DE10052002C2 - Meßfühler für Gase - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung bezieht sich auf Meßfühler für Gase, insbesondere Lambda-Sonden, zur Ermittlung des Sauerstoffgehaltes eines Meßgases, mit einem in einem für das Meßgas durchlässigen Schutzgehäuse angeordneten keramischen Sensorkörper, der beim Meßbetrieb durch eigene Heizung auf hohe Temperatur, z. B. 300°C bis 450°C, aufgeheizt bzw. auf dieser Temperatur gehalten wird.

Abgassysteme moderner Verbrennungsmotoren sind insbesondere bei Kraftfahrzeugen heute regelmäßig mit Katalysatoren zur katalytischen Zerlegung schädlicher Abgase versehen. Für eine gute Funktion der Katalysatoren ist es notwendig, dem Motor Luft und Kraftstoff in einem vorgegebenen Verhältnis zuzuführen. Die dafür vorgesehenen Motorsteuerungen sind auf ihrer Eingangsseite mit einer sogenannten Lambda-Sonde verbunden, deren Signale die Zusammensetzung der Abgase wiedergeben und damit der Motorsteuerung ermöglichen, das Verhältnis von Kraftstoff und Verbrennungsluft in einer für den Katalysator optimalen Weise einzuregeln.

Bei den eingangs angegebenen Meßfühlern ist der keramische Sensorkörper zumindest bereichsweise als Festelektrolytkörper ausgebildet, welcher für Sauerstoffionen leitfähig ist. Diese Leitfähigkeit wird ausgenutzt, um ein mit der Sauerstoffkonzentration des Meßgases korreliertes elektrisches Signal zu erzeugen.

Da der Effekt der Leitfähigkeit für Sauerstoffionen stark temperaturabhängig ist, muß der Sensorkörper während des Meßbetriebes beheizt werden, um auswertbare Signale erzeugen zu können. Typische Betriebstemperaturen des Sensorkörpers liegen zwischen 300°C bis 450°C.

Die DE 30 35 608 A1 zeigt einen Meßfühler der eingangs angegebenen Art, bei dem der Sensorkörper als keramisches Festelektrolytrohr mit auf der Außenwand angeordneter Heizung in Form eines das Festelektrolytrohr wendelförmig umschlingenden Heizdrahtes ausgebildet und bevorzugt in einem Schutzrohr mit Öffnungen zum Eintritt des Meßgases untergebracht ist.

Die DE 29 42 494 A1 zeigt ebenfalls einen Meßfühler, dessen Sensorkörper als keramisches Festelektrolytrohr ausgebildet ist. Die Heizung ist auf der Innenseite eines Schutzgehäuses angeordnet, welches den Sensorkörper aufnimmt und mit einer Öffnung für die Meßgase versehen ist. Das Gehäuse bildet also ein Heiz- und Schutzrohr für den Sensorkörper, der bei dieser Anordnung indirekt beheizt wird.

Die DE 36 28 572 C1 zeigt einen rohrförmigen keramischen Sensorkörper, welcher an seinem meßgasseitigen Ende aus elektrisch leitendem Keramikmaterial und im übrigen aus elektrisch isolierendem Keramikmaterial besteht, wobei der Bereich aus dem elektrisch isolierenden Keramikmaterial außenseitig elektrische Heizleiterbahnen trägt.

Vorteile der Erfindung

Erfindungsgemäß ist bei einem Meßfühler der eingangs angegebenen Art der Sensorkörper innerhalb des Schutzgehäuses mit einer gasdurchlässigen, netzartigen elektrischen Heizung umgeben, die vorzugsweise aus einem gegenüber schockartigen Temperatursprüngen resistenten Material besteht.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Bauweise kann mit höchster Wahrscheinlichkeit vermieden werden, daß im Meßgas mitgeschleppte Wassertröpfchen auf den Sensorkörper auftreffen und schockartig punktuelle Temperaturabsenkungen mit der Gefahr von Materialabplatzungen bewirken können.

Um nach dem Start eines Kraftfahrzeuges eine schnelle Betriebsbereitschaft des Meßfühlers herzustellen, ist die Heizung des Sensorkörpers so ausgelegt, daß dieser bereits nach wenigen Sekunden eine Temperatur von über 300°C erreicht. Dagegen erwärmt sich der Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen, nur recht langsam, mit der Folge, daß die Abgastemperaturen längere Zeit unterhalb des Taupunktes für Wasser bleiben können und der Meßfühler dementsprechend mit Wassertröpfchen "beschossen" wird. Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen wird der Sensorkörper praktisch nur noch von Wasserdampf beaufschlagt, der hinsichtlich der Lebensdauer und Funktionsfähigkeit des Sensorkörpers unkritisch ist.

Um eine besonders wirksame Verdampfung der Wassertröpfchen zu erreichen, sollte die netzartige Umhüllung sehr engmaschig und vorzugsweise mehrlagig derart ausgebildet sein, daß Partikel bzw. Tröpfchen nur auf verwinkelten Pfaden von der Außenseite der netzartigen Umhüllung zur Oberfläche des Sensorkörpers gelangen könnten und damit von der Heizung besonders wirksam verdampft werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der keramische Sensorkörper als Träger der elektrisch beheizten Umhüllung dienen. Damit lassen sich die elektrischen Anschlüsse der den Sensorkörper umhüllenden Heizung ohne weiteres direkt am Sensorkörper anordnen und gleichzeitig als Anschlüsse einer gegebenenfalls vorhandenen weiteren Heizung nutzen, die in den Sensorkörper eingebettet ist.

Zeichnungen

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Meßfühler sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 ein schematisiertes Schnittbild einer ersten Ausführungsform und

Fig. 2 ein schematisiertes Schnittbild einer weiteren Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 ist ein grundsätzlich bekanntes keramisches Gassensorelement 1 an einem Sockel 2 gehaltert, welcher einen in Fig. 1 unteren Teilbereich des Gassensorelementes 1 mittels einer keramischen Dichtungspackung 3 fest umschließt.

Um das Gassensorelement 1 gegen mechanische Beschädigungen zu schützen, ist am Sockel 2 ein das Gassensorelement 1 mit Abstandsraum umschließendes Schutzgehäuse 4 angeordnet, dessen Wandung vielfach perforiert ist, so daß ein zu sensierendes Meßgas durch die Perforationen des Schutzgehäuses 4 hindurch zum Gassensorelement 1 gelangen kann.

Erfindungsgemäß ist das Gassensorelement 1 innerhalb des Schutzgehäuses 4 mit einer als netzartige Umhüllung des Gassensorelementes 1 ausgebildeten elektrischen Heizung 5 versehen, so daß das Meßgas auf seinem Weg zum Sensorelement 1 wirksam aufgeheizt und im Meßgas mitgeschleppte Wassertröpfchen verdampft werden, bevor sie auf das Gassensorelement 1 auftreffen könnten.

In diesem Zusammenhang ist zweckmäßig, daß die Heizung 5 eine dichte, gegebenenfalls mehrlagige Netzstruktur aufweist und auf eine vergleichsweise hohe Temperatur, beispielsweise 400°C, aufheizbar ist.

Insbesondere ist zweckmäßig, daß das Material, aus dem die Heizung 5 hergestellt ist, gegen starke Temperaturänderungen, insbesondere gegen punktuelle schockartige Temperaturabsenkungen beim Auftreffen eines Wasserströpfchens auf die Netzstruktur der Heizung 5, unbeschädigt bleibt.

Es hat sich herausgestellt, daß übliche Heizdrahtmaterialien gut geeignet sind, insbesondere wenn die Drahtquerschnitte des Netzwerkes bzw. Drahtgespinstes gering bemessen sind.

Im Beispiel der Fig. 1 umschließt die Heizung 5 das Gassensorelement 1 mit einem gewissen Abstand. Hierbei wird die Tatsache ausgenutzt, daß das Drahtnetz der Heizung 5 selbsttragend ausgebildet werden kann.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß das Gassensorelement 1 als Träger der Heizung 5 ausgebildet ist, d. h. das Heizdrahtnetz bzw. -gespinst ist unmittelbar auf der Oberseite des Gassensorelementes 1 angeordnet.

Dies bietet den Vorteil, daß die elektrischen Anschlüsse der Heizung 5 am bzw. auf dem Gassensorelement 1 angeordnet sein können. Beispielsweise ist es möglich, auf dem Gassensorelement 1 entsprechende Leiterbahnen (z. B. durch Siebdruck) anzuordnen. Im Beispiel der Fig. 1 sind dagegen vom Sensorkörper 1 getrennte elektrische Anschlüsse 6 für die Heizung 5 vorgesehen.

Sowohl bei der Ausführungsform nach Fig. 1 als auch der Ausführungsform nach Fig. 2 kann die Heizung 5 so ausgelegt sein, daß sie auch das Gassensorelement 1 auf seine Betriebstemperatur bringen bzw. die Betriebstemperatur des Gassensorelementes 1 aufrechterhalten kann.

Dementsprechend kann darauf verzichtet werden, in den Keramikkörper des Gassensorelementes 1 eine elektrische Heizung einzubetten.

Grundsätzlich ist es jedoch möglich, das Gassensorelement 1 zusätzlich zu der Heizung 5 mit einer eigenen Heizung zu versehen, die in der Regel in das Keramikmaterial des Sensorkörpers (1) eingebettet ist, jedoch auch als Heizleiterbahn auf der Außenseite des Sensorkörpers (1) angeordnet sein kann.

Claims (9)

1. Gasfühler, insbesondere Lambda-Sonde, zur Ermittlung des Sauerstoffgehaltes eines Meßgases, mit in einem für das Meßgas offenen Schutzgehäuse angeordneten keramischen Sensorkörper (1), der beim Meßbetrieb auf hohe Temperatur, z. B. 400°C, aufgeheizt und auf dieser Temperatur gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper (1) innerhalb des Schutzgehäuses (4) mit einer netzartigen elektrischen Heizung (5) umgeben ist.

2. Gasfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die netzartige elektrische Heizung (5) den Sensorkörper (1) auf Betriebstemperatur bringt bzw. hält.

3. Gasfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper (1) als Träger der netzartigen Heizung (5) dient.

4. Gasfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die netzartige elektrische Heizung (5) selbsttragend ausgebildet ist.

5. Gasfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die netzartige elektrische Heizung (5) den Sensorkörper (1) mit Abstand umschließt.

6. Gasfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die netzartige elektrische Heizung (5) als mehrlagiges Netz bzw. Gespinst ausgebildet ist.

7. Gasfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Heizung (5) aus einem gegen schockartige Temperatursprünge resistenten Material besteht.

8. Gasfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorkörper (1) zusätzlich mit einer eigenen Heizung versehen ist.

9. Gasfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die netzartige Heizung (5) als Schutz des Sensorkörpers (1) vor Wassertröpfchen dient und eine Verdampfung der Wassertröpfchen bewirkt, bevor diese auf den Sensorkörper auftreffen können.