кислородный датчик

Формула изобретения

1. Кислородный датчик, содержащий корпус датчика, последовательно размещенные в расточке корпуса уплотнительное кольцо, колбу чувствительного элемента с внешним кольцевым фланцем, электродом сравнения и измерительным электродом, нанесенным соответственно на внутреннюю и внешнюю поверхности колбы, контактный элемент и изоляционную втулку, отличающийся тем, что датчик снабжен компенсационной шайбой, поджатой к торцу изоляционной втулки посредством резьбовой втулки, причем компенсационная шайба выполнена из материала с большим коэффициентом температурного линейного расширения по сравнению с материалом корпуса.

2. Кислородный датчик по п.1, отличающийся тем, что высота компенсационной шайбы выбирается равной



где l высота компенсационной шайбы;

l₁ толщина кольцевого фланца колбы чувствительного элемента;

a, ₁- коэффициенты температурного линейного расширения соответственно материала компенсационной шайбы и корпуса;

k коэффициент компенсации, выбранный экспериментально в пределах 0,7 - 2,0.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается измерения содержания кислорода, и используется, в частности, в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания автомобиля.

Известен кислородный датчик, содержащий кислородный измерительный элемент в виде колбы, открытый на одном конце и закрытый на другом и имеющий кольцевой буртик на наружной поверхности открытого конца. На внутренней и наружной поверхности колбы нанесены электропроводящие слои. Указанный чувствительный элемент размещен внутри корпуса, причем торец кольцевого буртика, направленный к закрытому торцу колбы, поджат к плечу расточки корпуса. Затем в расточке корпуса размещена изоляционная втулка, металлическая шайба, металлическое кольцо и корпус завальцован для обеспечения герметичности соединения торца чувствительного элемента и корпуса. Внутри чувствительного элемента размещен нагревательный элемент. Внешняя поверхность закрытого конца чувствительного элемента закрыты экраном от механического его повреждения во время эксплуатации. В экране выполнены отверстия для прохода газа к наружной поверхности чувствительного элемента [1, 2, 3]

Известен кислородный датчик, содержащий кислородный измерительный элемент, выполненный из полупроводниковой оксидной трубки, который на одном конце трубки закрыт, а на другом открыт, а на наружную и внутреннюю поверхность нанесен проводящий слой.

Указанный кислородный измерительный элемент установлен в корпусе, затем установлена изоляционная втулка, металлическая втулка, кожух и края корпуса завальцованы на буртик кожуха [4]

Известен также кислородный датчик для двигателя внутреннего сгорания, который включает вытянутый цилиндрический корпус с крышкой на одном из концов. В расточке корпуса последовательно установлены металлическое уплотняющее кольцо, колба чувствительного элемента из твердого электролита, на внутренней и наружной поверхности которой нанесен электропроводящий слой, контактная втулка с выводами, контактирующая с наружным электропроводным слоем, промежуточная втулка, кожух с наружным фланцем, на который завальцована стенка корпуса [5]

Ближайшим аналогом к заявляемому решению является кислородный датчик, содержащий корпус, в расточке которого последовательно размещены первое уплотнительное кольцо, колба чувствительного элемента с внешним кольцевым фланцем и нанесенными на поверхности колбы электродом сравнения и измерительным электродом, контакт, установленная шайба для обеспечения концентрического расположения деталей в колбе, изоляционная втулка из керамического материала и второе уплотнительное кольцо. Детали внутри корпуса поджаты друг к другу при помощи завальцовки края корпуса на второе уплотнительное кольцо.

В предпочтительном варианте исполнения датчика указаны материалы: для корпуса нержавеющая сталь или никель, для изоляционной втулки окись алюминия, для уплотнительных колец любой мягкий металл типа меди, никеля или мягкой стали [6]

Основной недостаток всех этих [1 6] конструкций нарушение герметичности при темоциклических применениях в процессе эксплуатации в большом диапазоне температур окружающей среды ( от -40^oС до +1000^oС) за счет ослабления прижатия чувствительного элемента вследствие разных коэффициентов температурного линейного расширения деталей конструкции и отсутствия компенсационных элементов в конструкции узла герметизации.

Кроме того, при завальцовке корпуса возможно нарушение герметичности и за счет остаточных деформаций вальцуемой стенки корпуса, что может привести к неплотности поджатия деталей.

Предлагаемый кислородный датчик решает задачу обеспечения надежной герметизации при изменении его рабочей температуры с одновременным повышением технологичности.

Поставленная задача решается за счет того, что в конструкцию кислородного датчика, содержащую корпус датчика и последовательно размещенные в корпусе уплотнительное кольцо, колбу чувствительного элемента с внешним кольцевым фланцем и нанесенными на поверхности колбы электродом сравнения и измерительным электродом, контактный элемент и изоляционную втулку, введена дополнительная компенсационная шайба, которая поджата к фланцу изоляционной втулки посредством резьбовой втулки. Компенсационную шайбу выполняют из материала, коэффициент температурного линейного расширения (КТЛР) которого значительно больше коэффициента линейного расширения материала корпуса.

При этом для надежного обеспечения герметизации соединения корпуса с фланцем колбы чувствительного элемента высоту l компенсационной шайбы выбирают равной



l высота компенсационной шайбы;

l₁ толщина кольцевого фланца колбы чувствительного элемента;

a, ₁- коэффициенты температурного линейного расширения материала компенсационной шайбы и корпуса соответственно;

k коэффициент компенсации, выбираемый экспериментально в пределах 0,7 - 2,0.

На чертеже представлен заявляемый кислородный датчик.

Кислородный датчик содержит корпус 1, размещенные внутри него металлическое уплотнительное кольцо 2, чувствительный элемент 3 в виде колбы с внешним кольцевым фланцем 4, контактную втулку 5 с контактным диском 6, изоляционную втулку 7 с фланцем, компенсационную шайбу 8, резьбовую втулку 9 и расположенный внутри колбы нагревательный элемент 10, удерживаемый внутри контактного элемента с помощью лепестков разрезного хвостовика 11.

Конец нагревательного элемента, его токоподводы 12 и токоподвод 13 чувствительного элемента закрыты кожухом 14 и колпачком 15, соединенными между собой и корпусом, например, сваркой. В колпачке размещена уплотнительная втулка 16, зафиксированная в кожухе при помощи кольцевой канавки 17. Через отверстия уплотнительной втулки выведены токоподводы 12 и 13.

На колпачке размещен контакт 18 измерительного электрода 19 чувствительного элемента 3. Электрическое соединение между ними обеспечивается через металлическое уплотнительное кольцо 2, корпус 1, кожух 14 и колпачок 15.

Внешняя часть колбы чувствительного элемента 3 защищена от механических воздействий и повреждений при помощи экрана 20, установленного в проточке корпуса 1 и закрепленного вальцовкой. Экран имеет прорези 21 для прохода выхлопных газов автомобиля.

Кислородный датчик при помощи резьбовой части 22 корпуса устанавливается в выхлопной трубе автомобиля так, что измерительный электрод, размещенный на внешней поверхности колбы чувствительного элемента 3, контактирует с выхлопными газами.

Электрод сравнения 23, расположенный на внутренней поверхности колбы чувствительного элемента, контактирует с окружающим воздухом, который проходит внутрь датчика через негерметичные соединения кожуха 14 с колпачка 15 и корпусом 1 и отверстия уплотнительной втулки 16.

На внешней поверхности компенсационной шайбы 8 выполнен продольный паз 24, в котором размещен зуб 25, выполненный на корпусе.

Материал компенсационной шайбы выбирают из условия обладания максимально возможным значением величины КТЛР и отсутствия пластичных свойств при высоких температурах (до 500 600^oC).

Желательно, чтобы материал этот обладал нелинейными свойствами по КТЛР: с повышением температуры величина КТЛР должна возрастать (или оставаться неизменной, но не уменьшаться).

Наиболее подходят для компенсационной шайбы специальные нетермопластичные сорта таких сплавов как бронза, латунь, нержавеющие стали с высоким содержанием добавок никеля, хрома, молибдена.

Термометрирование показало, что при максимальной рабочей температуре датчика температура в зоне установки компенсационной шайбы приближенно равна 400 500^oС. В опытном варианте кислородного датчика компенсационная шайба будет выполнена из нержавеющей стали 12х18 Н10Т с КТРЛ = 17,510^-6 18,310^-6/1C, в диапазоне температур 400 500^oС, а корпус и резьбовая втулка из стали 30х13 с КТЛР = 11,510^-6 при 500^oС.

Пределы изменения коэффициента компенсации k выбраны из условия обеспечения герметизации при высоких рабочих температурах датчика и учитывают как и соотношение КТЛР, так и линейных размеров сопрягаемых деталей узла геpметизации.

При k<0,7 компенсация может быть недостаточной для сохранения герметичности соединения, а при k>2,0 усилия, развиваемые в соединении могут привести к разрушению колбы чувствительного элемента.

Для опытного варианта датчика коэффициент компенсации выбран равным 0,7.

Сборку кислородного датчика осуществляют следующим образом.

В первую расточку корпуса устанавливают экран 19 и завальцовывают его фланец стенкой корпуса.

В расточку корпуса 1 вставляют последовательно металлическое уплотнительное кольцо 2, колбу 3 чувствительного элемента, контактный элемент 5 с контактным диском 6, изоляционную втулку 7, компенсационную шайбу 8.

В зоне размещения продольного паза 24 компенсационной шайбы 8 обpазуют зуб из материала корпуса, например чеканкой.

После этого вворачивают резьбовую втулку 9, обеспечивая при этом, например, с помощью моментомера заданное усилие, необходимое для плотного поджатия уплотнительного кольца 2 к корпусу 1 и торцу внешнего кольцевого фланца 4 колбы 3 чувствительного элемента и обеспечения герметичности этого соединения. При этом необходимо не превысить максимально допустимое усилие, которое определяется на основе прочностных характеристик материала колбы чувствительного элемента.

Одновременно с герметизацией усилие вворачивания резьбовой втулки 9 обеспечивает и электрическое соединение измерительного электрода 19, нанесенного в виде пористого покрытия, например из платины, на внешнюю поверхность колбы 3 и примыкающему к ней торцу фланца 4, уплотнительного кольца 2 и корпуса 1, а также электрическое соединение контактного диска 6-й контактной втулки 5 с электродом сравнения 23, который расположен, например, в виде покpытия из пористой платины, на внутренней поверхности колбы 3 чувствительного элемента и внешнем торце фланца 4.

Проверяют герметичность узла и при наличии дефектов в деталях или неплотного соединения, узел может подвергнуть переборке с заменой дефектных деталей.

При обеспечении герметичности положение резьбовой втулки 8 фиксируют (например, сваркой).

В контактную втулку 5 вставляют нагревательный элемент 10 с присоединенными токоподводами 12 и 13.

Нагревательный элемент удерживается за счет лепестков хвостовика 11.

Затем на корпус 1 надевают кожух 14, протягивают через отверстия в уплотнительной втулке 16 токоподводы 12 и 13, надевают на кожух колпачок 15 и соединяют корпус, кожух и колпачок между собой, например, сваркой.

Кислородный датчик работает следующим образом.

Резьбовую часть корпуса вворачивают в резьбовое отверстие выхлопной трубы и подсоединяют токоподводы нагревательного и чувствительного элементов к системе управления двигателем автомобиля. При работающем двигателе к измерительному электроду 19 через прорези 21 экрана 20 поступают выхлопной газ, а к электроду сравнения 23 через уплотнительную втулку 16 и негерметичное соединение кожуха 14 и корпуса 1 окружающий воздух.

Колба чувствительного элемента выполнена из твердого электролита, пропускающего ионы кислорода со стороны с большим парциальным давлением кислорода в меньшую. Измерительный электрод и электрод сравнения выполнены из пропускающего газ материала, например, путем осаждения слоя пористой платины.

Проходя через электролит, ионы кислорода создают разность потенциалов на электродах, которая фиксируется в системе управления двигателем.

Предлагаемое техническое решение упрощает конструкцию и повышает технологичность кислородного датчика и одновременно обеспечивает надежную герметизацию соединения корпуса с колбой чувствительного элемента при термоциклических воздействиях за счет подбора соответствующего коэффициента температурного линейного расширения материала компенсационной шайбы и ее высоты.