DE2304075A1

DE2304075A1 - Elektrochemischer messfuehler fuer die bestimmung des sauerstoffgehaltes in abgasen, insbesondere in abgasen von verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2304075A1
Application number: DE19732304075
Authority: DE
Inventors: Kurt Barutta; Otto Beesch; Klaus Bertsch; Richard Bertsch; Uwe Kroeger; Ernst Lindner; Rudolf Pollner; Franz Rieger; Helmut Weyl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-01-27
Filing date: 1973-01-27
Publication date: 1974-08-08

Description

Elektrochemischer Meßfühler für die <estimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Meßfühler fir die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden Festelektrolyt-Einsatz, dessen eine Seite eine elektronenleitende Katalysator-Schicht aufweist, die elektrisch mit Masse in Verbindung steht und nur den Abgasen zugewendet ist, und dessen andere Seite durch ein rohrförmiges, elektrisch leitfähiges Anschlußteil mit der Umgebungsluft in Verbindung steht.
Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren enthalten in ihren Abgasen unter anderem Kohlenmonoxid, Stickoxide sowie unverbrannte oder teilverbrannte Kohlenwasserstoffe, die zur Luftverunreinigung beitragen. Um die durch diese Stoffe hervorgerufene Luftverunreinigung auf einen Minimalwert herabzudrücken, ist es erforderlich, die Abgase von Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotoren möglichst weitgehend von diesen Stoffen zu befreien, d. h., die schädlichen Anteile des Abgases in unschädliche Verbindungen wie Kohlendioxid, Stickstoff. und Wasser zu überführen. Dieses kann z. B. dadurch geschehen, daß man die Abgase einer Nachverbrennung unterwirft, indem man sie bei Temperaturen oberhalb etwa 6000 C über Katalysatoren leitet. Zur Kontrolle, ob die Abgase eines Verbrennungsmotors ausreichend nachverbrannt wurden, wird bekannterweise in den Weg des Abgases ein elektrochemischer Meßfühler wie vorstehend beschrieben eingebaut, der auf dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten beruht.
Bei bekannten elektrochemischen Meßfühlern dieser Art bereitet die gegenseitige gasdichte Abdichtung zwischen den beiden den Abgasen bzw. der Umgebungsluft ausgesetzten Seiten des Festelektrolyt-Einsatzes erhebliche Schwierigkeiten und Kosten; dabei wurden für die Abdichtung elastische Dichtungsringe oder Verbindungen mittels Glasschmelzfluß verwendet. Die Notwendigkeit der Trennung der beiden Seiten des Festelektrolyt-Einsatzes liegt darin begründet, daß Abgase, die mit der der Umgebungsluft ausgesetzten Seite des Festelektrolyt-Einsatzes in Berührung kommen, zu einer Änderung des Sauerstoffpartialdrckes an der mit der Umgebungsluft in Verbindung stehenden Elektrode führt, und damit Mischpötentiale gemessen werden.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen elektrochemischen Meßfühler zu schaffen der nicht die aufgeführten Abdichtungsprobleme und die damit verbundenen hohen Kosten aufweist.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Festelektrolyt-Einsatz mit der Katalysator-Schicht bündig auf der inneren Schulter eines elektrisch leitfShigen, hoch warmfesten Rohres aufliegt, daß das mit Abstand innerhalb des äußeren Rohres verlaufende Anschlußteil mit einer Stirnfläche auf den Festelektrolyt-Einsatz drückt, aber zwischen Anschlußteil-Stirnfläche und Festelektrolyt-Einsatz den Gasdurchtritt erlaubt, und daß der zwischen dem äußeren Rohr und dem Anschlußteil befindliche Zwischenraum an einen Unterdruckerzeuger angeschlossen ist. Zur sicheren Vermeidung einer Messung von erwähnten Mischpotentialen ist es empfehlenswert, wenn die mit der Innenseite des äußeren Rohres und dem Zwischenraum direkt in Berührung stehenden Teile des Festelektrolyt-Einsatzes mit einem gasundurchlässigen Überzug versehen sind; dem gleichen Zweck dient auch das Eintauchen der Stirnfläche des Anschlußteils in eine Vertiefung des Festelektrolyt-Einsatzes.
Bei einer bevorzugten Ausführung wird der Druck auf das rohrförmige Anschlußteil durch Tellerfedern erzeugt, die sich einerseits auf einem Flansch des Anschlußteils und andererseits direkt oder indirekt an einem gegen Masse isolierenden Gegenlager abstützen.
Durch diese Gestaltung des elektrochemischen Meßfühlers kann auf eine absolut gasdichte Abdichtung zwischen den gegenUberliegenden Seiten des Festelektrolyt-EnsatzeS verzichtet werden, da ein Unterdruckerzeuger, z. B. das Luftansaugrohr des Motors, stets Frischluft durch das rohrförmige Anschlußteil, den Spalt zwischen Stirnfläche des Anschlußteils und dem Festelektrolyt-Einsatz in den Zwischenraum zwischen Anschlußteil und Außenrohr zieht und dadurch eventuell zwischen äußerem Rohr und Festelektrolyt-Einsatz in die Sonde eintretende Abgase absaugt; außerdem wird durch diese Anodnung gewährleistet, daß der mit dem Anschlußteil in Verbindung stehende Teil des Festelektrolyt-Einsatzes stets in Berührung mit der Frischluft ist.
Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben und näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühler' in vergrößertem Maßstab und Fig. 2 einen Längsschnitt durch das abgasrohrseitige Ende des Meßfühlers nach Fig. 1 in noch weiter vergrößertem Maßstab.
Der in Fig. 1 dargestellte elektrochemische Meßfühler 10 hat ein Gehäuse 11 mit einer Längsbohrung 12, die anschlußseitig zu einem Senkloch 13 erweitert ist; für den Einbau des Meßfühlers 10 in ein nichtgezeichnetes Abgasrohr eines Motors ist ein Einschraubgewinde 14 vorgesehen. In die Längsbohrung 12 des Gehäuses 11 ist ein hochwarmfestes Rohr 15 hart eingelötet, dessen freies Ende abgasrohrseitig aus dem Gehäuse 11 hervorragt; die Stirnseite 16 des Außenrohres 15 ist als nach innen gebogene Schulter 17 gestaltet, die eine Zutrittsöffnung 18 umgibt und einen im wesentlichen plattenförmigen Festelektrolyt-Einsatz 19 trägt, welcher vorzugsweise aus Zirkondioxid besteht. Die zur Schulter 17 des Rohres 15 weisende Seite des Festelektrolyt-Einsatzes 19 ist mit einer Katalysator-Schicht 20 aus Platin überzogen und liegt mit dieser Katalysator-Schicht 20 elektrisch leitend auf der Schulter 17 auf. (siehe Fig. 2). Der nicht durch diese Schulter 17 abgedeckte Bereich der Katalysator-Schicht 20 ist bei in ein Abgasrohr eines Motors eingebautem Meßfühler 10 den Abgasen zugewendet. Die dem anschlußseitigen Ende des Meßfühlers 10 zugewendete Seite des Festelektrolyt-Einsatzes 19 ist mit einer Vertiefung 21 verstehen, in die die Stirnfläghe 22 eines rohrförmiges elektrischen Anschlußteiles 23 eintaucht und worin sie fixiert ist. In der Stirnfläche 22 des Anschlußteils 23 befinden sich einige kleine Durchlässe 24, die die Rohrbohrung 25 des Anschlußteiles 23 mit dem von Anschlußteil 23 und Außenrohr 15 gebildeten Zwischenraum 26 verbindet. Das Anschlußteil 23 ragt innerhalb des Außenrohres 15 durch die Längsbohrung 12 des Gehäuses 11 und fUhrt weiter durch das Senkloch 13 über das Gehäuse 11 hinaus, die diesseitige öffnung der Rohrbohrung 25 ist für den Zutritt der Umgebungsluft des Motors offengehalten und mit einem als Flachstecker ausgebildeten, angeschweißten Kontaktglied 27 versehen. Ein innerhalb des Gehäuse-Senkloches 13 außen am Anschlußteil 23 angeschweißter Rohrflansch 28 trägt einige auf das Anschlußteil 23 aufgefädelte Tellerfedern 29, denen eine Metallringscheibe 30 und eine Isolierringscheibe 31 folgen; nach dem Zusammenpressen der Tellerfedern 29 wird der von der Stirnfläche 22 des Anschlußteiles 23 auf den Festelektrolyt-Einsatz 19 erzeugte Kontakt druck dadurch aufrechterhalten, daß die Isolierringscheibe 31 durch eine Bördellippe 32 am Gehäuse 11 befestigt und in Lage gehalten wird.
Das Gehäuse 11 des MeßiAhlers 10 ist mit einer Q?lerbohtung 33 versehen, die einerseiF-s in d:s Senkloch 13 führt und andererseits mit einem rohri^5rmigen Absaugstutzen 3 durch Nartt£öten verbunden ist.
Bei der in Fig. 2 dargestellten bevorzugten Ausführung des abgasrohrseitigen Abschnittes des elektrochemischen Meßfühlers 10 ist der mit der Innenseite des Außenrohres 15 und mit dem Zwischenraum 26 direkt in Berührung stehende Teil des Festelektrolyt Einsatzes 19 mit einem gasundurchlässigem Überzug 35, z. B. in Form einer Glasur bedeckt.
Die von der Schulter 17 des Außenrohres 15 gebildete Zutrittsöffnung 18 ist von einem Sieb 36 abgedeckt, das-am Außenrohr 15 durch Schweißen befestigt ist.
Durch den Anschluß des Absaugstutzens 34 an den nicht dargestellten Unterdruckerzeuger, z. B. an das Luftansaugrohr des Motors, werden durch die Rohrbohrung 25 das Anschlußteil 23, durch die kleinen Durchlässe 24 im Stirnabschnitt 22 des Anschlußteils 23 dauernd geringe Mengen Frischluft angesaugt und damit die anschlußseitige Oberfläche des Festelektrolyt-Einsatzes 19 stets mit Frischluft in Berührung gehalten.
Eventuell zwischen dem Außenrohr 15 und dem Festelektrolyt-Einsatz 19 durchtretende Abgase mischen sich dabei im Zwischenraum 26 mit Frischluft und werden abgesaugt; die Glasur 35 verhindert dabei vollkommen den direkten Kontakt von Abgasen mit dem Festelektrolyt-Einsatz 19.
Das Sieb 36 vor der Zutrittsöffnung 18 am Außenrohr 15 besteht aus hoch~warmfeSten Material und sorgt für eine Homogenisierung des Abgases und bewirkt damit eine geringere Abtragung der Katalysator-Schicht 20 auf dem Festelektrolyt-Einsatz 19.
Es sei erwähnt, daß das in eingebautem Zustande an Masse gelegte Gehäuse ii des Meßfühers 10 mit dem Außenrphr 15 zusammen ein einziges Teil bilden kann.

Claims

AnsprUche

Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von-Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden Festelektrolyt-Einsatz, dessen eine Seite eine elektronenleitende Katalysator-Schicht aufweist, die elektrisch mit Masse in Verbindung steht und nur den Abgasen zugewendet ist, und dessen andere Seite durch ein rohrförmiges, elektrisch leitfähiges Anschlußteil mit der Umgebungsluft in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt-Einsatz (19) mit der Katalysator-Schicht (20) bündig auf der inneren Schulter (17) eines elektrisch leitfähigen, hochwarmfesten Rohres (15) aufliegt, daß das mit Abstand innerhalb des äußeren Rohres (15) verlaufende Anschlußteil (23) mit einer Stirnfläche (22) auf den Festelektrolyt-Einsatz (19) drückt, aber zwischen Anschlußteil-Stirnfläche (22) und Festelektrolyt-Einsatz (19) den Gasdurchtritt erlaubt, und daß der zwischen dem äußeren Rohr (15) und dem Anschlußteil (23) befindliche Zwischenraum (?6) an einen Unterdruckerzeuger angeschlossen ist.
2. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Innenseite des äußerenRohres tal5) und dem Zwischenraum (26) direkt in Berührung stehenden Teile des Festelektrolyt-Einsatzes (19) mit einem gasundurchlässigen Überzug (35) versehen sind.
3. Elektrochemischer Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (22) des Anschlußteils (23) in eine Vertiefung des Festelektrolyt-Einsatzes (19) taucht.
4. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf das rohrförmige Anschlußteil (23) durch Tellerfedern (29) erzeugt wird, die sich einerseits auf einem Flansch (28) des Anschlußteils (23) und andererseits direkt oder indirekt an einem gegen Masse isolierenden Gegenlager (31) z. B. in Form einer Isolierringscheibe abstützen.
5. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein hochwarmfestes Sieb (36) am äußeren Rohr (15) angeordnet wird, wobei das Sieb (36) den Bereich der Katalysator-Schicht (20) des Festelektrolyt-Einsatzes (19) bedeckt, der den Abgasen ausgesetzt ist.
6. Elektrochemischer Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterdruckerzeuger das Luftansaugrohr des Motors is.