DE4232092C2

DE4232092C2 - Electrochemical sensor for determining the oxygen content in gases

Info

Publication number: DE4232092C2
Application number: DE19924232092
Authority: DE
Inventors: Heinrich Hipp; Michael Liebler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 2003-03-20
Anticipated expiration: 2012-09-26
Also published as: CH685022A5; DE4232092A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem elektrochemischen Meßfühler nach der Gattung des Hauptanspruchs. Ein Meßfühler dieser Gattung ist zum Beispiel bekannt aus der DE-OS 28 41 771 (US PS 4 219 399), bei dem das Heizelement mittels eines Fixierflansches im Festelek trolytrohr montiert ist, wobei im Festelektrolytrohr selbst das Heizelement frei liegt. Aus fertigungstechni schen Gründen sowie aufgrund unterschiedlicher Wär meausdehnungskoeffizienten der Materialien ist stets ein Spalt zwischen Heizelement und Festelektrolytrohr- Innenwand erforderlich. Vor und während der Montage und insbesondere beim Einsatz in Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen ist der im Festelektrolytrohr frei liegende Meßfühler ständig Stoßeinwirkungen ausge setzt, die aufgrund der Trägheitskräfte des Heizele ments ungedämpfte Schläge auf die Festelektrolytrohr- Innenwand ausüben können. Dabei kann das Heizele ment und/oder das Festelektrolytrohr zu Bruch gehen.The invention is based on an electrochemical Sensor according to the type of the main claim. On This type of sensor is known from, for example DE-OS 28 41 771 (US PS 4 219 399), in which the Heating element by means of a fixing flange in the festelek trolyt tube is mounted, being in the solid electrolyte tube even the heating element is exposed. From manufacturing technology reasons and due to different heat expansion coefficient of the materials is always a gap between the heating element and the solid electrolyte tube Inner wall required. Before and during assembly and especially when used in internal combustion engines of motor vehicles is free in the solid electrolyte tube horizontal sensors constantly exposed to impacts sets due to the inertia of the Heizele undamped impacts on the solid electrolyte tube Can exercise inner wall. The Heizele ment and / or the solid electrolyte tube to break.

Aus der DE-OS 30 23 337 ist bekannt, zur Reaktivie rung der Bezugselektrode im Innern des Festelektroly trohres feinteiliges keramisches Material zwischen dem stabförmigen Heizelement und der Innenwand des Fest elektrolytrohres einzubringen. Ferner wird zum Zweck der besseren Wärmeübertragung in der EP-A-056 837 vorgeschlagen, den Zwischenraum zwischen Heizele ment und Festelektrolytrohr mit einem elektrisch isolie renden, korn- oder faserförmigen keramischen Material auszufüllen. Das mit weitgehend der gesamten Bezugs elektrode in Kontakt stehende korn- bzw. faserförmige keramische Material beeinträchtigt jedoch die Funktion derselben.From DE-OS 30 23 337 is known for reactivity tion of the reference electrode inside the solid electrolyte tube of finely divided ceramic material between the rod-shaped heating element and the inner wall of the festival to introduce electrolyte tube. It also becomes an end the better heat transfer in EP-A-056 837 proposed the space between Heizele ment and solid electrolyte tube with an electrical isolie renden, granular or fibrous ceramic material fill. That with largely the entire reference Electrode in contact granular or fibrous however, ceramic material affects the function the same.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße elektrochemische Meßfühler mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptan spruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Bewe gungsspielraum des Heizelements innerhalb des Fest elektrolytrohres eingeschränkt ist. Damit wird erreicht, daß die auf den Meßfühler wirkenden schlag- bzw. stoß artigen Kräfte gedämpft werden. Dies führt schließlich dazu, daß die Schlagfestigkeit des Meßfühlers wesent lich verbessert wird.The electrochemical sensor according to the invention with the distinctive features of the Hauptan saying has the advantage that the Bewe scope of the heating element within the festival electrolyte tube is restricted. So that is achieved that the impact or impact acting on the sensor like forces are dampened. This ultimately leads that the impact resistance of the sensor is essential Lich is improved.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Meßfühlers möglich. Besonders vorteilhaft ist, ein Fe derelement einzusetzen, welches die fertigungstech nisch bedingten Toleranzen des Festelektrolytrohres ausgleicht und zugleich Stoßkräfte ausreichend absor biert.By those listed in the subclaims Measures are advantageous training and Improvements to what is stated in the main claim Sensor possible. An Fe is particularly advantageous to use the element that the manufacturing tech niche tolerances of the solid electrolyte tube balances and at the same time sufficiently absorbs impact forces biert.

drawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Be schreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Längs schnitt durch den Teil eines erfindungsgemäßen Meß fühlers, welcher in den Meßraum eingesetzt wird, Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Federelement zur Dämpfung f von stoßartigen Kräften und Fig. 3 einen Schnitt durch das Federelement gemäß Fig. 2.An embodiment of the invention is shown in the drawing and explained in more detail in the following description. It shows Fig. 1 is a longitudinal section through the part of a measurement according to the invention the sensor is which is inserted into the measuring chamber, Fig. 2 is a plan view of a spring element for damping f of shock-like forces and Fig. 3 a section through the spring element shown in FIG. 2 ,

Description of the embodiment

Ein in Fig. 1 dargestellter Meßfühler 10 hat ein Ge häuse 19 und ein sauerstoffionenleitendes Festelektroly trohr 11, das beispielsweise aus stabilisiertem Zirkon oxid besteht und an seinem in ein nicht dargestelltes Abgasrohr ragendem Ende geschlossen ist, wodurch ein Innenraum 15 gebildet wird. Das andere Ende des Fest elektrolytrohres 11 ist mit einem Flansch 13 ausgeführt. Das Gehäuse 19 besitzt eine Längsbohrung 21, die über eine Schulter 20 aufgeweitet ist. Auf der Schulter 20 liegt das Festelektrolytrohr 11 mit seinem Flansch 13 auf, wobei zwischen der Schulter 20 und dem Flansch 13 ein nicht dargestellter metallischer oder keramischer Sondendichtring gegen Zutritt von Abgas vorgesehen ist. Das Gehäuse 19, das elektrisch leitfähig ist und bei spielsweise aus temperaturfestem Stahl besteht, dient zumeist als Masseanschluß für den Meßfühler 10.A sensor 10 shown in Fig. 1 has a Ge housing 19 and an oxygen ion-conducting solid electrolyte tube 11 , which consists for example of stabilized zirconium oxide and is closed at its end projecting into an exhaust pipe, not shown, whereby an interior 15 is formed. The other end of the fixed electrolytic tube 11 is designed with a flange 13 . The housing 19 has a longitudinal bore 21 which is widened over a shoulder 20 . The solid electrolyte tube 11 lies on the shoulder 20 with its flange 13 , a metallic or ceramic probe sealing ring (not shown) being provided between the shoulder 20 and the flange 13 to prevent the entry of exhaust gas. The housing 19 , which is electrically conductive and consists, for example, of temperature-resistant steel, mostly serves as a ground connection for the sensor 10 .

Das Festelektrolytrohr 11 ist auf seiner äußeren Oberfläche mit einer katalysierend wirkenden porösen Meßelektrode 14 versehen, die beispielsweise aus Platin besteht und zumindest teilweise dem Meßgas ausge setzt wird und zusätzlich zumindest teilweise den Flansch 13 seitlich berührt. Auf die Darstellung einer auf der Meßelektrode 14 aufgebrachten Schutzschicht ge gen mechanische und thermische Angriffe der Meßgase bzw. auf die Darstellung einer Diffusionsschicht wurde aus Gründen der Klarheit der Figur verzichtet. Diesbe züglich wird auf die DE-OS 18 09 622 bzw. DE- OS 19 54 663 verwiesen.The solid electrolyte tube 11 is provided on its outer surface with a catalytic porous measuring electrode 14 , which consists for example of platinum and is at least partially exposed to the measuring gas and additionally at least partially touches the flange 13 laterally. The illustration of a protective layer applied to the measuring electrode 14 against mechanical and thermal attacks of the measuring gases or the illustration of a diffusion layer has been omitted for the sake of clarity of the figure. In this regard, reference is made to DE-OS 18 09 622 and DE-OS 19 54 663.

Auf der dem Innenraum 15 zugewandten Oberfläche ist das Festelektrolytrohr 11 mit einer Bezugselektrode 16 versehen, die ebenfalls beispielsweise aus porösem Platin besteht. Die Bezugselektrode 16 führt als Leiter bahn bis auf eine Stirnfläche 17 des Festelektrolytrohres 11. Auf die Stirnfläche 17 ist eine Klemmhülse 18 gelegt. Die Klemmhülse 18 bildet demzufolge ein elektrisches Verbindungsteil zur Bezugselektrode 16. An die Klemmhülse 18 ist ein nicht dargestelltes Anschlußkabel angeschlossen, welches aus dem Meßfühler herausge führt ist.On the surface facing the interior 15 , the solid electrolyte tube 11 is provided with a reference electrode 16 , which also consists, for example, of porous platinum. The reference electrode 16 leads as a conductor track up to an end face 17 of the solid electrolyte tube 11 . A clamping sleeve 18 is placed on the end face 17 . The clamping sleeve 18 accordingly forms an electrical connection part to the reference electrode 16 . A connecting cable, not shown, is connected to the clamping sleeve 18 , which leads out of the sensor.

Bei einem anderen Meßfühlertyp ist die Meßelektro de 14 nicht mit dem Gehäuse 19 verbunden. Bei diesem Meßfühlertyp ist die Berührungsfläche zwischen Fest elektrolytrohr 11 und Gehäuse zumindest im Bereich der Meßelektrode 14 elektrisch isoliert. Der Anschluß der Meßelektrode 14 erfolgt dabei über einen separaten Anschluß.In another type of sensor, the Meßelektro de 14 is not connected to the housing 19 . In this type of sensor, the contact surface between the solid electrolyte tube 11 and the housing is electrically insulated at least in the area of the measuring electrode 14 . The measuring electrode 14 is connected via a separate connection.

Das Festelektrolytrohr 11 ragt mit seinem meßgassei tigen Abschnitt aus der Längsbohrung 21 des Gehäuses 19 heraus und ist von einem Schutzrohr 22 umgeben. Das Schutzrohr 22 ist ebenfalls am Gehäuse 19 befestigt und weist eine Anzahl von Ein- bzw. Auslaßöffnungen 23 für das Meßgas auf. Das Gehäuse 19 hat an seiner Außenseite ein Schlüsselsechskant 32 und ein Ein schraubgewinde 24 für den dichten und festen Einbau in einen nicht dargestellten meßgasführenden Raum.The solid electrolyte tube 11 protrudes with its meßgassei term portion from the longitudinal bore 21 of the housing 19 and is surrounded by a protective tube 22 . The protective tube 22 is also fastened to the housing 19 and has a number of inlet and outlet openings 23 for the measurement gas. The housing 19 has on its outside a hexagon key 32 and a screw thread 24 for the tight and fixed installation in a measuring gas-carrying space, not shown.

Im Innenraum 15 des Festelektrolytrohres 11 ist ein stabförmiges Heizelement 25 eingesetzt. Außerhalb des Festelektrolytrohres 11 ist das Heizelement mittels der als Kontaktplatte wirkenden Klemmhülse 18 im Gehäu se 19 gehalten.A rod-shaped heating element 25 is inserted in the interior 15 of the solid electrolyte tube 11 . Outside the solid electrolyte tube 11 , the heating element is held in the housing 19 by means of the clamping sleeve 18 acting as a contact plate.

Auf das im Innenraum 15 liegende Ende des Heizele ments 25 ist ein Federelement 27 geschoben. Das Feder element 27 besitzt gemäß der Fig. 2 und 3 einen Boden 28 von dem aus vier federnde Stege 29 abgewinkelt verlaufen. Jeder federnde Steg besitzt ein unteres abge winkeltes Teil 30 und ein oberes abgewinkeltes Teil 31. On the inside of the end 15 of the Heizele element 25 , a spring element 27 is pushed. The spring element 27 has according to FIGS. 2 and 3 a bottom 28 from which four resilient webs 29 are angled. Each resilient web has a lower angled part 30 and an upper angled part 31 .

Zur Ausbildung der entsprechenden Federwirkung ist das untere federnde Teil 30 zur Mittellinie des Federele ments 27 hin in einen Winkel von mehr als 90° nach innen gebogen. In der unteren Hälfte sind die federnden Stege 29 gegenüber den unteren federnden Teilen 30 in entgegengesetzte Richtung als obere federnde Teile 31 nach außen gebogen. Der Winkel der nach außen gebo genen oberen federnden Teile 31 beträgt etwa 15° be zogen auf eine achsparallele Linie.To form the corresponding spring action, the lower resilient part 30 is bent towards the center line of the spring element 27 at an angle of more than 90 ° inwards. In the lower half, the resilient webs 29 are bent outwards relative to the lower resilient parts 30 in the opposite direction as the upper resilient parts 31 . The angle of the outwardly bent upper resilient parts 31 is about 15 ° be drawn on an axis-parallel line.

Bei der Montage des Meßfühlers 10 wird zuerst das Federelement 27 auf das frei liegende Ende des Heizele ments 25 aufgeschoben, so daß der Boden 28 des Feder elements 27 an der Stirnfläche des Heizelements 25 an liegt. Danach wird das mit dem Federelement 27 ausge rüstete Heizelement 25 in den Innenraum 15 des Fest elektrolytrohrs 11 geschoben. Die Durchmesserdiffe renz zwischen dem Außendurchmesser des Heizele mentes 25 und dem Innendurchmessers des Innenraums 15 ist so bemessen, daß die federnden Stege 29 des Federelements 27 ihre federnde und damit stoßabsor bierende Wirkung zwischen Heizelement 25 und Fest elektrolytrohr 11 ausüben können.When mounting the sensor 10 , the spring element 27 is first pushed onto the exposed end of the heating element 25 , so that the bottom 28 of the spring element 27 lies on the end face of the heating element 25 . Thereafter, the heating element 25 equipped with the spring element 27 is pushed into the interior 15 of the solid electrolyte tube 11 . The difference in diameter between the outer diameter of the element 25 Heizele and the inner diameter of the interior 15 is such that the resilient webs 29 of the spring element 27 can exert their resilient and thus shock-absorbing effect between the heating element 25 and the electrolytic tube 11 .

Der durch die unteren federnden Teile 30 gebildete Durchmesser D1 ist so bemessen, daß er geringfügig kleiner ist als der Innendurchmesser des Festelektroly trohrs 11. Der durch die zweite Biegekante zwischen den unteren federnden Teilen 30 und den oberen fe dernden Teilen 31 entstehende Durchmesser D2 ist et was kleiner gehalten als der Außendurchmesser des Heizelementes 25, damit das Federelement 27 am Heiz element 25 vorgespannt hält. Der schließlich durch die nach außen abgewinkelten oberen federnden Teile 31 gebildete Durchmesser D3 ist geringfügig größer als der Innendurchmesser des Festelektrolytrohres 11. Da durch ist gewährleistet, daß sich das Federelement 27 sowohl am Heizelement 25 als auch am Innendurchmes ser des Elektrolytrohres 11 verspannt, wodurch die stoßabsorbierende Wirkung eintritt.The diameter D1 formed by the lower resilient parts 30 is such that it is slightly smaller than the inner diameter of the solid electrolytic tube 11th The resulting diameter D2 by the second bending edge between the lower resilient parts 30 and the upper fe-resilient parts 31 is kept smaller than the outer diameter of the heating element 25 so that the spring element 27 holds the heating element 25 biased. The diameter D3 finally formed by the outwardly angled upper resilient parts 31 is slightly larger than the inside diameter of the solid electrolyte tube 11 . This ensures that the spring element 27 is braced on both the heating element 25 and the inner diameter of the electrolyte tube 11 , as a result of which the shock-absorbing effect occurs.

Claims

1.Electrochemical sensor for determining the oxygen content in gases, in particular in exhaust gases from internal combustion engines, with a closed on the measuring gas side, oxygen ion conducting the solid electrolyte tube, on the outside of which a gas-permeable, exposed to the measuring gas and catalytically active measuring electrode is applied and the inside of which is provided with a gas-permeable reference electrode is, and with a heating element arranged in the interior of the solid electrolyte tube, characterized in that a shock absorbing agent acting on the heating element ( 25 ) is arranged in the inner space ( 15 ) of the solid electrolyte tube ( 11 ).

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the shock-absorbing means is a Fe derelement ( 27 ) which element between the Heizele element ( 25 ) and the inside of the solid electrolyte tube ( 11 ) is inserted and thus the heating element ( 25 ) against the solid electrolyte tube ( 11 ) clamped.

3. Sensor according to claim 2, characterized in that the spring element ( 27 ) is a on the heating element ( 25 ) pushed cap, which on the peripheral surface of the heating element ( 25 ) and on the inside of the solid electrolyte tube ( 11 ) supporting resilient webs ( 29 ) has.

4. Sensor according to claim 3, characterized in that the resilient webs each have a bent towards the center line of the cap lower Fe derndeses part ( 30 ) and each have a curved in the opposite direction te upper resilient part ( 31 ).

5. Sensor according to one of the preceding An sayings, characterized in that the push off sorbent from a high temperature permanent material.