DE19523978A1 - Abgassensor mit geringer Ansprechzeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgassensor mit geringer An­ sprechzeit gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Die Lambda-Regelung stellt in Verbindung mit dem Dreiwege-Ka­ talysator heute das wirksamste Abgasreinigungsverfahren für Brennkraftmaschinen dar. Dabei liefert ein im Abgasrohr stromaufwärts des Katalysators angeordneter Sauerstoffsensor, in der Regel als Lambda-Sonde bezeichnet, ein vom Sauerstoff­ gehalt im Abgas abhängiges Signal, das eine Lambda-Regelein­ richtung derart weiterverarbeitet, daß das mittels einer Zu­ meßeinrichtung, wie Einspritzventile oder Vergaser den Zylin­ dern der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoff-Luftgemisch eine nahezu vollständige Verbrennung (λ = 1,00) ermöglicht.

Eine derartige Regelung der Luftzahl λ des Summenabgases ei­ ner Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, auch als globale Rege­ lung bezeichnet, auf λ = 1,00 führt aufgrund der vorhandenen Durchflußstreuungen der Einspritzventile sowie der unter­ schiedlichen Zylinderfüllungen zu nennenswerten Abweichungen der Einzelzylinderluftzahlen vom Sollwert. Daraus resultieren sowohl negative Einflüsse auf die Rohemission der Brennkraft­ maschine als auch auf die Konvertierungsrate des Katalysa­ tors.

Aus diesem Grunde geht man bei mehrzylindrigen Brennkraftma­ schinen von der globalen Regelung des Summenabgases auf zy­ linderselektive Regelalgorithmen über. Hierbei muß der Ab­ gassensor in der Lage sein, die von den einzelnen Zylindern ausgestoßenen Abgaspakete hinsichtlich ihrer Abgaszusammen­ setzung getrennt zu analysieren. Dies ist aber nur möglich, wenn der Abgassensor eine sehr geringe Ansprechzeit aufweist.

Solche schnellen Sauerstoffsensoren zur zylinderselektiven Gemischregelung, deren Werte für die Ansprechzeiten typisch unter 15 ins liegen, sind beispielsweise auf der Basis von Strontiumtitanat (SrTiO3) in Dünnschichttechnologie aufgebaut (VDI Berichte 939, Düsseldorf 1992, "Vergleich der Ansprech­ geschwindigkeit von KFZ Abgassensoren zur schnellen Lambda­ messung auf der Grundlage von ausgewählten Metalloxiddünnfil­ men").

Um diese kurzen Ansprechzeiten solcher Sauerstoffsensoren zu erreichen, sind sehr hohe Temperaturen des Sensorelements von typisch ca. 900°C erforderlich.

Deshalb ist in dem Substrat, das die gassensitive Schicht des Sauerstoffsensors trägt, eine elektrische Heizeinrichtung in­ tegriert. Damit das Sensorelement und insbesondere die gas­ sensitive Schicht dem Abgasstrom und den Abgaspartikeln nicht unmittelbar ausgesetzt ist, wird das Sensorelement üblicher­ weise von einem Schutzgehäuse umgeben.

Bei den bekannten Abgassensoren ist dieses Schutzgehäuse rohrförmig ausgebildet und als Blech-Tiefziehteil realisiert. Über kleine, am Umfang des Schutzgehäuses verteilte Bohrungen oder Schlitze strömt das zu detektierende Abgas in das Schutzrohr ein und gelangt an die gassensitive Schicht des Sensorelements. Durch ein solches Schutzgehäuse wird der Gas­ austausch mehr oder weniger behindert und damit die Ansprech­ geschwindigkeit des Sensors erhöht.

In der EP 0 503 295 A1 ist ein Gehäuse für einen schnellen Abgassensor zur zylinderselektiven Lambdamessung in einem Verbrennungsmotor beschrieben, das hohlzylinderförmig ist und in seinem Umfang mindestens zwei rotationssymmetrisch ange­ ordnete, parallel zur Achse des Gehäuses liegende schlitzför­ mige Öffnungen aufweist, deren Ränder sich jalousieartig überlappen. Dadurch wird einerseits erreicht, daß ein direk­ tes Anströmen des Sensorelements durch das Abgas verhindert und damit die Ablagerung von Partikeln weitgehend vermieden wird und andererseits wird durch eine solche Anordnung der Gasaustausch nicht behindert, so daß die Ansprechgeschwindig­ keit des Sensors nicht merklich beeinträchtigt wird.

Aus der DE 43 24 659 C1 ist ein Gassensor bekannt mit einem aus Stahl bestehenden Schutzgehäuse, dessen Aufbau einer Pfeife ähnelt. Diese weist einen s-förmig gekrümmten Strö­ mungskanal auf, der die Gaseintrittsöffnung mit der Gasaus­ trittsöffnung verbindet. Ein planares Sensorelement ist in einem weitgehend laminar durchströmten Abschnitt des Kanals hinter einer in die Gaseintrittsöffnung mündenden Krümmung angeordnet. Da die in dem gasförmigen Medium mitgeführten schwereren Teilchen der Kanalkrümmung nicht folgen können, prallen sie auf die Kanalwand und bleiben dort haften. Die in der umgelenkten Strömung eventuell noch mitgeführten leichte­ ren Teilchen werden von einem dem Sensorelement vorgelagerten Metallsteg abgefangen. Dadurch wird zwar einerseits eine na­ hezu wirbelfreie Umströmung des kompletten Sensorelementes gewährleistet und Ablagerungen auf den gassensitiven Berei­ chen vermieden, andererseits hat diese Anordnung den Nach­ teil, daß damit ein großer Wärmetransport von dem Sensorele­ ment zu der Gasströmung erfolgt und damit die Heizleistung der elektrischen Heizeinrichtung des Sensors steigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abgassensor der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß die Ansprechzeit nicht durch Gastransportvorgänge nen­ nenswert erhöht und die Temperaturverteilung über die aktive Sensorschicht günstig beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches l gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Un­ teransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch das Gehäuses eines Abgassensors,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Gehäuse entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Abgassensors entlang der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Abgassensors entlang der Linie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 und 6 Beispiele für weitere Ausgestaltungen des Strö­ mungskanals und

Fig. 7 und 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Schutzrohr des Abgassensors.

In den Figuren sind nur die Teile eines Abgassensors darge­ stellt, die für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Bei dem Abgassensor handelt es sich um einen Sauerstoffsensor mit geringer Ansprechzeit für Kraftfahrzeuge, der bezüglich seines Ausgangssignals entweder eine Sprungcharakteristik oder eine lineare Charakteristik aufweisen kann.

Kernstück des Abgassensors ist ein planares Sensorelement 10, das zur Detektion von Abgasbestandteilen, insbesondere zur Detektion des Restsauerstoffgehaltes im Abgas einer Brenn­ kraftmaschine in der Nähe ihres stirnseitigen Endes einen gasaktiven Bereich, auch als gassensitive Schicht 11 bezeich­ net, aufweist. Zur Beheizung des Sensorelements 10 ist in un­ mittelbarer Nähe der gassensitiven Schicht 11 eine elektri­ sche Heizeinrichtung (nicht dargestellt) beispielsweise in Form von Widerstandsbahnen in Mäanderform auf dem Sensorele­ ment aufgebracht. Dadurch kann das Sensorelement 10 auf eine hohe, kurze Ansprechzeiten garantierende Betriebstemperatur von typisch 900°C aufgeheizt werden.

Zum Schutz vor dem partikelbeladenen Abgasstrom, der zur Ver­ schmutzung des Sensorelements 10 und im schlimmsten Fall zur Zerstörung der gassensitiven Schicht 11 führen kann, ist das Sensorelement 10 von einem mehrteiligen Schutzgehäuse 12 um­ geben. Das Schutzgehäuse 12 besteht im wesentlichen aus einer Metallhülse 13 und einem, teilweise in die Metallhülse 13 hineinragenden und dort gehaltenen, vorzugsweise aus Keramik­ material bestehenden Schutzrohr 14.

Zur Befestigung des Abgassensors an einem Abgasrohr und zur Halterung des Schutzrohres 14 ist an einer Stirnseite der Me­ tallhülse 13 ein umlaufender Bund 15 vorgesehen, so daß die Metallhülse 13 hier einen Bereich mit einem gegenüber dem zy­ lindrischen Grundkörper erweiterten Durchmesser aufweist.

An diesem Bund 15 kann beispielsweise eine Überwurfmutter aufliegen, die mit einem Gewinde am Abgasrohr zusammenwirkt. Dadurch läßt sich der Abgassensor im Falle eines Defektes leicht auswechseln. Es ist aber auch möglich, daß der Bund 15 ein Außengewinde trägt und der Abgassensor in eine Bohrung des Abgasrohres mit entsprechendem Gegengewinde eingeschraubt wird. In jedem Fall ragt dabei das Schutzrohr 14 mit noch nä­ her zu beschreibenden Eintritts- und Austrittsöffnungen für das zu detektierende Gas in den Abgasstrom hinein, während die Metallhülse 13 mit ihren elektrischen Anschlüssen für die gassensitive Schicht 11 und der elektrischen Heizeinrichtung außerhalb des Abgasrohres angeordnet ist.

Innerhalb der Metallhülse 13 ist ein bezüglich seiner Längs­ erstreckung symmetrischer, hohlzylindrischer Keramikträger 16 angeordnet, dessen Außenkontur der Form der Metallhülse 13 angepaßt ist, so daß der Keramikträger 16 von der Metallhülse 13 fest umschlossen ist. Das Sensorelement 10 ist in dem hohlzylindrischem Teil mittels eines temperaturbeständigen Haftstoffes 17, z. B. Kleber oder Glaslot an mehreren, räum­ lich beabstandeten Haftstellen eingeklebt. Bevorzugte Befe­ stigungsstellen des Sensorelements 10 an dem Keramikträger 16 sind dabei Bereiche in der Nähe der stirnseitigen Enden des Keramikträgers 16. Zwischen den beiden Haftstellen befindet sich innerhalb des Freiraumes zwischen Keramikträger 16 und Sensorelement 10 ein Füllstoff 18 aus einem Material mit ge­ ringer Wärmeleitung, z. B. Keramikpulver, Silikatpulver oder Kreide.

Zur Befestigung des Schutzrohres 14 an dem Keramikträger 16 dient ein an einer Stirnseite des Schutzrohres 14 angeformter Flansch 19, der beim Zusammenbau des Abgassensors in eine entsprechende Aussparung 20 in dem Bund 15 des Keramikträgers 16 eingesetzt wird. Die lichte Weite des Schutzrohres 14 ist an dieser Stirnseite etwas vergrößert, so daß hier ein Raum gebildet ist, in dem ebenfalls ein Haftstoff 17 eingebracht werden kann, mit dessen Hilfe sowohl das Schutzrohr 14 in dem Keramikträger 16 als auch das Sensorelement 10 an dem Schutz­ rohr 14 fixiert ist. Um eine dauerhafte und mechanisch be­ lastbare Befestigung des Schutzrohres 14 am Keramikträger 16 zu erreichen, werden die an der Außenseite des Bundes 15 verlaufenden freien Enden der Metallhülse 13 nach dem Einset­ zen des Schutzrohres 14 gebördelt, so daß der Flansch 19 in der Aussparung 20 festgehalten wird. Eine Dichtung 21 zwi­ schen dem Flansch 19 bzw. der Unterseite des Bundes 15 und dem gebördelten Ende der Metallhülse 13 dient einerseits zum gasdichten Verschluß des abgasführenden Schutzrohres 14 und andererseits ebenso wie eine Dichtung 22 zwischen der Schul­ ter des Bundes 15 und der dort anliegenden Metallhülse 13 zur Vermeidung von punktförmigen Spannungen im Keramikträger 16. Die Dichtung 21 kann dabei gemeinsam mit der Metallhülse 13 am Keramikträger 16 befestigt werden.

Außerdem kann an der Metallhülse 13 eine mechanische Kodier­ vorrichtung, beispielsweise in Form eines Vorsprunges oder einer Nut angebracht sein, die mit einer entsprechenden Ge­ genvorrichtung am Abgasrohr derart zusammenwirkt, daß ein Einbau des Abgassensors nur in einer gerichteten Lage möglich und damit die Anströmrichtung des Abgases auf die gassensi­ tive Schicht 11 des Sensorelements 10 vorgegeben ist.

Ein Deckel 23, vorzugsweise ebenfalls aus Keramikmaterial schließt das Schutzrohr 14 an dem in den Abgasstrom hineinra­ genden Ende ab. Die Verbindung des Deckels 23 mit dem Schutz­ rohr 14 kann beispielsweise durch Klebung mit dem Haftmittel 17 erfolgen, das auch zur Fixierung und Halterung des Sen­ sorelements 10 in dem Keramikträger 16 verwendet wird.

Gemäß weiterer Ausführungsformen ist entweder das Schutzrohr 14, der Keramikträger 16 und der Deckel 23 als einstückiges Teil ausgeführt oder der Deckel 23 und das Schutzrohr 14 bil­ den eine Einheit, die in beschriebener Art und Weise im Kera­ mikträger 16 befestigt ist.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Schutzrohr 14 entlang der Schnittlinie I-I in Fig. 1. Mit dem Bezugszei­ chen 24 ist dabei ein Strömungskanal bezeichnet, der das Ab­ gas in der der mit dem Pfeilsymbol gekennzeichneten Richtung an der gassensitiven Schicht 11 des Sensorelements 10 vorbei­ leitet. Der Querschnitt des Strömungskanals 24 ist in im Ein­ laufbereich 25 verkleinert, wodurch eine beschleunigte Strö­ mung entsteht. Dadurch werden Strömungsablösungen sowie die Ausbildung strömungsarmer Gebiete verhindert. Der Austritts­ bereich 26 des Strömungskanals 24 ist radial nach außen ge­ krümmt. Dadurch können Rückstromeffekte durch Pulsationsvor­ gänge teilweise abgeschirmt werden. Da sich der Strömungsaus­ tritt in einem Unterdruckgebiet befindet, wird die Durchströ­ mung zusätzlich beschleunigt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen weitere Strömungskanalgeometrien, durch deren Ausgestaltung eine laminare Strömung an der gas­ sensitiven Schicht 11 erreicht wird.

Da das Sensorelement 10 nur im Bereich der gassensitiven Schicht 11 vom Abgas umströmt wird und die Arbeitstemperatur von zeitlich hoch auflösenden Abgassensoren bei etwa 900°C liegt, bringt dies den Vorteil, daß sich die erforderliche Heizleistung gegenüber bekannten Anordnungen, bei denen das Sensorelement vollständig dem Abgasstrom ausgesetzt ist, deutlich reduziert.

Eine weitere Verringerung der Heizleistung kann durch eine Reduzierung des Strahlungswärmeanteils erreicht werden. Durch Reflexion der von der Heizeinrichtung des Sensorelements 10 abgegebenen Wärmestrahlung am Schutzrohr 14 kann die effektiv wirksame Strahlungskonstante verkleinert werden. Da die nich­ tumströmten Oberflächen des Sensorelements 10 vom Schutzrohr 14 eng umfaßt sind, wird diese Strahlungskonstante zusätz­ lich verringert, da diese eine Funktion des Verhältnisses der abstrahlenden Fläche zu der absorbierenden Fläche ist. Der Abstand A zwischen dem Schutzrohr 14 und der nichtumströmten Oberfläche des Sensorelements 10 (Fig. 2) ist daher optimiert auf minimalen Wärmeverlust und beträgt bei einer typischen Arbeitstemperatur des Sensorelements von ca. 900°C etwa 0,5 mm.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungsform für ein Schutzrohr 14 und die Anordnung des Strömungskanals 24. Bei dieser Anordnung ist das Schutzrohr 14 nicht mit einem separaten Deckel abgeschlossen, sondern das Schutzrohr 14 ist einstückig ausgebildet. Außerdem liegen der Eintrittsbereich 25 (Fig. 7) und der Austrittsbereich 26 (Fig. 8) für das Abgas in verschiedenen Ebenen. Dadurch erfolgt eine Umlenkung des Gasstromes und die im Abgas mitgeführten Partikel treffen nicht direkt auf die gassensitive Schicht 11 des Sensorele­ ments.

Besteht sowohl das Schutzrohr 14 als auch der Sensorträger 16 aus keramischen Material, so kann aufgrund der geringen Wär­ meleitfähigkeit von Keramik der Einfluß von sich ändernden thermischen Umgebungsbedingungen auf die Temperaturregelung bzw. auf das Sensorausgangssignal unterdrückt werden.

Außerdem verhindert ein Schutzrohr aus Keramik eine Vergif­ tung der gassensitiven, halbleitenden Metalloxid-Dünnschich­ ten durch Oxide, wie sie von Schutzrohren aus Metall abgetra­ gen werden. Dadurch ergeben sich auch hinsichtlich der Dauer­ haltbarkeit des Abgassensors Vorteile gegenüber Sensoren mit einem metallischen Schutzrohr.

Claims (8)

1. Abgassensor mit einem, einen Eintrittsbereich (25) und ei­ nen Austrittsbereich (26) für das Abgas aufweisenden Gehäuse (12) und einem von diesem Gehäuse (12) umgebenen, eine gas­ sensitive Schicht (11) aufweisenden Sensorelement (10), mit einem Strömungskanal (24), der den Eintrittsbereich (25) und den Austrittsbereich (26) miteinander verbindet, wobei das Sensorelement (10) in dem Strömungskanal (24) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) ein Schutzrohr (14) aus keramischem Material aufweist und der Strömungskanal (24) innerhalb des Schutzrohres (14) derart verläuft, daß nur die gassensitive Schicht (11) des Sensorelements (10) vom Abgas umströmt wird.

2. Abgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Eintrittsbereiches (25) des Strömungska­ nals (24) gegenüber dem restlichen Abschnitt des Strömungska­ nals (24) verkleinert und der Austrittsbereich (26) des Strö­ mungskanals (24) radial nach außen gekrümmt ist.

3. Abgassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Abgas nichtumströmten Teile der Oberfläche des Sen­ sorelements (10) vom Schutzrohr (14) derart umfaßt sind, daß zwischen diesen Sensoroberflächen und der Innenwandung des Schutzrohres (14) ein Spalt (A) mit bezogen auf die Dicke des Sensorselements (10) geringer Breite gebildet ist.

4. Abgassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Spaltes (A) in Abhängigkeit von der Ar­ beitstemperatur des Sensorelements (10) gewählt ist.

5. Abgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (14) in einen Träger (16) aus Keramikmaterial eingesetzt ist, der wiederum von einer Hülse (13) aus metal­ lischem Werkstoff zumindest teilweise formschlüssig umgeben ist.

6. Abgassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Eintrittsbereich (25) und der Austrittsbereich (26) innerhalb des Schutzrohres (14) in der selben Ebene verlaufen.

7. Abgassensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Eintrittsbereich (25) und der Austrittsbe­ reich (26) innerhalb des Schutzrohres (14) in verschiedenen Ebenen verlaufen, so daß der Abgasstrom umgelenkt wird.

8. Verwendung eines Abgassensors nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche als Lambda-Sonde.