DE102005009462A1

DE102005009462A1 - Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases

Info

Publication number: DE102005009462A1
Application number: DE200510009462
Authority: DE
Inventors: Juergen Wilde; Thomas Leder; Dieter Bieck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2006-09-07
Also published as: EP1856514A1; WO2006092347A1

Abstract

Es wird ein Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere von Temperatur, Druck oder der Konzentration einer Gaskomponente im Abgas von Brennkraftmaschinen, angegeben, der Anschlusskabel mit Kabelisolation und eine die Anschlusskabel (16) umgebende Schutzhülle (22) aufweist. Um den Messfühler in einer Betriebsumgebung mit extrem hohen Temperaturen ohne Gefahr von temperaturbedingten Funktionsausfällen einsetzen zu können, ist die Schutzhülle (22) als Hitzeschutz mit geringem Wärmeabsorptionsvermögen und geringem Wärmeleitungsvermögen ausgebildet und weist eine gegenüber der Kabelisolation deutlich höhere Temperaturbeständigkeit auf.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere von Temperatur, Druck oder Konzentration einer Gaskomponente im Abgas von Brennkraftmaschinen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein bekannter Messfühler zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente, insbesondere Sauerstoff, im Abgas von Brennkraftmaschinen ( DE 198 33 861 A1 ) weist ein in dem Fühlergehäuse aufgenommenes Sensorelement auf, das mit einem abgasseitigen Ende aus dem Gehäuse vorsteht und an einem anschlussseitigen Ende über Kontaktteile mit Anschlusskabeln verbunden ist, die aus dem Fühlergehäuse herausgeführt sind. Am Kabelausführende des Fühlergehäuses werden die isolierten Anschlusskabel durch eine Tülle aus PTFE (Polytetrafluorethylen) hindurchgeführt und anschließend in einer Schutzhülle geführt, die als flexibler Formschlauch aus PTFE ausgebildet ist. Der Formschlauch ist mit seinem fühlergehäuseseitigem Ende über die Tülle geschoben und mittels einer Crimphülse zwischen einem durchmesserreduzierten Gehäuseabschnitt des Fühlergehäuses und der Tülle eingeklemmt. Der Formschlauch hat eine Temperaturbeständigkeit bis 250°C und schützt die Anschlusskabel gegen Abknicken und Überhitzung ihrer Kabelisolation.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Messfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Anschlusskabel mit ihrer Kabelisolation gegen eine sehr heiße Einbauumgebung, wie sie beispielsweise unmittelbar am Abgaskrümmer von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen auftreten, zuverlässig geschützt sind. Der Hitzeschutz hält gleichermaßen gut die Wärmestrahlung, die direkte Wärmeleitung und die Wärmekonvektion von den stromführenden Anschlusskabeln fern, so dass der Messfühler auch in Betriebsumgebung mit extremer Temperatur eingesetzt werden kann, ohne dass ein temperaturbedingt vorzeitiger Ausfall des Messfühlers zu befürchten ist. Der Hitzeschutz kann am fertigen Messfühler nachgerüstet werden, so dass nur ein bedarfsgerechter Anteil an Messfühlern, die speziellen Temperaturanforderungen genügen müssen, mit dem Hitzeschutz ausgestattet werden kann und nicht generell alle Messfühler für die extreme Temperatur der Betriebsumgebung ausgelegt werden müssen.

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 Hitzeschutz dadurch gebildet, dass die Schutzhülle aus zwei konzentrischen Schläuchen zusammengesetzt ist, von denen der innere Schlauch aufgrund seines wärmeisolierenden Materials einen Schutz gegen direkte Wärmeleitung und der äußere Schlauch aufgrund seines niedrigen Wärmeabsorptionskoeffizienten oder Emissionsgrads einen Wärmestrahlungsschutz bietet. Vorzugsweise ist der innere Schlauch mehrlagig ausgeführt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist für den Hitzeschutz die Schutzhülle eine Schicht aus gut wärmeisolierenden, losen Keramikkörpern auf. Die Schicht ist auf ihrer von den Anschlusskabeln abgekehrten, äußeren Schichtseite von einem Mantel aus Metall oder einer Metalllegierung, vorzugsweise einer Eisen-Chrom-Nickel-Legierung oder einer Eisen-Chrom-Molybdän-Titan-Legierung, umschlossen. Die Keramikkörper können Formkörper, z.B. Zylinder oder Kugeln, oder Keramikbruchstücke sein. Sie können in der Schicht chaotisch verteilt oder in Radial- und Axialrichtung nebeneinander aufgereiht sein. Vorzugsweise sind die Keramikkörper hellfarbig, wodurch der Schutz gegen Wärmestrahlung verbessert wird. Durch die losen Keramikkörper bleibt die Flexibilität der Schutzhülle, die erforderlich ist, um die Schutzhülle bei Einbau des Messfühlers entsprechend den Einbauraumvorgaben biegen zu können, erhalten.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der die Keramikkörper in der Schicht umschließende Mantel aus Metall leichgewichtig und entweder als Schlauch aus einem Streckmetall oder als Drahtnetz ausgebildet, wobei die Netzmaschen kleiner sind als die Keramikkörper.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Längsschnitt eines Messfühlers zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen, mit einer als Hitzeschutz ausgebildeten Schutzhülle für die Anschlussleitung,

2 einen Schnitt längs der Linie II–II in 1,

3 eine Stirnansicht eines modifizierten inneren Schlauchs der Schutzhülle in 2,

4 ausschnittweise eine Seitenansicht einer Schutzhülle mit durchgeführter Anschlussleitung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

5 ausschnittweise eine Schutzhülle mit durchgeführter Anschlussleitung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,

6 und 7 jeweils ausschnittweise eine perspektivische Ansicht des als Drahtnetz ausgeführten Mantels der Schutzhülle in 5 mit zwei verschiedenen Querschnittsformen.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der in 1 im Längsschnitt dargestellte Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases ist im Ausführungsbeispiel als planare Breitband-Lambdasonde konzipiert, mit welcher die Sauerstoffkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen gemessen wird. Der Messfühler weist ein zweiteiliges Fühlergehäuse 10 auf, das aus einem als Gehäusekörper ausgeführten unteren Gehäuseteil 11 und einem als Metallhülse ausgebildeten oberen Gehäuseteil 12 zusammengesetzt ist. Der obere Gehäuseteil 12 ist z.B. durch Schweißen auf dem unteren Gehäuseteil 11 festgelegt und weist an seinem vom unteren Gehäuseteil 11 abgekehrten Ende einen im Durchmesser reduzierten Gehäuseabschnitt 121 auf. Im unteren Gehäuseteil 11 ist mittels einer Dichtpackung 13 ein Sensorelement 14 festgelegt, das mit einem abgasseitigen Ende aus dem unteren Gehäuseteil 11 vorsteht und an einem anschlussseitigen Ende mittels eines Kontakthalters 15 auf Anschlusskabel 16 einer elektrischen Anschlussleitung für das Sensorelement 14 kontaktiert ist. Das aus dem unteren Gehäuse 11 vorstehende, abgasseitige Ende des Sensorelements 14 ist von einer Schutzhülse 17 überdeckt, die Gasdurchtrittslöcher 18 zum Zutritt von Abgas der Brennkraftmaschine zu dem Sensorelement 14 trägt.
Wie aus 2 ersichtlich ist, weist jedes Anschlusskabel 16 einen elektrischen Leiter 19 und eine den elektrischen Leiter 19 umgebende Kabelisolation 20 auf. Die elektrischen Leiter 19 sind vorzugsweise als Litzen ausgeführt. Im Bereich des endseitigen, durchmesserreduzierten Gehäuseabschnitts 121 sind die Anschlusskabel 16 durch eine Kabeldurchführung 21 hindurchgeführt und anschließend von einer Schutzhülle 22 umschlossen. Die Kabeldurchführung 21 ist als ein elastisches, stopfenartiges Formteil, z.B. aus PTFE, ausgebildet, das in dem Gehäuseabschnitt 121 durch eine Crimpung unverschieblich festgelegt ist. Die in Grenzen biegbare Schutzhülle 22 dient einerseits zum Schutz der Anschlusskabel 16 gegen Abknicken und andererseits als Temperaturschutz für die Anschlusskabel 16, deren Kabelisolation 20 eine nur beschränkte Temperaturbeständigkeit aufweist. Um den Messfühler auch in Zonen mit extrem hohen Temperaturen einsetzen zu können, ist die Schutzhülle 22 als Hitzeschutz mit geringem Wärmeabsorptionsvermögen und geringem Wärmeleitungsvermögen ausgebildet und weist eine gegenüber der Kabelisolation 20 deutlich höhere Temperaturbeständigkeit auf.
Im Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist der Hitzeschutz dadurch erzielt, dass die Schutzhülle 22 aus zwei konzentrischen, aufeinandergeschobenen Schläuchen zusammengesetzt ist, wobei der innere Schlauch 23 einen Wärmeleitungsschutz und der äußere Schlauch 24 einen Wärmestrahlungsschutz für die Anschlusskabel 16 bietet. Der innere Schlauch 23 ist aus einem wärmeisolierenden Material, d.h. einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, hergestellt, wobei als Material beispielhaft ein Verbundstoff aus Silikon und Glasfasern verwendet wird. Zur Verbesserung des Wärmeleitungsschutzes kann der innere Schlauch 23 mehrlagig ausgeführt sein, wie dies in 3 mit den Schlauchlagen 231, 232, 233 vergrößert dargestellt ist. Der äußere Schlauch 24 mit seinem geringem Wärmeabsorptionsvermögen besteht aus Metall, vorzugsweise Aluminium, oder einer Metalllegierung. Alternativ kann der äußere Schlauch 24 auch nur mit einem metallischen Überzug auf seiner äußeren Mantelfläche versehen werden. Vorteilhaft ist, auch die innere Mantelfläche des äußeren Schlauchs 24 mit einer Schicht aus Metall oder einer Metalllegierung belegt. Der Schlauch 24 wird dann vorteilhaft aus einem Glasfasergewebe hergestellt, wobei vorzugsweise ein ein- oder zweiseitig mit Metall, vorzugsweise Aluminium, dünn beschichteter Gewebestreifen zu dem Schlauch 24 vernäht wird. Die aus den beiden Schläuchen 23, 24 zusammengesetzte Schutzhülle 22 ist – wie dies aus 1 ersichtlich ist – mit einem Ende auf den Gehäuseabschnitt 121 des oberen Gehäuseteils 12 formschlüssig aufgeschoben. Der Aufschiebebereich ist so bemessen, dass die Schutzhülle 22 den Bereich der Kabeldurchführung 21 nahezu vollständig überdeckt.
In 4 und 5 sind weitere Beispiele für eine Ausbildung der Schutzhülle 22 als Hitzeschutz für die Anschlusskabel 16 dargestellt. Hier wird sowohl der Wärmeleitungsschutz als auch der Wärmestrahlungsschutz dadurch erreicht, dass die Schutzhülle 22 eine Schicht 25 aus gut wärmeisolierenden, losen Keramikkörpern 26 besitzt. Die Keramikkörper 26 sind leichtgewichtig und von heller Farbe und bestehen beispielsweise aus Magnesiumoxid oder Steatit oder aus Aluminiumoxid-/Siliziumoxidverbindungen, wie Magnesium-Aluminium-Silikat oder Aluminium-Eisen-Magnesium-Silikat (Vermiculit) oder anderen anorganischen Mineralien. Sie können als Formkörper, z.B. als Zylinder oder Kugeln, oder als Keramikbruchstücke ausgeführt sein. Die losen Keramikkörper 26 ermöglichen eine Verformung der Schicht 25 und damit eine begrenzte Biegbarkeit der Schutzhülle 22. Die Schicht aus Keramikkörpern 26, die die Anschlusskabel 16 mit einer definierten Schichtdicke umgibt, wobei die Keramikkörper 26 auch den Raum zwischen den Anschlusskabeln 16 ausfüllen, ist auf der von den Anschlusskabeln 16 abgekehrten, äußeren Schichtseite von einem Mantel 27 aus Metall oder einer Metalllegierung umschlossen. Als Metalllegierung wird beispielsweise eine Eisen-Chrom-Nickel-Legierung oder eine Eisen-Chrom-Molybdän-Titan-Legierung verwendet. Um auch den Mantel 27 biegbar und leichgewichtig zu machen, ist der Mantel 27 im Ausführungsbeispiel der 4 als Schlauch 28 aus Streckmaterial und im Ausführungsbeispiel der 5 als Drahtnetz ausgeführt.
Im Ausführungsbeispiel der 4 sind die Keramikkörper 26 in der Schicht 25 von Keramik bruchstücken gebildet, die als Schüttgut zwischen dem Schlauch 28 und den Anschlusskabeln 16 eingebracht und innerhalb der Schicht 25 chaotisch angeordnet sind. Der Schlauch 28 aus Streckmaterial ist endseitig geschlossen. An dem einen Ende des Schlauchs 28, vorzugsweise an dessen fühlergehäusefernem Ende, ist in diesen eine Druckfeder 30 eingesetzt, die sich am Schlauch 28 abstützt und das Stirnende der Schicht 25 mit einer Druckkraft beaufschlagt, wo durch die Keramikkörper 26 in der Schicht 25 unter einer axialen Pressspannung gehalten sind.
Im Ausführungsbeispiel der 5 sind die Keramikkörper 26 in der Schicht 25 als Kugeln ausgebildet, die in Achs- und Radialrichtung aneinandergereiht sind. Anstelle der Kugeln können auch andere Formkörper verwendet werden, z.B. Zylinder oder gerollte Blätter. Die Formkörper können auch innerhalb der Schicht 25 durch Schüttung chaotisch verteilt sein. Das die Schicht 25 aus Keramikkörpern 26 umschließende Drahtnetz 29 ist stirnseitig geschlossen und weist eine Maschenweite auf, die kleiner ist als die Keramikkörper 26, im Ausführungsbeispiel der 5 kleiner als die Kugeln, so dass die Keramikkörper 26 nicht herausfallen können. Im Ausführungsbeispiel der 5 weist das Drahtnetz 29 einen kreisförmigen Querschnitt auf, wie dies in 7 dargestellt ist. Alternativ kann das Drahtnetz 29 auch kastenförmig, z.B. mit einem rechteckförmigen Querschnitt, ausgeführt werden, wie dies in 6 dargestellt ist. In diesem Fall liegen die Anschlusskabel 16 parallel in Längsrichtung des Drahtnetzes 29 nebeneinander.
Die Keramikkörper 26 können ferner aus einem bei Hitze quellenden Material hergestellt sein, z.B. aus Vermiculit, das durch Quellen sich durch die Maschen des Drahtnetzes 29 hindurch ausdehnt und dadurch noch besser gegen Wärme isoliert.
Der Einsatz der Schutzhülle 22 ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel einer Lambda-Sonde beschränkt. Sie kann an allen Messfühlern Verwendung finden, die am Einbauort extrem hohe Temperaturen ausgesetzt sind, so z.B. an Messfühlern zur Temperatur- oder Druckmessungen von Abgas oder zur Messung der Stickoxidkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen.

Claims

Messfühler zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere von Temperatur, Druck oder Konzentration einer Gaskomponente im Abgas von Brennkraftmaschine mit eine Kabelisolation (20) aufweisenden, elektrischen Anschlusskabeln (16) und mit einer die Anschlusskabel (16) umgebenden Schutzhülle (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle (22) als Hitzeschutz mit geringem Wärmeabsorptionsvermögen und geringem Wärmeleitungsvermögen ausgebildet ist, der eine gegenüber der Kabelisolation (20) deutlich höhere Temperaturbeständigkeit aufweist.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle (22) von zwei konzentrischen Schläuchen (23, 24) gebildet ist, von denen der innere Schlauch (23) einen Wärmeleitungsschutz und der äußere Schlauch (24) einen Wärmestrahlungsschutz bietet.
Messfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Schlauch (23) aus wärmeisolierendem Material, vorzugsweise aus einem Verbundstoff aus Silikon und Glasfaser, besteht.
Messfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Schlauch (23) mehrlagig ausgebildet ist.
Messfühler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Schlauch (24) mindestens auf seiner äußeren Mantelfläche einen metallischen Überzug trägt.
Messfühler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Schlauch (24) aus Metall, vorzugsweise Aluminium, oder einer Metalllegierung besteht.
Messfühler nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle (22) mit ihrem einen Ende formschlüssig auf einen eine Kabeldurchführung (21) für die Anschlusskabel (16) umschließenden Gehäuseabschnitt (121) aufgeschoben ist.
Messfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle (22) eine Schicht (25) aus gut wärmeisolierenden, losen Keramikkörpern (26) aufweist, die auf der von den Anschlusskabeln (16) abgekehrten, äußeren Schichtseite von einem Mantel (27) aus Metall oder einer Metalllegierung, vorzugsweise aus einer Eisen-Chrom-Nickel-Legierung oder Eisen-Chrom-Molybdän-Titan-Legierung, umschlossen ist.
Messfühler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (25) aus Keramikkörpern (26) axial unter Pressspannung gehalten ist.
Messfühler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Stirnende der Schicht (25) aus Keramikkörpern (26) mit einer am Mantel (27) sich abstützenden Druckfeder (30) beaufschlagt ist.
Messfühler nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikkörper (26) eine helle Farbe aufweisen.
Messfühler nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikkörper (26) und/oder der Mantel (27) leichtgewichtig sind.
Messfühler nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikkörper (26) als Formkörper, vorzugsweise als Zylinder oder Kugeln, ausgebildet und innerhalb der Schicht (25) geschüttet oder in Achs- und Radialrichtung aneinandergereiht sind.
Messfühler nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikkörper (26) Bruchstücke sind, die als Schüttgut die Schicht (25) zwischen den Anschlusskabeln (16) und dem Mantel (27) bilden.
Messfühler nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikkörper (26) aus einem bei Hitze quellenden Material, vorzugsweise aus Vermiculit, bestehen.
Messfühler nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikkörper (26) aus Magnesiumoxid, Steatit oder aus Aluminiumoxid-/ Siliziumoxidverbindungen, vorzugsweise aus Magnesium-Aluminium-Silikat, bestehen.
Messfühler nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (27) ein Schlauch (28) aus Streckmetall ist.
Messfühler nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (27) als Drahtnetz (29) mit einer Maschenweite, die kleiner ist als die Keramikkörper (26), ausgeführt ist.