DE4091344C2 - Sauerstoffsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffsensor nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Ein Sauerstoffsensor dieser Art ist aus DE 30 48 092 A1 bekannt, wobei ein Sauerstoffspürelement, das etwa plattenförmig ausgebil­ det ist, in einen zylindrischen Halter bzw. Sockel eingesetzt ist. Das Spürelement selbst weist übereinanderliegende Schichten aus Elektrolyt, Elektroden und Heizelement auf.

Ein geschichteter Aufbau eines plattenförmigen Meßfühlers für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Gasen ist ferner aus DE 29 09 452 C2 und DE 29 13 866 C2 bekannt.

US 5 110 442 beschreibt einen Meßfühler, bei dem aus dem geschichteten Aufbau das Elekrolytsubstrat vorsteht, auf dessen beiden Seiten Aluminiumoxidschichten und die plattenförmigen Elektroden angebracht sind. Der Schichtaufbau kann mit einer porösen Schutzschicht umgeben sein.

Schließlich sind aus der JP-PS 36 461-1988 und der JP-OS 222 159-1987 Sauerstoffsensoren bekannt.

Fig. 11 zeigt einen Sauerstoffsensor nach JP-PS 36 461-1988, bei dem Elektroden 105 und 107 auf beiden Seiten einer festen Elektrolytschicht 106 angeordnet sind, wobei dieser Aufbau auf einem Isolierkörper 101 aufgebracht ist, der gasdurchlässig ist, um die Sauerstoffkonzentration zu erfassen. Auf der gegenüber­ liegenden Seite dieses Isolierkörpers 101 ist ein exothermes Element 103 aufgebracht.

Fig. 12 zeigt einen Sauerstoffsensor nach der JP-OS 222 159-1987, bei dem an einem zylinderförmigen Isoliermaterial 110 stirnseitig eine Lufteinführungsöffnung 110a und eine radiale Öffnung 110b vorgesehen ist, die mit der stirnseitigen Lufteinführungsöffnung 110a verbunden ist. Elektroden 105 und 107 sind wiederum auf den beiden Seiten einer festen Elektrolytschicht 106 aufgebracht. Mit 103 ist ein exothermes Element bezeichnet. Diese Schichten sind auf dem Isoliermaterial 110 so aufgebracht, daß die radiale Öffnung 110b überdeckt ist.

Ein Sensorelement nach Fig. 11 ist in Form einer dünnen Platte ausgebildet, die eine geringe Festigkeit hat, so daß das Sensorelement aufgrund von Schwingungen und Stößen leicht bricht oder beschädigt werden kann. Die Ausführungsform eines Sensor­ elementes nach Fig. 12 dagegen hat eine große Wärmekapazität, die zu einem niedrigen Heizwirkungsgrad durch das exotherme Element führt, wodurch die Funktionsfähigkeit beim Warmlaufen einer Brennkraftmaschine beeinträchtigt wird. Hierbei ist ein schnelles Aufheizen des Sensorelementes erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sauerstoffsensor der eingangs angegebenen Art so auszubilden, daß er eine hohe Festigkeit gegenüber Schwingungen und Stößen hat und dennoch ein schnelles Aufheizen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, daß das eigentliche Spürelement im Bereich einer abgeschrägten Fläche eines etwa stabförmigen Sensorelementes angebracht ist, ergibt sich ein Aufbau mit einer ausreichend hohen Festigkeit, der ohne weiteres Schwingungen widerstehen kann, während andererseits durch Anbringen des Detektorelementes an einem durch die Schrägfläche dünner ausgebildeten Abschnitt ein schnelles Aufheizen möglich ist. Auch wird die Bruchgefahr des Detektor­ elementes durch die Anordnung an dem dünner werdenden Abschnitt dadurch verringert, daß an diesem Abschnitt die am Sensorelement angreifenden Kräfte nur noch reduziert auftreten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht eine Ausführungsform des Sauerstoffsen­ sors nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Sensoreinheit mit dem Sauerstoffsensor nach Fig. 1,

Fig. 3 den Temperaturverlauf eines herkömmlichen Sauer­ stoffsensors und den nach der vorliegenden Erfin­ dung,

Fig. 4 in einer auseinandergezogengen Ansicht eine weitere Ausführungsform,

Fig. 5 ein anderes Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 und 7 weitere Ausführungsformen,

Fig. 8 in perspektivischer Ansicht und im Längsschnitt eine weitere Bauform,

Fig. 9 ein anderes Ausführungsbeispiel, und

Fig. 10 und 11 herkömmliche Bauformen.

Fig. 1 zeigt ein Sensorelement 101 in Form eines im Querschnitt rechteckigen, stabförmigen Körpers 1b, in dem ein durchgehender Hohlraum 111 ausgebildet ist. Am vorderen Ende weist das Sensorelement eine Schrägfläche 101a auf, an der der Hohlraum 111 freiliegt. Die Schrägfläche 101a bildet einen dünner werdenden Abschnitt 101b des Senorelementes, das aus Tonerdekeramik, Zirkonerdekeramik oder dergleichen bestehen kann. Mit 103 ist ein exothermes Element bezeichnet, das im wesentlichen aus Platinme­ tall besteht und im Bereich der Schrägfläche 101a unter Zwischen­ schaltung einer Isolierschicht 102 am Sensorelement 101 ange­ bracht ist, wobei die Isolierschicht beispielsweise aus Tonerde bestehen kann. Der mit der Öffnung an der Schrägfläche 101a versehene Bereich wird vollständig durch den exothermen Teil des exothermen Elementes 103 überdeckt. Mit 114a und 114b sind Anschlußelektroden am exothermen Element bezeichnet. 104 ist eine Isolierschicht, die aus dem gleichen Material wie die Isolier­ schicht 102 bestehen kann.

106 ist eine feste Elektrolytschicht beispielsweise aus Tonerde, der Yttrium zugegeben sein kann. Eine Bezugselektrode 105 und eine Meßelektrode 107, die ein Detektorelement bilden, sind auf den beiden Seiten der Elektrolytschicht 106 so angebracht, daß die Öffnung in der Schrägfläche 101a mit dem vorderen Abschnitt der Bezugselektrode 105 zusammenfällt. Die Bezugelektrode 105 ist mit einem Anschluß 112b versehen, der sich durch eine Öffnung 113 in der Elektrolytschicht 106 erstreckt. Die Meßelektrode 107 weist einen Anschluß 112a auf. Mit 108 ist eine Schutzschicht bezeichnet, welche die Meßelektrode 107 abdeckt, damit diese nicht direkt dem zu messenden Gas ausgesetzt ist. Diese Schutz­ schicht kann aus einem anorganischen Material wie beispielsweise poröse Tonerde, Spinell oder dergleichen bestehen.

Das Sensorelement 101 kann durch Spritzgießen oder dergleichen hergestellt werden und die feste Elektrolytschicht 106 kann durch Extrudieren ausgebildet werden, während die Elektroden 105 und 107, das exotherme Element 103 und die Isolierschichten 102, 104 durch Pressen hergestellt werden können, wobei sie in einem nicht gesinterten Zustand vorliegen, worauf dann gesintert werden kann. Die Schutzschicht 108 kann durch thermisches Spritzen eines Pulvers nach dem Sintern ausgebildet werden.

Fig. 2 zeigt eine Sensoreinheit, in der der Sauerstoffsensor nach Fig. 1 eingesetzt und mit 1 bezeichnet ist. Bei 1a ist der ein Detektorelement bildende vordere Abschnitt der Meßelektrode 107 bezeichnet. 3 ist ein Schutzdeckel an einem Gehäuse 2, der verhindert, daß das Detektorelement 1a direkt dem Abgas ausge­ setzt wird. Mit 4 ist ein Pulvermaterial wie Talkum bezeichnet und 5 ist ein aus dem Aufbau herausführender Leitungsdraht.

Der vordere Endabschnitt des Sauerstoffsensors, der mit der Schrägfläche 101a versehen und der dem Abgas ausgesetzt ist, bildet einen in Richtung zum vorderen Ende dünner werdenden Teil, so daß die Wärmekapazität dieses vorderen Endabschnittes, der durch das exotherme Element 103 erwärmt wird, klein ist. Der Heizwirkungsgrad des exothermen Elementes 103 ist dadurch entsprechend hoch mit der Folge, daß die das Detektorelement bildende Meßelektrode 107 schnell aufgeheizt werden kann.

Fig. 3 zeigt einen Vergleich der Aufheizzeiten, wobei jeweils gleiche exotherme Elemente verwendet wurden. Der herkömmliche Sauerstoffsensor wies ein rechteckiges, stabförmiges Element mit einer Breite von 5 mm, einer Dicke von 5 mm und einer Länge von 60 mm auf, während der Sauerstoffsensor nach der Erfindung einen keilförmigen vorderen Endabschnitt von 25 mm Länge bei einer Breite von 5 mm und einer Dicke von 2 mm am vorderen Ende aufwies.

Die Verjüngung des erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors am vorderen Endabschnitt verringert auch das Gewicht in diesem Bereich, wodurch die am Sensorelement 101 auftretenden Kräfte und Schwingungen nur reduziert an dem verjüngten Abschnitt zur Wirkung kommen. Weiterhin wird durch den allmählichen Übergang vom dünnen vorderen Ende zum dickeren hinteren Abschnitt des Sensorelementes 101 ein gleichmäßiger Übergang der bei abrupten Temperaturänderungen auftretenden Spannungen erzielt.

Das Sensorelement 101 in Fig. 1 bzw. 1b in Fig. 2 hat vorzugsweise eine Dicke von 2 bis 6 mm, wobei bei einer größeren Dicke der Anstieg der Wärmekapazität nachteilig ist und im Falle einer Dicke von weniger als 2 mm die Festigkeit und Einbaufähigkeit beeinträchtigt wird. Zweckmäßigerweise wird eine Breite von 3 bis 6 mm vorgesehen, wobei die Länge des keilförmigen vorderen Endabschnitts 10 bis 30 mm betragen kann.

Anstelle eines im Querschnitt rechteckigen Sensorelementes 101 kann auch ein polygonaler oder runder Querschnitt vorgesehen werden.

Fig. 5 zeigt einen runden Querschnitt des Sensorelementes 401 mit der Schrägfläche 401a am vorderen Endabschnitt. Fig. 5b zeigt eine Seitenansicht und Fig. 5c eine Stirnansicht von hinten. Anstelle eines runden Querschnitts kann auch ein elliptischer Querschnitt vorgesehen werden.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 sind die Bezugselektrode 105 und die Meßelektrode 107 so ausgebildet, daß sie nicht nur die Öffnung in der Schrägfläche 101a, sondern den gesamten Bereich der Schrägfläche überdecken. Hierdurch wird eine gleichmäßige Aufheizung begünstigt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist das exotherme Element 103 mit den Isolierschichten 102 und 104 auf der gleichen Seite angeordnet wie die Meßelektrode 107, wodurch die Aufheizung weiter begünstigt wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 8 schließt sich an die Schräg­ fläche 120 am vorderen Ende ein eben verlaufender Abschnitt 201d an, auf dem die Meßelektrode mit der Schutzschicht 108 aufge­ bracht ist. Das im hinteren Bereich dickere Sensorelement ist mit 201 bezeichnet. Der in Fig. 8a perspektivisch wiedergegebene Sauerstoffsensor ist in Fig. 8b in einem Längsschnitt wiedergege­ ben, wobei ein Hohlraum 201a ausgebildet ist, der sich bis in den plattenförmigen Abschnitt 201b am vorderen Ende der Schrägfläche erstreckt. Hierbei wird ein geringer Wärmegradient im Meßbereich erreicht und die Meßsignale können stabil gehalten werden.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform ähnlich der nach Fig. 8a, wobei auf beiden Seiten des vorderen Endabschnitts an dem ansonsten stabförmigen Sensorelement 301 Schrägflächen 120 ausgebildet sind.

Fig. 9 zeigt schließlich eine Ausführungsform, bei der Schräg­ flächen 120 auf den beiden Seitenflächen am vorderen Endabschnitt des Sensorelementes ausgebildet sind, so daß sich in der Draufsicht eine kegelstumpfförmige Ausgestaltung ergibt, während in der Seitenansicht die Dicke des Sensorelementes gleich bleibt im Gegensatz zu der Keilform der übrigen beschriebenen Aus­ führungsformen. Auch bei der Ausführungsform nach Fig. 9 kann ein kleiner Temperaturgradient im Meßbereich zur Erzielung stabiler Meßsignale erhalten werden.

Claims (7)

1. Sauerstoffsensor mit schichtförmigem Aufbau, umfassend ein Detektorelement (1a, 107) und ein exothermes Element (103), dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement (1a, 107) im Bereich einer Schräg­ fläche (101a, 120, 401a) am vorderen Ende eines Sensor­ elementes (1b, 101, 201, 401) ausgebildet ist.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (101) stabförmig mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet ist, wobei der vordere Endabschnitt auf der Seite des Detektorelementes (107) abgeschrägt ist.

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektorelement (107) auf der Schrägfläche (101a) angeordnet ist.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Vorderende der Schrägfläche (120) am vorderen Endabschnitt des Sensorelementes (201) durch einen platten­ förmigen Abschnitt (201b) gleichbleibender Dicke verlängert ist, auf dem das Detektorelement (107) angeordnet ist.

5. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägfläche (120) auf der Seitenfläche des Sensor­ elementes ausgebildet ist, die etwa rechtwinklig zu der mit dem Detektorelement (107) versehenen Seite liegt.

6. Sauerstoffsensor nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der vordere Endabschnitt des Sensorelementes auf gegenüberliegenden Seiten mit jeweils einer Schrägfläche versehen ist.

7. Sauerstoffsensor nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (101, 201) hohl ausgebildet ist, wobei der Hohlraum im Bereich der Schrägfläche (101a) bzw. im Bereich des Detektorelementes (107) freiliegt.