DE10153735A1

DE10153735A1 - Meßfühler

Info

Publication number: DE10153735A1
Application number: DE2001153735
Authority: DE
Inventors: Helmut Weyl; Hans-Martin Wiedenmann; Karl-Hermann Friese
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-31
Filing date: 2001-10-31
Publication date: 2003-05-22
Anticipated expiration: 2021-11-01
Also published as: DE10153735B4; WO2003040717A1

Abstract

Es wird ein Meßfühler zum Messen des Sauerstoffgehalts in Gasen, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, angegeben, der ein dem Meßgas ausgesetztes Sensorelement (13) und ein das Sensorelement (13) zum Schutz gegen Auftreffen von im Meßgas enthaltenen Kondenswassertröpfchen umgebendes Schutzglied aufweist. Zur Erzielung einer verbesserten Wirkung bei einer kostensenkenden Ausführung des Schutzglieds ist dieses als ein über das Sensorelement (13) gestülpter, feinporiger Siebtopf (20) mit geringem Strömungswiderstand und geringem Speichervolumen für Kondenswasser ausgebildet. Vorzugsweise ist der Siebtopf (20) aus einem Maschengitter (21) mit enger Maschenweite hergestellt (Fig. 1).

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Meßfühler zum Messen des Sauerstoffgehalts in Gasen, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem solchen Meßfühler ist das üblicherweise aus keramischem Material bestehende Sensorelement dem Meßgas ausgesetzt. Das direkte Auftreffen des Meßgases und der in den Meßgasen enthaltenden Partikel gefährden das Sensorelement infolge der aggressiven Heißgastemeperaturwechsel und auch infolge mechanischer Beschädigung durch die Partikel. Um solche Schädigungen des Sensorelements wenigstens zu reduzieren, ist bei einem bekannten, im Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine angeordneten Meßfühler (DE 40 09 890 A1) das Sensorelement von einem nach unten offenen Schutzrohr umgeben, an dessen Öffnungsrand eine koaxial umlaufende, in den Innenraum des Schutzrohrs weisende Sicke ausgebildet ist. Durch dieses Schutzrohr muß das Meßgas, um das Sensorelement zu erreichen, seine Strömungsrichtung um etwa 90° ändern. Damit treffen die schädlichen Partikel im Abgas mit einer wesentlich geringeren Geschwindigkeit auf das Sensorelement auf, und auch das im Auspuffrohr während des Warmlaufens der Brennkraftmaschine aus den Verbrennungsprodukten entstehende Kondenswasser gelangt nicht oder nur in sehr reduziertem Umfang zu dem Sensorelement. Zudem fängt ein die stirnseitige Öffnung des Schutzrohrs überdeckendes, feinmaschiges Metallgitter in Meßgas verwirbelte Feuchtigkeitstropfen ab. Der mit dem Schutzrohr erzielte Vorteil der höheren Lebensdauer des Meßfühlers gilt ganz besonders für Meßfühler, deren Sensorelement mittels eines integrierten, elektrischen Heizelements beheizt werden.
Bei dem bekannten Meßfühler mit Schutzrohr kann sich unter ungünstigen Betriebsbedingungen, z. B. in einer Abschalt- oder Abkühlphase, im Innenbereich des Schutzrohrs Kondenswasser bilden, das dann beim schnellen Aufheizen des beheizbaren Sensorelements in Tropfenform verspritzt. Diese Kondenswassertröpfchen rufen beim Auftreffen auf die heiße Sensorelementoberfläche dort aufgrund des Temperaturschocks unzulässig hohe Verspannungen hervo, die zum Bruch des keramisch aufgebauten oder eingekapselten Sensorelements führen können.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Meßfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch den feinporigen Siebtopf, der gemäß vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung als engmaschiges Maschengitter oder -netz oder als Lochblech mit hoher Lochdichte und kleinem Lochdurchmesser ausgeführt ist, die durch das schnelle Aufheizen des Sensorelements verspritzten Wassertröpfchen durch den Siebtopf abgefangen und von dem Sensorelement ferngehalten werden, so daß Temperaturschockbeanspruchungen des Sensorelements vermieden werden. Gleichzeitig ist es möglich, das Sensorelement wieder vorteilhaft direkt ohne Umleitung vom Meßgas anströmen zu lassen, wobei im Meßgas enthaltene, das Sensorelement schädigende Partikel durch den Siebtopf abgehalten werden. Der erfindungsgemäße Siebtopf weist einen geringen Strömungswiderstand für das hindurchströmende Meßgas und aufgrund seiner geringen Wanddicke von kleiner als 500 µm ein so geringes Speichervolumen für Kondenswasser auf, daß sich beim Aufheizen des Sensorelements keine gefährlichen Wassertropfen an der dem Sensorelement zugewandten Seite der Siebtopfoberflache bilden können, die dann auf das heiße Ssnsorelement spritzen könnten.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Meßfühlers möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Siebtopf mit einer katalytisch aktiven Beschichtung und/oder Imprägnierung oder mit einem Getter versehen. Dadurch kann einerseits das thermodynamische Gleichgewicht im Meßgas eingestellt werden, und andererseits werden im Abgas enthaltene Gifte für die Elektroden des Sensorelements, wie z. B. Siliziumverbindungen, Reaktionsprodukte aus Öladditiven oder Schwefelverbindungen im Kraftstoff, vom Sensorelement abgehalten. Die Getterwirkung für Schadstoff-Partikel im Abgas wird dabei bereits weitgehend durch die Filterstruktur des Siebtopf s erreicht, wenn dieser als feinmaschiges Maschengitter oder Maschennetz mit einer Filterfeinheit von kleiner 100 µm, vorzugsweise als optisch nicht durchlässiges Filtergewebe, z. B. als Tressengewebe mit unterschiedlichem Drahtdurchmesser für Kette und Schuß, ausgeführt wird. Der für das Tressengewebe verwendete Metalldraht ist hochtemperaturfest, da der Siebtopf den Abgastemperaturen bis ca. 1200°C standhalten muß.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt eines Meßfühlers zum Messen des Sauerstoffgehalts in Gasen,
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 ausschnittweise einen Längsschnitt des Meßfühlers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 4 einen Schnitt eines Sensorelements im Meßfühler längs der Linie IV-IV in Fig. 3,
Fig. 5 ausschnittweise einen Längsschnitt des Meßfühlers gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI in Fig. 5,
Fig. 7 ausschnittweise einen Längsschnitt des Meßfühlers gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in Fig. 1 im Längsschnitt und in Fig. 2 im Querschnitt dargestellte Meßfühler für die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Gasen wird z. B. als sog. Lambdasonde in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine angeordnet und mißt den Sauerstoffgehalt im Abgas, dem sog. Meßgas, nach dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitenden Festeletrolyten oder durch Änderung seines elektrischen Widerstandes bei unterschiedlichen Konzentrationen der Gaskomponenten im Meßgas.
Der Meßfühler weist einen mit einem Einschraubgewinde 11 versehenen, metallischen Gehäusesockel 12 auf, in dem ein Sensorelement 13 mittels einer keramischen Dichtungspackung 14 gehaltert ist. Der unten aus dem Gehäusesockel 12 herausragende Abschnitt des Sensorelements 13, der dem Meßgas ausgesetzt ist, ist von einem inneren Schutzrohr 15 und einem äußeren Schutzrohr 16, die konzentrisch zur Achse von Sensorelement 13 und Gehäusesockel 12 angeordnet sind, umgeben. Beide Schutzrohre 15, 16 sind haubenförmig ausgebildet und weisen stirnseitig eine Durchlaßöffnung 17 bzw. 18 auf. Die Durchlaßöffnung 18 des äußeren Schutzrohrs 16 ist dabei so ausgebildet, daß das innere Schutzrohr 15, das eine größere Axiallänge als das äußere Schutzrohr 16 aufweist, durch die Durchlaßöffnung 18 hindurchtritt. Zusätzlich zu der Durchlaßöffnung 17 an seiner Stirnseite weist das innere Schutzrohr 15 noch mehrere in Umfangsrichtung versetzte Durchtrittsöffnungen 19 auf. Über die Durchlaßöffnungen 17, 18 und die Durchtrittsöfffnung 19 gelangt das Meßgas an das Sensorelement 13. Beide Schutzrohre 15, 16 sind mit radialem Abstand vom Sensorelement 13 am Gehäusesockel 12 befestigt. Arbeitet der Meßfühler nach dem Prinzip der Sauerstoffkonzentrationskette mit ionenleitendem Festelektrolyten, so umfaßt das Sensorelement 13 - wie dies beispielsweise in der DE 40 09 890 A1 beschrieben ist - ein Festelektrolytrohr und ein im Innern des Festelektrolytrohrs angeordnetes elektrisches Heizelement. Im Meßbetrieb wird das aus Keramik hergestellte Festelektrolytrohr durch das Heizelement auf eine Temperatur von z. B. 300°C bis 450°C aufgeheizt und auf dieser Temperatur gehalten.
Es hat sich gezeigt, daß unter ungünstigen Betriebsbedingungen, z. B. in einer Abschalt- oder Abkühlphase der Brennkraftmaschine, sich im Innenbereich der Schutzrohre 15, 16 Kondenswasser bildet, welches dann beim Aufheizen des benetzbaren Sensorelements 13 verspritzt und beim Auftreffen in Tröpfchenform auf die heiße Oberfläche des Sensorelements 13 dort aufgrund des Temperaturschocks unzulässig hohe Verspannungen hervorruft, die zum Bruch des keramischen Sensorelements 13 führen können. Um dies zu vermeiden, ist ein feinporiger Siebtopf 20 über das Sensorelement 13 gestülpt und mit seinem Topfrand in einer koaxial zum Sensorelement 13 in den Gehäusesockel 12 eingebrachten Austrittsbohrung 121, durch die auch das Sensorelement 13 aus dem Gehäusesockel 12 austritt, befestigt. Der Siebtopf 20 hat einen sehr geringen Strömungswiderstand für das Meßgas und außerdem aufgrund seiner geringen Wanddicke ein so geringes Speichervolumen für Kondenswasser, daß sich beim Aufheizen des Sensorelements 13 keine gefährlichen Wassertropfen an der dem Sensorelement 13 zugewandten Seite der Siebtopfoberfläche bilden, die dann auf das heiße Sensorelement 13 spritzen könnten. Die Wanddicke des Siebkopfs 20 ist kleiner als 500 µm gewählt und ist vorzugsweise mit etwa 150 µm ausgeführt. Vorteilhafterweise ist der Siebtopf 20 mit einer Beschichtung oder Imprägnierung katalytisch aktiv gemacht, um das thermodynamische Gleichgewicht im Meßgas einzustellen. Der Siebtopf 20 kann auch mit einem geeigneten Getter versehen werden, um Sensorelement-Elektrodengifte im Meßgas, wie z. B. Siliziumverbindungen oder Reaktionsprodukten aus Öladditiven oder Schwefelverbindungen im Kraftstoff abzufangen.
Der Siebtopf 20 besteht in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1-4 aus einem Maschengitter 21 oder Maschennetz mit sehr kleiner Maschenweite, wobei vorzugsweise das Maschennetz als ein Drahtgewebe oder Metall-Filtergewebe mit einer Filterfeinheit kleiner als 100 µm ausgeführt ist. Als Filterfeinheit oder Trennteilchengröße bezeichnet man den Durchmesser des größten, kugelförmigen Teilchens, welches das Filtermedium gerade noch passieren kann. Dieser Wert wird von den Drahtwebereien als absolute Filterfeinheit bezeichnet. Die absolute Filterfeinheit kann im Glasperlen-Test oder Bubble-Point-Test ermittelt, aber auch rechnerisch bestimmt werden. Beim Glasperlen-Test wird eine Mischung vorsortierter Glasperlen in eine Testflüssigkeit geschüttet und durch das Drahtgewebe passiert. Alle Glasperlen, die durch das Filtergewebe gedrungen sind, werden mikroskopisch vermessen. Das Maß der größten Glasperlen gilt dann als absolute Filterfeinheit.
Vorteilhaft werden für den Siebtopf 20 optisch nicht durchscheinende Filtergewebe, wie z. B. ein Tressengewebe mit unterschiedlichem Drahtdurchmesser für Kette und Schuß, verwendet. Solche Tressengewebe sind für Oberflächenfiltration ausgelegt und erreichen bereits weitgehend die gewünschte Getterwirkung für Schadstoffpartikel im Meßgas.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weist der als Maschengitter 21 aus Metalldrähten, insbesondere als Drahtgewebe oder Metall-Filtergewebe, ausgeführte Siebtopf 20 einen kreisrunden Querschnitt auf und ist vom freien Ende des Sensorelements 13 her auf dieses aufgeschoben und am Gehäusesockel 12 befestigt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 hat der in gleicher Weise ausgeführte Siebtopf 20 einen ovalen Querschnitt, und zwar einen solchen, daß der Siebtopf 20 sich zusätzlich zu der Befestigung am Gehäusesockel 12 an den schmalen Längsseiten 131 des rechteckförmigen Sensorelements 13 abstützt (Fig. 4).
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann der in den Meßfühlern gemäß Fig. 1-4 enthaltene Siebtopf 20 auch aus einem Lochblech mit hoher Lochdichte und kleinem Lochdurchmesser hergestellt werden. Der Lochdurchmesser ist kleiner als 100 µm gewählt, vorzugsweise mit etwa 25 µm ausgeführt, und die Lochdichte ist so gewählt, daß die Lochfläche mehr als 10% der Lochblechfläche beträgt. Bevorzugt werden dabei die Löcher durch Laserbehandlung mit schräg zur Blechoberfläche ausgerichtetem Laserstrahl hergestellt.
In den Ausführungsbeispielen des Meßfühlers gemäß Fig. 5 und 6 sowie Fig. 7 ist der Siebtopf 20 in einem stabilen Stützkörper 22 eingesetzt, der wiederum in die Austrittsbohrung 121 des Gehäusesockels 12 hineinragt und am Gehäusesockel 12 befestigt ist. Der Stützkörper 22 weist große Öffnungen 23 auf, die mindestens zehnmal größer sind als die Maschen oder Löcher in dem aus Drahtgewebe oder einem Lochblech hergestellten Siebkopf 20 und durch den an der Innenwand des Stützkörpers 22 anliegenden Siebtopf 20 abgedeckt sind. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 und 6 ist der Stützkörper 22 mit Öffnungen 23 als Zylinder aus gerolltem Lochblech oder gerolltem, grobmaschigem Geflecht ausgebildet, der in der Austrittsbohrung 121 am Gehäusesockel 12 festgeschweißt ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 7 ist der Stützkörper 22 als tiefgezogene Hülse 25 ausgeführt, in die die Öffnungen 23 in Form von Löchern oder Schlitzen 26 eingestanzt sind. Die Hülse 25 ist mit einem Kragen 251 versehen, der von der Dichtungspackung 14 am Gehäusesockel 12 fixiert ist. Der Siebtopf 20 ist in die Hülse 25 eingeklemmt oder in die Hülse 25 eingeschweißt.
Bei den Ausführungsbeispielen des Meßfühlers gemäß Fig. 5 und 6 sowie Fig. 7 können die Schutzrohre 15, 16 am gasseitigen Ende des Gehäusesockels 12 entfallen, da ihre Funktion weitgehend von dem Stützkörper 22 übernommen wird. Während bei dem Meßfühler gemäß Fig. 7 auf beide Schutzrohre 15, 16 verzichtet wird, ist bei dem Meßfühler gemäß Fig. 5 und 6 nur das äußere Schutzrohr 16 entfallen.

Claims

1. Meßfühler zum Messen des Sauerstoffgehalts in Gasen, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, mit einem dem Meßgas ausgesetzten Sensorelement (13) und einem das Sensorelement (13) zum Schutz gegen Auftreffen von im Meßgas enthaltenen Kondenswassertröpfchen umgebenden Schutzglied, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzglied als ein über das Sensorelement (13) gestülpter, feinporiger Siebtopf (20) ausgebildet ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) einen geringen Strömungswiderstand aufweist.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) eine Wanddicke aufweist, die kleiner als 500 µm ist, vorzugsweise bei etwa 150 µm liegt.

4. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) eine katalytisch aktive Beschichtung und/oder Imprägnierung aufweist.

5. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) mit einem für das Sensorelement (13) schädliche Beimischungen im Meßgas abhaltenden Getter versehen ist.

6. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) aus einem Lochblech hergestellt ist, das einen Lochdurchmesser kleiner als 100 µm, vorzugsweise von etwa 25 µm, und eine hohe Lochdichte mit einer Lochfläche von größer als 10% aufweist.

7. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) ein Lochblech aufweist, dessen Löcher durch Laserbehandlung mit schräg zur Blechoberfläche ausgerichtetem Laserstrahl hergestellt sind.

8. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) aus einem Maschengitter (21) mit einer Filterfeinheit kleiner als 100 µm hergestellt ist.

9. Meßfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Maschengitter (21) ein Metallfiltergewebe ist.

10. Meßfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtergewebe optisch nicht durchscheinend ist.

11. Meßfühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtergewebe als Tressengewebe mit unterschiedlichem Drahtdurchmesser für Kette und Schuß ausgeführt ist.

12. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) über das Sensorelement (13) von dessen freiem Ende her aufgeschoben und mit seinem Topfrand an einem das Sensorelement (13) halternden Gehäusesockel (12) festgelegt ist.

13. Meßfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) kreisrund und konzentrisch zur Achse des Sensorelements (13) angeordnet ist.

14. Meßfühler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf einen elliptischen Querschnitt aufweist und sich an den schmalen Längsseiten (131) des im Querschnitt rechteckigen Sensorelements (13) abstützt.

15. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) in einen Öffnungen (23; 26) mit großem Querschnitt aufweisenden, stabilen Stützkörper (22) eingesetzt ist und daß der Stützkörper (22) an einem das Sensorelement (13) halternden Gehäusesockel (12) festgelegt ist.

16. Meßfühler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) im Stützkörper (22) festgeklemmt oder festgeschweißt ist.

17. Meßfühler nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (22) als tiefgezogene Hülse (25) mit darin eingestanzten Löchern oder Schlitzen (26) ausgebildet ist.

18. Meßfühler nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (22) als Zylinder (24) aus gerolltem Lochblech oder gerolltem, großmaschigen Geflecht ausgebildet ist, dessen Löcher oder Maschen mindestens 10-mal größer sind als die Löcher bzw. die Maschen des aus einem Lochblech oder Maschengitter hergestellten Siebtopfs (20).

19. Meßfühler nach einem der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, daß der Siebtopf (20) von mindestens einem Öffnungen (17-19) aufweisenden, becherförmigen Schutzrohr (15, 16) mit Abstand umschlossen ist.

20. Meßfühler nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine becherförmige Schutzrohr (15, 16) mit seinem Becherrand am Gehäusesockel (12) festgelegt ist.