichgewichtsreaktion der Komponenten mit steigender Temperatur schneller wird, nimmt die Verschiebung zur mageren Seite hin mit steigender Temperatur des zu messenden Gases (Temperatur des Fühlerele ments) ab. Deshalb sind die Art, wie das Abgas gegen den Meßabschnitt strömt und Änderungen der Fühlertemperatur Faktoren, die eine Veränderung des λ-Regelpunktes verur sachen. Bei herkömmlichen Sauerstoffühlern ändert sich demnach der λ-Regelpunkt in Abhängigkeit von der Einbaurichtung relativ zu der Strömungsrichtung des zu messenden Gases (siehe Fig. 4b).

Die Fig. 1a und 1b zeigen eine Draufsicht bzw. eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines Sauer stoffühlers. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein ebenes Fühlerelement 2, das an seinem größeren Oberflächenab schnitt einen auf herkömmliche Weise zu dem Erfassen eines zu messenden Gases ausgebildeten Meßabschnitt 1 aufweist, an einem hier nicht gezeigten Sauerstoffühlerkörper befestigt. Das Fühlerelement 2 ist mit einem Metallgehäuse 3 abgedeckt. Acht Gaseinströmöffnungen 5-1 bis 5-8 sind in dem Metallgehäuse an Stellen ausgebildet, die nicht auf den Meßabschnitt 1 zeigen, der an dem Ende des Fühlerelements angeordnet ist, und jeweils eine der acht Leitflächen 4-1 bis 4-8 ist hinter den Gaseinströmöffnungen 5-1 bis 5-8 angeordnet. An einem Ende des Metallgehäuses 3 ist eine Gasausströmöffnung 6 ausgebildet, durch die das Gas aus dem Metallgehäuse 3 nach außen strömt. Bei diesem Ausführungs beispiel ist es vorteilhaft, das Maß "t" eines Zwischen raums zwischen jeder der Seitenflächen 4-1 bis 4-8 und einem entfernteren seitlichen Rand der entsprechenden Gaseinströmöffnungen 5-1 bis 5-8 nicht größer als 0,8 mm auszubilden.

Unabhängig von der Richtung, in der der Meßabschnitt 1 im Verhältnis zur Strömung des zu messenden Gases eingebaut ist, wird dieses nicht direkt gegen den Meßabschnitt 1 strömen und die Gasströmung im Inneren des Metallgehäuses 3 wird zu einem sich in konstanter Richtung drehenden Wirbel. Entsprechend den obigen Ausführungen wird die Strömung des Gases im Verhältis zum Meßabschnitt 1 jederzeit konstant gehalten.

Bevorzugterweise wird jede der Gaseinströmöffnungen gebil det, in dem entsprechende Leitflächen in das Metallgehäuse geschnitten und nach innen aufgestellt werden.

Die Fig. 2a und 2b sind eine perspektivische Ansicht bzw. eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Sauerstoffühlers. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die, dem Ausführungsbeispiel in den Fig. 1a und 1b entsprechenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und auf deren Beschreibung ist verzichtet. Das Ausführungsbeispiel in den Fig. 2a und 2b unterscheidet sich von dem in den Fig. 1a und 1b darin, daß sich ein Gasausströmrohr 7 um eine vorgegebene Strecke aus der Gasausströmöffnung des Metallgehäuses 3 erstreckt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Überlagerung zwischen der Strömung zu dem Endabschnitt des Metallgehäuses 3, d. h. der Abwärtsströmung und dem Wirbel verhindert, um den Wirbel zu verstärken.

Vorstehend wurden nur einige Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es liegt jedoch für den Fachmann auf der Hand, daß zahlreiche Änderungen und Abwandlungen ausführbar sind, ohne den Rahmen und den Grundgedanken der Erfindung zu verlassen. Obwohl zum Beispiel in den obigen Ausführungsbeispielen die Anzahl der Gaseinströmöffnungen und der Führungsflächen acht beträgt, ist deren Anzahl nicht notwendigerweise auf acht begrenzt. Darüberhinaus ist die Form der Führungsflächen nicht auf diejenige begrenzt, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt ist. Wie oben beschrieben, wird erfindungsgemäß die Anordnung der Gasein strömöffnungen und der Aufbau der Führungsflächen offenbart. Dabei kann das zu messende Gas daran gehindert werden, direkt gegen den Meßabschnitt zu strömen und das Gas wird im Inneren des Metallgehäuses in eine vorgeschrie bene Richtung verwirbelt. Selbst wenn sich die Einbaurich tung des Meßabschnitts relativ zur Strömung des zu messenden Gases ändert, kann das zu messende Gas jederzeit auf konstante Weise gegen den Meßabschnitt strömen. Demnach können ein konstanter λ-Regelpunkt und eine konstante Meßgenauigkeit sichergestellt werden.

Es ist ein Sauerstoffühler mit einem ebenen Fühlerelement und einem Metallgehäuse offenbart. Das ebene Fühlerelement weist an mindestens einer der äußeren Seitenflächen einen ebenen Meßabschnitt zu dem Erfassen eines zu messenden Gases auf. Dieser Meßabschnitt wird durch ein Metallgehäuse geschützt. An dem Metallgehäuse sind Gaseinströmöffnungen für das Einströmen des Gases in das Metallgehäuse ausgebil det. Die Gaseinströmöffnungen sind derart angeordnet, daß sie nicht dem Meßabschnitt des Sauerstoffühlerelements gegenüberliegen. An den Gaseinströmöffnungen sind Leitflächen ausgebildet, mit denen jeweils das Gas im Inneren des Metallgehäuses in eine bestimmte Richtung verwirbelt werden kann. Das Metallgehäuse ist an seiner Bodenfläche mit einer Gasausströmöffnung versehen.

Claims

1. Sauerstoffühler gekennzeichnet durch ein ebenes Fühlerelement (2), das an mindestens einer der äußeren Seitenflächen einen Meßabschnitt (1) aufweist, der zum Erfassen eines zu messenden Gases geeignet ist, wobei der Meßabschnitt (1) des Sauerstoffühlers durch ein Metallgehäuse (3) geschützt wird, das mit Gaseinström öffnungen (5-1 bis 5-8) zum Einströmen des Gases in das Metallgehäuse (3) versehen ist, die an Stellen angeordnet sind, die nicht dem Meßabschnitt (1) des Sauerstoffühler elements (2) gegenüberliegen und durch an den Gaseinström öffnungen (5-1 bis 5-8) angeordnete Führungsflächen (4-1 bis 4-8), mit denen das Gas im Inneren des Metallgehäuses (3) in einer vorgegebenen Richtung verwirbelt wird, wobei die Bodenfläche des Metallgehäuses (3) mit einer Gasaus strömöffnung (6) versehen ist.

2. Sauerstoffühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasausströmrohr (7) an der Bodenfläche des Metallgehäuses (3) angeordnet ist, durch das das zu messende Gas ausströmt.

3. Sauerstoffühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (t) zwischen jeder der Führungsflächen (4-1 bis 4-8) und einem entfernteren seitlichen Rand der entsprechenden Gaseinströmöffnungen (5-1 bis 5-8) nicht größer als 0,8 mm ist.