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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung mindestens einer Zustandsgröße eines Messgases nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein bekanntes, planares Sensorelement für einen Gassensor zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Gasgemisch als Beispiel einer Zustandsgröße eines Messgases (
DE 101 57 733 A1 ) weist einen keramischen Körper mit mehreren Festelektrolytschichten auf, in dessen dem Messgas ausgesetztem Endabschnitt aus Elektroden und Festelektrolytschichten gebildete Pump- und Messzellen angeordnet sind, wobei die Elektroden über elektrische Leiterbahnen mit Kontaktflächen verbunden sind, die auf dem anderen, vom Messgas abgeschirmten Endabschnitt des Sensorelements angeordnet sind. Im Inneren des Endabschnitts ist ein Messgasraum ausgebildet, zu dem ein an der Oberfläche des Keramikkörpers mündendes Gaszutrittsloch führt und der gegenüber dem Gaszutrittsloch durch eine Diffusionsbarriere abgedeckt ist. In dem Messgasraum ist eine Innenelektrode der Pumpzelle und eine Messelektrode der Mess- oder Nernstzelle angeordnet. Eine Außenelektrode der Pumpzelle ist auf der dem Messgas ausgesetzten Oberfläche des Keramikkörpers und eine Referenzelektrode der Messzelle in einem im Inneren des Keramikkörpers verlaufenden Referenzgaskanal angeordnet, der mit einem Referenzgas, z.B. Umgebungsluft, beaufschlagt ist. Ein in den Keramikkörper integriertes Heizelement sorgt für die erforderliche Betriebstemperatur des Sensorelements. Das als elektrischer Widerstandsheizer ausgebildete Heizelement ist, eingebettet in einer Isolierschicht, im Endabschnitt des Sensorelements unterhalb des Messraums mäanderförmig verlegt und erzeugt in dem Endabschnitt eine Wärmezone, wobei sich ein Wärmeschwerpunkt, allgemein Hot Spot genannt, ausbildet, der von der messgasseitigen Endkante des Sensorelements etwas weiter entfernt liegt, als das Gaszutrittsloch.
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Ein solches Sensorelement ist in bekannter Weise in einem Sensorgehäuse zu einem Gassensor verbaut und ragt mit seinem messgasseitigen Endabschnitt aus dem Sensorgehäuse heraus (
DE 197 51 424 A1 ). Der messgasseitige Endabschnitt ist von einem Schutzrohr abgedeckt, das am Gehäuse befestigt ist und Durchtrittsöffnungen für das Messgas aufweist. In Anwendung des Gassensors als Lambdasonde zur Aufbereitung des Kraftstoffgemisches einer Brennkraftmaschine wird der Gassensor mit seinem Sensorgehäuse in das Abgasrohr der Brennkraftmaschine so eingesetzt, dass das Schutzrohr frei in den Abgasstrom hineinragt und die Durchtrittsöffnungen im Schutzrohr eine Abgasströmung über den gassensitiven Endabschnitt des Sensorelements ermöglichen.
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Bei solchen Gassensoren besteht insbesondere im Hinblick auf die Schutzrohrauslegung ein Zielkonflikt bei der Erfüllung der Anforderungen hinsichtlich Dynamik des Gassensors und des Heizleistungsbedarfs; denn mit der direkten Anströmung des Gaszutrittslochs im Sensorelement geht eine stark konvektive Wärmeabfuhr am Endabschnitt des Sensorelements einher, so dass die Gefahr besteht, dass die Heizleistung des Heizelements nicht mehr ausreicht, um das Sensorelement auf Betriebstemperatur zu halten.
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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 die Abschirmung des Wärmeschwerpunkts, des sog. Hot Spot, der vom Heizelement erbrachten Heizleistung, gegen die an den Endabschnitt des Sensorelements gelangende Messgasströmung die heiße Oberfläche des Sensorelements bei ungestörter Anströmung des Gaszutrittslochs vor direkter Anströmung durch das Messgas geschützt ist, so dass eine Wärmeabfuhr vom Sensorelement deutlich verringert ist. Zusätzlich wird die heiße Oberfläche des Sensorelements vor Tropfenschlag durch im Messgas mitgeführte, kalte Wassertropfen geschützt und somit die Robustheit des Sensorelements gegen Thermoschock erhöht.
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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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Erfindungsgemäß ist die Abschirmung zwischen dem Gaszutrittsloch und dem Hot Spot angeordnet und umschließt einerseits das Sensorelement und liegt andererseits an der Innenwand eines Sensorgehäuses an, in dem das Sensorelement anschlussseitig des gassensitiven Endabschnitts mittels eines Dichtungsglieds festgelegt ist.
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Die Abschirmung ist vorzugsweise ein Blechtopf, der im Topfboden eine Aussparung zum formschlüssigen Durchtreten des Endabschnitts des Sensorelements aufweist und mit dem Topfmantel an der Innenwand des Sensorgehäuses anliegt. Bei dieser Ausgestaltung der Abschirmung übernimmt letztere noch zusätzlich die Funktion eines Leitblechs, das die Messgasströmung zum Gaszutrittsloch hinführt. Dadurch wird die Dynamik des Gassensors weiter verbessert. In Verbindung mit einem den Endabschnitt des Sensorelements überdeckenden Schutzrohr kann dieser Effekt noch dadurch verstärkt werden, dass die Durchtrittsöffnungen im Schutzrohr geeignet angeordnet und ausgeformt werden, um die Messgasströmung direkt auf die Abschirmung zu richten. Vorteilhaft sind dazu gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung im Innenrohr des aus Innen- und Außenrohr bestehenden Schutzrohrs die Durchtrittsöffnungen als Lochkranz im Mantel des Innenrohrs mit in einer Radialebene liegende Lochachsen angeordnet und der Endabschnitt des Sensorelements bis zu der oder wenig über die Radialebene der Lochachsen erstreckt, was zusätzlich zu einer verkürzten Baulänge des Gassensors führt.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Abschirmung Teil des Dichtungsglieds, das sich über den Hot Spot hinweg erstreckt und vor dem Gaszutrittsloch endet. Bevorzugt ist dabei das Dichtungsglied, das z.B. ein Keramikkörper ist, als im Durchmesser gestufter Zylinderkörper mit zwei Körperabschnitten unterschiedlichen Durchmessers und einer im Übergang der Körperabschnitte vorhandenen Ringschulter ausgebildet. Der Zylinderkörper übergreift mit seinem durchmesserkleineren Körperabschnitt den Endabschnitt des Sensorelements bis hin zum Gaszutrittsloch und stützt sich mit seiner Ringschulter an einer im Sensorgehäuse ausgebildete Radialschulter ab. Diese Gestaltung der Abschirmung bringt fertigungstechnische Vorteile, insbesondere Montage- und Kostenvorteile, mit sich und besitzt ebenfalls die vorteilhaften Eigenschaften der Blechtopfausführung.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt eines Gassensors zur Bestimmung einer Zustandsgröße eines Messgases mit Sensorgehäuse, Sensorelement und Schutzrohr,
- 2 ausschnittweise einen Längsschnitt des Sensorelements des Gassensors in 1,
- 3 ausschnittweise eine perspektivische Darstellung eines Längsschnitts des Gassensors in 1, im Längsschnitt,
- 4 eine gleiche Darstellung wie in 3 eines modifizierten Gassensors.
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Der in 1 im Längsschnitt dargestellte Gassensor zur Bestimmung einer Zustandsgröße eines Messgases, dient beispielsweise zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine und wird in bekannter Weise als Lambdasonde zur Gemischaufbereitung des Kraftstoff-LuftGemisches der Brennkraftmaschine eingesetzt. Der Gassensor weist ein metallisches Gehäuse 11 auf, in dem ein Sensorelement 12 mittels eines Dichtungsglieds 13 festgelegt ist. Das im Ausführungsbeispiel beispielhaft stabförmig mit rechteckigem Querschnitt ausgeführte Sensorelement 12 ragt mit einem messgasseitigen Endabschnitt 121 und einem anschlussseitigen Endabschnitt 122 aus dem Sensorgehäuse 11 heraus. Der messgasseitige Endabschnitt 121 ist von einem am messgasseitigen Ende des Sensorgehäuses 11 befestigten Schutzrohr 14 und der anschlussseitige Endabschnitt 121 von einer Metallhülse 15 überdeckt, deren vom Sensorgehäuse 11 abgekehrtes Ende mit einer Durchführung 16 für ein Anschlusskabel 17 verschlossen ist. Das Schutzrohr 14 ist aus einem kappenförmigen Innenrohr 18 und einem hülsenförmigen Außenrohr 19 zusammengesetzt, das das Innenrohr 18 mit Radialabstand umgibt. Das Innenrohr 18 ist mit Durchströmöffnungen für das Messgas versehen. Die Durchströmöffnungen umfassen einerseits eine Mehrzahl von im Mantel des Innenrohrs 18 zur einem Lochkranz zusammengestellte Löcher 20, deren Lochachsen in einer Radialebene liegen, sowie mindestens ein im Kappenboden des Innenrohrs 16 angeordnetes Loch 21. Der Lochkranz ist dabei so angeordnet, dass sich die Endkante des messgasseitigen Endabschnitts 121 des Sensorelements 12 bis etwa zu der oder wenig über die Radialebene der Lochachsen erstreckt. Im Einbauzustand des Gassensors in ein messgasführendes Messgasrohr erzeugt ein Teil des Messgasstromes eine Messgasströmung über den Endabschnitt 121 des Sensorelements, indem Messgas in den Ringraum zwischen Außen- und Innenrohr 18, 19 einströmt, über die Löcher 20 im Mantel des Innenrohrs 18 hindurchströmt, dabei den Endabschnitt 121 des Sensorelements 12 beaufschlagt und über das Loch 21 im Kappenboden des Innenrohrs 18 aus dem Schutzrohr 14 ausströmt.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 ist das Dichtungsglied 13 als Keramikformteil ausgebildet, das beispielsweise auf das Sensorelement 12 zwischen den beiden Endabschnitten 121, 122 aufgesintert ist. Das Keramikformteil wird mittels einer Spannhülse 22, die am Sensorgehäuse 11 befestigt ist, axial gegen eine im Sensorgehäuse 11 ausgebildete Radialschulter gepresst. Damit sind der messgasseitige Endabschnitt 121 und der anschlussseitige Endabschnitt 122 des Sensorelements 12 gasdicht voneinander getrennt. Der anschlussseitige Endabschnitt 122 trägt Kontaktflächen, die mittels eines Kontaktsteckers 23 mit dem Anschlusskabel 17 verbunden sind.
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Der Aufbau des Sensorelements 12 ist an sich bekannt und in 2 der Vollständigkeit halber ausschnittweise im Längsschnitt dargestellt. Das Sensorelement 12 weist eine Pumpzelle mit einer äußeren Pumpelektrode 24 und einer inneren Pumpelektrode 25 sowie eine Mess- oder Nernstzelle mit einer Mess- oder Nernstelektrode 26 und einer Referenzelektrode 27 auf. Pumpzelle und Nernstzelle sind in einem Verbund aus aufeinanderliegenden Festelektrolytschichten ausgebildet, von denen eine obere Schicht 28 auf voneinander abgekehrten Flächen die Pumpelektroden 24, 25 trägt, eine mittlere Schicht 29 einen Messgasraum 30 und einen Referenzgaskanal 31 enthält und eine untere Schicht 32 ein in einer elektrischen Isolierung 33 eingebettetes Heizelement 38 in Form einer unterhalb des Messgasraums 30 befindlichen, mäanderförmigen Widerstandsbahn trägt. Zwischen der mittleren Schicht 29 und der unteren Schicht 32 ist noch eine Zwischenschicht 34 eingelegt. Der Messgasraum 30 ist beispielhaft kreisringförmig ausgeführt und steht über ein Gaszutrittsloch 35, das die obere Schicht 28 und die mittlere Schicht 29 durchdringt, mit dem Messgas in Verbindung. Der Messgasraum 30 ist gegenüber dem Gaszutrittsloch 35 durch eine poröse Diffusionsbarriere 36 abgedeckt. Die äußere Pumpelektrode 24 ist ringförmig ausgeführt und umschließt das Gaszutrittsloch 35. Sie ist von einer porösen Schutzschicht 37 überdeckt, die das Gaszutrittsloch 35 freilässt. Wie weiter nicht dargestellt ist, sind alle Elektroden 24, 25, 26, 27 und das mäanderförmige Heizelement 38 über Leiterbahnen mit den Kontaktflächen für den Anschlussstecker 23 auf dem anschlussseitigen Endabschnitt 122 verbunden.
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Im Betrieb des Gassensors erzeugt das Heizelement 38 auf der Oberfläche des messgasseitigen Endabschnitts 121 des Sensorelements 12 eine heiße Zone mit einem Wärmeschwerpunkt, dem sog. Hot Spot, dessen axialer Abstand von der Endkante 121a des messgasseitigen Endabschnitt 121 größer, beispielhaft um 2 bis 3 mm größer, ist als der Abstand des Gaszutrittslochs 35 von dieser Endkante 121a, so dass der Hot Spot 39 auf der von der Endkante 121a abgekehrten Seiten des Gaszutrittslochs 35 im Abstand von diesem auftritt. Der Hot Spot 39 ist in der Schnittdarstellung des Gassensors in 2 als strichlinierter Kreis und in der perspektivischen Schnittdarstellung des Gassensors in 3 durch die Pfeilspitze der Bezugslinie 39 symbolisch angedeutet.
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Um einerseits eine hohe Dynamik des Gassensors zu erreichen und andererseits die zur Aufrechterhaltung der Betriebstemperatur erforderliche Heizleistung zu minimieren, ist der Hot Spot 39 gegen die Messgasströmung abgeschirmt, indem die Abschirmung im messgasseitigen Endabschnitt 121 so angeordnet ist, dass sie zwischen dem Gaszutrittsloch 35 und dem Hot Spot 39 liegt. In dem in 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Abschirmung als Blechtopf 41 mit Topfboden 411 und Topfmantel 412 ausgeführt. Im Topfboden 411 ist eine Aussparung 42 vorhanden, durch welche das Sensorelement 12 formschlüssig hindurchtritt. Der Blechtopf 41 ist vom messgasseitigen Ende des Sensorgehäuses 11 her in dieses so eingesetzt, dass der Topfmantel 412 an der Innenwand des Sensorgehäuses 11 anliegt, der Topfboden 411 bündig mit dem Gehäuseende ist und der Topfrand 413 sich am Dichtungsglied 13 abstützt. Der Topfboden 411 liegt damit zwischen dem Gaszutrittsloch 21 und dem Hot Spot 39 und trennt beide räumlich voneinander. Durch den Blechtopf 41 wird damit der heiße Bereich des Sensorelements 12 vor direkter Anströmung durch die das Schutzrohr 14 durchströmende Messgasströmung geschützt, wodurch eine damit einhergehende konvektive Wärmeabfuhr deutlich reduziert wird. Zudem wirkt der Topfboden 411 als Hitzeschild, wodurch Wärmeabfuhr in Form von Strahlung an die innere Oberfläche des Innenrohrs 18 gesenkt wird. Durch den Blechtopf 41 ist es ohne Erhöhung der Heizleitung des Heizelements 38 möglich, das Gaszutrittsloch 35 direkt vom Messgas anströmen zu lassen, wobei der Topfboden 411 die Funktion eines Leitblechs übernimmt, das die Messgasströmung zum Gaszutrittsloch 35 hinführt. Dadurch wird die Dynamik des Gassensors wesentlich verbessert. Zusätzlich verhindert der Topfboden 411, dass in der Messgasströmung mitgeführte kalte Wassertropfen auf die heiße Oberfläche im Hot Spot-Bereich des Sensorelements 12 auftreffen und dort Thermoschock auslösen, der zur Funktionsunfähigkeit des Gassensors führt. Durch den Blechtopf 14 ist damit auch die Thermoschockrobustheit des Gassensor verbessert.
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Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel des Gassensors ist gegenüber dem beschriebenen Gassensor in sofern modifiziert, als die Abschirmung des Hot Spot 39 einstückiger Bestandteil des Dichtungsglieds 13 ist, das sich über den Hot Spot 39 hinweg erstreckt und vor dem Gaszutrittsloch 35 endet. In 4 ist der Hot Spot 39 wiederum durch die Pfeilspitze der Bezugslinie 39 markiert. Das von dem Keramikformteil gebildete Dichtungsglied 13 ist als ein im Durchmesser gestufter Zylinderkörper ausgeführt, der einen durchmesserkleineren Körperabschnitt 131 und einen im Durchmesser größeren Körperabschnitt 132 aufweist. Mit einer zwischen den beiden Körperabschnitten ausgebildeten Ringschulter 133 stützt sich der Zylinderkörper an der Radialschulter im Sensorgehäuse 11 axial ab. Der durchmesserkleinere Körperabschnitt 131, der ebenso wie der durchmessergrößere Körperabschnitt 132 an der Innenwand des Sensorgehäuses 11 anliegt, schließt bündig mit dem messgasseitigen Ende des Sensorgehäuses 11 ab, so dass die Stirnfläche des durchmesserkleineren Körperabschnitt 131 zwischen dem Gaszutrittsloch 35 und dem Hot Spot 39 am Sensorelement 12 liegt. Die Wirkungsweise der so ausgebildeten Abschirmung ist gleich der gemäß 1 und 3 ausgeführten Abschirmung, wobei die messgasseitige Stirnfläche des Dichtungsglieds 13, also die freie Stirnseite des durchmesserkleineren Körperabschnitts 131 des Zylinderkörpers, die Funktionaltität des Topfbodens 411 des Blechtopfs 41 in 1 und 3 besitzt.
