DE102012017076A1 - Exhaust gas sensor for measuring e.g. temperature of exhaust gas from exhaust system of motor vehicle, has passage opening that includes flow cross-section area which is tapered towards thermocouple - Google Patents

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Abstract

The exhaust gas sensor (10) has a thermocouple (14) which is surrounded by a steel protective sheath (16). The protective sheath is provided with a passage opening (24) over which the exhaust gas is passed. The passage opening includes a flow cross-section area which is tapered towards the thermocouple. An air gap (20) is formed between the thermocouple and protective sheath.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgassensor zum Erfassen wenigstens einer das Abgas betreffenden Messgröße. Der Abgassensor umfasst ein Messelement und eine das Messelement umgebende Schutzhülle. Die Schutzhülle weist wenigstens eine Durchtrittsöffnung auf, über welche das Abgas mit dem Messelement in Kontakt gelangen kann.The invention relates to an exhaust gas sensor for detecting at least one measured variable concerning the exhaust gas. The exhaust gas sensor comprises a measuring element and a protective casing surrounding the measuring element. The protective cover has at least one passage opening, via which the exhaust gas can come into contact with the measuring element.

Abgassensoren für Kraftfahrzeuge werden unter anderem im Abgaskrümmer verbaut, also stromaufwärts eines Abgasturboladers, wenn ein solcher in der Abgasanlage vorgesehen ist. Ein solcher Abgassensor ist besonders hohen Temperaturen ausgesetzt, welche um die 900°C betragen können. Zudem können an derartigen Stellen der Abgasanlage besonders hohe Temperaturgradienten auftreten, die ebenfalls zu einer starken Belastung des Abgassensors führen. Ein Temperaturgradient im Bereich eines im Abgaskrümmer verbauten Abgassensors kann beispielsweise bei 700 K/s liegen. Insbesondere aufgrund der hohen Temperaturgradienten können Spannungen im Abgassensor auftreten, welche zu einem Versagen des Bauteils führen können.Exhaust gas sensors for motor vehicles are installed, inter alia, in the exhaust manifold, ie upstream of an exhaust gas turbocharger, if such is provided in the exhaust system. Such an exhaust gas sensor is exposed to particularly high temperatures, which may be around 900 ° C. In addition, particularly high temperature gradients can occur at such points of the exhaust system, which also lead to a heavy load on the exhaust gas sensor. A temperature gradient in the region of an exhaust gas sensor installed in the exhaust manifold may for example be 700 K / s. In particular due to the high temperature gradients, stresses can occur in the exhaust gas sensor, which can lead to a failure of the component.

Aus dem Stand der Technik ist ein Abgassensor zum Erfassen einer Temperatur des Abgases bekannt, bei welchem ein Messelement in einer Schutzhülle aus hochtemperaturfestem Stahl angeordnet ist, wobei die Schutzhülle Durchtrittsöffnungen für das Abgas aufweist.From the prior art, an exhaust gas sensor for detecting a temperature of the exhaust gas is known, in which a measuring element is arranged in a protective cover made of high temperature resistant steel, wherein the protective cover has passage openings for the exhaust gas.

Des Weiteren beschreibt die EP 2 009 435 A1 einen Sauerstoffsensor für eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine, wobei der Sauerstoffsensor eine elektrisch beheizbare Schutzhülle aufweist, welche ein Messelement umgibt. In der Schutzhülle sind Durchtrittsöffnungen ausgebildet, über welche das Abgas in Kontakt mit dem Messelement gelangen kann. In den Durchtrittsöffnungen können Filter angeordnet sein, wobei das Beheizen der Schutzhülle durch ein elektrisches Beheizen der Filter erfolgen kann.Furthermore, the describes EP 2 009 435 A1 an oxygen sensor for an exhaust system of an internal combustion engine, wherein the oxygen sensor comprises an electrically heatable protective cover which surrounds a measuring element. In the protective cover passage openings are formed, via which the exhaust gas can come into contact with the measuring element. In the passages filter can be arranged, wherein the heating of the protective cover can be done by an electrical heating of the filter.

Als nachteilig ist bei derartigen Abgassensoren der Umstand anzusehen, dass diese eine für manche Anwendungen unbefriedigende Ansprechzeit aufweisen.A disadvantage in such exhaust gas sensors is the fact that they have an unsatisfactory response time for some applications.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Abgassensor der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher besonders robust ist und zugleich eine besonders geringe Ansprechzeit aufweist.Object of the present invention is therefore to provide an exhaust gas sensor of the type mentioned, which is particularly robust and at the same time has a particularly low response time.

Diese Aufgabe wird durch einen Abgassensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by an exhaust gas sensor having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Abgassensor weist die wenigstens eine Durchtrittsöffnung einen sich zu dem Messelement hin verringernden durchströmbaren Querschnitt auf. Durch die Verringerung des durchströmbaren Querschnitts wird im Betrieb des Abgassensors eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des zu dem Messelement hin strömenden Abgases erreicht. Dieser Venturi-Effekt, welcher gemäß Bernoulli bei erhöhter Geschwindigkeit des Abgases mit einem Druckabfall einhergeht, führt zu einem besonders raschen Ansprechen des Messelements. Zugleich sorgt die Schutzhülle für einen thermischen Schutz des Messelements, so dass die im Abgas auftretenden hohen Temperaturgradienten sich nicht oder zumindest in erheblich verringertem Maße ungünstig auf die Funktionstüchtigkeit des Abgassensors auswirken. Somit ist ein besonders robuster Abgassensor mit einer besonders geringen Ansprechzeit geschaffen.In the case of the exhaust-gas sensor according to the invention, the at least one through-opening has a flow-through cross section which reduces toward the measuring element. By reducing the flow-through cross section, an increase in the flow velocity of the exhaust gas flowing toward the measuring element is achieved during operation of the exhaust gas sensor. This Venturi effect, which, according to Bernoulli, is accompanied by a drop in pressure with increased velocity of the exhaust gas, leads to a particularly rapid response of the measuring element. At the same time, the protective cover ensures thermal protection of the measuring element, so that the high temperature gradients occurring in the exhaust gas do not or at least to a significantly reduced extent have an unfavorable effect on the functionality of the exhaust gas sensor. Thus, a particularly robust exhaust gas sensor is created with a particularly low response time.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schutzhülle als Schutzrohr ausgebildet, wobei zwischen einer Wand des Schutzrohres und dem Messelement ein Luftspalt ausgebildet ist. Ein solcher Luftspalt sorgt in besonders einfacher und effizienter Weise für ein thermisches Isolieren des Messelements. Dies gilt insbesondere, wenn der Luftspalt das Messelement umfangsseitig umlaufend umgibt.In an advantageous embodiment of the invention, the protective cover is designed as a protective tube, wherein an air gap is formed between a wall of the protective tube and the measuring element. Such an air gap ensures in a particularly simple and efficient manner for a thermal insulation of the measuring element. This is especially true when the air gap surrounding the measuring element peripherally circumferentially.

Bevorzugt ist hierbei die wenigstens eine Durchtrittsöffnung als durch die Wand gebildeter Strömungskanal ausgebildet, dessen Länge größer ist als eine Wandstärke der Wand. Durch einen solchen Strömungskanal lässt sich der durch diesen strömende Abgasstrom besonders gut auf das Messelement fokussieren, und es ist eine besonders große Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases erreichbar.In this case, the at least one passage opening is preferably designed as a flow channel formed by the wall, the length of which is greater than a wall thickness of the wall. By means of such a flow channel, the exhaust gas flow flowing through it can be focused particularly well on the measuring element, and a particularly large increase in the flow velocity of the exhaust gas can be achieved.

Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die wenigstens eine Durchtrittsöffnung im Bereich einer Messspitze des Messelements angeordnet ist. Da der Abgassensor nämlich üblicherweise in eine Abgasleitung hineinragt, liegen im Bereich der Messspitze vergleichsweise große Strömungsgeschwindigkeiten des Abgases vor. Wird eine solche große Strömungsgeschwindigkeit durch die düsenartige Gestaltung der Durchtrittsöffnung weiter erhöht, so ist dies der geringen Ansprechzeit des Abgassensors zuträglich.As a further advantage, it has been shown that the at least one passage opening is arranged in the region of a measuring tip of the measuring element. Since the exhaust gas sensor usually protrudes into an exhaust pipe, comparatively large flow velocities of the exhaust gas are present in the region of the measuring tip. If such a large flow velocity is further increased by the nozzle-like design of the passage opening, this is conducive to the low response time of the exhaust gas sensor.

Eine besonders große Robustheit ist dem Abgassensor verliehen, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Schutzhülle aus einem Stahl gebildet ist.A particularly great robustness is imparted to the exhaust gas sensor if, according to a further advantageous embodiment of the invention, the protective cover is formed from a steel.

Das Messelement kann insbesondere zum Erfassen einer Temperatur des Abgases ausgebildet sein. The measuring element can be designed in particular for detecting a temperature of the exhaust gas.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the figure description and / or shown alone in the figure can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawing.

Diese zeigt in einer schematisierten Schnittansicht einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur von Abgas, bei welchem ein Thermoelement von einem Schutzrohr umgeben ist, wobei eine Durchtrittsöffnung in dem Schutzrohr einen sich zu dem Thermoelement hin verringernden durchströmbaren Querschnitt aufweist.This shows a schematic sectional view of a temperature sensor for detecting a temperature of exhaust gas, in which a thermocouple is surrounded by a protective tube, wherein a passage opening in the protective tube has a decreasing towards the thermocouple through-flow cross-section.

Ein in der Figur gezeigter Abgassensor ist als Temperatursensor 10 ist zum Erfassen einer Temperatur von durch eine Abgasleitung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs strömendem Abgas 12 ausgebildet. Der Temperatursensor 10 umfasst als Messelement ein Thermoelement 14, und das Thermoelement 14 ist außenumfangsseitig von einem Schutzrohr 16 umgeben. Zwischen einer Wand 18 des Schutzrohrs 16 und dem Thermoelement 14 befindet sich ein isolierender Luftspalt 20.An exhaust gas sensor shown in the figure is a temperature sensor 10 is for detecting a temperature of flowing through an exhaust pipe of an internal combustion engine of an automotive exhaust gas 12 educated. The temperature sensor 10 comprises as a measuring element a thermocouple 14 , and the thermocouple 14 is outside circumference of a protective tube 16 surround. Between a wall 18 of the protective tube 16 and the thermocouple 14 there is an insulating air gap 20 ,

Das Thermoelement 14 weist eine Messspitze 22 auf. Im Bereich der Messspitze 22 weist das Schutzrohr 16 eine Durchtrittsöffnung 24 auf, über welche das Abgas 12 zu der Messspitze 22 gelangen kann. Die Durchtrittsöffnung 24 ist vorliegend als Strömungskanal ausgebildet, dessen durchströmbarer Querschnitt sich zu dem Thermoelement 14 hin verringert. Durch diese düsenartige Ausbildung des Strömungskanals wird im Bereich der Messspitze 22 eine besonders hohe Strömungsgeschwindigkeit des Abgases 12 erreicht. Diese führt zu einem besonders raschen Ansprechen des Temperatursensors 10. Zugleich ist das Thermoelement 14 durch das Schutzrohr 16 geschützt, so dass die im Abgas 12 auftretenden hohen Temperaturen und große Temperaturgradienten nicht zu einer Schädigung des Thermoelements 14 führen.The thermocouple 14 has a measuring tip 22 on. In the area of the measuring tip 22 indicates the protective tube 16 a passage opening 24 on, over which the exhaust gas 12 to the measuring tip 22 can get. The passage opening 24 is presently designed as a flow channel whose flow-through cross-section to the thermocouple 14 decreased. Through this nozzle-like design of the flow channel is in the region of the measuring tip 22 a particularly high flow rate of the exhaust gas 12 reached. This leads to a particularly rapid response of the temperature sensor 10 , At the same time is the thermocouple 14 through the protective tube 16 protected, so that in the exhaust 12 occurring high temperatures and large temperature gradients do not damage the thermocouple 14 to lead.

Der Strömungskanal, durch welchen die Durchtrittsöffnungen 24 bereitgestellt ist, ist vorliegend durch die Wand 18 des Schutzrohrs 16 gebildet, wobei eine Länge des Strömungskanals größer ist als eine Wandstärke der Wand 18. Mit anderen Worten bildet die Wand 18 des Schutzrohrs 16 im Bereich der Messspitze 22 des Thermoelements 14 einen sich zu dem Thermoelement 14 hin verjüngenden Trichter, durch welchen das Abgas hin zur Messspitze 22 strömt.The flow channel, through which the passage openings 24 is present, is present through the wall 18 of the protective tube 16 formed, wherein a length of the flow channel is greater than a wall thickness of the wall 18 , In other words, the wall forms 18 of the protective tube 16 in the area of the measuring tip 22 of the thermocouple 14 a to the thermocouple 14 tapering funnel through which the exhaust gas to the measuring tip 22 flows.

Ein Kopfbereich des Schutzrohrs 16 ist vorliegend zumindest im Wesentlichen flach ausgebildet, das Schutzrohr 16 weist also eine im Wesentlichen ebene Oberseite 26 auf.A head area of the protective tube 16 is present at least substantially flat, the protective tube 16 thus has a substantially flat top 26 on.

Das Thermoelement 14 umfasst zwei Messdrähte 28, 30, welche aus Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet sind. Für diese Messdrähte 28, 30 können Nickel-Chrom-Legierungen sowie Nickel-Chrom-Silizium- bzw. Nickel-Chrom-Nickel-Legierungen zum Einsatz kommen. Die beiden Messdrähte 28, 30 sind von einem Mantel 32 umhüllt und im Bereich der Messspitze 22 miteinander verbunden, beispielsweise durch Verschweißen.The thermocouple 14 includes two measuring wires 28 . 30 , which are formed from alloys of different composition. For these measuring wires 28 . 30 For example, nickel-chromium alloys as well as nickel-chromium-silicon or nickel-chromium-nickel alloys can be used. The two measuring wires 28 . 30 are from a coat 32 wrapped and in the area of the measuring tip 22 connected together, for example by welding.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2009435 A1 [0004] EP 2009435 A1 [0004]

Claims (8)

Abgassensor zum Erfassen wenigstens einer das Abgas (12) betreffenden Messgröße, mit einem Messelement (14) und mit einer das Messelement (14) umgebenden Schutzhülle (16), welche wenigstens eine Durchtrittsöffnung (24) aufweist, über welche das Messelement (14) mit dem Abgas (12) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Durchtrittsöffnung (24) einen sich zu dem Messelement (14) hin verringernden durchströmbaren Querschnitt aufweist.Exhaust gas sensor for detecting at least one of the exhaust gas ( 12 ), with a measuring element ( 14 ) and with a measuring element ( 14 ) surrounding protective cover ( 16 ), which at least one passage opening ( 24 ), over which the measuring element ( 14 ) with the exhaust gas ( 12 ) is acted upon, characterized in that the at least one passage opening ( 24 ) to the measuring element ( 14 ) down-reducing flow-through cross-section. Abgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle als Schutzrohr (16) ausgebildet ist, wobei zwischen einer Wand (18) des Schutzrohrs (16) und dem Messelement (14) ein, insbesondere das Messelement (14) umfangsseitig umlaufend umgebender, Luftspalt (20) ausgebildet ist.Exhaust gas sensor according to claim 1, characterized in that the protective cover as a protective tube ( 16 ) is formed, wherein between a wall ( 18 ) of the protective tube ( 16 ) and the measuring element ( 14 ), in particular the measuring element ( 14 ) circumferentially surrounding surrounding, air gap ( 20 ) is trained. Abgassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Durchtrittsöffnung (24) als durch die Wand (18) gebildeter Strömungskanal ausgebildet ist, wobei eine Länge des Strömungskanals größer ist als eine Wandstärke der Wand (18).Exhaust gas sensor according to claim 2, characterized in that the at least one passage opening ( 24 ) than through the wall ( 18 ) formed flow channel, wherein a length of the flow channel is greater than a wall thickness of the wall ( 18 ). Abgassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Durchtrittsöffnung (24) im Bereich einer Messspitze (22) des Messelements (14) angeordnet ist.Exhaust gas sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one passage opening ( 24 ) in the region of a measuring tip ( 22 ) of the measuring element ( 14 ) is arranged. Abgassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopfbereich der Schutzhülle (16) zumindest im Wesentlichen flach ausgebildet ist.Exhaust gas sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that a head portion of the protective cover ( 16 ) is formed at least substantially flat. Abgassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzhülle (16) aus einem Stahl gebildet ist.Exhaust gas sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the protective cover ( 16 ) is formed of a steel. Abgassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (14) zum Erfassen einer Temperatur des Abgases (12) ausgebildet ist.Exhaust gas sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that the measuring element ( 14 ) for detecting a temperature of the exhaust gas ( 12 ) is trained. Abgassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (14) zwei in einem Mantel (32) angeordnete Messdrähte (28, 30) umfasst, welche aus Legierungen unterschiedlicher Zusammensetzung gebildet und in einem Endbereich miteinander verbunden sind.Exhaust gas sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the measuring element ( 14 ) two in a coat ( 32 ) arranged measuring wires ( 28 . 30 ), which are formed from alloys of different composition and connected together in an end region.
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