DE2351815C3

DE2351815C3 - Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren

Info

Publication number: DE2351815C3
Application number: DE19732351815
Authority: DE
Inventors: Erwin Dipl.-Ing. 7251 Hoefingen Ungerer; Guenter Dipl.-Ing. Dr. 7300 Esslingen Woessner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1973-10-16
Filing date: 1973-10-16
Publication date: 1981-11-19
Also published as: DE2351815B2; DE2351815A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrochemischen Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig mit einem Boden versehenen Festelektrolyt-Rohr,

is dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysator-Schicht aufweist, die elektrisch mit Masse in Verbindung steht und nur den Abgasen zugewendet ist, und dessen Innenseite im Bereich seines Bodens mit einem elektrisch leitfähigen Anschlußteil in Verbindung steht und der Umgebungsluft ausgesetzt ist, und dessen den Abgasen ausgesetzter Teil mit einer Schutzeinrichtung umgeben ist, die mit Abstand um das Festelektrolyt-Rohr angeordnet ist, am anschlußseitigen Endabschnitt des Festelektrolyt-Rohr direkt oder indirekt dicht umfaßt, das bodenseitige Ende des Festelektrolyt-Rohres überragt und für den Ein- und Austritt von Abgasen mindestens je eine Öffnung aufweist, deren Umleitmittel einen direkten Aufprall von Abgasen auf das Festelektrolyt-Rohr verhindern (nach dem deutschen Patent 23 26 086).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den in der deutschen Patentschrift 23 26 086 beschriebenen elektrochemischen Meßfühler derart zu verbessern, daß dessen elektronenleitende Katalysatorschicht auf dem Festelektrolytrohr von intensiven Abtragungen sowie Temperatur- und Druckschockwirkungen durch den auftreffenden Abgasstrom noch mehr geschützt ist als bei einem Meßfühler nach der genannten deutschen Patentschrift, wobei dennoch nicht die Ansprechempfindlichkeit des Meßfühlers wegen ungenügender Abgasmenge am Meßfühler verschlechtert wird; darüber hinaus sollen die Abgaskomponenten innerhalb der Schutzeinrichtung gut vermischt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

gelöst, daß die Öffnungen mit Umleitmitteln für den Einbzw. Austritt von Abgasen am freien und am anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung angebracht sind. Dabei sind die Öffnungen mit Umleitmitteln am freien Endabschnitt der Schutzeinrichtung in dem Bereich angeordnet, der vor dem Festelektrolytrohr-Boden liegt; als Umleitmittel werden bevorzugterweise entweder kegelstumpfartige oder kegelartige Vorsätze verwendet, aber auch im Mantel befindliche Öffnungen mit Klappen bzw. am freien Ende aus dem Schutzeinrichtungs-Mantel ragende Blecheinsätze. Die Öffnungen am anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung führen durch den Schutzeinrichtungs-Mantel und weisen ein Prallblech auf, das sich mit Abstand hinter jeder Mantel-Öffnung befindet; diese

Öffnungen können aber auch Klappen bzw. Taschen als Umleitmittel haben. Mittels der entsprechenden Umleit- und Gasführungsmittel (Klappen, Leitschaufeln, Kegel, Prallbleche etc.) wird auch z. B. durch eine Drallströmung eine gute Gasvermischung und insbesondere ein ntensiver Stoffaustausch an der Oberfläche des Festelektrolytrohres und damit eine rasche Ansprechempfindlichkeit des Meßfühlers erzielt. Alternativ können die verschiedenen Arten von Öffnungen am

freien Endabschnitt der Schutzeinrichtung wahlweise mit den verschiedenen Arten von öffnungen am anschlußssitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung kombiniert werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der Zeichnung dargestellt und im folgenden beschrieben und näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 eine teilgeschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen elektrochemischen Meßfühlers in vergrößertem Maßstab, wobei die Schutzeinrichtung am freien Endabschnitt öffnungen hat, hinter denen sich ein Prallblech befindet, und an ihrem abgasrohrseitigem Endabschnitt ein kegelstumpfartiger Vorsatz als Umleitmittel dient,

Fig.2 den abgasrohrseitigen Endabschnitt eines erfindungsgemäßen Meßfühlers in vergrößertem Maßstab, wobei die Schutzeinrichtung an ihrem anschlußseitigen Endabschnitt öffnungen hat, hinter denen sich ein Prallblech befindet, und im abgasrohrseitigen Endabschnitt ein Blecheinsatz als Umleitmittel dient,

F i g. 3 einen Querschnitt durch den Meßfühler nach F i g. 2 entlang der Linie HI/HI,

Fig.4 den abgasrohrseitigen Endabschnitt eines erfindungsgemäßen Meßfühlers in vergrößertem Maßstab, wobei sich im anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung öffnungen befinden, hinter denen sich ein Prallblech befindet, und an dessen abgasrohrseitigem Ende ein kegelartiger Vorsatz als Umleitmittel dient,

F i g. 5 den abgasrohrseitigen Teil eines erfindungs-:emäßen elektrochemischen Meßfühlers in vergrößertem Maßstab, wobei die Schutzeinrichtung in ihrem anschlußseitigem als auch in ihrem abgasrohrseitigem Endabschnitt öffnungen mit Klappen als Umleitmittel enthält und

F i g. 6 einen Querschnitt durch den Meßfühler nach F i g. 5 entlang der Linie VI-VI.

Die in den F i g. 1 bis 6 dargestellten elektrochemischen Meßfühler arbeiten nach dem bekannten Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyt; sie enthalten ein ionenleitendes, einseitig von einem Boden 10 geschlossenes Festelektrolytrohr U, das aus stabilisiertem, kubischem Zirkondioxyd besteht, auf seiner Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht 12 aus Platin trägt und auf seiner Innenseite mit einer elektronenleitenden Leiterbahn 13 versehen ist, die bis in den Bereich des Festelektrolytrohr-Bodens 10 hineinreicht; auch diese Leiterbahn 13 kann aus Platin bestehen. Die Leiterbahn 13 ist mit einem nicht dargestellten Anschlußteil verbunden, das so anschlußseits mit einem Steckkontakt 14 elektrisch in Verbindung steht. Das Festelektrolytrohr 11 ist dicht in die Längsbohrung 15 eines metallischen Gehäuses 16 eingebaut, das für den Einbau in ein Abgasiohr mit einem Einschraubgewinde 17 und einem Schlüsselsechskant 18 ausgestattet ist. An das anschlußseitige Ende des Gehäuses 16 ist ein Schutzrohr 19 angebracht, das mit Lufteintrittsöffnungen 20 für den Eintritt der Umgebungsluft in den Hohlraum 21 des Festelektrolytrohres ϊ 1 versehen ist.

Der abgasrohrseitige Endabschnitt des Festelektrolytrohres 11 mit Boden 10 ragt aus der Gehäuiie-Lii'igsbohrung 15 heraus und ist den im Abgasrohr befindlichen Abgasen ausgesetzt. Um jedoch die elektro^enleitende Katalysatorschicht 12 auf dem ω Festelektrolytrohr 11 vor intensiven Abtragungen sowie vor Temperatur- und Druckschockwirkungen durch den antreffenden Abgasstrom zu schützen, ist um den aus dem Gehäuse 16 ragenden Bereich des Festelekrolytrohres 11 eine erfindungsgemäße Schutzeinrichtung 22 angebracht, die zwar das Festelektrolytrohr 11 einem direkten Aufprall von Abgasen entzieht, jedoch öffnungen 23 und 24 enthält, durch die die Abgase zum Festelektrolytrohr 11 gelangen können; die Öffnungen am anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung 22 sind dabei mit 23 und die öffnungen am abgasrohrseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung 22 mit 24 bezeichnet

Die Schutzeinrichtung 22 in F i g. 1 ist koaxial und mit Abstand zum Festelektrolytrohr 11 am Gehäuse 16 befestigt und enthält an ihrem anschlußseitigem Endabschnitt eine Anzahl von öffnungen 23, hinter denen sich mit Abstand ein Prallblech 25 befindet, das den abgasrohrseitigen Endabschnitt des Gehäuses 16 bildet Durch die öffnungen 23 einströmende Abgase mit ihren Partikeln treffen somit nicht direkt das Festelektrolytrohr U mit der Katalysatorschicht 12, sondern prallen zunächst gegen das Prallblech 25, werden abgelenkt und gelangen erst dann zum Festelektrolytrohr 11. Abgasrohrseits befindet sich vor dem Boden 10 des Festelektrolytrohres 11 ein kegelstumpfartiger Vorsatz 26, der am Schutzeinrichtungs-Mantel 27 angebracht ist, dessen Basisfläche 28 senkrecht zur Längsachse des Festelektrolytrohres 11 steht und dem Festelektrolytrohr-Boden 10 abgewendet ist; die öffnungen 24 führen derart durch den Mantel 27, so daß die radial auf die Vorsatz-Mantelfläche 29 gerichtet sind. Durch die öffnungen 24 einströmende Abgase mit ihren Partikeln treffen somit zunächst auf die Vorsatz-Mantelfläche 29 und werden dann am Festelektrolytrohr 11 entlanggeführt; dabei werden die Abgase gut durchmischt ebenfalls wird dadurch ein guter Stoffaustausch an der Oberfläche des Festelektrolytrohrs 11 erreicht. Das Prallblech 25 und der Vorsatz 26 bilden somit Umleitmittel 30, die zusätzlich auch Druck- und Teinperaturschocks des Abgases gegenüber dem Festelektrolytrohr 11 abmindern bzw. abhalten.

In den Fig.2 und 3 ist eine Alternative einer Schutzeinrichtung 22 dargestellt, dabei enthält der anschlußseitige Endabschnitt öffnungen 23 und Prallblech 25 wie bei dem Meßfühler nach Fig. 1, jedoch werden die abgasrohrseitigen öffnungen 24 vom Schutzeinrichtungs-Mantel 27 und durch einen Blecheinsatz 31 gebildet, der in die Mantel-Längsbohrung 32 eingesetzt ist, abgasrohrseits aus dem Mantel 27 herausragt und innerhalb des Mantels 27 etwa bis kurz oberhalb des Festelektrolytrohr-Bodens 10 reicht; dieser Blecheinsatz 31 ist von kreuzförmigem Profil, kann jedoch auch von anderer entsprechender Gestalt sein. Elektrochemische Meßfühler mit einem derartigen Blecheinsatz 31 als Umleitmittel 30 sind auch für schrägen Einbau in Abgasrohre geeignet.

Die Schutzeinrichtung 22 nach F i g. 4 ist auch vorzugsweise für schrägen Einbau in Abgasrohre geeignet; während die am anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung 22 befindlichen öffnungen 23 und das als Umleitmittel dienende Prallblech 25 ebenso gestaltet sind wie bei den Meßfühlern der vorhergehenden Figuren, ist der abgasrohrseitige Endabschnitt des Meßfühler-Mantels 25 zu einem Trichter 33 erweitert und enthält als Umleitmittel 30 einen kegelartigen Vorsatz 34, dessen Basisfläche 35 dem Festelektrolytrohr-Boden 10 zugewendet ist und der von einem am Mantel 16 befestigten Halteblech 36 mit öffnungen 24 gehalten wird; die Vorsatz-Basisfläche 35 ist dabei kleiner im Durchmesser als der Innendurch-

messer des Schutzeinrichtungs-Mantels 27. Der als Umleitmittel 30 dienende Vorsatz 34 leitet die vom Trichter 33 aufgefangenen Abgase am Festelektrolytrohr 11 entlang.

In den F i g. 5 und 6 ist eine weitere Alternative einer Schutzeinrichtu g 22 dargestellt. Dabei sind die anschlußseitigen Öffnungen 23 und auch die abgasrohrseitigen Öffnungen 24 mit Klappen 37 als Umleitmittel 30 versehen; die Klappen 37 weisen im vorliegenden Falle nach innen, können jedoch auch nach außen gerichtet sein; auch Kombinationen, wobei die öffnungen 23 mit nach innen weisenden Klappen 37 und Öffnungen 24 mit nach außen weisenden Klappen 37 versehen sind oder auch umgekehrt, sind von Fall zu Fall bevorzugt geeignet. Zur Erzielung eines besonders guten Durchmischungseffekts für die Abgase ist es zweckmäßig, wenn die Klappen 37 an den öffnungen 23 in entgegengesetzter Richtung zu den Klappen 37 an den abgasrohrseitigen öffnungen 24 verlaufen. Schutzvorrichtungen 22 dieser Art können bei gewissen Anwendungsfällen auch dann vorteilhaft sein, wenn der Durchmesser des Mantels 27 der Schutzeinrichtung 22 im Bereich der öffnungen 23 größer ist als im Bereich der öffnungen 24, bzw. umgekehrt. Der abgasrohrseitige Endabschnitt des Mantels 27 ist vorzugsweise durch ein Bodenblech 38 verschlossen, kann jedoch auch offen sein bzw. ein Bodenblech 38 mit nicht dargestellten Löchern enthalten; entscheidend für die Wahl der bevorzugten Ausführung ist jeweils die am Motor vorliegende Abgasführung.

Die in den Fig. 1 bis 6 dargestellten und erläuterten öffnungen 24 an den freien Endabschnitten der

ι« Schutzeinrichtungen 22 sind mit den öffnungen 23 an den anschlußseitigen Endabschnitten der Schutzeinrichtungen 22 wahlweise zu kombinieren, je nachdem wie der Meßfühler in ein Abgasrohr einzubauen ist. Entscheidend ist jedoch, daß bei allen diesen erfindungs-

!5 gemäßen Ausführungen, die unabhängig von der radialen Einbaulage im Abgasrohr sind, die Abgase mit den Partikeln nicht direkt auf das Festelektrolytrohr 11 mit seiner Katalysatorschicht 12 gelangen, sondern es nur umspulen; Öffnungen 23 bzw. 24 für den Ein- und Austritt der Gase befinden sich bei all diesen Ausführungsformen nur an den beiden Endabschnitten der Schutzeinrichtung 22.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrochemischer Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen, insbesondere in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mit einem ionenleitenden, einseitig mit einem Boden versehenen Festelektrolyt-Rohr, dessen Außenseite eine elektronenleitende Katalysatorschicht aufweist, die elektrisch mit Masse in Verbindung steht und nur den Abgasen zugewendet ist, und dessen Innenseite im Bereich seines Bodens mit einem elektrisch leitfähigen Anschlußteil in Verbindung steht und der Umgebungsluft ausgesetzt ist, und dessen den Abgasen ausgesetzter Teil mit einer Schutzeinrichtung umgeben ist, die mit Abstand um das Festelektrolyt-Rohr angeordnet ist, am anscblußseitigen Endabschnitt das Festelektrolyt-Rohr direkt oder indirekt dicht umfaßt, das bodenseitige Ende des Festelektrolyt-Rohres überragt und für den Ein- und Austritt von Abgasen mindestens je eine Öffnung aufweist, deren Umleitmittel einen direkten Aufprall von Abgasen auf das Festelektrolyt-Rohr verhindern (nach dem deutscher Patent 23 26 086), dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (23,24) mit Umleitmitteln (30) für den Ein- bzw. Austritt von Abgasen am freien und am anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung (22) angebracht sind.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (24) mit Umleitmitteln (30) am freien Endabschnitt der Schutzeinrichtung (22) in dem Bereich angeordnet sind, der vor dem Festelektrolytrohr-Boden (10) liegt.

3. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umleitmittel (30) ein kegelstumpfartiger Vorsatz (26) ist, der am Mantel (27) der Schutzeinrichtung (22) befestigt ist, dessen Basisfläche (28) senkrecht zur Längsachse des Festelektrolytrohres (11) steht und dem Festelektrolytrohr-Boden (10) abgewendet ist, und daß die öffnungen (24) am freien Endabschnitt der Schutzeinrichtung (22) auf die Vorsatz-Mantelfläche (29) gerichtet sind.

4. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umleitmittel (30) ein am freien Ende aus dem Mantel (27) der Schutzeinrichtung (22) ragender Blecheinsatz (31) von vorzugsweise kreuzförmigem Querschnitt ist.

5. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Umleitmittel (30) ein kegelartiger Vorsatz (34) ist, dessen Basisfläche (35) dem Festelektrolytrohr-Boden (10) zugewendet ist und kleiner im Durchmesser ist als der Innendurchmesser des Mantels (27) der Schutzeinrichtung (22), und daß der Vorsatz (34) durch mindestens ein Halteblech (36) am Mantel (27) befestigt ist.

6. Meßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umleitmittel (30) Öffnungen (24) mit Klappen (37) sind, die im Mantel (27) der Schutzeinrichtung (22) angebracht sind und vorzugsweise nach innen weisen, und daß das freie Ende des Mantels (27) verschlossen ist, vorzugsweise durch ein Bodenblech (38).

7. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich mit Abstand hinter den Öffnungen (23) am anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung (22) ein ringförmiges Prallblech (25) befindet.

8. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (23) am anschlußseitigen Endabschnitt der Schutzeinrichtung (22) als Umleitmittel (30) Klappen (37) haben, die sich im Mantel (27) befinden und vorzugsweise nach innen weisen.