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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen
Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration mindestens
einer Gaskomponente oder der Temperatur im Messgas, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
bekannter Gassensor oder Messfühler (
DE 102 29 031 B3 ) weist
ein Mess- oder Sensorelement auf, das in einem als Drehteil hergestellten
Gehäuse aufgenommen ist und mit einem messgasseitigen Endabschnitt
aus dem Gehäuse herausragt. Das Sensorelement wird von
zwei elektrisch isolierenden Keramikeinsätzen mit einer
dazwischenliegenden Dichtung umschlossen, die sich ihrerseits an der
Innenwand des Gehäuses abstützen und axial im Gehäuse
verspannt sind. An das messgasseitige Ende des Gehäuses
ist ein Doppelschutzrohr angesetzt, das den messgasseitigen Endabschnitt
des Sensorelements überdeckt und Gasdurchströmöffnungen
aufweist, so das Messgas an das Sensorelement gelangen kann. Zur
Montage des Gassensors in eine Messgasleitung, insbesondere in den
Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, ist das Gehäuse mit
einem über einen Gehäuseabschnitt sich erstreckenden
Außengewinde versehen, und die Messgasleitung weist eine
in ihrer Leitungswand eingearbeitete Einführöffnung
auf, die von einem auf der Leitungswand befestigten, z. B. verschweißten
Anschlussstutzen umschlossen ist. Der Anschlussstutzen hat ein Innengewinde,
in das das Außengewinde am Gehäuse einschraubbar
ist. zur gasdichten Abdichtung des Gehäuses gegenüber
dem Anschlussstutzen ist ein außen am Gehäuse
umlaufender, von diesem radial abstehender Steg zwischen dem Gewindeabschnitt
und dem Schlüsselsechskant einstückig aus dem
Gehäuse ausgeformt, und zwar durch Einstich einer ringförmigen
Radialnut in das Gehäuse. Beim Einschrauben des Gehäuses
in den Anschlussstutzen presst sich der Steg unter plastischer Verformung
auf die Stirnfläche des Anschlussstutzens auf und dichtet
somit die Gewindeverbindung zwischen Gehäuse und Anschlussstutzen
gasdicht ab.
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Ein
ebenfalls bekannter Gassensor oder Messfühler (
DE 197 39 435 A1 )
weist ein als beidseitig offenes Rohrelement ausgebildetes Gehäuse
mit einem Dichtflansch auf, der eine obere, nach unten geneigt verlaufende
Dichtfläche und eine untere, nach oben geneigt verlaufende
Dichtfläche besitzt. Zur Ausbildung des Dichtflansches
wird das Rohrelement zunächst gestaucht, wobei sich ein
gerundeter Wulst am Rohrelement ausbildet. Dieser Wulst wird danach
durch Rundkneten derart bearbeitet, dass sich die beiden geneigt
verlaufenden Dichtflächen ausbilden. Im Gehäuse
ist ein an dem messgasseitigen Ende des Gehäuses vorstehendes
Sensorelement mittels einer Dichtpackung aus zwei Keramikformteilen
mit dazwischenliegendem Dichtelement gasdicht gehalten. Der aus
dem Gehäuse vorstehende, gassensitive Endabschnitt des
Sensorelements ist von einem Doppelschutzrohr überdeckt,
das am Gehäuse festgelegt, z. B. verschweißt,
ist und Gasdurchtrittsöffnungen für den Messgasein-
und -austritt aufweist. Zur Befestigung des Gassensors in einem
Abgasrohr einer Brennkraftmaschine ist im Abgasrohr eine Öffnung
vorgesehen, in die ein zylindrischer Anschlussstutzen mit einer
ebenen, ringförmigen Stirnfläche und einem Außengewinde
eingeschweißt ist. Auf der Stirnfläche des Anschlussstutzens
liegt die untere Dichtfläche des Dichtflansches auf. Über
das Gehäuse ist eine ein Innengewinde und eine innere Ringfläche
aufweisende Überwurfmutter geführt. Die Überwurfmutter
wird auf den Anschlussstutzen geschraubt. Dadurch wird über
die Ringfläche der Überwurfmutter der Dichtflansch
auf die Stirnfläche des Anschlussstutzens gepresst, die somit
einen Dichtsitz für den Dichtflansch bildet. Für einen
ausreichenden Dichtsitz muss der Dichtflansch mit seinen schräg
verlaufenden Dichtflächen zusammengepresst werden, wozu
eine hohes Anzugsmoment in der Gewindeverbindung zwischen Anschlussstutzen
und Überwurfmutter erforderlich ist, das leicht zu einer
Schädigung der Gewindeverbindung fuhren kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die am Dichtflansch integrierte,
leicht verformbare Dichtlippe sich bereits bei geringer Anpresskraft
an die am Anschlussstutzen ausgebildete Auflagefläche unter Ausgleich
evtl. Formabweichungen anschmiegt, was zu einer sehr guten Dichtung
bei relativ niedriger axialer Verspannung von Dichtflansch und Anschlussstutzen
fuhrt. Durch die relativ geringe axiale Verspannkraft werden die
Anforderungen an das Anzugsmoment und damit an die Gewindeverbindung zwischen
Anschlussstutzen und Überwurfmutter oder Hohlschraube reduziert.
Durch die einstückige Ausbildung der Dichtlippe mit dem
Dichtflansch wird ein separater, metallischer Dichtring und der
zu dessen Verbringung erforderliche Montagevorgang eingespart. 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
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Dichtflansch
aus einem ringförmigen Gehäuseflansch, der am
messgasseitigen Ende des Gehäuses radial absteht, vorzugsweise einstückig
vom Gehäuse abgebogen ist, und einem ringförmigen
Rohrflansch zusammengesetzt, der am gehäuseseitigen Ende
des Schutzrohrs radial absteht und vorzugsweise von dem Schutzrohr
einstückig abgebogen ist. Gehäuseflansch und Rohrflansch
liegen plan aufeinander und sind durch Umbördelung fest
miteinander verbunden. Die Dichtlippe ist am Rohr- oder am Gehäuseflansch
einstückig ausgebildet und wird beim Einschrauben des Gehäuses
in den Anschlussstutzen gegen die stirnseitige, ringförmige
Auflagefläche des Anschlussstutzens gedrückt und
dadurch wie eine Feder vorgespannt, wodurch die gute Dichtwirkung
erzielt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines in einem Messgasstrang eingesetzten Gassensors,
wobei der Messgasstrang ausschnittweise im Längsschnitt
dargestellt ist,
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2 einen
Längsschnitt des Gassensors gemäß Linie
II-II in 1,
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3 eine
vergrößerte Darstellung des Ausschnitts III in 2,
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4 und 5 jeweils
eine gleiche Darstellung wie in 3 zweier
modifizierter Ausführungsbeispiele des Gassensors in 2.
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Der
in 1 in Seitenansicht und in 2 im Längsschnitt
dargestellte Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft
eines Messgases, insbesondere der Konzentration mindestens einer
Gaskomponente oder der Temperatur im Messgas, ist beispielsweise
eine Lambdasonde zur Messung der Sauerstoffkonzentration im Abgas
einer Brennkraftmaschine. Alternativ kann. der Gassensor auch zur
Messung der Konzentration von Stickoxiden im Abgas oder zur Messung
der Temperatur des Abgases konzipiert sein.
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Der
Gassensor weist ein Sensorgehäuse 11, ein Sensorelement 12 und
ein Anschlusskabel 13 mit mehren, isoliert geführten,
elektrischen Leitern 14 auf. Das Anschlusskabel 13 ist
als an sich bekannte Metallmantelleitung ausgebildet. Wie hier nicht
weiter dargestellt ist, ist das Anschlusskabel 13 mit einem üblichen
Kraftfahrzeug-Kabelbaum verbunden und über diesen an ein
Steuergerät angeschlossen. Das Sensorgehäuse 11 ist
aus einem Metallrohr, vorzugsweise aus einem Edelstahlrohr, gefertigt
und weist einen zylinderförmigen Aufnahmeabschnitt 111 zur
teilweisen Aufnahme des Sensorelements 12 und einen sich
daran anschließenden, im Durchmesser reduzierten Halterungsabschnitt 112 für
das Anschlusskabel 13 auf. Der Halterungsabschnitt 112 wird
durch Vercrimpen des Metallrohrs in dessen über das Anschlusskabel 13 sich
erstreckenden Bereich. hergestellt. Das Sensorelement 12 weist
einen aus dem Sensorgehäuse 11 herausragenden,
messgasseitigen Endabschnitt 121 und einen im Aufnahmeabschnitt 111 des
Sensorgehäuses 11 einliegenden, anschlussseitigen
Endabschnitt 122 auf. Am anschlussseitigen Endabschnitt 122 des
stabförmigen Sensorelements 12 sind auf dessen
voneinander abgekehrten Großflächen Kontaktflächen
angeordnet, die über Leiterbahnen mit im messgasseitigen
Endabschnitt 121 des Sensorelements 12 angeordneten
Elektroden verbunden sind. Auf die Kontaktflächen ist jeweils
ein elektrischer Leiter 14 des Anschlusskabels 13 kontaktiert.
Das Sensorelement 12 und das sensorelementseitige Ende
der Anschlussleitung 13 sind in einem Keramikgehäuse 15 positioniert
und in einer im Keramikgehäuse 15 hergestellten
Glaseinschmelzung 16 eingeschlossen. Das Keramikgehäuse 15 ist
in dem Aufnahmeabschnitt 111 des Sensorgehäuses 11 radial
formschlüssig eingesetzt und steht mit einem Abschnitt 151 über
das messgasseitige Ende des Sensorgehäuses 11 vor.
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Der
aus dem Sensorgehäuse 11 vorstehende, messgasseitige
Endabschnitt 121 ist von einem Doppelschutzrohr überdeckt,
das aus einem äußeren Schutzrohr 17 und
einem dazu konzentrischen, zwischen messgasseitigem Endabschnitt 121 und äußerem
Schutzrohr 17 angeordneten inneren Schutzrohr 18 zusammengesetzt
ist. Bude Schutzrohre 17, 18 sind als topfförmige
Tiefziehteile ausgeführt und an ihrem Topfrand mit jeweils
einem radial abstehenden, einstückigen Rohrflansch 171 bzw. 181 versehen.
Im Topfboden 172 des äußeren Schutzrohrs 17 ist
eine konisch sich verjüngende Vertiefung 172a eingeformt und
im Grunde der Vertiefung 172a eine zentrale Öffnung 19 ausgebildet.
Zusätzlich ist im Topfboden 172 des äußeren
Schutzrohrs 17 ein zur Vertiefung 172a konzentrischer
Kranz von mehreren Gasdurchtrittlöchern 20 angeordnet.
Im inneren Schutzrohr 18 sind sowohl in dessen Topfboden 182 Gasdurchtrittslöcher 21 als
auch in dessen Rohrmantel 183 Gasdurchtrittslöcher 22 vorhanden.
Das konzentrisch in das äußere Schutzrohr 17 eingesetzte
innere Schutzrohr 18 liegt mit seinem Rohrflansch 181 plan auf
dem Rohrflansch 171 des äußeren Schutzrohrs 17 auf,
liegt mit einem kürzeren Rohrbereich 183b seines
Rohrmantels 183 an dem rohrflanschseitigen Ende des äußeren
Schutzrohrs 17 an und begrenzt mit einem längeren
Rohrbereich 183a seines Rohrmantels 183 zusammen
mit dem äußeren Schutzrohr 17 einen Ringraum 23,
in den Messgas über die Gasdurchtrittslöcher 20 im
Topfboden 172 des äußeren Schutzrohrs 17 eintritt,
das dann über die Gasdurchtrittslöcher 22 im
Rohrmantel 183 des inneren Schutzrohrs 18 an das
Sensorelement 12 gelangt. Mit dem kürzeren Rohrbereich 183b des
inneren Schurzrohrs 18 ist das Doppelschutzrohr auf den
aus dem Sensorgehäuse 11 vorstehenden Abschnitt 151 des
Keramikgehäuses 15 soweit aufgeschoben, dass der
Rohrflansch 181 des inneren Schutzrohrs 18 an
einem am messgasseitigen Ende des Sensorgehäuses 11 radial
abgebogenen Gehäuseflansch 113 anliegt. Ein am
Gehäuseflansch 113 sich einstückig fortsetzender,
umlaufender Kragen ist auf die von dem Gehäuseflansch 113 abgekehrte
Rückseite des Rohrflansches 171 am äußeren
Schutzrohr 17 umgebördelt. Die durch die Umbördelung
zusammengehaltenen drei Flansche 171, 181 und 113 bilden
zusammen einen Dichtflansch 24 zum Einbau des Gassensors
am Messort, z. B. am Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wie dies
in 1 schematisch illustriert ist. In der Rohrwandung 251 des
in 1 ausschnittweise dargestellten Abgasrohrs 25 der
Brennkraftmaschine ist ein Montageloch 26 zum Einführen
des messgasseitigen Endes des Gassensors eingebracht. Das Montageloch 26 ist
von einem hohlzylindrischer Anschlussstutzen 27 umschlossen, der
an der Rohrwandung 251 befestigt, z. B. verschweißt,
ist. Der Anschlussstutzen 27 ist mit einem Außengewinde 28 versehen.
Der Gassensor ist mit seinem Doppelschutzrohr durch den Anschlussstutzen 27 hindurchgesteckt,
bis der Dichtflansch 24 auf der ringförmigen Stirnfläche 271 des
Anschlussstutzens 27 aufliegt. Über das Sensorgehäuse 11 wird eine Überwurfmutter 29 geschoben
und mit ihrem Innengewinde 30 auf dem Außengewinde 28 des
Anschlussstutzens 27 verschraubt. Am Ende des Schraubvorgangs
ist der Dichtflansch 24 fest auf die Stirnfläche
des Anschlussstutzens 27 aufgespannt.
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Zur
Herstellung einer zuverlässig guten Dichtwirkung zwischen
Stirnfläche 271 des Anschlussstutzens 27 und
dem Dichtflansch 24 ist am Dichtflansch 24 eine
mechanisch leicht verformbare Dichtlippe 31 angeformt,
die im Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 durch
entsprechende Gestaltung des auf die Rückseite des Rohrflansches 171 des äußeren
Schutzrohrs 17 augebördelten Kragens des Rohrflansches 171 gebildet
ist. Die Umbördelung des Kragens des Gehäuseflansches 113 ist
hierzu so vorgenommen, dass die Dichtlippe 31 einen ansteigenden,
umlaufenden Schenkel 311 und einen sich daran einstückig
anschließenden, abfallenden Schenkel 312 aufweist
(3). Die beiden Schenkel 311, 312 schließen
einen stumpfen Winkel miteinander ein und sind so platziert, dass
der Anfang des ansteigenden Schenkels 311 und das freie
Ende des abfallenden Schenkels 312 auf der Rückseite
des Rohrflansches 171 des äußeren Schutzrohrs 17 aufliegen, wie
dies in 3 deutlich zu sehen ist. Beim
Aufschrauben der Überwurfmutter 29 auf den Anschlussstutzen 27 werden
ab einem bestimmten Anzugsmoment die beiden Schenkel 311 und 312 unter teilplastischer
Verformung plan zwischen dem Rohrflansch 171 des äußeren
Schutzrohrs 17 und der Stirnfläche 271 des
Anschlussstutzens 27 unter gasdichter Abdichtung des Ringspalts
eingezwängt.
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Bei
dem in 4 ausschnittweise dargestellten Sensorelement 12 ist
lediglich die Gestaltung der Dichtlippe 31 modifiziert.
Die Dichtlippe 31 wird wiederum von dem auf die Rückseite
des Rohrflansches 171 des äußeren Schutzrohrs 17 umgebördelten Kragen
des Gehäuseflansches 113 gebildet, wobei die Umbördelung
des Kragens aber so vorgenommen ist, dass die Dichtlippe 31 einen
inneren, umlaufenden Lippenabschnitt 313 aufweist, der
gegenüber der Rückseite des Rohrflansches 171 des äußeren Schutzrohrs 17 unter
einem spitzen Winkel zum Rohrmantel 173 des äußeren
Schutzrohrs 17 hin ansteigt. Beim Aufschrauben der Überwurfmutter 29 auf den
Anschlussstutzen 27 wird ab einem bestimmten Anzugsmoment
dieser Lippenabschnitt 313 auf den Rohrflansch 171 des äußeren
Schutzrohrs 17 teilplastisch aufgepresst und so die Dichtwirkung
sichergestellt.
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Bei
dem im 5 ausschnittweise skizzierten Ausführungsbeispiel
des Sensorelements 12 ist wiederum lediglich der Dichtflansch 24 modifiziert. Hier
erfolgt die Umbördelung der Rohrflansche 171, 181 und
des Gehäuseflansches 113 mit einem an dem Rohrflansch 171 des äußeren
Schutzrohrs 17 sich einstückig fortsetzenden Kragen,
der auf die vom Rohrflansch 171 abgekehrte Rückseite
des Gehäuseflansches 113 umgebördelt
ist. Die Dichtlippe 31 ist hier von einem inneren Abschnitt 171a des Rohrflansches 171 gebildet,
der gegenüber dem plan auf dem Gehäuseflansch 113 aufliegenden
Rohrflansch 181 des inneres Schutzrohrs 18 um
einen spitzen Winkel zum Rohrmantel 183 des inneren Schutzrohrs 18 angestellt
ist. Dadurch ist zwischen den beiden Rohrflanschen 171, 181 ein
im Querschnitt etwa dreieckförmiger, umlaufender Hohlraum 32 vorhanden.
Wird die Überwurfmutter 29 auf den Anschlussstutzen 27 aufgeschraubt,
so wird dieser Hohlraum 32 durch Aufpressen des inneren
Abschnitts 171a des Rohrflansches 171 auf die
Stirnfläche 271 des Anschlussstutzens 27 teilplastische
reduziert, wodurch sich eine sehr gute Anschmiegung von Anschlussstutzen 27 und
Dichtflansch 24 ergibt.
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Bei
einer konstruktiven Ausführung des Anschlussstutzens 27 mit
einem Innengewinde und mit einer innen umlaufenden Auflageschulter,
auch Dichtsitz genannt, für den Dichtflansch 24 am
Gassensor, wird die in 1 dargestellte Überwurfmutter 29 zur
gasdichten Festlegung des Gassensirs mit Anschlussstutzen 27 durch
eine Hohlschraube mit Außengewinde ersetzt, die sich mit
einer Ringschulter auf die von der Dichtlippe 31 abgekehrten
Ringfläche des Dichtflansches 24 aufpresst und
die Dichtlippe 31 auf dem Dichtsitz aufpresst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10229031
B3 [0002]
- - DE 19739435 A1 [0003]