КИСЛОРОДНЫЙ ДАТЧИК Российский патент 1997 года по МПК G01N27/416 

Изобретение относится к области измерения содержания кислорода в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания автомобиля.

Известен кислородный датчик, имеющий корпус, размещенные в корпусе твердоэлектролитный чувствительный элемент, первое уплотнительное кольцо, концентрический трубчатый терминал с направленным наружу контактным фланцем для эталонного электрода на одном торце чувствительного элемента и размещенный в терминале и соединенный с ним стержень нагревательного элемента, изоляционную втулку и второе уплотнительное кольцо, причем трубчатый терминал сцентрирован в коаксиальном направлении посредством взаимодействия заплечика скошенного наружного края торца чувствительного элемента, внутреннего заплечнка первого уплотнительного кольца и внутреннего заплечика, образованного в отверстии наружного фланца трубчатого терминала. Размещенные внутри корпуса элементы зафиксированы внутренним заплечиком корпуса, взаимодействующим с торцем второго уплотнительного кольца. Указанное взаимодействие осуществлено деформацией стенки корпуса, например, завальцовкой, после установки всех элементов [1]
Недостатком известного кислородного датчика является большая погрешность в центрировании стержня нагревательного элемента внутри чувствительного элемента, и, как следствие, неравномерность прогрева чувствительного элемента и неточность измерения концентрации кислорода в выхлопных газах.

Вторым недостатком конструкции является неразъемное соединение чувствительного элемента и стержня нагревательного элемента и невозможность смены последнего после завальцовки корпуса и отрицательного результата проверки узла на герметичность.

Известен также принятый за прототип кислородный датчик, содержащий корпус, чувствительный элемент, уплотнительное кольцо, контактную втулку с дискообразным контактом и хвостовиком, который оснащен несколькими шлицами, которые открыты на удалении от чувствительного элемента, размещенный в этой втулке и удерживаемый в ней стержень нагревательного элемента, изоляционную втулку, центрирующую стержень в коаксиальном направлении, токоподвод чувствительного элемента, контактирующий со стержнем нагревательного элемента [2]
Недостатком такой конструкции является низкая технологичность сборки датчика из-за отсутствия возможности автоматического и быстрого обеспечения заданного аксиального перемещения нагревательного элемента и фиксации его положения относительно дна чувствительного элемента, недостаточная точность центрирования стержня нагревательного элемента в коаксиальном направлении вследствие углового продольного поворота стержня в лепестках разрезной части хвостовика контактной втулки, что может привести к снижению точности измерений из-за неравномерного прогрева чувствительного элемента или выходу из строя чувствительного элемента.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения технологичности сборки кислородного датчика и автоматического обеспечения его аксиального положения, повышение точности измерения за счет более равномерного прогрева чувствительного элемента вследствие точного размещения стержня нагревательного элемента в коаксиальном направлении.

Сущность изобретения заключается в том, что кислородный датчик содержит корпус, размещенные в нем уплотнительное кольцо, чувствительный элемент, контактную втулку с дискообразным контактом и первым хвостовиком, снабженным продольными шлицами. Внутри контактной втулки размещен и удерживается в ней стержень нагревательного элемента. В корпусе размещена изоляционная втулка, которая охватывает контактную втулку и центрирует стержень нагревательного элемента. Отличие заявляемой конструкции заключается в том, что токоподвод чувствительного элемента снабжен дополнительным контактным элементом, жестко соединенным со стержнем нагревательного элемента и снабженным ограничителем аксиального перемещения стержня нагревательного элемента, взаимодействующем с контактной втулкой.

Введение ограничителя на стержне нагревательного элемента позволяет быстро устанавливать стержень внутри чувствительного элемента, автоматически выдерживая заданное расстояние от конца нагревательного элемента до закрытого конца чувствительного элемента.

Для более точной установки стержня нагревательного элемента в коаксиальном направлении контактная втулка снабжена вторым хвостовиком направленным от чувствительного элемента.

Дополнительный контактный элемент может быть выполнен в виде разрезной втулки ступенчатой формы, внутренний заплечик которой является ограничителем перемещения нагревательного элемента. Ограничитель перемещения может быть выполнен и в виде местного сужения на гладкой разрезной втулке, например, в виде кольцевой канавки. При сборке датчика один из концов разрезной втулки охватывает конец второго хвостовика контактной втулки, при этом конец хвостовика взаимодействует с заплечиком или кольцевой канавкой разрезной втулки.

На стержне нагревательного элемента выполнена металлизированная площадка, на которой размещена разрезная втулка и жестко соединена с ней, например, пайкой.

На внешней поверхности первого хвостовика контактной втулки в зоне расположения продельных шлицов выполнена кольцевая канавка, в которой размещено пружинное кольцо.

Отмеченные отличия заявляемого кислородного датчика отсутствуют в известных конструкциях и позволяют получить модуль нагревательного элемента, обеспечивающий его аксиальное и коаксиальное выравнивание при сборке датчика и его замену в узле при неисправности в процессе сборки.

На фиг. 1 изображен заявляемый кислородный датчик, на фиг. 2 вариант исполнения дополнительного контактного элемента.

Кислородный датчик содержит корпус 1, в расточке которого последовательно размещены уплотнительное кольцо 2, колба чувствительного элемента 3, с внешним фланцем 4, выполненная из керамического материала, контактная втулка 5 с дискообразным контактом 6, изоляционная втулка 7 из керамического материала и резьбовая втулка 8 со шлицами, поднимающая указанные элементы с заданным усилием к внутреннему торцу корпуса 1.

Контактная втулка 5 имеет первый хвостовик 9, направленный от дискообразного контакта 6 в сторону колбы чувствительного элемента 3 и снабженный продольными шлицами, и второй хвостовик 10, расположенный по другую сторону дискообразного контакта 6.

В контактной втулке 5 размещен и зажат с помощью пружинного кольца 11 стержень 12 нагревательного элемента 13.

На стержне размещены с разнесением на 180^o металлизированные площадки 14 для присоединения выводов 15 нагревательного элемента, размещенных в продольных канавках стержня 12, лепестков токоподводов 16. На стержне также выполнена дополнительная металлизированная площадка 17 с которой соединен, например пайкой, дополнительный контактный элемент 18 с токоподводом 19. Контактный элемент 18 может быть выполнен в виде разрезной втулки ступенчатой формы, больший диаметр которой охватывает второй хвостовик 10 контактной втулки 5, а внутренний заплечик служит ограничителем перемещения стержня 12 нагревательного элемента при его установке в контактную втулку. Дополнительный контактный элемент может быть выполнен и в виде разрезной гладкой втулки (см. фиг. 2), на которой выполнена канавка, которая и служит ограничителем перемещения стержня 12 нагревательного элемента.

Конец стержня нагревательного элемента с токоподводами закрыт кожухом 20 и колпачком 21 с размещенной в нем уплотнительной втулкой 22, через аксиальные отверстия которой выведены из кожуха токоподводы 16 нагревательного элемента и токоподвод 19 чувствительного элемента. Уплотнительная втулка закреплена в колпачке 21 при помощи выполненной на нем кольцевой канавки 23. На колпачке 21 размещен контакт 24 чувствительного элемента, электрически соединенный через колпачок 21, кожух 20, корпус 1, уплотнительное кольцо 2 с измерительным электродом 25, нанесенным на внешней поверхности и примыкающем к корпусу торце фланца 4 колбы чувствительного элемента. Электрод сравнения 26 нанесен на внутреннюю поверхность и торец открытого конца колбы чувствительного элемента 3.

Колба чувствительного элемента 3 защищена экраном 27, бурт которого размещен в проточке корпуса 1 и соединен с ним путем завальцовки стенки корпуса 1.

На экране 27 выполнены продольные прорези 28 для доступа выхлопных газов к измерительному электроду. В изоляционной втулке 7 выполнен продольный паз 29, в котором размещен зуб 30 корпуса, фиксирующий втулку 7 от поворота при затяжке гайки 8.

Кислородный датчик собирают в следующей последовательности.

В проточку корпуса 1 устанавливают экран 27 и соединяют его с корпусом 1 завальцовкой стенки корпуса на экран.

В корпус последовательно устанавливают уплотнительное кольцо 2, колбу чувствительного элемента 3, контактную втулку 5 с дискообразным контактом 6 и пружинным кольцом 11, изоляционную втулку 7 и резьбовую втулку 8. Затягивая втулку 8 с определенным заранее заданным усилием обеспечивают поджатие через втулку 7 дискообразного контакта 6 к торцу колбы чувствительного элемента 3 и уплотнительного кольца 2 к корпусу 1, обеспечивая при этом электрический контакт и герметичное соединение корпус колба.

После чего стержень 12 нагревательного элемента с закрепленными на нем токоподводами 16, 19 и разрезной втулкой 18 вводят в отверстие контактной втулки 5 до упора заплечика разрезной втулки 18 с торец хвостовика 10 контактной втулки 5, и соединяют втулки сваркой или пайкой.

Надевают на корпус 1 кожух 20, соединяют их сваркой или пайкой. Токоподводы 16 и 19 пропускают через соответствующие аксиальные отверстия изоляционной втулки 22, установленной в колпачке 21, надевают колпачок на кожух 20 и соединяют их сваркой или пайкой.

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 25 через прорези 28 экрана 27 поступают выхлопные газы, а к электроду сравнения 26 через уплотнительную втулку 22 и негерметичное соединение кожуха 20 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.

Преимуществом заявляемой конструкции кислородного датчика является высокая технологичность сборки, обеспечивающая надежность крепления нагревательного элемента, и автоматическую точную установку его в аксиальном и коаксиальном направлениях с обеспечением заранее заданных расстояний от стенок колбы чувствительного элемента, что влечет в свою очередь равномерный прогрев чувствительного элемента и более точное измерение содержания кислорода в выхлопных газах и надежной работы датчика.

Использование: для измерения содержания кислорода в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Сущность изобретения: в корпусе датчика последовательно размещены уплотненное кольцо, колба чувствительного элемента с внешним фланцем, контактная втулка с кольцеобразным контактом, конец которой снабжен продольными шлицами. В контактной втулке размещен стержень нагревательного элемента. Изоляционная втулка центрирует стержень нагревательного элемента в коаксиальном направлении. Токоподвод чувствительного элемента снабжен дополнительным контактным элементом, жестко соединенным со стержнем нагревательного элемента и снабженным ограничителем аксиального перемещения стержня нагревательного элемента, взаимодействующим с контактной втулкой, 6 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. Кислородный датчик, содержащий корпус, в котором последовательно размещены уплотнительное кольцо, колба чувствительного элемента с внешним фланцем, контактная втулка с кольцеобразным контактом, конец которой снабжен продольными шлицами, размещенный и удерживаемый в контактной втулке стержень нагревательного элемента, токоподвод чувствительного элемента, механически контактирующий со стержнем нагревательного элемента, изоляционную втулку, центрирующую стержень нагревательного элемента в коаксиальном направлении, отличающийся тем, что токоподвод чувствительного элемента снабжен дополнительным контактным элементом, жестко соединенным со стержнем нагревательного элемента и снабженным ограничителем аксиального перемещения стержня нагревательного элемента, взаимодействующим с контактной втулкой. 2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что контактная втулка снабжена вторым концом, направленным от чувствительного элемента и взаимодействующим с ограничителем аксиального перемещения нагревательного элемента. 3. Датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительный контактный элемент выполнен в виде соединенной с токоподводом разрезной ступенчатой втулки, внутренний заплечик которой является ограничителем аксиального перемещения стержня нагревательного элемента. 4. Датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительный контактный элемент выполнен в виде разрезной ступенчатой втулки, своей частью большего диаметра охватывающей второй конец контактной втулки и взаимодействующей с ее торцом внутренним заплечиком, образованным в месте перехода от большего диаметра к меньшему. 5. Датчик по п.1, отличающийся тем, что дополнительный контактный элемент выполнен в виде разрезной втулки, а ограничитель аксиального перемещения выполнен в виде местного сужения, например в виде кольцевой канавки. 6. Датчик по п.1, отличающийся тем, что на стержне нагревательного элемента выполнена металлизированная поверхность, на которой расположен и соединен с ней пайкой дополнительный контактный элемент. 7. Датчик по п.1, отличающийся тем, что контактная втулка с кольцеобразным контактом в зоне расположения продольных шлицов снабжена внешней кольцевой канавкой, в которой размещено пружинное кольцо.