DE102013212362A1 - Sensor zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (110) zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente an einem Gasgemisch in einem Gasstrom (112). Der Sensor umfasst mindestens ein Sensorelement (114), das mit Gas aus dem Gasstrom (112) beaufschlagt ist, wobei das Sensorelement (114) von einem Schutzrohr umgeben ist, das in den Gasstrom (112) hineinragt. Das Schutzrohr weist ein Innenrohr (116) und ein Außenrohr (118) auf, wobei das Innenrohr (116) und das Außenrohr (118) derart angeordnet sind, dass sie einen mit dem Gasgemisch beaufschlagbaren Zwischenraum (120) ausbilden. Erfindungsgemäß sind das Innenrohr (116) und das Außenrohr (118) derart ausgestaltet, dass das Innenrohr (116) eine erste mittlere Wandstärke aufweist und dass das Außenrohr (118) eine zweite mittlere Wandstärke aufweist, wobei die erste mittlere Wandstärke geringer ist als die zweite mittlere Wandstärke. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors (110) besteht darin, die Zeitspanne bis zum Einsetzen einer Regelbereitschaft der katalytischen Abgasnachbehandlung zu verringern. Aufgrund der früheren Regelbereitschaft einer Lambdasonde wird insbesondere der Anteil an schädlichen Abgasen verringert, die vor allem in der Kaltstartphase von Verbrennungsmotoren auftreten. Darüber hinaus ist das Innenrohr (116) einer wesentlich geringeren thermischen Belastung ausgesetzt, was sich insbesondere in einer längeren Lebensdauer für das Innenrohr (116) und damit für den gesamten Sensor (110) äußert.

Description

  • Stand der Technik
  • Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente an einem Gasgemisch in einem Gasstrom bekannt. Derartige Vorrichtungen werden als Sensor, Sonde, Messsonde, Messfühler oder mit einem vergleichbaren Begriff bezeichnet. Bei dem Anteil der Gaskomponente an dem Gasgemisch kann es sich hierbei um eine Konzentration, einen Partialdruck, ein Volumen oder um eine weitere quantitative und/oder qualitative Größe handeln, die sich für diesen Zweck eignet. Als Gas dient insbesondere ein Abgas einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise aus dem Kraftfahrzeugbereich, wobei sich der Gasstrom im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors bewegt.
  • Ein derartiger Sensor umfasst mindestens ein Sensorelement, das mit Gas aus dem Gasstrom beaufschlagbar ist. Hierbei kann es sich insbesondere um eine Lambdasonde handeln. Lambdasonden werden vorzugsweise im Abgasstrang von Verbrennungsmotoren eingesetzt, um den Sauerstoffpartialdruck im Abgas zu erfassen. Derartige Lambdasonden sind beschrieben in Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Aufl., Springer Vieweg, 2012, S. 160–165. Lambdasonden, insbesondere universelle Lambdasonden, stellen zwei Stoffströme, vorzugsweise Sauerstoffströme, zwischen einem Hohlraum der Vorrichtung und dem Gasstrom ins Gleichgewicht. Einer der Stoffströme wird hierbei durch Konzentrationsunterschiede über eine Diffusionsbarriere getrieben. Ein weiterer Stoffstrom wird über einen Festkörperelektrolyten und zwei Elektroden, insbesondere zwei Pumpelektroden, gesteuert durch einen angelegten Pumpstrom, getrieben. Der Pumpstrom wird dabei vorzugsweise derart eingeregelt, dass sich in dem Hohlraum eine konstante, sehr geringe Sauerstoffkonzentration einstellt. Ein Konzentrationsprofil über die Diffusionsbarriere ist durch einen konstanten Regelpunkt in dem Hohlraum, insbesondere durch eine konstante Sollspannung resultierend in einer Sauerstoffkonzentration, und durch eine abgasseitige Sauerstoffkonzentration eindeutig bestimmt. Ein Zustrom von Sauerstoffmolekülen aus dem Gasstrom zum Hohlraum stellt sich entsprechend diesem eindeutigen Konzentrationsprofil ein und entspricht dem eingeregelten Pumpstrom. Auf diese Weise dient der Pumpstrom als Messwert für die Sauerstoffkonzentration im Gasstrom, insbesondere für die abgasseitig anliegende Sauerstoffkonzentration.
  • Lambdasonden verfügen insbesondere an ihrer abgasseitigen Spitze über so genannte Schutzrohre, die in den Abgasstrom hineinragen. Diese Schutzrohre sind üblicherweise im Wesentlichen röhrenförmig ausgestaltet und umgeben ein Gehäuse, in dem das Sensorelement, vorzugsweise mittels einer Dichtungsanordnung fixiert, eingebracht ist. Sowohl das Sensorelement als auch das Gehäuse können dabei eine große Formvielfalt aufweisen. So kann das Gehäuse ein- oder mehrteilig aufgebaut sein und beispielsweise Konturen aufweisen, die eine Positionierung des Sensorelements innerhalb eines bestimmten Bereichs im Gehäuse ermöglichen. Das Sensorelement selbst kann ebenfalls ein- oder mehrteilig ausgestaltet sein. Der Sensor wird in dem Gasstrom vorzugsweise derart positioniert, dass er in seiner Längserstreckung senkrecht zum Gasstrom angeordnet ist. Über Eintrittsöffnungen und Austrittsöffnungen in den Schutzrohren kann Gas aus dem Gasstrom das Sensorelement umströmen.
  • Das Schutzrohr kann einteilig, zweiteilig oder auch mehrteilig ausgeführt sein. Die DE 43 18 107 A1 beschreibt einen Gassensor, der zum Schutz des Sensorelements ein einwandiges Schutzrohr aufweist. Das Schutzrohr besitzt mindestens eine Öffnung zum Eintritt von Gas aus dem Gasstrom.
  • Die DE 199 24 319 A1 offenbart einen Gassensor, der zum Schutz eines keramischen Sensorelements ein Schutzrohr in zweiteiliger Ausführung mit einem Innenrohr und einem das Innenrohr umgebende Außenrohr aufweist. Das Innenrohr verfügt über Öffnungen für den Zutritt und Austritt von Gas aus dem Gasstrom und ist dazu eingerichtet, um das keramische Sensorelement vor einem direkten Kontakt mit dem Gas und/oder einem sich hieraus möglicherweise bildenden Abgaskondensat zu schützen.
  • Infolge ihres Aufbaus und ihrer Funktion liefert eine Lambdasonde erst ab einer Temperatur oberhalb von 600 °C ein verlässliches Messsignal, während die auch als Nominaltemperatur bezeichnete Betriebstemperatur der Lambdasonde typischerweise im Bereich zwischen 650 °C und 850 °C liegt. Um die Nominaltemperatur möglichst unabhängig von den Umgebungsbedingungen in einer möglichst kurzen Zeit zu erreichen, wird der Sensor elektrisch beheizt. Um auf diese Weise ein möglichst frühzeitiges Ansprechen des Sensors und damit ein möglichst frühzeitiges Auftreten von verwertbaren Messsignalen zu erreichen, ist ein schnelles Aufheizen des Sensors erforderlich, insbesondere bereits in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors.
  • In der Warmlaufphase entsteht bei einer Verbrennung in einem Verbrennungsmotor üblicherweise Wasserdampf, der auf den noch kalten Oberflächen des Abgasstrangs kondensiert. Selbst für eine auf Betriebstemperatur befindliche Sonde stellt das im Abgasstrang enthaltene Abgaskondensat eine Gefährdung dar. Trifft ein im Gasstrom aufgewirbelter Kondensattropfen auf das heiße keramische Sensorelement, so treten lokale Temperaturunterschiede auf, die zu hohen thermisch induzierten Spannungen im Sensor führen können, die eine Beschädigung oder eine Zerstörung der Sonde hervorrufen. Dieses Phänomen wird auch als "Thermoschock" bezeichnet.
  • Eine Möglichkeit, die Schutzwirkung des Schutzrohres gegen Wärme und Tropfenschlag zu verbessern, besteht darin, wie etwa in der DE 10 2007 030 795 A1 offenbart, eine Beschichtung, insbesondere aus einem Gewebe oder einem Vlies, zur Wärmedämmung und/oder zur Flüssigkeitsbindung an dem mindestens einen Schutzrohr vorzusehen. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Beschichtung zur Wärmedämmung aus einer Keramik, die vorzugsweise Zirkonoxid enthält, hergestellt ist.
  • Um den beschriebenen Thermoschock auszuschließen, wird in einer alternativen Vorgehensweise die Sonde üblicherweise in Phasen, in denen eine niedrige Abgastemperatur und somit Wasser im Abgasstrang zu erwarten ist, mit einer Temperatur unterhalb der Aktivierungstemperatur betrieben. Dieser Vorgang wird als so genanntes "Schutzheizen" bezeichnet. Der Nachteil dieser Maßnahme liegt jedoch darin, dass die Sonde in diesen Phasen nicht betriebsbereit ist. Erst wenn der Zustand erreicht ist, dass sich kein Wasser mehr im Abgas der Brennkraftmaschine befindet, was gewöhnlich und im Folgenden als "Taupunktende" bezeichnet wird, wird die Sonde auf ihre Normaltemperatur aufgeheizt.
  • Gemäß der DE 102 51 346 A1 wird unter der "Taupunktende-Temperatur" diejenige Temperatur verstanden, bei welcher das so genannte Taupunktende erreicht ist, d.h. es befindet sich kein flüssiges Wasser mehr im Abgasstrang in Strömungsrichtung des Abgases vor der Lambdasonde. Dabei ist es vorteilhaft, den Zeitpunkt für das Erreichen der Bedingung des Taupunktendes möglichst genau zu treffen, um so die Betriebsbereitschaft des Sensors möglichst frühzeitig herbeizuführen. Bei dieser Strategie der so genannten "Taupunktende-Bedatung" wird mit dem Beheizen der Sonde so lange abgewartet, bis das Abgaskondensat der Startphase sicher durch die ansteigende Abgaswärme abgetaut ist. Hierbei wird der Zeitraum, der zum Abdampfen der Flüssigkeiten erforderlich ist, in erster Linie durch die thermisch relevante Größe aller Komponenten im Abgasstrang bestimmt. Der Nachteil der Taupunktende-Bedatung liegt jedoch darin, dass innerhalb dieser Zeit keine Regelung des Sauerstoffgehalts im Abgasstrom möglich ist und daher die katalytische Nachbehandlung des Abgases während dieser Zeit nicht aktiviert wird.
  • Die vorliegende Erfindung hat demnach die Aufgabe, aus dem Stand der Technik bekannte Einschränkungen und Nachteile von Sensoren zur Bestimmung eines Anteils an einer Gaskomponente an einem Gasgemisch in einem Gasstrom zu überwinden.
  • Insbesondere soll im Zusammenhang mit der Taupunktende-Bedatung im Rahmen der Ansteuerung von Lambdasonden die Zeitspanne bis zum möglichst vollständigen Abdampfen von Flüssigkeiten in dem Schutzrohr um die Lambdasonde möglichst weitgehend verringert werden.
  • Insbesondere soll sich auf diese Weise die Lebensdauer des Sensorelements und damit der gesamten Sonde verlängern lassen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Sensor zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente an einem Gasgemisch in einem Gasstrom, insbesondere eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, vorgeschlagen, die mindestens ein Sensorelement umfasst, das mit Gas aus dem Gasstrom beaufschlagbar ist. Bei dem Sensorelement kann es sich insbesondere um eine Lambdasonde mit mindestens einer Zelle, bevorzugt mit einer oder mit zwei Zellen, handeln.
  • Erfindungsgemäß ist das Sensorelement von einem Schutzrohr umgeben, das in den Gasstrom hineinragt. Das Schutzrohr ist hierbei zweiteilig ausgeführt und weist jeweils ein gesondertes Innenrohr und ein, das Innenrohr umgebendes, gesondertes Außenrohr auf. Das Innenrohr und das Außenrohr sind derart zueinander angeordnet und so voneinander getrennt, dass sie einen vorzugsweise zumindest teilweise als Messgasraum eingerichteten, mit dem Gasgemisch beaufschlagbaren Zwischenraum ausbilden. Hierbei sind mindestens eine Eintrittsöffnung für Gas aus dem Gasstrom in den Zwischenraum und mindestens eine Austrittsöffnung für Gas aus dem Zwischenraum vorgesehen.
  • Erfindungsgemäß wird ein Innenrohr eingesetzt, das eine erste mittlere Wandstärke aufweist, und ein Außenrohr, das eine zweite mittlere Wandstärke aufweist, wobei die erste mittlere Wandstärke des Innenrohrs geringer ist als die zweite mittlere Wandstärke des Innenrohrs.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung nimmt hierbei die erste mittlere Wandstärke des Innenrohrs einen Wert an, der in einem Bereich liegt, der mindestens dem 0,5-fachen, bevorzugt mindestens dem 0,7-fachen, besonders bevorzugt mindestens dem 0,75-fachen, und höchstens dem 0,95-fachen, bevorzugt höchstens dem 0,9-fachen, besonders bevorzugt höchstens dem 0,85-fachen, insbesondere dem 0,8-fachen, der zweiten mittleren Wandstärke des Außenrohrs entspricht, wobei die erste mittlere Wandstärke des Innenrohrs stets geringer ist als die zweite mittlere Wandstärke des Außenrohrs.
  • Aus der Wandstärke eines Rohres lässt sich bei bekanntem Radius und bekannter Länge des Rohres das zugehörige Volumen des Rohres bestimmen. Da das Material, aus dem das Rohr gebildet ist, ebenfalls bekannt ist, ist auch dessen spezifische Dichte bekannt, woraus sich aus dem bekannten Volumen des Rohres und der bekannten spezifischen Dichte die Masse des Rohres bestimmen lässt. Da auch die spezifische Wärmekapazität des eingesetzten Materials bekannt ist, kann auf diese Weise die Wärmekapazität des betreffenden Rohres ermittelt werden.
  • Die Wärmekapazität eines Körpers, die auch als thermische Masse bezeichnet wird, umfasst diejenige thermische Energie, welche der Körper in Bezug auf eine Temperaturänderung aufzunehmen in der Lage ist. Je höher die Wärmekapazität des Körpers ist, umso mehr thermische Energie ist dazu erforderlich, um den Körper auf eine bestimmte, vorgegebene Temperatur zu erwärmen. Um daher einen Körper mittels einer möglichst geringen thermischen Energie zu erwärmen, ist es erforderlich, diesen mit einer möglichst geringen Wärmekapazität auszustatten, wobei die Wärmekapazität des Körpers durch das Produkt aus der Masse des Körpers mit seiner spezifischen Wärmekapazität gegeben ist.
  • Diese Anforderung wird erfindungsgemäß durch eine Verringerung der Masse bzw. des Volumens des Körpers erfüllt, da die Masse des Körpers mit seinem Volumen über die spezifische Dichte des Körpers in Verbindung steht. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird daher für das Innenrohr und das Außenrohr jeweils ein Material gewählt, das dieselbe spezifische Wärmekapazität besitzt, insbesondere dasselbe Material. Wird ein Innenrohr eingesetzt, das eine erste mittlere Wandstärke aufweist, und ein Außenrohr, das eine zweite mittlere Wandstärke aufweist, wobei die erste mittlere Wandstärke des Innenrohrs geringer ist als die zweite mittlere Wandstärke des Innenrohrs, nimmt die Wärmekapazität des Innenrohres einen geringeren Wert an als die Wärmekapazität des Außenrohres.
  • Eine noch geringere erste mittlere Wandstärke des Innenrohrs unterhalb des 0,5-fachen der zweiten mittleren Wandstärke des Außenrohrs hätte demgemäß zwar den Vorteil, dass sich die Wärmekapazität des Innenrohrs noch weiter verringern würde. Beim praktischen Einsatz der vorliegenden Erfindung hat es sich jedoch gezeigt, dass die Lebensdauer des Sensorelements und damit des gesamten Sensors aufgrund einer erhöhten thermischen Belastung des Innenrohrs mit noch ausreichend heißem Gas im Zwischenraum nach und nach wieder abnimmt, wenn die erste mittlere Wandstärke des Innenrohrs nach und nach einen Wert unterhalb dem 0,8-fachen der zweiten mittleren Wandstärke des Außenrohrs annimmt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weisen das Innenrohr und das Außenrohr zumindest jeweils an ihren Oberflächen eine hochtemperaturbeständige Legierung, insbesondere dieselbe hochtemperaturbeständige Legierung, auf, wobei sowohl das Innenrohr als auch das Außenrohr vorzugsweise jeweils vollständig aus der hochtemperaturbeständigen Legierung, insbesondere aus derselben hochtemperaturbeständige Legierung, ausgebildet sind.
  • Besonders geeignete hochtemperaturbeständige Legierungen sind Cr-Ni-Stähle oder Nickel-Basis-Legierungen. Besonders bevorzugt ist der Cr-Ni-Stahl 1.4845; wobei sich aber auch die Cr-Ni-Stähle 1.4828 und 1.4888 zum erfindungsgemäßen Einsatz eignen. Ebenfalls bevorzugt ist die Nickel-Basis-Legierung 2.4851; gut geeignet auch die Nickel-Basis-Legierung 2.4633.
  • In einer erfindungsgemäß besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Innenrohr derart um das Sensorelement angeordnet, dass es vollständig von dem Außenrohr umschlossen ist. Diese Anordnung bewirkt, dass das Innenrohr selbst nicht direkt in den Gasstrom hineinragt, sondern nur über den mit Gas aus dem Gasstrom beaufschlagbaren Zwischenraum mit dem Gas in Berührung kommt. Aufgrund dieser Anordnung ist das Innenrohr darüber hinaus einer wesentlich geringeren thermischen Belastung ausgesetzt, was sich insbesondere in einer längeren Lebensdauer für das Innenrohr und damit für die gesamte Sonde äußert.
  • In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Außenrohr derart ausgestaltet, dass es an der dem Gasstrom zugewandten Seite geschlossen ist. Dazu weist das Außenrohr insbesondere an der dem Gasstrom zugewandten Seite eine Abdeckung, insbesondere in Form einer Kappe, auf, die in den Gasstrom hineinragt. Auf diese Weise wird es möglich, das Sensorelement vorzugsweise an einer dem Gasstrom zugewandten Seite innerhalb des Innenrohrs anzuordnen, wobei die geschlossene Ausgestaltung des Außenrohrs hier insbesondere dem Schutz des Sensorelements vor der Wärme aus dem Gasstrom dient. Auch auf diese Weise wird die Lebensdauer des Sensorelements und damit der gesamten Sonde verlängert.
  • In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Sensorelement mindestens eine Pumpzelle mit einer äußeren Elektrode, mit einer inneren Elektrode und mit einem die äußere Elektrode und die innere Elektrode verbindenden Festkörperelektrolyten auf. Hierbei ist die äußere Elektrode mit Gas aus dem Zwischenraum beaufschlagbar, während die innere Elektrode an einem Elektrodenhohlraum angeordnet ist, der über eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Zwischenraum beaufschlagbar ist. Zum Betrieb der Pumpzelle wird zwischen der äußeren Elektrode und der inneren Elektrode eine feste Spannung angelegt. Sobald eine Sauerstoffkonzentration in dem Elektrodenhohlraum nahe Null ist, steigt ein Potenzial, insbesondere ein Nernstpotenzial, stark an und kompensiert teilweise die angelegte Spannung. Hierdurch kann bei dieser Lambdasonde mit einer Zelle mit guter Genauigkeit eine konstante Sauerstoffkonzentration in dem Elektrodenhohlraum eingeregelt werden.
  • In einer weiteren, bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Sensorelement weiterhin mindestens eine Nernstzelle auf. Die Nernstzelle umfasst mindestens eine sich in dem Elektrodenhohlraum befindliche Nernstelektrode, mindestens eine sich in einem Referenzgasraum befindliche Referenzelektrode und mindestens einen die beiden Elektroden verbindenden Festkörperelektrolyten, wobei es sich hier zumindest teilweise um denselben Festkörperelektrolyten handeln kann wie in der Pumpzelle. Bei einer solchen Lambdasonde mit zwei Zellen erfolgt die Regelung derart, dass sich die Sauerstoffkonzentration in dem Hohlraum nicht maßgeblich ändert.
  • Vorteile der Erfindung
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors, der ein Schutzrohr in einer zweiteiligen Ausführung mit einem Innenrohr und einem Außenrohr aufweist, wobei das Innenrohr eine geringere mittlere Wandstärke im Vergleich zum Außenrohr besitzt, besteht darin, dass sich das innere Schutzrohr im Vergleich zum äußeren Schutzrohr schneller aufheizen lässt. Auf diese Weise wird die Nominaltemperatur der Lambdasonde früher als nach dem Stand der Technik erreicht.
  • Dadurch ist es möglich, die Zeitspanne vom Start des Motors bis zur Einsetzung einer Regelbereitschaft der katalytischen Abgasnachbehandlung zu verringern. Damit wird eine frühere Regelbereitschaft der Lambdasonde erreicht, die sich daher schneller als bisher ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung unterziehen lässt. Aufgrund dieser Maßnahme wird insbesondere der Anteil an schädlichen Abgasen verringert, die vor allem in der Kaltstartphase von Verbrennungsmotoren auftreten.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist das Innenrohr darüber hinaus einer wesentlich geringeren thermischen Belastung ausgesetzt, was sich insbesondere in einer längeren Lebensdauer für das Innenrohr und damit für die gesamte Sonde, einschließlich des Sensorelements, äußert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors in Form einer Schnittzeichnung;
  • 2: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors in Draufsicht.
  • Ausführungsbeispiele
  • In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 110 zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente an einem Gasgemisch in einem Gasstrom 112 dargestellt. Die Hauptachse des Sensors 110 ist in diesem Ausführungsbeispiel senkrecht zur Richtung des Gasstroms 110 ausgerichtet. Der Sensor 110 umfasst ein Sensorelement 114, das von einem Schutzrohr umgeben ist, das in den Gasstrom hineinragt. Das Schutzrohr weist ein Innenrohr 116 und ein Außenrohr 118 auf, wobei das Innenrohr 116 und das Außenrohr 118 derart angeordnet sind, dass sie einen mit dem Gasgemisch 112 beaufschlagbaren Zwischenraum 120 ausbilden. Das Innenrohr 116 ist hierbei derart angeordnet, dass es vollständig von dem Außenrohr 118 umschlossen ist. Das Außenrohr 118 ist an der dem Gasstrom 112 zugewandten Seite 122 geschlossen ausgestaltet und weist eine Kappe 124 auf, die in den Gasstrom 112 hineinragt. Das Sensorelement 114 ist an einer dem Gasstrom 112 zugewandten Seite 122 innerhalb des Innenrohrs 116 angeordnet und die geschlossene Gestaltung des Außenrohrs dient insbesondere dem Schutz des Sensorelements 114 vor der Wärme aus dem Gasstrom 112. Weiterhin sind Eintrittsöffnungen 126 für Gas aus dem Gasstrom 112 in den Zwischenraum 120 und Austrittsöffnungen 128 für Gas aus dem Zwischenraum 120 vorgesehen. Das Schutzrohr ist mit einem Gehäuse 130 verbunden, das zum weiteren Schutz der Sonde 110 dient. Erfindungsgemäß weist das Innenrohr 116 eine Wandstärke von 0,4 mm auf, während das Außenrohr 118 eine Wandstärke von 0,5 mm aufweist. Damit nimmt der Quotient aus der Wandstärke des Innenrohrs 116 dividiert durch die Wandstärke des Außenrohrs 118 einen Wert von 0,8 an. Es hat sich experimentell gezeigt, dass bei einer Wandstärke des Innenrohrs, die dem 0,8-fachen der Wandstärke des Außenrohrs entspricht, die Lebensdauer des Sensors besonders lange ist. Als Material sowohl für das Innenrohr als auch für das Außenrohr wurde der Cr-Ni-Stahl 1.4845 oder die Nickel-Basis-Legierung 2.4851 eingesetzt.
  • In der 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 110 zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente an einem Gasgemisch in einem Gasstrom in Draufsicht dargestellt. Der Sensor 110 umfasst ein Sensorelement (nicht dargestellt), das von einem Schutzrohr in zweiteiliger Ausführung umgeben ist. Das Schutzrohr ragt in den Gasstrom 112 hinein und weist ein Außenrohr 118 auf, das ein Innenrohr (nicht dargestellt) vollständig umschließt. Das Innenrohr ist vom Außenrohr durch einen Zwischenraum (nicht dargestellt) getrennt. Das Außenrohr 118 ist an der dem Gasstrom 112 zugewandten Seite 122 geschlossen ausgestaltet und weist an der, dem Gasstrom 112 zugewandten Seite 122 eine Kappe 124 auf, die in den Gasstrom 112 hineinragt. Weiterhin sind Eintrittsöffnungen 118 für Gas aus dem Gasstrom 112 in den Zwischenraum (nicht dargestellt) vorgesehen. Das Schutzrohr ist auch hier mit einem Gehäuse 130 verbunden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 4318107 A1 [0004]
    • DE 19924319 A1 [0005]
    • DE 102007030795 A1 [0008]
    • DE 10251346 A1 [0010]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Konrad Reif, Hrsg., Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Aufl., Springer Vieweg, 2012, S. 160–165 [0002]

Claims (10)

  1. Sensor (110) zur Bestimmung eines Anteils einer Gaskomponente an einem Gasgemisch in einem Gasstrom (112), umfassend mindestens ein Sensorelement (114), das mit Gas aus dem Gasstrom (112) beaufschlagbar ist, wobei das Sensorelement (114) von einem Schutzrohr umgeben ist, das in den Gasstrom (112) hineinragt, wobei das Schutzrohr ein Innenrohr (116) und ein Außenrohr (118) aufweist, wobei das Innenrohr (116) und das Außenrohr (118) derart angeordnet sind, dass sie einen mit dem Gasgemisch beaufschlagbaren Zwischenraum (120) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (116) und das Außenrohr (118) derart ausgestaltet sind, dass das Innenrohr (116) eine erste mittlere Wandstärke aufweist und dass das Außenrohr (118) eine zweite mittlere Wandstärke aufweist, wobei die erste mittlere Wandstärke geringer ist als die zweite mittlere Wandstärke.
  2. Sensor (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste mittlere Wandstärke einen Wert annimmt, der mindestens dem 0,5-fachen und höchstens dem 0,95-fachen der zweiten mittleren Wandstärke entspricht.
  3. Sensor (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste mittlere Wandstärke einen Wert annimmt, der mindestens dem 0,7-fachen und höchstens dem 0,9-fachen der zweiten mittleren Wandstärke entspricht.
  4. Sensor (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste mittlere Wandstärke einen Wert annimmt, der mindestens dem 0,75-fachen und höchstens dem 0,85-fachen der zweiten mittleren Wandstärke entspricht.
  5. Sensor (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (116) und das Außenrohr (118) zumindest an ihrer Oberfläche über eine hochtemperaturbeständige Legierung verfügen.
  6. Sensor nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturbeständige Legierung einen Cr-Ni-Stahl oder eine Nickel-Basis-Legierung umfasst.
  7. Sensor (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenrohr (116) derart angeordnet ist, dass es vollständig vom dem Außenrohr (118) umschlossen ist.
  8. Sensor (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Außenrohr (118) an der dem Gasstrom zugewandten Seite (120) geschlossen ausgestaltet ist.
  9. Sensor (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (114) mindestens eine Pumpzelle mit einer äußeren Elektrode, einer inneren Elektrode und einem die äußere Elektrode und die innere Elektrode verbindenden Festkörperelektrolyten umfasst, wobei die äußere Elektrode mit Gas aus dem Zwischenraum (120) beaufschlagbar ist, wobei die innere Elektrode in einem Elektrodenhohlraum angeordnet ist, wobei der Elektrodenhohlraum über eine Diffusionsbarriere mit Gas aus dem Zwischenraum (120) beaufschlagbar ist.
  10. Sensor (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (114) weiterhin mindestens eine Nernstzelle umfasst, wobei die Nernstzelle mindestens eine in dem Elektrodenhohlraum angeordnete Nernstelektrode, mindestens eine in einem Referenzgasraum angeordnete Referenzelektrode und mindestens einen die Nernstelektrode und die Referenzelektrode verbindenden Festkörperelektrolyten umfasst.
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