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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Messfühler, insbesondere einem Gassensor zur Bestimmung der Konzentration einer Gaskomponente in einem Messgas, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solche Messfühler werden beispielsweise als sog. Lambda-Sonden zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas eines Verbrennungsmotors eingesetzt. Der Messfühler ist mit einer elektrischen Eigenheizung versehen, um das Sensorelement möglichst rasch, und zwar noch während der Warmlaufphase des Motors, auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Das Sensorelement ist aus keramischen Materialien hergestellt. Solche Keramiken sind jedoch sehr empfindlich gegenüber starken Temperaturschwankungen, die zu Rissen in der Keramik und dadurch zu Fehlfunktionen bis hin zum Totalausfall des Messfühlers führen. Extreme Temperaturschwankungen, auch als sog. Thermoschock bezeichnet, treten beispielsweise beim Start und in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors dann auf, wenn auf das bereits aufgeheizte Sensorelement ein kalter Wassertropfen aufprallt. Solche Wassertropfen können sich dadurch bilden, dass während der Warmlaufphase der durch die motorische Verbrennung entstehende Wasserdampf an kalten Oberflächen der Abgasanlage und des Messfühlers kondensiert und durch den Gasstrom vom Kondensatfilm Wassertropfen mitgerissen werden, die dann an das Sensorelement gelangen.
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Bei einem bekannten, als Abgassensor eingesetzten Messfühler (
DE 199 24 319 C2 ) ist zum Schutz des Sensorelements gegen Beaufschlagen durch im Abgasstrom mitgeführter Wassertröpfchen ein aus einem Innen- und Außenrohr, die jeweils mit Gaseintritts- und Austrittsöffnungen versehen sind, bestehendes Doppelschutzrohr an mindestens einer Eintrittsöffnung des Innenrohrs und/oder an mindestens einer Eintrittsöffnung des Außenrohrs ein Strömungselement für das Abgas angeordnet, das das in den von Innen- und Außenrohr eingeschlossenen Zwischenraum und/oder in den Innenraum des Innenrohrs eintretende Abgas in Richtung der jeweiligen inneren Mantelfläche des Innen- und/oder Außenrohrs umlenkt. Dadurch wird das Wasser an den inneren Mantelflächen gehalten, und infolge der mit zunehmenden Warmlaufen des Verbrennungsmotors ansteigenden Temperatur des Abgases verdampft das Wasser allmählich.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Messfühler mit dem Merkmalen des Anspruchs 1 zeichnet sich dadurch aus, dass die thermische Entkopplung mittels einer Wärmeleitsperre realisiert ist, die zwischen dem Gehäuse einerseits und dem Schutzrohr andererseits angeordnet ist und eine solche Wärmeleitsperre als eingeschlossenes Luftpolster ausgeführt ist, das die Innenwand Der Vorteil besteht darin, dass durch die thermische Entkopplung des Schutzrohrs gegenüber dem Sondengehäuse, das sich aufgrund seiner großen Masse beim Kaltstart nur allmählich erwärmt, eine schnelle Aufheizung des Schutzrohrs und des Innenbereich des Schutzrohrs, in den das Sensorelement hineinragt, erzielt wird. Dadurch wird die Bildung eines Kondenswasserfilms an den Innenwänden des vom Schutzrohr abgedeckten Innenraums des Messfühler zuverlässig verhindert, damit die Gefahr einer Wassertropfenbildung im Innenraum gebannt und somit auch der Gefährdung des Sensorelements durch von auftreffenden Wassertropfen hervorgerufenen sog. Thermoschock wirkungsvoll begegnet. Durch das erfindungsgemäße Verhindern der Wassertropfenbildung kann jetzt die Heizung des Sensorelements bereits in der Anfangsphase des Motorbetriebs, also vom Kaltstart bis zum Erreichen der eine Wasserdampfbildung verhindernden Taupunkttemperatur, von Beginn an und mit voller Leistung betrieben werden, so dass der Messfühler in kürzester Zeit betriebsbereit und die Lambdaregelung aktiv ist. Zugleich wird eine weitgehende Unabhängigkeit der Aufheizzeit des Sensorelements vom Einbauort und von am Einbauort vorhandenen, großen, thermischen Massen erreicht. Die insgesamt erzielten Vorteile des erfindungsgemäßen Messfühlers, wie Schnellstartfähigkeit und Thermoschockresistenz und von Einbauort und Einbauart unabhängiger, kurzer Aufheizzeit, werden dabei durch fertigungstechnisch kostengünstige Maßnahmen erreicht.
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Der erfindungsgemäße Messfühler ist als Lambdasonde mit Vorteilen auch bei Verbrennungsmotoren einsetzbar, bei denen zwischen Leerlauf und Volllast große Temperaturdifferenzen im Abgas auftreten und der Messfühler aus Überhitzungsgründen aus dem heißen Abgasstrom zurückversetzt in das Abgasrohr eingebaut werden muss. Trotz der damit verbundenen längeren Aufheizzeit des Gehäuses nach dem Kaltstart und des damit verbundenen, zum Teil langzeitigen Nichtüberschreitens der Taupunkttemperatur an der Gehäusemasse bei längeren Leerlaufphasen und bei niedrigen Außentemperaturen wird wirkungsvoll die Bildung von Kondenswasser im Innern des Messfühlers verhindert.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Messfühlers möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das eingeschlossene Luftpolster durch einen axial begrenzten Ringspalt zwischen der Innenwand des messgasseitigen Endbereichs des Gehäuses und einem in den messgasseitigen Endbereich eingeschobenen Rohreinsatz realisiert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Rohreinsatz so ausgebildet, dass er nicht nur den Ringspalt abdeckt, sondern endseitig aus dem Gehäuse bis hin zum Ende des messgasseitigen Endabschnitts des Sensorelements herausragt. Auf diese Weise kann mit diesem Rohreinsatz ein weiterer Schutz des Sensorelements gegen Wassertropfen erreicht werden. Außerdem wird der Rohreinsatz durch Wärmeleitung vom heißen Abgas oder durch die Strahlungswärme des Sensorelements rascher erwärmt und dadurch die Taupunktemperatur in der Umgebung des Sensorelements schneller erreicht.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmeleitsperre mit Hilfe einer Flanschhülse erzielt, die stirnseitig in den messgasseitigen Endabschnitt des Gehäuses eingeschoben und im Gehäuse befestigt wird. Das Schutzrohr ist nun nicht mehr an dem Gehäuse, sondern an der Flanschhülse befestigt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Flanschhülse aus schlecht wärmeleitendem Material hergestellt und weist einen hohlzylindrischen Hülsenabschnitt mit einem Außendurchmesser, der geringfügig kleiner ist als der lichte Durchmesser des messgasseitigen Endbereichs des Gehäuses, und einen an dem einen Hülsenende radial abstehenden Flansch auf, der die Stirnseite des messgasseitigen Endbereichs überdeckt. Das Schutzrohr ist am Flansch der Flanschhülse befestigt. Durch diese Flanschhülse ist einerseits das Sensorelement und andererseits das Schutzrohr gegenüber dem Gehäuse mit seiner großen Wärmekapazität wärmemäßig isoliert, so dass die große Wärmekapazität des Gehäuses die Aufheizzeit von Sensorelement und Schutzrohr nicht negativ beeinflusst.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist die Flanschhülse einen Hülsenabschnitt mit einem Außendurchmesser auf, der deutlich kleiner ist als der lichte Durchmesser des messgasseitigen Endbereichs des Gehäuses. Der Flansch der Flanschhülse überdeckt auch hier die Stirnseite des Endbereichs des Gehäuses. Das Schutzrohr ist auf der vom Gehäuse abgekehrten Unterseite des Flansches befestigt. Die Hülse selbst ist an vereinzelten, spitzigen Ausprägungen, die am Flansch und/oder an der Stirnseite des Endbereichs des Gehäuses ausgebildet sind, mit dem Gehäuse punktverschweißt. Dadurch entstehen nur ganz geringe Wärmeleitbrücken zwischen Gehäuse und Schutzrohr, und der zwischen der Innenwand des Endbereichs des Gehäuses und dem Hülsenabschnitt der Flanschhülse sich bildende Luftraum übernimmt die Funktion der Wärmeisolation des Sensorelements gegenüber dem Gehäuse.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Schutzrohr mit einer Wärmeisolierzone ummantelt. Durch dese Maßnahme, die zusätzlich aber auch anstelle der zuvor beschriebenen Maßnahmen zur Thermoentkopplung von Gehäuse einerseits und/oder Sensorelement und Schutzrohr andererseits eingesetzt wird, wird die Gefahr einer Kondenswasserfilmbildung an der Innenwand des Schutzrohres auch bei extrem ungünstigen Betriebsbedingungen reduziert. Diese Maßnahme verbessert die Temperaturschockresistenz des erfindungsgemäßen Messfühlers insbesondere in den bereits vorstehend angesprochenen Verbrennungsmotoren, bei denen aus Gründen einer zu hohen Temperaturbelastungen des Messfühlers im Vollastbetrieb der Messfühler ”zurückgezogen” in das Abgasrohr eingebaut werden muss. Der hierbei zum Einsatz kommende, verlängerte Einschraubnippel vergrößert die Masse des Gehäuses und dessen Wärmekapazität, so dass es bei tiefen Umgebungstemperaturen drei Minuten und länger dauern kann, bis nach Kaltstart die Taupunkttemperatur überschritten wird. Durch die Isolierummantelung des Schutzrohrs wird die Taupunkttemperatur an der Innenfläche des Schutzrohrs in wesentlich kürzerer Zeit erreicht und somit einer Kondensatfilmbildung wirksam entgegensteuert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmeisolierzone mittels eines das Schutzrohr mit Radialabstand umschließenden Mantelrohrs realisiert, das mit dem Schutzrohr gasdicht verbunden ist. Der zwischen Schutzrohr und Mantelrohr vorhandene, ringförmige Hohlraum ist luftgefüllt, kann aber in alternativen Ausführungsformen der Erfindung mit einem hitzebeständigen Isoliermaterial gefüllt oder evakuiert werden. Der vorhandene Hohlraum kann auch zusätzlich dazu genutzt werden, die Wicklungen eines elektrischen Heizers unterzubringen, um das Schutzrohr zur schnellen Erwärmung fremd zu beheizen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Schutzrohr als Doppelschutzrohr mit einem Gasdurchtrittsöffnungen aufweisenden inneren Schutzrohr und einem Gasdurchtrittsöffnungen aufweisenden, das innere Schutzrohr konzentrisch umgebenden äußeren Schutzrohr ausgebildet. Den Gasdurchtrittsöffnungen im inneren Schutzrohr sind Strömungselemente zugeordnet, die zum äußeren Schutzrohr hin gerichtet vom inneren Schutzrohr abgewinkelt sind. Zusätzlich sind die Kanten der Durchtrittsöffnungen konkav gerundet. Durch diese Maßnahmen, die zusätzlich aber auch anstelle der zuvor beschriebenen Maßnahmen zur Vermeidung des Thermoschocks durch Auftreffen von Wassertropfen am Sensorelement getroffen werden, wird erreicht, dass Tröpfchen, die sich ganz zu Beginn des Kaltstarts noch ansatzweise bilden können und vom Gasstrom abgerissen werden, von den Strömungselementen nach außen ausgeführt werden und nicht auf das Sensorelement prallen. Durch die konkave Gestaltung der Schnittkanten der Gasdurchtrittsöffnungen wird die Gasströmung vorteilhaft von außen zum Sensorelement hin geleitet, jedoch gibt es keine scharfen Abrisskanten, so dass ein von der Gasströmung geschobener, an der Innenwand des inneren Schutzrohrs haftender Wassertropfen nicht abreißt, sondern an dem inneren Schutzrohr entlang bis hin zu einer nächsten Gasdurchtrittsöffnung geleitet wird.
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Zeichnung
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Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 ausschnittweise einen Längsschnitt einer Lambdasonde gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 ausschnittweise einen Längsschnitt einer Lambdasonde gemäß einem zweiten (rechter Halbschnitt) und einem dritten (linker Halbschnitt) Ausführungsbeispiel,
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3 ausschnittweise einen Längsschnitt einer Lambdasonde gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,
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4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in 3,
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5 eine gleiche Darstellung wie in 4 bei heißer Lambdasonde,
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6 ausschnittweise einen Längsschnitt einer Lambdasonde gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,
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7 ausschnittweisse einen Längsschnitt einer Lambdasonde gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel mit zwei Varianten einer thermischen Entkopplung (linker und rechter Halbschnitt),
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8 einen Querschnitt längs der Linie VIII-VIII in 9 eines modifizierten Doppelschutzrohrs der Lambdasonde,
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9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX in 8.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die in 1 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellte Lambdasonde dient zur Bestimmung der Konzentration des Sauerstoffgehalts im Abgas eines Verbrennungsmotors oder einer Brennkraftmaschine. Sie wird als Ausführungsbeispiel für einen als Gassensor eingesetzten, allgemeinen Messfühler beschrieben, mit dem die Konzentration einer beliebigen Gaskomponente in einem von einem Gasgemisch gebildeten Messgas gemessen wird.
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Die Lambdasonde besitzt ein aus einer Keramik hergestelltes Sensorelement
11 mit einem dem Abgas bzw. Messgas ausgesetzten messgasseitigen Endabschnitt
111 und einen hier nicht dargestellten, anschlussseitigen Endabschnitt, in dem die elektrische Kontaktierung des Sensorelements
11 zum Anschluss an ein Steuer- und Auswertegerät vorgenommen ist. Das Sensorelement
11 ist in einem Gehäuse
12 aufgenommen, von dem in
1 nur der untere, messgasseitige Endbereich
121 zu sehen ist, in dem das Gehäuse
12 den messgasseitigen Endabschnitt
111 des Sensorelements
11 mit reduziertem Radialabstand umgibt. Das Sensorelement
11 ist mittels einer Dichtung
13 in dem Gehäuse
12 gasdicht eingesetzt und ragt mit dem messgasseitigen Endabschnitt
111 aus dem Gehäuse
12 hervor. Das Gehäuse
12 ist mit einem Gewinde
27 versehen, mit dem die Lambdasonde am Einbauort in ein an einem Abgasrohr des Verbrennungsmotors gehaltenes Anschlussstück so eingeschraubt wird, das der messgasseitige Endabschnitt
111 in den im Abgasrohr geführten Gasstrom eintaucht. Der messgasseitige Endabschnitt
111 ist von einem Schutzrohr
14 umschlossen, das auf einen im messgasseitigen Endbereich
121 des Gehäuses
12 ausgebildeten Gehäusebund
122 aufgeschoben und mit diesem gasdicht verschweißt ist. Die vorzugsweise durch Laserschweißen erzeugte, umlaufende Schweißnaht ist in
1 mit
15 bezeichnet. Im Ausführungsbeispiel der
1 ist das Schutzrohr
14 als sog. Doppelschutzrohr ausgeführt und weist ein topfförmiges inneres Schutzrohr
16 und ein topfförmiges äußeres Schutzrohr
17 auf, die ineinandergesetzt sind und am Topfrand gemeinsam mit dem Gehäusebund
122 verschweißt sind. Das innere Schutzrohr
16 und das äußere Schutzrohr
17 weisen Gasdurchtrittsöffnungen
18 bzw.
19 auf. Eine komplette Darstellung und Beschreibung der Lambdasonde, die auch den anschlussseitigen Endabschnitt des Sensorelements
11 mit elektrischen Anschlussleitungen zeigt, findet sich beispielsweise in der
DE 199 24 319 C2 .
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Um dem Niederschlag von Kondenswasser im Innern des Schutzrohrs 14 und der davon ausgehenden Entstehung von Wassertropfen, die beim Auftreffen auf die temperaturempfindliche Keramik des Sensorelements 11 zu einem sog. Temperaturschock führen, zu begegnen, ist das Sensorelement 11 vom Gehäuse 12 thermisch abgekoppelt. Diese thermische Abkopplung erfolgt mittels einer Wärmeleitsperre, die im Ausführungsbeispiel der 1 durch ein eingeschlossenes Luftpolster 20 realisiert wird, das die Innenwand 123 des Endbereichs 121 des Gehäuses 12 abdeckt. Dieses Luftpolster 20 ist in einem Ringspalt 21 zwischen der Innenwand 123 des messgasseitigen Endbereichs 121 des Gehäuses 12 und einem in den messgasseitigen Endbereich 121 eingeschobenen Rohreinsatz 22 eingeschlossen. Die untere axiale Begrenzung des Ringspalts 21 wird von einem radial vorspringenden Wulst 124 des Gehäuses 12 gebildet, während die obere axiale Begrenzung des Ringspalts 21 von einem ausgebogenen Rohrrand 221 des Rohreinsatzes 22 gebildet ist. Der Rohreinsatz 22 ist so ausgeführt, dass er aus dem Endbereich 121 des Gehäuses 12 vorsteht und bis zum Ende des messgasseitigen Endabschnitts 111 des Sensorelements 11 reicht. Dieser aus dem Gehäuse 12 vorstehende, den messgasseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 mit Radialabstand umgebender Rohreinsatz 22 bietet neben der Schaffung des eingeschlossenes Luftpolsters in der Ringnut 21 noch zusätzlichen Schutz des Sensorelements 11 gegen Wassertropfen, die durch die Gasdurchtrittsöffnungen 18, 19 des Schutzrohrs 14 evtl. eintreten können. Außerdem wird der Rohreinsatz 22 vom freien Ende her rasch erwärmt und trägt zur Wärmeisolation gegenüber dem kalten Gehäuse 12 am Luftpolster bei.
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Bei dem in 2 ausschnittweise im Längsschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel der Lambdasonde ist das Schutzrohr 14 ebenfalls als Doppelschutzrohr mit einem Gasdurchtrittsöffnungen 18 aufweisenden inneren Schutzrohr 16 und einem Gasdurchtrittsöffnungen 19 aufweisenden äußeren Schutzrohr 17 ausgebildet. Die beiden Schutzrohre 16, 17 sind topfförmig, wobei sich das innere Schutzrohr 16 mit seinem Topfboden 162 über eine ringförmig umlaufende, sehr schmale Auflagefläche 42 am Topfboden 172 des äußeren Schutzrohrs 17 abstützt. Im Unterschied zu 1 ist das innere Schutzrohr 16 in den messgasseitigen Endbereich 121 des Gehäuses 12 eingesetzt und stützt sich an dessen Innenwand 123 ab, während das äußere Schutzrohr 17 außen auf den Endbereich 121 aufgeschoben und mit dem Gehäuse 12 durch eine umlaufende Schweißnaht 15 fest verbunden ist. Das innere Schutzrohr 16 stützt sich nur an einer oberen und einer unteren, jeweils umlaufenden, sehr schmalen Auflagefläche 37, 38 an der Innenwand 123 des messgasseitigen Endbereichs 121 des Gehäuses 12 ab, so dass sich zwischen der Innenwand 123 des messgasseitigen Endbereichs 121 und dem in den messgasseitigen Endbereich 121 eingeschobenen Abschnitt des inneren Schutzrohrs 16 ein Ringspalt 21 mit einem darin eingeschlossenen, isolierenden Luftpolster 20 ergibt. Die untere Auflagefläche 38 wird dabei von einem am Gehäuseende radial vorstehenden Wulst 124 und die obere Auflagefläche 37 von dem aufgeweiteten Rohrrand 161 des inneren Schutzrohrs 16 gebildet. Um den Wärmeübergang zu reduzieren, können die umlaufenden Auflageflächen 37, 38 durch Ausnehmungen diskretisiert werden, so dass nur noch eine punktförmige Abstützung des inneren Schutzrohrs 16 an der Innenwand 123 des Gehäuses 12 vorhanden ist. Die Festlegung des inneren Schutzrohrs 16 im Gehäuse 12 erfolgt in dem in der rechten Bildhälfte der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch Presspassungen und in dem in der linken Bildhälfte der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine umlaufende Schweißnaht 39, die auch als auf einer umlaufenden Kreislinie voneinander beabstandete Schweißpunkte ausgeführt werden kann, um den Wärmeübergang zu reduzieren. Infolge der schmalen Auflageflächen 37, 38 zwischen innerem Schutzrohr 16 und Gehäuse 12 ergeben sich kleine Wärmeübergangsflächen und ein minimaler Wärmeübergang, so dass beim Kaltstart sich das innere Schutzrohr 16 trotz kaltem Gehäuse 12 sehr schnell aufheizen kann und sehr schnell die Taupunkttemperatur erreicht, die einen Niederschlag von Kondenswasser am inneren Schutzrohr 16 verhindert.
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In dem in der rechten Bildhälfte der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel steht das äußere Schutzrohr 17 mit dem Gehäuse 12 nur im Bereich der Schweißnaht 15 an seinem Rohrrand 171 mit dem Gehäuse 12 in Wärmeleitkontakt. Zwischen dem übrigen vom äußeren Schutzrohr 17 übergriffenen Abschnitt des messgasseitigen Endbereichs 123 des Gehäuses 12 und dem äußeren Schutzrohr 17 ist ein Ringspalt 40 vorgesehen. Dieser Ringspalt 40 verringert einerseits die Wärmeübergangsfläche zwischen äußerem Schutzrohr 17 und Gehäuse 12 und bewirkt außerdem, dass sich direkt nach dem Motorstart evtl. bildende Wassertropfen durch Kapillarwirkung im äußeren, kalten Bereich des Gehäuses 12 festgehalten werden.
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In dem in der linken Bildhälfte der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen dem äußeren Schutzrohr 17 und dem Gehäuse 12 eine relativ große Wärmeübergangsfläche 41 vorgesehen. Diese Wärmeübergangsfläche 41 bewirkt im Volllastbetrieb eine gute Kühlung des äußeren Schutzrohr 17 über das Gehäuse 12. Das innere Schutzrohr 16 bleibt im Warmlauf des Motors trotzdem thermisch sehr gut entkoppelt, da die Kälte vom Gehäuse 12 über das gesamte äußere Schutzrohr 17 bis zur Auflagefläche 42 vordringen muss und dort nur über eine sehr kleine Fläche auf das innere Schutzrohr 16 übergehen kann. Die große Wärmeübergangsfläche 41 erzielt also den Vorteil, dass bei extrem heißem Abgas die Wärme des äußeren Schutzrohrs 17 über die Wärmeübergangsfläche 41 auf das kühlere Gehäuse 12 abgeleitet wird, wobei nur ein geringer Wärmeübergang vom äußeren Schutzrohr 17 auf das innere Schutzrohr 16 an der schmalen Auflagefläche 42 stattfindet. Im Zwischenraum zwischen den beiden Schutzrohren 16, 17 ist das heiße Abgas durch das äußere Schutzrohr 17 schon etwas abgekühlt, so dass das innere Schutzrohr 16 sowie das Sensorelement 11 sich nicht mehr so stark erhitzen. Damit ist ein Überhitzungsschutz des Sensorelements 11 bei Volllast des Motors gewährleistet, und auf einen zurückversetzten Einbau des Messfühlers in das Abgasrohr kann verzichtet werden.
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In dem Ausführungsbeispiel der 3–5 ist der Überhitzungsschutz bei gleichzeitig bester thermischer Entkopplung im Warmlauf dadurch optimiert, dass ein von der Temperatur abhängiger, variabler Wärmeübergang zwischen den Schutzrohren 16, 17 und dem Gehäuse 12 vorgesehen ist. Hierzu sind zwischen dem messgasseitigen Endbereich 121 des Gehäuses 12 einerseits und dem inneren und/oder äußeren Schutzrohr 16, 17 andererseits Mittel angeordnet, die mit zunehmender Temperatur des Gehäuses 12 eine zunehmend vergrößerte wärmeleitende Verbindung zwischen dem messgasseitigen Endbereich 121 des Gehäuses 12 und dem inneren und/oder äußeren Schutzrohr 16, 17 herstellen. Diese Mittel umfassen mindestens einen am messgasseitigen Endbereich 121 des Gehäuses 12 gehaltenen Ring 43 und/oder 44. Im Ausführungsbeispiel der 3 sind zwei Ringe 43 vorgesehen, von denen der eine Ring 43 in die Innenwand 123 des messgasseitigen Endbereichs 121 eingesetzt ist und der andere Ring 44 außen auf den messgasseitigen Endbereich 121 des Gehäuses 12 aufgesetzt ist, sich also im Ringspalt 40 zwischen Endbereich 121 und äußerem Schutzrohr 17 befindet. Die Ringe 43, 44 sind identisch aufgebaut, so dass nachfolgend lediglich der Ring 43 beschrieben wird.
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Wie aus den Schnittdarstellungen der 4 und 5 ersichtlich ist, weist der Ring 43 einen zylinderförmigen Ringabschnitt 45 und einen sich daran axial anschließenden, segmentierten Ringabschnitt 46 aus einem Material mit stark temperaturabhängigen Ausdehnungskoeffizienten auf. Beispielsweise können für die Ringsegmente 461 Bimetalle oder spezielle Legierungen verwendet werden, die bei ansteigender Temperatur ein zunehmendes Abspreizen der Ringsegmente 461 vom Ringabschnitt 46 bewirken. In 4 ist der Ring 43 bei kaltem Gehäuse 12 dargestellt. Die beiden Ringabschnitte 45, 46 sind axial deckungsgleich und liegen an dem Gehäuse 12 an. Das innere Schutzrohr 16 ist durch den Ringspalt 21 thermisch von dem Gehäuse 12 und dem Ring 43 abgekoppelt. In 5 ist der Ring 43 bei warmem Gehäuse 12 dargestellt. Die Ringsegmente 461 sind infolge der Temperaturerhöhung nach innen ausgebogen und haben sich großflächig an das innere Schutzrohr 16 angelegt. Damit ist ein sehr guter Wärmeübergang vom inneren Schutzrohr 16 zum Gehäuse 12 gegeben, so dass bei sehr heißen Abgasen, wie sie bei Volllast des Motors auftreten, Wärme vom inneren Schutzrohr 16 über das Gehäuse 12 abgeleitet und das Sensorelement 11 wirksam gegen Überhitzung geschützt wird.
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Die Funktion des Rings 44 ist die gleiche, wie die des Rings 43 mit dem Unterschied, dass sich die Ringsegmente bei Erwärmung nach außen ausbiegen und sich an das äußeren Schutzrohr 17 großflächig anlegen, so dass ein guter Wärmeübergang zwischen dem äußeren Schutzrohr 17 und dem Gehäuse 12 hergestellt ist.
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Bei dem in 6 ausschnittweise dargestellten Ausführungsbeispiel der Lambdasonde ist auf das hier als Einfachschutzrohr ausgebildete Schutzrohr 14 ein Mantelrohr 23 aufgesetzt, das einen größeren Durchmesser aufweist als das Schutzrohr 14 und mit dem Schutzrohr 14 gasdicht verbunden ist. Hierzu ist das Mantelrohr 23 am oberen Rand zusammen mit dem Schutzrohr 14 auf den Gehäusebund 122 des Gehäuses 12 aufgeschweißt und am anderen Rohrende mittels Presssitz auf das Schutzrohr 14 aufgesetzt. Anstelle des Presssitzes kann aber auch hier eine gasdichte Verschweißung zwischen Schutzrohr 14 und Mantelrohr 23 vorgenommen werden. Das Schutzrohr 14 ist wie das Doppelschutzrohr 14 in 1 topfförmig ausgebildet und im Topfboden 141 mit Gasdurchtrittsöffnungen 19 versehen. Der zwischen Mantelrohr 23 und Schutzrohr 14 eingeschlossene Zwischenraum 24 bildet eine Wärmeisolierzone 34, die das Schutzrohr 14 umschließt. Durch diese Wärmeisolierzone 34 wird wiederum ein Kondensatniederschlag an der Innenwand des Schutzrohrs 14 verhindert. Um auch hier die wassertropfenabweisende Funktion des Doppelschutzrohrs 14 in 1 zu realisieren, ist in den messgasseitigen Endbereich 121 des Gehäuses 12 – ähnlich wie in 1 – eine Innenrohr 25 eingesetzt und an dem Gehäuse 12 befestigt, das den messgasseitigen Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 mit Radialabstand umgibt und bis in den Topfboden 141 des Schutzrohrs 14 hineinragt. Der Topfboden 141 des Schutzrohrs 14 ist wannenartig ausgebildet, und das Innenrohr 25 taucht endseitig in die Wannenöffnung des Topfbodens 141 des Schutzrohrs 14 ein. Die Gasdurchtrittsöffnungen 19 sind einerseits im Wannenboden und andererseits im Wannenrand angeordnet. Anders als der Rohreinsatz 22 in 1, der endseitig offen ist, ist das Innenrohr 25 becherförmig ausgeführt und im Becherboden 251 und in der Becherwand 252 mit Gasdurchtrittsöffnungen 33 versehen, deren Funktion der Funktion der Gasdurchtrittsöffnungen 18 im inneren Schutzrohr 16 in 1 entspricht.
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Wie hier nicht weiter dargestellt ist, kann mittels des Innenrohrs 25 auch das eine Wärmeleitsperre bildende, eingeschlossene Luftpolster wie in 1 hergestellt werden. Hierzu braucht lediglich – wie dies zu 1 beschrieben ist – in die Innenwand des messgasseitigen Endbereichs 121 des Gehäuses 12 die in 1 gezeigte Ringspalt 21 vorgesehen zu werden.
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In alternativen Ausführungen der zu 6 beschriebenen Lambdasonde kann der zwischen Mantelrohr 23 und Schutzrohr 14 vorhandene Zwischenraum 24 auch evakuiert oder mit einem temperaturbeständigen Wärmeisolationsmaterial ausgefüllt werden. In beiden Fällen wird die das Schutzrohr 14 ummantelnde Wärmeisolierzone 34 hergestellt. In einer vorzugsweisen Ausführungsform beträgt die radiale Breite des hohlen Zwischenraums 24 ca. 1 mm, um einen recht wirksamen Isoliereffekt zu erzielen, und die Wandstärke des Mantelrohrs 23 ist aus Festigkeitsgründen größer als die des Schutzrohrs 14, die aus Gründen einer möglichst geringen Wärmekapazität relativ dünn gehalten wird. Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Lambdasonde ist ein größerer Ausschnitt der Lambdasonde zu sehen. Erkennbar ist die gasdichte Festsetzung des Sensorelements 11 mittels der Dichtung 13 im Gehäuse 12 sowie ein an dem Gehäuse 12 angeformter Sechskant 26 zum Eindrehen des Gehäuses 12 am Einbauort mittels seines Gewindes 27. Das hier wie in 1 als Doppelschutzrohr ausgebildete Schutzrohr 14 ist wiederum an das Gehäuse 12 endseitig angesetzt, aber gegenüber dem Gehäuse 12 thermisch entkoppelt. Im Ausführungsbeispiel der 3 sind zwei verschiedene Realisierungen der thermischen Entkopplung dargestellt, und zwar eine in der linken und eine in der rechten Bildhälfte. In beiden Fällen wird die thermische Entkopplung – wie in 1 – mit einer Wärmeleitsperre erreicht, die mittels einer Flanschhülse 28 bzw. 29, die jeweils zur Hälfte in der rechten und linken Bildhälfte dargestellt ist, hergestellt ist. Jede Flanschhülse 28 bzw. 29 besitzt einen Hülsenabschnitt 281 bzw. 291 und einen an einem Hülsenende radial abstehenden Flansch 282 bzw. 292. Die in der rechten Bildhälfte im Halbschnitt dargestellte Flanschhülse 28 ist aus schlecht wärmeleitendem oder wärmeisolierendem Material hergestellt. Der Außendurchmesser des Hülsenabschnitts 281 ist geringfügig kleiner bemessen als der lichte Durchmesser des messgasseitigen Endbereichs 121 des Gehäuses 12. Der Außendurchmesser des Flansches 282 ist so bemessen, dass er bei in den messgasseitigen Endbereich 121 eingeschobenem Hülsenabschnitt 281 die Stirnseite des messgasseitigen Endbereichs 121 vollständig überdeckt. Die Flanschhülse 28 ist am Gehäuse 12 befestigt, und das Schutzrohr 14 ist mit dem Flansch 282 der Flanschhülse 28 fest verbunden.
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Bei der in der linken Bildhälfte der 7 dargestellten Flanschhülse 29 hat der Hülsenabschnitt 291 einen Außendurchmesser, der deutlich kleiner ist als der lichte Durchmesser des messgasseitigen Endbereichs 121 des Gehäuses 12. Der Außendurchmesser des Flansches 292 ist etwa gleich dem Außendurchmesser des Schutzrohrs 14 bemessen. Das topfförmige, innere Schutzrohr 16 trägt einen radial ausgebogenen Topfrand 161, der plan an dem Flansch 292 der Flanschhülse 29 anliegt und am Randende mit der Stirnseite des äußeren Schutzrohrs 17 fest verbunden ist. Topfrand 161 und Flansch 292 sind fest miteinander verbunden. Auf den einander zugekehrten Oberflächen von Flansch 292 und Stirnseite des messgasseitigen Endbereichs 121 des Gehäuses 12 sind vereinzelte, spitzige Ausprägungen 30 bzw. 31 vorgesehen, die aufeinanderliegen. An diesen Ausprägungen 30, 31 sind Flansch 292 und Gehäuse 12 miteinander punktverschweißt, so dass zwischen dem Gehäuse 12 und dem Schutzrohr 14 nur wenige kleine Wärmeleitbrücken vorhanden sind. Der zwischen der Flanschhülse 29 einerseits und der Innenwand 123 sowie der Stirnseite des messgasseitigen Endbereichs 121 des Gehäuses 12 andererseits vorhandene Luftraum 32 bildet eine Wärmeleitsperre, so dass sowohl das Schutzrohr 14 als auch das Sensorelement 11 vom Gehäuse 12 thermisch abgekoppelt ist.
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Das in 8 und 9 in zwei verschiedenen Schnitten dargestellte, als Doppelschutzrohr ausgeführte Schutzrohr 14 kann bei den zu 1 und 7 beschriebenen Messfühlern alternativ zu dem dort gezeigten und beschriebenen, als Doppelschutzrohr ausgebildeten Schutzrohr 14 eingesetzt werden. Das Schutzrohr 14 weist wiederum ein inneres Schutzrohr 16 mit Gasdurchtrittsöffnungen 18 und ein dieses konzentrisch umgebendes äußeres Schutzrohr 17 mit Gasdurchtrittsöffnungen 19 auf. Den Gasdurchtrittsöffnungen 18 im inneren Schutzrohr 16 sind Strömungselemente 35 zugeordnet, die vom inneren Schutzrohr 16 abgewinkelt und hin zum äußeren Schutzrohr 17 gerichtet sind. Die Strömungselemente 35 werden von Ausbuchtungen 36 gebildet, die zu dem äußeren Schutzrohr 17 hin vorgewölbt sind. Dabei weisen die Ausbuchtungen 36 einen solchen Anstellwinkel gegenüber der Außenfläche des inneren Schutzrohrs 16 auf, dass eine tangentiale Gasströmung in Richtung der Außenfläche des inneren Schutzrohrs 16 erzeugt wird. Des weiteren sind die Schnittkanten 181 der Gasdurchtrittsöffnungen 18 im inneren Schutzrohr 16 konkav gerundet, damit keine scharfen Kanten entstehen, an denen an der Innenfläche des inneren Schutzrohrs 16 evtl. durch die Gasströmung entlanggeschobene Wassertröpfchen von der Innenfläche abreißen.
