КИСЛОРОДНЫЙ ДАТЧИК И СПОСОБ ЕГО СБОРКИ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/416 

Изобретение относится к области измерения содержания кислорода, 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 закрыта экраном от механического его повреждения во время эксплуатации. В экране выполнены отверстия для прохода газа к наружной поверхности чувствительного элемента [1, 2, 3]
Известен также 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 поверхности 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 нагревательный кислородный датчик с твердым электролитом, содержащий корпус, трубку электролита, уплотнительное кольцо между ними, контактные элементы и изоляционную втулку, в котором плотное поджатие уплотнительного кольца к корпусу обеспечивают за счет завальцовки краев корпуса на второе уплотнительное кольцо [5]
Недостатком всех этих известных конструкций является закрепление колбы чувствительного элемента в корпусе и герметизация их соединения при помощи завальцовки, при этом требуется прикладывать дополнительные значительные усилия, необходимые не только для герметизации корпуса, но и гибки вальцующей стенки корпуса.

Эти дополнительные усилия могут привести к растрескиванию и механическому разрушению колбы чувствительного элемента и керамической изоляционной втулки. При завальцовке возможна также остаточная деформация вальцуемой стенки корпуса, что может привести к неплотности поджатия деталей и, как следствие, к нарушению герметичности соединения корпус торец колбы чувствительного элемента.

Кроме того, завальцованный узел не подлежит разборке в случае нарушения герметичности или разрушения какой-либо детали в процессе сборки узла.

Известно устройство для определения кислорода, включающее блок, имеющий втулку с внешней резьбой и корпус с внутренней резьбой, пустотелый чувствительный элемент с одним закрытым концом, защитным кожухом, указанный элемент монтируется в указанный блок так, что может сниматься и заменяться вместе с некоторыми дополнительными элементами, вследствие того прижимаемыми опосредственно и непосредственно между резьбовой втулкой и указанным корпусом [6]
Недостатком этого устройства и указанного способа монтажа чувствительного элемента является возможность проворота чувствительного элемента, что может повлечь за собой нарушение пористого токопроводящего покрытия на торце чувствительного элемента и нарушения работоспособности устройства.

Ближайшим аналогом заявляемого датчика является кислородный датчик для двигателя внутреннего сгорания, который включает вытянутый цилиндрический корпус с крышкой на одном из концов. В расточке корпуса последовательно установлены металлическое 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 которой завальцована стенка корпуса. При этом поверхность торца кольцевого фланца выполнена конусной [7]
Ближайшим аналогом заявляемого способа сборки кислородного датчика является способ, включающий вставку кожуха в расточной канал корпуса, размещение опорного элемента рядом с первым фланцем, размещение уплотнительного кольца, размещение в канале цилиндрического элемента, который имеет внешний фланец, размещение в канале трубчатой втулки с кольцеобразным ребром (колбы чувствительного элемента), размещенным у открытого конца и имеющим внешнее токопроводящее покрытие, нанесенное от кольцеобразного ребра до закрытого конца, и внутреннее токопроводящее покрытие, нанесенное от открытого до закрытого конца колбы, приложение усилия для перемещения цилиндрического элемента в сцепление с изолятором и уплотнительным кольцом (это усилие прикладывается до тех пор, пока уплотнительное кольцо не будет сжато до получения воздухонепроницаемого уплотнения), размещение и присоединение проводов, вставку трубчатого нагревателя в канал в трубчатом корпусе, (нагреватель имеет контакты, присоединенные к внутреннему нагревательному элементу), затем проталкивание вышеуказанного трубчатого корпуса в осевой канал для сцепления контактов с соответствующими клеммами, размещение пружин, установку втулки с дисковым контактом, приложение силы для приведения указанных контактов в соприкосновение внешним и внутренним токопроводным покрытием чувствительного элемента и сварку для присоединения втулки к корпусу при фиксированном их положении друг относительно друга.

Фиксация и герметизация соединения корпуса и втулки может быть обеспечена и за счет предварительного (до вставки трубчатого нагревателя в трубчатую втулку) размещения в канавке корпуса материала для пайки, а затем нагревание корпуса до плавления указанного материала.

Для герметизации соединения чувствительного элемента с корпусом в изобретении-прототипе предлагается также обжатие втулки в канавке на корпусе [8]
Все указанные способы фиксации и герметизации соединения требуют установки дополнительных элементов и/или операций и образуют неразъемное соединение, не позволяющее осуществить разборку узла и замену, при необходимости, дефектных деталей в процессе сборки, что приводит к забракованию всего узла в целом и увеличению себестоимости изделий.

И хотя известно устройство, обеспечивающее разборную конструкцию кислородного датчика, и указан способ сборки его [6] они не обеспечивают целостности токопроводящего покрытия, которое наносится на один или оба торца кольцевого фланца чувствительного элемента для обеспечения съема сигнала, что может привести к нарушению работоспособности датчика.

Цель изобретения обеспечение надежности работы кислородного датчика при одновременном упрощении конструкции и повышении технологичности сборки.

Цель достигается тем, что в конструкцию кислородного датчика, содержащего корпус, чувствительный элемент в виде колбы из твердого электролита с внешним кольцеобразным фланцем, измерительным электродом и электродом сравнения, в виде токопроводящего покрытия, нанесенного соответственно на наружную и внутреннюю поверхности колбы, причем по крайней мере один из электродов нанесен на один из торцов кольцеобразного фланца, уплотнительное кольцо, размещенное между корпусом датчика и кольцеобразным фланцем колбы чувствительного элемента, контактный элемент и изоляционную втулку, дополнительно введена резьбовая втулка, размещенная с резьбовом отверстии расточки корпуса и поджимающая уплотнительное кольцо с тарированным усилием, достаточным для обеспечения герметичности соединения корпус торец колбы чувствительного элемента. На внешней цилиндрической поверхности изоляционной втулки выполнен продольный паз, в котором размещен зуб корпуса. Контактный элемент выполнен в виде втулки с кольцеобразным контактом, расположенным коаксиально снаружи втулки.

Для предлагаемого кислородного датчика разработан и новый способ сборки. Предлагаемый способ содержит следующие общие с заявляемым способом операции: размещение в расточке корпуса уплотнительного кольца, изоляционной втулки, колбы чувствительного элемента с внешним кольцеобразным фланцем, приложение усилия для перемещения чувствительного элемента до прижатия к уплотнительному кольцу, установку контактной втулки с кольцеобразным контактом, приложение силы для перемещения контактной втулки до прижатия кольцеобразного диска к торцу колбы чувствительного элемента.

Поставленная задача решается за счет изменения последовательности операций: установку изоляционной втулки осуществляют после установки колбы чувствительного элемента и контактной втулки с кольцеобразным контактом, а затем в зоне продольного паза изоляционной втулки на корпусе выполняют зуб из материала корпуса, например, чеканной, после чего в резьбовое отверстие корпуса вворачивают резьбовую втулку с приложением усилия, достаточного для одновременного обеспечения герметичного соединения уплотнительного кольца с корпусом и электрического соединения с измерительным электродом (внешним токопроводящим покрытием), а контактного диска контактной втулки -с электродом сравнения (внутренним токопроводящим покрытием).

Способ после контроля герметичности собранного узла позволяет осуществлять при необходимости разборку узла чувствительного элемента и замену в нем дефектных деталей.

Способ отличается также тем, что после сборки осуществляют контроль герметичности датчика и при необходимости производят переборку датчика с заменой дефектных деталей.

На чертеже представлен предлагаемый кислородный датчик.

Кислородный датчик содержит корпус 1, размещенные внутри него металлическое уплотнительное кольцо 2, чувствительный элемент 3 в виде колбы с внешним кольцеобразным фланцем 4, контактную втулку 5 с кольцеобразным контактом 6, расположенным коаксиально снаружи втулки, изоляционную втулку 7, резьбовую втулку 8 и расположенный внутри колбы нагревательный элемент 9, удерживаемый внутри контактной втулки 5 с помощью лепестков разрезного хвостовика 10 и пружинного кольца 11.

Торец кольцеобразного фланца колбы чувствительного элемента выполнен плоским.

Конец нагревательного элемента, его токопроводы 12 и токопровод 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 топодводы 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. Измерительный электрод выполнен в виде пористого токопроводящего покрытия, например из платины, нанесенного на внешнюю поверхность колбы от ее закрытого конца до цилиндрической поверхности кольцеобразного фланца.

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, выполненный в виде пористого токопроводящего покрытия, например, из платины, нанесенного на внутреннюю поверхность и торец открытого конца колбы чувствительного элемента, контактирует с окружающим воздухом, который проходит внутрь датчика через негерметичные соединения кожуха 14 с колпачком 15 и корпусом 1 и отверстия уплотнительной втулки 16.

На внешней поверхности изоляционной втулки 7 выполнен продольный паз 24, в котором размещен зуб 25, выполненный на корпусе.

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, контактную втулку 5 с кольцеобразным контактом 6 и пружинным кольцом 11, изоляционную втулку 7.

В зоне размещения продольного паза 24 изоляционной втулки 7 образуют зуб из материала корпуса, например, чеканкой.

После этого вворачивают резьбовую втулку 8, обеспечивая при этом, например, с помощью моментомера заданное усилие, необходимое для плотного прижатия 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 8 обеспечивает и электрическое соединение измерительного электрода 19, нанесенного в виде пористого токопроводящего покрытия из платины, на внешнюю поверхность колбы 3 и примыкающую к ней торцу фланца 4, уплотнительного кольца 2 и корпуса 1, а также электрическое соединение кольцеобразного контакта 6 контактной втулки 5 с электродом сравнения 23, который расположен, например, в виде пористого токопроводящего покрытия из платины на внутренней поверхности колбы 3 чувствительного элемента и на торце открытого конца колбы 3.

Проверяют герметичность узла и при наличии дефектов в деталях или неплотного соединения узел можно подвергнуть переборке с заменой дефектных деталей. При этом зуб корпуса срезают или заминают, а после повторной сборки образуют вновь.

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

В контактную втулку 5 вставляют нагревательный элемент 9 с присоединенными токоподводами 12 и 13.

Нагревательный элемент удерживается за счет лепестков 10 и пружинного кольца 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 поступает 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 токопроводящего материала, например, путем осаждения слоя пористой платины.

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

Предлагаемые технические решения упрощают конструкцию кислородного датчика и способ его сборки и одновременно обеспечивают надежную герметизацию соединения корпуса с колбой чувствительного элемента без разрушения колбы в процессе сборки за счет приложения меньшего усилия, чем при завальцовке (т. к. исключается усилие деформации, прилагаемое в устройстве и способах-прототипах).

Плоский торец кольцевого фланца колбы чувствительного элемента и плоское уплотнительное кольцо позволяют изготовить их с большой точностью и облегчить герметизацию соединения.

Конструкция датчика и способ сборки обеспечивают ремонтопригодность узла чувствительного элемента при обнаружении негерметичности соединения колбы с корпусом при наличии дефектных деталей в процессе его сборки, в отличие от прототипа, когда при наличии негерметичности бракуют весь узел, что приводит к удорожанию изделия.

Литература
1. Патент ФРГ N 3416948, кл. G 01 N 27/50, выдан 13.11.86.

2. Патент ФРГ N 3417170, кл. G 01 N 27/50, публ. 15.11.84.

3. Патент США N 4.578.174, кл. 204/429, G 01 N 27/58, публ. 25.03.86.

4. Патент ФРГ H 3620427, кл. G 01 N 27/50, публ. 02.01.87.

5. Патент США N 4175019, кл. 204-195 S, G 01 N 27/50, публ. 20.11.79.

6. Патент США N 5.049.255, кл. 204/428, G 01 N 27/409, публ. 17.09.91.

7. Патент США N 4.145.172, кл. 204/195 S, G 01 N 27/46, публ. 20.03.79.

8. Патент США N 4.750.256, кл. 29/570, G 01 N 27/46, публ. 14.06.88.

Изобретение относится к области измерения содержания кислорода в выхлопных газах двигателей внутреннего сгорания автомобиля. Сущность изобретения: кислородный датчик содержит корпус датчика, последовательно размещенные в расточке корпуса уплотнительное кольцо, колбу чувствительного элемента с внешним кольцевым фланцем, контактный элемент и изоляционную втулку. Отличие датчика состоит в том, что часть расточки корпуса выполнена резьбовой и в ней размещена резьбовая втулка, поджатая с заданным усилием к изоляционной втулке для обеспечения герметичности соединения корпуса и колбы чувствительного элемента. При этом на внешней цилиндрической поверхности изоляционной втулки выполнен продольный паз, в котором размещен зуб корпуса. Торец фланца колбы чувствительного элемента выполнен плоским. Способ сборки кислородного датчика отличается тем, что после установки изоляционной втулки в корпус выполняют зуб из материала корпуса, входящий в продольный паз указанной втулки, а затем в резьбовое отверстие корпуса вворачивают с заданным усилием резьбовую втулку. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Кислородный датчик, содержащий корпус, последовательно размещенные в расточке корпуса уплотнительное кольцо, колбу чувствительного элемента с внешним кольцеообразным фланцем, с измерительным электродом и электродом сравнения в виде токопроводящих покрытий, нанесенных соответственно на наружную и внутреннюю поверхности колбы чувствительного элемента, причем по крайней мере один из электродов нанесен на один из торцов кольцеообразного фланца чувствительного элемента, контактный элемент и изоляционную втулку, отличающийся тем, что часть расточки корпуса выполнена резьбовой и в ней размещена резьбовая втулка, поджатая с заданным усилием к изоляционной втулке, на внешней цилиндрической поверхности которой выполнен продольный паз, в котором размещен зуб корпуса, при этом контактный элемент выполнен в виде втулки с кольцеообразным контактом, расположенным коаксиально снаружи втулки. 2. Способ сборки кислородного датчика, включающий размещение уплотнительного кольца в расточке корпуса, вставку изоляционной втулки в корпус, установку в корпус колбы чувствительного элемента с внешним кольцеообразным фланцем на открытом торце, имеющей измерительный электрод и электрод сравнения в виде токопроводящего покрытия, нанесенного соответственно на наружную и внутреннюю поверхности колбы, причем по крайней мере один из электродов нанесен на один из торцов кольцеообразного фланца чувствительного элемента, приложение усилия для перемещения чувствительного элемента до прижатия к уплотнительному кольцу, установку контактного элемента с приложением силы до прижатия его к внутреннему токопроводящему покрытию на колбе чувствительного элемента, отличающийся тем, что установку изоляционной втулки в корпус производят после установки колбы чувствительного элемента и контактного элемента, а затем в зоне продольного паза изоляционной втулки на корпусе образуют зуб из материала корпуса, например, чеканкой, после чего в резьбовое отверстие корпуса ввинчивают резьбовую втулку. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что после сборки осуществляют контроль герметичности и при необходимости производят переборку датчика с заменой дефектных деталей.