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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration einer Gaskomponente oder der Temperatur des Messgases, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei einem bekannten Gassensor dieser Art (
DE 10 2004 033 958 A1 ) ist von den konzentrisch angeordneten Schutzrohren des Schutzrohrmoduls das innere Schutzrohr becherförmig mit geschlossenem Becherboden ausgebildet und ein im Rohrmantel vorhandener Lochkranz mit Gasdurchtrittslöchern gegenüber einem im Rohrmantel des mittleren Schutzrohrs vorhandenen Lochkranz mit Gasdurchtrittslöchern zum Rohrboden hin versetzt angeordnet. Das Ende des durch eine Öffnung des äußeren Schutzrohrs passgenau hindurchgeführten mittleren Schutzrohrs ist zum Rohrende hin konisch verjüngt. Während das äußere und das mittlere Schutzrohr auf einem im Durchmesser reduzierten Gehäuseabschnitt festgelegt sind, ist das dünnwandig ausgebildete innere Schutzrohr an seinem vom Rohrboden abgekehrten Ende trichterartig aufgeweitet und auf einer im Gehäuse ausgebildeten, umlaufenden Gehäuseschulter aufgelegt. Eine das Sensorelement spaltlos umschließende Dichtung, die gegen die Innenwand des Gehäuses gepresst ist, legt das innere Schutzrohr mit seinem konusartig aufgeweiteten Ende axial unverschieblich im Gehäuse fest. Bei Einsetzen des Gassensors in ein das Messgas führendes Messgasrohr entsteht durch den in den Messgasstrom hineinragenden Endbereich des Gassensors im Messgasrohr eine Querschnittsverengung. Durch diese Querschnittsverengung wird das Messgas im Bereich des Gasaustrittslochs im Rohrboden des mittleren Schutzrohrs beschleunigt und erzeugt in diesem Bereich einen Unterdruck. Gleichzeitig baut sich in Strömungsrichtung des Messgases gesehen vor dem aus dem äußeren Schutzrohr herausragenden Ende des mittleren Schutzrohrs ein Überdruck auf. Das so entstehende Druckgefälle sorgt fiir eine Messgasströmung innerhalb des Schutzrohrmoduls, wobei diese Messgasströmung über einen Teil von im Rohrboden des äußeren Schutzrohrs vorhandenen Gaseintrittslöchern eintritt, den Ringraum zwischen dem äußeren und mittleren Schutzrohr durchströmt, im Bereich der Gasdurchtrittslöcher im mittleren Schutzrohr umgelenkt wird und gegensinnig zu der Messgasströmung im Ringraum zwischen äußerem und mittlerem Schutzrohr verläuft. Das Messgas tritt über einen Teil der Gasdurchtrittslöcher im inneren Schutzrohr in den vom inneren Schutzrohr umschlossenen Messraum, in den das Sensorelement hineinragt, ein. Durch die von den Gasdurchtrittslöchern im inneren Schutzrohr gebildeten Abrisskanten entsteht eine starke Verwirbelung des Messgases im Messraum um den Endabschnitt des Sensorelements herum, wodurch das Messgas ausreichend schnell ausgetauscht wird. Das Abströmen des Messgases aus dem Messraum erfolgt über den anderen Teil der Gasdurchtrittslöcher im inneren Schutzrohr und über das Gasaustrittsloch im Rohrboden des mittleren Schutzrohrs.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch das an den Zusatz-Gasdurchtrittslöchern im inneren Schutzrohr erzeugte Druckgefälle Messgas über die oberen Gasdurchtrittslöcher im inneren Schutzrohr in den vom inneren Schutzrohr umschlossenen Messraum strömt und an den Zusatz-Gasdurchtrittslöchern wieder in Richtung zum Gasaustrittsloch im Rohrboden des mittleren Schutzrohrs austritt. Dies hat eine verbesserte Umströmung des Endabschnitts des Sensorelements zur Folge, wodurch eine sehr gute Sondendynamik, das ist die Transportzeit des Messgases durch das Schutzrohrmodul, erreicht wird. Zugleich ist sichergestellt, dass die im Messgas vorhandenen Wassertropfen aufgrund ihrer Trägheit nicht dieser Strömung durch den Messraum folgen, sondern von dem Messgasteilstrom im Ringraum zwischen mittlerem und innerem Schutzrohr zum Rohrboden des mittleren Schutzrohrs transportiert werden und dort über das Gasaustrittsloch aus den Schutzrohrmodul hinaus befördert werden. Die Wassertropfen können somit nicht auf das heiße Sensorelement gelangen und das Sensorelement durch Thermoschock schädigen. Der erfindungsgemäße Gassensor weist aufgrund der konstruktiven Gestaltung des Schutzrohrmoduls eine hohe Sondendynamik und einen sehr hohen Schutz gegen Wasserschlag auf und genügt daher den gestiegenen Ansprüchen an Abgassensoren in Form von schnellen und robusten Konstruktionen zur Einhaltung der sich stets verschärfenden Abgasbestimmungen für Kraftfahrzeuge.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gassensors möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung bestehen die Mittel zum Erzeugen des im Ringraum zwischen mittlerem und innerem Schutzrohr sich über die Zusatz-Gasdurchtrittslöcher im inneren Schutzrohr hinweg erstreckenden Druckgefälles aus einem zum Rohrende des inneren Schutzrohrs hin sich verjüngenden Ringraumabschnitt des zwischen mittlerem und innerem Schutzrohr eingeschlossenen Ringraums. Durch diese Ringraumverengung, die zum Gasaustrittsloch im Rohrboden des mittleren Schutzrohrs zunimmt, erfährt das Messgas eine Beschleunigung, wodurch der Druck abgesenkt wird und das treibende Druckgefälle entsteht. Wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das mittlere und innere Schutzrohr jeweils mit einem kegelstumpfförmigen Rohrendabschnitt versehen, dessen querschnittskleinere Deckfläche den Rohrboden bildet, und der konische Rohrendabschnitt des inneren Schutzrohrs im konischen Rohrendabschnitt des mittleren Schutzrohrs aufgenommen sowie die Zusatz-Gasdurchtrittslöcher im Kegel- oder Konusmantel des Rohrendabschnitts des inneren Schutzrohrs angeordnet, so kann durch entsprechende Eintauchtiefe des Rohrendabschnitts des inneren Schutzrohrs in den konusförmigen Rohrabschnitt des mittleren Schutzrohrs der Messgas-Eintrittsquerschnitt im sich verjüngenden Ringraumabschnitt kleiner gemacht werden als der Querschnitt im übrigen hohlzylindrischen Ringraum zwischen äußerem und innerem Schutzrohr. Dadurch wird insgesamt das treibende Druckgefälle im konischen Bereich des Rohrendes über die darin liegenden Zusatz-Gasdurchtrittslöcher verstärkt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind im mittleren Schutzrohr Gasdurchtrittslöcher nahe dem Gehäuse angeordnet und die Gasdurchtrittslöcher im inneren Schutzrohr dazu axial in Richtung Rohrboden versetzt. Dadurch wird der Messgasströmung eine Art Labyrinth vorgegeben, so dass das über die Gaseintrittsöffnungen im Rohrboden des äußeren Schutzrohrs eintretende Messgas erst den Ringraum zwischen äußerem und mittleren Schutzrohr bis hin zum Gehäuseende durchströmt, in den Gasdurchtrittslöchern im mittleren Schutzrohr umgelenkt wird und im Ringraum zwischen mittlerem und innerem Schutzrohr gegensinnig strömt. An den stromabwärts gelegenen Gasdurchtrittsöffnungen im inneren Schutzrohr tritt ein Großteil des Messgases infolge des am inneren konusförmigen Rohrendabschnitt des Schutzrohrs erzeugten Druckgefälles in den vom inneren Schutzrohr umschlossenen Messraum ein und am konusförmigen Rohrende über die Zusatz-Durchtrittslöcher im inneren Schutzrohr wieder aus, wobei die im Messgas vorhandenen, schweren Wassertropfen infolge ihrer Trägheit in dem im Ringraum zwischen mittlerem und innerem Schutzrohr strömenden Messgasstrom verbleiben und mit diesem Teilstrom über das Gasaustrittsloch im Rohrboden des mittleren Schutzrohrs hinaustransportiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur ausschnittweise einen Längsschnitt eines Gassensors.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Der ausschnittweise im Schnitt dargestellte Gassensor mit einem Sensorelement 11 zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases dient beispielsweise zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. Mit einer anderen konzeptionellen Ausbildung des Sensorelements 11 kann der Gassensor auch zur Bestimmung der Konzentration von Stickoxiden im Abgas oder zur Messung der Temperatur des Abgases verwendet werden.
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Der Gassensor weist ein rotationssymmetrisches, metallisches Gehäuse 10 auf, durch das das im Ausführungsbeispiel stabförmige, planare Sensorelement 11 hindurchgeführt ist. Das Sensorelement 11 tritt dabei mit einem messgasseitigen Endabschnitt 111 und einem hier nicht dargestellten anschlussseitigen Endabschnitt 112 an voneinander abgekehrten Stirnseiten des Gehäuses 10 aus dem Gehäuse 10 heraus. Der dem Messgas aussetzbare messgasseitige Endabschnitt 111 trägt in bekannter Weise gassensitive Elektroden und ist mit einem Schutzrohrmodul 12 überdeckt, der am Gehäuse 10 festgelegt ist. Von den gassensitiven Elektroden im Endabschnitt 112 ist eine auf der Oberfläche des Endabschnitts 11 angeordnete sog. Außenelektrode 13 schematisiert angedeutet. Die gassensitiven Elektroden sind in bekannter Weise über Leiterbahnen mit auf dem anschlussseitigen Endabschnitt angeordneten Kontaktflächen verbunden, die zum Anschließen des Gassensors an eine Auswerteelektronik dienen. Das Sensorelement 11 ist im Gehäuseinnern mittels einer Dichtung 14, die sich gasdicht an das Sensorelement 11 anschmiegt und dieses gasdicht gegen die Innenwand des Gehäuses 10 abdichtet, fixiert. Zum Einbau des Gassensors in ein hier nicht dargestelltes, das Messgas führende Messgasrohr, im Falle eines Abgassensors in das das Abgas führende Abgasrohr des Kraftfahrzeugs, ist das Gehäuse 10 mit einem Montagegewinde 15 versehen.
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Das Schutzrohrmodul 12 besteht aus drei konzentrisch angeordneten Schutzrohren, einem inneren, mittleren und äußeren Schutzrohr 16, 17, 18, die zur Ausbildung einer Messgasströmung im Modulinnern alle am Rohrende mit einem Rohrboden 161, 171, 181 verschlossen und mit Löchern versehen sind. Das innere Schutzrohr 16 umgibt unmittelbar den Endabschnitt 111 des Sensorelements 11. An seinem im Gehäuse 10 liegenden, rohrbodenfernen Rohrende ist das innere Schutzrohr 16 trichterförmig erweitert und liegt mit dieser trichterförmigen Erweiterung 19 unter axialem Druck durch die Dichtung 14 auf einer im Gehäuse 10 ausgebildeten, umlaufenden Schrägschulter 20 auf. Das gehäuseferne, freie Rohrende des inneren Schutzrohrs 16 ist kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei die querschnittskleinere Deckfläche des Kegelstumpfes den Rohrboden 161 bildet.
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Das innere Schutzrohr 16 ist vollständig im mittleren Schutzrohr 17 aufgenommen. Gehäuseseitig ist das mittlere Schutzrohr 17 mit einer zylinderförmigen Aufweitung 21 versehen und auf einen im Durchmesser reduzierten Gehäuseabschnitt 101 des Gehäuses 10 aufgeschoben. Das gehäuseferne, freie Rohrende des mittleren Schutzrohrs 17 ist ebenfalls kegelstumpfförmig ausgebildet, wobei die querschnittkleinere Deckfläche des Kegelstumpfes den Rohrboden 171 des mittleren Schutzrohrs 17 bildet. Das kegelstumpfförmige oder konusförmige Rohrende des inneren Schutzrohrs 16 ragt vollständig in das kegelstumpfförmige oder konusförmige Rohrende des mittleren Schutzrohrs 17 hinein.
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Das äußere Schutzrohr 18, das becherförmig ausgebildet ist, übergreift mit seinem offenen gehäuseseitigen Rohrende die Aufweitung 21 des mittleren Schutzrohrs 17 und ist in seinem vom Becherboden gebildeten Rohrboden 181 mit einer zentralen Öffnung 22 versehen, durch die das mittlere Schutzrohr 17 passgenau hindurchtritt. Die Länge des äußeren Schutzrohrs 18 ist dabei so bemessen, dass die Durchtrittsstelle des mittleren Schutzrohrs 17 noch vor dem kegelstumpfförmigen Rohrende des mittleren Schutzrohrs 17 liegt. Die gehäuseseitige Festlegung des mittleren und äußeren Schutzrohrs 17, 18 erfolgt durch Schweißen oder Verstemmen.
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Der Rohrboden 181 des äußeren Schutzrohrs 18 ist mit voneinander beabstandeten Gaseintrittslöchern 23 versehen, die auf einem zur zentralen Öffnung 22 konzentrischen Lochkreis angeordnet sind. Das mittlere Schutzrohr 17 weist einen nahe seiner gehäuseseitigen, zylindrischen Aufweitung 21 liegenden Lochkranz aus im Rohrmantel voneinander beabstandeten Gasdurchtrittslöchern 24 sowie ein im Rohrboden 171 zentral angeordnetes Gasaustrittsloch 25 auf. Das innere Schutzrohr 16 weist im Rohrmantel einen Lochkranz aus voneinander beabstandeten Gasdurchtrittslöchern 26 sowie im Konus- oder Kegelmantel des konus- oder kegelstumpfförmigen Rohrendes einen Lochkranz aus voneinander beabstandeten Zusatz-Gasdurchtrittslöchern 27 auf. Die Lochachsen der Gasdurchtrittslöcher 24, 26 in jedem Lochkranz sind radial ausgerichtet und liegen in einer zu den Rohrachsen rechtwinkligen Ebene. Der Lochkranz mit den Gasdurchtrittslöchern 26 im inneren Schutzrohr 16 ist zu dem Lochkranz mit den Gasdurchtrittslöchern 24 im mittleren Schutzrohr 17 hin zum Rohrende des inneren Schutzrohrs 16 axial versetzt. Das äußere Schutzrohr 18 und das mittlere Schutzrohr 17 schließen einen zylindrischen Ringraum 28 ein, das mittlere Schutzrohr 17 und das innere Schutzrohr 16 begrenzen einen Ringraum 29 und das innere Schutzrohr 16 begrenzt zusammen mit der Dichtung 14 einen Messraum 30, in dem der Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 einliegt. Die kegelstumpfförmigen Rohrenden von mittlerem Schutzrohr 17 und innerem Schutzrohr 16 sind so zueinander angeordnet, dass die Kegelmäntel der beiden Kegelstümpfe im Ringraum 29 zwischen mittlerem und innerem Schutzrohr 17, 16 einen sich zu den Rohrenden hin verjüngenden Ringraumabschnitt 291 bilden. Dabei ist der Eintrittsquerschnitt für die Messgasströmung am in der Zeichnung oberen Ende des Ringraumabschnitts 291 kleiner als der Querschnitt des Ringraums 29.
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Mit Einbau des Gassensors in ein das Messgas führendes Messgasrohr ragt das Schutzrohrmodul 12 in den Messgasstrom hinein und verursacht eine Querschnittsverengung im Messgasrohr. Dadurch wird das Messgas im Bereich des Gasaustrittslochs 25 im mittleren Schutzrohr 17 beschleunigt und erzeugt hier einen Unterdruck. Gleichzeitig baut sich im Strömungsrichtung des Messgases vor dem aus dem äußeren Schutzrohr 18 vorstehenden Rohrende des mittleren Schutzrohrs 17 am Rohrboden 181 des äußeren Schutzrohrs 18 ein Überdruck auf. Das so entstehende Druckgefälle sorgt - beim Abgas zusammen mit der Druckpulsation im Abgasstrang - für eine längsgerichtete Messgasströmung im Schutzrohrmodul 12. Im äußeren Ringraum 28 strömt dann über die Gaseintrittslöcher 23 im Rohrboden 181 des äußeren Schutzrohrs 18 in das Schutzrohrmodul 12 eintretendes Messgas in Richtung Gehäuse 10, tritt über die Gasdurchtrittslöcher 24 im mittleren Schutzrohr 17 in den Ringraum 29 und strömt hier gegensinnig in Richtung des Gasaustrittslochs 25 im Rohrboden 171 des mittleren Schutzrohrs 17. Durch das im Ringraumabschnitt 291 über die Zusatz-Gasdurchtrittslöcher 27 im inneren Schutzrohr 16 hinweg bestehende Druckgefälle strömt ein Teil des Messgasses aus dem Ringraum 29 durch die Gasdurchtrittslöcher 26 im inneren Schutzrohr 16 hindurch und an den im Konusmantel liegenden Zusatz-Gasdurchtrittslöchern 27 des inneren Schutzrohrs 16 wieder aus. Dies hat eine gute Umströmung des Endabschnitts 111 des Sensorelements 11 zur Folge und bewirkt eine sehr gute Dynamik des Gassensors, d. h. einen sehr schnellen Transport des Messgases durch das Schutzrohrmodul 12 am messgasseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 vorbei. Die im Messgas enthaltenen Wassertropfen können aufgrund ihrer Trägheit nicht der durch den Messraum 30 verlaufenden Messgasströmung folgen und werden mit dem Messgasteilstrom im Ringraum 29 hin zum Gasaustrittsloch 25 im Rohrboden 171 des mittleren Schutzrohrs 17 geführt und dort aus dem Schutzrohrmodul 12 hinaustransportiert. Damit können die Wassertropfen nicht an das thermoschockempfindliche Sensorelement 11 gelangen, und das Sensorelement 11 ist gut gegen Wasserschlag geschützt.
