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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messfühler und insbesondere einen Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente und insbesondere im Gas einer Brennkraftmaschine.
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Solche Messfühler werden beispielsweise als so genannte Lambdasonden zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Derartige Lambdasonden sind beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165, beschrieben. Dabei ragt das Sensorelement im Allgemeinen in einer Längserstreckungsrichtung des Messfühlers aus dem Fühlergehäuse heraus. Diese Längserstreckungsrichtung oder auch Längsachse des Messfühlers kann dabei gleichzeitig eine Symmetrieachse des Messfühlers vorgeben, da bekannte Messfühler verbreitet einen rotationssymmetrischen Aufbau in Bezug auf die genannte Längserstreckungsrichtung aufweisen.
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Üblicherweise wird das Sensorelement von einem Schutzrohr umgeben. Da entscheidend ist, dass das Sensorelement in einen direkten Kontakt mit dem Messgas bringbar ist, weist das Schutzrohr stets geeignete Öffnungen auf, um einen Durchtritt des umströmenden Messgases zu ermöglichen.
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Derartige Messfühler sind beispielsweise in
WO 2010/015445 A1 ,
WO 2006/005641 A1 und
DE 10 2007 040 507 A1 beschrieben.
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Die
EP 1 064 540 B1 beschreibt einen Messfühler, bei dem das Sensorelement von mindestens zwei Schutzrohren umgeben ist. Die Schutzrohre sind rotationssymmetrisch bezüglich der Längserstreckungsrichtung des Sensorelements aufgebaut.
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Trotz der durch die oben beschriebenen Messfühler bewirkten Vorteile beinhalten derartige Messfühler nach wie vor ein Verbesserungspotenzial hinsichtlich einer Thermoschockrobustheit und einer Dynamik des Messfühlers. So sind bei herkömmlichen Messfühlern die Schutzrohre in zufälliger Ausrichtung relativ zueinander bzw. zum Fühlergehäuse verbaut. Die
EP 1 064 540 B1 schlägt Maßnahmen zur gerichteten Anordnung der Schutzrohre relativ zueinander vor. Allerdings ist bei dem Messfühler der
EP 1 064 540 B1 der Messfühler in zufälliger Ausrichtung, d. h. bezüglich eines Dreh- und Neigungswinkels, in dem Abgasstrang eingebaut. Durch den rotationssymmetrischen Aufbau der Schutzrohre ergeben sich beispielsweise die folgenden Nachteile. Durch die zufällige Ausrichtung der einzelnen Bauteile bei der Montage der Messfühler einerseits sowie beim Einbau der Messfühler in die Abgasanlage andererseits ist das Durchströmungsverhalten bei jedem Messfühler mehr oder weniger stark unterschiedlich. Ferner wird zugunsten der rotationssymmetrischen Bauweise auf konstruktive Maßnahmen mit hohem Potential hinsichtlich Thermoschockschutz verzichtet. Die rotationssymmetrische Anordnung der Schutzrohre bedingt ferner zeit- und kostenintensive Untersuchungen der Dreh- und Neigungswinkelabhängigkeit der Schutzrohrgeometrien. Ferner sind starke Einschränkungen hinsichtlich des Designs neuer Schutzrohrgeometrien vorhanden, da zu wenige Freiheitsgrade für die Entwicklung von revolutionären Schutzrohrkonzepten bestehen. Ferner besteht eine Betriebspunktabhängigkeit bezüglich des Abgasmassenstroms des Strömungspfades vom Eintritt im Schutzrohr bis Ankunft am Sensorelement. Des Weiteren herrscht üblicherweise in einer Abgasanlage ein hochkomplexes, stark dreidimensionales und betriebspunktabhängiges Strömungsfeld. Schließlich besteht insbesondere ein Zielkonflikt zwischen Thermoschockrobustheit und Dynamik des Abgassensors.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Messfühler vorgeschlagen, der die oben genannten Nachteile zumindest weitgehend vermeidet und der eine gerichtet verbaute Schutzrohrgeometrie aufweist, so dass die einzelnen Schutzrohre definiert zueinander ausgerichtet sind. Ferner ist auch das Sensorelement mit einem definierten Drehwinkel bezogen auf die Schutzrohrgeometrie verbaut. Um die Funktion des Schutzrohrs zu gewährleisten, ist der Messfühler selbst mit einer definierten Ausrichtung, d.h. Dreh- und Neigungswinkel, in einen Messgasraum, wie beispielsweise einer Abgasanlage, einbaubar.
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Ein erfindungsgemäßer Messfühler, insbesondere Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, weist ein Sensorelement, das mit einem dem Messgas ausgesetzten, gasseitigen Endabschnitt in einer Längserstreckungsrichtung aus einem Fühlergehäuse herausragt und mindestens ein den gasseitigen Endabschnitt des Sensorelements umgebendes erstes Schutzrohr auf. Das erste Schutzrohr ist zumindest abschnittsweise asymmetrisch bezüglich der Längserstreckungsrichtung des Sensorelements ausgebildet. Das erste Schutzrohr ist zum Erlauben einer Kontaktierung des Sensorelements mit dem Messgas ausgebildet. Das Messgas erfährt vor der Kontaktierung des Sensorelements eine Umlenkung.
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Das erste Schutzrohr ist insbesondere rotationsasymmetrisch bezüglich der Längserstreckungsrichtung des Sensorelements ausgebildet. Das erste Schutzrohr kann einen konkaven Abschnitt und mindestens eine Öffnung zum Erlauben einer Kontaktierung des Sensorelements mit dem Messgas aufweisen. Die mindestens eine Öffnung kann in dem konkaven Abschnitt angeordnet sein. Das erste Schutzrohr kann so ausgebildet sein, dass in einem in dem Messgasraum angeordneten Zustand des Messfühlers der konkave Abschnitt einem in einer Hauptströmungsrichtung strömenden Messgas abgewandt ist. Das erste Schutzrohr kann zum Erlauben eines Austritts des Messgases eine Auslassöffnung aufweisen. Die Auslassöffnung kann so angeordnet sein, dass in einem in dem Messgasraum angeordneten Zustand des Messfühlers das Messgas in einer Richtung austritt, die mit einem in einer Hauptströmungsrichtung strömenden Messgas einen Winkel von 0 ° bis 45 ° und bevorzugt von 0 ° bis 35 °bildet. Das Sensorelement kann ein Gaszutrittsloch aufweisen. Das Gaszutrittsloch kann sich von einer Oberfläche des Sensorelements entlang einer Längsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche in ein Inneres des Sensorelements erstrecken. Das erste Schutzrohr kann so ausgebildet sein, dass das Gaszutrittsloch des Sensorelements in einer Richtung parallel zu der Längsachse mit dem Messgas kontaktierbar ist. Der Messfühler kann mindestens ein zweites Schutzrohr aufweisen. Das zweite Schutzrohr kann innerhalb des ersten Schutzrohrs angeordnet sein und mindestens eine Öffnung zum Erlauben einer Kontaktierung des Sensorelements mit dem Messgas aufweisen. Das erste Schutzrohr und das zweite Schutzrohr können so relativ zueinander angeordnet sein, dass das Messgas vor der Kontaktierung des Sensorelements eine Umlenkung zwischen dem ersten Schutzrohr und dem zweiten Schutzrohr erfährt. Das Sensorelement kann ein Gaszutrittsloch aufweisen, wobei sich das Gaszutrittsloch von einer Oberfläche des Sensorelements entlang einer Längsachse im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche in ein Inneres des Sensorelements erstreckt. Das zweite Schutzrohr kann so ausgebildet sein, dass das Gaszutrittsloch des Sensorelements in einer Richtung mit dem Messgas kontaktierbar ist, die einen Winkel zu der Längsachse von 0 ° bis 60 ° aufweist. Das zweite Schutzrohr kann zumindest abschnittsweise asymmetrisch oder symmetrisch bezüglich der Längserstreckungsrichtung des Sensorelements ausgebildet sein. Der Messfühler kann mindestens ein drittes Schutzrohr aufweisen. Das dritte Schutzrohr kann das erste Schutzrohr umgeben. Das dritte Schutzrohr kann mindestens eine Öffnung aufweisen. Das dritte Schutzrohr kann so ausgebildet sein, dass in einem in dem Messgasraum angeordneten Zustand des Messfühlers die Öffnung des dritten Schutzrohrs einem in einer Hauptströmungsrichtung strömenden Messgas zugewandt ist. Das dritte Schutzrohr kann zumindest abschnittsweise asymmetrisch oder symmetrisch bezüglich der Längserstreckungsrichtung des Sensorelements ausgebildet sein.
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Unter der Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die lokale Strömungsrichtung des Messgases am Ort des Messfühlers zu verstehen, wobei beispielsweise lokale Unregelmäßigkeiten wie z. B. Turbulenzen unberücksichtigt bleiben können. Insbesondere kann unter der Hauptströmungsrichtung somit die lokale gemittelte Transportrichtung des strömenden fluiden Mediums in dem Messgasraum verstanden werden. In einer Abgasanlage oder einem Abgasstrang wird die Hauptströmungsrichtung beispielsweise durch die Ausstoßrichtung der Abgase definiert.
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Unter einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Erstreckungsrichtung zu verstehen, die parallel zu einer Längsabmessung des Sensorelements ist. Die Längserstreckungsrichtung kann eine Längsachse des Messfühlers definieren.
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Unter einem konkaven Abschnitt ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Abschnitt des Schutzrohrs zu verstehen, der in Richtung zu dem Sensorelement verformt ist. Die Verformung kann dabei gleichmäßig oder ungleichmäßig sein.
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Unter der Angabe „stromaufwärts“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zu verstehen, bei der das in Verbindung mit dieser Angabe genannte Bauteil von dem in der Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Medium zu einem früheren Zeitpunkt erreicht wird als ein Bezugsbauteil.
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Unter der Angabe „stromabwärts“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anordnung zu verstehen, bei der das in Verbindung mit dieser Angabe genannte Bauteil von dem in der Hauptströmungsrichtung strömenden fluiden Medium zu einem späteren Zeitpunkt erreicht wird als ein Bezugsbauteil.
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Beispielsweise bedeutet die Angabe einer stromaufwärtigen Seite und einer stromabwärtigen Seite, dass sich die stromabwärtige Seite in der Hauptströmungsrichtung gesehen hinter der stromaufwärtigen Seite befindet.
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Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich sämtliche Winkelangaben im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf Winkel, die innerhalb einer Ebene senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung des Sensorelements bestimmt werden. Bei Schnittwinkeln zwischen zwei Geraden bzw. zwei Richtungsangaben bestehen immer zwei Winkelpaare gleicher Größe. Sofern nicht anders angegeben, bezieht sich die Angabe eines Winkels im Rahmen der vorliegenden Erfindung stets auf einen Winkel des kleineren Winkelpaares. Üblicherweise ist ein derartiger Winkel ein spitzer Winkel.
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Durch den erfindungsgemäßen Messfühler ist der Strömungspfad vom Eintritt im Schutzrohr bis zum Sensorelement von einem Betriebspunkt einer Brennkraftmaschine unabhängig. Ferner wird eine Reduzierung der Komplexität des stark dreidimensionalen Strömungsfeldes erzielt. Außerdem lässt sich die Thermoschockrobustheit steigern, da die Geometrie der Schutzrohre so gestaltet werden kann, dass Flüssigkeit im Abgas durch eine definierte Strömungsführung abgeschieden wird, die Eintrittsöffnungen an für Flüssigkeit schwer zugänglichen Stellen platziert werden und die Anzahl von Eintrittsöffnungen erheblich reduziert werden kann. Ferner ergibt sich eine Zeit- und Kostenersparnis beim Einbauen bzw. Kalibrieren des Messfühlers durch einen Entfall aufwändiger Applikationsmessungen, wie beispielsweise eine Taupunktende-Bedatung, eine Reduzierung des Entwicklungsaufwands aufgrund des Entfalls der Untersuchungen zur Dreh- und Neigungswinkelabhängigkeit des Schutzrohrs. Außerdem wird der Zielkonflikt zwischen der Thermoschockrobustheit und der Dynamik des Messfühlers beseitigt, da die Abgasströmung auf einem definierten Pfad zum Sensorelement geführt werden kann. Schließlich besteht die Möglichkeit der Nutzung bekannter Mechanismen zur Abscheidung von Flüssigkeit aus dem Abgasstrom, wie beispielsweise der Tropfenabriss an Kanten und die Trägheitsabscheidung von Flüssigkeit durch eine starke Umlenkung der Gasströmung.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittansicht senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung eines Sensorelements eines Messfühlers gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Schnittansicht senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung eines Sensorelements eines Messfühlers gemäß einer zweiten Ausführungsform und
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3 eine Schnittansicht senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung eines Sensorelements eines Messfühlers gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in einer Schnittansicht einen Messfühler 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Zur Reduktion der Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen wie beispielsweise Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen wird ein so genannter Dreiwegekatalysator mit Lambdaregelung eingesetzt. Der in 1 ausschnittsweise dargestellt Messfühler 10 ist beispielhaft als eine Lambdasonde ausgestaltet, die bei der Lambdaregelung verwendet wird. Die Lambdasonde dient zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Gemischs, um mittels einer Messung der Konzentration des Sauerstoffgehalts im Abgas des Verbrennungsmotors ein möglichst stöchiometrisches Gemisch oder eine andere bekannte Zusammensetzung einstellen zu können, so dass durch eine möglichst optimale Verbrennung der Schadstoffausstoß minimiert wird.
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Diese Lambdasonde wird nachfolgend als erstes Ausführungsbeispiel für einen als Gassensor eingesetzten bzw. ausgebildeten allgemeinen Messfühler 10 beschrieben, mit dem eine physikalische Eigenschaft eines Messgases, insbesondere die Temperatur oder die Konzentration einer Gaskomponente, bestimmt wird.
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Der Messfühler 10 weist ein Sensorelement 12 auf. Ein derartiges Sensorelement 12 ist aus dem oben beschriebenen Stand der Technik und insbesondere aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 bekannt, so dass auf die Details des Aufbaus des Sensorelements 12 nicht näher eingegangen wird. Stattdessen ist der oben genannte Stand der Technik aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 im Hinblick auf das Sensorelement 12 durch Verweis eingeschlossen. Beispielsweise ist das Sensorelement 12 als planares Sensorelement ausgebildet. Der Messfühler 10 weist ferner ein nicht näher dargestelltes Fühlergehäuse auf. Das Sensorelement 12 ragt mit einem dem Messgas ausgesetzten, gasseitigen Endabschnitt 14 in einer Längserstreckungsrichtung 16 aus dem Fühlergehäuse heraus. Die Längserstreckungsrichtung 16 verläuft bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in die Zeichenebene hinein. Entsprechend ist die Schnittdarstellung der 1 senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung 16.
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Der gasseitige Endabschnitt 14 des Sensorelements 12 wird von einem ersten Schutzrohr 18 umgeben. Das erste Schutzrohr 18 ist zumindest abschnittsweise asymmetrisch bezüglich der Längserstreckungsrichtung 16 des Sensorelements 12 ausgebildet. Insbesondere ist das erste Schutzrohr 18 rotationsasymmetrisch bezüglich der Längserstreckungsrichtung 16 ausgebildet. In einem Zustand, in dem der Messfühler 10 in dem Messraum angeordnet ist, d. h. in einem Zustand, in dem das Fühlergehäuse an oder in dem Messgasraum angeordnet ist, so dass das Sensorelement 12 mit dem gasseitigen Endabschnitt 14 dem Messgas ausgesetzt ist, wird der Messfühler 10 speziell angeordnet, wie näher ausgeführt wird. Der Messfühler 10 ist wie oben erwähnt insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeuge einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum um einen Abgastrakt des Verbrennungsmotors und bei dem Messgas um ein Abgas des Verbrennungsmotors handeln kann. In einem derartigen Abgastrakt strömt das Abgas in einer Hauptströmungsrichtung 20, die durch einen Pfeil angegeben ist, von dem Verbrennungsmotor kommend nach draußen in die Umgebung des Verbrennungsmotors.
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Bei dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel eines Messfühlers 10 weist das erste Schutzrohr 18 einen konkaven Abschnitt 22 und mindestens eine Öffnung 24 zum Erlauben einer Kontaktierung des Sensorelements 12 mit dem Messgas auf. Die mindestens eine Öffnung 24 ist in dem konkaven Abschnitt 22 angeordnet. In der Hauptströmungsrichtung gesehen, befindet sich der konkave Abschnitt auf einer stromabwärtigen Seite 26 des ersten Schutzrohrs 18. In diesem angeordneten Zustand des Messfühlers 10 ist der konkave Abschnitt 22 dem in der Hauptströmungsrichtung 20 strömenden Messgas abgewandt.
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Zum Erlauben eines Austritts des Messgases aus dem Inneren des ersten Schutzrohrs 18 weist das erste Schutzrohr 18 mindestens eine Auslassöffnung 28 auf. Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind zwei Auslassöffnungen 28 vorgesehen. Die Auslassöffnungen 28 können beispielsweise durch Bohren oder Stanzen oder dergleichen in flachen Seitenflächen 30, die sich entgegen der Hauptströmungsrichtung 20 beidseitig an den konkaven Abschnitt 22 anschließen und annährend parallel zu der Hauptströmungsrichtung 20 erstrecken, ausgebildet werden. Beispielsweise werden an den Seitenflächen 30 klappenförmige Einziehungen 32 vorgesehen, die die Auslassöffnungen 28 teilweise begrenzen. Ferner umfasst das erste Schutzrohr 18 eine stromaufwärtige Seite 34. Die stromaufwärtige Seite 34 des ersten Schutzrohrs 18 kann beispielsweise von einem flachem Abschnitt 36 und Abrundungen 38, die in die Seitenflächen 30 übergehen, gebildet werden.
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Insbesondere ist das erste Schutzrohr 18 zum Erlauben einer Kontaktierung des Sensorelements 12 mit dem Messgas ausgebildet, wobei das Messgas vor der Kontaktierung des Sensorelements 12 mindestens eine Umlenkung erfährt, wie nachstehend näher erläutert wird. Wie durch den Pfeil 40 angedeutet, wird das in der Hauptströmungsrichtung 20 strömende Messgas an dem flachen Abschnitt 36 umgelenkt und um das erste Schutzrohr 18 herum geleitet. Am Übergang zwischen den Seitenflächen 30 und dem konkaven Abschnitt 22 erfährt das Messgas eine besonders starke Umlenkung, so dass es entgegen der Hauptströmungsrichtung 20 durch die Öffnung 24 in dem konkaven Abschnitt 22 in das Innere des ersten Schutzrohrs 18 und zu dem Sensorelement 12 gelangen kann, um dieses zu kontaktieren. Flüssigkeitstropfen, die auf der Oberfläche des ersten Schutzrohrs 18 entlanggeschleppt werden, reißen am Übergang der Seitenflächen 30 in den konkaven Abschnitt 22 aufgrund der hohen im Abgasstrom vorliegenden Strömungsgeschwindigkeiten ab. Frei umströmte Flüssigkeitstropfen sind zum einen trägheitsbedingt und zum anderen aufgrund der in dem Abgasstrang vorkommenden Strömungskräfte nicht in der Lage, sich entgegen der Hauptströmungsrichtung 20 zu bewegen und folgen somit nicht dem Messgas entlang dem Pfeil 40 in das Innere des ersten Schutzrohrs 18.
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Durch die asymmetrische Form des ersten Schutzrohrs
18 kann dieses in einfacher Weise mit einer speziellen Orientierung relativ zu der Hauptströmungsrichtung
20 in den Abgasstrang eingebaut werden. Beispielsweise weist das erste Schutzrohr
18 bzw. ein nicht gezeigtes Gewinde des Fühlergehäuses eine entsprechende Kontur auf, um zu ermöglichen, dass das erste Schutzrohr mit dem flachen Abschnitt
36 der Hauptströmungsrichtung
20 des Messgases zuweist und die Öffnung
24 auf der stromabwärtigen Seite
26 angeordnet ist. Ferner weist das Sensorelement
12 bedingt durch seine Ausbildung als planares Sensorelement
12 eine spezielle Form auf, die in der Schnittansicht der
1 einen annähernd rechteckigen Querschnitt aufweist. Beispielsweise weist das Sensorelement
12 ein Gaszutrittsloch
42 auf. Das Gaszutrittsloch
42 erstreckt sich entlang einer Längsachse
44 senkrecht zu einer Oberfläche
46 des Sensorelements
12 in das Innere des Sensorelements
12. Insbesondere ist das Gaszutrittsloch
42 so angeordnet, dass es der Öffnung
24 zuweist. Die besondere oben beschriebene Anordnung des Sensorelements
12 und des Gaszutrittslochs
42 relativ zu der Öffnung
24 kann durch entsprechende Konturgebungen an der Stirnseite des ersten Schutzrohrs
18 sichergestellt werden, wie sie beispielsweise in der
EP 1 064 540 B1 beschrieben sind. Dadurch ist auch das Sensorelement
12 mit einem definierten Drehwinkel bezogen auf das erste Schutzrohr
18 verbaut. Entsprechend kann das Gaszutrittsloch
42 des Sensorelements
12 in einer Richtung parallel zu der Längsachse
44 mit dem Messgas kontaktiert werden.
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Die Auslassöffnungen 28 sind so angeordnet, dass in einem in dem Messgasraum angeordneten Zustand des Messfühlers 10 das Messgas in einer Richtung aus dem Inneren des ersten Schutzrohrs 18 austritt, die mit einem in der Hauptströmungsrichtung 20 strömenden Messgas einen Winkel von 0 ° bis 45 ° und bevorzugt von 0 ° bis 35 ° bildet, beispielsweise 30 °. In 1 ist dieser Austrittsrichtung durch einen Pfeil 48 angegeben. Der Winkel bestimmt sich dabei zwischen der Austrittsrichtung 48 und der Hauptströmungsrichtung 20.
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In 2 ist eine Schnittansicht eines Messfühlers 10 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen angegeben.
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Der Messfühler 10 der zweiten Ausführungsform weist ein zweites Schutzrohr 50 auf. Das zweite Schutzrohr 50 ist innerhalb des ersten Schutzrohrs 18 angeordnet. Das erste Schutzrohr 18 weist den konkaven Abschnitt 22 mit der Öffnung auf der stromabwärtigen Seite 26 auf. Im Übrigen ist das erste Schutzrohr 18 in der Schnittebene der 2 rund ausgebildet, so dass die flachen Seitenflächen 30 und der flache Abschnitt der stromaufwärtigen Seite 34 entfallen. Folglich weist das erste Schutzrohr 18 einen zylindrischen Abschnitt 52 auf, der sich von der stromaufwärtigen Seite 30 in Richtung zu dem konkaven Abschnitt 22 erstreckt und in diesen übergeht. Die Auslassöffnung 28 ist auf der Stirnseite des zweiten Schutzrohrs 50 angeordnet. Es versteht sich, dass auch mehr als eine Auslassöffnung 28 vorgesehen sein können, wie beispielsweise in 3 gezeigt ist. Gemäß der Schnittdarstellung der 2 weist das zweite Schutzrohr 50 einen halb- bis dreiviertelkreisförmigen Abschnitt 54 und zwei flache oder lineare Abschnitte 56 auf, die gewinkelt zueinander angeordnet sind. Beispielsweise sind die flachen Abschnitte 56 in einem Winkel von 120 ° relativ zu einander angeordnet. Der halb- bis dreiviertelkreisförmige Abschnitt 54 weist dabei der Öffnung 24 in dem konkaven Abschnitt 22 zu. Die flachen Abschnitte 56 sind der Öffnung 24 abgewandt. In jedem flachen Abschnitt 56 ist eine Öffnung 58 angeordnet, um eine Kontaktierung des Sensorelements 12 mit dem Messgas zu erlauben. Das erste Schutzrohr 18 und das zweite Schutzrohr 50 sind beabstandet zueinander angeordnet, so dass ein Spalt 60 zwischen ihnen gebildet ist. Wie bei der ersten Ausführungsform erfährt das Messgas eine erste Umlenkung 40. Ferner erfährt das Messgas zwischen dem ersten Schutzrohr 18 und dem zweiten Schutzrohr 50 in dem Spalt 60 eine zweite Umlenkung, wie durch einen Pfeil 62 angegeben ist.
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Das Sensorelement 12 ist in dem zweiten Schutzrohr 50 so angeordnet, dass das Gaszutrittsloch 42 der Öffnung 24 in dem ersten Schutzrohr 18 abgewandt ist. Entsprechend ist das Gaszutrittsloch 42 des Sensorelements 12 in einer Richtung mit dem Messgas kontaktierbar, die einen Winkel zu der Längsachse 44 von 0 ° bis 60 ° aufweist, beispielsweise 45 °. Der Winkel wird dabei zwischen der Oberfläche 46 des Sensorelements 12 und dem durch die Öffnungen 56 eintretenden Messgas definiert. Das Messgas kann aus dem zweiten Schutzrohr 50 durch die Auslassöffnung 28 in der Stirnseite des zweiten Schutzrohrs 50 austreten.
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Bei dem in 2 gezeigten Messfühler 10 befindet sich gemäß den vorherigen Ausführungen der Strömungseintritt unterstrom oder auf der stromabwärtigen Seite 26 des ersten Schutzrohrs 18 in der konkav geformten Aussparung bzw. dem konkaven Abschnitt 22. Nach dem Einströmen gelangt das Abgas über die Öffnungen 56 des zweiten Schutzrohrs 50 ans Sensorelement und verlässt die Schutzrohrgeometrie anschließend über die in der Stirnseite des zweiten Schutzrohrs 50 ausgebildete Auslassöffnung 28. Das Eindringen von Flüssigkeit wird durch den unterstrom befindlichen Strömungseintritt und zusätzlich durch die Positionierung der Öffnung 24 in dem konkaven Abschnitt 22 verhindert. Flüssigkeitstropfen die auf der Oberfläche des ersten Schutzrohrs 18 entlang geschleppt werden reißen am Übergang von dem zylindrischen Abschnitt 52 zu dem konkaven Abschnitt 22 aufgrund der hohen im Abgasstrom vorliegenden Strömungsgeschwindigkeiten ab. Frei umströmte Flüssigkeitstropfen sind zum einen trägheitsbedingt und zum anderen aufgrund der in der Abgasanlage vorkommenden Strömungskräfte nicht in der Lage sich entgegen der Hauptströmungsrichtung 20 zu bewegen.
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3 zeigt einen Messfühler 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Nachfolgend werden lediglich die Unterschiede zu der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform beschrieben und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Das erste Schutzrohr 18 weist einen im Wesentlichen U-förmigen oder hufeisenförmigen Querschnitt auf und ist somit ebenfalls rotationsasymmetrisch ausgebildet. Entsprechend weist das erste Schutzrohr 18 einen runden Abschnitt 64 und zwei Kanten 66 auf. Das erste Schutzrohr 18 ist dabei so angeordnet, dass der runde Abschnitt 64 die stromaufwärtige Seite 34 bildet und die Kanten 66 stromabwärts angeordnet sind. Das zweite Schutzrohr 50, das innerhalb des ersten Schutzrohrs 18 angeordnet ist, ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Beispielsweise ist das zweite Schutzrohr 50 zylindrisch ausgebildet. In dem zweiten Schutzrohr 50 ist eine Öffnung 58 zum Erlauben einer Kontaktierung des Sensorelements 12 mit dem Messgas auf einer stromaufwärtigen Seite 68 angeordnet.
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Der Messfühler 10 der dritten Ausführungsform weist ferner ein drittes Schutzrohr 70 auf. Das dritte Schutzrohr 70 umgibt das erste Schutzrohr 18. Das dritte Schutzrohr 70 kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Beispielsweise ist das dritte Schutzrohr 70 zylindrisch ausgebildet. Das dritte Schutzrohr 70 weist eine Öffnung 72 auf. Die Öffnung 72 des dritten Schutzrohrs 72 ist dem in der Hauptströmungsrichtung 20 strömenden Messgas zugewandt, so dass sich die Öffnung 72 auf einer stromaufwärtigen Seite 74 des dritten Schutzrohrs 70 befindet. Zum Erlauben eines Austritts des Messgases aus dem zweiten Schutzrohr 50 weist dieses mehrere Auslassöffnungen 28 auf, die beispielsweise in einer nicht näher gezeigten Stirnseite des zweiten Schutzrohrs 50 um die Längserstreckungsrichtung 16 gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet sind. Das erste Schutzrohr 18 und das dritte Schutzrohr 70 sind beabstandet zueinander angeordnet, so dass ein Spalt 76 zwischen ihnen gebildet ist.
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Wie bei der ersten Ausführungsform erfährt das Messgas bei dem Messfühler 10 der dritten Ausführungsform eine erste Umlenkung 40. Ferner erfährt das Messgas wie bei der zweiten Ausführungsform eine zweite Umlenkung 62. Bei dem Messfühler 10 der dritten Ausführungsform ist das Sensorelement 12 so innerhalb des zweiten Schutzrohrs 50 angeordnet, dass das Gaszutrittsloch 42 der Öffnung 58 des zweiten Schutzrohrs 50 zuweist. Entsprechend ist das Gaszutrittsloch 42 des Sensorelements 12 in einer Richtung mit dem Messgas kontaktierbar, die einen Winkel zu der Längsachse 44 von 0 ° aufweist. Das Messgas tritt entsprechend zu dem Gaszutrittsloch 44 in einer Richtung, die parallel zu der Hauptströmungsrichtung 20 ist, in das Innere des zweiten Schutzrohrs 50 ein.
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Genauer dringt das Messgas durch die stromaufwärts weisende Öffnung 72 in das dritte Schutzrohr 70 in den Spalt 76 zwischen dem dritten Schutzrohr 70 und dem ersten Schutzrohr 18 ein. Dabei strömt das Abgas mit hoher Geschwindigkeit ein. An den Kanten 66 des ersten Schutzrohrs 18 wird das Abgas im Wesentlichen um 180 ° umgelenkt und gelangt anschließend über die Öffnungen 58 in dem zweiten Schutzrohr 50 zu dem Sensorelement 12, bevor es über die Auslassöffnung 28 wieder ausströmt. Die Abscheidung von Flüssigkeit erfolgt bei dem Messfühler 10 der dritten Ausführungsform an den Kanten 66 des ersten Schutzrohrs 18. Tropfen, die entlang der Schutzrohroberfläche des ersten Schutzrohrs 18 an die Kanten 66 geschleppt werden, reißen dabei aufgrund der hohen Gasgeschwindigkeit ab und können anschließend trägheitsbedingt der Hauptströmung nicht mehr folgen und werden deshalb in dem großen Spalt 76 zwischen dem dritten Schutzrohr 70 und dem ersten Schutzrohr 18 abgeschieden. Dort verdampfen die Tropfen anschließend bei Erreichung einer entsprechenden Temperatur.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/015445 A1 [0004]
- WO 2006/005641 A1 [0004]
- DE 102007040507 A1 [0004]
- EP 1064540 B1 [0005, 0006, 0006, 0030]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 [0002]
- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 [0025]
- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160–165 [0025]
