DE2912333A1

DE2912333A1 - Beheizter festelektrolyt-sauerstoffsensor

Info

Publication number: DE2912333A1
Application number: DE19792912333
Authority: DE
Inventors: George William Hillebrand; Michael Paul Murphy
Original assignee: General Motors Corp
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1978-04-03
Filing date: 1979-03-28
Publication date: 1979-10-11
Also published as: JPS54134495A; US4222840A; GB2017927A

Description

Die Erfindung betrifft einen beheizten galvanischen Festelektrolyt ..-Sauerstoffsensor und insbesondere einen verbesserten und einfach zusammenbaubaren Aufbau eines solchen Sensors, bei dem das Festelektrolyt.-Element und der Heizer im wesentlichen planare Gebilde sind.

Galvanische Festelektrolytl.-Sauerstoffsensoren enthalten im wesentlichen einen sauerstoffionen-leitenden Keramikkörper mit porösen Elektroden an entgegengesetzt liegenden Flächen des Körpers. Eine Elektrode wird einer Beferenz-Sauerstoffquelle ausgesetzt. Die andere Elektrode wird einer Quelle ausgesetzt, ,deren Sauerstoffgehalt gemessen werden soll. Ein Unterschied, des Sauerstoff-Partialdrucks an den Elektroden ergibt einen entsprechenden Elektroden-potentialunterschied und dadurch ergibt sich eine Ausgangsspannung des Sensors.

Die Ausgangsspannung eines solchen Sensors kann zur Messung des Sauerstoffgehalts oder des Gehalts an unverbrannten Brennstoffen in den Verbrennungsabgasen verwendet v;erden, die durch einen Verbrennungsmotor erzeugt werden. Diese Spannung kann bei der überwachung und Beeinflussung oder Steuerung des Verbrennungsvorgangs benutzt werden, wie es in den ÜS-PS If 129 099, 3 616 274 und 3 Shh 920 beschrieben ist.

Der Festelektrolyt eines solchen Sensors muß auf eine angehobene Temperatur aufgeheizt werden, damit sich eine annehmbare Ausgangsspannung ergibt. Die Ausgangsspannung des Sensors ändert sich außerdem in direkter Abhängigkeit von Temperaturänderungen, insbesondere bei niedrigen Betriebstemperaturen. Zum Aufheizen des Sensors auf die Betriebstemperaturen können Verbrennungsgase benutzt werden, aber diese Gase zeigen große Temperaturänderungen,

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insbesondere bei einer Verbrennungskraftmaschine oder einem Verbrennungsmotor. In der erwähnten US-PS 3 616 wird eine Temperatur-Kompensationseinrichtung für einen Sensor beschrieben, die einen umschließenden oder den Sensor umgebenden Widerstandsheizer enthält. In der US-PS 3 815 560 wird ein umhüllender oder umgebender Widerstandsheizer beschrieben, um ein Elektrolyt -Rohr bei solchen Temperaturen zu halten, bei denen seine Ausganc;sspannung am wenigsten durch Temperatur änderungen beeinflußt wird. Die erwähnte US-PS Ί 129 099 befaßt sich mit der Dotierung des Festelektroiyt-en mit Eisenoxid zum Temperaturausgleich. Zusätzlich wird die Anordnung eines Widerstandsheizers in einem Festelektrolyt -Rohr beschrieben, um den Sensor bei höheren Arbeitstemperaturen zu halten und um zusätzlich beim Start den Sensor aufzuheizen.

Für Kraftfahrzeuganwendungen sollte der beheizte Sensor besonders robust und zuverlässig sein. Zusätzlich sollte für eine größere Zuverlässigkeit und geringere Herstellkosten der beheizte Sensor einfach und leicht herstellbar sein. In der gleichzeitig eingereichten Deutschen Patentanmeldung P (unser Aktenzeichen G 3303) wird eine neue Art beschrieben, einen Heizer in einem Sauerstoffsensor, insbesondere einem Kraftfahrzeug-Sauerstoffsensor, aufzunehmen. Die in dieser genannten Patentanmeldung beschriebene Erfindung behandelt die Ausbildung einer Vormontageeinheit oder Untereinheit aus Heizer und Referenzelektrodenanschluß des Sensors. In der Untereinheit wird der Heizer so vorausgerichtet, daß dann, wenn der Referenzelektrodenanschluß mit dem Festelektrolyt.. zusammengebaut wird, der Heizer selbsttätig oder selbständig mit dem Festelektrolyt ausgerichtet ist. Zusammengefaßt schlägt die Erfindung in der genannten Patentanmeldung vor, einen

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Heizer als Voreinheit mit einem Referenzelektrodenanschluß für den Festelektrolyt einem Festelektrolyt -Sauerstoffsensor hinzuzufügen. Die aus Heizer und Elektrodenanschluß bestehende Untereinheit eignet sich besonders zur Verwendung für einen Sauerstoff sensor nach US-PS 3 8kk 92.0.

Fig. 9 bis 11 in der erwähnten Patentanmeldung zeigen einen besonderen Aufbau, bei dem eine Vormontageeinheit oder Untereinheit aus Heizer und Elektrodenanschluß mit einem als flache Scheibe ausgeführten Festelektrolyt- Element verwendet wird. Dieser besondere Aufbau wird dort nicht besonders beansprucht und wird durch die anderen dort beschriebenen Ausführungen nicht nahegelegt. Deshalb wird dieser Aufbau als eine Verbesserung der Erfindung in der erwähnten Patentanmeldung angesehen.

Es ist deshalb ein Ziel der Erfindung, einen verbesserten galvanischen beheizten Festelektrolyt -Sensor zu schaffen. Diese und andere Ziele der Erfindung werden mit einem galvanischen Festelektrolyt. -Sensor erzielt mit einen ebenen Heizer, der durch einen rohrförmigen Referenzelektrodenanschluß senkrecht zu diesem in einer erforderlichen vorbestimmten Beziehung mit Abstand in bezug auf ein ebenes Festelektrolyt -Element gehalten wird. Der Heizer und der Anschluß ergeben eine leicht mit dem ebenen Elektrolyt... Element und einem umgebenden Metallgehäuse zusammenbaubare Untereinheit. Eine mit Flanschen an dem Anschluß und dem Gehäuse zusammenwirkende Einrichtung hält das Elektrolyt. Element, die aus Heizer und Anschluß bestehende Untereinheit und das Gehäuse in einer festen vorbestimmten Beziehung zueinander.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

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Figur 1 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Sauerstoffsensors,

Figur 2 einen Schnitt durch die Tintereinheit aus

Heizer und Elektrodenanschluß in dem Sensor nach Fg. 1 nach Linie 2-2 der Fig. 1, und

Figur 3 einen Längsschnitt durch die aus Heizer und

Elektrodenanschluß bestehende Untereinheit ; des in Fig. 1 und 2 gezeigten Sensors.

Der Sensor besteht nach Fig. 1 aus einem etwa rohrförmigen Metallgehäuse oder Metallmantel 10, einer kreisförmigen ebenen Scheibe 12 aus einem Festelektrolyt -Material, einem rohrförmigen Elektrodenanschluß 14 und einem elektrischen V/iderstandsheizelement 16. Der Elektrodenanschluß lh besitzt einen nach außen gerichteten Umfangsflansch 1^a. Poröse Platinelektroden 18 und 20 bedecken die obere bzw. die untere zur oberen parallele Fläche der Elektrolyth-Scheibe 12.

Der Mantel 10 besitzt ein Außengewinde 22, mit dem er in eine Gewindebohrung in einer Abgasleitung 2Zf eines Kraftfahrzeugs einschraubbar ist. Es kann fallweise vorteilhaft sein, den Sensor stattdessen in einen Abgassammler eines Kraftfahrzeugs, in ein Abgasendrohr oder in einen parallel dazu verlaufenden Durchlaß einzuschrauben. Der Mantel 10 weist weiter einen nach innen gewendeten oberen Umfangsflansch 26 und einen nach innen gewendeten unteren Umfangsflansch 28 auf, mit denen die Sensorbestandteile in koaxialer Beziehung miteinander zusammengeklemmt werden können. Der obere Flansch 26 wird durch walzen oder bördeln gebildet, nachdem die Bestandteile des Sensors in den Mantel 10 eingesetzt sind. Der untere Flansch 28 bildet eine Umfangsschulter 30, die senkrecht zur Längsachse des Mantels 10 liegt.

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An der unteren Schulter 30 liegt ein nach außen gewendeter Umfangsflansch 32 eines allgemein schüsseiförmigen unteren Metallschirms oder -abschirmteils 3k an· Schirm 3k besitzt Lüftungsschlitze 36 an seinem Boden, so daß Abgase in den Schirmteil oder den Schirm eintreten und zur unteren Platinelektrode 20 gelangen können. Ein Weichmetall-Dichtring 38 ist ausgerichtet auf den Flansch 32. aufgelegt. Die kreisförmige Elektrolyt t-Scheibe 12 besitzt einen Durchmesser, der etwa 0,13 bis 0,25 mm geringer als der Innendurchmesser des Mantels 10 an dieser Stelle ist. Die Elektrolyt .-Scheibe 12 wird koaxial auf den Dichtring 38 so aufgesetzt, daß die untere Platinelektrode 20 den Dichtring 38 berührt. Damit ergibt sich eine elektrische Verbindung mit geringem übergangswiderstand zwischen dem Mantel 10 und der unteren Elektrode 20.

Ein zweiter Weichmetall-Dichtring 39 ist koaxial an der oberen Fläche der Elektrolyt' -Scheibe 12 angeordnet und berührt die obere Platinelektrode 18. Damit eine elektrische Trennung oder Isolierung sichergestellt ist, erstreckt sich die obere Platinelektrode 18 nicht ganz bis zum Band der Elektrolyt -Scheibe 12. Sie bedeckt lediglich einen genügend großen Anteil der oberen Fläche der Scheibe 12, um elektrische Verbindung mit dem oberen Weichmetall-Dichtring 39 herzustellen. Der obere Dichtring 39 sitzt in einer Außennut oder einem äußeren ringförmigen Einschnitt ifO in der unteren Endfläche des Elektrodenanschlusses Tif. Damit ist der EIe ktr öden ans chluß 1 if mit geringem übergangswiderstand mit der oberen Elektrode 18 verbunden. Die Endfläche des Elektrodenanschlusses 1 Zf steht senkrecht auf der Längsachse dieses Anschlusses. Damit ist sie parallel zur Schulter 30 des Mantels 10.

Der Flansch 1^a erstreckt sich um den gesamten Umfang des Elektrodenanschlusses I4 und zwar etwa in der Mitte des

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Elektrodenanschlusses, in Längsrichtung gesehen. Die obere Fläche 42 des Flansches 14a steht senkrecht auf der Längsachse des Anschlusses. Die untere Fläche ZfZf des Flansches 14a ist so ausgebildet, daß sie einen gleichförmigen Abstand von einer benachbarten Innenumfangs-Schrägschulter 46 am Mantel IO einhält. Nacheinander sind auf die obere Fläche 42 des Flansches 14a ein flacher Glimmerring 48, ein Keramikring 50, ein rohrförmiger oberer Metallschirm 52 und eine Weichstahl-Ringdichtung 54 aufgelegt. Der Keramikring 50 ist nach oben hin abnehmend verjüngt mit einer gekrümmten Außenfläche 50a ausgeführt. Das untere Ende % des oberen Schirms 52 ist so aufgeweitet, daß er der Verjüngung der Außenfläche 50a des Keramikrings 50 entspricht und sitzt auf dieser Fläche auf. Er wird gegen die sich verjüngende Außenfläche 50a des Keramikrings 50 durch den oberen Flansch 26 des Mantels 10 über den V/eichstahl-Dichtring 54 angedrückt.Alle diese Bestandteile sind koaxial miteinander ausgerichtet. Außerdem ist der obere Metallschirm $2 mit geringem übergangswiderstand in elektrischer Verbindung mit dem Mantel 10 und der unteren Platinelektrode 20.

Die Festelektrolyt.-Scheibe 12 kann aus jedem geeigneten, für Sauerstoffionen leitfähigen Keramikwerkstoff bestehen, beispielsweise aus stabilisiertem Zirkonoxid oder Thoroxid. Es kann ein kubisches Zirkonoxid, stabilisiert mit 8 mol% Yttriumoxid oder 15^ol% Kalziumoxid verwendet werden. Die Elektroden 18 und 20 und die Festelektrolyt.-Scheibe 12 sind vorzugsweise katalytisch wirksam, insbesondere die Elektrode 20. Für eine katalytisch wirksame Elektrode wird Platin bevorzugt. Sie kann in der herkömmlichen V/eise durch Auftragen mit Bürste oder Pinsel oder durch Aufsprühen einer Platinpaste auf die Scheibe 12 und durch darauffolgendes Ausheizen oder Ausglühen hergestellt werden. Andererseits können die Elektroden 18 und 20 durch

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Aufdampfen oder elektrisches Aufsprühen hergestellt werden. Die Dichtringe 38 und 39 können aus einem weichen Metall, wie Kupfer oder Nickel bestehen. Der Mantel 10, der Elektrodenanschluß 1Zf, die Metallschirme 3h und 52 und die Metallbestandteile im Elektrodenanschluß IZf bestehen aus einem Metall, das die Bedingungen bei dem Gebrauch des Sensors aushält; es sind dazu mindestens nichtrostender Stahl und vorzugsweise eine Legierung auf Mickelbasis erforderlich. Der Keramikring 50 kann aus irgendeinem elektrisch isolierenden Keramikmaterial, z.B. Aluminiumoxid bestehen.

Der Keramikring 50 besitzt eine zylindrische Innenfläche 58, deren Durchmesser nur geringfügig größer als der Außendurchmesser des Elektrodenanschlusses IZf über dem Anschlußflansch IZfa ist. Sin Abstand von etwa 1 mm oder weniger kann benutzt werden. Die innere Zylinderfläche des Keramikrings 50 wird besonders konzentrisch mit der sich verjüngenden Fläche 50a am Außenumfang des Keramikrings 50 hergestellt. Die Seitenflächen des Keramikrings 50 sind damit nicht nur zueinander koaxial, sondern auch koaxial zum Mantel 10, der Scheibe 12 und dem Elektrodenanschluß 1Zf. Das dient' zusammen mit der relativ engen Passung zwischen dem Keramikring 50 und dem Elektrodenanschluß IZf, um den Elektrodenanschluß 1Zf koaxial zum Mantel 10 zu halten, wenn die Verkleramung zv/ischen den Mantelflanschen 26 und 28 erfolgt ist. Dementsprechend berührt der Elektrodenanschluß IZf den Mantel 10 nicht und bleibt so gegenüber diesem isoliert. Der Außendurchmesser des Anschlusses 1Zf ist mindestens 0,25 mm kleiner als der entsprechende Innendurchmesser des Mantels 10, damit die elektrische Isolierung gewahrt wird. Wenn nötig, kann eine (nicht gezeigte) Isolierhülse in die Anordnung um den Anschluß IZf unter dem Anschlußflansch IZfa innerhalb

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des Mantels 10 eingesetzt werden. Wenn die Isolierhülse eine Wandstärke besitzt, die nur geringfügig geringer ist als der Zwischenraum zwischen dem Elektrodenanschluß und dem Mantel 10, hilft sie, die elektrische Isolierung zwischen Anschluß und Mantel herbeizuführen und richtet die beiden Elemente koaxial zueinander aus.

Wie in Fig. 3 zu sehen, sind das V/iderstandsheizelement und der Elektrodenanschluß 1 if Teile einer vorher gebildeten Vormontageeinheit oder Untereinheit. Das Widerstandsheizelement 16 ist eine Flachwendel, entsprechend einem Heizelement für einen Zigarrenanzünder in einem Kraftfahrzeug. Es ergibt eine im wesentlichen flache Heizfläche. Das äußere Ende der Spirale der Flachwicklung 16 ist am Punkt 60 mit dem unteren Ende des Elektrodenanschlusses I4 verschweißt. Das innere Ende der Spiralwindung oder Flachwicklung 16 ist am Punkt 62 mit dem unteren Ende eines koaxial gehaltenen Heizanschlusses Gk verschweißt. Der Elektrodenanschluß 1 if bildet somit einen gemeinsamen Anschluß sowohl für die Heizwicklung 16 als auch für die Referenzelektrode 18 an der Scheibe 12. Die Heizwicklung 16 bildet ein im allgemeinen ebenes Heizelement mit einer senkrecht zur Längsachse des Elektrodenanschlusses IZf stehenden effektiv ebenen Heizfläche. Da der hantel 10 koaxial zum Elektrodenanschluß 1if angeordnet ist, steht die Heizwendel oder Heizwicklung 16 auch senkrecht auf der Längsachse des Mantels 10. Damit ist die Heizfläche der Heizwicklung 16 parallel zur oberen Fläche der Scheibe 12.

Der Heizeranschluß Gk ist koaxial in den Elektrodenanschluß 1 Zj. eingesetzt. Die Befestigung in diesem Innenraum geschieht durch voneinander weg gerichtete Schultern 66 bzw. 68 im Inneren des Elektrodenanschlusses 1 if. An den Schultern 66 und 68 stehen ein oberer isolierring 70

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bzw. ein unterer Isolierring 72 in Eingriff. Die Isolierringe 70 und 72 richten den Heizanschluß Gk koaxial in
dem Elektrodenanschluß 1^- aus. Die Isolierringe 70 und 72 sind jeweils gegen die Schultern 66 und 68 durch eine
mit einem Flansch versehene Federklemme 7k am oberen Ende des Heizeranschlusses 6k und durch einen am unteren Ende
des Heizeranschlusses Gk ausgebildeten Umfangsflansch
76 verklemmt. Erforderlichenfalls können die oberen Endabschnitte des Elektrodenanschlusses IZf, des oberen Schirms 52 und des Heizeranschlusses Gk in nicht dargestellter Weise versilbert oder mit einer Silberschicht versehen sein, damit Verbindungen mit geringen Übergangswiderständen möglich sind.

Es ergibt sich so ein leicht herstellbarer beheizter
Festelektrolyt -Sauerstoffsensor. Der Sensor enthält
einen allgemein ebenen Heizer if6, der auf einem rohrförmigen Referenzelektrodenanschluß 1lf in der erforderlichen Stellung normal zur Längsachse des Anschlusses und parallel zu einem allgemein ebenen Festelektrolyt. -Element
12 in einem zylindrischen Mantel oder Gehäuse 10 gehalten wird. Heizer und Elektrodenanschluß bilden eine V_ormontage- oder Untereinheit, die einfach konzentrisch mit dem ebenen Festelektrolyt. -Element und dem zylindrischen Mantel oder Gehäuse zusammengebaut werden kann.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche :

IJ Galvanischer Abgassensor not einem Festelektrolyt -Element, einem Heizer in Vormontageeinheit mit einem mit einem Außenflansch versehenen Anschluß für eine Referenzelektrode an dem Elektrolyt :-Element, mit einem das Element und die aus Heizer und Anschluß bestehende Untereinheit umgebenden, mit einem nach innen gerichteten Flansch versehenen rohrförmigen Metallmantel und mit einer mit den Flanschen zum Zusammenhalten des Elementes, der aus Heizer und Anschluß bestehenden Untereinheit und des Mantels in einer vorbestimmten festen koaxialen Beziehung zueinander zusammenwirkenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Festelektrolyt -Element (12) eine Scheibe ist, daß die Referenzelektrode (18) eine im wesentlichen flache Oberfläche der Scheibe ist und daß der Heizer (16) ein Widerstandsheizelement mit einer im wesentlichen flachen Heizfläche besitzt und daß der Elektrodenanschluß (1^) das Heizelement und mindestens einen diskreten Y/iderstandselement-

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anschluß (64) in einer Untereinheit mit fester vorbestimmter axialer Ausrichtung und festen Abständen in bezug auf den Elektrodenanschluß abstützt und eine Ausrichtung und Abstandhaltung der Scheiben und der Elementflächen parallel zueinander und senkrecht zur Längsachse des Sensors nach dem Zusammenbau der Scheibe und der aus Heizer und Anschluß bestehenden Untereinheit mit dein Mantel bewirkt,
2. Abgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn ζ eich net, daß der Elektrodenanschluß ein mit einem nach außen gewendeten Mansch versehener rohrförmiger Anschluß (1^) ist, der konzentrisch mit der Referenzelektrode(18) an dem Elektrolyt -Element (12) liegt und daß das Heizelement (16) an dem Elektrodenanschluß in fester vorbestimmter Anordnung längs der Längsachse mit senkrechter Stellung der ebenen Heizfläche zur Längsachse des Elektrodenanschlusses abgestützt ist, so daß die koaxiale Anordnung der Elektrolyt -Scheibe, der aus Heizer und Anschluß bestehenden Untereinheit und des Mantels (10) die Scheibe und die Eiernentflächen parallel zueinander ausrichtet und sie in einem festen vorbestimmten Abstand voneinander hält.
3. Abgassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß der diskrete Widerstandselementanschluß ein länglicher Heizelementanschluß (64) ist, der sich in Axialrichtung durch den rohrförmigen Elektrodenanschluß (14) erstreckt, daß eine elektrisch isolierende Einrichtung (70, 72.) zum Abstützen des Heizelementanschlusses an dem Elektrodenanschluß in einer festen Anordnung in bezug auf die Längsachse des Slektrodenanschlusses vorgesehen ist und daß einander benachbarte Enden der Anschlüsse zwischen sich das Y/iderstandsheizelement (16) abstützen.

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