DE3203200A1

DE3203200A1 - Zuendkerze mit sauerstoffsensor

Info

Publication number: DE3203200A1
Application number: DE19823203200
Authority: DE
Inventors: Bodo Ziegler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1982-01-30
Filing date: 1982-01-30
Publication date: 1983-08-04
Also published as: JPS58140986A; DE3203200C2; IT1193634B; CH659919A5; FR2520943B1; IT8319315A0; FR2520943A1; JPH0531276B2

Description

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19. 1 .1982 Zr/Kc

ROBEBT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Zündkerze mit Sauerstoffsensor
Stand der Technik

• Die Erfindung geht aus von einer Zündkerze mit Sauerstoff sensor nach der' Gattung des Hauptanspruchs. Aus der DE-OS 30 28 359 ist schon eine Zündkerze bekannt, bei der im Isolator-Fuß ein Sauerstoffsensor angebracht ist; der Sauerstoffsensor ist dabei auf der Außenseite des Isolator-Fußes in einem Sackloch derart angeordnet,

-^ daß sich die einzelnen Elemente (Elektroden, Festelektrolyt usw.) in dem Sackloch übereinander befinden. Die elektrischen Zuleitungen zu den Elektroden des Sauerstoffsensors werden durch während eines Gummipreßvorganges hergestellte, lange Durchgangskanäle geführt und als Platinsuspension eingebracht. Die Herstellung derartiger Sauerstoffsensoren im Isolator-Fuß einer Zündkerze ist sehr teuer und weist erhebliche Fertigungsrisiken auf.

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Als Sauers toffsensoren sind insbesondere solche für diesen Zweck geeignet, die einen schichtförmigen, sauerstoff ionen-leitenden Festelektrolyten aufweisen und nach dem potentiometrischen Prinzip arbeiten, es sind aber auch solche Sauerstoffsensoren hierfür geeignet, deren elektrischer Widerstand sich infolge der Gaszusammensetzung ändert. Beispiele derartiger Sauerstoffsensoren sind enthalten in den folgenden Veröffentlichungen: DE-OS 28 55 012, 29 09 201, 26 17 031, 28 26 515, DE-AS 26 51 160, DE-PS 19 5¹» 663, US-PS 3 56k, US-PS..k 007 435j bekannt sind auch bereits Sauerstoff sensoren mit sauerstoff ionen-leitendem Festelektrolyten, die elektrisch in Reihe geschaltet sind (US-PS 3 216 911).

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zündkerze mit Sauerstoffsensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie industriell einfach, fertigungssicher und kostengünstig hergestellt werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Zündkerze möglich; besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Sauerstoffsensor mit sauerstoffionen-leitendem, gasdurchlässigem Festelektrolyten hierbei verwendet wird und dieser schichtförmige Festelektrolyt die auf dem Isolator-Fuß der Zündkerze aufgebrachten, mit Abstand nebeneinander angeordneten, schichtförmigen Elektroden schützend überdeckt.

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Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 eine teilgeschnittene Teilansicht einer vergrößert dargestellten Zündkerze mit Sauerstoffsensor, Figur 2 einen Ausschnitt aus einer weiter vergrößerten Draufsicht auf einen in Abwicklung dargestellten Sauerstoffsensor nach Figur 1 und Figur .den Schnitt nach der Linie III/III durch den Sauerstoff-'sensor nach Figur 2.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in den Figuren 1, 2 · nd 3 dargestellte Zündkerze besitzt ein Metallgehäuse. 1 1 , das an seiner Außenseite als Befestigungsmittel 12 ein Einschraubgewinde aufweist und gemeinsam mit einem Schlüsselsechskant 13 zum Einbau in einen (nicht dargestellten) Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf dient; dieses Metallgehäuse 11 umfaßt mit seiner Innenbohrung 1U einen Großteil eines im wesentlichen rohrförmigen Elektroisolators . 15· Die zündseitige Stirnfläche 16 dieses Metallgehäuses 11 trägt eine hakenförmige Masseelektrode 17· Auf die Darstellung eines Dichtringes für den Einbau der Zündkerze 10 in den nicht dargestellten Brennkraftmaschinen-Zylinder kopf wurde verzichtet.

Der Elektroisolator 15, der in bekannter Weise im wesentlichen aus Aluminiumoxid bestehen kann, hat an seiner Außenseite Schultern 18 und 19» auf denen die Dichtringe 20a und ?0b aufliegen. Unter Zwischenschaltung dieser

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Dichtringe 20a und 20b ist der Elektroisolator 15 in das Metallgehäuse 11 eingebördelt; mittels des bekannten Warmschrumpfverfahrens, das am Metallgehäuse 11 am balligen Schrumpfbereich 21 erkennbar ist, ist die Abdichtung zwischen Elektroisolator 15 und Metallgehäuse 11 sichergestellt.

In der nicht dargestellten Längsbohrung des Elektroisolators 15 befindet sich ein Anschlußbolzen (nicht dargestellt) und eine aus dem zündseitigen Endabschnitt . des Elektroisolators 15 herausragende Mittelelektrode 22, welche mittels einer nicht dargestellten, elektrisch leitfähigen, an sich bekannten Dichtungsmasse innerhalb der Elektroisolator-Längsbohrung miteinander leitend verbunden sind. Die Mittelelektrode 22 steht mit ihrem zündseitigen Endabschnitt der Masseelektrode 17 mit Abstand (z. B. 0,8 mm) gegenüber. Der aus dem Elektroisolator 15 anschlußseits herausragende Abschnitt des nicht dargestellten Anschlußbolzens ist mit einer Anschlußmutter 23 versehen. Der aus dem Metallgehäuse 11 anschlußseits herausragenden Abschnitt des Elektroisolators 15 besitzt als Kriechstrombarriere zwischen dem Metallgehäuse 11 und der Anschlußmutter 23 mehrere koaxiale Ringnuten 2k.

Auf dem dem Brennraum der Brennkraftmaschine ausgesetzten Bereich des Elektroisolators 15, dem sogenannten Isolator Fuß 15', ist ein Sauerstoff sensor 2,5 aufgebracht,, welcher sich aus schichtförmigen Elementen zusammensetzt und sich bevorzugt in demjenigen Bereich des Isolator-Fußes 15' befindet, der dem zündungsseitigen Dichtbereich zwischen Elektroisolator 15 und Metallgehäuse 11 naheliegt. Der Sauerstoffsensor 25 ist ringförmig auf derjenigen Oberfläche des Isolator-Fußes 15' aufgebracht, welche der

nicht dargestellten Längsbohrung des Elektroisolators abgewendet ist; es sei erwähnt, daß anstelle einer ringförmigen Gestaltung auch solche Sauerstoffsensoren hier Verwendung finden können, die nur einen Teil des Umfanges vom Isolator-Fuß 15' einnehmen. Die elektrische Verbindung des Sauerstoffsensors 25 zum anschlußseitigen, aus dem Metallgehäuse 11 herausragenden Abschnitts des Elektroisolators 15 erfolgt über Leiterbahnen 26 und 27 > deren anschlußseitige .Enden als Anschlußmittel 28 und in Form von Metallschichten ausgebildet sind. Zur elektrischen Isolierung zwischen diesen Leiterbahnen 26, 27 lind dem Metallgehäuse 11 ist auf die Leiterbahnen 26, 27 eine Elektroisolierschicht 30 aufgebracht. Um ein lagerichtiges Aufstecken eines nicht dargestellten Anschlußsteckers zu gewäh leisten, der sowohl für die elektrische Verbindung zur Anschlußmutter 23 als auch zu den elektrischen Anschlußmitteln 28 und 29 für den Sauerstoffsensor 25 dient, ist an der Außenseite des Metallgehäuses 11 eine Fixiernut 31 eingeformt, in die eine entsprechende (nicht dargestellte) Nase des nicht dargestellten Anschlußsteckers einzufügen ist.

Der bevorzugte, besonders aus den Figuren 2 und 3 er- ■ sichtliche Sauerstoffsensor 25 arbeitet nach dem bekannten Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit Sauerstoffionen leitendem Festelektrolyten 32. Ein solcher Festelektrolyt 32, aer beispielsweise aus stabilisiertem Zirkbndioxid bestehen kann, als 100 ,um dicke Schicht nach einem bekannten Verfahren wie z. B. Drucken auf den Isolator 15' aufgebracht ist, überdeckt die mit Abstand nebeneinander angeordneten Elektroden 33 und 3h. Auch diese Elektroden 33 und 3^ sind nach eineiu b kannten Verfahren, vorzugsweise durch Aufdrucken, auf den Isolator-Fuß 15' aufgebracht; diese

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Elektroden 33 und 3^ sind in bevorzugter Ausführungsform mit Kammzinken 33' und 3^¹ versehen, welche ineinander kämmen. Da beide Elektroden 33 und 3^ über die gasdurchlässige Festelektrolyt-Schicht 32 mit dem Meßgas in Verbindung stehen, ist eine der Elektroden 33 bzw. 3^ aus einem katalytisch nicht' bzw. wenig aktivem Material und die andere Elektrode 3h bzw. 33 aus einem katalytischen aktiveren Material hergestellt; als katalytisch aktives Material kann beispielsweise ein Platinmetall Verwendung finden und.als praktisch nicht katalysierend wirkendes Material ist beispielsweise Gold geeignet. Sowohl das Platinmetall bzw. das Gold der Elektroden 33 bzw. '3^ kann ein keramisches Stützgerüst enthalten (nicht dargestellt), das beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen kann. Die Breite der etwa 10 ,um dicken Elektroden 33 und 31+ liegt bevorzugt im Bereich zwischen 100 bis 500 ,um und der Elektroden-Zwischenraum 35 liegt zumeist zwischen 100 ,um und 1,5 mm. Die an die Elektroden 33 und 3h angeschlossenen Leiterbahnen 26 und 27 bestehen aus fertigungstechnischen Gründen bevorzugt aus den gleichen Stoffen wie die Elektroden 33 und 3*+ selbst, können aber auch aus anderen, den Betriebsbea,nspruchungen standhaltenden Stoffen hergestellt werden. Die als elektrische Anschlußmittel 28 und 29 dienenden Metallschichten am anschlußseitigen Endabschnitt der Leiterbahnen 26 und 27 bestehen bevorzugt aus Platin, sind 0,1 mm dick und 1,5 mm breit und nicht von der Elektroisolierschicht 30 bedeckt; die Elektroisolierschicht 30, die von der Festelektrolyt-Schicht 32 etwas überlappt wird, besteht aus Aluminiumoxyd und hat eine Dicke von maximal 200 ,um. Die bevorzugte Dicke dieser Elektroisolierschicht 30 liegt zwischen 30 und 100 ,um, ist als beide Leiterbahnen 26 und 27 gemeinsam überdeckender Streifen'ausgebildet und kann auch durch ein bekanntes Verfahren

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wie Aufdrucken hergestellt sein; anstelle der streifenförmigen Ausführung der Elektroisolierschicht 30 ist aber auch ein den ganzen Umfang in diesem Bereich überdeckendes Beschichten nach bekannten Verfahren möglich (z. B. Aufwalzen, Aufspritzen). Eine solche, den Umfang des Elektroisolators umfassende Elektroisolierschicht 30 ist besonders angezeigt, wenn mehrere Sensoren 25 mit Leiterbahnen 26, 27 an der Zündkerze angebracht sind.

Obwohl die mit dem Sauerstoff sensor 25 beschriebene Zündkerze 10 die bevorzugte Ausführungsform darstellt, sind Abweichungen hiervon möglich: Die Elektroden und 3h müssen nicht mit Kammzinken 33' bzw. 3^' versehen sein, sondern können auc \ von anderer Konfiguration sein, im einfachsten Palj.= als zwei mit Abstand nebeneinander liegende Flächen. Auch kann die Festelektrolyt-Sciiicht 32 direkt auf dem Isolatorfuß 15' aufgebracht sein und die beiden Elektroden 33 und 3¹+ können auf dieser Festelektrolyt-Schicht 32 liegen; bei dieser. Anordnung ist es jedoch zweckmäßig, wenn die Elektroden dann in bekannter Weise von einer porösen, dünnen Elektroisolierschicht bedeckt sind. Es ist darüber hinaus auch möglich, daß mehrere nach dem potentiometrischen Meßprinzip arbeitende Sauerstoffsensoren 25 auf dem Isolator-Fuß 15' in Reihe geschaltet werden, und zwar, um ein stärkeres Meßsignal zu erhalten (siehe US-PS 3 216 Auch der Verlauf der Leiterbahnen 26 und 27 auf der Oberfläche des Elektroisolators 15 kann'nach dem jeweiligen Verwendungszweck variiert werden; anstelle der in der Figur 1 dargestellten Ausfuhrungsform mit zwei bis in den Anschlußbereich des Elektroisolators 15 führenden

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Leiterbahnen 26 und 27 ist auch eine Ausführungsform möglich, nach der nur eine Leiterbahn bis in diesen Bereich hineinführt und die andere Leiterbahn mit dem Metallgehäuse 11 elektrisch in Verbindung steht (z. B. als Klemmverbindung über den Dichtring_20b). Anstelle der Elektroisolierschicht 30 aus Aluminiumoxid kann auch eine Glasur verwendet werden (Blei-Boro-Silikatglas). Die als Metallschicht ausgeführten elektrischen Anschlußmittel 28 und 29 können ebenfalls dem Verwendungszweck angepaßt werden und beispielsweise auch als aufgelötete Flachstecker ausgebildet sein. Der Sauerstoffsensor 25 muß auch nicht unbedingt nach dem potentiometrischen Meßprinzip arbeiten, er kann auch nach dem polarographischen Meßprinzip arbeiten, bei dem an die Elektroden eine Gleichspannung angelegt wird und auf der Meßelektrode in bekannter Weise eine Diffusionsbarriere für Sauerstoffmoleküle aufgebracht ist; in den vorstehend beschriebenen Beispielen von Sauerstoffsensoren kann entweder die gasdurchlässige Festelektrolyt-Schicht 32 oder auch - bei Anordnung der Elektroden auf der Festelektrolyt-Schicht - die erwähnte poröse Elektroisolierschicht als Diffusionsbarriere eingestellt sein. Gut geeignet ist aber auch ein Sauerstoffsensor 25, der nach dem Widerstandsmeßprinzip arbeitet und ein auf den Sauerstoffgehalt des Meßgases ansprechendes Element besitzt. - Die Schichten des Sauerstoffsensors 25» die Leiterbahnen 26, 27 und auch die Elektroisolierschicht 30 werden auf dem Elektroisolator 15 der Zündkerze 10 durch Sintern verfestigt.

Der auf der Zündkerze 10 aufgebrachte Sauerstoffsensor 25 kann aufgrund seiner vorteilhaften Bauform wirtschaftlich auf für die Massenproduktion geeigneten Fertigungseinrichtungen hergestellt werden und kann sowohl für Meßzwecke als auch zum Steuern von Vorgängen. im Brennraum von Brennkraftmaschinen dienen.

Claims

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ROBERT BOSCH GMBH, JOOO Stuttgart 1

Ansprüche

1 J Zündkerze für Brennkraftmaschinen, mit einem in den Brennraum ragenden, kerr mischen Elektroisolator, der von einem auf seiner Au£ mseite mit Befestigungsmitteln und zündungsseits mit einer Masseelektrode versehenen Metallgehäuse fest und dicht umringt ist, in seiner axial verlaufenden Längsbohrung anschlußseits einen Ansahlußbolzen und zündungsseits eine elektrisch mit dem Anschlußbolzen verbundene Mittelelektrode enthält und dessen dem Brennraum ausgesetzter Isolator-Fuß einen Sauerstoffsensor besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffsensor (25) schichtförmig auf der der Elektroisolator-Längsbohrung abgewendeten Oberfläche des Isolator-Fußes (15') angeordnet ist und mit dem anschlußseitigen Bereich des Klektroisolators (1"5) über Leiterbahnen (26, 27) verbunden ist, welche auf der der Elektroisolator-T.äiigsbohrung abgewendeten Oberfläche des Elektroisolr-tors (15) entlangführen und von einer Elektroisolierschicht (30) abgedeckt sind, die im wesentlichen nur die elektrischen Anschlußmittel (28, 29) unbedeckt läßt.
2. Zündkerze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffsensor (25) einen schichtförmigen, sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten (32) aufweist .
3. Zündkerze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (33, 3h) des Sauerstoffsensors (25) auf der Oberfläche des Elektroisolators (15) mit Abstand zueinander angeordnet sind und daß die auf den Elektroden (33, 3¹O liegende Festelektrolytschicht (32) beide Elektroden (33, 3¹O überdeckt und gasdurchlässig ist.

U. Zündkerze nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoffsensor (25) in demjenigen Bereich des Isolator-Fußes (15') angeordnet ist, der dem zündungsseitigen Dichtring (20b) zwischen Elektroisolator (15) und Metallgehäuse (11) naheliegt.