DE102015205636A1

DE102015205636A1 - Measuring sensor, in particular gas sensor, for determining a physical property of a measuring gas

Info

Publication number: DE102015205636A1
Application number: DE102015205636.8A
Authority: DE
Inventors: Simon Rentschler; Stefan Buehler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-09-29
Also published as: WO2016155910A1

Abstract

Es wird ein Messfühler (10), insbesondere Gassensor, zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere einer Temperatur oder einer Konzentration einer Gaskomponente, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, vorgeschlagen. Der Messfühler (10) umfasst ein Messfühlergehäuse (12), ein Sensorelement (14), das mit einem dem Messgas aussetzbaren, gasseitigen Endabschnitt (16) in einer Längserstreckungsrichtung (18) aus dem Messfühlergehäuse (12) herausragt, ein erstes Schutzrohr (20) und ein zweites Schutzrohr (22). Das erste Schutzrohr (20) umgibt das zweite Schutzrohr (22). Das zweite Schutzrohr (22) umgibt den gasseitigen Endabschnitt (16) des Sensorelements (14). Zwischen dem ersten Schutzrohr (20) und dem zweiten Schutzrohr (22) ist ein Zwischenraum (30) gebildet. Das erste Schutzrohr (20) weist zum Erlauben eines Zutritts des Messgases in den Zwischenraum (30) mindestens eine Öffnung (32) auf. Das erste Schutzrohr (20) weist mindestens ein an die mindestens eine Öffnung (32) angrenzendes Drallerzeugungsmittel (34) zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas auf.A measuring sensor (10), in particular a gas sensor, is proposed for determining a physical property of a measuring gas in a measuring gas space, in particular a temperature or a concentration of a gas component, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine. The sensor (10) comprises a sensor housing (12), a sensor element (14) which protrudes out of the sensor housing (12) in a longitudinal direction (18) with a gas-side end section (16) which can be exposed to the measurement gas, a first protective tube (20). and a second protective tube (22). The first protective tube (20) surrounds the second protective tube (22). The second protective tube (22) surrounds the gas-side end section (16) of the sensor element (14). Between the first protective tube (20) and the second protective tube (22), a gap (30) is formed. The first protective tube (20) has at least one opening (32) for allowing an admission of the measuring gas into the intermediate space (30). The first protective tube (20) has at least one swirl generating means (34) adjacent to the at least one opening (32) for generating a swirl in the measuring gas.

Description

Stand der Technik State of the art

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. The present invention relates to a measuring sensor and more particularly to a gas sensor for determining a physical property of a measuring gas in a measuring gas space, in particular the temperature or the concentration of a gas component and in particular in the gas of an internal combustion engine.

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 einem Messfühlergehäuse 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. Such sensors are used, for example, as so-called lambda sensors for determining the oxygen concentration in the exhaust gas of an internal combustion engine. Such lambda probes are for example in Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 , described. In this case, the sensor element generally projects out of a sensor housing in a longitudinal direction of extension of the sensor. This longitudinal direction or longitudinal axis of the probe can simultaneously pretend an axis of symmetry of the probe, as well known sensors have a rotationally symmetrical structure with respect to said longitudinal direction.

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. Usually, the sensor element is surrounded by a protective tube. Since it is crucial that the sensor element can be brought into direct contact with the sample gas, the protective tube always has suitable openings in order to allow passage of the measuring gas flowing around.

Die DE 10 2008 041 041 A1 beschreibt einen Abgassensor mit einem Sensorelement, einem ersten Schutzrohr und einem zweiten Schutzrohr. Das erste Schutzrohr umgibt das zweite Schutzrohr, das wiederum das Sensorelement umgibt. The DE 10 2008 041 041 A1 describes an exhaust gas sensor with a sensor element, a first protective tube and a second protective tube. The first protective tube surrounds the second protective tube, which in turn surrounds the sensor element.

Trotz der durch die oben beschriebenen Messfühler bewirkten Vorteile beinhalten diese nach wie vor ein Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Messgenauigkeit. Beispielsweise hat im Stand der Technik das äußere oder erste Schutzrohr kreisrunde Öffnungen an einem Schulterabschnitt, während das innere oder zweite Schutzrohr mit Drallklappen versehen ist. Bei den Messfühlern des Standes der Technik zeigt die Sauerstoffmessung trotz des Einsatzes von Drallklappen eine Streuung des Sensorsignals in Abhängigkeit der zufällig vorliegenden Drehwinkeleinbaulage des Sensorelements, des ersten Schutzrohrs und des zweiten Schutzrohrs. Despite the advantages afforded by the probes described above, these still provide potential for improvement in measurement accuracy. For example, in the prior art, the outer or first protection tube has circular openings at a shoulder portion, while the inner or second protection tube is provided with swirl flaps. In the case of the measuring sensors of the prior art, despite the use of swirl flaps, the oxygen measurement shows a scattering of the sensor signal as a function of the random rotational angle installation position of the sensor element, the first protective tube and the second protective tube.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Es wird daher ein Messfühler vorgeschlagen, der die oben genannten Nachteile zumindest weitgehend vermeidet und der eine optimierte Strömungsführung in den Schutzrohren erlaubt, um eine rotationssymmetrische Strömung und eine homogene Sauerstoffkonzentrationsverteilung um die Längsachse des Sensorelements im zweiten Schutzrohr zu gewährleisten. Therefore, a measuring sensor is proposed which at least largely avoids the abovementioned disadvantages and which permits optimized flow guidance in the protective tubes in order to ensure a rotationally symmetrical flow and a homogeneous oxygen concentration distribution about the longitudinal axis of the sensor element in the second protective tube.

Ein erfindungsgemäßer Messfühler, insbesondere Gassensor, zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere einer Temperatur oder einer Konzentration einer Gaskomponente, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, umfasst ein Messfühlergehäuse, ein Sensorelement, das mit einem dem Messgas aussetzbaren, gasseitigen Endabschnitt in einer Längserstreckungsrichtung aus dem Messfühlergehäuse herausragt, ein erstes Schutzrohr und ein zweites Schutzrohr. Dabei umgibt das erste Schutzrohr das zweite Schutzrohr, wobei das zweite Schutzrohr den gasseitigen Endabschnitt des Sensorelements umgibt, wobei zwischen dem ersten Schutzrohr und dem zweiten Schutzrohr ein Zwischenraum gebildet ist, wobei das erste Schutzrohr zum Erlauben eines Zutritts des Messgases in den Zwischenraum mindestens eine Öffnung aufweist, wobei das erste Schutzrohr mindestens ein an die mindestens eine Öffnung angrenzendes Drallerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas aufweist. A sensor according to the invention, in particular a gas sensor, for determining a physical property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular a temperature or a concentration of a gas component, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine, comprises a sensor housing, a sensor element which can be exposed to a gas-side end section which can be exposed to the measurement gas a longitudinal extension direction protrudes from the sensor housing, a first protective tube and a second protective tube. In this case, the first protective tube surrounds the second protective tube, wherein the second protective tube surrounds the gas-side end portion of the sensor element, wherein a gap is formed between the first protective tube and the second protective tube, wherein the first protective tube for allowing an admission of the measuring gas into the intermediate space at least one opening wherein the first protective tube has at least one swirl generating means adjacent to the at least one opening for generating a swirl in the measuring gas.

Das Drallerzeugungsmittel des ersten Schutzrohrs kann zu dem Zwischenraum hin ausgerichtet sein. Die Öffnung des ersten Schutzrohrs kann rechteckig ausgebildet sein. Das erste Schutzrohr kann einen Schulterabschnitt aufweisen, wobei die Öffnung des ersten Schutzrohrs und das Drallerzeugungsmittel des ersten Schutzrohrs in dem Schulterabschnitt ausgebildet sind. Das Drallerzeugungsmittel des ersten Schutzrohrs kann eine Drallerzeugungsfläche aufweisen, wobei die Drallerzeugungsfläche des ersten Schutzrohrs gegenüber dem Schulterabschnitt in einem Winkel von 10 ° bis 80 ° und bevorzugt von 30 ° bis 70 ° geneigt ist. Das Drallerzeugungsmittel des ersten Schutzrohrs kann mindestens eine Seitenfläche aufweisen, wobei die Seitenfläche die Drallerzeugungsfläche mit einem Rand der Öffnung des ersten Schutzrohrs verbindet. Das erste Schutzrohr kann mehrere Öffnungen zum Erlauben eines Zutritts des Messgases in den Zwischenraum aufweisen, wobei das erste Schutzrohr mehrere an die Öffnungen angrenzende Drallerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas aufweist, wobei die Drallerzeugungsmittel Drallerzeugungsflächen aufweisen, wobei die Drallerzeugungsflächen in einer Umfangsrichtung um die Längserstreckungsrichtung identisch orientiert sind. Das zweite Schutzrohr kann zum Erlauben eines Zutritts des Messgases aus dem Zwischenraum in einen Innenraum des zweiten Schutzrohrs mindestens eine Öffnung aufweisen, wobei das zweite Schutzrohr mindestens ein an die mindestens eine Öffnung des zweiten Schutzrohrs angrenzendes Drallerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas aufweist. Das zweite Schutzrohr kann ein dem Messfühlergehäuse abgewandtes stirnseitiges Ende aufweisen, wobei das zweite Schutzrohr mindestens eine an dem stirnseitigen Ende ausgebildete Auslassöffnung aufweist, wobei das zweite Schutzrohr mindestens ein an die mindestens eine Auslassöffnung angrenzendes Drallerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas aufweist. Schließlich kann das erste Schutzrohr ein dem Messfühlergehäuse abgewandtes stirnseitiges Ende aufweisen, wobei das erste Schutzrohr eine an dem stirnseitigen Ende des ersten Schutzrohrs ausgebildete Auslassöffnung aufweist, wobei das an die Auslassöffnung des zweiten Schutzrohrs angrenzende Drallerzeugungsmittel zu dem stirnseitigen Ende des ersten Schutzrohrs hin ausgerichtet ist. The swirl generating means of the first protective tube may be oriented toward the gap. The opening of the first protective tube may be rectangular. The first protection tube may have a shoulder portion, wherein the opening of the first protection tube and the swirl generating means of the first protection tube are formed in the shoulder portion. The swirl generating means of the first protection tube may have a swirl-generating surface, wherein the swirl-generating surface of the first protection tube is inclined with respect to the shoulder portion at an angle of 10 ° to 80 °, and preferably 30 ° to 70 °. The swirl generating means of the first protective tube may have at least one side surface, wherein the side surface connects the swirl-generating surface to an edge of the opening of the first protective tube. The first protection tube may include a plurality of openings for allowing the sample gas to enter the gap, the first protection tube having a plurality of swirl generating means adjacent the openings for generating a swirl in the measurement gas, the swirl generating means having swirl generating surfaces, the swirl generating surfaces being circumferentially spaced around the swirl generating surfaces Longitudinal direction are oriented identically. The second protective tube may have at least one opening for allowing an admission of the measuring gas from the intermediate space into an inner space of the second protective tube, wherein the second protective tube has at least one at least one opening of the second protective tube adjacent swirl generating means for generating a swirl in the sample gas. The second protective tube may have an end facing away from the sensor housing, the second protective tube having at least one outlet opening formed at the front end, the second protective tube having at least one swirl generating means adjacent to the at least one outlet opening for generating a swirl in the sample gas. Finally, the first protective tube may have a front end facing away from the sensor housing, wherein the first protective tube has an outlet opening formed at the front end of the first protective tube, wherein the swirl generating means adjacent to the outlet opening of the second protective tube is aligned with the front end of the first protective tube.

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. In the context of the present invention, a direction of extension of the sensor element is understood to mean an extension direction which is parallel to a longitudinal dimension of the sensor element. The longitudinal direction can define a longitudinal axis of the probe.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, Rotationssymmetrie der Strömung bezüglich der Längsachse des Sensorelements nicht erst innerhalb des zweiten Schutzrohrs zu erzielen, sondern bereits durch entsprechende Schulterdrallflächen im ersten Schutzrohr. Der Impuls der ankommenden (Staupunkt-)Abgasströmung kann so beim Übergang ins erste Schutzrohr zum Aufbau des gewünschten Strömungsdrehimpulses genutzt werden. Durch die Drallklappen am zweiten Schutzrohr bleibt dieser Drehimpuls erhalten und wird (konvektiv) in das Volumen des zweiten Schutzrohrs hineingetragen. Dadurch können die Wirbelstärke und die Rotationssymmetrie um das Sensorelement erhöht werden. Der messbare Vorteil der Erfindung liegt in einer geringeren Streuung der Sensordynamik in Abhängigkeit der zufälligen Drehwinkeleinbaulage von Schutzrohren und Sensorelement. A basic idea of the present invention is to achieve rotational symmetry of the flow with respect to the longitudinal axis of the sensor element not only within the second protective tube, but already through corresponding shoulder spin surfaces in the first protective tube. The impulse of the incoming (stagnation point) exhaust gas flow can thus be used for the transition to the first protective tube to build up the desired flow angular momentum. Due to the swirl flaps on the second protective tube, this angular momentum is maintained and is carried (convectively) into the volume of the second protective tube. As a result, the vorticity and the rotational symmetry about the sensor element can be increased. The measurable advantage of the invention lies in a smaller dispersion of the sensor dynamics as a function of the random angle of rotation installation position of protective tubes and sensor element.

Der prinzipielle konstruktive Aufbau der Erfindung bildet den Aufbau der Messfühler des Standes der Technik weiter. Der entscheidende Unterschied liegt in der Geometrie der Eintrittsöffnungen an der Schulter des ersten Schutzrohrs. Statt kreisrunder Öffnungen, also Löchern, kommen hier bevorzugt Schulterdrallflächen zum Einsatz. Diese Schulterdrallflächen können durch Eindrücken der Außenwand des ersten Schutzrohrs in das Volumen des ersten Schutzrohrs gebildet werden. Fertigungstechnisch kann dies durch einen Prägestempel mit entsprechender Negativgeometrie realisiert werden. Die Parameter der Drallklappengeometrie sind die Größe der Durchtrittsfläche, die Anzahl der Drallflächen sowie die Neigungswinkel der Schulterdrallflächen. Diese Parameter können hinsichtlich Sensordynamik und deren Streuung zur Optimierung herangezogen werden. The basic structural design of the invention further enhances the structure of the prior art probes. The decisive difference lies in the geometry of the inlet openings on the shoulder of the first protective tube. Instead of circular openings, so holes, here preferably shoulder twist surfaces are used. These shoulder swirl surfaces can be formed by pressing the outer wall of the first protective tube into the volume of the first protective tube. Manufacturing technology, this can be realized by an embossing die with the appropriate negative geometry. The parameters of the swirl flap geometry are the size of the passage area, the number of swirl surfaces and the angles of inclination of the shoulder swirl surfaces. These parameters can be used for sensor dynamics and their dispersion for optimization.

Durch die Schulterdrallflächen wird erreicht, dass die Strömung beim Eintritt vom Abgasrohr in das Volumen des ersten Schutzrohrs einen Drehimpuls durch die ankommende Abgasströmung erhält. Dadurch kann die Wirbelstärke der Strömung im Volumen des zweiten Schutzrohrs erhöht und die Rotationssymmetrie der Strömung verbessert werden. Die Sauerstoffkonzentration im Volumen des zweiten Schutzrohrs wird dabei homogen verteilt. Es wird somit gewährleistet, dass die Messung der Sauerstoffkonzentration unabhängig von der zufälligen Drehwinkeleinbaulage des Sensorelements und der Schutzrohre wird. Through the shoulder swirl surfaces it is achieved that the flow on entering the exhaust pipe into the volume of the first protective tube receives an angular momentum from the incoming exhaust gas flow. As a result, the vorticity of the flow in the volume of the second protective tube can be increased and the rotational symmetry of the flow can be improved. The oxygen concentration in the volume of the second protective tube is thereby distributed homogeneously. It is thus ensured that the measurement of the oxygen concentration becomes independent of the random rotational angle mounting position of the sensor element and the protective tubes.

Analog zum Eindrücken der Schulterdrallflächen am ersten Schutzrohr können auch an der Prallplatte Drallflächen zum Einsatz kommen. Die Prägung der Drallflächen erfolgt dann aber von innen nach außen zum Stirnloch hin. Der Vorteil besteht dann darin, dass der Wirbel im Volumen des zweiten Schutzrohrs erhalten bleibt und (konvektiv) durch die Drallflächen nach außen geführt werden kann. Auch ohne den Einsatz von Drallklappen am zweiten Schutzrohr können die Drallflächen am ersten Schutzrohr allein zu einer besseren, drehwinkelunabhängigen Dynamikmessung beitragen. Ebenso ist es denkbar, die Drallflächen seitlich zu schließen, um eine bessere Strömungsführung in das Volumen des ersten Schutzrohrs hinein zu gewährleisten. Analogous to the impressions of the shoulder swirl surfaces on the first protective tube, swirl surfaces can also be used on the impact plate. The embossing of the swirl surfaces then takes place from the inside out to the front hole. The advantage is then that the vortex is maintained in the volume of the second protective tube and (convective) can be guided by the swirl surfaces to the outside. Even without the use of swirl flaps on the second protective tube, the swirl surfaces on the first protective tube alone can contribute to a better, rotational angle-independent dynamic measurement. Likewise, it is conceivable to close the swirl surfaces laterally in order to ensure a better flow guidance into the volume of the first protective tube.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen: Show it:

1 eine Querschnittsansicht parallel zu einer Längserstreckungsrichtung eines Sensorelements eines Messfühlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, 1 a cross-sectional view parallel to a longitudinal direction of a sensor element of a sensor according to an embodiment of the invention,

2 eine perspektivische Ansicht des Messfühlers, 2 a perspective view of the probe,

3 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A der 2. 3 a cross-sectional view along a line AA of 2 ,

4 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Messfühlers parallel zu einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements und 4 an enlarged cross-sectional view of the probe parallel to a longitudinal direction of the sensor element and

5 einen Verlauf einer Konzentrationsänderung über die Zeit. 5 a course of a change in concentration over time.

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

1 zeigt in einer Querschnittsansicht 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 dargestellte 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. 1 shows in a cross-sectional view of a sensor 10 according to a first embodiment. To reduce the pollutant emissions of internal combustion engines, such as internal combustion engines in vehicles, a so-called three-way catalytic converter with lambda control is used. The in 1 partial sensors shown 10 is exemplified configured as a lambda probe, which is used in the lambda control. The lambda probe is used to control the air-fuel mixture in order to be able to set a possible stoichiometric mixture or another known composition by means of a measurement of the concentration of the oxygen content in the exhaust gas of the internal combustion engine so that pollutant emissions are minimized by the most optimal possible combustion.

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. This lambda probe will be described below as a first exemplary embodiment of a general sensor used or designed as a gas sensor 10 described with which a physical property of a sample gas, in particular the temperature or the concentration of a gas component is determined.

Der Messfühler 10 weist ein Messfühlergehäuse 12 und Sensorelement 14 auf. Ein derartiges Sensorelement 14 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 14 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 14 durch Verweis eingeschlossen. Beispielsweise ist das Sensorelement 14 als planares Sensorelement ausgebildet. Das Sensorelement 14 ragt mit einem dem Messgas ausgesetzten, gasseitigen Endabschnitt 16 in einer Längserstreckungsrichtung 18 aus dem Messfühlergehäuse 12 heraus. Die Längserstreckungsrichtung 18 verläuft bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel innerhalb der Zeichenebene. Entsprechend ist die Schnittdarstellung der 1 parallel zu der Längserstreckungsrichtung 18. The sensor 10 has a sensor housing 12 and sensor element 14 on. Such a sensor element 14 is from the above-described prior art and in particular from Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 known, so on the details of the construction of the sensor element 14 will not be discussed in detail. Instead, the above prior art is off Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 with regard to the sensor element 14 included by reference. For example, the sensor element 14 designed as a planar sensor element. The sensor element 14 protrudes with a gas side exposed to the gas side 16 in a longitudinal direction 18 from the sensor housing 12 out. The longitudinal direction 18 runs at the in 1 shown embodiment within the drawing plane. Accordingly, the sectional view of 1 parallel to the longitudinal direction 18 ,

Der Messfühler 10 weist weiterhin ein erstes Schutzrohr 20 und ein zweites Schutzrohr 22 auf. Das erste Schutzrohr 20 ist rotationssymmetrisch um die Längserstreckungsrichtung 18 ausgebildet. Das erste Schutzrohr 20 weist einen ersten Abschnitt 24 und einen zweiten Abschnitt 26 auf. Ein Durchmesser des ersten Abschnitts 24 ist größer als ein Durchmesser des zweiten Abschnitts 26. Zwischen dem ersten Abschnitt 24 und dem zweiten Abschnitt 26 weist das erste Schutzrohr 20 einen Schulterabschnitt 28 auf. Das erste Schutzrohr 20 umgibt das zweite Schutzrohr 22. Dabei ist zwischen dem ersten Schutzrohr 20 und dem zweiten Schutzrohr 22 ein Zwischenraum 30 gebildet. Zum Erlauben eines Zutritts des Messgases in den Zwischenraum 30 weist das erste Schutzrohr 20 mindestens eine Öffnung 32 auf. Das erste Schutzrohr 20 weist weiterhin mindestens ein an die Öffnung 32 angrenzendes Drallerzeugungsmittel 34 auf. Die Öffnung 32 des ersten Schutzrohrs 20 und das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 sind in dem Schulterabschnitt 28 ausgebildet. Die Öffnung 32 ist rechteckig ausgebildet. Das Drallerzeugungsmittel 34 ist zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas ausgebildet. Das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 ist zu dem Zwischenraum 30 hin ausgerichtet. Das erste Schutzrohr 20 weist weiterhin ein dem Messfühlergehäuse 12 abgewandtes stirnseitiges Ende 36 auf. An dem stirnseitigen Ende 36 weist das erste Schutzrohr 20 eine Auslassöffnung 38 auf. The sensor 10 also has a first protective tube 20 and a second protective tube 22 on. The first protective tube 20 is rotationally symmetric about the longitudinal direction 18 educated. The first protective tube 20 has a first section 24 and a second section 26 on. A diameter of the first section 24 is larger than a diameter of the second section 26 , Between the first section 24 and the second section 26 has the first protective tube 20 a shoulder section 28 on. The first protective tube 20 surrounds the second protective tube 22 , It is between the first protective tube 20 and the second protection tube 22 a gap 30 educated. For allowing an admission of the measurement gas into the gap 30 has the first protective tube 20 at least one opening 32 on. The first protective tube 20 also has at least one at the opening 32 adjacent swirl generator 34 on. The opening 32 of the first protective tube 20 and the swirling agent 34 of the first protective tube 20 are in the shoulder section 28 educated. The opening 32 is rectangular. The swirl generator 34 is designed to generate a twist in the measurement gas. The swirl generator 34 of the first protective tube 20 is to the gap 30 aligned. The first protective tube 20 also indicates the sensor housing 12 facing away from the front end 36 on. At the front end 36 has the first protective tube 20 an outlet opening 38 on.

2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Messfühlers 10. Wie in 2 gezeigt, kann das erste Schutzrohr 20 mehrere Öffnungen 32 zum Erlauben eines Zutritts des Messgases in den Zwischenraum 30 aufweisen. Die Öffnungen 32 sind beispielsweise in dem Schulterabschnitt 28 ausgebildet und in einer Umfangsrichtung um die Längserstreckungsrichtung 18 verteilt, beispielsweise gleichmäßig verteilt. Analog kann das erste Schutzrohr 20 mehrere an die Öffnungen 32 angrenzende Drallerzeugungsmittel 34 zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas aufweisen. Mit anderen Worten weist das erste Schutzrohr 20 an jeder Öffnung 32 ein Drallerzeugungsmittel 34 auf. Das Drallerzeugungsmittel 34 weist eine Drallerzeugungsfläche 40 auf. Bei mehreren Öffnungen 32 weist jedes Drallerzeugungsmittel 34 eine Drallerzeugungsfläche 40 auf. Wie in 2 gezeigt, sind die Drallerzeugungsflächen 40 in einer Umfangsrichtung um die Längserstreckungsrichtung 18 identisch orientiert. Mit anderen Worten sind die Drallerzeugungsflächen 40 bei einem gedanklichen Aufklappen und Entrollen des ersten Schutzrohrs 20 um die Längserstreckungsrichtung 18 parallel orientiert. 2 shows a perspective view of the probe 10 , As in 2 shown, the first protective tube 20 several openings 32 for allowing an admission of the measuring gas into the intermediate space 30 exhibit. The openings 32 are for example in the shoulder section 28 formed and in a circumferential direction about the longitudinal direction 18 distributed, for example, evenly distributed. Analogously, the first protective tube 20 several to the openings 32 adjacent swirling agents 34 for generating a swirl in the measurement gas. In other words, the first protective tube 20 at every opening 32 a swirling agent 34 on. The swirl generator 34 has a swirl-producing surface 40 on. For several openings 32 indicates each spin agent 34 a swirl-producing surface 40 on. As in 2 shown are the swirl generating surfaces 40 in a circumferential direction about the longitudinal direction 18 identically oriented. In other words, the swirl generating surfaces 40 with a mental unfolding and unrolling of the first protective tube 20 around the longitudinal direction 18 oriented in parallel.

3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A der 2. Der Schnitt verläuft dabei insbesondere durch den Schulterabschnitt 28 mit einer Öffnung 32 und einem Drallerzeugungsmittel 34. Zu erkennen ist die Drallerzeugungsfläche 40, die bezogen auf die Darstellung der 3 nach unten verläuft. Bezogen auf die Darstellung der 2 ist das Drallerzeugungsmittel 34 somit zu dem Zwischenraum 30 hin orientiert. Die Drallerzeugungsfläche 40 des ersten Schutzrohrs 20 kann gegenüber dem Schulterabschnitt 28 bzw. der Öffnung 32 in einem Winkel von 10 ° bis 80 ° und bevorzugt von 30 ° bis 70 °, wie beispielsweise 45 °, geneigt sein. Optional kann das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 mindestens eine Seitenfläche aufweisen (nicht näher gezeigt). Die Seitenfläche verbindet die Drallerzeugungsfläche 40 mit einem Rand 42 der Öffnung 32 des ersten Schutzrohrs 20. Die Seitenfläche steht dabei senkrecht auf der Drallerzeugungsfläche 40. 3 shows a section along the line AA of 2 , The cut runs in particular through the shoulder section 28 with an opening 32 and a swirling agent 34 , Evident is the swirl generation surface 40 related to the presentation of the 3 goes down. Related to the representation of the 2 is the spin agent 34 thus to the gap 30 oriented. The swirl generation surface 40 of the first protective tube 20 can be opposite the shoulder section 28 or the opening 32 at an angle of 10 ° to 80 °, and preferably from 30 ° to 70 °, such as For example, 45 °, be inclined. Optionally, the swirl generating agent 34 of the first protective tube 20 have at least one side surface (not shown in detail). The side surface connects the swirl-producing surface 40 with a border 42 the opening 32 of the first protective tube 20 , The side surface is perpendicular to the swirl-producing surface 40 ,

Unter Rückkehr zur 1 ist zu erkennen, dass das zweite Schutzrohr 22 zum Erlauben eines Zutritts des Messgases aus dem Zwischenraum 30 in einen Innenraum 44 des zweiten Schutzrohrs 22, in dem das Sensorelement 14 angeordnet ist, mindestens eine Öffnung 46 aufweist. Beispielsweise weist das zweite Schutzrohr 22 mehrere Öffnungen 46 auf. Optional kann das zweite Schutzrohr 22 mindestens ein an der mindestens einen Öffnung 46 des zweiten Schutzrohrs 22 angrenzendes Drallerzeugungsmittel 48 zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas aufweisen. Beispielsweise ist jeder Öffnung 46 des zweiten Schutzrohrs 22 ein Drallerzeugungsmittel 48 zugeordnet. Das zweite Schutzrohr 22 weist weiterhin ein dem Messfühlergehäuse 12 abgewandtes stirnseitiges Ende 50 auf. Das stirnseitige Ende 50 des zweiten Schutzrohrs 22 ist in axialer Richtung bezüglich der Längserstreckungsrichtung 18 von dem stirnseitigen Ende 36 des ersten Schutzrohrs 20 beabstandet. Das zweite Schutzrohr 22 weist mindestens eine an dem stirnseitigen Ende 50 ausgebildete Auslassöffnung 52 auf. Beispielsweise weist das zweite Schutzrohr 22 an dem stirnseitigen Ende 50 mehrere Auslassöffnungen 52 auf. Under return to 1 it can be seen that the second protective tube 22 for allowing an admission of the measuring gas from the intermediate space 30 in an interior 44 of the second protective tube 22 in which the sensor element 14 is arranged, at least one opening 46 having. For example, the second protective tube 22 several openings 46 on. Optionally, the second protection tube 22 at least one at the at least one opening 46 of the second protective tube 22 adjacent swirl generator 48 for generating a swirl in the measurement gas. For example, every opening 46 of the second protective tube 22 a swirling agent 48 assigned. The second protective tube 22 also indicates the sensor housing 12 facing away from the front end 50 on. The frontal end 50 of the second protective tube 22 is in the axial direction with respect to the longitudinal direction 18 from the front end 36 of the first protective tube 20 spaced. The second protective tube 22 has at least one at the front end 50 trained outlet opening 52 on. For example, the second protective tube 22 at the front end 50 several outlet openings 52 on.

4 zeigt eine Querschnittsansicht des Messfühlers 10 parallel zu der Längserstreckungsrichtung 18. Wie aus 2 zu erkennen ist, kann das zweite Schutzrohr 22 optional mindestens ein an die mindestens eine Auslassöffnung 52 angrenzendes Drallerzeugungsmittel 54 zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas aufweisen. Das Drallerzeugungsmittel 54 des zweiten Schutzrohrs 22 ist zu dem stirnseitigen Ende 36 des ersten Schutzrohrs 20 hin ausgereichtet. 4 shows a cross-sectional view of the probe 10 parallel to the longitudinal direction 18 , How out 2 It can be seen, the second protective tube 22 optionally at least one of the at least one outlet opening 52 adjacent swirl generator 54 for generating a swirl in the measurement gas. The swirl generator 54 of the second protective tube 22 is to the frontal end 36 of the first protective tube 20 outstretched.

Das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 kann durch Eindrücken der Wand des ersten Schutzrohrs 20 nach innen erzeugt werden. Beispielsweise kann das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 durch einen Prägestempel mit entsprechender Negativgeometrie realisiert werden. Analog kann das Drallerzeugungsmittel 54 des zweiten Schutzrohrs 22 an der Auslassöffnung 52 des stirnseitigen Endes 50 des zweiten Schutzrohrs 22 durch Herausdrücken der Wand des zweiten Schutzrohrs 22 erzeugt werden. Durch das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 erhält die Strömung des Messgases einen Drehimpuls in dem Zwischenraum 30, der die Wirbelstärke und die Rotationssymmetrie der Strömung in dem zweiten Schutzrohr 22 erhöht. The swirl generator 34 of the first protective tube 20 can by pushing the wall of the first protective tube 20 be generated inside. For example, the swirl generating agent 34 of the first protective tube 20 be realized by an embossing die with corresponding negative geometry. Analogously, the swirl-producing agent 54 of the second protective tube 22 at the outlet 52 of the front end 50 of the second protective tube 22 by pushing out the wall of the second protective tube 22 be generated. By the swirling agent 34 of the first protective tube 20 the flow of the measuring gas receives an angular momentum in the intermediate space 30 , the vorticity and the rotational symmetry of the flow in the second protection tube 22 elevated.

5 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Konzentrationsänderung im Abgas des Messfühlers 10. Auf der X-Achse 56 ist die Zeit aufgetragen und auf der Y-Achse 58 ist die Konzentrationsänderung aufgetragen. Eine Linie 60 gibt eine Konzentrationsänderung von 63 % an. Die zugehörige Zeit t₆₃, nach der 63 % der Konzentrationsänderung im Messgas in dem Messfühler 10 gemessen sind, wird dabei als Nachweis der besseren Messgenauigkeit gegenüber dem Stand der Technik herangezogen. So geben die Linien 62 und 64 den zeitlichen Verlauf der Konzentrationsänderung bei einem herkömmlichen Messfühler nach dem Stand der Technik wieder. Die Linien 66 und 68 geben dagegen den zeitlichen Verlauf der Konzentrationsänderung bei einem Messfühler 10 gemäß der vorliegenden Erfindung wieder. Wie aus der 5 zu erkennen ist, weist der Messfühler 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eine geringere Streuung 70 der Konzentrationsänderung bezogen auf die Zeit t₆₃ als eine Streuung 72 bei dem Messfühler aus dem Stand der Technik auf. Mit anderen Worten liegen die Linien 66 und 68 deutlich dichter beieinander als die Linien 62 und 64. Dies zeigt, dass durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Drallerzeugungsmittel 34 an dem ersten Schutzrohr 20 das Messergebnis verbessert werden kann, indem die Strömungsführung optimiert wird. Mit anderen Worten ist das Messergebnis unabhängig von der relativen Einbaulage zum einen des Sensorelements innerhalb des zweiten Schutzrohrs 22 und zum anderen des ersten Schutzrohrs 20 und des zweiten Schutzrohrs 22 zu dem Messgasraum. Die Strömungsführung wird insbesondere dadurch optimiert, dass sich ein ausgezeichneter Drehimpuls im Volumen des Zwischenraums 30 einstellt, so dass der Impuls der einkommenden Abgasströmung ideal genutzt wird. Durch die Wirbelstärke der Strömung im Inneren des zweiten Schutzrohrs 22, die durch den Drehimpuls des Messgases in dem Zwischenraum 30 erhöht ist, kann die Rotationssymmetrie der Strömung erhöht werden. Die Sauerstoffkonzentration im Volumen des Innenraums 44 wird homogen verteilt. Es wird somit gewährleistet, dass die Messung der Sauerstoffkonzentration unabhängig von der zufälligen Drehwinkeleinbaulage des Sensorelements 14 und der Schutzrohre 20, 22 wird. 5 shows a time course of a change in concentration in the exhaust gas of the probe 10 , On the X axis 56 the time is plotted and on the y-axis 58 the concentration change is plotted. A line 60 indicates a concentration change of 63%. The associated time t ₆₃ , after 63% of the concentration change in the sample gas in the probe 10 are measured, it is used as evidence of better measurement accuracy over the prior art. So give the lines 62 and 64 the time course of the concentration change in a conventional sensor according to the prior art again. The lines 66 and 68 on the other hand give the time course of the change in concentration at a sensor 10 according to the present invention again. Like from the 5 can be seen, the sensor points 10 according to the present invention, less scattering 70 the concentration change with respect to the time t ₆₃ as a scatter 72 in the probe of the prior art. In other words, the lines are there 66 and 68 significantly closer together than the lines 62 and 64 , This shows that the swirl-producing agent provided according to the invention 34 on the first protective tube 20 the measurement result can be improved by optimizing the flow guidance. In other words, the measurement result is independent of the relative mounting position on the one hand of the sensor element within the second protective tube 22 and the other of the first protective tube 20 and the second protective tube 22 to the sample gas chamber. The flow guidance is optimized in particular by an excellent angular momentum in the volume of the intermediate space 30 so that the momentum of the incoming exhaust gas flow is ideally utilized. Due to the vorticity of the flow inside the second protective tube 22 caused by the angular momentum of the sample gas in the gap 30 is increased, the rotational symmetry of the flow can be increased. The oxygen concentration in the volume of the interior 44 is distributed homogeneously. It is thus ensured that the measurement of the oxygen concentration is independent of the random rotation angle mounting position of the sensor element 14 and the protective tubes 20 . 22 becomes.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008041041 A1 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 [0002]
Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 [0023]
Konrad Reif (ed.): Sensors in the motor vehicle, 1st edition 2010, pp. 160-165 [0023]

Claims

Sensor ( 10 ), in particular a gas sensor, for determining a physical property of a measurement gas in a measurement gas space, in particular a temperature or a concentration of a gas component, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine, comprising a sensor housing ( 12 ), a sensor element ( 14 ) which can be exposed to a gas-side end section ( 16 ) in a longitudinal direction ( 18 ) from the sensor housing ( 12 ), a first protective tube ( 20 ) and a second protective tube ( 22 ), the first protective tube ( 20 ) the second protective tube ( 22 ), wherein the second protective tube ( 22 ) the gas side end portion ( 16 ) of the sensor element ( 14 ), wherein between the first protective tube ( 20 ) and the second protective tube ( 22 ) a gap ( 30 ), wherein the first protective tube ( 20 ) for allowing an admission of the measuring gas into the intermediate space ( 30 ) at least one opening ( 32 ), wherein the first protective tube ( 20 ) at least one of the at least one opening ( 32 ) adjacent swirl producing agent ( 34 ) for generating a swirl in the measurement gas.

Sensor ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the swirl-producing agent ( 34 ) of the first protective tube ( 20 ) to the gap ( 30 ) is aligned.

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the opening ( 32 ) of the first protective tube ( 20 ) is rectangular.

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the first protective tube ( 20 ) a shoulder portion ( 28 ), wherein the opening ( 32 ) of the first protective tube ( 20 ) and the swirl-producing agent ( 34 ) of the first protective tube ( 20 ) in the shoulder portion ( 28 ) are formed.

Sensor ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the swirl-producing agent ( 34 ) of the first protective tube ( 20 ) a swirl-producing surface ( 40 ), wherein the swirl-producing surface ( 40 ) of the first protective tube ( 20 ) opposite the shoulder portion ( 28 ) is inclined at an angle (α) of 10 ° to 80 ° and preferably of 30 ° to 70 °.

Sensor ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the swirl-producing agent ( 34 ) of the first protective tube ( 20 ) has at least one side surface, wherein the side surface of the swirl-producing surface ( 40 ) with a border ( 42 ) of the opening ( 32 ) of the first protective tube ( 20 ) connects.

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the first protective tube ( 20 ) several openings ( 32 ) for allowing an admission of the measuring gas into the intermediate space ( 30 ), wherein the first protective tube ( 20 ) several to the openings ( 32 ) adjacent swirl producing agents ( 34 ) for generating a swirl in the measurement gas, wherein the swirl generation means ( 34 ) Swirl-producing surfaces ( 40 ), wherein the swirl-producing surfaces ( 40 ) in a circumferential direction about the longitudinal direction (FIG. 18 ) are oriented identically.

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the second protective tube ( 22 ) for allowing an admission of the measuring gas from the intermediate space ( 30 ) in an interior ( 44 ) of the second protective tube ( 22 ) at least one opening ( 46 ), wherein the second protective tube ( 22 ) at least one of the at least one opening ( 46 ) of the second protective tube ( 22 ) adjacent swirl producing agent ( 48 ) for generating a swirl in the measurement gas.

Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the second protective tube ( 22 ) to the sensor housing ( 12 ) facing away from the front end ( 50 ), wherein the second protective tube ( 22 ) at least one at the front end ( 50 ) formed outlet opening ( 52 ), wherein the second protective tube ( 22 ) at least one of the at least one outlet opening ( 52 ) adjacent swirl producing agent ( 54 ) for generating a swirl in the measurement gas.

Sensor ( 10 ) according to the preceding claim, wherein the first protective tube ( 20 ) to the sensor housing ( 12 ) facing away from the front end ( 36 ), wherein the first protective tube ( 20 ) one at the front end ( 36 ) of the first protective tube ( 20 ) formed outlet opening ( 38 ), which at the outlet ( 52 ) of the second protective tube ( 22 ) adjacent swirl producing agents ( 54 ) to the front end ( 36 ) of the first protective tube ( 20 ) is aligned.