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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Befestigungsstutzen zum Befestigen eines Messfühlers 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, an einem Messgasraum.
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Solche Messfühler werden beispielsweise als so genannte Lambdasonden zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Derartige Lambdasonden sind beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, beschrieben. Dabei ragt das Sensorelement im Allgemeinen in einer Längserstreckungsrichtung des Messfühlers aus dem 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.
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Üblicherweise wird das Sensorelement von einem Schutzrohr umgeben. Da entscheidend ist, dass das Sensorelement in einen direkten Kontakt mit dem Messgas bringbar ist, weist das Schutzrohr stets geeignete Öffnungen auf, um einen Durchtritt des umströmenden Messgases zu ermöglichen.
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Derartige Messfühler sind beispielsweise in
WO 2010/015445 A1 ,
WO 2006/005641 A1 und
DE 10 2007 040 507 A1 beschrieben.
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Solche Messfühler werden üblicherweise am Abgasstrang einer Brennkraftmaschine mittels eines Befestigungsstutzens befestigt. Ein solcher Befestigungsstutzen ist mit dem Abgastrakt verschweißt und weist eine Aufnahme zum Aufnehmen des Messfühlers auf. Der Messfühler wird beispielsweise in den Befestigungsstutzen eingeschraubt.
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Trotz der durch die oben beschriebenen Befestigungsstutzen bewirkten Vorteile beinhalten diese noch Verbesserungspotential. So sind die Befestigungsstutzen derart ausgebildet, dass sich diese im montierten Zustand außerhalb des Messgasraums befinden und das Schutzrohr aus diesen derart heraus und in den Messgasraum hineinragt, dass die Schutzrohröffnungen unmittelbar dem Abgasstrom zugewandt sind, wodurch Teilchen, Wassertropfen und dergleichen ungehindert ins Innere des Schutzrohrs und zum Sensorelement gelangen und dieses beschädigen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Befestigungsstutzen zum Befestigen eines Messfühlers an einem Messgasraum vorgeschlagen, der die oben genannten Nachteile zumindest weitgehend vermeidet und der insbesondere die folgenden Kriterien erfüllt. Insbesondere bei Messfühlern für Zweirad-Applikationen sind die baulichen Gegebenheiten begrenzt, so dass derartige Messfühler häufig nur ein einziges Schutzrohr aufweisen. Das Gewinde des Messfühlers sollte jedoch nicht in Abgasstrom hineinragen, da die erhöhte Korrosion zu Demontageproblemen führen kann. Das Schutzrohr sollte nicht zu weit in Richtung Abgasrohrwand zurückgezogen sein, da ein erhöhtes Wasseraufkommen beim Kaltstart zu einer Thermoschockgefahr für das Sensorelement des Messfühlers führen könnte und die Dynamik der Sonde in der Mitte des Abgasrohres in der Regel besser ist als bei einer wandnahen Applikation. Bei heißen Applikationen sollte die Schutzrohrschweißnaht, mit der das Schutzrohr am Messfühlergehäuse befestigt ist, nicht im Abgasstrom liegen, da die Gefahr besteht, dass die Schweißnaht versagt und das Schutzrohr abfällt.
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Ein erfindungsgemäßer Befestigungsstutzen ist ausgebildet zum Befestigen eines Messfühlers, insbesondere eines Gassensors zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, an einer einen Messgasraum begrenzenden Messgasraumwand. Der Messfühler weist ein Sensorelement, das mit einem dem Messgas aussetzbaren, gasseitigen Endabschnitt in einer Längserstreckungsrichtung aus einem Messfühlergehäuse herausragt, und mindestens ein den gasseitigen Endabschnitt des Sensorelements umgebendes Schutzrohr auf. Das Schutzrohr ist an dem Messfühlergehäuse mittels mindestens einer Schweißnaht befestigt. Das Schutzrohr weist weiterhin mindestens eine Schutzrohröffnung zum Erlauben einer Kontaktierung des Sensorelements mit dem Messgas auf. Der Befestigungsstutzen weist eine Wand auf, die um eine Längsachse ausgebildet ist und eine Aufnahme zum teilweisen Aufnehmen des Messfühlers definiert. Die Wand weist eine Länge in einer Richtung parallel zu der Längsachse auf, die derart bemessen ist, dass in einem Zustand, in dem der Messfühler in der Aufnahme aufgenommen ist, sich die Schweißnaht in der Aufnahme befindet. Die Wand ist derart ausgebildet, dass diese in einem Zustand, in dem der Befestigungsstutzen an der Messgasraumwand befestigt ist, in den Messgasraum hineinragt.
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Unter einem Hineinragen des Befestigungsstutzens in den Messgasraum kann dabei verstanden werden, dass sich mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 30 % und noch bevorzugter mindestens 50 % der Länge der Wand des Befestigungsstutzens innerhalb des Messgasraums befinden, wie beispielsweise 60 % der Länge.
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Das Gewinde und die Schutzrohrschweißnaht sind damit im Inneren des Befestigungsstutzens geschützt und nicht direkt dem Abgasstrom ausgesetzt.
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Ein Durchmesser der Aufnahme kann größer als ein Außendurchmesser des Schutzrohrs sein. Somit wird ein Zwischenraum, wie beispielsweise ein Ringspalt, zwischen Wand und Schutzrohr vorgesehen. Dadurch gelangt Abgas nur über mindestens eine Umlenkung ins Innere des Schutzrohrs und der Eintrag von Partikeln wird erschwert.
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Die Wand kann ein befestigungsseitiges Ende, an dem der Messfühler in die Aufnahme einbringbar ist, und ein gasseitiges Ende, das dem Messgas aussetzbar ist, aufweisen, wobei das gasseitige Ende der Wand eine Öffnung aufweist, wobei die Öffnung eine Querschnittsfläche aufweist, die kleiner als eine Querschnittsfläche der Aufnahme ist. Beispielsweise weist die Öffnung einen Durchmesser auf, der kleiner als ein Durchmesser der Aufnahme ist. Dadurch wird eine besonders scharfe Umlenkung für den Abgasstrom vorgesehen, so dass Abgas nur über mindestens eine Umlenkung ins Innere des Schutzrohrs gelangt und der Eintrag von Partikeln erschwert wird. Alternativ kann die Öffnung eine Querschnittsfläche aufweisen, die größer als eine Querschnittsfläche der Aufnahme ist.
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Die Wand kann an dem gasseitigen Ende eine geringere Wandstärke als an dem befestigungsseitigen Ende aufweisen. Dadurch kann eine mögliche Kondensation von Wasser innerhalb der Aufnahme verhindert werden. So wird durch die geringere thermische Masse die Menge an Kondensat innerhalb der Aufnahme verringert und folglich das Wasservolumen, welches bei einer abgedeckten Schutzrohröffnung in das Schutzrohr eindringen kann.
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Die Wand kann eine Länge in einer Richtung parallel zu der Längsachse aufweist, die derart bemessen ist, dass in einem Zustand, in dem der Messfühler in der Aufnahme aufgenommen ist, sich die Schutzrohröffnung in der Aufnahme befindet. So ist es möglich mindestens eine Schutzrohröffnung von der Wand des Befestigungsstutzens abzudecken bzw. abzuschirmen. Die Schutzrohröffnung ist somit nicht direkt dem Abgasstrom aussetzbar. Wassertropfen oder dergleichen bei einem Kaltstart gelangen somit nicht direkt ins Innere des Schutzrohrs, wodurch die Thermoschockgefahr verringert wird. Es besteht allerdings die Gefahr, dass sich aufgrund der thermischen Masse des Befestigungsstutzens direkt Kondensat vor der Schutzrohröffnung bildet. Die variable Länge des Befestigungsstutzens lässt somit eine Optimierung zu.
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Beispielsweise befindet sich die Schutzrohröffnung an einer Position in der Aufnahme, die an den gasseitigen Endabschnitt angrenzt. Die Schutzrohröffnung ist somit möglichst nah an dem gasseitigen Endabschnitt angeordnet, wodurch die Umlenkungen aus dem Abgasstrom ins Innere des Befestigungsstutzens und im Inneren des Befestigungsstutzens durch die Schutzrohröffnung ins Innere des Schutzrohrs mit besonders starken Krümmungen versehen sind, die einen Eintritt von Partikeln ins Innere des Schutzrohrs erschweren.
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Die Wand kann eine Länge in einer Richtung parallel zu der Längsachse aufweisen, die derart bemessen ist, dass in einem Zustand, in dem der Messfühler in der Aufnahme aufgenommen ist, sich ein stirnseitiges Ende des Schutzrohrs außerhalb der Aufnahme befindet. Üblicherweise weist das stirnseitige Ende des Schutzrohrs eine Auslassöffnung auf, die einen Austritt des Messgases aus dem Schutzrohr erlaubt. Befindet sich diese Auslassöffnung außerhalb des Befestigungsstutzens ist die Gefahr für einen Wiedereintritt in das Innere des Schutzrohrs besonders gering und die Durchströmung des Schutzrohres wird aufgrund des stirnlochseitigen Unterdrucks gefördert.
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Beispielsweise ist die Länge der Wand derart bemessen ist, dass in einem Zustand, in dem der Messfühler in der Aufnahme aufgenommen ist, sich die Schutzrohröffnung außerhalb der Aufnahme befindet.
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Die Wand kann weiterhin ein Innengewinde aufweisen, das zum Eingreifen eines Außengewindes des Messfühlers ausgebildet ist. Somit kann der Befestigungsstutzen als ein Einschraubstutzen ausgebildet sein, in den der Messfühler mittels eines Außengewindes eingeschraubt werden kann.
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Das Innengewinde kann dabei an das befestigungsseitige Ende angrenzen. Das Innengewinde ist somit möglichst weit weg vom gasseitigen Ende angeordnet, so dass das Außengewinde des Messfühlers nicht dem Abgas ausgesetzt ist und damit die Korrosionsgefahr deutlich verringert ist.
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Die Wand kann rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse ausgebildet sein. Damit wird eine kostengünstig und einfach herzustellende Form geschaffen.
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Die Aufnahme kann zum Aufnehmen eines Messfühlers mit einem einzigen Schutzrohr ausgebildet sein. Entsprechend eignet sich der Befestigungsstutzen besonders gut zum Befestigen von Messfühlern für Zweirad-Applikationen, da diese üblicherweise aus Platzgründen mit nur einem einzigen Schutzrohr ausgebildet sind.
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Unter einem Stutzen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein vergleichsweise kurzes und rohrförmiges Bauteil in Form eines Ansatzes zu verstehen.
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Unter einem Schutzrohr ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein rohrförmiges Bauteil zu verstehen, das geeignet ist zum Schutz des Sensorelements vor chemischen, physikalischen, mechanischen und/oder thermischen Einflüssen. Das Schutzrohr weist üblicherweise Löcher auf, um einen Gaszutritt zu dem Sensorelement zu ermöglichen.
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Unter der Hauptströmungsrichtung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die lokale Strömungsrichtung des Messgases am Ort des Messfühlers zu verstehen, wobei beispielsweise lokale Unregelmäßigkeiten wie z. B. Turbulenzen unberücksichtigt bleiben können. Insbesondere kann unter der Hauptströmungsrichtung somit die lokale gemittelte Transportrichtung des strömenden fluiden Mediums in dem Messgasraum verstanden werden. In einer Abgasanlage oder einem Abgasstrang wird die Hauptströmungsrichtung beispielsweise durch die Ausstoßrichtung der Abgase definiert.
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Unter einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Erstreckungsrichtung zu verstehen, die parallel zu einer Längsabmessung des Sensorelements ist. Die Längserstreckungsrichtung kann eine Längsachse des Messfühlers definieren.
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Unter der Gasseite ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bereich zu verstehen, der dem Messgasraum zugewandt ist und in dem Messgasraum angeordnet sein kann.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist daher unter einem gasseitigen Abschnitt oder Ende eines Bauteils, wie beispielsweise dem gasseitigen Sensorabschnitt oder einem gasseitigen Endabschnitt eines Schutzrohrs, ein Sensorabschnitt oder Endabschnitt des Schutzrohrs zu verstehen, der dem Messgasraum zugewandt ist und in diesem oder an diesem angeordnet sein kann.
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Unter einem gehäuseseitigen Abschnitt, wie beispielsweise dem gehäuseseitigen Endabschnitt des Schutzrohrs, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Abschnitt zu verstehen, der dem Messfühlergehäuse des Messfühlers zugewandt ist und in diesem oder an diesem angeordnet sein kann.
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Figurenliste
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigt:
- 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Befestigungsstutzens mit einem darin aufgenommenen Messfühler.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt in einer Schnittansicht einen eines erfindungsgemäßen Befestigungsstutzens 10 mit einem darin aufgenommenen Messfühler 12. Zur Reduktion der Schadstoffemissionen von Brennkraftmaschinen wie beispielsweise Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen wird ein so genannter Dreiwegekatalysator mit Lambdaregelung eingesetzt. Der in 1 ausschnittsweise dargestellt Messfühler 12 ist beispielhaft als eine Lambdasonde ausgestaltet, die bei der Lambdaregelung verwendet wird. Die Lambdasonde dient zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Gemischs, um mittels einer Messung der Konzentration des Sauerstoffgehalts im Abgas des Verbrennungsmotors ein möglichst stöchiometrisches Gemisch oder eine andere bekannte Zusammensetzung einstellen zu können, so dass durch eine möglichst optimale Verbrennung der Schadstoffausstoß minimiert wird.
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Diese Lambdasonde wird nachfolgend als erstes Ausführungsbeispiel für einen als Gassensor eingesetzten bzw. ausgebildeten allgemeinen Messfühler 12 beschrieben, mit dem eine physikalische Eigenschaft eines Messgases, insbesondere die Temperatur oder die Konzentration einer Gaskomponente, in einem Messgasraum bestimmt wird.
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Der Messfühler 12 weist ein 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. Der Messfühler 12 weist ferner ein nicht näher dargestelltes Messfühlergehäuse 16 auf. Das Sensorelement 14 ragt mit einem dem Messgas aussetzbaren, gasseitigen Endabschnitt 18 in einer Längserstreckungsrichtung 20 aus dem Messfühlergehäuse 16 heraus. Der gasseitige Endabschnitt 18 des Sensorelements 14 wird von einem Schutzrohr 22 umgeben. Das Schutzrohr 22 ist zumindest abschnittsweise symmetrisch bezüglich der Längserstreckungsrichtung 16 des Sensorelements 14 ausgebildet. Das Schutzrohr 22 ist an dem Messfühlergehäuse 16 befestigt, insbesondere mit diesem verschweißt, wie durch einer Schweißnaht 23 angedeutet ist. Das Schutzrohr 22 weist mindestens eine Schutzrohröffnung 24 zum Erlauben einer Kontaktierung des Sensorelements 14 mit dem Messgas auf. Bei der gezeigten Ausführungsform weist das Schutzrohr 22 mehrere Schutzrohröffnungen 24 auf, die in einer Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Die Schutzrohröffnungen 24 sind an eine Stirnseite bzw. einem stirnseitigen Ende 26, die dem Messfühlergehäuse 16 abgewandt ist, angrenzend angeordnet. In der Stirnseite bzw. dem stirnseitigen Ende 26 ist weiterhin eine Auslassöffnung 28 zum Erlauben eines Austritts des Messgases ausgebildet. Das Messfühlergehäuse 16 weist weiterhin ein Außengewinde 30 auf, das an das Schutzrohr 22 angrenzend angeordnet ist.
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Der Messfühler 12 ist wie oben erwähnt insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeuge einsetzbar, so dass es sich bei einem Messgasraum 32 um einen Abgastrakt des Verbrennungsmotors und bei dem Messgas um ein Abgas des Verbrennungsmotors handeln kann. Der Messgasraum 32 wird dabei von einer Messgasraumwand 33, wie beispielsweise einem Abgasrohr, begrenzt. In einem derartigen Abgastrakt 32 strömt das Abgas in einer Hauptströmungsrichtung 34, die durch einen Pfeil angegeben ist, von dem Verbrennungsmotor kommend nach draußen in die Umgebung des Verbrennungsmotors.
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Der Befestigungsstutzen 10 ist permanent mit der Messgasraumwand 33 bzw. dem Abgastrakt 32 verbunden, wie beispielsweise verschweißt. Der Befestigungsstutzen 10 weist eine Wand 36 auf, die um eine Längsachse 38 ausgebildet ist und eine Aufnahme 40 zum teilweisen Aufnehmen des Messfühlers 12 definiert. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Wand 36 rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse 38 ausgebildet. Beispielsweise ist die Wand 36 kreiszylindrisch ausgebildet. Es wird jedoch explizit betont, dass die Wand 36 bezüglich der Längsachse 38 eine asymmetrische Form aufweisen kann. Die Wand 36 weist eine Länge 42 in einer Richtung parallel zu der Längsachse 38 auf, die derart bemessen ist, dass in einem Zustand, in dem der Messfühler 12 in der Aufnahme 40 aufgenommen ist, sich die Schweißnaht 23 die Schutzrohröffnung 24 des Schutzrohrs in der Aufnahme 40 befinden. Die Aufnahme 40 ist insbesondere zum Aufnehmen eines Messfühlers 12 mit einem einzigen Schutzrohr 22 ausgebildet. Ein Durchmesser 44 der Aufnahme 40 ist größer als ein Außendurchmesser 46 des Schutzrohrs 22. Die Wand 36 weist ein befestigungsseitiges Ende 48, an dem der Messfühler 12 in die Aufnahme 40 einbringbar ist, und ein gasseitiges Ende 50, das dem Messgas aussetzbar ist, auf. Das gasseitige Ende 50 der Wand 36 weist eine Öffnung 52 auf. Die Öffnung 52 weist eine Querschnittsfläche auf, die kleiner als eine Querschnittsfläche der Aufnahme 40 ist. Die Öffnung 52 stellt somit eine Art Engstelle dar. Dies kann dadurch realisiert sein, dass die Öffnung 52 einen Durchmesser 54 aufweist, der kleiner als der Durchmesser 44 der Aufnahme 40 ist. Die Länge 42 der Wand 36 in der Richtung parallel zu der Längsachse 38 ist weiterhin derart bemessen ist, dass in einem Zustand, in dem der Messfühler 12 in der Aufnahme 40 aufgenommen ist, sich das stirnseitige Ende 26 des Schutzrohrs 22 außerhalb der Aufnahme 40 befindet. Die Wand 36 weist weiterhin ein Innengewinde 56 auf, das zum Eingreifen des Außengewindes 30 des Messfühlers 12 ausgebildet ist. Das Innengewinde 56 grenzt an das befestigungsseitige Ende 48 an. 1 zeigt den Zustand, in dem der Messfühler 12 in der Aufnahme 40 aufgenommen ist. Zu diesem Zweck wird der Messfühler 12 mittels des Außengewindes 30 in das Innengewinde 56 des Befestigungsstutzens 10 eingeschraubt. Die Länge 42 der Wand 36 in der Richtung parallel zu der Längsachse 38 ist weiterhin derart bemessen ist, dass in einem Zustand, in dem der Messfühler 12 in der Aufnahme 40 aufgenommen ist, sich die Schutzrohröffnung 24 an einer Position in der Aufnahme 40 befindet, die an das gasseitige Ende 50 angrenzt. Die Wand 36 ist hinsichtlich ihrer Außenkontur und Form derart ausgebildet, dass diese in einem Zustand, in dem der Befestigungsstutzen 10 an der Messgasraumwand 33 befestigt ist, deutlich in den Messgasraum 32 hineinragt, beispielsweise mit mindestens 50% der Länge 42. Wie weiter in 1 dargestellt ist, kann die Wand 36an dem gasseitigen Ende 50 eine geringere Wandstärke 58 als eine Wandstärke 60an dem befestigungsseitigen Ende 48 aufweisen. Es wird jedoch explizit betont, dass die Wandstärke der Wand zumindest in dem Bereich, der in den Messgasraum hineinragt, konstant sein kann. In diesem Fall kann es bevorzugt sein, dass sich die Schutzrohröffnung 40 außerhalb der Aufnahme 40 bzw. der Wand befindet, um das Risiko einer Kondensatbildung innerhalb der Aufnahme zu verringern.
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Messgas bzw. Abgas, das in dem Abgastrakt 32 in der Hauptströmungsrichtung 34 strömt, gelangt durch die Öffnung 52 in den Befestigungsstutzen 10 und wird dabei umgelenkt, insbesondere um 90° der Hauptströmungsrichtung 34. Von dort gelangt das Messgas bzw. Abgas durch die Schutzrohröffnung 24 zu dem Sensorelement 14 und wird dabei erneut umgelenkt. Von dort kann das Messgas bzw. Abgas das Schutzrohr 22 wieder durch die Auslassöffnung 28 wieder verlassen und gelangt unmittelbar wider in den Abgasstrom, da sich die Auslassöffnung 28 außerhalb der Aufnahme 40 bzw. des Befestigungsstutzens 10 befindet. Wie in 1 gezeigt, ragt das Außengewinde 30 nicht in den Abgasstrom hinein, sondern ist in dem Befestigungsstutzen 10 geschützt aufgenommen. Die Schweißnaht 23 befindet sich ebenfalls nicht in dem Abgasstrom, sondern ist in dem Befestigungsstutzen 10 geschützt aufgenommen. Das Schutzrohr 22 selbst ragt von der Wand des Abgastrakts 32 vergleichsweise weit in den Abgastrakt 32 hinein, ist aber von dem Befestigungsstutzen 10 geschützt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/015445 A1 [0004]
- WO 2006/005641 A1 [0004]
- DE 102007040507 A1 [0004]
