DE2818357A1 - Elektronischer messfuehler zur bestimmung des sauerstoffgehaltes in den abgasen von verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

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Elektronischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in den Abgasen von Verbrennungsmotoren.

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts von Abgasen, insbesondere von Abgasen aus Verbrennungsmotoren, bestehend aus einem Sauerstoffionen leitenden festen Elektrolyten und zwei Metallelektroden, von denen die eine bei Betriebstemperatur eine hohe katalytische Aktivität besitzt, während die andere einen einfachen Elektronenleiter darstellt, der nicht oxidierbar ist und keine besondere katalytische Aktivität besitzt.

Bekannte Vorrichtungen dieser Art bestehen im allgemeinen aus zwei Elektroden, von denen die eine mit einem Gas in Verbindung steht, das Sauerstoff unter gleichbleibendem Druck enthält, im allgemeinen mit Luft, während die andere, in das zu analysierende Gas eingetauchte Elektrode bei Temperaturen über 300° C eine deutliche katalytische Aktivität besitzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das luftgefüllte Bezugsvolumen entbehrlich zu machen und es durch ein Bezugssystem zu ersetzen, das aus einer bei Berührung mit den Abgasen nicht katalytisch wirkenden Elektrode besteht. Das Po-

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tential dieses Bezugssystems ändert sich nach Maßgabe des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses,aber die Änderungen liegen unter 100 mV, wenn sicn aas Luft/Kraftstoff-Verhältnis zwischen R = O,7, und R = 1 verändert und die Temperaturen zwischen 200 und 600 C liegen, wie es beim Betrieb von katalytisch wirkenden Systemen normalerweise der Fall ist.

Diese Bauweise hat gegenüber den bekannten Anordnungen zahlreiche Vorteile, die zu einer erheblichen Vereinfachung des Zusammenbaus des Geräts und damit zu einer Senkung der Herstellungskosten führen.

Das Gerät kann vollständig in den Abgasstron ein-jo'-".ihrt werden unu kann infolgedessen die Form eines Rohres, Plättchens, Ringes, hyperbolischen Paraboloias etc. haben.

Die Unterteilung in zwei dichte Abschnitts erfordert die Verwendung von porenfreiem Zirkon, das gegenüber Abgasen ausgezeichnete Dichtigkeit besitzt; erfindunfjsgemäß kann der Elektrolyt porös sein unu kann infolgedessen durcn Sintern bei niedrigerer Temperatur hergestellt werden als die bisherigen Keramikelektrolyte.

Vorzugsweise wird eine Keramik aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid verwendet; der Gehalt an Yttriumoxid liegt zwischen 8 und 14 %.

Die Möglichkeit, die Bezugselektrode und die Meßelektrode auf der gleichen Keramikfläche anzubringen, macht die Verwendung eines Elektrolyten in Richtung seiner Dicke unnötig und erlaubt es daher, die Dicke herabzusetzen; man kann Meßfühler mit niedrigem Innenwiderstand bauen, indem katalytische Oberfläche und nicht-katalytische Oberfläche einander genähert werden.

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Durch die Ausnutzung von Oberflächenleitfnhigkeitseigenschaften wir-1 die Dauer les ließf ühlerbetriebs beim Kaltstart des Motors Herabgesetzt; die von uen Abgasen überstrichene Fläche erreicht nämlich eine über 300° C liegende Temperatur viel schneller als der massive Keramikkörper; daraus ergibt sich ein merklicher Gewinn hinsichtlich der Meßdauer und der Temperatur, bei der der Fühler zu arbeiten beginnt.

Die für das richtige Arbeiten des vorliegenden Geräts erforderlicne Elektrodenflache ist sehr viel kleiner als bei den bisher üblichen Meßfühlern; man kann daher mit kleineren Volumina von festem Elektrolvt arbeiten, mit kleineren Elektrodenflächen, und man kann unter Umständen eine Aufeinanderfolge von katalytisch und nicht-katalytisch wirkenden Elektroden koppeln, um mit gedruckten Schaltungen arbeiten zu können, uie eine Betriebsspannung abgeben, die in einem kraftstoffreichen Luft/Kraftstoff-Gemisch auf mehrere Volt ansteigen kann, wobei sich dann die Verstärkerelektronik vereinfachen läßt.

Nachstehend werden einige technisch realisierbare, die Erfindung nicht beschränkende Ausführungsformen beschrieben, nach welchen der poröse Keramikkörper die Form eines Rotationskörpers erhält.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Meßfühler, der aus einem zylindrischen Stab mit an seinen Enden befindlichen Elektroden besteht;

Fig. 2 ist eine gegenüber Fig. 1 veränderte Darstellung;

Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch eine Konstruktion mit einem Meßfühler nach Art der in den Fig. 1 und 2 gezeichneten Fühler;

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Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine abgewandelte einteilige Konstruktion gemäß Fig. 3;

Fig. 5 ist eine Ansicht einer kegelstumpfartigen Konstruktion;

Fig. 6 zeigt die Vorrichtung nach Fig. 5 im Grundriß;

Fig. 7 gibt eine Abwandlung der Konstruktion nach Fig. 5 wieder;

Fig. 8 ist der Grundriß der Vorrichtung nach Fig. 7;

Fig. 9 ist ein Schnitt durch eine Konstruktion mit dem Meßfühler nach den Fig. 5 oder 7;

Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch eine gegenüber Fig. 9 abgewandelte Konstruktion.

In den Fig. 1 und 2 wird eine Anordnung gezeigt, nach welcher der feste Elektrolyt als zylindrischer Stab aus mit Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid ausgeführt ist.

Ein Vollzylinder 31 aus Zirkonoxid mit zwischen 5 % und 25 % liegender Porosität trägt an seinen Enden zwei Metallringe 33 und 34 aus Inconel 600 oder Nickel, aufgequetscht auf einen elektrolytisch gewonnenen leitenden Niederschlag 35 aus Silber von 0,1 bis 0,2 ,u Dicke und mehr zur Mitte hin zwei mit Abstand voneinander angebrachte leitende Elektroden 36 und 37, die jeweils einen der Ringe berühren; eine dieser Elektroden besteht aus Silber oder Gold und hat eine Dicke von 0,1 bis 0,3 /U, die andere aus feinverteiltem Platin mit einer Dicke zwischen 0,5 und 2 ,u. Die beiden Elektroden sind vorteilhafterweise mit einer feuerfesten,

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porösen Abdeckung 36 versehen, die von einem Niederschlag von Aluminiumoxid oder Magnesiumaluminat, hergestellt durch Zerstäubung im Plasmabrenner, oder einer Hülse gebildet ist, die aus feuerfesten und isolierenden Fasern von Kaolin, Siliciumoxid oder Tonerde besteht.

Die Anordnung kann in der Abgasleitung mittels eines Aufbaus (Fig. 3) angebracht werden, der am Ende eines durchbrochenen Rohres 40 ein an der Auspuffleitung befestigtes Widerlager 41, das eine mit einer Matte 42 aus nichtrostendem Material ausgelegte Eintiefung bildet und im übrigen an dem anderen Ende eine Anordnung aufweist, die zur Herstellung des elektrischen Kontakts der aktiven Elektrode 43 dient. Diese Anordnung besteht aus einem isolierenden Rohr aus Aluminiumoxid 44, dessen Mittelteil einen elektrischen Leiter 45 aufnimmt, der mit dem Meßfühler 46 durch eine elastische und leitende Matte 47 verbunden ist. Das Rohr 50 befindet sich in einem Gehäuse 48 und wird von einem Spannstopfen 49 festgehalten.

Die Anordnung wird durch Kupferdichtungen abgedichtet und in einem Gewindestutzen 50 an der Abgasleitung befestigt.

Fig. 4 stellt eine einteilige Variante der beschriebenen Vorrichtung in Form einer Kerze dar, bei der der Isolierkörper 61 durch die Dichtung 62 in das Gehäuse 63 gespannt ist. In diesem Fall kann das aktive Element 64 im Gegensatz zu der Ausführung nach Fig. 3, nicht ausgewechselt werden.

Bei der in den Fig. 5 und 6 wiedergegebenen Ausführungsform wird eine aktive Keramik aus mit 12 % Yttriumoxid stabilisiertem Zirkonoxid verwendet, die Kegel- oder Kegelstumpfform hat.

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Zwei Elektroden 71 und 72, von denen die eine aus Gold oder Silber besteht und zwischen 0,1 und 0,3 ,u dick ist und die andere aus porösem, aktivem, leitenden Platin besteht und zwischen 0,5 und 2 ,u dick ist, sind auf der Endfläche und den Seitenflächen angeordnet und haben etwa 1 mm Abstand voneinander. Ein innenliegender Durchlaß 73 oder eine seitliche Nut 74 dient zum Ableiten der von der aktiven Elektrode gelieferten Spannung zum Kontakt 75, während ein porenfreier Ring 76 aus leitendem Metall von 0,1 mm Stärke die elektrische Verbindung zwischen der neutralen Elektrode und der elektrischen Masse des Geräts herstellt. Dieser Ring kann aus Silber oder einer Legierung von Kupfer und Blei (Zusatz franz.: metal rose) bestehen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Abwandlung der in Fig. 5 wiedergegebenen Ausführung, wobei, um die Erdung der Bezugselektrode zu vermeiden, zwei Nuten 77 und 78 vorgesehen sind, in denen ein leitender Silber- oder Platinfaden abgeschieden ist, der die elektrischen Spannungen von den Elektroden 79 bzw. 80 an die elektrischen Kontakte 81 bzw. 82 führt. Diese Nuten können unter Umständen durch enge Kanäle von 0,5 bis 2 mm Durchmesser ersetzt werden, und die Elektroden sind durch einen Abstand von mindestens 0,5 mm voneinander getrennt, der überall gleich sein kann, der aber auch an der Spitze des Kegelstumpfs am kleinsten sein kann.

Die aktiven Elemente nach den Fig. 5 und 7 können jeweils mit einer in den Fig. 9 und 10 gezeichneten Verkleidung versehen sein, die aufgebördelt sein kann und die aus einem Gehäuse 90 besteht, an dem nach Bedarf Kühlrippen 91 angebracht sein können. Dieses Gehäuse wird mit Hilfe des Kopfes 92 auf das Abgasrohr geschraubt. Das Gehäuse weist einen konischen Teil 93 auf, der die elektrische Verbindung zu der neutralen Elektrode 94 herstellt, während die aktive Elektrode 95 an einen Leiter angeschlossen ist, der von einem

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Platindraht 96 gebildet wird. Der Draht verläuft durch ein Isolierstück 97, das sich auf einer Hatte 98 abstützt und sie dabei zusammendrückt; die Matte 98 besteht aus isolierenden Keramikfasern oder unter Umständen aus leitenden Metallfasern und dient dazu, einen quasi isostatischen Druck auf die Unterseite des aktiven Elements auszuüben und es an Ort und Steile festzuhalten.

Ein isolierendes elastisches Element 99 aus Silikonkautschuk übt einen Druck auf die Anordnung aus, und gleicht die Wärmeausdehnung aus und dämpft die mechanischen Erschütterungen. Seine unter 300 C liegende Zersetzungstemperatur verlangt entweder die Anbringung von Kühlrippen oder einen Meßfühlerkorpus von 50 bis 100 mm Länge. Ein Isolierring 100 aus Hartbakelit und ein Metallring 101 dienen zum Festklemmen der Anordnung.

Fig. 10 zeigt eine AusführungsVariante der vorliegenden Anordnung, bei der die Kühlrippen und das Befestigungsgewinde fortgelassen sind und die zwei unabhängige Massekontakte aufweist.

Der Meßfühler der in Fig. 7 gezeichneten Bauart besitzt zwei Elektroden 110 und 111, die auf dem Elektrolyten aus porösem Zirkonoxid 112 angebracht sind. Der Meßfühler liegt in dem Gehäuse 113 mit einem Kegelteil 114 an, auf dem sich ein zylindrisches, feuerfestes Isolierelement 115 abstützt, das die elektrischen Leiter aufnimmt und isoliert, den Meß fühler einspannt und die thermische Isolierung des elastischen Elements 116 bewirkt, das aus einem isolierenden Stopfen aus Silikonkautschuk besteht, in dem Durchlässe für zwei elektrische Leiter vorgesehen sind und das eine Komprimierung bewirkt, die Wärmeausdehnungsbewegungen auffängt und die mechanischen Erschütterungen des Geräts dämpft.

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Ein Isolierstück 117 aus Hartbakelit und eine feste Metallscheibe 118 mit zwei öffnungen ermöglichen die Festlegung oder das Aufpressen des Gehäuses 113.

Der aus poröser Keramik bestehende Korpus kann auch eine andere rotationssymmetrische Form erhalten, kann beispielsweise als Kugel, als Torus oder als hyperbolisches Paraboloid ausgeführt sein.

Der¹ Patentanwalt

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L e e r s e i f e

Claims (9)

1. Ansprüche ;

   .. Elektronischer Meßfühler zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in den Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit zwei Elektroden, die auf der Oberfläche eines porösen Keramikkörpers angebracht sind, der aus Zirkonoxid besteht, das durch einen Zusatz von 8 bis 14 % Yttriumoxid stabilisiert ist,

   dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht-katalytisch wirkende leitende Elektrode aus Silber oder Gold und eine katalytisch wirkende Elektrode aus porösem Platin oder besser aus porösem 20 % Rhodium enthaltenden Platin von 0,5 bis 2 yU Dicke vorgesehen sind, daß beide Elektroden in den Abgasstrom eingeführt sind, und daß zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses die Potentialdifferenz zwischen der katalytisch wirksamen und der nicht-katalytisch wirkenden Elektrode gemessen wird, wobei das Potential der letzteren Elektrode sich mit dem Betrag des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses nur wenig ändert.
2. 2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffionen leitende Keramik eine zwischen 5 und 25 %, insbesondere zwischen 10 und 15 % liegende Porosität besitzt, und zwar insbesondere an der Oberfläche.

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3. 3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffionen leitende Keramik die Form eines kleinen zylindrischen Stabes (31) hat, auf dessen Enden jeweils eine Metallkappe (33, 34) gedrückt ist, und daß die Anordnung nachgiebig oder halbstarr druckbeaufschlagt zwischen einem abstützenden Widerlager (41) und der Meßelektrode angeordnet ist.
4. 4. Heßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffionen leitende Keramik kegelförmig oder kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
5. 5. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sauerstoffionen leitende Keramik die Form einer Kugel oder eines hyperbolischen Paraboloids hat.
6. 6. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der rotationssymmetrische Keramikkörper mit Hilfe von aus feuerfesten Stoffen oder aus Metall bestehenden Matten (42, 98) halbstarr in ein Metallgehäuse (6 3, 90) eingespannt ist und daß das Metallgehäuse in der Abgasleitung durch Schweißen, Einschrauben oder auf andere Weise befestigt ist und Durchlässe für die mit den Elektroden verbundenen Leiter aufweist.
7. 7. Meßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeausdehnungsbewegungen und die mechanischen Erschütterungen der in das Metallgehäuse (90, 113) eingeschlossenen Bauteile durch einen Silikonkautschukstopfen (99, 116) ausgeglichen und gedämpft werden, der in dem kältesten Gehäuseteil angeordnet ist.

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8. 8. Meßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung der überhitzung der nachgiebigen Teile Kühlrippen (91) vorgesehen sind.
9. 9. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper mehrere gleichartige Elektroden hintereinandergeschaltet aufweist.

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