DE69814236T2

DE69814236T2 - Sauerstoffsensorelement mit einem laminierten keramischen Heizelement

Info

Publication number: DE69814236T2
Application number: DE69814236T
Authority: DE
Inventors: Makoto Kariya-shi Shirai; Masayuki Kariya-shi Kobayashi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2018-06-11
Also published as: DE69814236D1; EP0886138A1; US5990463A; EP1312914A1; EP0886138B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sauerstofffühlerelement, das ein schichtförmiges Keramikheizelement enthält, das in einem Auspuffsystem einer Verbrennungskraftmaschine angewandt wird, um das Luft-Treibstoffverhältnis des Motors zu kontrollieren.
2. Stand der Technik:
Bekannter Weise ist ein Luft-Treibstoffverhältnisfühler im Auspuffsystem eines Automotors eingebaut, um ein Luft-Treibstoffverhältnis zu ermitteln, wobei die Verbrennung des Motors aufgrund des ermittelten Lufttreibstoffverhältnisses gesteuert wird. Ein Sauerstofffühler mit einem Sauerstofffühlerelement ist weitgehend als Luft-Treibstoffverhältnisfühler eingesetzt.
Das Sauerstofffühlerelement ist zusammengesetzt aus einem tassenartigen festen Elektrolytkörper mit einer Sauerstoffionenkonduktivität und einer darin definierten Luftkammer, einer an einer äußeren Oberfläche des festen Elektrolytkörpers vorgesehenen äußeren Elektrode, und einer an einer inneren Oberfläche des festen Elektrolytkörpers vorgesehenen inneren Elektrode. Die innere Oberfläche des festen Elektrolytkörpers ist der Luftkammer ausgesetzt. Außerdem ist ein Keramikheizelement in der Luftkammer vorgesehen, um das Sauerstofffühlerelement auf eine Aktivierungstemperatur aufzuheizen. Ein stabartiges Keramikheizelement ist typischerweise als Keramikheizelement eingesetzt.
In zurückliegenden Jahren wurde ein plattenartiges schichtförmiges Keramikheizelement als Ersatz für das stabartige keramische Heizelement vorgeschlagen, um Herstellungskosten zu verringern. Zum Beispiel offenbaren die Schriften JP-A-7-35723, JP-B2-5-2101 und WO 94/14057 diese Art von Keramikheizelement. Das schichtförmige Keramikheizelement ist aus einer Vielzahl von schichtförmigen Heizerträgern zusammengesetzt, wobei jeder eine Heizschicht zum Entwickeln der Wärme und eine Leitungsschicht zur Zufuhr von Elektrizität zur Heizschicht aufweist. Beispiele von schichtförmigen Keramikheizelementen sind in den 1 bis 4E gezeigt.
Jedoch ist die mechanische Festigkeit des schichtförmigen Keramikheizelements kleiner als die eines stabartigen Keramikheizelements. Wie zuvor erwähnt ist das Keramikheizelement innerhalb der Luftkammer des Sauerstofffühlerelementes vorgesehen. Das Keramikheizelement kann innerhalb der Luftkammer aufgrund von außen auf das Sauerstofffühlerelement aufgebrachtem Aufprall, Vibrationen und ähnlichem wie ein Pendel in Berührung mit dem festen Elektrolytkörper geschwungen werden. Ein besonderes Problem entsteht, wenn der vordere Endabschnitt des Keramikheizelements falsch dimensioniert ist. In solch einem Fall wird das schichtförmige Keramikheizelement leicht beschädigt. Die Beschädigung des Keramikheizelements kann nicht nur die Heizerträger betreffen, sondern die Heizer- und Leitungsschichten können einen elektrischen Fehlkontakt verursachen. Zusätzlich können die Heizer- und Leitungsschichten von durch den zerstörten Abschnitt eindringender Luft oxidiert werden, was zu einem Ansteigen des Widerstandes der Heizer- und Leitungsschichten führt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der zuvor erwähnten Probleme gemacht. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sauerstofffühlerelement bereitzustellen, das ein schichtförmiges Keramikheizelement sicher in sich hält. Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Beschädigung eines in der Luftkammer eines Sauerstofffühlerelementes eingebauten, schichtförmigen Keramikheizelements zu verhindern.
Diese Aufgaben werden mit dem Sauerstofffühlerelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Merkmale des Oberbegriffes des Anspruch 1 sind aus der Schrift US-A-5451748 bekannt. Die Schrift DE-A-19702096 beschreibt ebenfalls ein schichtförmiges Keramikheizelement, das den festen Elektrolytkörper berührt. Es wird empfohlen, das Ende des Heizers abzurunden, um eine Beschädigung zu verhindern. Ebenfalls ist in der Schrift JP-A-04157358 die Form eines stangenartigen Keramikheizelementes abgeändert, um den Wärmeübertragungswirkungsgrad zu verbessern.
Kurz weist ein Sauerstofffühlerelement gemäß der vorliegenden Erfindung einen festen Elektrolytkörper auf, der darin eine Luftkammer definiert, und ein in der Luftkammer vorgesehenes plattenartiges schichtförmiges Keramikheizelement. Das schichtförmige Keramikheizelement weist einen Endabschnitt auf, der bei einem Bodenabschnitt der Luftkammer eine innere Fläche des Elektrolytkörpers berührt. Dementsprechend wird verhindert, dass das schichtförmige Keramikheizelement gegen den festen Elektrolytkörper geschwungen wird. Folglich wird verhindert, dass das Keramikheizelement beschädigt wird. Außerdem wirddie Wärmeübertragungseffizienz vom Keramikheizelement zu dem festen Elektrolytkörper erhöht, weil das Keramikheizelement den festen Elektrolytkörper berührt.
Der Endabschnitt des Keramikheizelementes weist zwei Flächen mit unterschiedlichen Krümmungsradien auf. Dementsprechend berührt das Keramikheizelement die innere Fläche des Elektrolytkörpers bei dem Bodenabschnitt der Luftkammer.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden von einem besseren Verständnis der bevorzugten Ausführungsformen offensichtlicher werden, die im Folgenden mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben sind.
1 ist eine Querschnittsansicht und zeigt teilweise ein Sauerstofffühlerelement mit einem Keramikheizelement;
2 ist eine perspektivische Ansicht und zeigt das Keramikheizelement aus 1;
3 ist eine Querschnittsansicht und zeigt das Sauerstofffühlerelement aus 1;
Die 4A bis 4E sind schematische Ansichten zum Erläutern eines Herstellungsverfahrens dieser Art von Keramikheizelementen.
5 ist eine Querschnittsansicht und zeigt einen vorderen Endabschnitt eines innerhalb einer Luftkammer eines Sauerstofffühlerelementes eingebauten Keramikheizelementes gemäß der Erfindung;
6A ist eine perspektivische Ansicht und zeigt einen vorderen Endabschnitt eines Keramikheizelementes in einer zweiten Ausführungsform;
6B ist eine Querschnittsansicht und zeigt den vorderen Endabschnitt des innerhalb der Luftkammer eines Sauerstofffühlerelementes eingebauten Keramikheizelementes in dieser Ausführungsform;
7 ist eine Querschnittsansicht und zeigt einen vorderen Endabschnitt eines innerhalb der Luftkammer eines Sauerstofffühlerelementes eingebauten Keramikheizelementes in einer siebenten Ausführungsform;
8A ist eine schematische Draufsicht und zeigt eine Bodenfläche des vorderen Endabschnittes des Keramikheizelementes der dritten Ausführungsform;
Die 8B, 8C sind schematische Ansichten und zeigen Berührungsabschnitte zwischen dem vorderen Endabschnitt des Sauerstofffühlerelementes und des Keramikheizelementes der dritten Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein bekanntes Sauerstofffühlerelement 1 wird mit Bezug auf die 1 bis 4E erklärt. Wie in 1 gezeigt, ist das Sauerstofffühlerelement 1 zusammengesetzt aus einem tassenförmigen, darin eine Luftkammer 100 aufweisenden festen elektrolytischen Körper 10, einer an einer äußeren Oberfläche 101 des festen Elektrolytkörpers 10 vorgesehenen äußeren Elektrode 11, und einer an einer inneren Oberfläche 102 des festen Elektrolytkörpers 10 vorgesehenen inneren Elektrode 12. Die innere Oberfläche 102 des festen Elektrolytkörpers 10 ist der Luftkammer 100 ausgesetzt. Die äußere Oberfläche 101 des festen Elektrolytkörpers 10 ist mit einer Schutzschicht 191 bedeckt, wobei die äußere Elektrode 11 dazwischen eingebracht ist, und die Schutzschicht 191 außerdem mit einer Haftschicht 192 bedeckt ist.
Ein plattenartiges schichtförmiges Keramikheizelement 2 ist innerhalb der Luftkammer 100 gehalten. Der Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100 weist relativ zu dem Keramikheizelement eine bogenförmige hohle Form auf und eine vordere Endfläche 20 des eine rechteckige Form aufweisenden Keramikheizelementes 2 ist bei vier ihrer Eckpunkte in Anlage mit dem Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100.
Wie in 2 gezeigt, besteht das Keramikheizelement 2 aus einem Heizerträger 201, der eine Heizerschicht zum Entwickeln von Wärme hält, eine Leitungsschicht zum Zuführen von Elektrizität zu der darauf befindlichen Heizerschicht, und einen Abdeckträger 202, vorgesehen auf dem Heizerträger 201, um die Heizerschicht und die Leitungsschicht abzudecken. Der Heizerträger 201 und der Abdeckträger 202 sind aus Aluminium (Al₂O₃) hergestellt. Die Heizer- und Leitungsschichten sind aus einem leitenden, Wolfram (W) enthaltenden Werkstoff hergestellt. Teile der Leitungsschicht sind auf beiden Seitenflächen 28 des Keramikheizelementes 2 freigelegt, und leitende Teile 290 sind auf der freigelegten Leitungsschicht auf den Seitenflächen 28 angeordnet. Außerdem sind Leitungsdrähte 29 mit den leitenden Teilen 290 verbunden.
Das zuvor erwähnte Sauerstofffühlerelement 1 ist in einem Sauerstofffühler 3 angeordnet, wie in 3 gezeigt. Der Sauerstofffühler 3 besteht aus einem Gehäuse 30 zum Halten des Sauerstofffühlerelementes 2, Messgasseitenabdeckungen 301, 302, die den unteren Abschnitt des Gehäuses 30 abdecken und darin eine Messgaskammer 300 definieren, und eine Luftseitenabdeckung 331, die den oberen Abschnitt des Gehäuses 30 abdeckt. Ein Heizelementhalter 31 ist in die Luftkammer 100 des Sauerstofffühlerelementes 1 so eingefügt, dass das Keramikheizelement 2 innerhalb der Luftkammer 100 an dem Sauerstofffühlerelement 1 befestigt ist. Die inneren und äußeren Elektroden 11, 12 des Sauerstofffühlerelementes 1 sind mit Leitungsdrähten 391, 392 verbunden, um ein Ausgabesignal aus dem Sauerstofffühlerelement abzunehmen. Die Leitungsdrähte 29 des Keramikheizelementes 2 sind mit den Leitungsdrähten durch Anschlüsse 383 verbunden, um Elektrizität zum Keramikheizelement 2 zu liefern.
In dem Sauerstofffühlerelement 1 ist das Keramikheizelement 2 mit dem Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100 in vier Punkten in Anlage. Wenn das Sauerstofffühlerelement 1 in den Sauerstofffühler 3 eingebaut ist, ist der obere Abschnitt des Keramikheizelementes 2 durch den Heizelementmalter 31 gestützt, während der untere Abschnitt des Keramikheizelementes 2 durch den Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100 in vier Punkten gestützt ist. Als Ergebnis ist das Keramikheizelement 2 sicher an dem festen Elektrolytkörper 10 des Sauerstofffühlerelementes 1 innerhalb der Luftkammer 100 befestigt ohne innerhalb der Luftkammer 100 zu schwingen und vibrieren, wobei eine Beschädigung des Keramikheizelementes 2 vermieden ist.
Als nächstes wird ein Verfahren zur Herstellung eines Keramikheizelementes 2a erläutert. Als erstes wird eine Schlämme aus mit 92 Gew.-% Al₂O₃ und 8 Gew.-% Gemisch aus Silikondioxid (SiO₂) und Magnesiumoxid (MgO) zusammengesetzten Grundpulvern gebildet. Die Schlämme wird mittels eines Rakelklingenverfahrens in eine 1,2 mm starke Folie geformt. Dann werden zwei quadratische grüne Folien 41, 42, mit den Abmessungen von 120 mm × 120 mm mittels eines Lochstanzverfahrens aus der Folie ausgestanzt. Die grüne Folie 41 ist für den Heizerträger 201 und die grüne Folie 42 ist für den Abdeckträger 202. Die grünen Folien 41, 42 können auch durch andere Verfahren, zum Beispiel ein Extrusionsverfahren hergestellt werden.
Danach wird eine, metallische Werkstoffe wie zum Beispiel Wolfram oder Molybdän (Mo) enthaltende leitende Paste auf die grüne Folie 41 für den Heizelementträger 201 aufgebracht, um fünf Heizelementmuster 40 für die Heizer- und Leitungsschichten zu bilden, wie in 4A gezeigt. Danach wird die grüne Folie 42 mit der grünen Folie 41 so laminiert, dass die Heizelementmuster 40 zwischen den grünen Folien 41 und 42 eingefügt sind und dabei einen Schichtenkörper 43 bilden, wie in 5B gezeigt. Der Schichtenkörper 43 wird getrocknet.
Nachdem er getrocknet ist, wird der Schichtenkörper 43 entlang den in 4B gezeigten gestrichelten Linien geschnitten, so dass er in fünf Mittelkörper 44 geteilt wird, die je eines der entsprechenden Heizelementmuster 40 enthalten. Zu diesem Zeitpunkt werden Kantenabschnitte 449 entfernt, die darin keine Heizelementmuster enthalten. Einer der Mittelkörper 44 ist in 4C gezeigt. Ab hier wird die Beschreibung mit Bezug auf diesen einen Mittelkörper 44 gegeben. Nacheinander wird leitende Paste auf die Seitenflächen 48 des Mittelkörpers 44 aufgebracht, wo Teile des Heizelementmusters 40 bloßgelegt sind, wobei gedruckt Abschnitte 490 gebildet werden. Danach wird der Mittelkörper 44 bei einer Temperatur in einem Bereich von 1400°C bis 1600°C gebacken. Der gebackene Mittelkörper ist mit dem Bezugszeichen 45 in 4D bezeichnet. Gleichzeitig werden die gedruckten Abschnitte 490 gebacken, um als leitende Teile 290 zu dienen.
Als nächstes wird der vordere Endabschnitt 209a des gebackenen Mittelkörpers 45 mit einer Poliermaschine poliert, um den gleichen Krümmungsradius aufzuweisen wie der Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100, wie in 4D gezeigt. Nachdem Kupfer (Cu) und ähnliches enthaltendes Lötfüllmetall auf den leitenden Teilen 290 angeordnet ist, werden die Leitungsdrähte 29 mittels des Lötfüllmetalls bei 1100°C bis 1150°C in einem Ofen an den leitenden Teilen 290 angelötet. Als Ergebnis ist das in 4E gezeigte keramische Heizelement 2a bereitgestellt.
Auf diese Weise kann das Keramikheizelement 2a stabiler innerhalb der Luftkammer 100 des Sauerstofffühlerelementes 1 angeordnet werden. Zusätzlich wird die Heizeffizienz des Keramikheizelementes 2 mit Bezug auf das Sauerstofffühlerelement 1 verbessert, weil die vordere Endfläche 20a des Keramikheizerelementes 2a den gesamten Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100 berührt.
(Erste Ausführungsform)
Ein Keramikheizelement 2d in einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist einen vorderen Endabschnitt 209d mit einer vorderen, gekrümmten aus den zwei Abschnitten 501, 502 zusammengesetzten Endfläche auf. Die Abschnitte 501, 502 weisen unterschiedliche Krümmungsradien auf. 5 zeigt das innerhalb der Luftkammer 100 eines Sauerstofffühlerelementes 1 eingebaute Keramikheizelement 2d. Der Abschnitt 501 weist einen Krümmungsradius auf, kleiner als der des Bodenabschnittes 109 der Luftkammer 100, während der Abschnitt 502 einen größeren Krümmungsradius als den des Abschnittes 501 aufweist.
In diesem Fall, selbst wenn der vordere Endabschnitt 209d des Keramikheizelementes 2d fehlerhaft dimensioniert ist, berührt der vordere Endabschnitt 209d des Keramikheizelementes 2d den Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100 bei dem Abschnitt 501. Die mechanische Festigkeit eines typischen Keramikheizelementes ist üblicherweise nicht so groß, dass es nicht mit großer Kraft in die Luftkammer 100 eingefügt werden kann, bis der vordere Endabschnitt des Keramikheizelementes mit dem Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100 in Anlage ist. Das Keramikheizelement 2d kann dieses Problem lösen.
Zusätzlich berührt das Keramikheizelement 2d den Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100 bei dem Abschnitt 501, wobei die Vorteile des bekannten Sauerstofffühlers beibehalten werden, selbst wenn die Achse des Keramikheizelementes 2d von der Achse der Luftkammer 100 abweicht.
(Zweite Ausführungsform)
Wie in 9A gezeigt, weist ein Keramikheizelement 2e in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einen vorderen Endabschnitt 209e mit einer vorderen gekrümmten Endfläche auf. Die vordere gekrümmte Endfläche ist aus einer ersten vorderen Endfläche (verjüngende Fläche) 51 und einer zweiten vorderen Endfläche (obere Fläche) 52, die am oberen Abschnitt der vorderen gekrümmten Endfläche vorgesehen ist, zusammengesetzt.
Die erste vordere Endfläche weist einen Abschnitt 501 mit einem Krümmungsradius auf, der kleiner ist als der des Bodenabschnittes 109 der Luftkammer 100. Deswegen berührt das Keramikheizelement 2e den Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100 bei dem Abschnitt 501 der ersten vorderen Endfläche 51, wie in 6B gezeigt. Die anderen Merkmale und Effekte sind dieselben wie in der ersten Ausführungsform.
(Dritte Ausführungsform)
Wie in 7 gezeigt, weist ein vorderer Endabschnitt eines Keramikheizelementes 2f in einer bevorzugten Ausführungsform eine erste gekrümmte vordere Endfläche 51 und eine zweite gekrümmte Endfläche 52 auf, die an dem oberen Abschnitt des vorderen Endabschnittes vorgesehen sind. Der Krümmungsradius der zweiten vorderen gekrümmten Endfläche 52 ist im Wesentlichen gleich oder größer als der des Bodenabschnittes 109 der Luftkammer 100. In diesem Fall kann ein Zwischenraum 525 zwischen dem Bodenabschnitt 109 der zweiten vorderen gekrümmten Endfläche 52 verringert werden. Deswegen ist die Wärmeübertragungseffizienz von dem keramischen Heizelement 2f zu dem Sauerstofffühlerelement 1 zufriedenstellend erhöht, selbst wenn der vordere Endabschnitt des Keramikheizelementes 2f den Bodenabschnitt 109 der Luftkammer nicht vollständig berührt. Die anderen Merkmale und Effekte sind dieselben wie bei der ersten Ausführungsform. Bei dem keramischen Heizelement 2f der dritten Ausführungsform ist die Bodenfläche des vorderen Endabschnittes, die aus dem ersten und zweiten vorderen Endflächen 51, 52 zusammengesetzt ist, in 8A gezeigt. Das keramische Heizelement 2f oder 2g kann den Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100 bei zwei Linien berühren, wie in 8B gezeigt, oder bei zwei Flächen, wie in 8C gezeigt. In 8B, 8C bezeichnen Bezugszeichen 58, 59 Berührungsabschnitte zwischen dem keramischen Heizelement 2f und dem Bodenabschnitt 109 der Luftkammer 100.

Claims

Sauerstofffühlerelement (1) mit: einem festen Elektrolytkörper (10), der eine Luftkammer (100) definiert, darin; eine Außenelektrode (11), vorgesehen an einer Außenfläche (101) des Elektrolytkörpers (10); eine Innenelektrode (12) vorgesehen auf einer Innenfläche (102) des Elektrolytkörpers (10) um der Luftkammer ausgesetzt zu sein; und ein plattenartiges schichtförmiges Keramikheizelement (2, 2a- 2j), vorgesehen in der Luftkammer (100) , dadurch gekennzeichnet dass das plattenartige schichtförmige Keramikheizelement (2, 2a- 2j) einen gebogenen Endabschnitt (209, 209a- 209j) aufweist, der die Innenfläche (102) des Elektrolytkörpers (10) in einem unteren Abschnitt (109) der Luftkammer (100) berührt, wobei der Endabschnitt (209, 209a- 209j) zwei Flächen (20, 21; 51, 52) mit Krümmungsradien aufweist, wobei die Radien voneinander unterschiedlich sind, so dass selbst wenn der gebogene Endabschnitt (209, 209a- 209i) des Keramikheizelements (2, 2a- 2j) falsch dimensioniert ist, der gebogene Endabschnitt (209, 209a- 209i) den unteren Abschnitt (109) der Luftkammer (100) berührt.
Sauerstofffühlerelement gemäß Anspruch 1, wobei: die zweite Fläche (52, 20) an einer Position vorgesehen ist, die näher zum oberen Ende des Endabschnittes liegt, als die erste Fläche (51, 21); und der Krümmungsradius der ersten Fläche (51, 21) kleiner ist, als der des unteren Abschnittes der Luftkammer (100).
Sauerstofffühlelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei: die zweite Fläche (52, 20) an einer Position vorgesehen ist, die näher zum oberen Ende des Endabschnittes liegt, als die erste Fläche (51, 21); und der Krümmungsradius der zweiten Fläche (52, 20) größer ist als der der ersten Fläche (51, 21).
Sauerstofffühlelement gemäß jedem der Ansprüche von 1 bis 3, wobei der Krümmungsradius der zweiten Fläche (52, 20) größer ist, als der des unteren Abschnittes der Luftkammer (100).
Sauerstofffühlelement gemäß Anspruch 1, wobei der Krümmungsradius der ersten Fläche (51, 21) kleiner ist als der des unteren Abschnittes der Luftkammer (100).