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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Gasmessfühler, insbesondere einen Abgassensor.
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Aus der
DE 101 23 168 C1 ist ein Gasmessfühler mit einem Sensorelement zur Bestimmung einer physikalischen Größe eines Gases, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Abgas eines Verbrennungsmotors oder der Temperatur des Abgases, bekannt. Der bekannte Gasmessfühler weist eine Dichtungsanordnung auf, die das Sensorelement in einem Gehäuse des Gasmessfühlers fixiert. Die Dichtungsanordnung weist mindestens ein Dichtelement auf, das ein Gemisch aus einem keramischen Element und einem Glas enthält. Die Halbkugeltemperatur des Glases liegt bei über 750°C.
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Der aus der
DE 101 23 168 C1 bekannte Gasmessfühler hat den Nachteil, dass im Betrieb elektrisch leitfähige Substanzen eingetragen werden können, die elektrische Leitpfade von dem metallischen Gehäuse zu dem Sensorelement ausbilden. Ein Beispiel für solch eine elektrisch leitfähige Substanz ist Ruß. Durch die ausgebildeten Leitpfade können elektrische Ströme ein Sensorsignal stören.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gasmessfühler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass eine Funktionsweise verbessert ist und insbesondere eine verbesserte Messung ermöglicht ist. Speziell können elektrische Leitpfade zwischen dem Sensorelement und dem Gehäuseteil vermieden werden.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Gasmessfühlers möglich.
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Der Gasmessfühler kann in vorteilhafter Weise als Abgassensor ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Abgassensor in Forme in einer Lambdasonde oder eines NOX-Sensors ausgestaltet sein. Zum Aufbau solch eines Abgassensors kann eine Planartechnologie zum Einsatz kommen, um eine keramische Mehrlagenstruktur aufzubauen. Mit einem internen Heizer kann eine Betriebstemperatur aus einem Bereich von beispielsweise 600°C bis 900°C erzielt werden. Als Funktions- und Strukturkeramik kann hierbei yttriumstabilisiertes ZrO2 (YSZ) zum Einsatz kommen. Hierdurch ist ein Sensorelement, das vorzugsweise als keramisches Sensorelement ausgestaltet ist, von der elektrischen Masse, auf der das Gehäuseteil liegt, elektrisch isoliert. Auf Grund der gewählten mechanischen Konstruktion, nämlich des Sensorelements mit keramischer Dichtpaket in einem metallischen Gehäuseteil, können sich bei starkem Eintrag von elektrisch leitfähigen Substanzen, insbesondere Ruß, elektrische Leitpfade von dem metallischen Gehäuseteil zu dem keramischen Sensorelement ausbilden. Hierbei ergibt sich das Problem, dass solche elektrischen Leitpfade elektrische Ströme ermöglichen, die das Sensorsignal stören. Durch die elektrisch isolierende Schicht, die in dem Bereich des Gehäuseteils, in dem das Sensorelement aus dem Gehäuseteil ragt, vorgesehen ist, wird die Ausbildung solcher elektrischen Leitpfade durch den Eintrag von elektrisch leitfähigen Substanzen verhindert oder zumindest vermieden. Speziell setzt sich Ruß oder dergleichen auf der elektrisch isolierenden Schicht ab, so dass kein direkter Kontakt mit dem metallischen Gehäuseteil besteht.
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Außerdem kann an dem Gehäuseteil in dem Bereich, in dem das Sensorelement aus dem Gehäuseteil ragt, eine Öffnung vorgesehen sein, so dass bis zur Packung ein Hohlraum ausgebildet ist. Der Hohlraum ist hierbei unterhalb des Schutzrohrs von einem Bund des Gehäuseteils bis zu der Packung ausgebildet. Solch ein Hohlraum stellt einen strömungstechnischen Totraum dar, der ein Reservoir für Gase bildet. Dies führt beispielsweise beim Einsatz für Dieselsysteme beim sogenannten Schubabgleich zu einer deutlich verzögerten Anspruchszeit des Sondensignals.
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Vorteilhaft ist es, dass die elektrisch isolierende Schicht als umlaufende elektrisch isolierende Schicht ausgestaltet ist. In vorteilhafter Weise kann die Schicht die Öffnung des Gehäuseteils auch teilweise oder zumindest im Wesentlichen ausfüllen. Dadurch kann ein durch den Hohlraum gebildeter Totraum ganz oder teilweise beseitigt werden, so dass solche ungünstigen Effekte zurückgehen. Außerdem führt die Beseitigung des Hohlraums zu einer Verringerung der sogenannten Drehwinkelabhängigkeit. Dies ist der Einfluss der Orientierung des Sensorelements im Schutzrohr des Gasmessfühlers relativ zu einer in einem Abgasrohr oder dergleichen vorherrschenden Hauptströmungsrichtung.
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Somit kann in vorteilhafter Weise die Ausbildung von elektrischen Leitpfaden bei gleichzeitiger Reduzierung eines Hohl- beziehungsweise Totraumvolumens erzielt werden.
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Vorteilhaft ist es somit auch, dass die Schicht zumindest weitgehend innerhalb der Öffnung des Gehäuseteils angeordnet ist, die in dem Bereich vorgesehen ist, in dem das Sensorelement aus dem Gehäuseteil ragt. Hierbei kann die Schicht die Öffnung des Gehäuseteils auch vollständig ausfüllen und zusätzlich auch teilweise außerhalb der Öffnung ausgestaltet sein.
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In vorteilhafter Weise ist die Schicht sowohl mit dem Gehäuseteil als auch mit dem Sensorelement verbunden. Hierbei kann die Schicht das Sensorelement im Bereich der Öffnung des Gehäuseteils zumindest abschnittsweise umschließen.
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Vorteilhaft ist es allerdings auch, dass das Gehäuseteil an der Öffnung eine Innenseite aufweist und dass die Schicht an der Öffnung auf die Innenseite des Gehäuses aufgebracht ist. Hierbei ist es ferner vorteilhaft, dass eine Innenseite der Schicht, die an der Öffnung auf die Innenseite des Gehäuses aufgebracht ist, zumindest näherungsweise zylindermantelförmig ausgestaltet ist. Hierdurch kann in Bezug auf den Eintrag von elektrisch leitfähigen Substanzen eine zuverlässige elektrische Isolierung erzielt werden, wobei die Menge des zur Ausgestaltung der Schicht benötigten Materials optimiert ist. Ferner wird durch die zylindermantelförmige Ausgestaltung der Innenseite der Schicht ein Festsetzen der eingetragenen Substanzen an Kanten oder dergleichen vermieden.
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In vorteilhafter Weise ist die Schicht aus einem keramischen Material gebildet. Beispielsweise kann die Schicht aus einem Metalloxid, insbesondere einem Aluminiumoxid, oder einem Inosilicat, insbesondere Mullit, gebildet sein. Die Schicht kann hierbei durch ein Reaktionssintern, das heißt eine thermische Behandlung von reaktiven keramischen Pulvern in Gestalt eines Keramikschaums, durch atmosphärisches Plasmasprühen (APS) oder ein Dispensverfahren, das heißt eine thermische Behandlung von keramischen Pasten, ausgebildet werden. Ein keramisches Material, das zur Ausgestaltung der Schicht zum Einsatz kommt, hat hierbei vorzugsweise die Materialeigenschaft, dass es bis etwa 800°C elektrisch isolierend ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
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1 einen Gasmessfühler in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 einen Gasmessfühler in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 einen Gasmessfühler in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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4 einen Gasmessfühler in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Gasmessfühler 1 in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Gasmessfühler 1 kann insbesondere als Abgassensor für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine dienen. Speziell eignet sich der Gasmessfühler 1 für Anwendungen in Kraftfahrzeugen. Ein bevorzugter Einsatz des Gasmessfühlers 1 besteht für eine Abgasanlage einer luftverdichtenden, selbstzündenden Brennkraftmaschine. Der erfindungsgemäße Gasmessfühler 1 eignet sich jedoch auch für andere Anwendungsfälle.
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Der Gasmessfühler 1 weist ein Gehäuseteil 2 und ein Schutzrohr 3 auf. Das Schutzrohr 3 ist auf geeignete Weise mit dem Gehäuseteil 2 verbunden. Hierbei weist das Schutzrohr 3 Durchgangsöffnungen 4, 5, 6 auf, die einen Austausch mit der Umgebung ermöglichen. Dadurch können beispielsweise Abgase aus einem Abgasrohr, in dem der Gasmessfühler 1 mit dem Schutzrohr 3 angeordnet ist, in einen Innenraum 7 des Schutzrohrs 3 gelangen.
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Der Gasmessfühler 1 weist außerdem eine keramische Dichtpackung 8 auf, die innerhalb des Gehäuseteils 2 angeordnet ist. Die Dichtpackung 8 fixiert ein Sensorelement 9. Das Sensorelement 9 ist vorzugsweise als keramisches Sensorelement 9 ausgestaltet. Das Sensorelement 9 erstreckt sich aus dem Gehäuseteil 2 in den Innenraum 7 des Schutzrohrs 3. Hierbei ragt das Sensorelement 9 in einem Bereich 10 des Gehäuseteils 2 aus dem Gehäuseteil 2. Das Gehäuseteil 2 weist hierbei eine Öffnung 11 in dem Bereich 10 auf.
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Der Gasmessfühler 1 weist eine elektrisch isolierende Schicht 15 auf. Die elektrisch isolierende Schicht 15 ist als bezüglich des Sensorelements 9 umlaufende elektrisch isolierende Schicht 15 ausgestaltet. Hierbei kann anstelle einer einzelnen Schicht 15 auch ein Schichtsystem aus zwei oder mehr elektrisch isolierenden Schichten vorgesehen sein. Ferner können auch mehrere Schichten vorgesehen sein, die sich ganz oder teilweise überlappen.
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Die elektrisch isolierende Schicht 15 füllt in diesem Ausführungsbeispiel die Öffnung 11 vollständig aus. Ferner ragt die elektrisch isolierende Schicht 15 im Bereich 10 etwas aus der Öffnung 11. Somit ist ein vor dem Einbringen der elektrisch isolierenden Schicht 15 im Bereich der Öffnung 11 gebildeter Hohlraum vollständig aufgefüllt und somit beseitigt. Hierdurch wird verhindert, dass sich Abgase im Bereich der Öffnung 11 befinden. Solch ein Hohlraum stellt nämlich ein Reservoir für Gase dar. Dies wirkt sich ungünstig auf eine Dynamik der Messung mittels des Sensorelements 9 aus. Somit kann durch das Auffüllen der Öffnung 11 mit der Schicht 15 eine Verbesserung der Abgasmessung oder einer sonstigen Gasmessung mittels des Gasmessfühlers 1 erzielt werden.
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Außerdem verhindert die elektrisch isolierende Schicht 15, dass sich im Bereich 10 über die Abgase eingetragene elektrisch leitfähige Substanzen, beispielsweise Ruß, ansammeln und einen elektrischen Leitpfad von dem metallischen Gehäuseteil 2 zu dem Sensorelement 9 bilden. Bei solchen Leitpfaden besteht nämlich das Problem, dass elektrische Ströme ermöglicht werden, die ein Sensorsignal stören. Somit verhindert die elektrisch isolierende Schicht 15 die Ausbildung solcher Leitpfade, was sich ebenfalls günstig auf die Abgasmessung oder eine sonstige Gasmessung auswirkt.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist die elektrisch isolierende Schicht 15 sowohl an der Öffnung 11 mit dem Gehäuseteil 2 als auch abschnittsweise mit einer Außenseite 16 des Sensorelements 9 verbunden. Hierbei umschließt die elektrisch isolierende Schicht 15 die Außenseite 16 des Sensorelements 9 abschnittsweise. Das Sensorelement 9 ragt allerdings deutlich über den Bereich 10 hinaus in den Innenraum 7, so dass ein ausreichender Teil der Außenseite 16 für die Abgasmessung oder eine sonstige Gasmessung frei bleibt.
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2 zeigt den in 1 dargestellten Gasmessfühler 1 in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel füllt die elektrisch isolierende Schicht 15 die Öffnung 11 des Gehäuseteils 2 teilweise aus. Hierbei bedeckt die Schicht 15 die auf das Sensorelement 9 gerichtete Öffnung 11 zumindest im Wesentlichen vollständig. Allerdings ist die Außenseite 16 des Sensorelements 9 auch in dem Bereich 10 und somit innerhalb der Öffnung 11 weitgehend freigelassen. Somit steht dieser Teil des Sensorelements 9 zur Gasmessung zur Verfügung. Hierdurch kann gegebenenfalls eine Länge des Sensorelements 9 und somit eine Baugröße des Schutzrohrs 3 optimiert werden.
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Eine Außenseite 17 der elektrisch isolierenden Schicht 15 kann in vorteilhafter Weise konkav ausgestaltet sein.
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3 zeigt den in 1 dargestellten Gasmessfühler 1 in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel füllt die Schicht 15 die Öffnung 11 des Gehäuseteils 2 nur teilweise aus. Hierbei bleibt die Außenseite 16 des Sensorelements 9 im Bereich der Öffnung 11 vollständig frei. Außerdem bleibt auch ein Teil einer Außenseite 18 der Dichtpackung 8 frei. Das Gehäuseteil 2 ist im Bereich der Öffnung 11 allerdings zumindest weitgehend von der elektrisch isolierenden Schicht 15 beschichtet. Hierdurch wird die Ausbildung von elektrischen Leitpfaden durch eingetragene elektrisch leitfähiges Substanzen, wie beispielsweise Ruß, zuverlässig verhindert. Eine Beeinflussung des Messsignals durch einen Stromfluss zwischen dem Schutzrohr 3 und dem metallischen Gehäuseteil 2 wird dadurch vermieden.
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Außerdem ist eine Innenseite 19 der elektrisch isolierenden Schicht 15, die an der Öffnung 11 auf die Innenseite 11' des Gehäuseteils 2 aufgebracht ist, zylindermantelförmig ausgestaltet. Hierbei werden Kanten oder dergleichen, die an der Innenseite 11' des Gehäuseteils 2 ausgestaltet sind, durch eine entsprechende Ausgestaltung der Schicht 15 ausgeglichen. Hierdurch wird eine Ansammlung von Substanzen, insbesondere Ruß, im Bereich solcher Kanten vermieden.
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4 zeigt den in 1 dargestellten Gasmessfühler 1 in einer schematischen, auszugsweisen Schnittdarstellung entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel. In diesem Ausführungsbeispiel füllt die elektrisch isolierende Schicht 15 die Öffnung 11 des Gehäuseteils 2 teilweise aus. Hierbei ist die elektrisch isolierende Schicht 15 zumindest weitgehend innerhalb der Öffnung 11 vorgesehen, wie es auch bei dem anhand der 2 beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel und bei dem anhand der 3 beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Hierbei ist in diesem vierten Ausführungsbeispiel die Schicht 15 sowohl mit der Innenseite 11' des Gehäuseteils 2 als auch mit der Außenseite 16 des Sensorelements 9 verbunden. Hierbei beschichtet die Schicht 15 die Außenseite 16 des Sensorelements 9 im Bereich der gesamten Öffnung 11. Allerdings weist die Schicht 15 eine ringförmige Aussparung 20 auf, wodurch ein Teil der Öffnung 11 des Gehäuseteils 2 frei bleibt. Hierdurch ist die Menge des Materials zur Ausgestaltung der elektrisch isolierenden Schicht 15 in Bezug zu einer Ausgestaltung, wie sie in der 1 veranschaulicht ist, reduziert. Die Ausgestaltung von elektrischen Leitpfaden zwischen dem Sensorelement 9 und dem metallischen Gehäuseteil 2 ist zuverlässig verhindert.
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Die elektrisch isolierende Schicht 15 kann bei den unterschiedlichen Ausgestaltungen, die beispielsweise in den 1 bis 4 veranschaulicht sind, durch ein Reaktionssintern, ein atmosphärisches Plasmasprühen oder ein Dispensverfahren ausgebildet werden. Hierbei ist die elektrisch isolierende Schicht 15 aus einem Material gebildet, bei dem die Eigenschaft der elektrischen Isolation zumindest bis zu einer Temperatur von 800°C gewährleistet ist. Hierdurch wird ein zuverlässiger, als Abgassensor 1 ausgestalteter Gasmessfühler 1 gebildet. Als keramisches Material für die elektrisch isolierende Schicht 15 kommt beispielsweise ein Metalloxid, insbesondere ein Aluminiumoxid in Frage. Beispielsweise kann Al2O3 zum Einsatz kommen. Als keramisches Material eignet sich allerdings auch ein Inosilicat, insbesondere Mullit. Allerdings sind auch andere keramische Materialien zum Ausbilden der elektrisch isolierenden Schicht 15 denkbar.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10123168 C1 [0002, 0003]
