DE3416948A1

DE3416948A1 - Sauerstoffsensor mit heizeinrichtung

Info

Publication number: DE3416948A1
Application number: DE19843416948
Authority: DE
Inventors: Nobuhide Ama Aichi Kato; Takao Konan Aichi Murase
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1983-05-09
Filing date: 1984-05-08
Publication date: 1984-11-15
Also published as: DE3416948C2; US4578174A

Description

TeDTKE-BüHLING- KlNNE -GbW£ .-.:- ASSeM If-

Pellmann - Grams - S^" " ^l'"' SS^2H£ ^Γ

Dipl.-Ing. R. Kinne 3416948 Dipl.-lng.RGrupe

⁵ Dipl.-Ing. B. Pellmann

Dipl.-Ing. K. Grams Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 20240 8000 München 2

Tel.: 0 89-539653 NGK Insulators, Ltd. Telex: 5-24845 tipat

Telecopier: 0 89-537377

Nagoya-Shi, Japan cable: Germaniapatent Münchei

8. Mai 1984

DE 3908 / case N 4311 D

Sauerstoffsensor mit Heizeinrichtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sauerstoffsensor zur Erfassung der im Abgas einer Brennkraftmaschine enthaltenen Sauerstoffkonzentration. Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen Sauerstoffsensor, der mit einer stabförmigen Heizeinrichtung versehen ist, die in einer in einem rohrförmigen Festelektrolytkörper angeordneten Längsbohjung angeordnet ist.

Zum Steuern des Luft-Kraftstoff-Verhältnises einer Brennkraftmaschine für Kraftfahrzeuge und andere Anwendungszwecke ist es bekannt, einen Sauerstoffsensor einzusetzen, bei dem eine Masse aus Zirkondioxid oder einem anderen Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyt Verwendung findet, um den Sauerstoffgehalt bzw. die Sauerstoffkonzentration in dem von der Brennkraftmaschine erzeugten Abgas nach dem Prinzip einer Sauerstoffkonzentrationszelle zu ermitteln. Beispielsweise findet bei einem derartigen Sauerstoffsensor ein Festelektrolytkörper aus Zirkondioxid Verwendung, der an seiner Innen- und Aussenflächc jeweils mit einer porösen Platinelektrode versehen ist.

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Bayer. Vereinsbank (Munnhen) KIo. 508 941 Postscheck (München) Kto 670 .

Die auf der eine Innere Längsbohrung im Zirkondioxidkörper begrenzenden Innenfläche vorgesehene Elektrode ist der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt und dient als Referenzelektrode. (Anode), welche einem Referenzgas ausgesetzt ist, dessen Sauerstoffkonzentration bekannt ist. Die auf der Aussenfläche des Zirkondioxidkörpers vorgesehene Elektrode ist dem zu messenden Abgas ausgesetzt, so daß-die Elektrode als Meßelektrode (Kathode) zur Überwachung des Sauerstoffgehaltes des, Abgases dient. Dieser Sauerstoffsensor mißt die Sauerstoffkonzentration im Abgas durch Messen einer elektromotorischen Kraft, die in Abhängigkeit von einer Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Referenz-■ elektrode und der Meßelektrode induziert wird.

Diese induzierte elektromotorische Kraft ist jedoch unbeständig, bis der Festelektrolyt auf eine bestimmte Temperatur erhitzt worden ist. Der vorstehend beschriebene Sauerstoffsensor weist daher den Nachteil auf, daß hiermit eine genaue Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses der Brennkraftmaschine bei einer relativ niedrigen Temperatur des Abgases derselben, beispielsweise wenn sich die Brennkraftmaschine im Leerlauf befindet oder unmittelbar nach dem Kaltstart der Maschine, nicht möglich ist.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, hat man bereits vorgeschlagen, den Festelektrolytkörper zu erhitzen, indem man eine Heizeinrichtung in ein im Elektrolytkörper ausgebildetes längliches zylindrisches Loch eingesetzt hat. Beispielsweise ist in der 1979 offengelegten japanischen Patentanmeldung 54-13396 eine Heizeinrichtung beschrieben, die aus einom Isolationsstab und einem Heizdraht (Widerstandsdraht) besteht, der um die Ober-

fläche des Isolationsstabes gewickelt ist. Ferner ist in der 1979 offengelegten japanischen Patentanmeldung 54-22894 eine sogenannte geschützte Heizeinrichtung beschrieben, bei der ein Widerstandsspulendraht Verwendung findet, der in einer Metallhülse angeordnet ist, welche mit einem pulverförmigen elektrischen Isolationsmaterial hoher thermischer Leitfähigkeit gefüllt ist, um den Spulendraht in der Metallhülse zu befestigen.

Derartige, mit einer Heizvorrichtung versehene Sauerstoffsensoren sind jedoch insofern nachteilig, als daß ihr Festelektrolyt einer übermäßigen Hitze ausgesetzt ist, wenn die Temperatur des Abgases einer Brennkraft-■ maschine ansteigt, so daß die porösen Platinelektroden zum Sintern neigen, was zu einem reduzierten Ansprechvermögen der Meßelektrode oder zur Rissebildung in bzw. zum Abblättern einer die Elektroden schützenden Spinel-Überzugsschicht führt. Ferner ist die Heizeinrichtung in Folge ihrer Selbsterhitzung und der Erhitzung durch das Abgas einer übermäßig hohen Temperatur ausgesetzt, was zu Brüchen des inneren Widerstandsdrahtes führt.

Wenn man andererseits versucht, die Uärmeerzeugzeugung der Heizeinrichtung zu beschränken und dadurch die vorstehend erwähnten Nachteile zu reduzieren, tritt ein anderer Nachteil einer unzureichenden Erhitzung des Festelektrolyten auf, während das Abgas eine niedrige Temperatur besitzt, oder es ist eine unerwünschte zusätzliche Zeitdauer zur Erhitzung des Festelektrolyten nach dem Start der Brennkraftmaschine erforderlich, bevor die vom Sensor Induzierte elektromotorische Kraft ein Niveau erreicht, das eine genaue Erfassung der Sauerstoffkonzentration möglich macht.

Der vorstehend erwähnte Nachteil einer unzureichenden Erhitzung des Festelektrolyten ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Batteriespannung zum Betreiben der Heizeinrichtung niedrig ist, d.h. unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine oder beim Laufen der Brennkraftmaschine im kalten Zustand. Wenn andererseits die Batteriespannung zusammen mit der Motordrehzahl ansteigt, erhöht sich die*Temperatur des Abgases. Dadurch wird der vorstehend erwähnte Nachteil einer übe-rmäßigen Erhitzung des Festelektrolyten verstärkt.

Bei den herkömmlich ausgebildeten Sauerstoffsensoren ist die Heizeinrichtung in einfacher Weise in ein in Festelektrolyten ausgebildetes Loch eingesetzt. Mit anderen Worten, hierbei wurde der Lage eines Heizelementes oder eines Widerstandes, beispielsweise eines IJidcrstandsdrahtes oder einer Spule, relativ zum Festelektrolyt zur Erzielung einer wirksamen und geeigneten Heizung des Elektrolyten keine Beachtung geschenkt. Man kann ferner feststellen, daß normalerweise ein relativ großer Spalt zwischen dem Festelektrolyten und der Heizeinrichtung vorgesehen ist, so daß die als Referenzluft verwendete Umgebungsluft in einer Bohrung oder einem Loch im Festelektrolytkörper gut zirkulieren kann. Da dieser Spalt -als thermische Barriere gegenüber einer Wärmeübertragung von der Heizeinrichtung auf den Festelektrolyten wirkt, ist die Erhitzung des Elektrolyten unzureichend, wenn die Temperatur des Abgases niedrig ist. Wenn man zur Vermeidung dieses Nachteils ein Heizelement einsetzt, das eine größere Leistung besitzt, führt dies zu dem vorstehend erwähnten Problem einer übermäßigen Erhitzung des Festelektrolyten, wenn das Abgas auf ein entsprechendes Maß erhitzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Sauerstoffsensor mit einer in eine Längsbohrung, die in einem Körper eines Festclektrolyten ausgebildet ist, eingesetzten Heizeinrichtung zu schaffen, die selbst bei schwankenden Umgebungsbedingungen einen dauerhaften und zuverlässigen Betrieb ermöglicht.

Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung eines Sauerstoffsensors mit einer verbesserten Heize inrichtung, die selbst dann weniger Zeit zur ausreichenden Erhitzung des Festelektrolyten benötigt, wenn die Temperatur eines zu übe-rwachenden Abgases relativ niedrig ist, und die . selbst dann, wenn die Temperatur des Abgases relativ hoch ist, sich selbst und den Festelektrolyten gegen Überhitzen schützt.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sauerstoffsensor gelöst, der die nachfolgenden Bestandteile umfasst: Einen rohrförmigen Festelektrolytkörper mit einer Längsbohrung, die an einem Ende des rohrförmigen Festelektrolytkörpers geschlossen und am anderen Ende offen ist, und mit einer Referenz- und einer Meßelektrode auf einer Innen- und einer Aussenfläche des Kö.rpers; ein Gehäuse, das den Festelektrolytkörper derart lagert, daß dessen Aussenfläche am geschlossenen Ende dem Abgas ausgesetzt ist und daß die Längsbohrung im rohrförmigen Festelektrolytkörper in einem gasdichten Zustand relativ zu dem Abgas gehalten wird; und eine stabförmige Heizeinrichtung, die in die Längsbohrung des rohrförmigen Festelektrolytkörpers eingesetzt ist. Die stabförmige Heizeinrichtung besitzt einen Heinzwiderstand mit einem positiven Tcnperaturkoeffizienten und einen Keramikkörper, der den Heizwiderstand trägt, so daß dieser eingebettet wird.

Bei dem vorstehend beschriebenen Sauerstoffsensor, bei dem der vom Keramikkörper getragene und geschützte Heizwiderstand einen positiven Temperaturkoeffizien.ten besitzt, stellt die Heizeinrichtung eine relativ große Wärmemenge zur Verfügung, wenn die Temperatur des Abgases vergleichsweise gering ist, liefert jedoch nur eine relativ kleine Wärmemenge, wenn die Abgastemperatur vergleichsweise hoch ist, so daß der-Festelektrolyt innerhalb einer kurzen Zeitspanne nach dem Beginn der Temperaturerhöhung des Abgases auf ein ausreichendes Niveau erhitzt wird und die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung des Festelektrolyten und des HeiζWiderstandes selbst dann geringer ist, wenn der Sensor dem Abgas mit hoher Temperatur ausgesetzt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der positive Temperaturkoeffizient des Heizwiderstandes nicht unter 0,3% /⁰C. Dadurch läßt sich die Erfindung besonders wirksam verwirklichen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Heizwiderstand in einem Abschnitt des Keramikkörpers benachbart zu einem Abschnitt des Festelektrolytkörpers angeordnet, der aus dem Lagergehäuse in das Schutzrohr vor-steht. Bei dieser Ausführungsform wird die Erhitzung des Festelektrolyten weiter optimiert.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der gesamte diametrale Spalt zwischen der'Heizeinrichtung und der Innenfläche des rohrförmigen Festelektrolytkörpers in einem üercich von 0,3 0,7 mm gehalten. Dieser Bereich des Luftspaltes wird als vorteilhaft angesehen, da hierdurch ein Kompromiß zwischen zwei funktioneilen Phasen des Luftspaltes go-

schlossen werden kann, d.h. dem Einfluß des Luftspaltes als thermischer Widerstand oder Barriere, die eine Wärmeübertragung von der Heizeinrichtung auf den Festelektrolyt verhindert, und andererseits der Funktion des Luft-Spaltes als Raum zur Einführung des Referenzgases in Richtung auf die Referenzelektrode auf der Innenfläche des Festelektrolyten.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die stabförmige Heizeinrichtung mindestens einen Belüftungskanal, der eine freie Umwälzung der Umgebungsluft in der Längsbohrung ermöglicht, damit .die Referenzgaselektrode regelmäßig neuen Volumina an Umgebungsluft ausgesetzt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Figur la pinen Schnitt durch eine Ausführungsform

eines mit einer Heizeinrichtung versehenen Sauerstoffsensors;

Figur Ib einen vergrößerten Teilschnitt durch einen Abschnitt A eines rohrförmigen Festelektro

lytkörpers des in Figur la dargestellten Sauerstoffsensors;

Figur 2 eine teilweise im Schnitt geführte schema-. tische Darstellung einer Ausführungsform

einer bei dem Sauerstoffsensor der Figur la verwendeten stabförmigen Heizeinrichtung;

Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines bei dem

Sauerstoffsensor der Figur la verwendeten Metallschutzrohres;

Figur 4

eine grafische Darstellung einer Festelektrolyttemperatur in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Sauerstoffsensor und bei einem Sauerstoffsensor nach dem Stand der Technik;

Figur 5 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform eines Sauerstoffsensors;

Figur 6 eine schematische Darstellung der in dem Sauerstoffsensor der Figur 5 verwendeten stabförmigen Heizeinrichtung;

Figur 7 eine grafische Darstellung einer Festelektrolyttemperatur in Abhängigkeit von einer Abgastemperatur der Sauestoffsensoren der Figuren 5 und 6, deren stabförmige Heizeinrich'tungen ein Heizelement (Heizwider- · stand) aufweisen, das sich in Axialrichtung

der Heizeinrichtung in unterschiedlichen Positionen befindet;

Figur 8 eine grafische Darstellung, die den Anstieg der von den Sauerstoffsensoren der Figur 7

induzierten elektromotorischen Kraft in Abhängigkeit von der Laufzeit eines im kalten Zustand gestarteten Motors zeigt;

Figur 9

eine grafische Darstellung, die die Temperatur am Kontaktpunkt zwischen einem mittleren Leiter und dem Festelektrolyten in

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Abhängigkeit von der Abgastemperatur bei den Sauerstoffsensoren der Figuren 7 und 8 zeigt;

Figur 10 eine perspektivische Ansicht einer modifi-

fizierten Ausführungsform einer stabförmigen Heizeinrichtung, die bei dem Sauerstoffsensor anstelle der Heizeinrichtungen der Figuren 2 und 6 Verwendung finden kann;

' und

die Figuren 11, 12 und 13

perspektivische Ansichten von anderen Ausführungsformen von stabförmigen Heizein- richtungen, die anstelle der Heizeinrich

tung der Figur 11 Verwendung finden können.

In den Figuren 1 - A ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sauerstoffsensors gezeigt, mit der ein rohrförmiger Festelektrolytkörper 1 aus beispielsweise Zirkondioxid durch ein Gehäuse 2 gelagert wird. Der rohrförmige Festelektrolytkörper 1 besitzt eine zylindrische Längsbohrung la, die sich in Längsrichtung des Körpers 1 erstreckt. Die Längsbohrung la ist an einem Ende des Körpers 1, das einem durch eine Abgasleitung (nicht gezeigt) abgegebenen Abgas, beispielsweise einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges ausgesetzt ist, geschlossen. Die Längsbohrunq la ist am anderen Ende des rohrförmigen Festelektrolytkörpers zur umgebenden Atmosphäre hin offen, welche als Referenzgas genutzt wird. Der rohrförmige Feste.lektrolytkörper 1 ist an seiner Innenfläche mit einer Referenzelektrode Ib und an seiner Aussenfläche mit einer Meßelektrode Ic versehen, wie in Figur Ib gezeigt.

Beide Elektroden Ib und Ic bestehen aus porösem Platin (Pt). Der Festelektrolytkörper 1 ist im Gehäuse 2 über Talk 3, eine Metallscheibe 4 und einen Metallring 5 gehaltert und abgedich-tet, so daß die Längsbohrung la relativ zum Abgas in einem gasdichten Zustand gehalten wird und sich die umgebende Atmosphäre (Luft) und das Abgas nicht vermischen. In die Längsbohrung la ist eine stabförmige Heizeinrichtung 6 eingesetzt, die zum Erhitzen des rohrförmigen Festelektrolytkörpers 1 dient* Der geschlossene Endabschnitt des Körpers 1 ist von einem Metallschutzrohr 7 umgeben, das den geschlossenen Endabschnitt gegen das direkte Auftreffen eines Abgasstromes schützt, der sich durch die Abgasleitung bewegt. Das Metallschutzrohr 7 ist an seinem oberen Ende am unteren Ende des Gehäuses 2 befestigt und besitzt in seiner Umfangswand rinnenförmige Öffnungen 12, damit das Abgas in das Innere des Rohres 7 eingeführt und der untere oder geschlossene Endabschnitt des Elektrolytkörpers 1 dem Abgas ausgesetzt werden kann. Diese Öffnungen 12 werden dadurch hergestellt, daß Teile der Umfangswand eingeschnitten und diese Teile in Radialrichtung des Schutzrohres 7 einwärts gebogen werden, so daß jalousieartige Platten 11 gebildet werden, wie in Figur 3 gezeigt.

Die stabförmige Heizeinrichtung 6, die in die Längsbohrung la des rohrförmigen Festelektrolytkörpers 1 eingesetzt ist, wie in Figur la gezeigt, umfasst einen Keramikkörper 8, der aus einem Keramikmaterial, wie 'beispielsweise Aluminiumoxid, besteht, Leitungsdrähte 9 und einen Heizwiderstand in der Form eines Widerstandsdrahtes, der bei diesem speziellen Beispiels aus Wolfram besteht.

Die Leitungsdrähte 9 und der Heizwiderstand oder Widerstanddraht 10 werden von dem Keramikkörper 8 getragen und. sind genauer gesagt in die Masse dieses Körpers eingebettet. In der nachfolgenden Beschreibung wird die stabförmige Heizeinrichtung 6 als keramische Heizeinrichtung bezeichnet, falls dies angebracht sein sollte.

Der bei dieser stabförmigen keramischen Heizeinrichtung 6 verwendete Widerstandsdraht 10 aus Wolfram besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten von 0,5% /⁰C. Durch die Auswahl dieses positiven Temperaturkoeffizienten wird der Widerstand des Wolframdrahtes 10 erhöht und sein Warmeerzeugungsvermogen verringert, wenn die Temperatur des Abgases ansteigt, so daß eine mögliche Überhitzung des Festelektrolyten und des Heizelementes bei einer erhöhten Temperatur des Abgases verhindert wird. Wenn andererseits die Abgastemperatur relativ niedrig ist, wird der Widerstand des Wolframdrahtes 10 niedrig gehalten und dessen Wärmeerzeugungsvermögen erhöht, so daß es auf diese Weise möglich wird, die Temperatur des Festelektrolyten 1 bis auf ein Niveau zu erhöhen, auf dem in einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne nach dem Kaltstart des Fahrzeugmotors von Elektroden Ib, Ic eine genaue elektromotorische Kraft induziert wird, oder möglich wird, den Festelektrolyten 1 in ausreichender Weise zu erhitzen, während sich der Motor im Leerlauf befindet.

In Figur 4 ist die Temperatur T_ (⁰C) des Festelektrolyten 1 in Abhängigkeit von der Temperatur T- (⁰C) des Abgases dargestellt, wobei die Kurve (a) die Beziehung zwischen den Temperaturen Tg und T„ der keramischen Heizeinrichtung des vorstehend beschriebenen Sauerstoffsensors und die Kurve (b) die gleiche Beziehung bei einer bekannten geschützten Heizeinrichtung wiedergibt,

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bei der ein Nichrom-Draht Verwendung findet, der derart ausgebildet ist, daß die Zeitspanne vom Kaltstart des Motors bis zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft durch den Sensor mit der geschützten Heizeinrichtung im wesentlichen der des Sauerstoffsensors der Erfindung entspricht. Bei einer Abgastemperatur von 800⁰C beträgt die Temperatur des durch die erfindungsgemäß ausgebildete keramische Heizeinrichtung 6 erhitzten Festelektrolyten 1 800⁰C, wie durch die Kurve (a) gezeigt, während die Temperatur eines von der bekannten geschützten Heizeinrichtung erhitzten Festelektrolyten 95O⁰C beträgt, wie durch die Kurve (b) gezeigt. Das Diagramm verdeutlicht eine geringere Erhitzung des Elektrolyten durch die keramische Heizeinrichtung 6 und somit eine reduzierte Möglichkeit der Überhitzung des Elektrolyten, wenn die Abgastemperatu. Ί„ relativ hoch ist.

Es wurden an dem Sauerstoffsensor der Erfindung und dem bekannten Sauerstoffsensor, der bei den Messungen

der Figur 4 eingesetzt wurde, Untersuchtungen durchgeführt, um das Ausssehen bzw. die Erscheinungsform der Festelektrolyten und die physikalischen Bedingungen der Heizeinrichtungen zu prüfen, nachdem diese Sensoren 300 Stunden lang bei einer Abgastemperatur von 800⁰C kontinuierlich in Betrieb waren. Der bekannte Sensor zeigte einige Risse in einer Spinel-Überzugsschicht, die auf die Aussenfläche des Festelektolytkörpers aufgebracht war. Ferner waren 70% des Widerstandsdrahtes der geschützten Heizeinrichtung gebrochen. Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Sauerstoffsensor konnten weder derartige Risse noch Brüche festgestellt werden.

Wie vorstehend er läutert, besitzt somit die keramische Heizeinrichtung 6, bei der der Widerstandsdraht 10 mit einem positiven Temperaturkoeffizienten Verwendung findet, ein relativ niedriges Widerstandsniveau des Heizelementes bei niedrigen Abgastemperaturen und somit ein erhöhtes Wärmeerzeugungsvermögen des Heizelementes, wodurch eine rasche Erhitzung des Festelektrolyten und somit eine frühere Erzeugung einer elektromotorischen Kraft durch den Sensor möglich ist. Dieser Vorteil wird beispielsweise unmittelbar nach dem Start einer kalten Brennkraftmaschine oder dann, wenn sich die Brennkraftmaschine im Leerlauf befindet, erhalten. Im Gegensatz dazu bewirkt ein Anstieg der ABgastemperatur auf ein beträchtlich höheres Niveau einen beträchtlichen Anstieg des Widerstandes des Heizelementes 10. Beispielsweise ist der Widerstand 800⁰C etwa 5 mal so groß wie der bei Raumtemperatur. Die Möglichkeit einer Überhitzung des Festelektrolytkorpers 1 und der Heizeinrichtung 6 wird somit minimal gehalten. Ein positiver Temperaturkoeffizient des Heizelementes 10 ist somit in bezug auf das Wärmere gulierungs- oder Steuerungsvermögen der Heizeinrichtung 6 von besonderer Bedeutung. In dem Fall, in dem der Sauerstoffsensor bei einer Brennkraftmaschine Verwendung findet, sollte der positive Temperaturkoeffizient des Heizelementes 10 vorzugsweise nicht unter 0,3%/ ⁰C liegen. Dieser Koeffizient, der einen positiven Wert annehmen sollte, wird durch Auswahl der Typen und/oder Materialien der Heizelemente oder Widerstände 10 je nach Bedarf festgelegt.

Darüberhinaus sichert der Keramikkörper 8, der den Widerstandsdraht 10 trägt und umgibt, einen äußerst zuverlässigen Betrieb der stabförmigen Heizeinrichtung 6 hei extrem hohen Temperaturen über verlängerte Zeiträume,

selbst unter Bedingungen von häufigen thermischen Schockeinwirkungen.

Während bei der keramischen Heizeinrichtung 6 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein Widerstandsdraht 10 Verwendung findet, der in den Keramikkörper 8 eingebettet ist, kann das erfindungsgemäß verwendete Heizelement auch in der Form eines einfachen linear verlaufenden Drahtes oder eines gewendelten Drahtes ausgebildet sein, solange wie der Draht von keramischem Material umschlossen ist. Der Widerstandsdraht kann auch aus anderen Metallen als Wolfram hergestellt sein, beispielsweise aus Nickel und Platin, wenn die Materialien ' einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen. Die Verwendung von Wolfram ist jedoch wegen der hohen Wärmefestigkeit und Haltbarkeit besonders zu empfehlen. Die keramische Heizeinrichtung 6 kann hergestellt werden, indem man eine geformte Masse aus keramischem Pulver oder einer Schlämmung mit einem in die Masse eingebetteten Heizdraht sintert. Der Keramikkörper 8 kann aus bekannten keramischen Materialien bestehen. Aluminiumoxid wird wegen seiner ausgezeichneten mechanischen Festigkeit und thermischen Leitfähigkeit besonders bevorzugt.

In den Figuren 5-9 ist eine andere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß ausgebildeten Sauerstoffsensors dargestellt. In diesen Figuren dienen gleiche Bezugsziffern wie in Figur la zur Bezeichnung . von entsprechenden Bestandteilen.

Bei dieser Ausführungsform findet eine stabförmige Heizeinrichtung 6a Verwendung, die eich von der Heizeinrichtung 6 der vorhergehenden Ausführungsform unterscheidet. Die auch als keramische Heizeinrich!: ng bezeichnete stabförmige Heizeinrichtung 6a ist in den rohrförmigen

Festelektrolytkörper 1 eingesetzt, wie in Figur 5 gezeigt, und zwar derart, daß sie sich durch einen mittleren Leiter 14 erstreckt, der an seinem unteren Ende mittelsPreßpassung im o.beren Ende des rohrförmigen Körpers 1 befestigt ist und in Preßkontakt mit der Platinelektrode (nicht gezeigt) gehalten wird, um eine durch den Festelektrolyten induzierte elektromotorische Kraft abzuleiten.

Die stabförmige keramische Heizeinrichtung 6a umfasst die folgenden Bestandteile: Einen Stab 16 aus Aluminiumoxid, einen Heizabschnitt (wärmeerzeugenden Abschnitt 18) und einen elektrisch leitenden Abschnitt 20, die beide .auf der Umfangsfläche des Aluminiumoxidstabes 16 ausgebildet und miteinander verbunden sind, und eine dünne ringförmige Lage aus Aluminiumoxid (nicht gezeigt), die um den Aluminiumoxidstab 16 gewickelt ist, um den Heizabschnitt 18 und den elektrisch leitenden Abschnitt 20 abzudecken. Der Aluminiumoxidstab 16 und die dünne ringförmige Lage.aus Aluminiumoxid bilden somit einen Keramikkörper, der denHeizabschnitt 18 und den elektrisch leitenden Abschnitt 20 trägt. Bei diesen Abschnitten handelt es sich um Aufdrucke eines elektrisch widerstandsfähigen Materials, das Wolfram als Hauptbestandteil aufweist.

Die Abschnitte.sind auf der Oberfläche des Aluminiumoxidstabes 16 durch Aufdrucken des Widerstandsmaterials in Pastenform ausgebildet. Der mit den Aufdrucken 18, 20, ^! die durch die dünne Aluminiumoxidlage abgedeckt sind, versehene Aluminiumoxidstab 16 wird dann zur Ausbildung der -stabförmigen keramischen Heizeinrichtung 6a gebrannt.

Die Heizeinrichtung 6a ist so audgebildet, daß ihr Heizabschnitt 18 innerhalb eines Abschnittes des rohrförmigen Körpers 1 (Längsbohrung la) angeordnet ist, der um eine Strecke 1 (in Figur 5 angedeutet) aus dem Gehäuse 2 in das Metallschutzrohr 7 vorsteht. Mit anderen Worten,

der Heizabschnitt 18 ist an einem unteren Endabschnitt des Aluminiumoxidstabes 16 benachbart zu dem nach unten vorstehenden Abschnitt 1 des rohrförmigen Festslektrolytkörpers 1 angeordnet. ·

Diese Ausführungsform eines Sauerstoffsensors mit der keramischen Heizeinrichtung 6a führte zu Ergebnissen, die denen der durch die Kurve (a) in Figur 4 der ersten Ausführungsform verdeutlichten Ergebnissen entsprachen. Wie vorher in Verbindung mit dem Heizelement 10 (Wi derstandsdraht) ausgeführt, sollte der Temperaturkoeffizient des Heizabschnittes 18 vorzugsweise nicht unter 0,3% /⁰C liegen. Dieser Koeffizient des Heizabschnittes • 18 kann durch geeignete Auswahl eines elektrischen Widerstandsmaterials , das zur Zubereitung einer Paste zum Aufdrucken des Heizabschnittes 18 auf dem Aluminiumoxidstab 16 verwendet wird, genauer gesagt, durch Auswahl von geeigneten Metallpulvern mit entsprechendem elektrischen Widerstand"und/oder durch Auswahl der mit den Metallpulvern zu vermischenden Menge an Glasfritte in geeigneter Weise eingestellt werden.

In Verbindung mit den Figuren 1-9 wird beschrieben, warum der Heizabschnitt 18 vorzugsweise innerhalb des Abschnittes 1· des Festelektrolytkörpers 1, der aus dem Gehäuse 2 vorsteht, vorgesehen sein sollte.

Der rohrförmige Körper 1 des Festelektrolyten wird sowohl durch das durch die rillenförmigen üffnungen(in Figur 5 nicht gezeigt) im Metallschutzrohr 7 eingeführte Abgas als auch durch .die stabförmige keramische Heizeinrichtung 6a erhitzt. Die Temperatur des Festelekurolyten wird selbst dann durch das Abgas in einem bestimmten Ausmaß erhöht, wenn die Abgas temperatur niodrig ist, d.h. während sich der Motor im Leerlauf bo-

findet oder kurz nach dem Kaltstart des Motors. Der Temperaturanstieg des Festelektrolyten durch die Wärmeenergie des Abgases ist am höchsten am geschlossenen Endabschnitt 1 des rohrförmigen Körpers 1, der aus dem Gehäuse 2 vorsteht.

Der Wirkungsgrad beim Erhitzen des Festelektrolyten durch den Heizabschnitt 18 wird beträchtlich verbessert, wenn der Heizabschnitt 18 innerhalb des nach unten vorstehenden Abschnittes 1 des Festelektrolytkörpers 1 angeordnet ist. Die Verbesserung des Heizwirkungsgrades ist insbesondere dann besonders augenscheinlich, wenn die Abgastemperatur relativ·niedrig ist.

Es wurden Untersuchungen an Sauerstoffsensoren durchgeführt, die keramische Heizeinrichtungen 6a aufwiesen, welche mit einem Heizabschnitt 18 der gleichen Leistung versehen waren, der jedoch an unterschiedlichen Stellen relativ zum rohrförmi'gen Körper 1 angeordnet war. Figur zeigt die Temperatur T_ (⁰C) des Festelektrolyten in Abhängigkeit von der Temperatur T₅ (⁰C) des Abgases. Die Kurven (c), (d), (e), (f) und (g) verdeutlichen die Temperaturverhältnisse der keramischen Heizeinrichtungen 6a, wenn ihre Heizabschnitte 18 (c) - (g) innerhalb eines Abschnittes des rohrförmigen Körpers 1 angeordnet sind, der den Strecken 1/2 1, 3/4 1, 1, 5/4 1 und 3/2 1 vom unteren Ende des Körpers 1 aus gemessen (Figur 5) entspricht. Wie aus Figur 7 hervorgeht, ist die Temperatur T_c des Festelektrolyten bei einer Abgastemperatur T₀ von -200 ⁰C beträchtlich niedriger, wenn die Heizabschnitte 18 (f) und (g) Verwendung finden als bei den Heizabschnitten 18 (c), (d) und (e). Mit anderen Worten, das obere Ende des Heizabschnittes 18 Ce), dessen Gesamtlänge der Gesamtdistanz (1) entspricht, wird als kritischer Punkt für eine wirksame Erhitzung des Festelektrolyten angesehen. Es wird angenommen, daß das relativ

niedrigere Niveau der Elektrolyttemperaturen Τ_ς, die mit den Heizabschnitten 18 (f) und (g) erhalten werden, aus einer leichteren oder größeren Wärmeübertragung vom Heizabschnitt 18 auf das Gehäuse 2 resultiert, wenn ein Abschnitt des Heizabschnittes 18 innerhalb des Gehäuses 2 angeordnet ist.

Weitere Untersuchungen wurden an den gleichen Sensoren 6a wie bei den Untersuchungen der Figur 7 durchgeführt, um eine Anstiegskurve der elektromagnetischen Kraft in Relation zu einer Zeitspanne nach dem Kaltstart des Motors aufzufinden. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Figur 8 dargestellt, wobei die Kurven (c) - (g) den . Kurven (c) - (g) der Figur 7 entsprechen. Wie aus Figur 8 hervorgeht, ist eine größere Zeitspanne erforderlich, bevor die induzierte elektromotorische Kraft ein stabilisiertes Niveau erreicht hat, wenn die Heizabschnitte 18 (f) und (g) verwendet werden. In dieser Hinsicht werden die Positionen der Heizabschnitte (c), (d) und (e) als zufriedenstellend angesehen. Diese Ergebnisse legen nahe, daß der im Gehäuse 2 angeordnete Abschnitt des rohrförmigen Festelektrolytkörpers 1 größere Schwierigkeiten hat, Wärmeenergie vom Abgas aufzunehmen, so daß es daher weniger wahrscheinlich ist, daß dieser Abschnitt selbst mit Hilfe der Heizeinrichtung 6a in einer kurzen Zeitdauer auf ein erforderliches Niveau erhitzt wird, das hoch genug ist, die Erzeugung einer stabilisierten elektromotorischen Kraft durch den Festelektrolyten sicherzustellen. Es ist daher in bezug auf eine wirksame Erhitzung des Festelektrolyten von Vorteil, den Heizabschnitt 18 so anzuordnen, daß nur der geschlossene Endabschnitt des rohrförmigen Körpers 1 erhitzt wird, der aus dem Gehäuse 2 vorsteht bzw. innerhalb des Metallschutzrohres 7 angeordnet ist.

Aus Figur 7 geht hervor, daß die Differenz der Elektrolyttemperatur T_ zwischen den Kurven (c) und (g) bei einer Abgastemperatur Tp von 200 ⁰C bis 240 ⁰C beträgt. Bei einer Abgastemperatur T_ von 800 ⁰C beträgt die entsprechende Differenz nur 40 ⁰C. Dies zeigt an, daß der vom Halsabschnitt 18 (c) erhitzte Festelektrolyt in einem stärkeren Ausmaß erhitzt wird, wenn die Abgastemperatur relativ niedrig ist, jedoch nicht so stark erhitzt wird, um ein Überhitzen des Festelektrolytkörpers 1 und der Heizeinrichtung 6a zu bewirken, wenn die Abgastemperatur hoch ist. Der Grund hierfür liegt in einer verstärkten Strömung des Abgases 10, wenn dessen Temperatur .hoch ist. Mit anderen Worten, ein vergleichsweise großes Volumen des Abgases trägt zur Kühlung des Fest- " elektrolyten bei.

Weitere Untersuchungen wurden an den gleichen Sauerstoffsensoren durchgeführt, um die Temperatur Te (⁰C) am Kontaktpunkt zwischen dem Festelektrolytkörper 1 und dem mittleren Leiter 14 in Abhängigkeit von der Abgastemperatur T_G (⁰C) zu ermitteln. Die entsprechenden Ergebnisse sind in Figur 9 dargestellt, wobei die Kurven (c) - (g) den Kurven (c) - (g) der Figuren 7 und 8 entsprechen. Das Diagramm der Figur 9 zeigt an, daß die Temperatur Te stärker erhöht wird, wenn die Heizeinrichtung 6a mit dem Heizabschnitt 18 (f) oder (g) versehen ist. In diesem Zusammenhang wird vorgezogen,

' die Temperatur an der Grenzfläche zwischen dem Leiter 14 und Festelektrolyten 1 so niedrig wie möglich zu halten, um eine größere Zuverlässigkeit des Kontaktes zwischen beiden zu erreichen.

Eine Gesamtanalyse der vorstehend beschriebenen Untersuchungen ergibt, daß der Heizabschnitt 10 der stabi'ürmigen keramischen Heizeinrichtung 6a im geschlossenen

Endabschnitt des rohrförmigen Festelektrolytkorpers 1, der aus dem Gehäuse 2 vorsteht, vorzugsweise in dem Bereich von drei Vierteln der vorstehenden Strecke vom geschlossenen Ende aus "gemessen angeordnet sein sollte.

Es läßt sich daher zusammenfassen, daß der Sauerstoffsensor dieser modifizierten Ausführungsform der Figuren 5 und 6 durch eine stabförmige Heizeinrichtung 6a gekennzeichnet .'.st, deren Heizabschnitt innerhalb des geschlossenen Endabschnittes des rohrförmigen Körpers 1, der vom Gehäuse 2 vorsteht, angeordnet ist. Dieses Merkmal trägt zur Verbesserung des Heizwirkungsgrades durch eine ausreichende Erhitzung des Festelektrolyten bei niederigen . Abgastemperaturen, durch eine verkürzte Zeitdauer zwischen dem Kaltstart der Brennkraftmaschine und der Erzeugung einer elektromotorischen Kraft durch den Sensor und durch eine reduzierte Möglichkeit einer Überhitzung des Elektrolyten und der Heizeinrichtung bei hohen Abgastemperaturen bei, wodurch insgesamt eine verbesserte Zuverlässigkeit bei der Steuerung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses einer Brennkraftmaschine erreicht wird.

Die stabförmigen Heizelemente 6 der ersten Ausführungsform der Figuren 1-2 und der Figur 6a der vorstehend erläuterten modifizierten Ausführungsform der Figuren 5-6 sind alle derart in der Längsbohrung la angeordnet, daß ein. radialer Spalt von 0,5mm (hiernach als gesamter diametraler Spalt bezeichnet) relativ zur Innenfläche des rohrförmigen Körpers 1, die die Längsbohrung la begrenzt, vorhanden ist. Dieser gesamte diametrale Spalt zwischen den gegenüberliegenden Flächen der Heizeinrichtung 6, 6a und des Elektro.1 ytkörpers 1 muß aus den nachfolgend genannten Gründen in einem Bereich von 0,3 - 0,7 mm gehalten werden.

Normalerweise wird die Montage einer stabförmigen Heizeinrichtung eines rohrförmigen Festelektrolytkörpers leichter, wenn zwischen der Aussenfläche der Heizeinrichtung und der gegenüberliegenden Innenfläche des rohrförmigen Festelektrolytkörpers ein größerer Spalt vorgesehen ist. Ein solcher größerer Spalt bedeutet jedoch ein Volumenanstieg des entsprechenden Ringraumes, der als thermischer Widerstand zwischen den beiden Elementen wirkt. Der Heizwirkungsgrad des Festelektrolyten durch die Heizeinrichtung nimmt daher ab, wenn der Spalt ansteigt, wenn das Heizvermögen der Heizeinrichtung konstant ist. Daher führt ein übermäßiger Spalt zwischen den beiden Elementen zu einer unzureichenden Erhitzung des Festelektrolyten und zu einer unbeständigen elektromotorischen Kraft desselben, wenn die Abgastemperatur der Brennkraftmaschine niedrig ist, oder zu einer erhöhten Zeitspanne nach dem Kaltstart der Maschine zur Erzeugung einer elektromotorischen Kraft, die genau die Sauerstoffkonzentration des Abgases wiedergibt. Eine Erhöhung des Heiz-Vermögens der stabförmigen Heizeinrichtung zur Lösung

dieses Problems einer unzureichenden Erhitzung führt andererseits zu dem Problem einer übermäßigen Erhitzung des Festelektrolyten und der Heizeinrichtung selbst, wenn die Abgastemperatur ansteigt, wodurch die Lebensdauer der Heizeinrichtung und der Platinelektroden am Festelektrolytkörper absinkt.

Ein übe-rmäßig hoher Spalt zwischen der Heizeinrichtung , und dem Festelektrolyten erhöht ferner· die Möglichkeit

3Ö einer radialen Fehlausrichtung, d.h. führt zu Fehlern in bezug auf die Konzentrizität der stabförmigen Heizeinrichtung relativ zur Längsbohrung des Elektrolytkörpers· Genauer gesagt, eine fehlausgerichtete Heizeinrichtung besitzt einen Umfangsabschnitt, der sehr nahe an der Innenfläche des Festelektrolyten liegt, und einen anderen Umfangsabschnitt, der von der Innenfläche relativ

weit entfernt ist. Dies führt zu örtlichen Überhitzungen des Festelektrolyten durch die Heizeinrichtung bei hohen Abgastemperaturen, womit eine Qualitätsverschlechterung der Platinelektroden verbunden ist,.während der von der Heizeinrichtung entfernte Umfangsabschnitt des Festelektrolyten nicht ausreichend erhitzt wird, wenn die Abgastemperatur niedrig ist.

Wie vorstehend erläutert, ermöglicht ein relativ kleiner Spalt zwischen der stabförmigen Heizeinrichtung und dem rohrförmigen Festelektrolytkörper eine ausreichende Erhitzung des Festelektrolyten mit einer vergleichsweise geringen Wärmemenge und führt zu einer geringen Über-.hitzungsmöglichkeitdes Sensors bei hohen Abgastemperatüren. Unter Berücksichtigung dieser Tatsachen und der erwähnten Qualitätsverschlechterung des Festelektrolyten und der Heizeinrichtung sollte der gesamte diametrale Spalt vorzugsweise nicht größer als 0,7 mm sein.

Andererseits.sollte der diametrale Spalt auch nicht geringer als 0,3 mm sein. Bei einem kleineren Spalt als 0,3 mm kann die Referenzluft der Umgebung nicht ausreichend in der Längsbohrung des Elektrolytkörpers zirkulieren. Falls daher irgendein Fremdgas in die Längsbohrung (Spalt) eintreten und eine entsprechende Änderung der Referenzgas-Sauerstoffkonzentration in der Bohrung verursachen so Ute, wäre eine extrem lange Zeitspanne erforderlich, bevor ein derartiges Fremdgas abgeführt werden könnte. Dies führt dazu, daß der Sauerstoffsensor eine ungenaue elektromotorische Kraft erzeugt.

In Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurden zwei unterschiedliche Ausführungsformen von stabförmigen Heizeinrichtungen 6 und 6a erläutert. Diese Heizeinrichtungen 6, 6a kennen

jedoch auch durch eine stabförmige Heizeinrichtung ersetzt werden, die bei 22 in Figur 10 dargestellt ist. Diese stabförmige Heizeinrichtung 22 besteht aus einem Keramikstab 24 und einer Lage 26 aus Keramik, die beide aus einem geeigneten keramischen Material bestehen, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Bei der Herstellung der Heizeinrichtung 22 wird eine Paste aus einem elektrischen Widerstandsmaterial, das beispielsweise Wolfram umfasst, vorbereitet, um Muster eines Heizabschnittes (nicht gezeigt) und eines elektrisch leitenden Abschnittes (nicht gezeigt) auf einer Oberfläche der Lage 26 aus dem keramischen Material zu drucken. Diese Lage 26 wird dann so um den Keramikstab 24 gewickelt, daß die bedruckte Fläche der Lage 26 mit der Oberfläche des Stabes 24 in Kontakt " gehalten wird. Die Abmessungen des Stabes und der Lage sind so festgelegt, daß der gesamte Umfang des Stabes nicht von der Lage 26 abgedeckt wird, d.h. die gegenüberliegenden Enden der herumgewickelten Lage besitzen in Umfangsrichtung d©s Stabes einen geringfügigen Abstand voneinander, so daß eine Nut 28 als Belüftungskanal erzeugt wird, die sich in Längsrichtung der Heizeinrichtung 22 erstreckt.

Die Nut 28 dient dazu, die freie Zirkulation von Umgebungsluft in der Längsbohrung zu erleichtern, damit die Referenzelektrode regelmäßig einem neuen Volumen des Referenzgases, beispielsweise der Umgebungsluft, ausgesetzt ist und somit die Referenzgas-Sauerstoffkonzentration innerhalb des rohrförmigen Festelektrolytkörpers· 1 über .eine lange Betriebsdauer des Sauerstoffsensors konstant gehalten werden kann. Ein weiterer Vorteil der Belüftungsnut 28 besteht darin, daß dadurch der vorstehend erwähnte Spalt zwischen der Heizeinrichtung und dem Festelektrolyten reduziert werden kann. Mit anderen Worten, durch die Anordnung der Nut 28 kann die Heizeinrichtung 22 sehr nahe an der Innenfläche des rohrförmigen Körpers 1 ange-

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ordnet werden. In diesem Fall kann der Festelektrolyt selbst bei niedrigen Abgastemperaturen mit einer relativ geringen Menge ausreichend erhitzt werden, während die Belüftungsnut 28 eine mögliche Überhitzung des Sensors bei hohen Abgastemperaturen verhindert.

Die Belüftungsnut 28 dient ferner dazu, Fremdgas, das aus irgendwelchen Gründen in den Elektrolytkörper 1 eingedrungen sein und die Sauerstoffkonzentration der Umgebungsluft geändert haben kann, rasch zu entfernen.

Die Belüftungsnut 28 kann durch andere Ausführungsformen von Kan-älen ersetzt werden, die in den Figuren 11 - 13 gezeigt sind. Bei einer keramischen Heizeinrichtung 22a der Figur 11 sind zwei Belüftungsnuten 28a in diametral gegenüberliegenden Umfangsabschnitten über die gesamte Länge der Heizeinrichtung 22a ausgebildet. Die in Figur 12 dargestellte keramische Heizeinrichtung 22b weist eine Belüftungsnut 2Öb auf, die entlang eines Teiles der Gesamtlänge der Heizeinrichtung ausgebildet ist. In diesem Fall wird die Länge der Nut 28b gerade so festgelegt, daß sie den minimalen Erfordernissen gerecht wird, um die Längsbohrung la in Verbindung mit der umgebenden Atmosphäre zu halten. Die in Figur 13 dargestellte Heizeinrichtung 22c besitzt eine Belüftungsbohrung 28c, die durch ihren radial mittleren Teil verläuft. Wie in Figur 11 dargestellt, kann auch eine Vielzahl von Belüftungskanälen an geeigneten Stellen der Heizeinrichtung angeordnet ui.rden.

In den Fällen, in denen eine beliebige Anzahl von Belüftungskanälen in beliebigen Formen vorgesehen ist, sollte der üesamtquerschnittsbereich des «anales oder

2 der Kanäle nicht geringer sein als 0,1 mm , vorzugsweise

2
nicht geringer als 0,3 mm . Es wird ferner vorgezogen,

daß die Belüftungsnut oder die Belüftungsnuten so dimensioniert sind, daß der gesamte Umfangsbcreich der Heizeinrichtung, in der die Nut oder die Nuten ausgebildet sind, nicht größer ist .als ein Drittel des gesamten Umfangsflachenbereiches der Heizeinrichtung.

Erfindungsgemäß wird somit ein Sauerstoffsensor vorgeschlagen, der eine stabförmige Heizeinrichtung au fweist, die in eine Längsbohrung eingesetzt ist, welche in einem rohrförmigen Festelektrolytkorper ausgebildet ist. Der Festelektrolytkorper besitzt auf seiner Innenfläche und seiner Aussenfläche poröse Platinel ektroden und wird derart -von einem Gehäuse gelagert, daß sein geschlossener -Endabschnitt dem Abgas ausgesetzt und die Längsbohrung in bezug auf das Abgas gasdicht ist. Die stabförmige Heizeinrichtung umfasst einen Heizwiderstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten. Ein Keramikkörper trägt den Heizwiderstand und bettet diesen ein.

Claims

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Pellmann - Oirams - OTRurp öfr

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Dipl.-Ing. R. Kinne Dipi.-Ing. RGrupe Dipl.-Ing. B. Pellmann Dipl.-Ing. K. Grams 4 t 6 9 4 8 Dipl.-Chem. Dr. B. Struif

Bavariaring 4, Postfach 20240 8000 München 2 Tel.: 089-539653 Telex: 5-24845 ti pat Telecopier: O 89-537377 cable: Germaniapatent Münchei

8. Mai 1984 DE 3908 / case N 4311 D

Patentansprüche

1. Sauerstoffsensor mit einem rohrförmigen Festelektrolytkörper und einer Längsbohrung, die an einem Ende des Körpers geschlossen und am anderen Ende offen ist, und mit einer Referenzelektrode und einer Meßelektrode auf einer Innenfläche und einer Aussenflä'che des Körpers, einem Gehäuse, das den rohrförmigen Festelektrolytkörper derart lagert, daß dessen Aussenfläche an dem einen Ende einem Abgas ausgesetzt ist, und einer stabförmigen Heizeinrichtung, die in die Längsbohrung des rohrförmigen Festelektrolytkörpers eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmige Heizeinrichtung (6, 6a, 22, 22a, 22-b, 22c) einen Heizwiderstand (10) mit einem positiven Temperaturkoeffizienten und einen Keramikkörper (8),_ der den Heizwiderstand trägt und diesen einbettet, umfasst.

2. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient des Heizwiderstandes (10) nicht kleiner ist als 0,3% /⁰C.

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844 Bayer. Vereinsbank (München) Kto. 5OB 941 Postscheck (München) Kto. 670-.13-804

3. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmige Heizeinrichtung (6) eine stabförmige Masse aus Aluminiumoxid und einen in diese Masse eingebetteten Widerstandsdraht (10) um fasst.

4. Sauerstoffsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandsdraht (10) aus Wolfram besteht.

5. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn-

• zeichnet, daß die stabförmige Heizeinrichtung (6a, 22) eine erste Masse aus Aluminiumoxid (16, 24), eine zweite Masse (26) aus Aluminiumoxid, die zur Ausbildung des Keramikkörpers mit der ersten Masse aus Aluminiumoxid zusammenwirkt, und einen Aufdruck aus einem elektrischen Widerstandsmaterial"umfasst, der auf einer der Passflächen der ersten und zweiten Masse aus Aluminiumoxid vorgesehen ist.

6. Sauerstoffsensor nach Abspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Widerstandsmaterial Wolfram als einen Hauptbestandteil aufweist.

7. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizwiderstand (10) in einem Abschnitt des rohrförmigen Festelektrolytkörpers (1) angeordnet ist, der aus dem Gehäuse (2) in Richtung auf das Abnas vorsteht.

8. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmige Heizeinrichtung (6, 6a, 22, 22a, 22b, 22c) in der Längsbohrung (la) mit einen

gesamten diametralen Spalt von 0,3 - 0,7 mm relativ zur Innenfläche des rohrförmigen Festelektrolytkörpers (1) angeordnet ist.

9. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen Heizeinrichtung (22, 22a, 22b,

22c) mindestens einen Belüftungskanal (28, 28a, 28b, 28c) aufweist, der eine freie Umwälzung von Umgebungsluft in der Längsbohrung· (la) ermöglicht, um die Referenzelektrode einem frischen Volumen an Umgebungsluft auszusetzen. 10

10. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Belüftungskanal (28, 28ε, 28b, 28c) einen Gesamtquerschnittsbereich besitzt, der

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nicht geringer ist als 0,1 mm .

11. Sauerstoffsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Belüftungskanal (28, 28a, 28b) um eine in einer äußeren Umfangsflüche der stabi'örmigen Heizeinrichtung über deren Länge ausgebildete Nut handelt.

12. Sauerstoffsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Umfangsbereich der stabformigen Heizeinrichtung, in dem mindestens ein Belüftunqskanal ausgebildet ist, nicht größer ist als ein Drittel der, gesamten Umfangsbereiches der Heizeinrichtung.

13. Sauerstoffsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Belüftungskanal (28c) um eine Bohrung handelt, die sich durch einen radial mittleren Teil der Heizeinrichtung (22c) erstreckt.

14. Sauerstoffsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren ein metallisches Schutzrohr (7) aufweist, das einen Endabschnitt des rohrförmigen Festelektrolytkörpers (1) benachbart zu dem einen Ende umgibt und eine Öffnung (12) zur Einführung des Abgases in das Schutzrohr aufweist, um diesen einen Endabschnitt des Festelektrolytkörpers dem Abgas auszusetzen.

15. Sauerstoffsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn-. zeichnet, daß die Referenzelektrode und die Meßelektrode aus porösem Platin bestehen.