DE102007000245A1

DE102007000245A1 - Gassensor mit Abdeckungsaufbau für Messfühler

Info

Publication number: DE102007000245A1
Application number: DE102007000245A
Authority: DE
Inventors: Kouhei Kariya Yamada
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-04-27
Filing date: 2007-04-26
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2027-04-27
Also published as: US20070251823A1; CN101063668B; JP2007316051A; CN101063668A; DE102007000245B4; JP4725494B2; US7901556B2

Abstract

Ein Gassensor ist mit einem Abdeckungsaufbau (4) ausgestattet, der aus einer Außenabdeckung (42) und einer Innenabdeckung (41) besteht, in der sich ein Gasmessfühler (2) befindet. Die Außenabdeckung (42) hat einen äußeren Gaseinlass (421) und einen äußeren Gasauslass (422), der näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus (4) als der äußere Gaseinlass (421) ausgebildet ist. Die Innenabdeckung (41) hat einen inneren Gaseinlass (411), der näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus (4) als der äußere Gaseinlass (421) ausgebildet ist. Der innere Gaseinlass (411) ist so orientiert, dass er den Eintritt von Wassertropfen, die zusammen mit einem zu messenden Gas in die Innenabdeckung (41) eindringen, minimiert, um ein Bespritzen des Gasmessfühlers (2) mit dem Wasser zu vermeiden.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Gassensor, der in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors eingebaut werden kann, um in Abgasemissionen die Konzentration an O₂, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis oder die Konzentration an NO_x zu ermitteln, und insbesondere auf eine verbesserte Konstruktion eines Gassensors einer Bauart, die mit einem so gestalteten Abdeckungsaufbau ausgestattet ist, dass er ein Bruchschaden eines Messfühlers infolge von Wasserspritzern vermieden wird, ohne die Ansprechgeschwindigkeit des Gassensors zu opfern.
Stand der Technik
19 stellt ein typisches Beispiel eines (auch als O₂-Sensor bezeichneten) Sauerstoffsensors 9 dar, der in einem Auspuffrohr eines (nicht gezeigten) Kraftfahrzeugverbrennungsmotors eingebaut wird, um die in einem Abgas G enthaltene Konzentration an Sauerstoff (O₂) als Funktion des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses eines in den Motor eingespeisten Gemisches zu messen, die dann bei der Steuerung der Verbrennung im Motor verwendet wird.
Der Sauerstoffsensor 9 enthält einen Gasmessfühler 92 und einen Schutzabdeckungsaufbau 93. Der Gasmessfühler 92 ist mit einem Festelektrolytkörper ausgestattet, der aus Zirkoniumoxid besteht und sich innerhalb des Schutzabdeckungsaufbaus 93 befindet. Der Schutzabdeckungsaufbau 93 besteht aus einem Metall wie Edelstahl und hat in sich Gaseinlässe 933 ausgebildet, durch die das Abgas G ins Innere des Schutzabdeckungsaufbaus 93 gelassen wird.
Das Abgas G dringt an den Gaseinlässen 933 in den Schutzabdeckungsaufbau 93 ein und erreicht den Gasmessfühler 92. Der Gasmessfühler 92 spricht auf das Abgas G an, indem er als Funktion der Sauerstoffkonzentration ein Signal erzeugt.
Was den Rest des Motors betrifft, kann die im Abgas G enthaltene Feuchtigkeit auf eine kühle Innenwand des gekühlten Auspuffrohrs treffen, sodass sie als Wassertropfen kondensiert. Wenn die Temperatur des Abgases G unmittelbar nach der Inbetriebnahme des Motors niedrig ist, können die Wassertropfen durch das Abgas G weggeblasen werden, ohne zu verdampfen, und dringen zusammen mit dem Abgas G in den Schutzabdeckungsaufbau 93 ein.
Für eine korrekte Messung der Sauerstoffkonzentration muss der Gasmessfühler 92 bei einer hohen Temperatur von 400°C oder mehr, d. h. in einem aktivierten Zustand, gehalten werden. Das Anhaften der Wassertropfen an der Oberfläche des Gasmessfühlers 92 innerhalb des Schutzabdeckungsaufbaus 93 kann daher dazu führen, dass der Gasmessfühler 92 einer thermischen Belastung unterliegt und bricht. Um die Anhaftung von Wasser am Gasmessfühler 92 zu minimieren, hat der Schutzabdeckungsaufbau 93, wie deutlich in 19 dargestellt ist, eine doppelwandige Konstruktion, die mit einer Innenabdeckung 931 und einer Außenabdeckung 932 ausgestattet ist, und bei der es zwischen den Gaseinlässen 933 der Innenabdeckung 931 und denen der Außenabdeckung 932 außerdem einen Versatz in Fließrichtung des Abgases G gibt.
Wenn die Wassertropfen W jedoch, wie in 19 dargestellt ist, an der Außenfläche 934 der Außenabdeckung 932 anhaften, können sie sich auf der Außenfläche 934 zu den Gaseinlässen 933 bewegen und ins Innere der Außenabdeckung 931 eindringen. Die Wassertropfen W können außerdem auf der Außenfläche 936 der Innenabdeckung 931 oder der Innenfläche 935 der Außenabdeckung 932 zu den Gaseinlässen 933 der Innenabdeckung 931 fließen und dann in das Innere der Innenabdeckung 931 eindringen, so dass sie am Gasmessfühler 92 hängen bleiben, was zu einem Bruchschaden des Gasmessfühlers 92 führt.
Um das obige Problem zu vermeiden, lehrt die JP 8-240559 A, wie in 20 dargestellt ist, den Gasmessfühler 92 mit einem Wasser abweisenden Schutzfilm 94 zu überziehen, der sich der Anhaftung des Wassers am Gasmessfühler 92 widersetzt.
Die Einrichtung des Schutzfilms 94 auf der Oberfläche des Gasmessfühlers 92 führt jedoch dazu, dass das Abgas G mehr Zeit braucht, um den Messabschnitt des Gasmessfühlers 92 zu erreichen, was zu einem verzögerten Ansprechverhalten des Gasmessfühlers 9 führt. Sie führt außerdem zu einer Erhöhung der Wärmekapazität des Gasmessfühler 92, wodurch die Zeit verlängert wird, die benötigt wird, um den Gasmessfühler 92 in den aktivierten Zustand zu versetzen.
Die JP 4-11461 U lehrt, wie in 21 dargestellt ist, einen Gassensor 90 mit einer auf einer Schutzabdeckung 93 ausgebildeten Schutzschicht 940 auszustatten, die Gaseinlässe 933 abdeckt.
Wenn die Schutzschicht 940 die Gaseinlässe 933 zu breit bedeckt, führt dies wie bei der obigen Druckschrift zu einer Verlängerung der Zeitdauer, die das Abgas G benötigt, um den Gasmessfühler 920 zu erreichen, was zu einer Verzögerung im Ansprechverhalten des Gasmessfühlers 9 führt.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, für eine verbesserte Konstruktion eines Gassensors zu sorgen, der so gestaltet ist, dass er ein Bruchschaden eines Messfühlers infolge von Wasserspritzern vermieden wird, ohne die Ansprechgeschwindigkeit des Gassensors zu opfern.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Gassensor vorgesehen, der zum Messen der Konzentration eines bestimmten Gases eingesetzt werden kann, das in Abgasemissionen eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs enthalten ist. Der Gassensor hat eine Länge mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegensetzten Kopfende und umfasst: (a) einen Gasmessfühler, der einen Messabschnitt hat, der auf eine Konzentration eines zu messenden Gases anspricht, indem er für ein dafür stehendes Signal sorgt; (b) ein Gehäuse mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten Kopfende, wobei das Gehäuse in sich den Gasmessfühler hält; (c) einen Abdeckungsaufbau mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten und nahe am Kopfende des Gassensors gelegenen Kopfende, wobei der Abdeckungsaufbau eine Außenabdeckung und eine innerhalb der Außenabdeckung gelegene Innenabdeckung umfasst und an seinem Fußende mit dem Kopfende des Gehäuses verbunden ist, so dass der Messabschnitt des Gasmessfühlers innerhalb der Innenabdeckung untergebracht ist; (d) einen äußeren Gaseinlass, der in einer Umfangswand der Außenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist; (e) einen äußeren Gasauslass, der in einem Abschnitt der Außenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist, der sich näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass befindet; und (f) einen inneren Gaseinlass, der in einem Abschnitt der Innenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist, der sich näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass befindet. Der innere Gaseinlass wird durch eine Öffnung gebildet, die so geformt ist, dass sie eine Mittelachse hat, die von der Außenseite zur Innenseite der Innenabdeckung orientiert ist und so definiert ist, dass sie eine vertikale Quadraturkomponente hat, die in einem rechteckigen Koordinatensystem in Achsrichtung des Gassensors zum Fußende des Gassensors hin orientiert ist.
Der Abdeckungsaufbau hat, wie oben beschrieben wurde, in der Außenabdeckung den äußeren Gaseinlass und den äußeren Gasauslass ausgebildet und in dem Abschnitt der Innenabdeckung, der sich näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass befindet, den inneren Gaseinlass ausgebildet, was dazu führt, dass das aus einer Querrichtung kommende zu messende Gas (nachstehend auch als Messgas bezeichnet) vom äußeren Gaseinlass aus in einen Zwischenraum zwischen der Außenabdeckung und der Innenabdeckung eingeleitet wird. Das meiste Messgas wandert zum Kopfende des Abdeckungsaufbaus und tritt dann aus dem äußeren Gasauslass aus, während der restliche Teil am inneren Gaseinlass in die Innenabdeckung eindringt und dann den Gasmessfühler erreicht.
Der innere Gaseinlass befindet sich näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass und ist so geformt, dass er die Mittelachse aufweist, die von der Außenseite zur Innenseite der Innenabdeckung orientiert ist und die vertikale Quadraturkomponente hat, die zum Fußende des Gassensors hin orientiert ist. Dies führt dazu, dass das Messgas, das vom äußeren Gaseinlass eingedrungen ist, in einen äußeren Gasstrom, der verhältnismäßig gerade zum äußeren Gasauslass geht, und einen inneren Gasstrom aufgeteilt wird, der verhältnismäßig gekrümmt oder gewunden vom inneren Gaseinlass ins Innere der Innenabdeckung geht, sodass die Wassertropfen, die zusammen mit dem Messgas zwischen die Außenabdeckung und die Innenabdeckung eingedrungen sind, durch ihre Massenkräfte zum äußeren Gasauslass gerichtet werden und dann vom äußeren Gasauslass zur Außenseite des Abdeckungsaufbaus abgeleitet werden. Dies liegt daran, dass die Wassertropfen ein höheres spezifisches Gewicht als das Messgas haben und daher vom äußeren Gasstrom fortgetragen werden, der verhältnismäßig gerade zum äußeren Gasauslass geht. Das Messgas, das ein geringeres spezifisches Gewicht als die Wassertropfen hat, dringt teilweise in die Innenabdeckung ein, sodass der innere Gasstrom erzeugt wird, dem der Gasmessfühler ausgesetzt ist. Dies vermeidet ohne einen Verlust an Zeit, die das Messgas braucht, um den Gasmessfühler zu erreichen, den Eintritt der Wassertropfen in die Innenabdeckung, wodurch der Bruchschaden des Gasmessfühlers infolge von Wasserspritzern vermieden wird.
Der äußere Gasstrom ist, wie oben angegeben wurde, ein Gasstrom, der einem Teil des am äußeren Gaseinlass eingedrungenen Messgasflusses entspricht und zwischen der Außen- und Innenabdeckung zum äußeren Gasauslass geht und der nicht unbedingt so orientiert sein muss, dass er gerade fließt.
Der innere Gasstrom ist, wie oben angegeben wurde, ein Gasstrom, der vom am äußeren Gaseinlass eingedrungenen Messgasfluss abgetrennt wird und unabhängig vom äußeren Gasstrom ins Innere der Innenabdeckung geht und der nicht unbedingt so orientiert sein muss, dass er in gekrümmter Form fließt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der äußere Gasauslass in einem Kopfende der Außenabdeckung ausgebildet. Dies vermeidet, dass Wasser auf einer Innenwand der Außenabdeckung zurückbleibt, sodass die Haltbarkeit des Gasmessfühlers gewährleistet wird.
Die Innenabdeckung und die Außenabdeckung haben beide Kopfenden, die miteinander in Flucht liegen, sodass sie das Kopfende des Abdeckungsaufbaus definieren. Dies minimiert den Eintritt von Wasser in den äußeren Gasauslass zusammen mit dem Messgas.
Die Innenabdeckung hat ein Kopfende, das weit von dem Fußende des Abdeckungsaufbaus entfernt liegt. Der Gassensor umfasst außerdem im Kopfende der Innenabdeckung eine innere Gasauslassform. Der außen und nahe am inneren Gasauslassloch vorbeigehende Messgasfluss erzeugt einen Unterdruck, der den Eintritt des Messgases, das in das Innere der Außenabdeckung gekommen ist, ohne Wassertropfen durch den inneren Gaseinlass in die Innenabdeckung ermöglicht.
Die Außenabdeckung des Abdeckungsaufbaus hat mindestens eine Wand, deren Durchmesser abnimmt, wenn sie sich dem Kopfende des Abdeckungsaufbaus nähert. Die mindestens eine Wand kann sich beispielsweise zum Kopfende des Abdeckungsaufbaus hin verjüngen. Dies erleichtert die Erzeugung eines gleichmäßigen Messgasstroms zwischen der Außen- und Innenabdeckung zum äußeren Gasauslass hin.
Die Innenabdeckung des Abdeckungsaufbaus hat mindestens eine Wand, deren Durchmesser abnimmt, wenn sie sich dem Kopfende des Abdeckungsaufbaus nähert. Die mindestens eine Wand kann sich zum Kopfende des Abdeckungsaufbaus hin verjüngen. Dies erleichtert ebenfalls die Erzeugung eines gleichmäßigen Messgasstroms zwischen der äußeren und der Innenabdeckung zum äußeren Gasauslass hin.
Die mindestens eine Wand der Innenabdeckung schließt einen Abschnitt der Innenabdeckung ein, der den geringsten Durchmesser hat und sich näher am Kopfende des Gassensors als das Kopfende des dem Kopfende des Gassensors zugewandten Gasmessfühlers befindet. Dies minimiert eine physikalische Beeinflussung des Gasmessfühlers durch die Innenwand der Innenabdeckung, wenn der Gasmessfühler Vibrationen und Schwingungen unterliegt.
Die Mittelachse ist so definiert, dass sie die vertikale Quadraturkomponente und eine querlaufende Quadraturkomponente hat, die senkrecht zur Achsrichtung des Gassensors orientiert ist. Dies dient dazu, einen Messgasstrom zu erzeugen, der zwischen die Außenabdeckung und die Innenabdeckung eingeleitet wird und durch den inneren Gaseinlass ins Innere der Innenabdeckung eindringt und der komplizierter ist, was die Möglichkeit eines Wassereintritts in die Innenabdeckung durch den inneren Gaseinlass hindurch stark verringert.
Die Innenabdeckung kann in einer Umfangswand von ihr eine Vertiefung ausgebildet haben, die ein zum Fußende des Abdeckungsaufbaus orientiertes Fußende hat. Der innere Gaseinlass kann in dem Fußende der Vertiefung ausgebildet sein. Dies ermöglicht es dem inneren Gaseinlass, geometrisch so geformt zu sein, dass die Mittelachse parallel zur Längsrichtung des Abdeckungsaufbaus verläuft, wodurch die Möglichkeit eines Wassereintritts in die Innenabdeckung durch den inneren Gaseinlass hindurch verringert wird.
Die Innenabdeckung hat eine Seitenfläche, die dem in der Außenabdeckung ausgebildeten äußeren Gaseinlass zugewandt ist und parallel zur Längsrichtung des Gassensors verläuft. Dies erleichtert die Erzeugung eines gleichmäßigen Messgasstroms in der Achsrichtung des Gassensors zwischen der Innen- und Außenabdeckung, wodurch die Bildung eines gleichmäßigen Flusses an Wassertröpfchen, die ein höheres spezifisches Gewicht als das Messgas haben, in Längsrichtung des Gassensors gefördert wird und dieser aus dem äußeren Gasauslass ausgestoßen wird.
Der Gasmessfühler hat an einer Oberfläche von ihm eine Messgaselektrode befestigt, die dem zu messenden Gas ausgesetzt wird. Die Messgaselektrode hat eine Länge mit einem Fußende und einem Kopfende, das zu ihrem Fußende entgegengesetzt ist und dem Kopfende des Abdeckungsaufbaus zugewandt ist. Der innere Gaseinlass befindet sich vom Fußende der Messgaselektrode aus innerhalb der halben Länge der Messgaselektrode. Dies gewährleistet ein rasches Vordringen des Messgases, das am inneren Gaseinlass eingedrungen ist, zur Messgaselektrode und den Kontakt der gesamten Messgaselektrode mit dem Messgas, wodurch das Ansprechverhalten des Gassensors verbessert wird.
Die Mittelachse hat außerdem eine querlaufende Quadraturkomponente, die senkrecht zur Achsrichtung des Gassensors orientiert ist. Der Winkel, den die Mittelachse des inneren Gaseinlasses mit der querlaufenden Quadraturkomponente eingeht, beträgt 5° oder mehr, vorzugsweise 15° oder mehr und besser noch 30° oder mehr.
Gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist ein Gassensor vorgesehen, der eine Länge mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten Kopfende hat und Folgendes umfasst: (a) einen Gasmessfühler, der einen Messabschnitt hat, der auf eine Konzentration eines zu messenden Gases anspricht, indem er für ein dafür stehendes Signal sorgt; (b) ein Gehäuse mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten Kopfende, wobei das Gehäuse in sich den Gasmessfühler hält; (c) einen Abdeckungsaufbau mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten und nahe am Kopfende des Gassensors gelegenen Kopfende, wobei der Abdeckungsaufbau eine Außenabdeckung und eine innerhalb der Außenabdeckung gelegene Innenabdeckung umfasst und an seinem Fußende mit dem Kopfende des Gehäuses verbunden ist, sodass der Messabschnitt des Gasmessfühlers innerhalb der Innenabdeckung untergebracht ist; (d) einen äußeren Gaseinlass, der in einer Umfangswand der Außenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist; (e) einen äußeren Gasauslass, der in einem Abschnitt der Außenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist, der sich näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass befindet; und (f) einen inneren Gaseinlass, der in einem Abschnitt der Innenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist, der sich näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass befindet. Die Außen- und Innenabdeckung des Abdeckungsaufbaus sind so geformt, dass sie einen Fluss des zu messenden Gases, der vom äußeren Gaseinlass eingedrungen ist, in einen äußeren Gasstrom und einen inneren Gasstrom aufteilen. Der äußere Gasstrom geht zwischen der Außen- und Innenabdeckung zum äußeren Gasauslass, während der innere Gasstrom durch den inneren Gaseinlass ins Innere der Innenabdeckung geht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der äußere Gasstrom eine Vektorkomponente, die vom Fußende zum Kopfende des Abdeckungsaufbaus hin orientiert ist, während der innere Gasstrom eine Vektorkomponente hat, die vom Kopfende zum Fußende des Abdeckungsaufbaus hin orientiert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ein besseres Verständnis der Erfindung ergibt sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung, die jedoch nicht als Beschränkung der Erfindung auf bestimmte Ausführungsbeispiele verstanden werden sollten, sondern nur der Erläuterung und dem Verständnis dienen.
Es zeigen:
1 einen Längsschnitt eines Gassensors, der mit einem Schutzabdeckungsaufbau gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgestattet ist;
2 eine Vergrößerung des Schutzabdeckungsaufbaus in 1;
3 eine Vergrößerung der Flüsse an Gasströmen durch den Schutzabdeckungsaufbau von 1;
4 einen Längsschnitt eines Schutzabdeckungsaufbaus gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine Perspektivansicht einer Innenabdeckung eines Schutzabdeckungsaufbaus gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 einen Teilschnitt eines Gaseinlasslochs, das in der Innenabdeckung von 5 ausgebildet ist;
7 einen Längsschnitt eines Schutzabdeckungsaufbaus gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8 einen Längsschnitt eines Schutzabdeckungsaufbaus gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 einen Längsschnitt einer Abwandlung des Schutzabdeckungsaufbaus von 8;
10 eine Seitenansicht einer Prüfmaschine, die zur Bewertung der Wirkung verwendet wurde, den Gasmessfühler von 1 von einer Wassertropfenanhaftung freizuhalten;
11 grafisch die Ergebnisse von Versuchen, die unter Verwendung der Prüfmaschine von 10 durchgeführt wurden;
12(a) und 12(b) Darstellungen mit dem Zusammenhang zwischen einer Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses und eines Ausgangssignals eines Gassensors in Versuchen, die zur Bewertung des Ansprechverhaltens des Gassensors von 1 durchgeführt wurden;
13 grafisch den Ausgangssignalgewinn des in den Versuchen der 12(a) und 12(b) verwendeten Gassensors und eines herkömmlichen Gassensors;
14 einen Längsschnitt eines Schutzabdeckungsaufbaus gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
15(a) einen Längsschnitt eines Schutzabdeckungsaufbaus gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
15(b) eine Perspektivansicht eines inneren Gaseinlasslochs, das in einer Innenabdeckung des Schutzabdeckungsaufbaus von 15(a) ausgebildet ist;
16 einen Längsschnitt der Flüsse an Gasströmen innerhalb des Schutzabdeckungsaufbaus von 15;
17 einen Längsschnitt eines Vergleichsbeispiels eines Schutzabdeckungsaufbaus zur Erläuterung des Vorteils der Konstruktion von 16;
18 grafisch die Ergebnisse von Versuchen, die durchgeführt wurden, um das Ansprechverhalten eines Gassensors der Erfindung im Hinblick auf den Lagezusammenhang zwischen Gaseinlasslöchern einer Innenabdeckung und einer Messgaselektrode eines Gasmessfühlers zu bewerten;
19 einen Längsschnitt eines herkömmlichen Schutzabdeckungsaufbaus eines Gassensors;
20 einen Längsschnitt einer weiteren Bauart eines herkömmlichen Schutzabdeckungsaufbaus eines Gassensors; und
21 einen Längsschnitt einer weiteren Bauart eines herkömmlichen Schutzabdeckungsaufbaus eines Gassensors.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Zeichnungen, in denen sich gleiche Bezugszahlen in verschiedenen Ansichten auf gleiche Teile beziehen, zeigt 1 eine Gassensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der als ein A/F-Sensor, der in einem Auspuffrohr eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors eingebaut wird, um in einem Abgasregelsystem verwendet zu werden, als ein Sauerstoff-(O₂-)Sensor zum Messen der im Abgas enthaltenen Konzentration an Sauerstoff (O₂) oder als ein NO_x-Sensor zur Überwachung des Nachlassens eines im Auspuffrohr des Motors eingebauten Dreiwegekatalysators gestaltet sein kann.
Der Gassensor 1 enthält allgemein einen Gasmessfühler 2, der auf die Konzentration eines vorgewählten Gasbestandteils (wird nachstehend auch als Messgas bezeichnet) anspricht, indem er ein dafür stehendes Signal erzeugt, ein hohlzylinderförmiges Gehäuse 3, in dem der Gasmessfühler 2 gehalten wird, und ein mit dem Kopfende (d. h. dem unteren Ende in 1) des Gehäuses 3 verbundenen Schutzabdeckungsaufbau 4.
Der Schutzabdeckungsaufbau 4 hat eine in Flucht mit der Längsachse des Gassensors 1 (d. h. des Gasmessfühlers 2) verlaufende Länge. Der Schutzabdeckungsaufbau 4 hat, wie deutlich in 1 und 2 zu erkennen ist, eine doppelwandige Konstruktion, die aus einer zylinderförmigen Außenabdeckung 42 und einer innerhalb der Außenabdeckung 42 gelegenen zylinderförmigen Innenabdeckung 41 besteht. Die Außenabdeckung 42 hat in einer Seitenwand von ihr eine Vielzahl von Gaseinlasslöchern 421 und in ihrem Kopfende ein Gasauslassloch 422 ausgebildet. Die Innenabdeckung 41 hat in einer Seitenwand von ihr Gaseinlasslöcher 411 ausgebildet, die sich näher am Kopfende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 als die Gaseinlasslöcher 421 der Außenabdeckung 42 befinden.
Jedes Gaseinlassloch 411 der Innenabdeckung 41 ist, wie in 2 zu erkennen ist, so orientiert, dass es eine Mittelachse A hat, die einer Linie entspricht, die senkrecht zu einer den Umriss des Gaseinlasslochs 411 enthaltenden Ebene verläuft und durch eine vertikale Quadraturkomponente Az und eine querlaufende Quadraturkomponente Ar definiert wird. Die vertikale Quadraturkomponente Az ist in einem rechteckigen Koordinatensystem parallel zur Längsachse (d. h. einer Mittellinie) des Gassensors 1 (oder des Gasmessfühlers 2) zum Fußende (d. h. dem oberen Ende in 1) hin orientiert. Die querlaufende Quadraturkomponente Ar ist senkrecht zur Längsachse des Gassensors 1 (d. h. des Gasmessfühlers 2) zur Mitte des Gassensors 1 hin orientiert. Und zwar gibt die Mittelachse A die Orientierung eines Messgasflusses wieder, der durch jedes Gaseinlassloch 411 geht.
Die Mittelachse A jedes Gaseinlasslochs 411 ist, wie oben beschrieben wurde, so definiert, dass sie senkrecht zu der den Umriss des Gaseinlasslochs 411 enthaltenden Ebene verläuft. Falls die Gaseinlasslöcher 411 jedoch jeweils so geformt sind, dass ihr Umriss teilweise aus der Ebene vorragt, ist die Mittelachse A so definiert, dass sie senkrecht zu einer imaginären Ebene verläuft, die so festgelegt ist, dass sie eine gekrümmte Linie enthält, die die größte Näherung an den Umriss des Gaseinlasslochs 411 darstellt. Die Mittelachse A wird unten auch als eine Öffnungsorientierung bezeichnet.
Die Außenabdeckung 42 hat in ihrem Kopfende das Gasauslassloch 422 ausgebildet. Ebenso hat die Innenabdeckung 41 in ihrem Kopfende ein Gasauslassloch 412 ausgebildet.
Die Außenabdeckung 42 hat eine kegelstumpfförmige Wand 423, die sich zu ihrem Kopfende hin verjüngt. Die Innenabdeckung 41 hat zwei kegelstumpfförmige Wände 413 und 414, die sich zu ihrem Kopfende hin verjüngen. Die sich verjüngenden Wände 413 und 414 sind voneinander in Längsrichtung der Innenabdeckung 41 beabstandet und verlaufen gleichachsig zueinander. Die sich verjüngende Wand 413 weist die Gaseinlasslöcher 411 auf. Die Innenabdeckung 41 hat außerdem eine ringförmige aufrechte Wand 415, die gerade und parallel zur Längsrichtung des Gassensors 1 verläuft. Die aufrechte Wand 415 ist den Gaseinlasslöchern 421 der Außenabdeckung 42 zugewandt, sodass der Fluss des an jedem Gaseinlassloch 421 eindringenden Messgases auf die aufrechte Wand 415 treffen kann.
Die Innenabdeckung 41 befindet sich in der Außenabdeckung 42, wobei das Kopfende der Innenabdeckung 41 aus dem Kopfende der Außenabdeckung 42 vorragt. Und zwar hat die Außenabdeckung 42 in ihrem Kopfende eine Öffnung großen Durchmessers 424 ausgebildet, deren Durchmesser größer als das Kopfende der Innenabdeckung 41 ist. Das Kopfende der Innenabdeckung 41 steckt in der Öffnung großen Durchmessers 424, sodass zwischen dem Außenrand des Kopfendes der Innenabdeckung 41 und dem Innenrand der Öffnung großen Durchmessers 424 der Außenabdeckung 42 das Gasauslassloch 422 definiert ist.
Die Endfläche der Innenabdeckung 41 kann wahlweise auch in Flucht mit oder innerhalb der Endfläche der Außenabdeckung 42 liegen.
Der Schutzabdeckungsaufbau 4 wird, wie deutlich in 1 dargestellt ist, von einer Klemmstelle gehalten, die dadurch gebildet ist, dass eine ringförmige Verlängerung 31 am Kopfende des Gehäuses 3 nach innen gebogen wurde. Genauer gesagt haben die Innen- und Außenabdeckung 41 und 42, wie aus 2 deutlich hervorgeht, an ihren Fußenden Flansche 419 und 429 ausgebildet, die innerhalb einer im Kopfende des Gehäuses 3 ausgebildeten Ringnut untergebracht sind und dadurch festgehalten werden, dass die ringförmige Verlängerung 31 nach innen gequetscht wurde.
Im Inneren des Gehäuses 3 befindet sich, wie in 1 dargestellt ist, ein gasseitiger Porzellanisolator 11, in dem der Gasmessfühler 2 gehalten wird. Am Fußende des gasseitigen Porzellanisolators 11 befindet sich in Flucht mit der Länge des Gassensors 1 ein atmosphärenseitiger Porzellanisolator 12. Mit dem Fußende des Gehäuses 3 ist eine Luftabdeckung 13 verbunden oder verschweißt, die den atmosphärenseitigen Porzellanisolator 12 umgibt. Innerhalb des atmosphärenseitigen Porzellanisolators 12 werden Metallanschlüsse 14 gehalten, die für eine elektrische Verbindung mit dem Gasmessfühler 2 sorgen. Die Anschlüsse 14 sind mit Leitungen 15 verbunden. Die Leitungen 15 verlaufen durch eine dicht im Fußende der Luftabdeckung 13 eingepasste Gummibuchse 16 zur Außenseite des Gassensors 1.
Der Gasmessfühler 2 entspricht einer typische Konstruktion, die einen aus hauptsächlich Zirkoniumoxid bestehenden Festelektrolytkörper, eine Messgaselektrode, eine Bezugsgaselektrode und eine Heizung (alle nicht gezeigt) enthält. Die Messgaselektrode und die Bezugsgaselektrode sind an entgegengesetzten Flächen des Festelektrolytkörpers befestigt und mit den Leitungen 15 verbunden. Die Messgaselektrode wird dem Messgas ausgesetzt. Die Bezugsgaselektrode wird Luft ausgesetzt, die als Bezugsgas verwendet wird. Beim Betrieb des Gassensors 1 dient die Heizung dazu, den Festelektrolytkörper (d. h. den Gasmessfühler 2) auf 400°C zu erhitzen, um den Gasmessfühler 2 in einen aktivierten Zustand zu versetzen.
Die Merkmale oder Vorteile, für die die Konstruktion des Schutzabdeckungsaufbaus 4 sorgt, werden nun unten beschrieben.
Der Schutzabdeckungsaufbau 4 hat, wie oben beschrieben wurde, in der Außenabdeckung 42 die äußeren Gaseinlasslöcher 421 und das Gasauslassloch 422 ausgebildet und in einem Abschnitt der Innenabdeckung 41, der sich näher am Kopfende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 als die äußeren Einlasslöcher 421 befindet, die inneren Gaseinlässe 411 ausgebildet, was dazu führt, dass das aus der Querrichtung kommende Messgas G, wie in 3 dargestellt ist, vom äußeren Gaseinlassloch 421 in einen Zwischenraum zwischen der Außenabdeckung 42 und der Innenabdeckung 41 eingelassen wird. Das meiste Messgas G wandert als ein verhältnismäßig gerader äußerer Gasstrom G1 zum Kopfende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 und tritt dann aus dem Gasauslassloch 422 aus, während der restliche Teil am inneren Gaseinlassloch 411 in die Innenabdeckung 41 eindringt, um einen verhältnismäßig gekrümmten inneren Gasstrom G2 zu erzeugen, dem der Gasmessfühler 2 ausgesetzt ist. Jedes innere Gaseinlassloch 411 ist, wie oben beschrieben wurde, so gestaltet, dass es die Mittelachse A hat, die in dem rechteckigen Koordinatensystem definitionsgemäß die vertikale Quadraturkomponente Az und die querlaufende Quadraturkomponente Ar hat. Der innere Gasstrom G2 dringt somit entlang der Mittelachse A in die Innenabdeckung 41 ein. Mit anderen Worten hat der Fluss des inneren Gasstroms G2, wenn er durch die inneren Gaseinlasslöcher 411 geht, eine Vektorkomponente (d. h. die vertikale Quadraturkomponente Az), die vom Kopfende zum Fußende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 hin orientiert und entgegengesetzt zu der des äußeren Gasstroms G1 ist.
Die inneren Gaseinlasslöcher 411 befinden sich, wie oben beschrieben wurde, näher am Kopfende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 als die äußeren Gaseinlasslöcher 421. Jeder innere Gaseinlass 411 ist geometrisch so geformt, dass er die Mittelachse A aufweist, die von der Außenseite zur Innenseite der Innenabdeckung 41 orientiert ist und die zum Fußende des Gassensors 1 orientierte vertikale Quadraturkomponente hat. Dies führt dazu, dass das Messgas G, das an einem der äußeren Gaseinlasslöcher 421 eingedrungen ist, in den äußeren Gasstrom G1, der beinahe gerade zum Gasauslassloch 412 geht, und den inneren Gasstrom G2, der verhältnismäßig gewellt oder gewunden vom inneren Gaseinlassloch 411 zum Gasauslassloch 412 der Innenabdeckung 421 geht, aufgeteilt wird.
Folglich werden Wassertropfen, die zusammen mit dem Messgas G zwischen die Außenabdeckung 42 und die Innenabdeckung 41 eingedrungen sind, durch ihre Massenkräfte zum Gasauslassloch 422 hin gerichtet und werden dann aus dem Gasauslassloch 422 zur Außenseite des Schutzabdeckungsaufbaus 4 abgeleitet. Das Messgas G, das ein geringeres spezifisches Gewicht als die Wassertropfen hat, dringt teilweise in die Innenabdeckung 41 als der innere Gasstrom G2 ein, dem der Gasmessfühler 2 ausgesetzt ist. Dies vermeidet ohne einen Verlust an Zeit, die das Messgas G benötigt, um den Gasmessfühler 2 zu erreichen, den Eintritt der Wassertropfen in die Innenabdeckung 41, wodurch der Bruchschaden des Gasmessfühlers 2 infolge von Wasserspritzern vermieden wird.
Die Konstruktion des Schutzabdeckungsaufbaus 4 ist im Einzelnen geometrisch so gestaltet, dass sie den Fluss des Messgases G, das an den äußeren Gaseinlasslöchern 421 eingedrungen ist, in zwei diskrete Ströme aufteilt: einen Strom (d. h. den äußeren Gasstrom G1), der außerhalb der Innenabdeckung 41 zum Gasauslassloch 422 hin orientiert ist, und den anderen Strom (d. h. den inneren Gasstrom G2), der in das Innere der Innenabdeckung 41 eindringt, wodurch der Eintritt von im Messgas enthaltenen Wassertropfen in die Innenabdeckung 41 minimiert wird, sodass der Bruchschaden des Gasmessfühlers 2 infolge von Wasserspritzern vermieden wird.
Um die obigen Wirkungen zu erreichen, ist es ratsam, dass, wie in 2 dargestellt ist, der Winkel θ, den die Mittelachse A jedes inneren Gaseinlasslochs 411 mit der querlaufenden Quadraturkomponente Ar eingeht, größer als oder gleich 5°, vorzugsweise 15°, besser noch 30° ist, um den Eintritt der Wassertropfen in die Innenabdeckung 41 zu minimieren, sodass der Bruchschaden des Gasmessfühlers 2 infolge von Wasserspritzern vermieden wird.
In dem Schutzabdeckungsaufbau 4 sind die äußeren Gaseinlasslöcher 421 und die inneren Gaseinlasslöcher 411 so orientiert und befinden sich in einem solchen Lagezusammenhang, dass der Eintritt von Wassertropfen in die Innenabdeckung 41, wie oben beschrieben wurde, minimiert wird, wodurch der erforderlichen Menge des Messgases G ermöglicht wird, in den Schutzabdeckungsaufbau 4 eingelassen zu werden, ohne das Ansprechverhalten des Gassensors 1 zu opfern.
Die Konstruktion des Schutzabdeckungsaufbaus 4 des Gassensors 1 dieses Ausführungsbeispiels beseitigt die Notwendigkeit, auf dem Gasmessfühler 92 wie in 20 den Wasser abweisenden Schutzfilm 94 und auf der Schutzabdeckung 93 wie in 21 die Schutzschicht 940 einrichten zu müssen, wodurch das Ansprechverhalten des Gasmessfühlers 2 sichergestellt wird, ohne die Zeit zu verlängern, die zum Aktivieren des Gasmessfühlers 2 benötigt wird. Allerdings kann der Schutzabdeckungsaufbau 4 auf seiner Oberfläche auch eine beliebige Beschichtung ausgebildet haben, um den Eintritt von Wassertropfen in ihn hinein zu minimieren.
Am Kopfende der Außenabdeckung 42 ist das Gasauslassloch 422 ausgebildet, wodurch vermieden wird, dass das Wasser innerhalb der Außenabdeckung 42 zurückbleibt, was die Haltbarkeit des Schutzabdeckungsaufbaus 4 gewährleistet.
Wie in 3 zu erkennen ist, dient das Gasauslassloch 412 der Innenabdeckung 41 dazu, das Messgas G als den Gasstrom G2 zum Kopfende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 hinzuziehen und es von dort abzugeben. Der Fluss des Messgases G, der außerhalb und neben dem Gasauslassloch 412 vorbeigeht, erzeugt einen Unterdruck, der den Eintritt des ins Innere des Außenabdeckung 42 gekommenen Messgases G als den Gasstrom G2 durch die Gaseinlasslöcher 411 ohne Wassertropfen in die Innenabdeckung 41 ermöglicht. Dies verhindert, dass der Gasmessfühler 2 mit Wasser bespritzt wird.
Die Außenabdeckung 42 hat die kegelstumpfförmige Wand 423, die, wie in 3 zu erkennen ist, dazu dient, eine gleichmäßige Einleitung des Gasstroms G1 zwischen der Außen- und Innenabdeckung 42 und 41 zum Gasauslassloch 422 hin zu erreichen, wodurch das Eindringen von Wasser in die Innenabdeckung 41 minimiert wird.
Die sich verjüngende Form der Wand 423 dient auch dazu, die Erzeugung eines gleichmäßigen Flusses des Gasstroms G1 sowie die maschinelle Bearbeitung der Außenabdeckung 42 zu erleichtern.
Die Innenabdeckung 41 hat, wie oben beschrieben wurde, die kegelstumpfförmigen Wände 413 und 414, die sich zu ihrem Kopfende hin verjüngen, wodurch die Einleitung des Gasstroms G1 zwischen der Außen- und Innenabdeckung 42 und 41 zum Gausauslassloch 422 hin erleichtert wird, was das Eindringen des Wassers in die Innenabdeckung 41 minimiert.
Die sich verjüngende Form der Wände 413 und 414 dient auch dazu, die Erzeugung des gleichmäßigen Flusses des Gasstroms G1 sowie die maschinelle Bearbeitung der Innenabdeckung 41 zu erleichtern.
Die Gaseinlasslöcher 411 sind in der kegelstumpfförmigen Wand 413 ausgebildet, wodurch die Orientierung der Mittel achse A mit der vertikalen Quadraturkomponente Az, die in der Achsrichtung des Schutzabdeckungsaufbaus 4 zu seinem Fußende hin verläuft, erleichtert wird.
Die Innenabdeckung 41 hat die aufrechte Wand 415, die parallel zur Längsrichtung des Gassensors 1 verläuft und den äußeren Gaseinlasslöchern 421 zugewandt ist, wodurch die Bildung des in die Längsrichtung des Gassensors 1 gerichteten Gasstroms G1 aus dem durch eines der äußeren Gaseinlasslöcher 421 zwischen die Außenabdeckung 42 und die Innenabdeckung 41 eindringenden Messgas G erleichtert wird, wodurch die Bildung eines gleichmäßigen Flusses an Wassertropfen, die ein höheres spezifisches Gewicht als das Messgas G haben, in der Längsrichtung des Gassensors 1 gefördert wird und er aus dem Gasauslassloch 422 abgegeben wird.
4 stellt den Schutzabdeckungsaufbau 4 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Bei der Innenabdeckung 41 ist die sich verjüngende Wand 413 näher als bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel an ihrem Kopfende gelegen. Und zwar liegt die sich verjüngende Wand 413 mitten zwischen den Gaseinlässen 421 und dem Gasauslassloch 421 der Außenabdeckung 42. Die Gaseinlasslöcher 411 sind in der sich verjüngenden Wand 413 ausgebildet und befinden sich in der Mitte zwischen den Gaseinlässen 421 und dem Gasauslassloch 422 der Außenabdeckung 42.
Der Abstand zwischen jedem äußeren Gaseinlassloch 421 und einem der inneren Gaseinlasslöcher 411 ist größer als im ersten Ausführungsbeispiel, wodurch der Wassereintritt durch die Gaseinlasslöcher 411 in die Innenabdeckung 41 verglichen mit der Konstruktion des ersten Ausführungsbeispiels stärker vermieden wird.
Die übrige Gestaltung ist identisch mit der des ersten Ausführungsbeispiels, weswegen eine genaue Erläuterung weggelassen wird.
Die 5 und 6 stellen die Innenabdeckung 41 des Schutzabdeckungsaufbaus 4 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Die Innenabdeckung 41 hat mit Ausnahme der Gaseinlasslöcher 411 die gleiche Konstruktion wie im ersten Ausführungsbeispiel.
Und zwar hat die Innenabdeckung 41 in der sich verjüngenden Wand 413 in ihrer Umfangsrichtung in regelmäßigen Abständen Grübchen 417 ausgebildet. Jedes Gaseinlassloch 411 ist in der sich verjüngenden Wand 413 ausgebildet und öffnet sich zum Fußende der Innenabdeckung 41 hin. Jedes Grübchen 417 führt zu einem der Gaseinlasslöcher 411 und dient als ein Luftschlitz.
Wie in 6 zu erkennen ist, verläuft jedes Gaseinlassloch 411 im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse der Innenabdeckung 41. Mit anderen Worten verläuft die Mittelachse A parallel zur Längsrichtung des Schutzabdeckungsaufbaus 4, wodurch die Möglichkeit eines Wassereintritts in die Innenabdeckung 41 durch die Gaseinlasslöcher 411 verringert wird.
Die übrige Gestaltung ist identisch mit der des ersten Ausführungsbeispiels, weswegen eine ausführliche Erläuterung weggelassen wird.
7 stellt den Schutzabdeckungsaufbau 4 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Die Innenabdeckung 41 hat eine Ringschulter 416, die im Wesentlichen senkrecht zur Länge des Gassensors 1 (d. h. zur Längsachse des Schutzabdeckungsaufbaus 4) verläuft, und in der Schulter 416 die Gaseinlasslöcher 411 ausgebildet. Die Mittelachse A jedes Gaseinlasslochs 411 ist wie im dritten Ausführungsbeispiel parallel zur Längsrichtung des Schutzabdeckungsaufbaus 4 orientiert.
Die Innenabdeckung 41 hat die Endfläche in Flucht mit der Endfläche der Außenabdeckung 41 liegen.
Die Geometrie der Innenabdeckung 41 dient dazu, einen Strom des Messgases zu erzeugen, der zwischen der Außenabdeckung 41 und der Innenabdeckung 41 eingeleitet wird und durch die Gaseinlasslöcher 411 in das Innere der Innenabdeckung 41 eindringt (d. h. den Gasstrom G2 in 3) und der komplizierter als im ersten Ausführungsbeispiel ist, was die Möglichkeit eines Wassereintritts in die Innenabdeckung 41 durch die Gaseinlasslöcher 411 stark verringert.
Die übrige Gestaltung ist identisch mit der des ersten Ausführungsbeispiels, weswegen eine ausführliche Erläuterung weggelassen wird.
Die Ringschulter 416 kann wahlweise auch so gestaltet sein, dass sie, wenn sie in Radiusrichtung der Innenabdeckung 41 nach innen geht, nahe an das Fußende (d. h. zum oberen Ende in der Zeichnung) heranreicht.
8 stellt den Schutzabdeckungsaufbau 4 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung dar.
Die Außenabdeckung 42 hat eine zylinderförmige Becherform mit einer gerade verlaufenden Seitenwand. Die Innenabdeckung 41 hat wie das vierte Ausführungsbeispiel in 7 die Ringschulter 416 und eine gegen eine Innenwand des Kopfendes der Außenabdeckung 42 stoßende Kopfkante. Die übrige Gestaltung ist identisch mit der des ersten Ausführungsbeispiels, weshalb eine ausführliche Erläuterung weggelassen wird.
9 stellt eine Abwandlung der Konstruktionen in 8 dar. Die Innenabdeckung 41 hat anstelle der Schulter 416 in 8 die sich verjüngende Wand 413, in der die Gaseinlasslöcher 411 ausgebildet sind.
Die Erfinder führten Versuche durch, um die Wirkung, den Gasmessfühler 2 von der Wassertropfenanhaftung freizuhalten, zu bewerten.
Die Erfinder fertigten als Prüfkörper den Gassensor 1 mit der in den 1 bis 3 dargestellten Konstruktion und den in 19 dargestellten Gassensor 9 an.
Als nächstes bauten die Erfinder den Gassensor 1, wie in 10 dargestellt ist, in ein Rohr 51 ein, das einen Innendurchmesser von 35 mm hatte und gegenüber der horizontalen Ebene um 50° geneigt war. Der Abstand zwischen dem Gassensor 1 und einem oberen offenen Ende 511 des Rohrs 51 betrug 100 mm. Von dem oberen offenen Ende 511 aus wurde unter Verwendung einer Einspritzvorrichtung 52 fünfmal Luft eingesprüht, die Wassertropfen enthielt. Der Wassergehalt in jedem Luftstrahl betrug 0,2 ml. Der Druck des Luftstrahls betrug 0,15 kg/cm².
Die Erfinder maßen die Gesamtfläche des im Gassensor 1 eingebauten Gasmessfühlers 2, die mit Wasser bespritzt worden war. Der gleiche Versuch wurde mit dem Gassensor 9 durchgeführt. Die Versuchsergebnisse sind in der Abbildung von 11 gezeigt. Die Abbildung zeigt, dass die mit Wasser bespritzte Fläche des Gassensors 1 weniger als halb so groß wie die des Gassensors 9 war.
Die Erfinder führten auch Versuche durch, um das Ansprechverhalten des Gassensors 1 zu bewerten.
Zunächst bauten die Erfinder den Gassensor 1 in ein Auspuffrohr eines Sechszylinder-Direkteinspritzungs-Reihenmotors ein und betrieben den Motor bei 2000 U/min. Die Erfinder steuerten, wie durch die Linie L1 in 12(a) dargestellt ist, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis so, dass sich das Luftüberschussverhältnis in einem Zyklus von 4,16 Hz zwischen 0,9 und 1,1 änderte. Die Temperatur des Gasmessfühlers 2 betrug 750°C. Die Änderung des Ausgangssignals des Gassensors 1 während des Versuchs gibt die Linie L2 in 12(b) an. Die Erfinder analysierten die Änderung des Ausgangssignals des Gassensors 1 (L2) als Folge der Änderung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (L1) und bewerteten seinen Gewinn. Der gleiche Versuch wurde mit dem in 19 dargestellten Gassensor 9 durchgeführt. Die Versuchsergebnisse sind in der Abbildung von 13 gezeigt.
Die Abbildung zeigt, dass der Gassensor 1 einen höheren Gewinn als der Gassensor 9 hat und ein hervorragendes Ansprechverhalten hat.
14 zeigt den Schutzabdeckungsaufbau 4 gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Innenabdeckung 41 besteht aus zwei Teilen: einem trichterförmigen Zylinder 41a und einem geraden Hohl zylinder 41b. Der trichterförmige Zylinder 41a hat an seinem Kopfende das Gasauslassloch 412 ausgebildet und eine Trichteröffnung 418, die sich zum Gasmessfühler 2 aufweitet.
Der gerade Zylinder 41b verläuft vom Fußende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 so, dass er die Innenabdeckung 41 teilweise umgibt. Das Kopfende des geraden Zylinders 41b befindet sich näher am Kopfende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 als das Fußende des trichterförmigen Zylinders 41a. Mit anderen Worten überlappt ein Kopfendabschnitt des geraden Zylinders 41b in Radiusrichtung des Schutzabdeckungsaufbaus 4 einen Fußendabschnitt des trichterförmigen Zylinders 41a, sodass ein ringförmiger Gaseinlass 411 definiert wird.
Die übrige Gestaltung ist identisch mit der des fünften Ausführungsbeispiels von 9.
Die 15(a) und 16 zeigen den Schutzabdeckungsaufbau 4 gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der eine Abwandlung des ersten und dritten Ausführungsbeispiels darstellt. Die Innenabdeckung 41 hat eine in Flucht mit der Kopffläche 420 der Außenabdeckung 42 liegende Kopffläche 410.
In den 15(a) und 16 ist die Kopffläche 410 der Innenabdeckung 41 so dargestellt, dass sie von der Kopffläche 420 der Außenabdeckung 42 leicht zum Fußende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 hin verschoben ist. Ein solcher Versatz liegt innerhalb der Toleranz. Die Toleranz ist jedoch so festgelegt, dass sich die Kopffläche 410 nur innerhalb der Kopffläche 420 befinden darf.
Die sich verjüngende Wand 414 der Innenabdeckung 41, die einen Abschnitt der Innenabdeckung 41 mit minimalem Durch messer enthält, befindet sich näher am Kopfende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 als das Kopfende des Gasmessfühlers 2.
Die Außenabdeckung 42 hat über ihren gesamten Umfang in regelmäßigen Abständen sechs äußere Gaseinlasslöcher 421 ausgebildet. Jeder äußere Gaseinlass 421 hat einen Durchmesser von 2 mm. Die Außenabdeckung 42 hat außerdem in ihrem Boden ein Kreisloch ausgebildet, das um die Außenkante der Kopffläche 410 der Innenabdeckung 41 herum ein ringförmiges oder Donut-förmiges Gasauslassloch 422 definiert. Der Zwischenraum zwischen der Innenkante der Kopffläche 420 der Außenabdeckung 42 und der Außenkante der Kopffläche 410 der Innenabdeckung 41, d. h. die Breite des Gasauslasslochs 422, beträgt 0,5 mm.
Der Zwischenraum A zwischen der Innenwand der Außenabdeckung 42 an den äußeren Gaseinlasslöchern 421 und der den äußeren Gaseinlasslöchern 421 zugewandten Außenwand der Innenabdeckung 41 beträgt 0,5 mm. Der Zwischenraum D zwischen der Innenwand der Außenabdeckung 42 und der Außenwand der Innenabdeckung 41 unterhalb der in der Innenabdeckung 41 ausgebildeten inneren Gaseinlässen 4111 beträgt 1,5 mm.
Das Gasauslassloch 412 der Innenabdeckung 41 hat einen Durchmesser von 1,5 mm. Jedes innere Gaseinlassloch 4111 hat eine Gestaltung, wie sie in 15(b) dargestellt ist.
Die sechs inneren Gaseinlasslöcher 4111 sind um den gesamten Umfang der Innenabdeckung 41 herum in einem regelmäßigen Abstand angeordnet. Jedes innere Gaseinlassloch 4111 ist, wie klar in 15(b) dargestellt ist dadurch ausgebildet, dass die Seitenfläche der Innenabdeckung 41 eingeschnitten und nach innen gepresst wurde. Die Breite 4111a der inneren Gaseinlasslöcher 4111 beträgt 2 mm. Die Tiefe 4111b der inneren Gaseinlasslöcher 4111, d. h. ihre Größe in der Richtung senkrecht zur Längsachse des Schutzabdeckungsaufbaus 4, beträgt, wie in den 15(a) und 15(b) zu erkennen ist, 0,5 mm.
Jedes innere Gaseinlassloch 4111 kann so gestaltet sein, dass der in 2 definierte Winkel θ 90° beträgt, um die Schwierigkeit für in dem Messgas G enthaltene Wassertropfen, in die Innenabdeckung 41 einzudringen, weiter zu erhöhen, wodurch das Bespritzen des Gasmessfühlers 2 mit Wasser minimiert wird.
Der Gasmessfühler 2 hat, wie klar in 16 zu erkennen ist, auf seiner Oberfläche eine Messgaselektrode 22 befestigt, die dem Messgas ausgesetzt wird. Die inneren Gaseinlasslöcher 411 befinden sich, wie klar in 16 zu erkennen ist, innerhalb einer Strecke zwischen dem Fußende 221 der Messgaselektrode 22 und der Mitte der Messgaselektrode 22 in der Längsrichtung von ihr. Die inneren Gaseinlasslöcher 411 befinden sich vom Fußende 221 aus besser noch innerhalb eines Drittels der Länge der Messgaselektrode 22 in der Längsrichtung des Messgasfühlers 2. Die übrige Gestaltung ist identisch mit der des ersten und dritten Ausführungsbeispiels.
Die Konstruktion dieses Ausführungsbeispiels bietet die folgenden Vorteile.
Wenn sich die Kopffläche 410 der Innenabdeckung 41 außerhalb der Kopffläche 420 der Außenabdeckung 42 befindet, kann dies dazu führen, dass Wassertropfen, die zusammen mit dem Messgas von der Seitenrichtung des Gassensors 1 hereinfließen, auf die Seite der Innenabdeckung 41 treffen und dann am Gasauslassloch 422 in den Zwischenraum zwischen der Innenabdeckung 41 und der Außenabdeckung 42 eindringen. Um dieses Problem abzumildern, wird die Kopffläche 410 in Flucht mit oder leicht innerhalb der Kopffläche 420 platziert, wodurch das Bespritzen des Gasmessfühlers 2 mit Wasser minimiert wird.
Wenn sich die Kopffläche 410 der Innenabdeckung 41 innerhalb der Kopffläche 420 der Außenabdeckung 22 befindet, führt dies zu größeren Schwierigkeiten, einen Messgasstrom zu erzeugen, der aus dem in der Kopffläche 410 der Innenabdeckung 41 ausgebildeten Gasauslassloch 412 herausfließt. Es ist daher ratsam, dass die Kopffläche 410 der Innenabdeckung 41 innerhalb der Toleranz des Gassensors 1 in Flucht mit oder leicht innerhalb der Kopffläche 420 der Außenabdeckung 42 liegt.
Die sich verjüngende Wand 414 der Innenabdeckung 41 befindet sich mit ihrem Fußende 414a näher am Kopfende des Gassensors 1 als das Kopfende 21 des Gasmessfühlers 2, wodurch die physikalische Beeinflussung des Gasmessfühlers 2 durch die Innenwand der Innenabdeckung 41 minimiert wird. Falls sich nämlich das Fußende 414a der sich verjüngenden Wand 414 der Innenabdeckung 41, wie in 17 dargestellt ist, näher am Fußende des Gassensors 1 als das Kopfende 21 des Gasmessfühlers 2 befindet, liegt das Kopfende 21 innerhalb der sich zum Kopfende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 verjüngenden Wand 414, sodass der Abstand zwischen dem Kopfende 21 des Gasmessfühlers 2 und der Innenwand der Innenabdeckung 41 kleiner als in 15 ist, was die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass der Messgasfühlers 2 durch die Innenabdeckung 41 beeinflusst wird, wenn der Gasmessfühler 2 z. B. mechanischen Vibrationen unterliegt. Um dieses Problem abzumildern, ist die Innenabdeckung 41 so gestaltet, dass sich das Fußende 414a der sich verjüngenden Wand 414 näher am Kopfende des Gassensors 1 (d. h. des Schutzabdeckungsaufbaus 4) als das Kopfende 21 des Gasmessfühlers 2 befindet.
Die inneren Gaseinlasslöcher 411 befinden sich, wie oben beschrieben wurde, vom Fußende 212 aus innerhalb der halben Länge der Messgaselektrode 22, wodurch, wie in 16 dargestellt ist, sichergestellt wird, dass das Messgas G, das an den Gaseinlasslöchern 411 eingedrungen ist, rasch die Messgaselektrode 22 erreicht und die gesamte Messgaselektrode 22 dem Messgas G ausgesetzt wird. Dies verbessert das Ansprechverhalten des Gassensors 1.
Falls sich die inneren Gaseinlasslöcher 411 innerhalb der halben Länge der Messgaselektrode 22 befinden, die zu ihrem Kopfende führt, führt dies größeren Schwierigkeiten, die gesamte Messgaselektrode 2 dem an den inneren Gaseinlasslöchern 411 eingedrungenen Messgas G auszusetzen, was das Ansprechverhalten des Gassensors 1 beeinträchtigen kann. Falls sich dagegen die inneren Gaseinlasslöcher 411 näher am Fußende des Schutzabdeckungsaufbaus 4 als das Fußende 221 der Messgaselektrode 22 befinden, führt dies zu einer Verlängerung der Zeit, die das an den inneren Gaseinlasslöchern 411 eingedrungene Messgas G benötigt, um die Messgaselektrode 22 zu erreichen, was ebenfalls das Ansprechverhalten des Gassensors 1 beeinträchtigt.
Die Erfinder führten Versuche durch, um das Ansprechverhalten des Gassensors 1 hinsichtlich des Lagezusammenhangs zwischen den Gaseinlasslöchern 411 der Innenabdeckung 41 und der Messgaselektrode 22 des Gasmessfühlers 2 zu bewerten.
Zunächst fertigten die Erfinder Prüfkörper des Gassensors 1 an, in denen Lh/Ls 1/3, 1/2, 2/3 und 4/5 betrug, wobei, wie in 16 dargestellt ist, Ls der Länge der Messgas elektrode 22 in der Achsrichtung des Gasmessfühlers 2 entspricht und Lh dem Abstand zwischen dem Fußende 221 der Messgaselektrode 22 und den Gaseinlasslöchern 411 entspricht. Als nächstes führten die Erfinder die Versuche auf die gleiche Weise durch, wie unter Bezugnahme auf die 12(a) bis 13 beschrieben wurde.
Die Versuchsergebnisse sind in 18 dargestellt. Die Abbildung zeigt, dass die Prüfkörper, bei denen Lh/Ls 1/3 und 1/2 betrug, was bedeutete, dass sich die inneren Gaseinlasslöcher 411 vom Fußende 221 aus innerhalb der halben Länge der Messgaselektrode 22 befanden, einen Gewinn von 0,285 hatten, was groß genug war, um das Ansprechverhalten des Gassensors 1 sicherzustellen, und dass es angesichts der Herstellungstoleranz des Gassensors 1 ratsam ist, dass Lh/Ls kleiner als oder gleich 1/3 ist.
Die Erfindung wurde zwar anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen offenbart, um das Verständnis zu erleichtern, doch versteht es sich, dass die Erfindung auf verschiedene Weise ausgeführt werden kann, ohne vom Erfindungsprinzip abzuweichen. Daher sollte die Erfindung so verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsbeispiele und Abwandlungen der gezeigten Ausführungsbeispiele beinhaltet, in die sie ausgeführt werden kann, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Erfindungsprinzip abzuweichen.
Ein Gassensor ist mit einem Abdeckungsaufbau ausgestattet, der aus einer Außenabdeckung und einer Innenabdeckung besteht, in der sich ein Gasmessfühler befindet. Die Außenabdeckung hat einen äußeren Gaseinlass und einen äußeren Gasauslass, der näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass ausgebildet ist. Die Innenabdeckung hat einen inneren Gaseinlass, der näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass ausgebildet ist. Der innere Gaseinlass ist so orientiert, dass er den Eintritt von Wassertropfen, die zusammen mit einem zu messenden Gas in die Innenabdeckung eindringen, minimiert, um ein Bespritzen des Gasmessfühlers mit dem Wasser zu vermeiden.

Claims

Gassensor, der eine Länge mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegensetzten Kopfende hat, mit: einem Gasmessfühler, der einen Messabschnitt hat, der auf eine Konzentration eines zu messenden Gases anspricht, indem er für ein dafür stehendes Signal sorgt; einem Gehäuse mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten Kopfende, wobei das Gehäuse in sich den Gasmessfühler hält; einem Abdeckungsaufbau mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten und nahe am Kopfende des Gassensors gelegenen Kopfende, wobei der Abdeckungsaufbau eine Außenabdeckung und eine innerhalb der Außenabdeckung gelegene Innenabdeckung umfasst und an seinem Fußende mit dem Kopfende des Gehäuses verbunden ist, so dass der Messabschnitt des Gasmessfühlers innerhalb der Innenabdeckung untergebracht ist; einem äußeren Gaseinlass, der in einer Umfangswand der Außenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist; einem äußeren Gasauslass, der in einem Abschnitt der Außenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist, der sich näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass befindet; und einem inneren Gaseinlass, der in einem Abschnitt der Innenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist, der sich näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass befindet, wobei der innere Gaseinlass durch eine Öffnung gebildet wird, die so geformt ist, dass sie eine Mittelachse hat, die von der Außenseite zur Innenseite der Innenabdeckung orientiert ist und so definiert ist, dass sie eine vertikale Quadraturkomponente hat, die in einem rechteckigen Koordinatensystem in Achsrichtung des Gassensors zum Fußende des Gassensors hin orientiert ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der äußere Gasauslass in einem Kopfende der Außenabdeckung ausgebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 2, wobei die Innenabdeckung und die Außenabdeckung beide Kopfenden haben, die miteinander in Flucht liegen, sodass sie das Kopfende des Abdeckungsaufbaus definieren.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Innenabdeckung ein Kopfende hat, das weit von dem Fußende des Abdeckungsaufbaus entfernt liegt, und der Gassensor außerdem im Kopfende der Innenabdeckung eine innere Gasauslassform umfasst.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Außenabdeckung des Abdeckungsaufbaus mindestens eine Wand hat, deren Durchmesser abnimmt, wenn sie sich dem Kopfende des Abdeckungsaufbaus nähert.
Gassensor nach Anspruch 5, wobei sich die mindestens eine Wand zum Kopfende des Abdeckungsaufbaus hin verjüngt.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Innenabdeckung des Abdeckungsaufbaus mindestens eine Wand hat, deren Durchmesser abnimmt, wenn sie sich dem Kopfende des Abdeckungsaufbaus nähert.
Gassensor nach Anspruch 7, wobei sich die mindestens eine Wand zum Kopfende des Abdeckungsaufbaus hin verjüngt.
Gassensor nach Anspruch 7, wobei die mindestens eine Wand der Innenabdeckung einen Abschnitt der Innenabdeckung einschließt, der den geringsten Durchmesser hat und sich näher am Kopfende des Gassensors als das Kopfende des dem Kopfende des Gassensors zugewandten Gasmessfühlers befindet.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Mittelachse so definiert ist, dass sie die vertikale Quadraturkomponente und eine querlaufende Quadraturkomponente hat, die senkrecht zur Achsrichtung des Gassensors orientiert ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Innenabdeckung in einer Umfangswand von ihr eine Vertiefung ausgebildet hat, die ein zum Fußende des Abdeckungsaufbaus orientiertes Fußende hat, und der innere Gaseinlass in dem Fußende der Vertiefung ausgebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Innenabdeckung eine Seitenfläche hat, die dem in der Außenabdeckung ausgebildeten äußeren Gaseinlass zugewandt ist und parallel zur Achsrichtung des Gassensors verläuft.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei der Gasmessfühler an einer Oberfläche von ihm eine Messgaselektrode befestigt hat, die dem zu messenden Gas ausgesetzt wird, die Messgaselektrode eine Länge mit einem Fußende und einem Kopfende hat, das zu ihrem Fußende entgegengesetzt ist und dem Kopfende des Abdeckungsaufbaus zugewandt ist, und sich der innere Gaseinlass vom Fußende der Messgaselektrode aus innerhalb der halben Länge der Messgaselektrode befindet.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Mittelachse die vertikale Quadraturkomponente und eine querlaufende Quadraturkomponente hat, die senkrecht zur Achsrichtung des Gassensors orientiert ist, und der Winkel, den die Mittelachse des inneren Gaseinlasses mit der querlaufenden Quadraturkomponente eingeht, 5° oder mehr beträgt.
Gassensor nach Anspruch 14, wobei der Winkel 15° oder mehr beträgt.
Gassensor nach Anspruch 14, wobei der Winkel 30° oder mehr beträgt.
Gassensor, der eine Länge mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten Kopfende hat, mit: einem Gasmessfühler, der einen Messabschnitt hat, der auf eine Konzentration eines zu messenden Gases anspricht, indem er für ein dafür stehendes Signal sorgt; einem Gehäuse mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten Kopfende, wobei das Gehäuse in sich den Gasmessfühler hält; einem Abdeckungsaufbau mit einem Fußende und einem zum Fußende entgegengesetzten und nahe am Kopfende des Gassensors gelegenen Kopfende, wobei der Abdeckungsaufbau eine Außenabdeckung und eine innerhalb der Außenabdeckung gelegene Innenabdeckung umfasst und an seinem Fußende mit dem Kopfende des Gehäuses verbunden ist, sodass der Messabschnitt des Gasmessfühlers innerhalb der Innenabdeckung untergebracht ist; einem äußeren Gaseinlass, der in einer Umfangswand der Außenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist; einem äußeren Gasauslass, der in einem Abschnitt der Außenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist, der sich näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass befindet; und einem inneren Gaseinlass, der in einem Abschnitt der Innenabdeckung des Abdeckungsaufbaus ausgebildet ist, der sich näher am Kopfende des Abdeckungsaufbaus als der äußere Gaseinlass befindet, wobei die Außen- und Innenabdeckung des Abdeckungsaufbaus so geformt sind, dass sie einen Fluss des zu messenden Gases, der vom äußeren Gaseinlass eingedrungen ist, in einen äußeren Gasstrom und einen inneren Gasstrom aufteilen, wobei der äußere Gasstrom zwischen der Außen- und Innenabdeckung zum äußeren Gasauslass geht, während der innere Gasstrom durch den inneren Gaseinlass ins Innere der Innenabdeckung geht.
Gassensor nach Anspruch 17, wobei der äußere Gasstrom eine Vektorkomponente hat, die vom Fußende zum Kopfende des Abdeckungsaufbaus hin orientiert ist, während der innere Gasstrom eine Vektorkomponente hat, die vom Kopfende zum Fußende des Abdeckungsaufbaus hin orientiert ist.