DE2816343A1

DE2816343A1 - Sauerstoffmessfuehler

Info

Publication number: DE2816343A1
Application number: DE19782816343
Authority: DE
Inventors: Donald C Davis
Original assignee: Bendix Autolite Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1977-04-15
Filing date: 1978-04-14
Publication date: 1978-10-19
Also published as: IT1095585B; FR2387449A1; FR2387449B1; AU3506278A; US4123344A; GB1566244A; SE7804264L; IT7822265A0; AU512525B2; CA1085923A; JPS53129092A

Description

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Sauerstoffmeßfühler

Die Erfindung betrifft im allgemeinen Sauerstoffmeßfühler, insbesondere Geräte mit einer Elektrolytscheibe, die für den Einsatz im Abgasweg oder Auspuff eines Verbrennungsmotors vorgesehen sind.

Seit einigen Jahren ist es bekannt, den Sauerstoffgehalt von Verbrennungsgasen mit Hilfe eines elektrochemischen Sauerstoffmeßfühlers zu messen, der den Auspuffgasen eines Verbrennungsmotors ausgesetzt ist. Die Geräte des früheren Standes der Technik waren in zwei allgemeine Typen eingeteilt, wobei der erste als Büchsenoder Fingerhuttyp bezeichnet wird, von welchem Beispiele in den

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US-Patentschriften 3 960 693 und 3 978 006 bekannt gemacht worden sind. Die zweite Art ist als Rund- oder Rechteckscheibentyp bekannt, von welchem Beispiele in den US-Patentschriften 3 909 385 und 3 940 327 gezeigt sind. Meßfühler beider Arten verwenden einen Festkörperelektrolyten wie Zirkonoxyd (ZrO₂) welcher eine Spannung zwischen den Elektroden des Meßfühlers erzeugt, wenn ein Unterschied im Sauerstoffteildruck zwischen der Auspuffseite des Elektrolyten und der Bezugs- oder Frischluftseite des Elektrolyten austritt. Daher ist es absolut erforderlich, die Kanten des Elektrolyten gut und dauerhaft abzudichten, so daß Auspuffgas und Bezugsgas getrennt bleiben. Die erforderiche Dichtung wurde bei den früheren Geräten auf verschiedene Weise erzielt. Nach der

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Beschreibung der US-Patentschrift 3 909 385 wird eine Rechteckscheibe aus elektrolytischem Werkstoff in einem Metallgehäuse hermetisch abgedichtet, wobei die Dichtung aus einer Metalloxydschir.elze gebildet ist, welche sowohl die Oberfläche der Rechteckscheibe als auch das voroxydierte Metallgehäuse benetzt. Bei Erwärmung erwacht sich die Schmelze oder Fritte und bildet die erforderliche Dichtung. In der US-Patentschrift 3 940 327 wird eine Einrichtung beschrieben, welche eine Elektrolytscheibe in Kontakt mit dem Flansch eines Metallgehäuses hält, in welchem eine keramische Isoliermuffe in Verbindung mit einer hochtemperaturfesten keramischen Faserdichtung verwendet wird, um eine hermetische Dichtung zu schaffen, welche ein Entweichen der Auspuffgase um die Rechteckscheibe herum verhindert. Als Hauptdichtung dient somit die hochtemperaturfeste keramische Fiberdichtung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes und neuartiges Verfahren zur Ausformung einer gasfesten Dichtung in einem Sauerstoffmeßfühler der vorbeschriebenen Art zu schaffen.

Erfindungsgemäß ist eine andere Lösung für die Ausbildung einer gasfesten Dichtung bei der Montage einer Elektrolytscheibe auf ihren Isolator in einem Sauerstoffmeßfühler vorgesehen. Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung geschaffen, welche keine Dichtungen oder externen Dichtungseinrichtungen aus Metall oder anderen Werkstoffen braucht.

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Die Erfindung ist ein Sauerstoffmeßfühler, gekennzeichnet durch eine Elektrolytscheibe, welche aus einem vierwertigen Keramikoxydgemisch gebildet ist und durch Brennen gesintert wird. Aus einem Keramikgemisch wird ein Isolator geformt, dessen Wärmedehnungskoeffizient mit dem der Scheibe kompatibel ist, der jedoch bei einer niedrigeren Brenntemperatur aushärtet oder versintert. Im Insolator wird eine Versenkung ausgefräst, und die versinterte oder glasierte Scheibe wird in die Vertiefung des ungebrannten Isolators gelegt, worauf dieser gebrannt wird. Das Brennen bewirkt ein Schrumpfen des Isolatormaterials, wodurch die Scheibe in der Vertiefung dichtend umschlossen wird.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt das Verfahren zur Herstellung des Sauerstoffmeßfühlers die Ausbilding einer Rechteckscheibe aus einem elektrolytischen Keramikmaterial, das Versintern oded Glasieren der Rechteckscheibe durch Brennen bei einer vorgegebenen hohen Temperatur, die Ausformung eines langen hohlen Insulators, der an einem Ende eine gefräste Versenkung oder Ansenkung besitzt, aus einem Keramikgemisch, äessen Wärmedehnungskoeffizient mit dem Wärmedehnungskoeffizienten des Keramikwerkstoffes der Rechteckscheibe kompatibel ist und der bei einer niedrigeren Temperatur versintert als die Brenntemperatur der Rechteckscheibe, ferner die Anordnung der Rechteckscheibe in der ausgefrästen Versenkung des Isolators, das Brennen des Isolators bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Brenntemperatur der Rechteckscheibe, so daß der Insulator schrumpft und die Rechteckscheibe in der Versenkung des Insulators versiegelt und dichtet. Nach Ausbildung der Dichtung wird der Meßfühler

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dadurch fertig gestellt, daß die Außenseite der Rechteckscheibe mit einer ersten Elektrode bedeckt wird, daß eine zweite Elektrode an der Innenseite der Rechteckscheibe und eine dritte Elektrode an der ersten Elektrode auf der Außenseite der Rechteckscheibe befestigt wird und ferner dadurch, daß ein Teil des Isolators zwischen seinen Enden von einem Metallgehäuse umschlossen wird. Auf der Oberseite des Isolators wird eine obere Klemme so befestigt, daß sie in elektrischem Kontakt mit der zweiten Elektrode steht.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnung zeigt:

Einen Aufriß des erfindungsgemäßen Sauerstoffmeßfühlers längs einer durch die Achse der Vorrichtung verlaufenden Ebene.

Der erfindungsgemäße Sauerstoffmeßfühler 2 wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Eine Rechteck- oder Rundscheibe 4 wird aus einem vierwertigen festen Oxyd-Keramikgemisch wie Zirkondioxyd (ZrÜ2) oder Ceridioxyd (CeO2) ausgebildet, die jeweils mit einem entsprechenden vierwertigen Oxyd wie Gadolinerde (Gd₂C^) oder Yttriumoxyd (Y₂O,) bzw. einem zweiwertigen Oxyd angereichert sind wie Magnesiumoxyd (MgO) oder Kalkerde (CaO). Die Scheibe wird durch Brennen bei einer Temperatur gesintert, die durch den verwendeten Werkstoff bestimmt ist, jedoch beispielsweise für eine ZrO₂~Scheibe ca. 295O°F (1β21°Ο beträgt.

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Ein hohler Langisolator 12 wird aus einem Keramikgemisch wie Spinell, Mullit, Tonerde, Korderit oder einem ähnlichen Material gebildet, dessen Wärmedehnungskoeffizient mit dem Wärmedehnuncfskoeffizienten der Scheibe 4 kompatibel ist, das jedoch

versintert

bei einer Brenntemperatur/, die mehr als 200 F (93 C) , vorzugsweise 2OO-5O0°F (93-260⁰C) niedriger liegt als die Brenntemperatur der Scheibe 4. Beispielsweise soll die Vergasungs- oder Sintertemperatur des Keramikgemisches für den Isolator bei einem Zirkondioxydgemisch der Scheibe etwa 275O°F (1510°C)oder weniger betragen. Bei einer Scheibe aus Zirkondioxydgemisch wäre der Wärmedehnungskoeffizient ca. 8,0 χ 10~⁶ Zoll~²/°C (20,32 χ 10 cm /C), und das Keramikgemisch für den Isolator muß so gewählt werden, daß der Wärmedehnungskoeffizient zwischen 7,5 und 8,5 χ 10~⁶ Zoll"²/°C (19,05 und 21,59 χ 1θ"⁶ cm~²/°C) oder etwa + 0,5 läge. Wie bekannt ist, kann solch ein Wärmedehnungskoeffizient für einen bestimmten Keramikisolator durch Verwendung verschiedener Flußmittel und Zusammensetzungen angepaßt werden. Im Isolator 12 ist eine Einsenkung 10 ausgeformt, die eine Verlängerung seines hohlen Mittelraumes ist. Die bereits gebrannte Scheibe 4 wird in die Einsenkung 10 des nicht gebrannten Keramikisolators 12 gelegt. Dann wird der Isolator 12 bis zur Glasur oder Versinterung bei einer Temperatur gebrannt, die um 200°F (93°C) oder mehr niedriger ist als die Versinterungstemperatur für die Scheibe; während des Brennvorganges erfolgt eine Verdichtung und Schrumpfung des Isolators 12, wodurch die Scheibe 4 an Ort und Stelle versiegelt und abgedichtet wird und das untere Ende des inneren Hohlraumes des Isolators 12 abschließt, wobei eine Seite der Scheibe dem Inneren des Isola-

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tors zugekehrt ist und die andere Seite nach außen gewandt ist.

Nach dem Brennen des Isolators 12 wird eine poröse Platinelektrode 6 an die Außenfläche der Scheibe 4 durch bekannte Veifahren wie Aufdampfen oder Auftragen mit Pinsel und dergleichen aufgebracht. Eine poröse Schutzschicht 8 aus einem Werkstoff wie Spinell oder Mullit kann durch Plasma- oder Feuerplattierung aufdie Außenfläche der Scheibe 4 über die Platinelektrode 6 aufgesprüht werden, um diese sowie die Scheibe 4 gegen schmirgelnde Auspuffbestandteile zu schützen. Dann wird eine Innenelektrode 14 aus Platin aufgemalt oder auf andere Weise am Isolator 12 befestigt und an dessen Innenseite eingebrannt, die mit der Innenseite der Scheibe in Berührung steht, während eine Platinaußenelektrode 16 aufgemalt oder anderweitig aufgetragen wird und in die Außenfläche des Isolators 12 eingebrannt wird. Die Platininnenelektrode 14 erstreckt sich durch das Innere des Isolators 12 bis zu einer Gewindebohrung 32.Eine Kontakttellerfeder 26 ist in der Gewindebohrung 32 angeordnet und steht mit der Elektrode 14 in Kontakt, während eine belüftete obere Klemme 30 in die Gewindebohrung 32 des Isolators 12 eingeschraubt ist und damit den inneren Elektrodenkreis schließt.

Mit der befestigten Scheibe 4 wird der Isolator 12 dann in ein Stahlgehäuse 20 eingeführt, das mit Außengewinde 28 versehen ist. Zwischen dem Stahlgehäuse 20 und dem Isolator 12 sind Nickeldichtungen 22 angeordnet, welche den Isolator 12 gegen das Stahlgehäuse 20 abdichten. Dann wird das Stahlgehäuse 20 mit einer hydraulischen Presse und Gesenk durch Druckumbördelung durch

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Aufbringen eines starken Stromes und hohen Druckes befestigt, was im Ergebnis auf eine Widerstandsheizung und ein Kollabieren der verengten Fläche 24 des Stahlgehäuses 20 hinausläuft, an welchen die heiße Presse angegriffen hat. Ein anschließendes Abkühlen des Aggregates auf Umgebungstemperatur ergibt eine hermetische Dichtung durch die Nickeldichtungen 22. Der Kontakt zwischen der Platinaußenelektrode 16, den Nickeldichtungen 22 sowie dem Stahlgehäuse 20 schließt den äußeren Elektrodenkreis.

Falls gewünscht, kann eine Metallabschirmung 34, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, mit den öffnungen 36 am Meßfühler befestigt werden, um die Elektrolytscheibe gegen den direkten Aufprall heißer und schnell strömender Gase zu schützen. Vorstehend wurde ein Sauerstoffmeßfühler sowie ein Herstellungsverfehren beschrieben, das alle mechanischen Dichtungen und einen möglichen Ausfall solcher Dichtungen vermeidet. Weniger Teile sind bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Geräts erforderlich, wodurch weiter die Möglichkeit eines mechanischen Versagens herabgesetzt wird. Der Isolator 12 erstreckt sich von der Oberseite des Gehäuses 20 aus, wodurch auch weitgehend die Möglichkeit ausgeschaltet wird, daß das Gerät durch spritzende Straßenpfützen kurzgeschlossen wird. Daher ist der erfindungsgemäße Meßfühler weniger kostspielig herzustellen und betriebssicherer.

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Le

erseite

Claims

Patentansprüche

J Verfahren zur Herstellung eignes Sauerstoffmeßfühlers, dadurch

gekennzeichnet, daß es die folgenden Arbeitsgänge umfaßt: Ausformung einer Scheibe aus einem elektrolytischen Keramikwerkstoff, VerSinterung der Scheibe durch Brennen bei einer hohen Temperatur, Ausbildung eines langen hohlen Isolators mit einer Einsenkung an einem Ende aus einem Keramikgemisch, dessen Wärmedehnungskoeffizient mit dem Wärmedehnungskoeffizienten des Keramikwerkstoffes für die Scheibe kompatibel ist und das

die
bei einer Temperatur versintert,/unterhalb der Brenntemperatur für die Scheibe liegt, Einführen der gesinterten Scheibe in die Einsenkung des Isolators, Brennen des Isolators, um ihn zu versintern, bei einer Temperatur unterhalb der Brenntempe-

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ORIGINAL INSPECTED

ratur für die Scheibe, so daß der Isolator schrumpft und die Scheibe in der Versenkung des Isolators versiegelt und dichtet, wobei eine Seite der Scheibe dem Innenraum des Isolators zugekehrt ist und die andere Seite nach außen gewandt ist, Aufbringen von Elektroden auf beide Seiten der Scheibe und Befestigen eines Metallgehäuses, das einen Teil des Isolators zwischen seinen Enden umschließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe aus einem elektrolytischen Keramikwerkstoff ausgeformt ist, der Sirkondioxyd enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikwerkstoff, aus welchem der lange Hohlisolator ausgebildet ist, bei einer Temperatur versintert, die um 2OO-5OO°F (93-260 C) unterhalb der Versinterungstemperatur der Scheibe liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Versiegeln der Scheibe in der Einsenkung die Außenseite der Scheibe mit einer ersten Elektrode beschichtet wird und daß eine zweite Elektrode auf der Innenseite der Scheibe befestigtwird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode auf der Außenseite der Scheibe mit einer porösen Schutzschicht überzogen ist.

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6. Sauerstoffmeßfühler nach einem eier vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende Bauteile umfaßt: Ein hohles keramisches Isolierrohr (12) mit einem ersten und einem zweiten offenen Ende, wobei im ersten Ende eine zum Rohr (12) koaxiale Ausnehmung (10) ausgeformt ist, eine aus festem keramischen Elektrolytwerkstoff bestehende Scheibe (4), die in der Ausnehmung (10) angeordnet ist und darin durch direkten Eingriff mit den Wänden der Ausnehmung (10) befestigt ist, um eine dem Innenraum des Hohlrohres (12) zugekehrte Innenfläche der Scheibe (4) zu bilden sowie eine Außenfläche der Scheibe (4), die vom Hohlrohr (12) abgekehrt ist, ferner einen ersten Leiter (14) längs der Innenseite des Rohres (12), der in Kontakt mit der Innenfläche der Scheibe (4) steht, einen zweiten Leiter (16) längs der Außenseite des Rohres (12), der in Kontakt mit der Außenfläche der Scheibe (4) steht und schließlich ein Metallgehäuse (20) zwischen den Enden des Isolierrohres (12), das einen Teil des Rohres (12) umschließt und mit dem zweiten Leiter (16) in Kontakt steht.
7. Sauerstoffmeßfiihler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im zweiten offenen Ende des Rohres (12) ein Hohlleiter (30) angeordnet ist, der leitend mit dem ersten Leiter (14) in Kontakt steht.
8. Sauerstoffmeßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle isolierende Keramikrohr (12) um seinen Umfang herum zwischen dem ersten und dem zweiten Ende einen erhabenen Flansch besitzt.

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9. Sauerstoffmeßfühler nach Anspruch δ, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallgehäuse (20) in Reibkontakt mit dem erhabenen Flansch steht und somit durch Druckbördelung eines Teiles des Gehäuses (20) irit diesen in Eingriff steht.
10. Sauerstoffmeßfühler nach Anspruch 9,dadurch gekennzeichnet, daß MetaTLdichtungen (22) am Berührungspunkt zwischen Metallgehäuse (20) und Flansch vorgesehen sind.
11. Sauerstoffmeßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche der Scheibe (4) mit einem porösen Schutzbelag (8) beschichtet ist.
12. Sauerstoffmeßfühler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Metallgehäuse (20) ein Metalldeckel mit öffnung (34) vorgesehen ist, um das erste Ende des Rohres (12) und die Scheibe (4) zu umschließen.

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