DE4318789A1 - Dichtung für ein Sensorelement eines Gassensors - Google Patents
Dichtung für ein Sensorelement eines GassensorsInfo
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Description
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.
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.
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.
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.
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