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Die
Erfindung betrifft einen Abgassensor zum Einbau in eine Abgasleitung
eines Kraftfahrzeugs, mit einem ein Sensorelement aufnehmenden Sensorgehäuse mit
den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus
der
US 44 66 880 A1 ist
ein Sauerstoffsensor für
ein Kraftfahrzeug bekannt, dessen Sensorelement von einer porösen Filterkappe
aus Sintermetall umgeben ist. Die poröse Filterkappe schützt das
Sensorelement vor einem thermischen oder mechanischen Schock.
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Für beheizte
Abgassensoren ist insbesondere ein Schutz vor einer Beschädigung des
Sensorelements durch einen so genannten Wasserschlag von Bedeutung.
Zu einer Beschädigung
durch Wasserschlag kann es kommen, wenn auf das beheizte Sensorelement
Wassertröpfchen
auftreffen. Diese Gefahr besteht insbesondere nach einem Kaltstart
des Kraftfahrzeugmotors, wenn sich im Abgas Kondenswassertröpfchen bilden
oder sich von abgasexponierten Teilen der Abgasanlage ablösen. Die
Gefahr einer Beschädigung
des Sensorelements ist dabei besonders groß, wenn für eine frühzeitige Betriebsbereitschaft
des Abgassensors dieser auch sehr frühzeitig nach erfolgtem Kaltstart
beheizt wird. Durch die Umhüllung
des Sensorelements mit einer porösen
Kappe gemäß der
US 44 66 88 A1 ist
jedoch ein zuverlässiger
Schutz vor Wasserschlag nicht gewährleistet. Zudem wird die Ansprechzeit
des Sensors vermindert, was eine Verschlechterung seines Regelverhaltens
zur Folge hat.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, einen Abgassensor mit einer niedrigen
Ansprechzeit anzugeben, bei welchem die Gefahr eines Wasserschlages
vermindert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Abgassensor mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Abgassensor
weist ein Gehäuse
mit einer in die Abgasleitung ragenden Gehäusekappe und einen sich an
die Gehäusekappe anschließenden Befestigungsbereich
zum Einbau in die Abgasleitung auf, wobei erfindungsgemäß vom ins
Gehäuse
eingetretenen Abgas erreichbare Teile des Befestigungsbereichs porös ausgeführt oder
mit einer porös
ausgeführten
Abdeckung versehen sind. Während
ein Schutz vor außerhalb
des Sensorgehäuses
vorhandenen Wassertröpfchen
durch konstruktive Maßnahmen,
wie beispielsweise eine speziell ausgebildete Gehäusekappe
erreicht werden kann, ist ein Schutz gegenüber sich im Inneren des Gehäuses bildendes
und auf den Sensor treffendes Kondenswasser schwierig. Mit der erfindungsgemäßen Maßnahme wird
speziell die letztgenannte Gefährdung
ausgeschaltet. Es wurde nämlich
gefunden, dass insbesondere an dem Abgas ausgesetzten Teilen des
Sensorbefestigungsbereichs Kondenswasserbildung auftritt, da der
Befestigungsbereich massive Metallteile umfasst, welche als Wärmesenke
wirken und sich nur langsam erwärmen.
Dabei ist im Gehäuseinneren
auftretende Kondensatbildung besonders störend. Dadurch, dass die im
Gehäuse
befindlichen Teile des Abgassensors, an welchen überwiegend Kondensation auftritt,
porös ausgeführt sind oder
mit einer porösen
Abdeckung versehen sind, wird sich bildendes Kondensat aufgesaugt
und gebunden. Somit wird wirksam verhindert, dass sich von den als
Wärmesenke
wirkenden Teilen innerhalb des Sensorgehäuses Kondenswassertröpfchen ablösen und
auf das Sensorelement auftreffen. Der Sensor kann daher rasch beheizt
werden und ist nach einem Kaltstart dementsprechend rasch betriebsbereit. Folglich
kann der Verbrennungsmotor rasch sensorgesteuert und damit schadstoffarm
betrieben werden. Vorzugsweise werden die porösen Bereiche hydrophil ausgebildet,
so dass Kondenswasser wirksam aufgesaugt wird und nur langsam aus
den Poren des porösen
Materials verdunstet bzw. abdampft. Bei dem porösen Material handelt es sich
vorzugsweise um ein keramisches oder ein metallisches Material. Gegebenenfalls
kann auch ein hochtemperaturfestes Kunststoffmaterial eingesetzt
werden.
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Bei
dem Abgassensor kann es sich um einen beliebigen Typ wie beispielsweise
eine Lambdasonde oder einen Stickoxidsensor handeln. Der Befestigungsbereich
ist vorzugsweise als Gewindestutzen oder flanschartig ausgebildet
und bei bestimmungsgemäßem Gebrauch
außenseitig
mit der Abgasleitung fest verbunden.
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In
Ausgestaltung der Erfindung sind die porös ausgeführten Teile des Befestigungsbereichs und/oder
die poröse
Abdeckung im Wesentlichen aus Sintermaterial gefertigt. Das Sintermaterial
beispielsweise keramisch oder metallisch ausgebildet sein. Vorzugsweise
wird ein Sintermetall eingesetzt, welches sich durch gebräuchliche
Verfahren mit den betreffenden Teilen des Befestigungsbereichs verbinden
lässt.
Ebenfalls vorteilhaft ist eine Sintermaterialabdeckung, beispielsweise
als Sintermetall- oder als Sinterkeramikring. Für eine einfache Fertigung kann
es vorteilhaft sein, auch außenliegende
Gehäuseteile,
insbesondere des Befestigungsbereichs, porös, beispielsweise aus Sintermetall
auszuführen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Abdeckung als poröse Beschichtung
ausgebildet. Eine aufgesinterte Beschichtung ist besonders vorteilhaft.
Diese kann beispielsweise auf pulvermetallurgischem Wege lediglich
partiell auf den innerhalb des Gehäuses liegenden Teilen des Befestigungsbereichs
erfolgen. Unmittelbar der Befestigung des Sensors mit der Abgasleitung
dienende und mechanisch beanspruchte Teile des Befestigungsbereichs können unbeschichtet
und massiv ausgeführt
bleiben.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Abdeckung als Metallvlies
ausgebildet. Metallvlies weist im allgemeinen eine hohe Saugfähigkeit gegenüber Wasser
auf und ist einfach zu verarbeiten, so dass auf einfache Weise der
gewünschte
Effekt einer allmählichen
Verdunstung von auf den gehäuseinneren
Teilen des Befestigungsbereichs gebildetem Kondenswasser erreicht
wird.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Sensorelement im Gehäuse durch
eine Halterung fixiert und vom ins Gehäuse eingetretenen Abgas erreichbare
Teile der Halterung sind porös
ausgeführt
oder mit einer porös
ausgeführten
Abdeckung versehen. Ebenefalls möglich
ist es, die Halterung komplett aus porösem Material wie Sintermetall oder
Sinterkeramik anzufertigen. Mit den entsprechenden Maßnahmen
kann eine Ablösung
von Kondenswassertropfen auch von den als Sensorhalterung dienenden
gehäuseinneren
Sensorteilen wirksam verhindert werden.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Gehäusekappe des Abgassensors wenigstens abschnittsweise
doppelwandig ausgeführt.
Auf diese Weise ist ein Schutz des Sensors vor von außen in das
Gehäuse
eintretenden Wassertropfen ermöglicht.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und werden
nachfolgend beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und
nachfolgend noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination,
sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Dabei
zeigen:
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1 Eine
vorteilhafte Ausführungsform
eines Abgassensors im Längsschnitt
ohne erfindungsgemäße Maßnahmen
zur Vermeidung einer Kondenswassertropfenbildung,
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2 eine
erste Ausführungsform
des Abgassensors gemäß 1 mit
erfindungsgemäßen Maßnahmen
zur Vermeidung einer Kondenswassertropfenbildung,
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3 eine
zweite Ausführungsform
des Abgassensors gemäß 1 mit
erfindungsgemäßen Maßnahmen
zur Vermeidung einer Kondenswassertropfenbildung und
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4 eine
dritte Ausführungsform
des Abgassensors gemäß 1 mit
erfindungsgemäßen Maßnahmen
zur Vermeidung einer Kondenswassertropfenbildung.
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In 1 ist
lediglich schematisch der vordere Teil einer bevorzugten Ausführungsform
eines Abgassensors 1 im Längsschnitt dargestellt. Der
Abgassensor 1 umfasst einen Befestigungsbereich 6 mit
einem Gewindeabschnitt 7 zum Einbau in eine nicht dargestellte
Abgasleitung eines Verbrennungsmotors. Der Einbau des Abgassensors
in die Abgasleitung erfolgt dabei derart, dass eine sich an den
Befestigungsbereich 6 anschließende Gehäusekappe 2 vom Abgas
angeströmt
werden kann. Hierfür
ragt im eingebauten Zustand die Gehäusekappe 2 wenigstens
teilweise in die Abgasleitung hinein. Dabei ist der Befestigungsbereich 6 aus
Metall und vergleichsweise massiv ausgeführt, um eine feste Einschraubung,
beispielsweise in einen nicht dargestellten Gewindestutzen der Abgasleitung
zu ermöglichen.
Befestigungsbereich 6 und Gehäusekappe 2 bilden
im Wesentlichen das Sensorgehäuse
des Abgassensors 1, in dessen Inneren ein Sensorelement
angeordnet ist. Das Sensorelement ist hier planar mit einem Sensorträger 9 und
einem darauf angeordneten sensorischen Bereich 10 ausgebildet.
Der Sensorträger 9 ragt
wie dargestellt vorzugsweise weit in den Innenbereich der Gehäusekappe 2 hinein
und der sensorische Bereich 10 ist ebenfalls im Innenbereich
der Gehäusekappe 2 angeordnet.
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Vorzugsweise
ist das Sensorelement elektrisch beheizbar ausgeführt, um
den sensorischen Bereich 10 auf seine Betriebstemperatur
von typischerweise deutlich mehr als einhundert °C zu bringen. Eine entsprechende
Heizung ist vorzugsweise als ein auf der Rückseite des Sensorträgers 9 aufgebrachtes
schichtförmiges
elektrisches Widerstandselement ausgeführt. Dabei sind die Heizung,
sowie elektrische Zuleitungen zur Heizung und zum sensorischen Bereich 10 der Übersichtlichkeit
halber nicht näher
dargestellt.
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Der
Sensorträger 9 ist
durch eine vorzugsweise ebenfalls aus Metall gefertigte und mit
dem Befestigungsbereich 6 verbundene Halterung 11 im Sensorgehäuse fixiert.
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Die
Gehäusekappe 2 ist
in der vorliegenden Ausführungsform
des Abgassensors 1 abschnittsweise doppelwandig mit einem äußeren Teil 4 und
einem inneren Teil 3 ausgeführt. Der äußere Teil 4 und der
innere Teil 3 der Gehäusekappe 2 weisen Öffnungen 5 zum
Eintritt in das Gehäuse
bzw. zum Austritt aus dem Gehäuse
auf. Ein sich typischerweise einstellender Hauptströmungsweg
des Abgases ist durch die Strömungslinien 8 gekennzeichnet.
Dabei wird deutlich, dass ins Sensorgehäuse eingetretenes Abgas mit
innenliegenden Teilen des Befestigungsbereichs 6 und der
Halterung 11 in Kontakt kommt. Diese wegen ihrer kräfteaufnehmenden
Funktion vergleichsweise massiv ausgeführten Teile wirken jedoch als
Wärmesenke,
so dass sich auf ihnen ein Kondenswasserniederschlag ausbilden kann,
wie durch schematisch dargestellte Tröpfchen 12 verdeutlicht.
Die Gefahr hierfür
ist naturgemäß bei nicht durchgewärmtem Sensor,
bzw. bei nicht durchgewärmter
Abgasleitung in besonderem Maß gegeben. Diese
Situation tritt insbesondere bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors
auf. Hierbei besteht im Allgemeinen der Wunsch, den Abgassensor 1 frühzeitig in
Betrieb nehmen zu können,
was dessen frühzeitige Beheizung
erfordert. Auf den beheizten Sensorträger 9 auftreffende
Wassertröpfchen
verursachen dabei jedoch einen Thermoschock oder Wasserschlag, der den
Sensorträger 9 beschädigen und
damit die Funktion des Abgassensors 1 beeinträchtigen
oder ihn dadurch zerstören
kann. Wie durch entsprechende Untersuchungen bestätigt werden
konnte, sind eine wesentliche Ursache hierfür Wassertröpfchen, welche sich von den
als Wärmesenke
wirkenden Teilen des Befestigungsbereichs 6, aber auch
der Halterung 11 ablösen.
Dieses Problem wird durch die erfindungsgemäße Ausführung des Abgassensors 1 gelöst, wobei
nachfolgend unter Bezug auf die 2, 3 und 4 auf
vorteilhafte Ausführungsformen
näher eingegangen
wird.
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2 zeigt
eine erste vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Abgassensors 1, bei
welchem die Gefahr eines Wasserschlags nicht gegeben, oder zumindest
deutlich vermindert ist. Dabei ist der Abgassensor 1 im
Wesentlichen analog zu dem in 1 dargestellten
Sensor ausgeführt.
Nachfolgend wird daher lediglich auf wesentliche Unterschiede eingegangen.
Bei dem in 2 dargestellten Abgassensor 1 sind
die hinsichtlich einer Kondenswasserbildung gefährdeten gehäuseinneren Bereiche des Befestigungsbereichs 6 sowie
der Halterung 11 mit einer Abdeckung 13 aus einem
porösen Material
versehen. Die poröse
Abdeckung 13 deckt nach Möglichkeit alle vom Abgas erreichbaren
gehäuseinneren
Oberflächen
des Befestigungsbereichs 6 ab. Vorzugsweise ist vorgesehen,
dass auch die vom Abgas erreichbaren gehäuseinneren Oberflächen der
Halterung 11 abgedeckt sind.
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Die
Abdeckung 13 ist vorzugsweise so ausgeführt, dass sich im Sensorgehäuse bildendes
aber auch in das Sensorgehäuse
eingetragenes Kondenswasser aufgesaugt werden kann. Dadurch wird
verhindert, dass sich dieses Kondenswasser in Form von Tröpfchen ablöst und auf
den Sensorträger 9 auftrifft.
Von der deshalb porös
ausgeführten
Abdeckung 13 aufgesaugtes Wasser verdampft bei einer Erwärmung vergleichsweise
langsam und verzögert,
da es in den Poren des Materials gehalten wird. Eine Ablösung von
Tröpfchen
tritt daher nicht auf.
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Die
poröse
Abdeckung 13 kann beispielsweise als Metallvlies oder als
Ring ausgeführt
sein und durch Halteelemente 14 in ihrer Position fixiert
sein. Eine als Ring ausgeführte
Abdeckung 13 ist vorzugsweise aus poröser Keramik oder aus einem
porösen Sintermetall
gefertigt. Eine Ausführung
der Abdeckung 13 aus einem keramischen Material hat dabei den
Vorteil einer geringeren Wärmeleitfähigkeit
bzw. einer geringeren spezifischen Wärmekapazität, so dass eine Bildung von
Kondenswasser an der Abdeckung 13 von vornherein vermindert
ist. Anstelle der als Ring ausgeführten Abdeckung 13 jedoch
auch ein jedes andere Schutz- oder Abdeckelement vorgesehen sein,
das Kondenswasser aufsaugen kann und beständig gegenüber den im Sensorgehäuse herrschenden
Bedingungen ist. Vorteilhaft ist ein separates Bauteil, welches
bei der Montage des Sensors 1 in das Sensorgehäuse anliegend
an den Befestigungsbereich 6 eingebracht werden kann und
gegebenenfalls durch Halteelemente fixierbar ist. Die konstruktive
Umgestaltung ist dabei unerheblich, so dass die wesentlichen Teile
des Sensors unverändert
verwendet werden können.
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Die
Halteelemente 14 können
als ein am inneren und/oder am äußeren Teil 3, 4 der
Gehäusekappe 2 angebrachte
schmale Ringe oder Stützteile ausgeführt sein.
Je nach Ausführungsform
des Ringes kann jedoch zusätzlich
oder alternativ eine Kleb-, Löt-
oder Schweißverbindung
der porösen
Abdeckung 13 mit dem Befestigungsbereich 6 vorgesehen sein.
Eine Versinterung ist ebenfalls möglich.
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In 3 ist
eine zweite vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Abgassensors 1 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform
ist ein Teil 15 des Befestigungsbereichs 6 aus
porösem
Material gefertigt. Der aus porösem
Material gefertigte Teil 15 des Befestigungsbereichs 6 beschränkt sich
dabei bevorzugt auf innere Bereiche des Sensorgehäuses, die
von ins Gehäuse
eingetretenem Abgas erreicht werden können. Gehäuseseitig außen liegende
Teile des Befestigungsbereichs 6 sind vorzugsweise massiv
aus einem Material mit hoher mechanischer Beanspruchbarkeit, wie
beispielsweise aus Stahl gefertigt. Der poröse Bereich 15 des
Befestigungsbereichs 6 kann mit Vorteil auch als eine Beschichtung
ausgeführt
sein, welche zumindest für
die gehäuseinneren Oberflächen des
Befestigungsbereichs 6 vorgesehen ist. Das Material des
porösen
Bereichs 15 ist vorzugsweise aus Keramik oder aus Sintermetall
gebildet.
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In 4 ist
eine weitere vorteilhafte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Abgassensors 1 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform
ist zusätzlich zu
dem porös
ausgestalteten Teil 15 des Befestigungsbereichs 6 eine
Abdeckung 16 vorgesehen, welche den ansonsten von Abgas
erreichbaren Teil der Halterung 11 abdeckt. Die Abdeckung 16 ist
vorzugsweise als poröse
Hülse oder
Ring aus keramischem Material oder aus Sintermetall gefertigt. Analog
zur teilweise porös
ausgeführten
Ausgestaltung des Befestigungsbereichs 6 kann jedoch auch
vorgesehen sein, die Halterung 11 einstückig auszuführen, wobei der vordere, dem
Abgas ausgesetzte Bereich aus porösem Material gefertigt ist
oder entsprechend beschichtet ist.
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Es
versteht sich, dass die erfindungsgemäßen Modifikationen nicht auf
die in den 1 bis 4 dargestellte
Ausführungsform
eines Abgassensors beschränkt
sind, sondern vielmehr bei beliebigen anderen Ausführungsformen
anwendbar sind. Generell kann bei Abgassensoren zur Vermeidung eines
Wasserschlags die erfindungsgemäße Verbesserung
dadurch zur Anwendung kommen, dass gehäuseinnere, von Abgas erreichbare
Oberflächen von
Sensorbestandteilen mit vergleichsweise hoher Wärmeleitung bzw. vergleichsweise
hoher Wärmekapazität mit einer
Abdeckung versehen werden, welche geeignet ist, die Ausbildung von
Kondenswassertröpfchen
zu vermeiden. Vorzugsweise wird hierfür eine Abdeckung eingesetzt,
die porös
ausgeführt ist
und Kondenswasser aufzunehmen vermag. Die entsprechenden gehäuseinneren
oberflächennahen Teile
können
alternativ hierzu auch selbst porös ausgeführt oder mit einer porösen Beschichtung
versehen sein.
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Obschon
eine poröse
Abdeckung von kondensationsgefärdeten
Sensorbereichen in Form eines separaten Bauteils oder einer Beschichtung
bevorzugt ist, kann es auch vorgesehen sein, die betreffenden Bauteile
auch teilweise oder vollständig
aus porösem
Material zu fertigen.