DE102010028631A1

DE102010028631A1 - Gassensorsystem

Info

Publication number: DE102010028631A1
Application number: DE201010028631
Authority: DE
Inventors: Ralf Müller
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2010-05-05
Filing date: 2010-05-05
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2030-05-06
Also published as: DE102010028631B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gassensorsystem (100, 200, 300) aufweisend: – einen Sensor, insbesondere Gassensor (10), mit einem Messelement und einem Gehäuse (12), wobei sich ein Sensorabschnitt (11) des Messelements in einer Erstreckungsrichtung (ER) in einen Messraum (43) erstreckt, welcher Messraum (43) von einem das Gehäuse (12) fortsetzenden ersten Schutzschild (41) unter Belassen einer Durchtrittsöffnung (42) für Messgas (M) wenigstens teilweise begrenzt ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Gassensorsystem (100, 200, 300) weiter – eine Oberflächenkontur (20), – ein eine Barriere auf der Oberflächenkontur (20) bildendes Schutzbauteil (30, 30', 30''), das an die Oberflächenkontur (20) anschließt und einen zweiten Schutzschild (31, 31', 31'') aufweist, der – in Abstand (A) zum ersten Schutzschild (41) versetzt angeordnet ist, wobei sich der Abstand (A) in einer quer zur Erstreckungsrichtung (ER) verlaufenden Abstandsrichtung (AR) erstreckt, und der – in der Erstreckungsrichtung (ER) vom ersten Schutzschild (41), insbesondere vom Sensorabschnitt (11), überragt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gassensorsystem aufweisend einen Sensor mit einem Messelement und einem Gehäuse, wobei sich ein Sensorabschnitt des Messelements in einer Erstreckungsrichtung in einen Messraum erstreckt, welcher Messraum von einem das Gehäuse fortsetzenden ersten Schutzschild unter Belassen einer Durchtrittsöffnung für Messgas wenigstens teilweise begrenzt ist. Die Erfindung betrifft auch eine Brennkraftmaschine.
Ein Gassensorsystem dient der Messaufnahme bei einem Messgas in einem Messraum.
Ein eingangs genannter Sensor ist in DE 43 18 107 A1 offenbart. Ein Messelement dient regelmäßig im Rahmen des Aufbaus einer Brennkraftmaschine zur Messung einer Gaskonzentration in einem Abgas, beispielsweise um aus einem Messergebnis das sogenannte Lambda-Verhältnis von Verbrennungsluft zu Kraftstoff oder Verbrennungsluft zu Abgas für die weitere Verbrennung von Kraftstoff regeln zu können. Ein Sensor kann beispielsweise in Form einer Lambda-Sonde oder – zur Bestimmung eines NO_x-Anteils in einem Gas – in Form einer NO_x-Sonde realisiert sein. Auch sind Sensoren zur Konzentrationsbestimmung anderer Gase, z. B. NH₃, CO, HC, möglich und werden als Gassensoren bezeichnet. Ein Sensor des Gassensorsystems kann auch als Rußsensor zur Bestimmung von Ruß im Abgas vorgesehen sein.
Ein korrektes Lambda-Verhältnis oder eine NO_x-Konzentration oder sonstige oben genannten Konzentrationswerte, die maßgeblich durch einen Gassensor mitbestimmt werden, erweisen sich als wichtige Parameter zur Steuerung einer Verbrennung in einem Brennkraftmotor einer Brennkraftmaschine als auch zur Ermöglichung einer ausreichenden Abgasreinigung durch einen Katalysator. Weitere Anwendungen betreffen Temperatur-Sensoren, Gasmassensensoren oder Feuchtesensoren. Solche und andere Sensoren können als Teil des Gassensorsystems auf der Ladefluidseite (Luftansaugseite) und/oder Abgasseite oder in der Abgasrückführung einer Brennkraftmaschine angeordnet sein. Es hat sich gezeigt, dass Wassertropfen am Messelement, z. B. nach einem Kaltstart, ein Messergebnis mittels dem Sensor erheblich verfälschen oder sogar das Messelement schädigen können. Demzufolge sind unterschiedliche Maßnahmen ergriffen worden, um den eingangs genannten ersten Schutzschild unter Belassen einer Durchtrittsöffnung für Messgas geeignet auszubilden. Beispielsweise ist eine in DE 43 18 107 A1 beschriebene Durchtrittsöffnung für Messgas an einer einer Messgasströmung abgewandten Seite des ersten Schutzschildes angeordnet. Diese Maßnahme ist noch verbesserungswürdig.
Es hat sich gezeigt, dass ein erster Schutzschild der vorgenannten Art als Schutzmaßnahme gegebenenfalls wenige Öffnungen oder vergleichsweise klein gehaltene Öffnungen aufweist, um den Gasaustausch zwischen Sensorabschnitt und einer messgasführenden Strömung zu begrenzen, so dass der Sensorabschnitt vor direkten schädlichen Umgebungseinflüssen und insbesondere vor Niederschlag von Wasser oder Feuchtigkeit geschützt ist. Andererseits verlängert sich mit verstärkter Schutzmaßnahme, d. h. insbesondere mit zunehmender Einschränkung einer eingangs genannten Durchtrittsöffnung für Messgas, die Ansprechzeit des Sensorabschnitts. Zwar kann eine Beheizung des Sensorabschnitts unterstützend zur Verkürzung der Ansprechzeit dienen, insbesondere bei Kaltstart einer Brennkraftmaschine. Gleichwohl stellen bisher bekannte Maßnahmen regelmäßig einen noch verbesserungswürdigen Kompromiss zwischen Schutzwirkung für den Sensorabschnitt und Ansprechzeit des Sensorabschnitts dar.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Gassensorsystem und eine Brennkraftmaschine anzugeben, bei welcher ein verbesserter Schutz des Sensorabschnitts gegeben ist und dennoch eine Ansprechzeit des Sensorabschnitts des Messelements nicht oder kaum weiter eingeschränkt ist.
Die Aufgabe betreffend das Gassensorsystem wird mit einem Gassensorsystem der eingangs genannten Art gelöst, das erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch eine Oberflächenkontur sowie ein eine Barriere auf der Oberflächenkontur bildendes Schutzbauteil, das an die Oberflächenkontur anschließt. Weiter erfindungsgemäß weist das Schutzbauteil einen oder mehrere zweite Schutzschilde auf, wobei der wenigstens eine zweite Schutzschild in Abstand zum ersten Schutzschild versetzt angeordnet ist, wobei sich der Abstand in einer quer zur Erstreckungsrichtung verlaufenden Abstandsrichtung erstreckt. Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der zweite Schutzschild in der Erstreckungsrichtung vom ersten Schutzschild überragt wird. Besonders bevorzugt wird der zweite Schutzschild in der Erstreckungsrichtung vom Sensorabschnitt überragt. Der Sensor der Erfindung ist bevorzugt ein Gassensor.
Grundsätzlich kann das Schutzbauteil an eine sich in der Abstandsrichtung, insbesondere parallel zu derselben, erstreckende Oberflächenkontur anschließen. Das Schutzbauteil kann auch an eine sich in der Erstreckungsrichtung, insbesondere parallel zu derselben, erstreckende Oberflächenkontur anschließen. In allen Fällen bildet das Schutzbauteil – vorzugsweis mittels des Anschlusses an die Oberflächenkontur – eine Barriere auf der Oberflächenkontur. Das Schutzbauteil weist insbesondere ein geeignetes Barrierematerial auf. Das Barrierematerial kann, muss aber nicht, neben der Barrierewirkung eine zusätzliche funktionale Wirkung haben. Die Erfindung geht insbesondere von der Überlegung aus, dass sich ein Signal verfälschender Wasserniederschlag auf dem Sensorabschnitt nicht nur aufgrund von in einer Messgasströmung enthaltender Feuchtigkeit bilden kann. Vielmehr ist ganz allgemein davon auszugehen, dass sich Feuchtigkeit, insbesondere in Form von flüssigem Wasser, in einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Aufladesystem derselben, befindet. Die Erfindung hat erkannt, dass der größte Teil eines Wasserniederschlags als Film mit dem Messgasstrom entlang einer Wandung eines im Betriebsfall messgasenthaltenden Strömungsraums kriecht oder anderweitig migriert, so dass ein solcher Feuchtigkeitsfilm problemlos durch in die im ersten Schutzschild belassenen Durchtrittsöffnungen für Messgas gelangen kann und zu erheblichem signalverfälschenden Feuchtigkeitsniederschlag auf dem Sensorabschnitt führen kann.
Die Erfindung hat erkannt, dass durch Bilden einer baulichen Barriere, nämlich insbesondere mittels Anschluss des Schutzbauteils an der Oberflächenkontur des Gassensorsystems, eine Migration von Feuchtigkeit auf der Oberflächenkontur unterbunden wird, jedenfalls aber verzögert wird. Wie in Bezug auf die Weiterbildungen zum Konzept der Erfindung im Einzelnen erläutert, kann eine Feuchtigkeitsmigration durch die Barrierewirkung des Schutzbauteils nicht nur aufgehalten werden, sondern gegebenenfalls durch zusätzliche funktionale Wirkungen des Barrierematerials beseitigt werden, indem Feuchtigkeit beispielsweise absorbiert, adsorbiert, verflüchtigt oder verdampft wird.
Im Ergebnis wird eine weitere Erhöhung der Schutzwirkung erfindungsgemäß durch einen zweiten Schutzschild des Schutzbauteils erreicht, der in Abstand zum ersten Schutzschild versetzt angeordnet ist. Vorzugsweise erstreckt sich der Abstand in einer zu einer Messgasströmungsrichtung entgegengesetzt verlaufenden Abstandsrichtung. Mit anderen Worten ist der Schutzschild vorteilhafterweise in Abstand und – aus Messgasströmungsrichtung gesehen – vor dem ersten Schutzschild und vor dem Sensorabschnitt angeordnet. Dadurch wird insbesondere ein Feuchtigkeitseintrag auf den Sensorabschnitt unterbunden, der sich in der Nähe der Oberflächenkontur in einer Messgasströmung befindet. Eine Feuchtigkeit kann beispielsweise in Tropfenform oder als sonstiger Wasserschlag oder auch in Form eines Dampfanteils vorhanden sein.
Darüber hinaus wurde von der Erfindung erkannt, dass ein Ansprechverhalten durch die genannten Schutzmaßnahmen nicht unnötig eingeschränkt werden soll. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der zweite Schutzschild in der Erstreckungsrichtung vom ersten Schutzschild, insbesondere vom Sensorabschnitt, überragt wird. Mit anderen Worten ist eine in Erstreckungsrichtung, vorzugsweise von der Oberflächenkontur, gemessene Raghöhe H des ersten Schutzschilds – und insbesondere des Sensorabschnitts – größer als eine in Erstreckungsrichtung gemessene Raghöhe h des zweiten Schutzschilds. Die Differenz H – h ist vorzugsweise einem im Messraum befindlichen distalen Endabschnitt des Sensorabschnitts zugeordnet. Der distale Endabschnitt ist einer Messgasströmung besser zugänglich als der übrige Sensorabschnitt; konkret kann die Messgasströmung im Prinzip nur gehindert durch den ersten Schutzschild, nicht aber durch den zweiten Schutzschild, zum distalen Endabschnitt gelangen.
Generell ist das Konzept der Erfindung nicht beschränkt auf einen einzigen zweiten Schutzschild. Vielmehr erstreckt sich das Konzept der Erfindung auch auf eine Anzahl von gestaffelt in Abstand zum ersten Schutzschild versetzt angeordnete zweite Schutzschilde, wobei jeder weitere zweite Schutzschild sich in Abstand – und zwar in Abstand in einer quer zur Erstreckungsrichtung verlaufenden Abstandsrichtung – vorzugsweise vor einem anderen zweiten Schutzschild, angeordnet ist. Dem Konzept der Weiterbildung folgend wird jeder weitere so vorgeordnete zweite Schutzschild in der Erstreckungsrichtung nicht nur vom Sensorabschnitt und vom ersten Schutzschild, sondern bevorzugt auch von dem anderen zweiten Schutzschild überragt, welcher näher zum Sensorabschnitt angeordnet ist.
Der zweite und/oder erste Schutzschild weist bevorzugt eine Durchtrittsöffnung für Messgas auf, die in einem im Betriebsfall Messgas enthaltenden Strömungsraum angeordnet ist und die auf einer einer Messgasströmung abgewandten Seite des ersten und/oder zweiten Schutzschilds angeordnet ist. Es ist auch zu verstehen, dass der erste und/oder zweite Schutzschild in zweckmäßiger Weise eine Anzahl von unterschiedlich angeordneten und geeignet verteilten Durchtrittsöffnungen für Messgas aufweisen kann.
Das Konzept der Erfindung kann zur grundsätzlichen Vereinfachung sowohl des ersten Schutzschilds als auch des zweiten Schutzschilds genutzt werden. Während bisherige Maßnahmen sich in vergleichsweise komplizierten und aufwändigen Lösungen zur Realisierung eines ersten Schutzschilds erschöpfen, kann das Vorsehen des zweiten Schutzschilds dazu dienen, insbesondere einen ersten Schutzschild einfacher zu gestalten. Insbesondere kann eine den Sensorabschnitt unmittelbar umgebende bzw. den Messraum begrenzende aber vereinfachte Schutzkappe vorgesehen sein und dennoch ein Feuchtigkeitseintrag zum Sensorabschnitt erfolgreich vermieden sein. Durch einen vereinfachten ersten Schutzschild kann die Ansprechzeit im Vergleich zu üblichen komplexen Schutzschilden verkürzt werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie sie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
In einer ersten weiterbildenden bevorzugten Variante der Erfindung ist das Schutzbauteil am Gehäuse des Sensors, insbesondere Gassensors, angebracht. Das Schutzbauteil lässt sich so auf besonders einfache Weise zusammen mit dem Gassensor als eine gegebenenfalls assemblierbare kompakte Anordnung realisieren. Vorzugsweise weist das Gehäuse ein Befestigungsmittel auf, beispielsweise eine Schraubverbindung oder dergleichen, das zur Befestigung des Gehäuses an einer Wandung eines im Betriebsfall messgasenthaltenden Strömungsraumes ausgebildet ist. Der messgasenthaltende Strömungsraum kann beispielsweise ein Rohr oder dergleichen geeignete Gasführung, beispielsweise eines abgasseitigen oder ladefluidseitigen Aufladesystems einer Brennkraftmaschine sein. Besonders bevorzugt ist das Schutzbauteil am Befestigungsmittel und/oder am ersten Schutzschild angebracht. Beispielsweise kann das Schutzbauteil besonders vorteilhaft zwischen dem Befestigungsmittel und dem ersten Schutzschild angebracht sein – durch diese Maßnahme hat sich das Schutzbauteil als besonders leicht assemblierbar erwiesen.
In einer besonders bevorzugten zweiten weiterbildenden Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Schutzbauteil separat vom Gehäuse des Sensors, insbesondere Gassensors, angeordnet ist. Mit anderen Worten kann das Schutzbauteil getrennt vom Sensor vorgesehen sein, beispielsweise an einer Innenwandung einer vorgenannten Gasführung. Gemäß einer besonders bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante ist vorgesehen, dass das Schutzbauteil an der Wandung des im Betriebsfall messgasenthaltenden Strömungsraums angebracht ist.
Eine Oberflächenkontur des Gassensorsystems umfasst insofern eine Oberflächenkontur eines Gehäuses des Sensors und/oder eine Oberflächenkontur einer Wandung des im Betriebsfall Messgas enthaltenden Strömungsraums. Das Schutzbauteil kann an der Oberflächenkontur durch eine fügende oder mechanische Verbindung befestigt sein. Geeignete Verbindungen können fügende Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schweißverbindung, Lötverbindung, Klebeverbindung oder dergleichen sein. Geeignete mechanische Verbindungen können Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schraubverbindung oder Klemmverbindung sein.
Gemäß einer bereits oben erwähnten Weiterbildung hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass das Schutzbauteil ein Feuchtigkeits-Migration verzögerndes und/oder Feuchtigkeits-Absorption/Adsorption und/oder -Verflüchtigung unterstützendes Barrierematerial aufweist. Mit anderen Worten kann das Barrierematerial derart ausgebildet sein, dass Feuchtigkeitsmigration verzögert wird. Dies kann durch eine Wegverlängerung auf der Oberflächenkontur erfolgen, so dass eine Migration von Feuchtigkeit einen größeren Weg zum Sensorabschnitt zurücklegen müsste als dies der direkte Abstand zum ersten Schutzschild vorsähe. Es können darüber hinaus mittels des Barrierematerials auch funktionelle Maßnahmen zur Feuchtigkeitsbeseitigung vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Barrierematerial Feuchtigkeit aufnehmen (absorbieren und/oder adsorbieren). Das Barrierematerial kann auch zur Verflüchtigung bzw. Verdampfung von Feuchtigkeit ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Barrierematerial beheizt sein oder eine oberflächenvergrößernde Maßnahme aufweisen. Insbesondere haben sich diese Maßnahmen beim zweiten Schutzschild des Schutzbauteils als geeignet erwiesen, können aber auch am ersten Schutzschild vorgesehen sein. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ein entsprechend vorteilhaft ausgebildetes Barrierematerial im Grenzbereich zwischen der Oberfächenkontur und dem zweiten Schutzschild vorzusehen. Grundsätzlich kann das Barrierematerial ein poröses gewebeenthaltendes oder auch massives Barrierematerial sein. Als geeignet hat sich beispielsweise ein metallisches, keramisches und/oder kunststoffhaltiges Barrierematerial erwiesen. Darüber hinaus sind Barrierematerialien unterschiedlicher Beschaffenheit geeignet, wie beispielsweise auch Verbundmaterialien oder dergleichen.
Die geometrische Ausbildung des zweiten Schutzschilds und des ersten Schutzschilds kann zur Erhöhung der Barrierewirkung vorteilhaft gewählt werden. Als besonders vorteilhaft hat sich ein zweiter Schutzschild erwiesen, der den ersten Schutzschild ringförmig umgibt. In einer Abwandlung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der zweite Schutzschild den ersten Schutzschild ringsegmentförmig umgibt. Der zweite Schutzschild kann eine gerade und/oder gekrümmte Anströmfläche aufweisen. Beispielsweise kann eine Anströmfläche zum Messelement hin gekrümmt sein. Eine Anströmfläche kann auch vom Messelement weggekrümmt sein. Selbstverständlich kann auch eine Kombination von Krümmungen vorgesehen sein. Es können auch mehrere ringsegmentförmige zweite Schutzschilde vorgesehen sein.
Das Konzept der Erfindung führt auch auf eine Brennkraftmaschine mit einem Brennkraftmotor mit einer Abgasseite und einer Ladefluidseite und einem Aufladesystem aufweisend einen Abgasturbolader und eine Abgasrückführung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Gassensorsystem gemäß dem Konzept der Erfindung auf der Abgasseite und/oder Ladefluidseite angeordnet ist.
Bei dieser Anordnung des Gassensorsystems hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dieses in einer gasführenden Leitung, beispielsweise einer Rohrleitung oder dergleichen, eines Abgasturboladers oder einer Abgasrückführung – gegebenenfalls auch in einem Abgas- und Ladeluft-Mischer oder in Motornähe in einem Ladefluidkrümmer oder dergleichen – vorzusehen. Das Gassensorsystem dient mit einem Gassensor – beispielsweise als Lambda-Sonde oder als NO_x-Sonde zur Bestimmung eines Luftanteils in einem Ladefluid-Gemisch aus Ladeluft und Abgas. Selbstverständlich kann das Gassensorsystem auch in einer Abgasrückführung vorgesehen sein. Selbst bei kaltem Motorstart und der Gefahr von flüssigem Wasser in der Abgasrückführung können dennoch Sensorschäden durch Wasserschlag zuverlässig vermieden werden. So kann bei einer ladefluidseitigen Anordnung des Gassensorsystems selbst flüssiges oder eventuell salzhaltiges Wasser kaum Sensorschäden verursachen können, da das Konzept der Erfindung einen Sensorabschnitt des Sensors zuverlässig vor Wasserschlag schützt. Gemäß dem Konzept der Erfindung ist sowohl Feuchtigkeit in einer Messgasströmung als auch an einer Wandung einer Messgasleitung daran gehindert, einen Wassereintrag auf dem Sensorabschnitt zu verursachen. Vielmehr ist der Sensorabschnitt gemäß dem Konzept der Erfindung zuverlässig vor Feuchtigkeitseintrag geschützt und zudem geeignet vergleichsweise schnell betriebsbereit. So können Motorkaltstart, Signalfreigabeprozeduren oder dergleichen zur Feststellung einer Taupunktüberschreitung und/oder Sensoraufheizstrategien bei einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine erfolgreich verkürzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
1 ein Gassensorsystem mit einem Gassensor und einer Oberflächenkontur einer Wandung eines im Betriebsfall Messgas enthaltenden Strömungsraumes, wobei gemäß einer ersten Ausführungsform das Schutzbauteil separat vom Gehäuse des Gassensors angeordnet ist;
2 eine hinsichtlich der geometrischen Form des zweiten Schutzschilds der ersten Ausführungsform abgewandelte zweite Ausführungsform;
3 ein Gassensorsystem mit einem Gassensor und einer Oberflächenkontur einer Wandung eines im Betriebsfall Messgas enthaltenden Strömungsraumes, wobei gemäß einer dritten Ausführungsform das Schutzbauteil am Gehäuse angeordnet ist.
Das Konzept der Erfindung ist grundsätzlich unabhängig vom Messprinzip und von der Art des im Gassensorsystems verwendeten Sensors. Ein Gassensorsystem mit einem Sensor in Form eines Gassensors hat sich darüber hinaus als besonders vorteilhaft erwiesen. Die folgenden Ausführungsformen beschreiben ein Gassensorsystem beispielshaft mit einem Gassensor.
Ein beispielhafter Gassensor 100, 200, 300 kann ein keramisches Messelement aufweisen, das in der Lage ist, eine oben erläuterte Gaseigenschaft zu messen. Beispielsweise kann das keramische Messelement mittels einer Konzentrationszelle (Nernstzelle) bevorzugt auf Basis einer Yttrium-dotierten Zirkoniumdioxidkeramik realisiert sein. Das keramische Messelement kann auch mit einer Widerstandszelle (Arrhenius-Zelle) beispielsweise mit einer halbleitenden Titandioxidkeramik realisiert sein. Das Messergebnis ergibt sich je nach Messprinzip als Folge einer Sauerstoffionenleitung oder Sauerstofffehlstellenbesetzung in der Keramik. Je nach Messprinzip kann ein Konzentrationsunterschied zwischen Referenzgas und Messgas (Nernstzelle) oder eine Leitfähigkeit zwischen einem Referenzgasraum und einem Messgasraum (Arrhenius-Zelle) gemessen werden – dies jeweils im keramischen Messelement mit einer Nernstzelle bzw. Arrhenius-Zelle. Das Messelement wird dazu regelmäßig beheizt, um die Eigenschaft des Keramikmaterials für die keramische Messzelle entsprechend einzustellen.
1 zeigt ein Gassensorsystem 100 beispielhaft mit einem Gassensor 10 und einer gegebenenfalls Feuchtigkeits- bzw. Flüssigkeitsmigration 1 aufweisenden Oberflächenkontur 20 und ein Schutzbauteil 30, das dem Konzept der Erfindung folgend auf der Oberflächenkontur 20 eine Barriere gegen die Feuchtigkeits- bzw. Flüssigkeitsmigration 1 bildet. Dazu ist das Schutzbauteil 30 an einer Anschlussstelle 21 an die Oberflächenkontur 20 angefügt oder geeignet angebracht und weist einen ringförmig ausgebildeten zweiten Schutzschild 31 auf, welcher eine Schutzkappe 40 des Gassensors 10 ringförmig umgibt. Das Schutzbauteil 30 ist einer zweiten Variante der Erfindung folgend separat vom Gassensor 10 angeordnet.
Der erste Schutzschild 41 ist vorliegend als Teil der Schutzkappe 40 gebildet und begrenzt unter Belassen einer Durchtrittsöffnung 42 wenigstens teilweise einen Messraum 43 für das Messgas M. In den Messraum 43 erstreckt sich in einer Erstreckungsrichtung ER ein Sensorabschnitt 11 eines nicht näher bezeichneten Messelements, z. B. mit einem Sensor der oben genannten Art, des Gassensors 10. Das Messelement ist im Gehäuse 12 des Gassensors 10 untergebracht.
Der zweite Schutzschild 31 ist, wie erläutert, in Abstand A zum ersten Schutzschild 41 versetzt angeordnet, wobei sich der Abstand A in einer quer zur Erstreckungsrichtung ER verlaufenden Abstandsrichtung AR erstreckt. Der Abstand A ist so gewählt, dass eine Feuchtigkeits- bzw. Flüssigkeitsmigration 1 in ausreichendem Abstand vor dem ersten Schutzschild 41 mittels der bei der Anschlussstelle 21 vorgesehenen Barriere gehemmt wird. Andererseits ist der Abstand A in einer geeigneten Weise gewählt, so dass der zweite Schutzschild 31 sich im Wesentlichen im Bereich des Bauraumbedarfs des Gassensors 10 befindet. Also geht ein Raumbedarf des Gassensorsystems 100 mit zweitem Schutzschild 31 nicht wesentlich über den Bauraumbedarf des Gassensors 10 als solchen hinaus. Selbstverständlich reicht gegebenenfalls auch ein Abstand A, der so gewählt ist, dass der zweite Schutzschild 31 vollständig innerhalb des Bauraumbedarfs des Gassensors 10 untergebracht.
Darüber hinaus überragt vorliegend sowohl der erste Schutzschild 41 als auch der Sensorabschnitt 11 in der Erstreckungsrichtung ER den zweiten Schutzschild 31. Der zweite Schutzschild 31 weist eine Erstreckungshöhe h gemessen von der Oberflächenkontur 20 auf und der Sensorabschnitt 11 weist eine Erstreckungshöhe H gemessen von der Oberflächenkontur 20 auf. Grundsätzlich ist auch eine hier nicht gezeigte Ausführungsform denkbar, bei welcher der zweite Schutzschild 31 zwar den Sensorabschnitt 11 überragt, jedoch nicht den ersten Schutzschild 41. Mit anderen Worten ist gemäß dem aus der Zeichnung hervorgehenden Konzept einer gestaffelten Anordnung eines ersten Schutzschilds 41 und eines zweiten Schutzschilds 31 in einer Strömungsrichtung des Messgases M vor dem Sensorelement 11 eine Erstreckungshöhe h, H eines Schutzschildes 31, 41 umso größer, je näher ein Schutzschild 31, 41 am Messelement angeordnet ist.
Der Gassensor 10 ist vorliegend mit einem Befestigungsmittel 13 in Form eines nicht näher dargestellten Gewindes in der Wandung eines Messgas M führenden Strömungsraumes angebracht. Die Wandung 22 weist auf der dem Strömungsraum zugewandten Seite die Oberflächenkontur 20 auf. Die in 1 dargestellte erste Ausführungsform eines Gassensorsystems bietet gemäß dem Konzept der Erfindung einen besonders guten Schutz des Sensorabschnitts 11 gegen Wasserschlag sowohl aus einer Strömung von Messgas M – vor allem aufgrund des ersten Schutzschildes 41 – als auch aus einer Feuchtigkeitsmigration bzw. Flüssigkeitsmigration 1. Vorliegend schützt der zweite Schutzschild nur sekundär vor im Gas gelöstem Wasserdampf o. ä., d. h. Feuchte, jedoch primär vor flüssigem, migrierendem Wasser in Form von Tröpfchen oder einem Film. Demzufolge ist ein vom Gassensor 10 geliefertes Messsignal S nahezu unverfälscht durch Feuchtigkeitseintrag bzw. Flüssigkeitseintrag am Sensorabschnitt 11 und dieser ist vor Beschädigung durch Wasserschlag geschützt. Andererseits ist die Ansprechzeit des Gassensors 10 durch den zweiten Schutzschild 31 jedenfalls nicht verlängert, da die Erstreckungshöhe h des zweiten Schutzschilds 31 unterhalb der Erstreckungshöhe H des Sensorabschnitts 11 und erst recht unterhalb der Erstreckungshöhe des ersten Schutzschilds 41 liegt.
Das Schutzbauteil 30 ist vorliegend massiv metallisch ausgeführt und entfaltet bereits aufgrund seiner ringförmigen geometrischen Form und dem fügenden Anschluss an der Anschlussstelle 21 eine ausreichende Barrierewirkung gegen Feuchtigkeitsmigration 1.
2 zeigt eine zur ersten Ausführungsform abgewandelte zweite Ausführungsform eines Gassensorsystems 200, bei dem der Einfachheit halber und wo zweckmäßig für identische oder ähnliche Teile oder Teile identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform eines Gassensorsystems 100 ist die zweite Ausführungsform des Gassensorsystems 200 mit einem Schutzbauteil 30' versehen, das vorliegend als ebener zweiter Schutzschild 31' an der Anschlussstelle 21 an die Oberflächenkontur 20 angeklebt ist. Diese Ausführung des Gassensorsystems 200 erweist sich als vergleichsweise einfach und kostengünstig und dennoch wirkungsvoll in seiner Wirkung gegen Feuchtigkeitsmigration 1. Dazu wird hinsichtlich der Wirkung des Schutzbauteils 30' mit zweitem Schutzschild 31' grundsätzlich auf die Beschreibung der 1 verwiesen. In 2 nicht erkennbar jedoch vorgesehen werden, kann in einer Abwandlung eine ringsegmentförmige Ausführung des zweiten Schutzschilds 31' in Abweichung von der in 2 gezeigten, ebenen Form. Unter einem Ringsegment kann ein einziges aus Strömungsrichtung des Messgases M gesehen vor dem ersten Schutzschild 41 angeordnetes Ringsegment verstanden werden, das den ersten Schutzschild 41 nur teilweise umgibt. Es können jedoch auch eine Anzahl von ringsegmentartigen Schutzbauteilen, beispielsweise zwei, drei oder vier, usw. vorgesehen sein. Diese müssen nicht gleich verteilt um den ersten Schutzschild 41 bzw. die Schutzkappe 40 angeordnet sein, sondern können sich ganz allgemein auf einer Seite der Schutzkappe 40 verdichten, die – aus Richtung einer Strömung des Messgases M gesehen – vor dem ersten Schutzschild 41 liegt. Mit anderen Worten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenigstens einen zweiten Schutzschild 31' in Abstand A zum ersten Schutzschild 41 versetzt anzuordnen, wobei sich der Abstand A einer quer zur Erstreckungsrichtung ER verlaufenden Abstandsrichtung AR erstreckt, und die Abstandsrichtung AR entgegen der Strömungsrichtung des Messgases M verläuft.
Vorliegend ist der in 2 gezeigte zweite Schutzschild 31' aus einem porösen, nämlich keramischen Barrierematerial gebildet, welches feuchtigkeitsadsorbierend und/oder feuchtigkeitsabsorbierend wirkt. Außerdem wird durch Anströmung des zweiten Schutzschildes 31' mit Messgas M erreicht, das durch das zweite Schutzschild 31' aufgenommene Feuchtigkeit – verstärkt durch oberflächenvergrößernde Poren – verflüchtigt und/oder verdampft wird. In einer vergleichsweise vereinfachten jedoch ebenso wirkungsvollen Abwandlung kann der zweite Schutzschild 31' aus einem gewebeenthaltenden Barrierematerial gebildet sein, das – ähnlich wie ein keramisches Material – eine vergleichsweise große Oberfläche bietet und so besonders gut zur Adsorption und/oder Absorption von Feuchtigkeit geeignet ist.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines Gassensorsystems 300, bei dem wiederum für identische oder ähnliche Teile oder Teile identischer oder ähnliche Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Ähnlich wie bei 1 ist das Gassensorsystem 300 vorliegend mit einem ringförmigen Schutzbauteil 30'' versehen, wobei ein zweiter Schutzschild 31'' den ersten Schutzschild 41 bzw. die Schutzkappe 40 ringförmig umgibt. Der ersten weiterbildenden Variante der Erfindung folgend ist das Schutzbauteil 30'' im Unterschied zum Gassensorsystem 100 der 1 nicht separat vom Gassensor 10 angeordnet, sondern vielmehr am Gehäuse 12 – nämlich konkret an einem Befestigungsmittel 13 – angebracht, z. B. unter Verschraubung von Gehäuse 12 und Wandung 22 mit dem Befestigungsmittel 13 eingeklemmt. Das Befestigungsmittel 13 erfüllt somit in besonders vorteilhafter Weise zwei Funktionen. Zum einen legt das Befestigungsmittel 13 das Gehäuse 12 an einer Wandung 22 eines Messgas enthaltenden Strömungsraums fest. Zum anderen dient das Befestigungsmittel 13 zur Aufnahme des Schutzbauteils 30''. Im Übrigen wird hinsichtlich der Wirkung des Schutzbauteils 30'' auf die Beschreibung der 1 verwiesen. Vorteilhaft ist vorliegend eine Anschlussstelle 21 an der Oberflächenkontur 20 nunmehr am Befestigungsmittel 13, d. h. auf einer Oberfläche des Befestigungsmittels 13 realisiert. So ergibt sich ein, wenn auch geringer Spaltraum SR, der als eine Art Stauraum für Feuchtigkeit oder Flüssigkeit dienen kann und so zusätzlich hemmend gegen eine Feuchtigkeits- bzw. Flüssigkeitsmigration 1 wirkt.
Das Schutzbauteil 30'' ist als ein vergleichsweise einfach und preisgünstig darstellbares Kunststoffteil. Der Kunststoff des Schutzbauteils 30'' kann gegebenenfalls mit zusätzlich adsorbierenden oder absorbierenden Mitteln versehen sein, um in der in Bezug auf 2 erläuterten, zusätzlich funktionellen Weise zur Aufnahme von Feuchtigkeit und damit zur Beseitigung einer Feuchtigkeits- bzw. Flüssigkeitsmigration 1 zu dienen. Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Gassensorsystem 100, 200, 300 aufweisend:

– einen Sensor, insbesondere Gassensor 10, mit einem Messelement und einem Gehäuse 12, wobei sich ein Sensorabschnitt 11 des Messelements in einer Erstreckungsrichtung ER in einen Messraum 43 erstreckt, welcher Messraum 43 von einem das Gehäuse 12 fortsetzenden ersten Schutzschild 41 unter Belassen einer Durchtrittsöffnung 42 für Messgas M wenigstens teilweise begrenzt ist. Erfindungsgemäß 1st vorgesehen, dass das Gassensorsystem 100, 200, 300 weiter
– eine Oberflächenkontur 20,
– ein eine Barriere auf der Oberflächenkontur 20 bildendes Schutzbauteil 30, 30', 30'', das an die Oberflächenkontur 20 anschließt und einen zweiten Schutzschild 31, 31', 31'' aufweist, der
– in Abstand A zum ersten Schutzschild 41 versetzt angeordnet ist, wobei sich der Abstand A in einer quer zur Erstreckungsrichtung ER verlaufenden Abstandsrichtung AR erstreckt, und der
– in der Erstreckungsrichtung ER vom ersten Schutzschild 41, insbesondere vom Sensorabschnitt 11, überragt wird.

Bezugszeichenliste

1: Feuchtigkeits- bzw. Flüssigkeitsmigration
10: Gassensor
11: Sensorabschnitt
12: Gehäuse
13: Befestigungsmittel
20: Oberflächenkontur
21, 21': Anschlussstelle
22: Wandung
30, 30', 30'': Schutzbauteil
31, 31', 31'': zweiter Schutzschild
40: Schutzkappe
41: erster Schutzschild
42: Durchtrittsöffnung
43: Messraum
100, 200, 300: Gassensorsystem
A: Abstand
AR: Abstandsrichtung
ER: Erstreckungsrichtung
h: Erstreckungshöhe (gemessen von der Oberflächenkontur 20 und dem Sensorabschnitt 11)
H: Erstreckungshöhe (gemessen von der Oberflächenkontur 20)
M: Messgas
R: Strömungsraum
S: Messsignal
SR: Spaltraum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4318107 A1 [0003, 0004]

Claims

Gassensorsystem (100, 200, 300) aufweisend: – einen Sensor, insbesondere Gassensor (10), mit einem Messelement und einem Gehäuse (12), wobei sich ein Sensorabschnitt (11) des Messelements in einer Erstreckungsrichtung (ER) in einen Messraum (43) erstreckt, welcher Messraum (43) von einem das Gehäuse (12) fortsetzenden ersten Schutzschild (41) unter Belassen einer Durchtrittsöffnung (42) für Messgas (M) wenigstens teilweise begrenzt ist, weiter gekennzeichnet durch – eine Oberflächenkontur (20), – ein eine Barriere auf der Oberflächenkontur (20) bildendes Schutzbauteil (30, 30', 30''), das an die Oberflächenkontur (20) anschließt und einen zweiten Schutzschild (31, 31', 31'') aufweist, der – in Abstand (A) zum ersten Schutzschild (41) versetzt angeordnet ist, wobei sich der Abstand (A) in einer quer zur Erstreckungsrichtung (ER) verlaufenden Abstandsrichtung (AR) erstreckt, und der – in der Erstreckungsrichtung (ER) vom ersten Schutzschild (41), insbesondere vom Sensorabschnitt (11), überragt wird.
Gassensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzbauteil (30'') am Gehäuse (12) angebracht ist.
Gassensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) ein Befestigungsmittel (13) aufweist, das zur Befestigung des Gehäuses (12) an einer Wandung (22) eines im Betriebsfall Messgas (M) enthaltenden Strömungsraumes (R) ausgebildet ist.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzbauteil (30'') an einem Befestigungsmittel (13) und/oder am ersten Schutzschild (41) anschließt.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzbauteil (30, 30') separat vom Gehäuse (12) an die Oberflächenkontur (20) anschließt.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzbauteil (30, 30') an der Oberflächenkontur (20) der Wandung (22) des im Betriebsfall Messgas (M) enthaltenden Strömungsraumes (R) anschließt.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzbauteil (30, 30', 30''), insbesondere der zweite Schutzschild (31, 31', 31''), ein Barrierematerial aufweist, das Feuchtigkeitsmigration (1) verzögert und/oder Feuchtigkeits-Absorption, -Adsorption und/oder -Verflüchtigung unterstützt.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzbauteil (30, 30', 30''), insbesondere der zweite Schutzschild (31, 31', 31''), ein Barrierematerial aufweist, das porös, gewebeenthaltend oder massiv ist.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzbauteil (30, 30', 30''), insbesondere der zweite Schutzschild (31, 31', 31''), ein Barrierematerial aufweist, das metallisch, keramisch und/oder kunststoffhaltig ist.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzbauteil (31, 31', 31''), insbesondere der zweite Schutzschild (31, 31', 31''), insbesondere ein Barrierematerial, beheizt ist.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Schutzschild (31, 31', 31'') den ersten Schutzschild (41) ringförmig oder ringsegmentförmig umgibt.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite (31, 31', 31'') und/oder erste Schutzschild (41) eine Durchtrittsöffnung (42) für Messgas (M) aufweist, insbesondere eine Durchtrittsöffnung (42) für Messgas (M) eines im Betriebsfall Messgas (M) enthaltenden Strömungsraumes (R), die auf einer einer Messgasströmung abgewandten Seite des ersten (41) und/oder zweiten Schutzschilds (31, 31', 31'') angeordnet ist.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (41) und/oder zweite Schutzschild (31, 31', 31'') eine ebene und/oder gekrümmte Anströmfläche aufweist, insbesondere eine zum Messelement hin und/oder vom Messelement weg gekrümmte Anströmfläche.
Gassensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzbauteil (30, 30', 30'') an der Oberflächenkontur (20) durch eine fügende oder mechanische Verbindung angeschlossen ist, insbesondere durch eine oder mehrere der Verbindungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Schweißverbindung, Lötverbindung, Klebeverbindung, Schraubverbindung, Klemmverbindung.
Brennkraftmaschine mit einem Brennkraftmotor mit einer Abgasseite und einer Ladefluidseite und einem Aufladesystem aufweisend einen Abgasturbolader und eine Abgasrückführung, dadurch gekennzeichnet, dass das Gassensorsystem (100, 200, 300) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auf der Abgasseite und/oder der Ladefluidseite angeordnet ist.