DE2504206B2 - Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemi-„chen Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mittels einer Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten, wobei der Festelektrolyt die Form eines einseitig geschlossenen Rohres hat, das vor. einem koaxial dazu angeordnetem Gehäuse teilweise umgeben ist, auf seiner äußeren, den Abgasen zugewendeten Oberfläche zumindest teilweise eine elektronenleitende, mit einem ersten elektrischen Anschlußteil direkt oder indirekt in elektrischer Verbindung stehende poröse Schicht trägt und an seiner inneren, der Umgebungsluft ausgesetzten Oberfläche eine rxs an den Rohrboden reichende elektronenleitende Bahn aufweist, die direkt oder indirekt mit einem zweiten elektrischen Anschiußteil
to elektrisch verbunden ist.
Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren, enthalten in ihrem Abgas unter anderem Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie unverbrannte oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe, die zur
(5 Luftverunreinigung beitragen. Um die durch diese Stoffe hervorgerufene Luftverunreinigung auf einen Minimalwert herabzudrücken, ist es erforderlich, die Abgase dieser Verbrennungsmotoren möglichst weitgehend von diesen Stoffen zu befreier Das bedeutet, daß Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe möglichst vollständig in ihre höchste Oxidationsstufe, d. h. in Kohlendioxid und — im Falle der Kohlenwasserstoffe — Wasser, bzw. die Stickoxide in elementaren Stickstoff übergeführt werden müssen.
■t5 Eine solche Überführung der schädlichen Anteile des Abgases in die unschädlichen Verbindungen Kohlendioxid, Stickstoff und Wasser kann z. B. dadurch geschehen, daß man Abgase bei Temperaturen oberhalb 6000C über Katalysatoren leitet und auf diese Art einer
Vj Nachverbrennung unterwirft. Voraussetzung für den Erfolg ist jedoch, daß das Abgas in seiner Zusammensetzung so eingestellt wird, daß das Verhältnis von Luft zu Brennstoff nahezu stöchiometrisch ist und somit eine praktisch vollständige Umsetzung zu den unschädlichen
« Verbindungen ermöglicht; dieses stöchiometrische Verhältnis von Luft und Brennstoff wird bekanntlich mit einem λ-Wert von 1 gekennzeichnet. Ein Α-Wert von gleich oder kleiner I besagt, daß kein über die Gleichgewichtsmenge der verschiedenen möglichen Reaktionen hinausgehender »überschüssiger« Sauerstoff vorhanden ist, während bei einem A-Wert gröller I »überschüssiger« Sauerstoff in dem Gemisch vorliegt; bei einem Α-Wert gleich I geht also das Abgas vom reduzierenden in den oxidierenden Zustand über oder
μ umgekehrt.
Zur Erzielung eines akzeptablen Abgases und eines optimalen Kraftstoffverbrauches ist das Einhalten eine Α-Wertes von etwa I erforderlich: aus diesem Grunde
wird in den Weg des Abgases ein elektrochemischer Meßfühler eingebaut, der z. B, den Sauerstoffgehalt im Abgas mißt und über eine Regeleinrichtung die richtige Einstellung des Brennstoff-Luft-Gemisches und damit weitgehend auch der Abgaszusammensetzung bewirkt
Derartige bekannte elektrochemische Meßfühler arbeiten nach dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten; solche Meßfühler, die fest in die Wand des Abgasauslasses eingebaut sind, stehen mit der Außenluft als Bezugssystem für die Konzentrationskette in Verbindung und haben einen Festelektrolyten, der beidseitig zumindest teilweise mit einer elektronenleitenden Schicht wie z. B. Platin bedeckt ist Der Festelektrolyt hat zumeist die Form eines einseitig geschlossenen Rohre, wobei sein geschlossenes Ende in das Innere des Abgasrohres hineinragt; sowohl die auf der äußeren Oberfläche als auch die auf der inneren Oberfläche des Elektrolyt-Rohres befindliche elektronenleitende Schicht oder Leiterbahn hat jeweils einen Kontaktbereich, mit dem sie an ein elektrisch ieitfähiges Anschlußteil angeschlossen ist Eines dieser Anschlußteile wird üblicherweise von einem metallischen Gehäuse gebildet, mit tiem der Meßfühler in das Abgasrohr des Verbrennungsmotors dicht und fest eingebaut ist und somit seinen elektrischen Verbraucher im Kraftfahrzeug die elektrische Rückleitung darstellt Aufgrund der verschiedenen elektrischen Verbraucher im Kraftfahrzeug ist diese elektrische Rückleitung praktisch niemals vollständig potentialfrei und kann demzufolge eine Veränderung des tatsächlichen Spannungssignals am elektrochemischen Meßfühler bewirken und damit zu Störungen in der Regelschaltung für die richtige Einstellung des Brennstoff-Luft-Gemisches und damit weitgehend auch der Abgaszusammensetzung bewirken.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu schaffen, der das Kraftfahrzeug selbst nicht als elektrische Rückleitung benutzt, sondern für den Anschluß an eine separate Rückleitung eingerichtet ist. dabei von robustem Aufbau ist und seine Funktion über eine angemessene Lebensdauer zuverlässig erfüllt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Festelektrolyt-Rohr an seiner Außenseite eine Schulter hat, mit der es auf einem im Gehäuse befindlichen, elektrisch isolierendem ersten Stützring liegt, daß sich diesem Stützring anschlußseits eine mit der elektronenleitenden Schicht auf dem Festelekti'olyt-Rohr in Berührung stehende elektrisch leitfähige Dichtungsmasse anschließt, die koaxial von einer elektrisch isolierenden Dichtung umgeben ist, welche die Dichtungsmasse gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert, und daß auf dieser Dichtungsmasse bzw. Dichtung anschlußseits ein im Gehäuse befindlicher zweiter Stützring liegt, durch dessen Bohrung der anschlußseitige Endabschnitt des Festelektrolyt-Rohres und eine elektrisch leitfähige Hülse führt, die den von Festelektrolyt-Rohr und Stützring-Bohrung gebildeten Spalt ausfüllt, einerseits mit der Dichtungsmasse in elektrischem Kontakt steht und anschlußseits direkt oder indirekt mit dem ersten elektrischen Anschlußteil verbunden ist. Mit dieser erfindungsgemäßen Anordnung ist der elektrische Kontakt zwischen der elektronenleitenden Schicht auf der äußeren Oberfläche des FestelektrolytRohrs und dem Gehäuse des Meßfühlers unterbrochen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühlers sind der erste Stützring, die Dichtungsmassen, der zweite Stützring und damit auch das Festelektrolyt-Rohr unü die Hülse innerhalb des Gehäuses einerseits mittels eines Gehäuse-Absatzes und andererseits mittels eines Bördelrandes festgehalten.
Als elektrisch leitfähige Dichtungsmasse wird bevorzugt ein elastisch bleibendes Material wie z. B. Graphit verwendet und der Dichtring wird in diesem Falle aus einem elektrisch isolierendem Pulver wie z. B. Talkum
to gewählt; als Material für den ersten Stützring und/oder den zweiten Stützring eignet sich bevorzugt Keramik.
Zur Verlängerung des Kriechweges zwischen der elektronenleitenden Schicht auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolyt-Rohres und dem an Masse liegenden Schutzrohr bzw. Gehäuse ist es zweckmäßig, wenn der untere Endabschnitt des ersten Stützringes als Rohrstutzen ausgebildet ist, der das Festeiektrolyt-Rohr mit Abstand umgibt und vorzugsweise auch vom Schutzrohr Abstand hält
In Ausgestaltung der Erfindung irv zur Bildung eines zweckmäßigen Anschiußteiis liegt auf dem anschluUseitigen Endabschnitt der Hülse die eine Stirnfläche einer elektrisch leitfähigen Druckfeder, während die andere Stirnfläche dieser Druckfeder mit dem ersten elektrisehen Anschlußteil in elektrischem Kontakt steht: das erste und das zweite elektrische Anschlußteil sind vorzugsweise in einem beiden gemeinsamem Isolierteil festgelegt
Ein Ausführungsbeispiel der Erfinüung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben und näher erläutert; die Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühler in vergrößertem Maßstab.
Der in der Figur dargestellte elektrochemische
J5 Meßfühler 10 enthält ein ionenleitendes Festelektrolyt-Rohr 11, das aus stabilisiertem kubischem Zirkondioxid besteht, an seinem in ein nicht dargestelltes Abgasrohr ragenden Ende von einem Boden 12 verschlossen .st und an seiner Außenseite eine Schulter 13 aufweist. Dieses
•to Festelektrolyt-Rohr 11 trägt auf seiner äußeren Oberfläche eine elektronenleitende poröse Schicht 14 aus Platin, die den von Abgasen umspülten Bereich, die Schulter 13 und einer, Kontaktbereich 15 des Festelektrolyt-Rohrs 11 bedeckt; zwischen der elektronenleiten-
•»■i den Schicht 14 und dem Festelektrolyt-Rohr Il ist im Bereich der Schulter 13 und des Kontaktbereichs 15 eine nicht dargestellte, elektrisch isolierende Glasur angeordnet, die eine Verringerung des Spannungssignals des Meßfühlers 10 unterdrückt. Auch ist in der Figur eine poröse Magnesiumspinell-Schicht nicht dargestellt, die auf der den Abgasen ausgesetzten, elektronenleitenden Schicht 14 aufgebracht ist und als Schul:' gegen mechanische und thermische Angriffe des Abgases dient.
Das Festelektroiyt-Rohr 11 ist auf seiner dem Innenraum 16 zugewendeten Oberfläche mit einer elektronenleitendan Bahn 17 versehen, die bis in den Bereich des Bodens 12 hineinreicht und auch aus Platin besteht; diese Leiterbahn 17 erstreckt sich anschlußseits
«ι bis auf die Stirnfläche 18 des Festelektrolyt-Rohres 11,
Das Festelektrolyt-Rohr 11 steckt in der Boh.ung 19 eines ersten Stützringes 20 und liegt dabei mit seiner Schulter 13 auf einem Absatz 21 in der Stützring-Bohrung 19 auf; um die Gefahr eines Bruchs des
• ■' Festclcktroljt-Rohrs W bzw. des ersten Stützrings 20 zu verringern, wird zwischen beiden eine nicht dargestellte Auflagescheibc aus warmfestem Stahl angeordnet. Dieser erste Stiitzrine 20 ist pin plpktrkrhpr knhinr
besteht aus Keramik (AI2Ui) und liegt indirekt auf einem Absatz 22 in der Längsbohrung 23 des Meßfühler-Gehäuses 24 auf; an seinem unteren Ende ist dieser erste .Stützring 20 als Rohrstutzen 20' ausgebildet, der das Festelektrolyt-Rohr II mit Abstand umgibt, relativ dünnwandig ist und als sich bei Betrieb selbstreinigende Kriechstrombarriere dient. Das Gehäuse 24 besteht aus Stahl, hat an seiner Außenseite ein Schlüsselsechskant 25 und ein Einschraubgewinde 26 für den dichten und festen Einbau in ein nicht dargestelltes Abgasrohr. Zwischen dem ersten Stützring 20 und dem Gehäuse-Absatz 22 befindet sich noch der Flansch 27 eines Schutzrohres 28, das den dem Abgas ausgesetzten Teil des Festelektrolyt-Rohres 11 umgibt und mit öffnungen 29 für den Zutritt der Abgase versehen ist; der Rohrstutzen 20' des ersten Slützringes 20 verläuft auch zu dem Schutzrohr 28 mit Abstand und verlängert dadurch die erwähnte Kripi'hOrnmharriprp 7wi<rhpr. der elektronenleitenden Schicht 14 auf dem Festelektrolyt-Rohr 11 und dem über das Gehäuse 24 an Masse liegendem Schutzrohr 28.
Anschlußseits folgt dem ersten Stützring 20 in der Gehäuse-Bohrung 23 eine elektrisch leitfähige Dichtungsmasse 30 aus Graphitpulver, die im Kontaktbereich 15 in elektronenleitende Schicht 14 umgibt und koaxial von einer elektrisch isolierenden Dichtung 31 umgeben ist; die Dichtung 31 besteht aus Talkumpulver. Der Dichtungsmasse 30 und der Dichtung 31 folgt anschlußseits ein elektrisch isolierender zweiter Stützring 32, der auch aus Keramik (AI2Oj) besteht, und ebenfalls in der Gehäuse-Bohrung 23 geführt ist. Dieser zweite Stützring 32 hat eine zentrale Bohrung 33, in der eine elektrisch leitfähige Hükie 34 anliegt; diese Hülse
34 ist an ihren beiden Endabschnitten jeweils als Flansch
35 bzw. 36 ausgebildet. Der Flansch 35 dieser Hülse 34 ragt in die Dichtungsmasse 30 hinein und steht demzufolge damit in elektrischem Kontakt und der Flansch 36 ist als Führungsschuh für eine Druckfeder 37 ausgebildet; durch die Bohrung 38 der Hülse 34 führt abgestützt der anschlußseitigs Endabschnitt des Festelektrolyt-Rohres 11.
Auf einer anschlußseits gerichteten Schulter 39 des zweiten Stützringes 32 liegt der Flansch 40 einer Schutzhülse 41 auf, die aus Blech besteht, einige Lufteintrittsöffnungen 42 enthält und an ihrem anschlußseitigen Endabschnitt ein eingeburdeltes. stopfenförmiges Isolierteil 43 tragt. Auf dem Schutzhülsen-Flansch 40, der nach außen gerichtet ist. liegt ein Bördelriiig 44, auf den der anschlußseits am Gehäuse 24 befindliche Bördelrand 45 drückt und damit die gesamten genannten Teile fest fixiert hält.
Die mit ihrem einen Endabschnitt im Hülsen-Flansch 36 fixierte Druckfeder 37 besteht aus elektrisch leitfähigem Material und ist an ihrem anschlußseitigem Mndabschnitt in einer Einsenkung 46 des holierteils 43 seitlich fixiert und in Längsrichtung unter Vorspannung gehalten; dabei liegt die Druckfeder 37 an einem ini Isolierteil 43 festgelegten elektrisch leitfähigem Schenkel 47 an. dessen freier Endabschnitt durch das Isolierteil 43 hindurchführt und als erstes Anschlußteil 48 dient.
Auf der Stirnfläche 18 des Festelektrolyi-Rohres Il Uppt pin kontajitrjno 49, dt?r einerseits i"i; tier Leiterbahn 17 in elektrischem Kontakt steht und andererseits als Führung für eine Kontaktfeder 50 dient; diese Kontaktfeder 50 steht unter Vorspannung und ist mit ihrem anderen Endabschnitt auf einen Zapfen 51 eines zweiten Anschlußteiles 52 gesteckt, das ebenfalls durch das Isolierteil 43 führt und darin festgelegt ist. Die Kontaktfeder 50 verläuft derart koaxial innerhalb der Druckfeder 37. daß sie sich nicht gegenseitig berühren und demzufolge elektrisch voneinander getrennt sind.
Bei dieser erfindungsgemäßen Gestaltung des Meßfühlers 10 steht die Leiterbahn 17 auf der dem Innenraum 16 des Festelektrolyt-Rohres 11 zugewendeten Oberfläche über den Kontsktring 49 und die Kontaktfeder 50 mit dem zweiten Anschlußteil in Verbindung und die elektronenleitende Schicht 14 auf der äußeren Oberfläche des Festelektrolyt-Rohres 11 hat keinen Kontakt mit dem an Masse liegenden Gehäuse 24; die Verbindung der elektronenleitenden Schicht 14 mit dem ersten Anschlußteil im Isolierteil 43 erfolgt dabei über die elektrisch leitfähige Dichtungsmasse 30. die Hülse 34 und die Druckfeder 37.
Anstelle der im Beispiel aufgeführten Art der Kontaktierung der Leiterbahn 17 mit einem Kontaktring 49 können auch andere bekannte, mit einer Kontaktfeder 50 zusammenwirkende Kontaktierungsverfahren angewendet werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

  1. Patentansprüche:
    J, Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Ve. brennungsmotoren, mittels einer Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten, wobei der Festelektrolyt die Form eines einseitig geschlossenen Rohres hat, das von einem koaxial dazu angeordnetem Gehäuse !teilweise umgeben ist, auf seiner äußeren, den Abgasen zugewendeten Oberfläche zumindest teilweise eine elektronenleitende, mit einem ersten elektrischen Anschlußteil direkt oder indirekt in elektrischer Verbindung stehende poröse Schicht iträgt und an seiner inneren, der Umgebungsluft ausgesetzten Oberfläche eine bis an den Rohrboden reichende elektronenleitende Bahn aufweist, die direkt oder indirekt mit einem zweiten elektrischen Anschlußteil elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Festelektrolyt-Rohr (11) an semer Außenseite e'ne Schulter (13) hat, mit der es auf einem im Gehäuse (24) befindlichem, elektrisch isolierendem ersten Stützring (20) liegt, daß sich diesem ersten Stützring (20) anschlußseits eine mit der elektronenleitenden Schicht (14) auf dem Festelektrolyt-Rohr (11) in Berührung stehende elektrisch leitfähige Dichtungsmasse (30) anschließt, die koaxial von einer elektrisch isolierenden Dichtung (31) umgeben ist, welche die Dichtungsmasse (30) gegenüber dem Gehäuse (24) elektrisch isoliert, und daß auf dieser Dichtungsmasse (30) bzw. Dichtung (31) anschlußseits ein im Gehäuse (24) befindlicher zweiter Stützri:.g (32) liegt, durch dessen Bohrung (33) der anschlußseitige Endabschnitt des Festelektrolyt-Roh, äs (11) und eine elektrisch leitfähige Hülse (34) führt, die den von Festelektrolyt-Rohr (11) und Stützring-Bohrung (33) gebildeten Spalt ausfüllt, einerseits mit der Dichtungsmasse (30) in elektrischem Kontakt steht und anschlußseits direkt oder indirekt mit dem ersten elektrischen Anschlußteil (48) verbunden ist.
  2. 2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stützring (20), die Dichlungsrnassen (30, 31), der zweite Stützring (32) und damit auch das Festelektrolyt-Rohr (11) und die Hülse (34) innerhalb des Gehäuses (24) einerseits mittels eines Gehäuse-Absatzes (22) und andererseits mittels eines Bördelrandes (45) festgehalten sind.
  3. 3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungsmasse (30) aus einem elastisch bleibenden Material wie z. B. Graphit besteht.
  4. 4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtring (31) aus einem Pulver wie z. B. Talkum besteht.
  5. 5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stützring (20) und/oder der zweite Stützring (32) aus Keramik besteht.
  6. 6. Meßfühler nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Slülzring (20) an seinem unteren Endabschnitt als Rohrstutzen (20') ausgebildet ist, der das Festelektrolyt-Rohr (11) mit Abstand umgibt und vorzugsweise auch Abstand vonclTn Schutzrohr(28) hält.
  7. 7. Meßfühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem anschlußseitigen Fndabschnitt l'-r Hülse (34) die eine Stirnfläche einer elektrisch leitfähigen Druckfeder (37) aufliegt, während die andere Stirnfläche dieser Druckfeder (37) mit dem ersten elektrischen Anschlußteil (48) in elektrischem Kontakt steht
  8. 8. Meßfühler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite elektrische Anschlußteil (48, 52) in einem beiden gemeinsamen Isolierteil (43) festgelegt sind.
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