DE4318789A1 - Dichtung für ein Sensorelement eines Gassensors - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Dichtung für ein Sensorelement eines Gassensors nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die zur Be­ stimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren eingesetzten Sensorelemente besitzen einerseits eine sogenannte Fingerbauform, bei der ein elektrochemischer Festelektrolyt als einseitig geschlossenes Rohr ausgeführt ist, welches im Gehäuse dicht festgelegt ist. Bei den andererseits bekannten, sogenannten Plättchensonden ist ein planarer sauerstoffionenleitender Fest­ elektrolyt ebenfalls im Gehäuse dicht fixiert.

In der DE-OS 41 26 378 ist eine Dichtung für eine Plättchensonde beschrieben, die sich zwischen zwei im Gehäuse angeordneten kera­ mischen Formteilen befindet, wobei die keramischen Formteile das Sensorelement im Gehäuse festlegen. Die Dichtung besteht dabei aus Speckstein.

Bei den Fingersonden unterscheidet man zwischen potentialfreien und potentialgebundenen Gassensoren. Bei den potentialgebundenen Finger­ sonden wird die Leiterbahn der äußeren Elektrode mittels eines elektrisch leitenden Dichtringes mit dem Gehäuse kontaktiert. Bei den potentialfreien Fingersonden wird jeder Elektrodenanschluß direkt einem Steuergerät zugeführt, so daß keine elektrische Kon­ taktierung mit dem Gehäuse erlaubt ist. Für potentialfreie Finger­ sonden wurde bereits vorgeschlagen, einen deformierbaren, elektrisch isolierenden keramischen Dichtring zu verwenden.

Sowohl der deformierbare keramische Dichtring bei der Fingersonde als auch das bei der Plättchensonde eingesetzte Dichtungsmaterial sind bei niedrigen Sintertemperaturen vorgesintert, wodurch selbst bei hohen Preßkräften eine Restporosität erhalten bleibt, die mit dem Nachteil behaftet ist, daß Wasser und Kraftstoff infolge kapillarer Kräfte durch die Dichtung diffundiert.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Dichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß sie für Flüssig­ keiten, insbesondere Kraftstoff, undurchlässig ist. Eine Dichtheit in bezug auf flüssigen Kraftstoff ist insbesondere dann gefordert, wenn bei Startschwierigkeiten des Verbrennungsmotors Kraftstoff in die Auspuffleitung übertritt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Dichtung möglich. Eine besonders gute Abdichtung wird erreicht, wenn die Dichtkörper und die Zusatzdichtung gemeinsam im Gehäuse verpreßt werden. Dadurch legt sich die Zusatzdichtung spaltfrei zwischen Sensorelement und Gehäuse. Als besonders geeignetes Material für die Zusatzdichtung hat sich Graphit heraus­ gestellt, welcher aufgrund seiner Lamellenstruktur bei entsprechend hoher Verdichtung wasser- und kraftstoffundurchlässig ist.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch den abgasseitigen Teil eines Gassensors mit einer Fingersonde, Fig. 3 einen vergrößerten Aus­ schnitt der Dichtung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 einen Längsschnitt durch den abgasseitigen Teil eines Gassensors mit einer Plättchen­ sonde.

Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen elektrochemischen Sauerstoffgassensor 10, der ein metallisches Gehäuse 11 hat, das an seiner Außenseite ein Schlüsselsechskant 12 und ein Gewinde 13 als Befestigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes Meßgasrohr aufweist. Das Gehäuse 11 hat eine Längsbohrung 14 mit einer Aufnahme 15 für eine als Sensorelement dienende Fingersonde 16. Die Aufnahme 15 besitzt eine ringförmige Bodenfläche 27.

Die Fingersonde 16 ist ein an sich bekannter elektrochemischer Sauerstoffsensor, der bevorzugt für das Messen des Sauerstoff­ partialdrucks in Abgasen Verwendung findet. Die Fingersonde 16 hat einen rohrförmigen Festelektrolytkörper 17, dessen meßgasseitiger Endabschnitt geschlossen ist. Auf der dem Meßgas ausgesetzten Außenseite ist eine nicht dargestellte Meßelektrode mit einer darübergelegten Schutzschicht 33 und auf der dem Innenraum zugewandten Seite eine einem Referenzgas, zum Beispiel Luft, aus­ gesetzte, ebenfalls nicht dargestellte Referenzelektrode angeordnet. Die Fingersonde 16 besitzt anschlußseitig einen wulstartigen Kopf 25 mit einer ausgebildeten Schulter 2 und einer ringförmigen Stirn­ fläche 19. Meßgasseitig ist die Fingersonde 16 mit Abstand von einem Schutzrohr 22 umgeben, welches für den Ein- beziehungsweise Austritt des Meßgases Öffnungen 23 besitzt. Das Schutzrohr 22 ist am meßgas­ seitigen Ende des Gehäuses 11 durch eine Bördelung 24 festgelegt.

Die Meßelektrode und die Referenzelektrode werden jeweils mittels Elektrodenleiterbahnen, von denen die Leiterbahn 18 der Meßelektrode in Fig. 2 gezeigt ist, zur anschlußseitigen Ringfläche 19 der Fingersonde 16 geführt. Die Leiterbahn 18 ist zur Vermeidung eines Masseschlusses mit dem Gehäuse 11 mittels einer isolierenden Abdeck­ schicht 18′ versehen. Auf der Ringfläche 19 sitzt ein Referenz­ elektrodenkontaktteil 20 und ein Meßelektrodenkontaktteil 21. Beide Kontaktteile 20, 21 sind mit nicht dargestellten elektrischen An­ schlüssen verbunden.

Die in der Längsbohrung 14 ausgebildete Aufnahme 15 ist derart aus­ geführt, daß der wulstartige Kopf 25 der Fingersonde 16 radial ge­ führt wird und sich zwischen der Schulter 26 der Fingersonde 16 und der Bodenfläche 27 eine Dichtzone ausbildet, in der ein Dichtungs­ paket 28 angeordnet ist. Das Dichtungspaket 28 besitzt gemäß Fig. 2 einen meßgasseitigen Dichtring 29, einen anschlußseitigen Dichtring 30 und einen dazwischen angeordnete Zusatzdichtring 31. Die beiden Dichtringe 29, 30 bestehen aus einem bei niedrigen Sintertempera­ turen porös gesinterten Material, so daß sie unter einer Preßkraft jeweils deformierbar sind. Ein geeignetes Material dafür ist bei­ spielsweise Magnesium-Aluminium-Silikat (Steatit). Der Zusatzdicht­ ring 31 hingegen besteht beispielsweise aus Graphit, welcher eben­ falls unter Einwirkung der Preßkraft verformbar ist.

Zur Herstellung des Dichtungspakets 28 wird der vorgesinterte meß­ gasseitige Dichtring 29, der Zusatzdichtring 31 und der anschluß­ seitige vorgesinterte Dichtring 29 in die Aufnahme 15 eingesetzt. Auf den anschlußseitigen Dichtring 30 wird die Fingersonde 16 mit ihrer Schulter 26 aufgesetzt. Durch Einwirken einer Preßkraft auf die Fingersonde 16 werden die beiden Dichtringe 29, 30 derart ver­ formt, daß sie sich der Schulter 26 und der Aufnahme 15 anpassen. Gleichzeitig wird der Zusatzdichtring 31 dabei derart komprimiert, daß eine ausreichende radiale Anpreßkraft zwischen dem Gehäuse 11 und der Fingersonde 16 entsteht, wodurch die Fingersonde 16 spalt­ frei in der Längsbohrung 14 gehalten wird. Die radiale Anpreßkraft wirkt gleichmäßig auf die isolierende Abdeckschicht 18′, so daß keine Beschädigung derselben auftritt.

Nachdem die Fingersonde 16 in die Aufnahme 15 eingepreßt ist, wird sie von der an den Kontaktteilen 20, 21 angreifende Isolierhülse 32 gehalten. Durch die Einbettung des Zusatzdichtrings 31 zwischen zwei nahezu luftundurchlässige Dichtringe 29, 30 aus Keramik wird die ab ca. 600°C unter atmosphärischen Bedingungen einsetzende Oxidation des Graphits weitgehend verhindert. Dies gilt in gleicher Weise auch für metallische Zusatzdichtungen aus Nickel oder Kupfer in massiver Form oder in Form eines vorgepreßten Pulvers.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines Meßfühlers 10 mit einer Plättchensonde 36 zeigt Fig. 3. Hierbei besitzt die Längsbohrung 14 eine schulterförmige Verengung 41, auf der ein meßgasseitiges Keramikformteil 37 aufliegt. Beabstandet vom meßgasseitigen Keramik­ formteil 37 ist in der Längsbohrung ein anschlußseitiges Keramik­ formteil 38 angeordnet. Die Längsbohrung 14 ist bei diesem Aus­ führungsbeispiel derart abgestuft, daß das anschlußseitige Keramik­ formteil 38 einen größeren Durchmesser aufweist als das meßgas­ seitige Keramikformteil 37. Die Keramikformteile 37 und 38 sind zentral jeweils mit einem Durchbruch 39 und 40 ausgeführt. Die Durchbrüche 39, 40 dienen zur Aufnahme der Plättchensonde 36.

Zwischen den beabstandeten Keramikformteilen 37, 38 befindet sich das Dichtungspaket 28. Das Dichtungspaket 28 besitzt ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel eine meßgasseitige Dichtscheibe 42 und eine anschlußseitige Dichtscheibe 43, zwischen denen eine Zusatzdichtscheibe 44 angeordnet ist, wobei die abgasseitige Dichtscheibe 43 beispielsweise stärker ausgebildet ist als die meßgasseitige Dichtscheibe 42. Außerdem ist der Übergang der Längsbohrung 14 vom weiteren Durchmesser zum engeren Durchmesser im Bereich der anschlußseitigen Dichtscheibe 43 als konischer Übergang ausgebildet. Die beiden Dichtscheiben 42 und 43 bestehen wie beim ersten Ausführungsbeispiel beispielsweise aus einem vorgesinterten Keramikmaterial. Die Zusatzdichtscheibe 44 besteht ebenfalls aus Graphit.

Die Abdichtung der Plättchensonde 36 erfolgt dadurch, daß auf das meßgasseitige Keramikformteil 37 die meßgasseitige Dichtscheibe 42, die Zusatzdichtscheibe 44, die anschlußseitige Dichtscheibe 43 sowie das anschlußseitige Keramikformteil 38 aufgelegt wird. Durch Auf­ bringen eines Preßdrucks werden die Dichtscheiben 42 und 43 sowie die Zusatzdichtscheibe 44 zusammengepreßt, wobei sie sich jeweils verformen. Durch die Verformung der Zusatzdichtscheibe 44 entsteht, wie beim ersten Ausführungsbeispiel, eine radiale Anpreßkraft zwischen dem Gehäuse 11 und der Plättchensonde 36, so daß die Plättchensonde 36 spaltfrei in der Längsbohrung 14 liegt. Auch hier ist die radiale Anpreßkraft derart gleichmäßig ausgebildet, daß dadurch keine Beschädigung der Plättchensonde 36 auftritt.

Beim vorliegenden zweiten Ausführungsbeispiel ist zur Vermeidung des Zutritts von Kondenswasser an die Plättchensonde 36 das Schutzrohr 22 doppelwandig ausgebildet, mit einem äußeren Schutzrohr 45 und einem inneren Schutzrohr 46. Im äußeren Schutzrohr 45 sind äußere Gasöffnungen 47 vorgesehen, zu denen axial versetzt am inneren Schutzrohr 46 innere Gasöffnungen 48 angeordnet sind. Zur besseren Durchspülung ist im Boden des inneren Schutzrohres 46 eine zusätz­ liche Öffnung 49 eingebracht.

Um Beschädigeungen des Sensorelements beim Verpressen des Dichtungs­ pakets 28 auszuschließen, sind für die Zusatzdichtung 31 oder 44 duktile Materialen mit einer Härte einsetzbar, die geringer sein muß als die der Abdeckschicht 18′ der Fingersonde 16 bzw. der ver­ wendeten Keramik der Plättchensonde 36.

Claims (8)

1. Dichtung für ein Sensorelement eines Gassensors, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungs­ motoren, welche das Sensorelement in einer Längsbohrung eines Ge­ häuses abdichtet, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Dicht­ körpern (29, 30, 42, 43) in der Längsbohrung (14) eine verformbare Zusatzdichtung (31, 44) angeordnet ist, welche eine geringere Porosität als die beiden Dichtkörper (29, 30, 42, 43) aufweist.

2. Dichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicht­ körper (29, 30, 42, 43) vorgesintert sind und mit der Zusatzdichtung (31, 44) in der Längsbohrung (14) verpreßbar sind, wobei sich beim Verpressen die Zusatzdichtung (31, 44) derart verformt, daß das Sensorelement (16, 36) spaltfrei in der Längsbohrung (14) angeordnet ist.

3. Dichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatz­ dichtung eine vorgeformte Dichtscheibe (44) oder ein vorgeformter Dichtring (31) ist.

4. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusatzdichtung (31, 44) aus einem duktilen Metall, vorzugsweise Nickel oder Kupfer steht.

5. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das duktile Metall als vorgepreßtes Pulver einsetzbar ist.

6. Dichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das duktile Metall in massiver Form einsetzbar ist.

7. Dichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zusatzdichtung (31, 44) aus Graphit besteht.

8. Dichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Graphit faserverstärkt ist.