DE102018126184A1

DE102018126184A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102018126184A1
Application number: DE102018126184.5A
Authority: DE
Inventors: Tomoki FUJII; Takehiro Oba
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2019-05-02
Also published as: US10908116B2; US20190128836A1; JP2019078711A; JP6904881B2

Abstract

Es wird einen Gassensor bereitgestellt, der in seiner Größe ohne Verschlechterung der Ansprechempfindlichkeit seines Sensorelements verkleinert werden kann. In einem kreisförmigen Querschnitt, der durch Schneiden einer Schutzvorrichtung entlang einer Ebene, die orthogonal zu einer axialen Richtung ist und Gaseinleitungslöcher durchläuft, erhalten wird, sind die Gaseinleitungslöcher asymmetrisch in der Umfangsrichtung einer Umfangswand der Schutzvorrichtung angeordnet. Wenn der kreisförmige Querschnitt durch eine gerade Linie, die durch das Zentrum des kreisförmigen Querschnitts verläuft und keine Gaseinleitungslöcher durchläuft, und in erste und zweite Teilbereiche unterteilt ist, ist die Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher in dem ersten Teilbereich angeordnet, wobei der Bereich kleiner als ist die Gesamtöffnungsfläche von Gaseinleitungslöchern, die in dem zweiten Teilbereich angeordnet sind.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gassensor mit einem Sensorelement, das einem zu messenden Gas ausgesetzt ist und eine spezifische Gaskomponente in dem zu messenden Gas erfasst.
Stand der Technik
Ein bekannter Gassensor, der beispielsweise an einem Abgasrohr eines Kraftfahrzeugs angebracht ist, umfasst ein Sensorelement, das eine elektromotorische Kraft erzeugt, die sich mit der Konzentration eines spezifischen Gases (z. B. NOx (Stickstoffoxide) oder Sauerstoff) im Abgas ändert oder dessen Widerstandswert sich mit der Konzentration ändert. Ein Erfassungsabschnitt zum Erfassen der spezifischen Gaskomponente ist am vorderen Ende des Sensorelements vorgesehen. Der Erfassungsabschnitt wird zum Beispiel durch einen Heizer erwärmt, um die spezifische Gaskomponente zu erfassen. In dem Fall, in dem der Erfassungsabschnitt des Sensorelements auf einer hohen Temperatur ist, wenn Wassertröpfchen, die in dem Abgas enthalten sind, an dem Erfassungsabschnitt anhaften (der Erfassungsabschnitt ist mit Wasser benetzt), kann das Sensorelement aufgrund von Thermoschock brechen (beispielsweise knacken). Daher wurde ein Gassensor entwickelt, bei dem der Sensorabschnitt des Sensorelements mit einer Schutzvorrichtung bedeckt ist, um das Sensorelement vor einer Benetzung mit Wasser zu schützen (siehe zum Beispiel Patentdokument 1).
Wie in 7 gezeigt, hat der in Patentdokument 1 offenbarte Gassensor einen Aufbau, in dem ein Sensorelement 21 in ein Einsetzloch 320 eines aus einem isolierenden Material (Keramik, wie Aluminiumoxid) gebildeten Keramikhalters 300 eingesetzt und darin gehalten wird, wobei der Keramikhalter 300 innerhalb einer Metallhülle 1100 angeordnet ist. Ein Erfassungsabschnitt am vorderen Ende des Sensorelements 21 ist mit einer Schutzschicht 25 bedeckt.
Die Metallhülle 1100 weist eine Bohrung 1100h auf, die sich in einer Vorwärts-Rückwärts-Richtung erstreckt, und ein hinterer Endabschnitt 26 der Schutzschicht 25 des Sensorelements 21, der von dem Keramikhalter 300 nach vorne vorsteht, ist in der Bohrung 1100h aufgenommen. Metallische Schutzvorrichtungen 510 und 610 sind an dem vorderen Ende der Metallhülle 1100 angebracht, um das Sensorelement 21 zu schützen. Die Gaseinleitungslöcher 560 und 670 der Schutzvorrichtungen 510 und 610 sind in der Umfangsrichtung so angeordnet, dass sie in Bezug auf die Mitte der Schutzvorrichtungen punktsymmetrisch sind.
Dokument zum Stand der Technik
Patentdokument
Patentdokument 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung Nr. 2009-115781
Zusammenfassung der Erfindung
Probleme, die durch die Erfindung gelöst werden sollen
In dem Gassensor in 7, wenn ein zu messendes Gas durch die Gaseinleitungslöcher 560 und 670 der Schutzvorrichtungen 510 und 610 eingeführt wird, wie durch einen Pfeil gezeigt ist, trifft das zu messende Gas auf Abschnitte des Sensorelements 21, die den Gaseinleitungslöchern 560 zugewandt sind, und der größte Teil des zu messenden Gases wird direkt von einem Gasauslassloch 680 an der vorderen Endseite abgegeben. Obwohl das zu messende Gas nicht ohne weiteres in die Bohrung 1100h eingeführt wird, tritt deshalb kein Problem auf, solange der Erfassungsabschnitt vor den Gaseinleitungslöchern 560 angeordnet ist.
Wenn jedoch der Erfassungsabschnitt hinter den Gaseinleitungslöchern 560 angeordnet ist, erreicht das zu messende Gas nicht einfach den Erfassungsabschnitt, und die Ansprechempfindlichkeit des Sensorelements kann sich verschlechtern. Wenn das vordere Ende des Sensorelements hinter den Gaseinleitungslöchern 560 angeordnet ist, um die Größe des Gassensors zu reduzieren, ist es wichtig, eine Strömung des zu messenden Gases in Richtung der Bohrung 1100h zu erzeugen. In den Schutzvorrichtungen 510 und 610 in 7, da die Gaseinleitungslöcher mit der gleichen Öffnungsfläche punktsymmetrisch angeordnet sind, kollidieren Strömungen des zu messenden Gases miteinander, und sind dadurch gestört, so dass es schwierig ist, eine Strömung des zu messenden Gases in Richtung der Bohrung 1100h zu erzeugen. Dies kann eine Verschlechterung der Ansprechempfindlichkeit des Sensorelements verursachen.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Umstände gemacht, und eine Aufgabe davon ist es, einen Gassensor bereitzustellen, dessen Größe ohne Verschlechterung der Ansprechempfindlichkeit des Sensorelements reduziert werden kann.
Mittel zur Lösung der Probleme
Ein Gassensor gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst: ein Sensorelement, das sich in einer axialen Richtung erstreckt und einen Erfassungsabschnitt aufweist, der an einem vorderen Ende des Sensorelements angeordnet ist und eine spezifische Gaskomponente in einem zu messenden Gas erfasst; eine rohrförmige Metallhülle, die das Sensorelement in Umfangsrichtung umgibt und hält; und eine Schutzvorrichtung, die eine Umfangswand und eine vordere Endwand, die vor der Umfangswand angeordnet ist, aufweist, wobei die Schutzvorrichtung einen hinteren Endabschnitt aufweist, der an einem vorderen Ende der Metallhülle befestigt ist, wobei die Schutzvorrichtung Gaseinleitungslöcher, die in der Umfangswand ausgebildet sind und durch welche das zu messende Gas in die Schutzvorrichtung eingeführt wird, aufweist. Der Erfassungsabschnitt ist hinter einem hintersten der Gaseinleitungslöcher angeordnet. In einem kreisförmigen Querschnitt der Schutzvorrichtung, der durch Schneiden der Schutzvorrichtung entlang einer Ebene erhalten wird, die orthogonal zu der axialen Richtung ist und die durch die Gaseinleitungslöcher verläuft, sind die Gaseinleitungslöcher asymmetrisch in einer Umfangsrichtung der Umfangswand angeordnet. Wenn der kreisförmige Querschnitt durch eine gerade Linie verläuft, die durch die Mitte des kreisförmigen Querschnitts verläuft und nicht durch die Gaseinleitungslöcher, in erste und zweite Teilbereiche unterteilt ist, ist die Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher, die in dem ersten Teilbereich angeordnet sind, kleiner als die Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher, die sich in dem zweiten Teilbereich befinden.
Da bei diesem Gassensor die Gaseinleitungslöcher asymmetrisch in der Umfangsrichtung der Umfangswand angeordnet sind, wird verhindert, dass Strömungen des zu messenden Gases, das durch die Gaseinleitungslöcher eingeleitet wird, miteinander kollidieren, wodurch eine Störung der Gasflüsse verhindert wird.
Die Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher, die in dem ersten Teilbereich angeordnet sind, ist kleiner als die Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher, die in dem zweiten Teilbereich angeordnet sind. Selbst wenn das durch die in dem ersten Teilbereich angeordneten Gaseinleitungslöcher eingeführte Gas mit dem zu messenden Gas, das durch die in dem zweiten Teilbereich angeordneten Gaseinleitungslöcher eingeleitet wird, kollidiert, kann eine Strömung des zu messenden Gases durch eine Bohrung in der Metallhülle realisiert werden, weil die Menge des zu messenden Gases, die durch die Gaseinleitungslöcher eingeführt wird, die in dem zweiten Teilbereich angeordnet sind und eine größere Gesamtöffnungsfläche aufweisen, größer ist als die Menge des zu messenden Gases, das durch die Gaseinleitungslöcher, die in dem ersten Teilbereich angeordnet sind, eingeführt wird.
In dem Gassensor gemäß dem einen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher, die in dem zweiten Teilbereich angeordnet sind, 6,4 mm² oder weniger betragen.
Dieser Gassensor weist eine Beständigkeit gegenüber Wasserbenetzung auf.
In dem Gassensor gemäß dem einen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der Öffnungsbereich jedes Gaseinleitungsloch, das in dem ersten Teilungsbereich angeordnet ist, kleiner sein als der Öffnungsbereich jedes Gaseinleitungslochs, das in dem zweiten Teilbereich angeordnet ist.
Da in diesem Gassensor die Öffnungsfläche jedes Gaseinleitungslochs, das in dem ersten Teilbereich angeordnet ist, kleiner ist als der Öffnungsbereich jedes Gaseinleitungslochs, das in dem zweiten Teilbereich angeordnet ist, kann ein starker Fluss des zu messenden Gases zu der Bohrung in der Metallhülle realisiert werden.
Der Gassensor gemäß dem einen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann derart konfiguriert sein, dass keine Gaseinleitungslöcher in dem ersten Teilbereich ausgebildet sind.
Bei diesem Gassensor kann die Strömung des zu messenden Gases in Richtung der Bohrung der Metallhülle ohne Störung der Strömung des zu messenden Gases durch die Gaseinleitungslöcher in dem zweiten Teilbereich erzeugt werden.
Der Gassensor gemäß dem einen Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann derart konfiguriert sein, dass ein vorderes Ende des Sensorelements hinter dem hintersten der Gaseinleitungslöcher angeordnet ist.
In diesem Gassensor kollidiert das zu messende Gas durch die Gaseinleitungslöcher in dem zweiten Teilbereich mit Abschnitten der Innenwand der Schutzvorrichtung, die den Gaseinleitungslöchern zugewandt sind, ohne Kollision mit dem Sensorelement. Daher ist es möglich, eine Strömung des zu messenden Gases in Richtung der Bohrung der Metallhülle zu erzeugen, ohne den Gasstrom zu stören.
Figurenliste

1 Querschnittsansicht eines Gassensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 Vergrößerte Darstellung eines Teils von 1.
3 Kreisquerschnittsansicht in einer ersten Ausführungsform.
4 Kreisquerschnittsansicht eines Gassensors gemäß einer zweiten Ausführungsform.
5 Darstellung, die eine Gasströmung in der ersten Ausführungsform zeigt.
6 Darstellung, die eine Gasströmung in der zweiten Ausführungsform zeigt.
7 Teilquerschnittsansicht eines herkömmlichen Gassensors.

Ausführungsmöglichkeiten zur Durchführung der Erfindung
Gassensoren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Detail unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 beschrieben. Jeder der Gassensoren ist ein Ganzbereich-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Gassensor, der die Konzentration von Sauerstoff im Abgas erfasst. Der allgemeine Aufbau des Gassensors 1 wird zuerst beschrieben, und dann werden die Komponenten davon und ihren Aufbau im Detail beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, umfasst der Gassensor 1 (Ganzbereich-Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Gassensor) 1 ein Sensorelement 21, einen Keramikhalter 30 mit einem Einsetzloch 32, in welches das Sensorelement 21 eingesetzt ist, und eine Metallhülle 11, die den Radialumfang des Keramikhalters 30 umgibt.
Ein vorderer Endabschnitt des Sensorelements 21, in dem ein Erfassungsabschnitt 22 ausgebildet ist, steht von einer nach vorne weisenden Fläche 30a des Keramikhalters 30 vor (siehe 2). Ein Dichtungselement 41 (Talk in der vorliegenden Ausführungsform), das nach hinten (auf der oberen Seite in den Figuren) des Keramikhalters 30 angeordnet ist, wird in einer Vorwärts-Rückwärts-Richtung durch eine aus einem isolierenden Material gebildete Hülse 43 und eine Ringscheibe 45 zusammengedrückt. Somit ist das Sensorelement 21, das durch das Einsetzloch 32 hindurchgeht, innerhalb der Metallhülle 11 befestigt, während die Gasdichtheit in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung beibehalten wird. Ein hinterer Endabschnitt des Sensorelements 21 einschließlich seines hinteren Endes 29 (nachstehend wird der hintere Endabschnitt als der „hintere Endabschnitt 29“ bezeichnet) ragt nach hinten über die Hülse 43 und die Metallhülle 11 hinaus. Metallische Anschlüsse 75, welche an den vorderen Enden der Leitungsdrähte 71, die sich durch ein Dichtungselement 85 nach außen erstrecken, angeordnet sind, stehen in Druckkontakt mit den jeweiligen Elektrodenanschlüssen 24, die in dem Seitenabschnitt des Sensorelements 21 an dem hinteren Ende 29 ausgebildet sind. Der Seitenabschnitt des hinteren Endes 29 des Sensorelements 21 einschließlich der Elektrodenanschlüsse 24 ist mit einem Schutzrohr 81 bedeckt. Der Gassensor 1 wird detaillierter beschrieben.
Das Sensorelement 21 erstreckt sich in der Richtung einer Axiallinie O, hat eine Streifenform (Plattenform) und umfasst den Erfassungsabschnitt 22, der an dem vorderen Ende (dem unteren Ende in der Figur) angeordnet ist, das dem Messziel ausgesetzt ist und umfasst Erfassungselektroden (nicht gezeigt) usw. zum Erfassen einer spezifischen Gaskomponente in dem betreffenden Gas. Das Sensorelement 21 hat einen rechteckigen transversalen Querschnitt, dessen Größe in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung konstant ist, besteht hauptsächlich aus einer Keramik (wie beispielsweise einem festen Elektrolyten) und ist als ein langes und schmales Element ausgebildet. Der Erfassungsabschnitt 22 des Sensorelements 21 ist mit einer porösen Schutzschicht 25 aus Aluminiumoxid, Spinell usw. bedeckt. In einem Bereich, in dem die Schutzschicht 25 ausgebildet ist, weist das Sensorelement 21 einen transversalen Querschnitt auf, der um einen der Dicke der Schutzschicht 25 entsprechenden Betrag größer ist als andere transversale Querschnitte (z. B. 0,5 bis 0,6 mm). (Die Stärke ist in der Figur übertrieben dargestellt). Das Sensorelement 21 selbst ist das gleiche wie in der bekannten Technik. Ein Paar Erfassungselektroden, die den Erfassungsabschnitt 22 bilden, sind in einem vorderen Endabschnitt des Festelektrolyten (Elements) angeordnet, und ein Paar Elektrodenanschlüsse 24, die sich von den Erfassungselektroden erstrecken, sind in einem hinteren Endabschnitt des Festelektrolyten ausgebildet, so dass die Elektrodenanschlüsse 24 nach außen freigelegt sind. Ein Paar Zuleitungsdrähte 71 zum Ausgeben der Detektionsausgabe ist mit den Elektrodenanschlüssen 24 verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform weist das Sensorelement 21 eine Heizeinrichtung (nicht gezeigt) auf, die in einem vorderen Endabschnitt eines auf dem Feststoffelektrolyten gestapelten Keramikelements (Element) vorgesehen ist. Ein anderes Paar von Elektrodenanschlüssen 24, mit denen ein anderes Paar von Leitungsdrähten 71 verbunden sind, sind in einem hinteren Endabschnitt des Keramikelements derart ausgebildet, dass die Elektrodenanschlüsse 24 nach außen freiliegen. Eine Spannung wird an die Heizeinrichtung durch das zweite Paar von Elektrodenanschlüssen 24 angelegt. Obwohl nicht dargestellt, haben diese Elektrodenanschlüsse 24 jeweils eine rechtwinklige Form, die vertikal verlängert ist, und sind in dem Seitenabschnitt des streifenförmigen Sensorelements 21 auf der Rückseite 29 vorgesehen, so dass zwei oder drei Elektrodenanschlüsse seitlich auf jeder der gegenüberliegenden Hauptflächen des Sensorelements, die breiter als die übrigen Flächen davon sind, angeordnet sind.
Die Metallhülle 11 weist konzentrische rohrförmige Abschnitte auf, die in der Vorwärts-Rückwärts-Richtung angeordnet sind und unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Insbesondere ist ein zylindrischer Abschnitt mit kleinem Durchmesser 12 (im Folgenden auch als ein zylindrischer Abschnitt bezeichnet) am vorderen Ende der Metallhülse 11 ausgebildet, und die später beschriebenen Schutzvorrichtungen 51 und 61 sind außen an der zylindrischen ringförmigen Portion angebracht und befestigt. Ein Gewinde 13 zur Befestigung an einem Abgasrohr eines Motors ist an der äußeren Umfangsfläche eines Abschnitts nach hinten (in der Figur nach oben) des zylindrischen Abschnitts 12 ausgebildet und weist einen größeren Durchmesser als der zylindrische Abschnitt 12 auf. Ein polygonaler Abschnitt 14, der zum Schrauben des Gewindes 13 des Sensors 1 in das Abgasrohr verwendet wird, ist hinter dem Gewinde 13 vorgesehen. Ein zylindrischer Abschnitt 15 ist hinter dem polygonalen Abschnitt 14 vorgesehen, und das Schutzrohr (äußeres Rohr) 81, das einen hinteren Abschnitt des Gassensors 1 abdeckt, ist außen am zylindrischen Abschnitt 15 angebracht und mit diesem verschweißt. Ein dünnwandiger zylindrischer Abschnitt 16, der einen kleineren Außendurchmesser als der zylindrische Abschnitt 15 aufweist und zum Crimpen verwendet wird, ist hinter dem zylindrischen Abschnitt 15 vorgesehen. In 1 ist der zylindrische Abschnitt 16 zum Crimpen gecrimpt und nach innen gebogen. Eine Dichtung 19 zum Abdichten durch Schrauben ist an der unteren Fläche des vieleckigen Abschnitts 14 angebracht.
Wie in 2 gezeigt, weist die Metallhülle 11 eine Bohrung 18 auf, die sich in Richtung der Axiallinie O erstreckt. Die Bohrung 18 weist eine Bohrung 18a mit kleinem Durchmesser auf, die an der vorderen Endseite angeordnet ist; und eine Bohrung 18b mit großem Durchmesser auf, die hinter der Bohrung 18a mit kleinem Durchmesser angeordnet ist und einen größeren Durchmesser als die Bohrung 18a mit kleinem Durchmesser aufweist. Die Metallhülle 11 weist ferner eine nach hinten gerichtete Fläche 17b auf, die eine Wandoberfläche 17a der Bohrung 18a mit kleinem Durchmesser mit einer Wandoberfläche 17c der Bohrung 18b mit großem Durchmesser verbindet. In der vorliegenden Ausführungsform verjüngt sich die nach hinten weisende Fläche 17b zu der vorderen Endseite hin. Die Wandoberfläche 17a, die nach hinten weisende Fläche 17b und die Wandoberfläche 17c werden gemeinsam als eine innere Umfangsfläche 17 der Metallhülle 11 bezeichnet.
Der Keramikhalter 30, der aus einer isolierenden Keramik (z. B. Aluminiumoxid) hergestellt ist und im Allgemeinen die Form eines kurzen Zylinders aufweist, ist innerhalb der Bohrung 18b mit großem Durchmesser der Metallhülle 11 angeordnet. Wie in 2 gezeigt, umfasst die nach vorne weisende Fläche 30a des Keramikhalters 30: eine äußere nach vorne gerichtete Fläche 30a2, die zu der vorderen Endseite hin verjüngt ist; und eine flache innere nach vorne weisende Fläche 30a1, die innerhalb der äußeren nach vorne weisenden Fläche 30a2 angeordnet ist. Ein äußerer Abschnitt der äußeren nach vorne weisenden Fläche 30a2 steht mit der nach hinten weisenden Fläche 17b in Eingriff, und der Keramikhalter 30 wird dadurch in der Metallhülle 11 in Position gebracht, um lose darin eingepasst zu werden.
Das Einsetzloch 32 ist in der Mitte des Keramikhalters 30 ausgebildet und weist eine rechteckige Öffnung mit im Wesentlichen der gleichen Größe wie ein transversaler Querschnitt des Sensorelements 21 auf, so dass ein Teil des Sensorelements 21, der hinter der Schutzschicht 25 liegt, die Öffnung nahezu ohne Zwischenraum durchläuft.
Der Keramikhalter 30 hat eine kreisförmige Ausnehmung 35 mit einem größeren Durchmesser als das Einsetzloch 32 und befindet sich am vorderen Ende des Einsetzlochs 32. Die kreisförmige Ausnehmung 35 erstreckt sich von der inneren nach vorne weisenden Fläche 30a1 des Keramikhalters 30 zu der hinteren Endseite hin und steht in Verbindung mit dem vorderen Ende des Einsetzlochs 32. In der vorliegenden Ausführungsform weist die kreisförmige Ausnehmung 35, die einen größeren Durchmesser als das Einsetzloch 32 aufweist, eine flache Bodenfläche 35b auf (die sich am vorderen Ende des Einsetzlochs 32 befindet). In der vorliegenden Ausführungsform ist eine Innenumfangsfläche 35i der kreisförmigen Ausnehmung 35 parallel zu der Axiallinie O. Eine Vorderkante 35e ist an einer Position ausgebildet, an der die Innenumfangsfläche 35i der kreisförmigen Ausnehmung 35 mit der inneren nach vorne weisenden Fläche 30a1 verbunden ist. Ein Abschnitt der inneren nach vorne weisenden Fläche 30a1 ist auf der Seite der Vorderkante 35e abgeschrägt.
Das Sensorelement 21 ist in das Einsetzloch 32 des Keramikhalters 30 eingeführt und das vordere Ende des Sensorelements 21 steht nach vorne über die nach vorne weisende Fläche 30a des Keramikhalters 30 und das vordere Ende 12a der Metallhülle 11 vor. Ein hinterer Endabschnitt 26 der Schutzschicht 25 ist in der kreisförmigen Aussparung 35 untergebracht. Wenn der Gassensor 1 durch Einsetzen des Sensorelements 21 in das Einsetzloch 32 des Keramikhalters 30 zusammengebaut wird, kann die Schutzschicht 25 beschädigt werden, wenn die Schutzschicht 25 mit der Wandfläche des Einsetzlochs 32 kollidiert. Um dies zu verhindern, ist es bevorzugt, dass der hintere Endabschnitt 26 der Schutzschicht 25 von dem vorderen Ende des Einsetzlochs 32 (der Bodenfläche 35b) nach vorne beabstandet ist. Die Schutzschicht 25 ist derart ausgebildet, dass die axiale Länge des hinteren Endabschnitts 26 innerhalb der kreisförmigen Aussparung 35 kürzer ist als die axiale Länge eines vorderen Endabschnitts, der sich außerhalb der kreisförmigen Aussparung 35 befindet. Dies kann eine Verringerung der Erfassungsgenauigkeit des Sensorelements 21 verhindern.
Die innere Umfangsfläche 35i der kreisförmigen Ausnehmung 35 ist von der äußeren Umfangsfläche der Schutzschicht 25, die in der kreisförmigen Ausnehmung 35 aufgenommen ist, beabstandet. Die gesamte innere Umfangsfläche 35i der kreisförmigen Ausnehmung 35 ist radial innerhalb der Wandoberfläche 17a der Bohrung 18a mit kleinem Durchmesser der Metallhülle 11 und einer inneren Umfangsfläche 51a der inneren Schutzvorrichtung 51, welche die innerste (direkt dem Element zugewandte) der Schutzvorrichtungen 51 und 61 ist, angeordnet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der vordere Endabschnitt des Sensorelements 21 mit den geschlossenen zylindrischen Schutzvorrichtungen (Schutzabdeckungen) 51 und 61 bedeckt, die jeweils Gaseinleitungslöcher 56 und 67 aufweisen und eine Doppelschichtstruktur bilden. Das hintere Ende der inneren Schutzvorrichtung 51 ist außen an den zylindrischen Abschnitt 12 der Metallhülle 11 eingepasst und geschweißt. Beispielsweise sind fünf Gaseinleitungslöcher 56 in einem hinteren Endabschnitt einer Umfangswand der Schutzvorrichtung 51 so vorgesehen, dass sie in der Umfangsrichtung asymmetrisch sind. In 2 sind drei der fünf Gaseinleitungslöcher gezeigt. Unterdessen sind beispielsweise vier Auslasslöcher 53 in einem vorderen Endabschnitt der Schutzvorrichtung 51 vorgesehen und in der Umfangsrichtung angeordnet. Die äußere Schutzvorrichtung 61 ist extern an der inneren Schutzvorrichtung 51 angepasst und an den zylindrischen Abschnitt 12 zusammen mit der inneren Schutzvorrichtung 51 geschweißt. Acht Gaseinleitungslöcher 67 sind zum Beispiel in einem vorderen Endabschnitt einer Umfangswand der äußeren Schutzvorrichtung 61 vorgesehen und in der Umfangsrichtung angeordnet, und ein Ablassloch 69 ist in der Mitte des Bodens der Schutzvorrichtung 61, der an dessen vorderen Endseite angeordnet ist, vorgesehen.
Der hierin definierte Ausdruck „symmetrisch“ bedeutet nur punktsymmetrisch in Bezug auf die Mitte der Schutzvorrichtung 51. Mit anderen Worten, Löcher, die bezüglich des Mittelpunkts der Schutzvorrichtung 51 nicht punktsymmetrisch sind, werden hier als „asymmetrisch“ definiert angesehen. Zum Beispiel werden sogar Löcher, die bezüglich einer durch die Mitte der Schutzvorrichtung 51 verlaufenden Geraden liniensymmetrisch sind, als „asymmetrisch“ definiert angesehen, solange sie nicht punktsymmetrisch in Bezug auf das Zentrum der Schutzvorrichtung 51 sind.
Wie in 1 gezeigt, kommen die metallischen Anschlüsse 75, die an den vorderen Enden der Leitungsdrähte 71 angeordnet sind, durch das Dichtungselement 85 elastisch in Druckkontakt mit den jeweiligen Elektrodenanschlüssen 24, die in dem Seitenabschnitt des hinteren Endes 29 des Sensorelements 21 ausgebildet sind. Somit wird ein elektrischer Kontakt zwischen den metallischen Anschlüssen 75 und den Elektrodenanschlüssen 24 hergestellt. In dem Gassensor 1 der vorliegenden Ausführungsform sind die metallischen Anschlüsse 75, einschließlich ihrer Druckkontaktabschnitte, in jeweiligen Aufnahmeräumen eines metallischen Anschlusshalters 91 in einer gegenüberliegenden Anordnung angeordnet. Der metallische Anschlusshalter 91 ist aus einem isolierenden Material gebildet und in dem Schutzrohr (Metallrohr) 81, das rohrförmige Abschnitte mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, angeordnet. Der metallische Anschlusshalter 91 wird daran gehindert, sich radial und vorwärts durch ein ringförmiges Stützelement 80 zu bewegen, das fest innerhalb des Schutzrohrs (Metallrohrs) 81 vorgesehen ist. Ein vorderer Endabschnitt 82 (großer Durchmesserabschnitt) des Schutzrohrs 81 ist außen angebracht und mit dem zylindrischen Abschnitt 15 am hinteren Ende der Metallhülle 11 verschweißt. Somit ist ein hinterer Endabschnitt des Gassensors 1 gasdicht abgedeckt. Die Leitungsdrähte 71 erstrecken sich nach außen durch das Dichtungselement 85 (z. B. Gummi), das in einem rohrförmigen Abschnitt 83 mit kleinem Durchmesser am hinteren Ende des Schutzrohrs 81 angeordnet ist. Der rohrförmige Abschnitt 83 mit kleinem Durchmesser ist gecrimpt und im Durchmesser reduziert, um das Dichtungselement 85 zu komprimieren, wodurch die Gasdichtheit dieses Abschnitts aufrechterhalten wird.
Das Dichtungselement 85 ist so angeordnet, dass es das hintere Ende des metallischen Anschlusshalters 91 nach vorne drückt, wodurch die Installationsstabilität des metallischen Anschlusshalters 91 und der darin angeordneten metallischen Anschlüsse 75 verbessert wird. Der metallische Anschlusshalter 91 hat einen Flansch 93, der an seinem äußeren Umfang ausgebildet ist, und der Flansch 93 ist an dem ringförmigen Stützelement 80, welches fest innerhalb des Schutzrohrs 81 vorgesehen ist, gestützt. Somit wird die Druckkraft des Dichtungselements 85 von dem ringförmigen Stützelement 80 getragen.
Die erste Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. 3 zeigt einen kreisförmigen Querschnitt (einen AA-Querschnitt von 2), der durch Schneiden des Gassensors 1 entlang einer Ebene orthogonal zur axialen Richtung und durch die Gaseinleitungslöcher 56 erhalten wird. Die innere Schutzvorrichtung 51 weist Gaseinleitungslöcher 56a, 56b, 56c, 56d und 56e auf, die in der Umfangsrichtung angeordnet sind. Ein Mittelpunkt 56am ist ein Punkt, an dem das Liniensegment, welches diametral gegenüberliegende Enden des Gasdurchgangslochs 56a verbindet, halbiert ist. Ein Mittelpunkt 56bm ist ein Punkt, an dem das Liniensegment, welches diametral gegenüberliegende Enden des Gasdurchgangslochs 56b verbindet, halbiert ist. Ein Mittelpunkt 56 cm ist ein Punkt, an dem das Liniensegment, welches diametral gegenüberliegende Enden des Gasdurchgangslochs 56c verbindet, halbiert ist. Ein Mittelpunkt 56dm ist ein Punkt, an dem das Liniensegment, das diametral gegenüberliegende Enden des Gasdurchgangslochs 56d verbindet, halbiert ist. Ein Mittelpunkt 56em ist ein Punkt, an dem das Liniensegment, welches die diametral gegenüberliegenden Enden des Gasdurchgangslochs 56e verbindet, halbiert ist. Der Winkel zwischen einem Liniensegment 56a1, welches den Mittelpunkt 56am mit der Mittelachse der inneren Schutzvorrichtung 51 verbindet, und einem Liniensegment 56bl, das den Mittelpunkt 56bm mit der Mittelachse der inneren Schutzvorrichtung 51 verbindet, ist mit dem Winkel α. bezeichnet. Der Winkel zwischen dem Liniensegment 56bl, welches den Mittelpunkt 56bm mit der Mittelachse der inneren Schutzvorrichtung 51 verbindet, und einem Liniensegment 56cl, welches den Mittelpunkt 56cm mit der Mittelachse der inneren Schutzvorrichtung 51 verbindet, ist mit dem Winkel β bezeichnet. Der Winkel zwischen dem Liniensegment 56cl, welches den Mittelpunkt 56cm mit der Mittelachse der inneren Schutzvorrichtung 51 verbindet, und einem Liniensegment 56dl, welches den Mittelpunkt 56dm mit der Mittelachse der inneren Schutzvorrichtung 51 verbindet, ist mit dem Winkel γ bezeichnet. Der Winkel zwischen dem Liniensegment 56dl, welches den Mittelpunkt 56dm mit der Mittelachse der Schutzvorrichtung 51 verbindet, und einem Liniensegment 56el, welches den Mittelpunkt 56em mit der Mittelachse der inneren Schutzvorrichtung 51 verbindet, ist mit dem Winkel δ bezeichnet. Der Winkel zwischen dem Liniensegment 56el, welches den Mittelpunkt 56em mit der Mittelachse der inneren Schutzvorrichtung 51 verbindet, und dem Liniensegment 56al, welches den Mittelpunkt 56am mit der Mittelachse der inneren Schutzvorrichtung 51 verbindet, ist mit dem Winkel ε bezeichnet. Die Gaseinleitungslöcher sind so ausgebildet, dass der Winkel α 72° beträgt, der Winkel β 67° beträgt, der Winkel γ 62° beträgt, der Winkel δ 77° beträgt und der Winkel ε 82° beträgt. Insbesondere sind die Gaseinleitungslöcher 56a, 56b, 56c, 56d und 56e asymmetrisch in der Umfangsrichtung in Bezug auf das Zentrum der inneren Schutzvorrichtung 51 ausgebildet. In 3 ist die Schutzschicht 25 nicht dargestellt.
Der kreisförmige Querschnitt des Gassensors 1 ist durch eine gerade Linie AL, die durch die Mittelachse der inneren Schutzvorrichtung 51 verläuft und nicht durch irgendwelche Gaseinleitungslöcher verläuft, in erste und zweite Teilbereiche unterteilt. Die Gaseinleitungslöcher 56c und 56d sind in dem ersten Teilbereich vorgesehen. Die Gaseinleitungslöcher 56a, 56b und 56e sind in dem zweiten Teilbereich vorgesehen. Da die Gaseinleitungslöcher 56c und 56d perfekt kreisförmig sind und einen Durchmesser von 1,0 mm aufweisen, beträgt ihre Öffnungsfläche etwa 0,785 mm². Da die Gaseinleitungslöcher 56a, 56b und 56e perfekt kreisförmig sind und einen Durchmesser von 1,5 mm aufweisen, beträgt ihre Öffnungsfläche etwa 1,766 mm². Insbesondere beträgt die Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher 56c und 56d, die in dem ersten Teilbereich angeordnet sind, 1,57 mm², und die Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher 56a, 56b und 56e, die in dem zweiten Teilbereich angeordnet sind, beträgt 5,298 mm². Und zwar ist die Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher, die in dem ersten Teilbereich angeordnet sind, kleiner als die Gesamtöffnungsfläche der Gasdurchlasslöcher, die in dem zweiten Teilbereich angeordnet sind.
Eine zweite Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf 4 beschrieben. 4 zeigt einen kreisförmigen Querschnitt, der durch Schneiden eines Gassensors 1 der zweiten Ausführungsform entlang einer Ebene, die orthogonal zur axialen Richtung ist und durch ein Gasdurchgangsloch 56a verläuft, erhalten wird. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass nur das Gasdurchgangsloch 56a in der inneren Schutzvorrichtung 51 ausgebildet ist und dass das Sensorelement 21 nicht in dem kreisförmigen Querschnitt vorhanden ist. Insbesondere ist das Gasdurchgangsloch 56d in Bezug auf das Zentrum der inneren Schutzvorrichtung 51 asymmetrisch ausgebildet.
Der kreisförmige Querschnitt des Gassensors 1 ist in erste und zweite Teilbereiche durch eine gerade Linie AL unterteilt, die durch die Mittelachse der inneren Schutzvorrichtung 51 verläuft und nicht durch das Gasdurchgangsloch 56a verläuft. Der erste Teilbereich enthält kein Gasdurchgangsloch. Der zweite Teilbereich enthält das Gasdurchgangsloch 56a. Da das Gasdurchgangsloch 56a perfekt kreisförmig ist und einen Durchmesser von 1,5 mm aufweist, beträgt seine Öffnungsfläche etwa 1,766 mm². Insbesondere ist kein Gasdurchgangsloch in dem ersten Teilbereich ausgebildet, und die Gesamtöffnungsfläche des Gasdurchlasslochs 56a, das in dem zweiten Teilbereich angeordnet ist, beträgt ungefähr 1,766 mm². Und zwar ist die Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher, die in dem ersten Teilbereich angeordnet sind, kleiner als die Gesamtöffnungsfläche der Gasdurchlassöffnung, die in dem zweiten Teilbereich angeordnet ist.
5 ist eine Darstellung, die den Gasstrom in der ersten Ausführungsform zeigt. Der Gasstrom GS ist durch einen Pfeil angedeutet. Wie in 5 gezeigt, trifft das zu messende Gas durch die Gaseinleitungslöcher 56 und 67 der Schutzvorrichtungen 51 und 61 auf Abschnitte des Sensorelements 21, die den Gaseinleitungslöchern 56 zugewandt sind, strömt zu der Bohrung 18 und strömt dann zu den Ausstoßlöchern 53, so dass der Gasstrom GS dadurch gebildet wird. Der Erfassungsabschnitt 22 ist in dem Weg des Gasstroms GS vorhanden. Daher kann eine ausreichende Menge des zu messenden Gases den Erfassungsabschnitt 22 des Sensorelements 21 erreichen.
6 ist eine Darstellung, die den Gasstrom in der zweiten Ausführungsform zeigt. Der Gasstrom GS ist durch einen Pfeil angedeutet. Wie in 6 gezeigt, trifft das zu messende Gas durch die Gaseinleitungslöcher 56 und 67 der Schutzvorrichtungen 51 und 61 auf einen Abschnitt der Umfangswand der Schutzvorrichtung 51 auf, der dem Gasdurchgangsloch 56 zugewandt ist und in Richtung der Bohrung 18 und strömt dann zu den Ausstoßlöchern 53, so dass der Gasstrom GS dadurch gebildet wird. Der Erfassungsabschnitt 22 ist in dem Weg des Gasstroms GS vorhanden. Daher kann eine ausreichende Menge des zu messenden Gases den Erfassungsabschnitt 22 des Sensorelements 21 erreichen.
Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann mit seinem Aufbau und Konfiguration geeignet modifiziert werden, solange die Modifikationen den Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht verlassen.
Insbesondere hat das Sensorelement in den obigen Ausführungsformen eine Streifenform mit einem rechteckigen transversalen Querschnitt. Das Sensorelement, das in dem Gassensor der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann jedoch einen quadratischen transversalen Querschnitt oder eine andere Querschnittsform aufweisen. In den obigen Ausführungsformen ist der Gassensor der vorliegenden Erfindung als ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Gassensor mit vollem Bereich ausgeführt. Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann jedoch als ein anderer Gassensor ausgeführt sein. Die Form der Gaseinleitungslöcher ist nicht auf einen perfekten Kreis beschränkt, und die Gaseinleitungslöcher können zum Beispiel eine rechteckige Form aufweisen. Die Gaseinleitungslöcher können unterschiedliche Öffnungsbereiche haben.
Bezugszeichenliste

1: Gassensor
11: Metallhülle (Gehäuse)
18: Bohrung
21: Sensorelement
22: Erfassungsabschnitt
25: Schutzschicht
30: Keramikhalter
32: Einsetzloch des Keramikhalters
35: kreisförmige Aussparung
51: innere Schutzvorrichtung
56, 67: hole Gasdurchgangsloch
61: äußere Schutzvorrichtung
O: Axiallinie

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

JP 2009115781 [0005]

Claims

Gassensor (1), umfassend: ein Sensorelement (21), das sich in einer axialen Richtung erstreckt und einen Erfassungsabschnitt (22) aufweist, der an einem vorderen Ende des Sensorelements (21) angeordnet ist und eine spezifische Gaskomponente in einem zu messenden Gas erfasst; eine rohrförmige Metallhülle (11), die das Sensorelement (21) in Umfangsrichtung umgibt und hält; und eine Schutzvorrichtung (51), die eine Umfangswand und eine vordere Endwand aufweist, die vor der Umfangswand angeordnet ist, wobei die Schutzvorrichtung (51) einen hinteren Endabschnitt aufweist, der an einem vorderen Ende der Metallhülle (11) befestigt ist, wobei die Schutzvorrichtung (51) Gaseinleitungslöcher (56a, 56b, 56c, 56d, 56e) aufweist, welche in der Umfangswand ausgebildet sind, und durch welche das zu messende Gas in die Schutzvorrichtung (51) eingeführt wird, wobei der Erfassungsabschnitt hinter einem hintersten der Gaseinleitungslöcher (56a, 56b, 56c, 56d, 56e) angeordnet ist, wobei in einem kreisförmigen Querschnitt der Schutzvorrichtung (51), der durch Schneiden der Schutzvorrichtung (51) entlang einer Ebene erhalten wird, die orthogonal zu der axialen Richtung ist und durch die Gaseinleitungslöcher (56a, 56b, 56c, 56d, 56e) verläuft, die Gaseinleitungslöcher (56a, 56b, 56c, 56d, 56e) asymmetrisch in einer Umfangsrichtung der Umfangswand angeordnet sind, und wobei, wenn der kreisförmige Querschnitt durch eine gerade Linie (AL), die durch die Mitte des kreisförmigen Querschnitts verläuft und nicht durch die Gaseinleitungslöcher (56a, 56b, 56c, 56d, 56e) hindurchgeht, in einen ersten und einen zweiten Teilbereich unterteilt wird, wobei eine Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher (56c, 56d), die in dem ersten Teilbereich angeordnet sind, kleiner ist als eine Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher (56a, 56b, 56e), die in dem zweiten Teilbereich angeordnet sind.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Gesamtöffnungsfläche der Gaseinleitungslöcher (56a, 56b, 56e), die in dem zweiten Teilbereich angeordnet sind, 6,4 mm² oder weniger beträgt.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Öffnungsfläche jedes Gaseinleitungslochs (56c, 56d), das in dem ersten Teilbereich angeordnet ist, kleiner ist als eine Öffnungsfläche von jedem der Gaseinleitungslöcher (56a, 56b, 56e), die in dem zweiten Teilbereich angeordnet sind.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei keine Gaseinleitungslöcher (56c, 56d) in dem ersten Teilbereich ausgebildet sind.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein vorderes Ende des Sensorelements (21) hinter dem hintersten der Gaseinleitungslöcher (56a, 56b, 56c, 56d, 56e) angeordnet ist.