DE10048241C1 - Sensorelement mit einer Schutzeinrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird ein Sensorelement (5), insbesondere eine Lambda-Sonde zur Analyse von Abgasen in Verbrennungsmotoren, mit einer Schutzeinrichtung (14) vorgeschlagen, wobei die Schutzeinrichtung ein sensitives, einem Gas ausgesetztes Bauteil (20) des Sensorelementes (5) zumindest bereichsweise umgibt oder abdeckt. Weiter ist vorgesehen, dass die Schutzeinrichtung (14) ein Mittel (11, 15) aufweist oder mit einem solchen verbunden ist, mit dem der Gaszutritt zu dem sensitiven Bauteil (20) regulierbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement, insbesondere eine Lambda- Sonde zur Analyse von Abgasen und Verbrennungsmotoren, mit einer Schutzeinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruches.

Stand der Technik

Das sensitive Bauteil üblicher Lambda-Sonden, wie sie vielfach zur Analyse von Abgasen im Abgassystem von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, ist zum Schutz vor Beschädigung infolge mechanischer und thermischer Einwirkungen üblicherweise von einem Schutzrohr umgeben, das durch geeignete Öffnungen den Zutritt des zu analysierenden Abgases zu dem innerhalb des Schutzrohres angeordneten sensitiven Bauteils der Lambda-Sonde erlaubt. Dieses Schutzrohr dient in erster Linie der Vermeidung von Transportschäden und Einbauschäden, sowie der Vermeidung einer Thermoschockbelastung des eigentlichen, beheizten sensitiven Bauteils der Lambda-Sonde durch Kontakt mit Wassertropfen.

Ein solches Schutzrohr, wie es beispielsweise in DE 40 09 890 A1 beschrieben ist, stellt dabei einen Kompromiss zwischen hinreichender Schutzwirkung speziell gegen Wasserbeaufschlagung bei Kaltstarts in der darauf folgenden Warmlaufphase des Motors und möglichst geringer Reaktionszeit des Messsignals des Sensorelementes bei Änderung des Sauerstoffgehaltes im Abgas dar.

Aus DE 196 28 423 C2 ist ein Gassensor mit einem Sensorelement bekannt, welches in einem Gehäuse fixiert und mit einem doppelwandigen Schutzrohr umgeben ist, welches eine geschlossene Mantelfläche und Öffnungen zum Gaseintritt bzw. Gasaustritt an der Stirnseite der äußeren Schutzhülse sowie im Zwischenraum zwischen äußerer Schutzhülse und innerer Schutzhülse aufweist. Die innere Schutzhülse definiert in ihrem Inneren einen Messgasraum, in den das Sensorelement hineinragt. Zudem weist auch die innere Hülse Öffnungen zum Gaseintritt bzw. Gasaustritt auf.

Aus DE 37 43 295 C1 ist schließlich bekannt, bei einer beheizten Lambda-Sonde in Strömungsrichtung der Abgase gesehen vor der Lambda- Sonde im Abgasstrom ein Gaslenkblech derart anzuordnen, dass die Lambda-Sonde in dessen Strömungsschatten liegt. Auf diese Weise werden Thermoschockreaktionen durch Auftreffen von Flüssigkeitströpfchen beim Kaltstart auf die beheizte Sondenkeramik vermieden.

Um dabei die Reaktionszeit des Sensorelementes, beispiels­ weise durch eine Ausführung des Schutzrohres mit sehr hoher Schutzwirkung, nicht zu sehr zu vermindern, ist bisher vor­ gesehen, dass das Schutzrohr so ausgeführt ist, dass in der Warmlaufphase des Motors eine Beaufschlagung des sensitiven Bauteils des Sensorelementes mit Wasser bzw. Wassertropfen zunächst nicht vollständig ausgeschlossen werden kann. Dabei wird jedoch gleichzeitig die Beheizung des sensitiven Bau­ teils auf dessen optimale Betriebstemperatur über eine Ver­ änderung der Heizleistung bis zum Erreichen der Taupunkttem­ peratur von Wasser in dem anliegenden Abgas durch zunehmen­ den Warmlauf des Motors zunächst so weit reduziert, dass die Temperatur des beispielsweise als Keramikplättchen ausge­ führten sensitiven Bauteils eine Temperatur von ca. 400°C nicht überschreitet. Erst wenn die Warmlaufphase des Motors abgeschlossen oder so weit fortgeschritten ist, dass die Temperatur des anliegenden Abgases die Taupunkttemperatur von Wasser überschritten hat, wird dann die Heizleistung so weit erhöht, dass das sensitive Bauteil seine Betriebstempe­ ratur von ca. 750°C erreicht.

Diese Vorgehensweise führt zwar zu einer guten Reaktionszeit der Lambda-Sonde, hat jedoch den Nachteil, dass sie in der Warmlaufphase des Motors aufgrund der zunächst herabgesetz­ ten Betriebstemperatur für eine stetige Regelung noch nicht messbereit ist bzw. unzureichend arbeitet.

Außerdem ist bisher dann, wenn die Abgastemperatur die Tau­ punkttemperatur von Wasser überschritten hat, d. h. nach er­ folgtem Warmlauf des Motors, der bisher durch das Schutzrohr realisierte Schutz des sensitiven Bauteils des Gassensors nicht mehr in dem Maße erforderlich, wie während der Warm­ laufphase des Motors. Das Schutzrohr erhöht dann lediglich in unnötiger Weise die Zeitkonstante der Lambda-Sonde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war eine Verbesserung der Reaktionszeit des Sensorelementes in allen Betriebszuständen bei gleichzeitig hinreichender Schutzwirkung speziell gegen Wasserbeaufschlagung im Bereich des sensitiven Bauteils des Sensorelementes.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Sensorelement hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass der Gaszutritt zu dem sensiti­ ven Bauteil den jeweiligen Betriebsparametern des Sensorele­ mentes und insbesondere der Temperatur des anliegenden Gases angepasst ist, so dass beispielsweise im Falle des Einsatzes in einer Lambda-Sonde der Schutz des eigentlichen sensitiven Bauteils durch die Schutzeinrichtung in der Warmlaufphase eines Verbrennungsmotors verbessert, und bei betriebswarmem Motor die Reaktionszeit des Sensorelementes reduziert wird, was zu funktionalen Vorteilen bei der Motorsteuerung führt.

Insbesondere ist vorteilhaft, dass eine bisher vielfach ein­ gesetzte Software zur Modellierung der zeitabhängigen Abgas­ temperatur in der Motorsteuerung oder der Beheizung entfal­ len bzw. hinsichtlich ihres Umfanges deutlich reduziert wer­ den kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist besonders vorteilhaft, wenn die Regulierung des Gas­ zutrittes zu dem sensitiven Bauteil temperaturabhängig er­ folgt, so dass bei oder oberhalb einer ersten Temperatur der Gaszutritt zu dem sensitiven Bauteil ermöglicht oder er­ leichtert ist, während bei oder unterhalb einer zweiten, gegenüber der ersten Temperatur niedrigeren Temperatur der Gaszutritt verhindert oder erschwert wird.

Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die Schutzeinrichtung ein übliches Schutzrohr oder eine Schutzkappe ist, das mit einem Bimetallbereich versehen ist. Dieser Bimetallbereich ist be­ vorzugt ein in das Schutzrohr oder die Schutzkappe einge­ setzter oder mit diesem verbundener Bimetallstreifen oder einer Bimetallklappe, mit dem oder der temperaturabhängig die Größe der Gaszutrittsöffnungen in der Schutzeinrichtung verändert, und damit der Gaszutritt zu dem sensitiven Bau­ teil reguliert werden kann.

Ebenso ist vorteilhaft, wenn die Schutzeinrichtung einen Bi­ metallbalg, einen Teil eines solchen Balges oder eine Deh­ nungsstruktur aufweist, der oder die gegebenenfalls mit ei­ nem Tragkörper und der Schutzeinrichtung verbunden ist, und über den oder die der Gaszutritt zu dem sensitiven Bauteil regulierbar ist.

Die temperaturabhängig veränderlichen Gaszutrittsöffnungen in der Schutzeinrichtung sind vorteilhaft so ausgelegt, dass das sensitive Bauteil des Sensorelementes bei Abgastempera­ turen unterhalb der Taupunkttemperatur von Wasser gegen Was­ serbeaufschlagung optimal geschützt ist, bei höherer Tempe­ ratur jedoch eine möglichst optimale Abgaszugänglichkeit ge­ geben ist. Auf diese Weise kann das sensitive Bauteil auch schon vor Erreichen der Taupunkttemperatur des anliegenden Gases durch den optimalen Schutz gegen Wasserbeaufschlagung auf die erforderliche Betriebstemperatur aufgeheizt werden, so dass die Funktion des Sensorelementes auch bei niedrigen Temperaturen, dass heißt in der Warmlaufphase des Motors, stets gegeben ist.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel ein Sensorelement mit einer Schutzeinrichtung und einer balgförmigen Dehnungsstruktur, Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Sensorele­ mentes mit einer Schutzeinrichtung und einem in diese einge­ setzten Bimetallstreifen, Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch Fig. 2 entlang der Schnittlinie III-III und Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zu Fig. 3.

Ausführungsbeispiele

Die nachstehend erläuterten Ausführungsbeispiele gehen zu­ nächst als mit einer Schutzeinrichtung versehenes Sensorele­ ment 5 von einer bekannten planaren Lambda-Sonde zur Analyse von Abgasen in Verbrennungsmotoren aus, die in bekannter Weise in die Abgasanlage eines Kraftfahrzeuges eingebaut ist.

Dazu ist gemäß Fig. 1 vorgesehen, dass das Sensorelement 5 eine Mutter 10 und einen Tragkörper 16 aufweist, mit denen das Sensorelement 5 in dem Abgasstrom der Abgasanlage mon­ tiert wird. In Fig. 1 ist dabei lediglich der oberhalb der Mutter 10 bzw. oberhalb des Tragkörpers 16 befindliche Teil des Sensorelementes 5 dargestellt, der sich im Abgasstrom befindet. Auf die Darstellung der übrigen Teile des Senso­ relementes 5 mit Sondengehäuse und elektrischen Anschlüssen wurde verzichtet.

Die Fig. 1 zeigt weiter, dass das Sensorelement 5 ein sen­ sitives Bauteil 20 aufweist, das im konkreten Fall ein an sich bekanntes Keramikplättchen einer planaren Lambda-Sonde ist, und das von einem Schutzrohr 14 umgeben ist, das erste Gaszutrittsöffnungen 13 aufweist, über die ein Zutritt des Abgases zu dem sensitiven Bauteil 20 möglich ist. Die Anzahl der ersten Gaszutrittsöffnungen 13 und deren Anordnung kann dabei an die Anforderungen des jeweiligen Einzelfalles ange­ passt werden. Das Schutzrohr 14 ist beispielsweise eine me­ tallische Kappe.

Im erläuterten Beispiel ist die erste Gaszutrittsöffnung 13 in Form eines Schlitzes, insbesondere eines um das Schutz­ rohr 14 umlaufenden Schlitzes ausgeführt, so dass das Schutzrohr 14 freitragend von einer im Weiteren erläuterten Halteeinrichtung getragen wird, und das Schutzrohr 14 das sensitive Bauteil 20 beabstandet umgibt. Die Halteeinrich­ tung, die das Schutzrohr 14 trägt, ist ein Bimetallbalg 11, der in Form eines gewellten Bimetallbleches ausgeführt ist, so dass dieser einerseits konzentrisch das Schutzrohr 14 um­ gibt, und andererseits sowohl mit dem Tragkörper 16 als auch mit dem Schutzrohr 14 in Verbindung steht. Die Verbindung des Bimetallbalges 11 mit dem Schutzrohr 14 ist im erläuter­ ten Beispiel im Bereich des der Mutter 10 abgewandten Endes des Schutzrohres 14 realisiert, wo der Bimetallbalg 11 mit dem Schutzrohr 14 beispielsweise verschweißt ist.

Im Bereich der Verbindung zwischen Bimetallbalg 11 und Schutzrohr 14 sind weiter zweite Gaszutrittsöffnungen 12 vorgesehen, die beispielsweise in Form von Löchern oder kur­ zen Schlitzen ausgeführt sind. Diese dienen dem Zutritt des zu analysierenden Gases in den Raum zwischen Bimetallbalg 11 und Schutzrohr 14, von wo aus dieses dann weiter über die ersten Gaszutrittsöffnungen 13 in den Innenraum des Schutz­ rohres 14 eintreten kann, und dort von dem sensitiven Bau­ teil 20 hinsichtlich der Konzentration einzelner Gaskompo­ nenten, beispielsweise hinsichtlich des Sauerstoffgehaltes, analysiert wird.

Es ist offensichtlich, dass die Ausführung des Bimetallbal­ ges 11 gemäß Fig. 1 vielen unterschiedlichen, in ihrer Funktion jedoch ähnlichen Varianten unterliegt. So kann der Bimetallbalg 11 beispielsweise auch als nicht vollständig um das Schutzrohr 14 umlaufender Bimetallbalg ausgeführt sein, so dass dieser das Schutzrohr 14 lediglich bereichsweise trägt. Weiter kann der Bimetallbalg 11 auch in anderen For­ men allgemein als Dehnungsstruktur ausgeführt sein, die die Aufgabe hat, die ersten Gaszutrittsöffnungen 13 und/oder die zweiten Gaszutrittsöffnungen 12 als Funktion der jeweiligen Temperatur des Abgases zu vergrößern bzw. zu verkleinern.

Durch den Bimetallbalg 11 bzw. eine solche Dehnungsstruktur wird erreicht, dass der Gaszutritt zu dem sensitiven Bauteil 20 abhängig von der Temperatur dieses Gases derart regulier­ bar ist, dass bei und/oder oberhalb einer ersten Temperatur der Gaszutritt zu dem sensitiven Bauteil 20 ermöglicht oder erleichtert ist, während bei und/oder unterhalb einer zwei­ ten, gegenüber der ersten Temperatur niedrigeren Temperatur der Gaszutritt zu dem sensitiven Bauteil verhindert oder er­ schwert ist. Insbesondere kann dabei auch vorgesehen sein, dass unterhalb einer gewissen Grenztemperatur die ersten Gaszutrittsöffnungen 13 und/oder die zweiten Gaszutrittsöff­ nungen 12 ganz geschlossen sind.

Bevorzugt wird über den Bimetallbalg 11 bzw. die Dehnungs­ struktur eine kontinuierliche Veränderung der Größe der er­ sten Gaszutrittsöffnungen 13 und/oder der zweiten Gaszu­ trittsöffnungen 12 und damit des Gaszutrittes zu dem sensi­ tiven Bauteil 20 realisiert.

Durch die erläuterte, temperaturabhängige Veränderung des Gaszutrittes durch die Gaszutrittsöffnung 12, 13 zu dem sen­ sitiven Bauteil 20 wird insgesamt erreicht, dass bei niedri­ gen Abgastemperaturen, die einem Kaltstart oder einer Warmlaufphase des Verbrennungsmotors zuzuordnen sind, das übli­ cherweise auf Temperaturen oberhalb von 400°C aufgeheizte sensitive Bauteil 20 vor dem Zutritt von Wassertropfen oder sonstigen, zu diesem Zeitpunkt im Abgas befindlichen Verun­ reinigungen geschützt ist.

Eine Variante des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 sieht im Übrigen vor, dass Anschläge im Bereich der ersten Gaszu­ trittsöffnungen 13 vorgesehen sind, so dass das sensitive Bauteil 20 auch bei niedrigen Abgastemperaturen stets über eine definierte minimale Größe der Gaszutrittsöffnungen 13 mit dem zu analysierenden Gas außerhalb des Schutzrohres 14 in Verbindung steht.

Die Fig. 2 erläutert ein zweites Ausführungsbeispiel eines Sensorelementes 5 mit Schutzeinrichtung, wobei abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 auf den Bimetall­ balg 11 verzichtet werden kann, indem zunächst ein übliches Schutzrohr 14, beispielsweise aus Metall, vorgesehen ist, das mindestens eine, beispielsweise schlitzförmige erste Gaszutrittsöffnung 13 aufweist. In dieses Schutzrohr 14 ge­ mäß Fig. 2 ist jedoch zusätzlich im Bereich der Gaszu­ trittsöffnungen bevorzugt jeweils ein mit dem Schutzrohr 14 verbundener Bimetallbereich in Form eines Bimetallstreifens 15 bzw. einer Bimetallklappe eingesetzt, die aus einem in bekannter Weise ausgeführtem Bimetallstreifen oder einem Bi­ metallblech besteht.

Die Fig. 3 zeigt dazu, dass sich das sensitive Bauteil 20 analog zu Fig. 1 im Zentrum des Schutzrohres 14 befindet, und von mehreren, schlitzförmigen Gaszutrittsöffnungen 13 umgeben ist, die jeweils mit einer Bimetallklappe bzw. einem Bimetallstreifen 15 derart verbunden sind, dass der Gas­ durchtritt durch Variation der Größe der Gaszutrittsöffnun­ gen 13 mit Hilfe der Bimetallstreifen 15 als Funktion der Temperatur veränderbar ist. Insbesondere werden durch die Bimetallstreifen 15 die ersten Gaszutrittsöffnungen 13 bei niedrigen Temperaturen ganz oder weitgehend verschlossen oder der Gaszutritt durch die Gaszutrittsöffnungen 13 auf ein Mindestmaß reduziert, während sich bei höheren Tempera­ turen die Bimetallklappen bzw. -streifen 15 verbiegen und derart die ersten Gaszutrittsöffnungen 13 vergrößern, was zu einem erleichterten Gaszutritt zu dem sensitiven Bauteil 20 führt.

Die konkrete Ausführung der Bimetallstreifen bzw. der Bime­ tallklappen 15 gemäß Fig. 2 bzw. 3 unterliegt vielfältigen Variationen, was mit Hilfe der Fig. 4 erläutert wird. Dort sind zwei, einer gemeinsamen Gaszutrittsöffnung 13 zugeord­ nete Bimetallstreifen 15, einander gegenüber angeordnet.

Claims (10)

1. Sensorelement, insbesondere Lambda-Sonde zur Analyse von Abgasen in Verbrennungsmotoren, mit einer Schutzein­ richtung, die ein sensitives, einem Gas ausgesetztes Bauteil des Sensorelementes zumindest bereichsweise umgibt oder ab­ deckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (14) ein Mittel (11, 15) aufweist oder mit einem solchen verbunden ist, mit dem der Gaszutritt zu dem sensitiven Bau­ teil (20) regulierbar ist.

2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass der Gaszutritt abhängig von der Temperatur des Ga­ ses derart regulierbar ist, dass bei und/oder oberhalb einer ersten Temperatur der Gaszutritt zu dem sensitiven Bauteil (20) ermöglicht oder erleichtert ist, und dass bei und/oder unterhalb einer zweiten, gegenüber der ersten Temperatur niedrigeren Temperatur der Gaszutritt zu dem sensitiven Bau­ teil (20) verhindert oder erschwert ist.

3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Schutzeinrichtung ein Schutzrohr (14) oder eine Schutzkappe ist oder aufweist.

4. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass ein Zutritt von Wassertropfen, Schmutzpartikel oder sonstigen Verunreinigungen des Gases zu dem sensitiven Bauteil (20) unterbleibt.

5. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (14) min­ destens eine erste Gaszutrittsöffnung (13) aufweist.

6. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (11, 15) mindestens einen mit der Schutzeinrichtung (14) verbundenen Bimetallbe­ reich aufweist.

7. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bimetallbereich ein insbe­ sondere ein in das Schutzrohr (14) eingesetzter oder mit diesem verbundener Bimetallstreifen (15) oder ein Bimetall­ klappe ist, mit dem oder der temperaturabhängig die Größe der ersten Gaszutrittsöffnung (13) veränderbar ist.

8. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (11, 15) ein Bime­ tallbalg (11), ein Teil eines Bimetallbalges oder eine Deh­ nungsstruktur ist, der oder die mit einem Tragkörper (16) und der Schutzeinrichtung (14) verbunden ist, und über den oder die der Gaszutritt zu dem sensitiven Bauteil (20) regu­ lierbar ist.

9. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über den Bimetallbalg (11), den Teil des Bimetallbalges, den Bimetallbereich, den Bime­ tallstreifen (15), die Bimetallklappe oder die Dehnungs­ struktur die Größe der ersten Gaszutrittsöffnungen (13) als Funktion der Temperatur veränderbar ist.

10. Sensorelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mit der Schutzeinrichtung (14) versehene sensitive Bauteil (20) im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordnet ist.