DE102004063173A1

DE102004063173A1 - Gasmessfühler

Info

Publication number: DE102004063173A1
Application number: DE102004063173A
Authority: DE
Inventors: Juergen Ruth
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-12-29
Filing date: 2004-12-29
Publication date: 2006-07-13
Also published as: JP2006189443A; US7454951B2; US20060162423A1

Abstract

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Kosten für die Herstellung eines Gasmessfühlers zu reduzieren. Dazu wird erfindungsgemäß eine Dichtungsanordnung vorgeschlagen, die einen Bereich einer Grund- und/oder Deckfläche des Sensorelementes umschließt, welcher durch eine im Gehäuse ausgebildete Öffnung zugänglich ist. Dadurch kann eine Abdichtung zwischen Messgasbereich und Referenzgasbereich des Gasmessfühlers erreicht werden, welche mit vergleichsweise wenigen Einzelteilen aufgebaut ist und dementsprechend auch weniger Verfahrensschritte bei seiner Herstellung und Montage erfordert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gasmessfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zwei solche Gasmessfühler gehen aus den beiden, ebenfalls auf den gleichen Anmelder zurückgehenden Offenlegungsschriften DE 41 26 378 A1 und DE 198 03 334 A1 hervor. Diese beiden Gasmessfühler sind aus einer Vielzahl einzelner Teile aufgebaut, die mit entsprechendem Aufwand zusammengefügt werden müssen. Die Herstellungskosten für solche Gasmessfühler sind unter anderem somit neben der Bauteileanzahl auch von der Anzahl der erforderlichen Fertigungsschritte abhängig.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung:

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde die Kosten für die Herstellung solcher Gasmessfühler zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die Erfindung geht von einem Gasmessfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass die Dichtung einen Bereich einer Fläche, vorzugsweise einer Grund- und/oder Deckfläche des Sensorelementes umschließt, welche durch eine im Gehäuse ausgebildete Öffnung zugänglich ist.

Durch einen solchen Dichtungsaufbau ist es möglich, mit nur einem Dichtelement einen großen, flächigen Bereich des Sensorelementes vom Messgasbereich des Gasmessfühlers zu trennen. Die Dichtung kann dabei gleichzeitig mit dem Sensorelement mit einem einzigen Verfahrensschritt, durch Verpressen des Gehäuses, dichtend und fixierend festgelegt werden. Es sind dazu weder zusätzliche Festsetzelemente erforderlich, noch weitere Verfahrensschritte zu deren Herstellung bzw. für deren Montage.

Ein weiterer Vorteil dieser Dichtungsanordnung liegt darin, dass dieser Sensorbereich auch nach dem Abdichten zur Durchführung weiterer Bearbeitungsschritte gut zugänglich ist, was insbesondere darauf zurückzuführen ist, dass die Öffnung im Gehäuse quer zur Längserstreckung des Sensorelementes ausgebildet ist. So kann das Sensorelement z. B. direkt im Inneren an den Leiterbahnen kontaktiert werden, wobei die Kontaktart im Rahmen der gegebenen Verbindungsmöglichkeiten sogar frei wählbar bleibt. Bisher erforderliche, an der Oberfläche des Sensorelementes angeordnete Kontaktflächen für die nach außen führenden Anschlussdrähte, die sogenannten Kontaktpad's, können somit entfallen.

Bei einem solchen Aufbau ist es auch möglich, die Dichtung um mehrere Anschlusskontakte des Sensorelementes gemeinsam und/oder um einen oder mehrere Anschlusskontakte einzeln herum anzuordnen. Insbesondere wenn diese Dichtelemente mit einem einzigen, zusätzlichen Verfahrensschritt bei der Herstellung der vorzugsweise planar aufgebauten Sensorelemente an diesen angeordnet werden, ergibt sich eine weitere Kostenreduzierung durch den Wegfall separat ausgebildeter Dichtelemente.

Um den Fertigungsablauf beim Zusammenbau des Gasmessfühlers noch besser automatisieren zu können, kann es in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Dichtung mehrteilig ausgebildet ist, so dass zwischen einem sensorseitigen Teil der Dichtung und einem gehäuseseitigen Teil der Dichtung ein Sensorfixierelement angeordnet ist. Damit ist es beispielsweise möglich, die Dichtung im Gehäuse zusammen mit diesem Sensorfixierelement anzuordnen und gegebenenfalls die Kontaktelemente der Anschlussleitungen bereits zu verkabeln, so dass die gesamte Einheit vorgefertigt werden kann und anschließend nur noch automatisch mit dem Sensorelement bestückt und verpresst werden muss.

Dazu ist es insbesondere vorteilhaft, wenn an der Dichtung eine Positionier- und/oder eine Fixierhilfe angeordnet ist. Wenn die Dichtung zusätzlich noch elektrisch und/oder wärmetechnisch isolierend ausgebildet ist, wirkt sich dies weiter positiv auf die Festsetzung und Kontaktierung des Sensorelementes in dem Gehäuse aus. Insbesondere bei sehr hohen Temperaturen, bei denen verschiedene Legierungen elektrisch leitend werden, können mit isoliert festgesetzten Kontakten Störungen bei der Übertragung der elektrischen Signale reduziert oder sogar vollständig verhindert werden.

Neben der auf dem Sensorelement direkt aufgedruckten Ausführung der Dichtung kann es aber auch vorteilhaft sein, eine solche als separat ausgebildetes Einlegeteil vorzusehen. Insbesondere ist dies dann von Vorteil, wenn zusätzliche Positionier- und/oder Fixierelemente für die Festlegung des Sensorelementes im Gehäuse vorgesehen sind. Dann kann beispielsweise ein als separates Teil ausgebildetes Dichtelement zwischen einem solchen Positionier- und/oder Fixierelement und dem Gehäuse eingelegt werden. Selbstverständlich ist es aber auch möglich die Dichtung gemeinsam mit dem Positionier- und/oder Fixierelement als eine Einheit auszubilden, was sich wiederum positiv auf den Verfahrensablauf beim Zusammenbau auswirkt.

Vorzugsweise besteht die Dichtung aus duktilem Material, so dass sie die beim Verpressen des Gehäuses auftretenden Kräfte zum Teil aufnehmen und gleichzeitig das Sensorelement dichtend festlegen kann.

Als besonders bevorzugt wird es angesehen, wenn die Dichtung oder zumindest ein Teil der Dichtung aus verschmolzenem Material besteht. So kann eine gasdichte Verbindung zwischen einem metallischen und einem keramischen Substrat, beispielsweise nach der technischen Lehre der DE 101 35 235 A1 , ausgebildet sein, um das in der Regel aus Keramik bestehende Sensorelement mit einem metallischen Gehäuse gasdicht zu verbinden. In diesem Fall sind keine zusätzlichen Dichtelemente erforderlich, und die Festlegung des Sensorelementes erfolgt ohne jegliche Verformung der benachbarten Materialbereiche. Dies ist insbesondere bei der Verwendung eines Laserstrahls möglich, der die aneinander angrenzenden Materialien gegebenenfalls mit oder auch ohne zusätzlich erforderlichem Glaslot erhitzt und miteinander verschmelzt.

Mit einer solch ausgebildeten Dichtung können weitere Verfahrensschritte, beispielsweise zur Herstellung, Lagerung und Montage für dadurch entfallende Dicht- und/oder Fixierelemente entfallen.

Zeichnungen:

Mehrere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und unter Angabe weiterer Einzelheiten nachstehend näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schräge Draufsicht auf ein explosionsartig auseinandergezogen dargestelltes Gehäuse eines Gasmessfühlers mit einem darin einzufügenden Sensorelement und einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung;

2 ein Sensorelement mit erfindungsgemäßer Dichtungsanordnung;

2a bis 2c eine vergrößerte Darstellung des Dichtbereichs aus der 2 (2a) bzw. davon abgewandelte Ausführungsformen (2b, 2c);

3 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung durch ein Gehäuse mit darin eingesetztem Sensorelement und erfindungsgemäßer Dichtung;

4 eine gegenüber der 3 abgewandelte Ausführungsform;

5 eine schräge Draufsicht auf eine explosionsartig auseinandergezogene Darstellung eines Sensorelementgehäuses mit darin einzufügendem Sensorelement, sowie verschiedene Elemente der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung;

6 eine Ausführungsform wie in 1, jedoch mit einem zusätzlich angeordneten Positionier- und/oder Fixierelement;

7 ein Gasmessfühlergehäuse, das zur Aufnahme eines Sensorelementes vorbereitet ist.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele:
1 zeigt eine schräge Draufsicht auf einen Gasmessfühler mit in explosionsartig auseinandergezogen dargestellten Bauteilen 2 bis 4. Zur besseren Darstellung der einzelnen Details sind auch die Gehäuseteile 2a bis 2c auseinandergezogen dargestellt.
Der Gehäuseteil 2a weist in seiner nach oben hin gerichteten Wandung eine Öffnung 2.1 auf, die einen Zugang in den Innenraum 2.5 des Gehäuses 2 ermöglicht. An der Innenseite dieser Wandung um die Öffnung 2.1 herum wird ein Dichtbereich 2.2 für die erfindungsgemäße Dichtungsanordnung definiert. Zur flexibleren Verwendung des Gehäuses ist an der der ersten Öffnung gegenüberliegenden Wandung des Gehäuseteiles 2a eine weitere Öffnung 2.3 ausgebildet, der erfindungsgemäß ein entsprechender Dichtbereich 2.4 zugeordnet ist.
An einem vor dem Gehäuse 2 angeordneten Sensorelement 3 ist eine darauf angebrachte Dichtung 4 dargestellt. Diese wird beim Festlegen des Sensorelementes 3 gegen den Dichtbereich 2.2 im Inneren des Gehäuses 2 gepresst, so dass eine gasdichte Trennung zwischen dem Messgasbereich und dem Referenzgasbereich des Gasmessfühlers entsteht. Zur Festlegung des Sensorelementes 3 im Inneren des Gehäuses 2 können noch weitere Fixierelemente vorgesehen sein, die in vereinfachender Weise hier jedoch nicht dargestellt sind.
Die am Sensorelement 3 angeordnete Dichtung 4 trennt somit einen Bereich einer Grund- und/oder Deckfläche des Sensorelementes vom übrigen, dem Messgas ausgesetzten Teil des Sensorelementes ab. Er bildet den dem Referenzgasbereich des Gasmessfühlers zugeordneten Sensorelementteil aus, der über die im Gehäuse quer zur Längserstreckung des Sensorelementes ausgebildete Öffnung 2.1 auch nach dem Festlegen des Sensorelementes zugänglich ist. Die Dichtung umschließt somit mehrere Anschlusskontakte 3.2, die im Kontaktbereich 3.1 gemeinsam ausgebildet sind. Zur Abtrennung eines einzelnen Kontaktes ist hier noch beispielhaft ein Dichtsteg 4a zwischen zwei benachbarten, in Längsrichtung verlaufenden Abschnitten der Dichtung 4 gezeigt.
Verschiedene Abwandlungen dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung sind in den 2 bis 2c dargestellt. Die 2 zeigt ein Sensorelement 3 mit einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtung 4, ohne zusätzlichen Dichtsteg 4a. Die 2a zeigt einen vergrößerten Ausschnitt A aus der Darstellung in der 2. Darin ist erkennbar, dass der Kontakt 3.2a zusätzlich einen Zugang zum Referenzgaskanal im Inneren des Sensorelements aufweist.
Die 2b weist eine demgegenüber abgewandelte Ausführungsform auf, die zusätzlich eine locharitge Positionier- und/oder Fixierhilfe 3.4 aufweist. Diese kann zusammen mit einem weiteren, in die Öffnung eingreifenden Element eine Verliersicherung für das Sensorelement ausbilden. Dadurch kann das Sensorelement auch bei gegebenenfalls nachlassender Klemmwirkung des Gehäuses auf das Sensorelement nicht mehr aus diesem herausrutschen. Somit ist eine zusätzliche Sicherung gegeben, die ggf. in der Abgasanlage nachfolgend angeordnete Einrichtungen, wie beispielsweise einen Katalysator, vor Beschädigung durch ein verlorengegangenes Sensorelement schützt.
Die 2c zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Dichtungsanordnung auf einem Sensorelement 3 in ausschnittsweiser, vergrößerter Darstellung. Hierbei besteht die Dichtung 4 aus drei separat ausgebildeten, jeweils um einen Anschlusskontakt 3.2 herum angeordneten Dichtelementen 4b. Für diese Ausführungsform weist das Gehäuse entsprechend ausgebildete Öffnungen auf, die ebenfalls einen Zugang zu den Kontakten ermöglichen.
Die 3 zeigt die geschnittene Darstellung eines Gehäuseteils 2, eines darin angeordneten Sensorelementes 3 und einer erfindungsgemäßen Dichtung 4 eines Gasmessfühlers 1.
Durch die Öffnung 2.1 ragt von der Grund- oder Deckfläche des Sensorelementes 3 ein Anschlusskontakt 3.2 durch das Gehäuse hindurch nach außen. Er befindet sich im referenzgasseitigen Bereich des Gasmessfühlers, welcher vom messgasseitigen Bereich durch die Dichtung 4 im Gehäuse getrennt ist. Auch der Referenzgaskanal 3.5 mündet im Bereich der Öffnung 2.1.
Um eine saubere Druckverteilung beim Verpressen des Gehäuses zur Festlegung des Sensorelementes 3 zu erreichen, ist zwischen der Rückseite des Sensorelementes und der ihr zugeordneten Innenseite des Gehäuses 2 ebensfalls eine Dichtung 4 angeordnet. Dadurch können punktuell auftretende Krafteinleitungen so großflächig verteilt werden, dass sie für das keramische Sensorelement unproblematisch sind.
In der 4 ist ein Teilausschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Gasmessfühlers in Schnittdarstellung gezeigt, der der Ausführungsform in der 5 entspricht. Von den bisherigen Ausführungsformen unterscheidet sie sich dadurch, dass zwischen der Dichtung 4 und dem Gehäuse 2 zusätzlich ein Sensorfixierelement 5 angeordnet ist. Zur Abdichtung zwischen diesem Sensorfixierelement 5 und dem Gehäuse 2 ist eine dazwischen angeordnete weitere Dichtung 4.1 dargestellt.
Für den Zusammenbau des Gasmessfühlers kann es vorteilhaft sein, dass das Sensorfixierelement 5 zusammen mit der weiteren Dichtung 4.1 im Gehäuse 2 angeordnet wird. Weiterhin können durch die Öffnung 2.1 zusätzlich Kontaktelemente der nach außen führenden elektrischen Leitungen vorpositioniert werden, wie in 7 dargestellt. Selbstverständlich sind dazu noch weitere Gasmessfühlerelemente erforderlich, mittels denen der Kabelbaum 7 mit dem Gehäuse 2 entsprechend verbunden werden kann, so dass abschließend nur noch das Sensorelement 3 in das so vorbereitete Gehäuse eingelegt und verpresst werden muss. Die Öffnung 5.1 im Sensorfixierelement 5 entspricht größenmäßig der Öffnung 2.1 im Gehäuse und umschließt den Kontaktbereich 3.1 des Sensorelementes 3, so dass dieser gasdicht vom Messgasbereich getrennt ist.
Die 6 zeigt eine Ausführungsform des Gasmessfühlers, der auf der Ausführungsform der 1 aufbaut und mit den in den 4 und 5 zusätzlich gezeigten Elementen erweitert ist. Der Einbau des Sensorelementes 3 in das Gehäuse 2 erfolgt, wie bereits beschrieben, durch die Vorfertigung der gesamten Aufnahmeeinheit Gehäuse 2, Sensorfixierelement 5 und Kontakte 6 mit daran festgelegten Kabelbaum 7. Anschließend muss nur noch das Sensorelement 3 in die verbleibende Öffnung des im Inneren des Gehäuses positionierten Sensorfixierelementes 5 eingeschoben und durch Verpressen des Gehäuses gasdicht festgelegt werden.
In diesem Fall ist das Sensorfixierelement 5 der Dichtung 4 funktionsgemäß zuzuordnen, da es ebenfalls gasdicht ausgebildet ist. Die Dichtung 4 ist somit mehrteilig ausgebildet und weist mit dem innerhalb der Dichtung 4.1 angeordneten und in die Öffnung 2.1 hineinragenden Kragen eine Positionier- und/oder Fixierhilfe auf. Zur Abdichtung gegenüber dem Gehäuse liegt die Dichtung 4.1 auf dem Dichtbereich 5.2 auf. Um mit dem gleichen Gehäuse ein Sensorelement aufnehmen zu können, das auch an der gegenüberliegenden Grundfläche entsprechende Anschlüsse aufweist, sind sowohl das Gehäuse als auch die Sensorfixierelemente 5 vorzugsweise symmetrisch ausgebildet.
Die 7 zeigt ein vorgefertigt zusammengebautes Gehäuse 2 mit darin eingesetzter Sensorelementfixierung 5 und an den Kontakten 6 angeschlossenem Kabelbaum 7. Es muss nur noch mit Sensorelement 3 bestückt und zu dessen Fixierung verpresst werden.

1: Gasmessfühler
2: Gehäuse
3: Sensorelement
4: Dichtung
5: Sensorfixierelement
6: Kontakte
7: Kabelbaum
2.1: Öffnung
2.2: Dichtbereich
2.3: Öffnung
2.4: Dichtbereich
2.5: Innenraum
3.1: Kontaktbereich
3.2: Anschlusskontakt
3.3: Messgaselektrode
3.4: Positionierhilfe
3.5: Referenzgaskanal
4.1: Dichtung
4.2
4.3: Dichtung
4.4
4.5
4a: Dichtsteg
4b: Dichtung
5.1: Öffnung
5.2: Dichtbereich
5.3
5.4: Dichtbereich
5.5: Positionier- und/oder
: Fixierhilfe

Claims

Gasmessfühler, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Abgasen von Brennkraftmaschinen, mit einem Gehäuse, einem in dem Gehäuse angeordneten Sensorelement und einer zwischen dem Gehäuse und dem Sensorelement angeordneten Dichtung zur Abgrenzung eines Referenzgasbereiches von einem Messgasbereich, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung einen Bereich einer Fläche des Sensorelementes umschließt, welcher durch eine im Gehäuse ausgebildete Öffnung zugänglich ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung im Gehäuse quer zur Längserstreckung des Sensorelementes ausgebildet ist.
Gasmessfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Dichtung umschlossene Fläche eine Grund- und/oder Deckfläche des Sensorelementes ist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung um mehrere Anschlusskontakte des Sensorelementes gemeinsam und/oder um einen oder mehrere Anschlusskontakte einzeln herum angeordnet ist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung mehrteilig ausgebildet ist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem sensorelementseitigen Teil der Dichtung und einem gehäuseseitigen Teil der Dichtung ein Sensorfixierelement angeordnet ist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Dichtung eine Positionier- und/oder eine Fixierhilfe angeordnet ist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung elektrisch und/oder wärmetechnisch isolierend ausgebildet ist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung als separat ausgebildetes Einlegeteil vorgesehen ist.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung aus duktilem Material besteht.
Gasmessfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung aus verschmolzenem Material besteht.