DE19701210B4

DE19701210B4 - Wasserdichter Aufbau für einen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor

Info

Publication number: DE19701210B4
Application number: DE19701210A
Authority: DE
Inventors: Kenji Kariya Fukaya; Makoto Kariya Hori; Masahiro Kariya Hamaya; Masatoshi Kariya Suzuki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-01-18
Filing date: 1997-01-15
Publication date: 2009-05-14
Anticipated expiration: 2017-01-16
Also published as: JPH09196885A; JP3539031B2; DE19701210A1; GB9701119D0; GB9700961D0; US5874663A; GB2309312A; GB2309312B

Abstract

Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor mit:
einem Sensorelement (11) zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des zu messenden Gasstroms;
Gehäuseelementen (10, 12, 13, 14) zum Halten und Befestigen des Sensorelements (11);
Anschlußdrähten (29, 30, 31), die mit ihrem einen Ende an das Sensorelement (11) angeschlossen sind, die sich mit ihrem mittleren Abschnitt innerhalb der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) erstrecken und die mit ihrem anderen Ende aus einer Öffnung herausragen, die an einem Endabschnitt der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) vorgesehen ist; und
einer Gummitülle (33), die innerhalb des Endabschnitts der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) angeordnet ist und Durchgangslöcher aufweist, in denen die Anschlußdrähte (29, 30, 31) eingeführt sind; wobei
eine Druckbeanspruchung auf die Gummitülle (33) von den Gehäuseelementen (10, 12, 13, 14) ausgeht, wodurch die Anschlußdrähte (29, 30, 31) luftdicht in der Gummitülle (33) befestigt werden, und
die Gummitülle aus einem Gummimaterial besteht, das einen Elastizitätsmodul von 100%...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Weiterentwicklung bzw. Verbesserung eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors, der beispielsweise in einem Einlaß- oder Abgasrohr einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug zum Erfassen eines Verhältnisses von Kraftstoff zu Luft im angesaugten oder ausgestoßenen Gasgemisch eingebaut ist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Weiterentwicklung eines wasserdichten Aufbaus, der in einem Abschnitt verwendet wird, bei dem Anschlußdrähte über eine Gummitülle befestigt und hohen Temperaturen ausgesetzt werden.
Üblicherweise wurden Luft/Kraftstoff-Verhältnissensoren für Kraftfahrzeugmotoren an verschiedenen Punkten im Motorabgassystem fest angeordnet. Insbesondere, wenn ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor unter einem Boden eines Kraftfahrzeugkörpers installiert wird, besteht die Gefahr, daß der Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor Wasser bzw. Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Demzufolge muß die Zuverlässigkeit des wasserdichten Aufbaus verbessert werden, um ein Eintreten von Wasser in den Sensor sicher zu verhindern.
Im Allgemeinen ruft jedes Eindringen von Wasser in den Sensor eine unerwünschte Änderung der vom Sensor erfaßten Sauerstoffkonzentration hervor. Aufgrund des Arbeitsprinzips des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors ist allgemein bekannt, daß eine derartige Änderung eine mögliche Fehlfunktion des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors hervorruft.
An einem Abschnitt, bei dem die Anschlußdrähte aus dem Sensorkörper heraustreten, wird eine Abdicht-Gummitülle verwendet. Zur Verbesserung des wasserdichten Aufbaus eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors wurde diese Art von Abdicht-Gummitülle üblicherweise aus einem Fluor enthaltenden Gummi oder einem Silikongummi mit herausragender Hitzebeständigkeit hergestellt.
Die letzten Änderungen hinsichtlich der Bedingungen für Kraftfahrzeuge, wie beispielsweise das Inkrafttreten der letzten europäischen Richtlinien bezüg lich der Abgasemission (d. h. Verringerung von schädlichen Anteilen im Abgas während einer Hochgeschwindigkeits-Fahrtbedingung), werden die Abgastemperatur als Folge der Verbesserung der Verbrennungseffektivität in einem Motor anheben. Dies wird zu verschiedenen Verschlechterungen oder Beschädigungen einer Gummitülle bzw. Kunststoffabdichtung bei einem in der Nähe eines Motorabgasrohres angeordneten Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors führen, da im Abgasrohr ein Abgas mit hohen Temperaturen strömt. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, daß die Gummitülle einer Hochtemperaturatmosphäre von 300°C ausgesetzt wird.
Bei einer herkömmlichen Fluor enthaltenden Gummitülle oder einer Silikon-Gummitülle besteht ein Problem dahingehend, daß unter der extremen Bedingung von 300°C die Gummitülle schnell zerlegt oder gespalten wird, wodurch der wasserdichte Aufbau beschädigt wird.
Darüber hinaus besteht ein Trend dahingehend, daß ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor zur Verbesserung seiner Einbaufähigkeit in einem Kraftfahrzeug weiter verkleinert wird. Eine derartige Verringerung der Größe eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors kann jedoch dazu führen, daß die Gummitülle einer noch extremeren Bedingung (höheren Temperatur) ausgesetzt wird. Demzufolge wird die Verschlechterung des wasserdichten Aufbaus beschleunigt.
Die DE 196 22 397 A1 offenbart einen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor mit einem Sensorelement; Gehäuseelementen; Anschlußdrähten, die mit ihrem einen Ende an das Sensorelement angeschlossen sind, die sich mit ihrem Abschnitt innerhalb der Gehäuseelemente erstrecken und die mit ihrem anderen Ende aus einer Öffnung herausragen, welche an einem Endabschnitt der Gehäuseelemente vorgesehen ist; und mit einer Gummitülle, die innerhalb des Endabschnitts der Gehäuseelemente angeordnet ist und Durchgangslöcher aufweist, in denen die Anschlußdrähte eingeführt sind, wobei eine Druckbeanspruchung auf die Gummitülle von den Gehäuseelementen ausgeht und die Gummitülle aus einem Gummimaterial besteht.
Ähnliche Sensoren sind aus der US 4 588 494 A , der US 4 591 423 A , der US 4 569 748 A , der DE 35 06 327 A1 , der US 4 442 420 A und der US 4 596 132 A bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten wasserdichten Aufbau für einen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor zu schaffen, bei dem eine Gummitülle verwendet wird, die hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des wasserdichten Aufbaus in einer Hochtemperaturatmosphäre haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung das nachfolgend beschriebene Phänomen durch ein "try and error-Verfahren" beobachtet, wobei verschiedene Materialien für die Gummitülle (33) untersucht wurden.
Im Allgemeinen haben sich viele Ingenieure in diesem Gebiet auf die Druckfestigkeit einer Gummitülle in einem verstemmten bzw. gequetschten Zustand konzentriert. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung fanden jedoch heraus, daß eine Zugfestigkeit eine viel größere Rolle beim Hervorrufen eines Risses in einer Gummitülle spielt als der Unterschied der thermischen Expansionskoeffizienten zwischen einer Gummitülle und einer metallischen Abdeckung. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung legten ihr Augenmerk daher hauptsächlich auf den Elastizitätsmodul von 100%, im folgenden auch als 100%-Modulfestigkeit bezeichnet, eines Gummimaterials (d. h. eine Zugfestigkeit, die man erhält, wenn ein Muster um das Doppelte ausgedehnt wird). Sie fanden dabei heraus, daß die Abdichtfähigkeit einer Gummitülle hinsichtlich Wasser wirkungsvoll verbessert werden kann, indem diese 100%-Modulfestigkeit auf einen Wert von größer oder gleich 588,402 × 10⁴ Pa (60 kg/cm² = 60 kgf/cm²) eingestellt wird, nachdem eine Zeitdauer von 100 Stunden bei einer Temperatur von 300°C abgelaufen ist.
Insbesondere besteht die Erfindung aus einem Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor mit einem Sensorelement (11) zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des zu messenden Gasstroms, Gehäuseelementen (10, 12, 13, 14) zum Halten und Befestigen des Sensorelements (11), Anschlußdrähten (29, 30, 31), die mit ihrem einen Ende an das Sensorelement (11) angeschlossen sind, die sich mit ihrem mittleren Abschnitt innerhalb der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) erstrecken und die mit ihrem anderen Ende aus einer Öffnung herausragen, die an einem Endabschnitt der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) vorgesehen ist, und einer Gummitülle (33), die innerhalb des Endabschnitts der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) angeordnet ist und Durchgangslöcher aufweist, in denen die Anschlußdrähte (29, 30, 31) eingeführt sind. Ferner wird eine Druckbeanspruchung auf die Gummitülle (33) von den Gehäuseelementen ausgeübt, wodurch die Anschlußdrähte (29, 30, 31) luftdicht im Sensorelement (11) befestigt werden. Darüber hinaus besteht die Gummitülle (33) aus einem Gummimaterial, das eine 100%-Modulfestigkeit (d. h. eine erhaltene Zugfestigkeit, wenn eine Probe um das Doppelte ausgedehnt wird) aufweist, die größer oder gleich 588,402 × 10⁴ Pa (60 kg/cm² = 60 kgf/cm²) nach Ablauf von 100 Stunden bei einer Umgebungstemperatur von 300°C beträgt.
Mit dieser in der später erläuterten 2 dargestellten Anordnung kann sowohl die Erzeugung von Rissen in der Gummitülle (33) als auch ein Entweichen von Gas verringert werden. Die wasserdichte Abdichtfähigkeit einer Gummitülle kann somit wirkungsvoll verbessert werden.
Ferner wird gemäß dem Merkmal der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung die Gummitülle von einem Endabschnitt der Gehäuseteile (10, 12, 13, 14) mit einer Verstemm- bzw. Quetschrate von 10 bis 35% verstemmt bzw. abgedichtet. Durch Einstellen der Abdichtrate auf diesen Bereich, kann auf sichere bzw. zuverlässige Weise verhindert werden, daß an der Gummitülle (33) Risse hervorgerufen werden, wodurch man über eine lange Zeit eine hervorragende Abdichtfähigkeit gegenüber Wasser erhält.
Darüber hinaus kann vorzugsweise ein Mehrfach-Abdichtaufbau mit zumindest zwei Abdichtabschnitten am offenen Endabschnitt der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) vorgesehen werden. Durch diesen Mehrfach-Abdichtaufbau kann die Anzahl der Quetsch-Abdichtabschnitte sowie ein Kontaktbereich zwischen der Gummitülle (33) und den Anschlußdrähten (29, 30, 31) wirkungsvoll vergrößert werden. Somit können die Anschlußdrähte (29, 30, 31) mit der Gummitülle (33) sicher befestigt werden. Gleichzeitig vergrößert sich eine Abdichtfläche am Quetsch-Abdichtabschnitt. Dadurch wird in vorteilhafter Weise die Abdichtfähigkeit gegenüber Wasser weiter verbessert.
Darüber hinaus ist die Anwendung des vorstehend beschriebenen Mehrfach-Abdicht bzw. Quetschaufbaus dahingehend vorteilhaft, daß der wasserdichte Aufbau gleichermaßen beibehalten werden kann, da eine Vergrößerung der Abdichtfläche eine Verringerung der Quetschrate bzw. Abdichtrate der Gummitülle (33) kompensieren kann. Die Verringerung der Quetschrate führt zu einer Verringerung einer bleibenden Druckverformung aufgrund von Wärme und Alterung der Gummitülle (33). Auf diese Weise kann die Haltbarkeit der Gummitülle (33) verbessert werden.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, wenn ein zwischen zwei Quetschabschnitten (33b, 33c) angeordnetes Teil der Gummitülle (33) sich in hermetischen Kontakt mit der Innenwand des Gehäuseelements befindet, nachdem die Gummitülle (33) durch die Abdichtung, Verstemmung bzw. Quetschoperation verformt wurde. Mit dieser Anordnung kann durch einen sich axial erstreckenden Bereich zwischen den beiden Quetschabschnitten (33b, 33c) die Dichtfähigkeit bewirkt werden. Selbst wenn die Dichtfähigkeit aufgrund von Störungen (bleibende Druckverformung) lokal an diesen Quetsch- bzw. Kammabschnitten (33b, 33c) verringert ist, wird die Gesamt-Abdichtfähigkeit der Gummitülle (33) gleichermaßen beibehalten, solange die Gummitülle (33) im hermetischen Kontakt mit der Innenwand des Gehäuseelements in dem sich axial erstreckenden Bereich zwischen den beiden Quetschabschnitten (33b, 33c) steht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
1 eine vertikale Querschnittsansicht, die einen Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor gemäß einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel darstellt;
2A eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer 100%-Modulfestigkeit einer Gummitülle und einer Riß-Erzeugungsrate bzw. Wahrscheinlichkeit gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
2B eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer 100%-Modulfestigkeit einer Gummitülle und einem Gasaustrittsbetrag gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
3 eine vertikale Querschnittsansicht, die einen Teil eines Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel darstellt.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei identische Teile in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.
Erstes Ausführungsbeispiel
Ein Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird in ein erstes Auspuff- bzw. Abgasrohr eines Kraftfahrzeugmotors eingebaut, wodurch das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des ausgestoßenen Gases bzw. Abgases erfaßt wird. Gemäß 1 besteht der Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor aus einem zylindrischen Gehäuse 10, einem in dieses Gehäuse 10 fest eingefügten Sensorelement 11 und zylindrischen Abdeckungen 12, 13 und 14, die zum Abdecken der oberen Seite des Sensorelements 11 über dem Gehäuse 10 liegen.
Das Gehäuse 10 und die Abdeckungen 12, 13 und 14 dienen gemeinsam als Gehäuseelemente des Luft/Kraftstoff-Verhältnissensors und bestehen aus einem rostfreien Metall, welches hervorragende Eigenschaften hinsichtlich Korrosion und Hitzebeständigkeit aufweist. Das allgemein bekannte Sensorelement 11 wird tassenförmig ausgebildet und besteht aus einem festen Elektrolyten wie beispielweise Zirkonium (ZrO₂). Eine atmosphärische Kammer ist in einem zentralen Abschnitt dieses Sensorelements 11 ausgebildet. Diese atmosphärische Kammer besitzt über eine später beschriebene Durchgangsöffnung eine Verbindung zur Außenseite des Sensorkörpers. An den inneren und äußeren zylindrischen Oberflächen des Sensorelements 11 werden jeweils eine Innenseitenelektrode 11a (atmosphärische Luftseite) und eine Außenseiten-Elektrode 11b (Abgasseite) ausgebildet. Die Innenseiten- und Außenseiten-Elektroden 11a und 11b bestehen aus einem edlem Metall wie beispielsweise Platin.
Die Arbeitsweise des Sensorelements 11 zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ist allgemein bekannt und wird daher nachfolgend vereinfacht beschrieben. Das Sensorelement 11 erzeugt als Konzentrationszelle eine einem Unterschied zwischen einer über die Innenseiten-Elektrode 11a gemessenen Sauerstoffkonzentration in der atmosphärischen Kammer und einer über die Außenseiten-Elektrode 11b gemessenen Sauerstoffkonzentration des Abgases entsprechende elektromotorische Kraft. Ein Luft/Kraftstoff-Ver hältnis des Abgases kann somit anhand der elektromotorischen Kraft ermittelt werden.
Das Gehäuse 10 besitzt einen Montage-Schraubenabschnitt 10a, der integral an ihrer äußeren zylindrischen Oberfläche ausgebildet ist. Der Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor wird hermetisch bzw. luftdicht an einem (nicht dargestellten) Abgasrohr über diesen Montage-Schraubenabschnitt 10a mittels einer Dichtung 15 befestigt. Demzufolge wird der untere Abschnitt des Sensorelements 12 in das Abgasrohr eingeführt. Die Außenseiten-Elektrode 11b (Abgasseite) des Sensorelements 11 wird daher dem Abgas ausgesetzt, welches über kleine Löcher 16a und 17a in den auf das Gehäuse 10 montierten doppelzylindrischen Abdeckungen 16 und 17 eintritt.
Ferner ist in dem zentralen Abschnitt (d. h. die atmosphärische Kammer) des Sensorelements 11 ein elektrisches Heizelement 18 eingefügt. Dieses elektrische Heizelement 18 erzeugt hauptsächlich dann Wärme, wenn der Motor in einem Niedertemperaturbereich betrieben wird, wodurch das Sensorelement 11 für den Normalbetrieb in ausreichender Weise aufgewärmt wird. Die obere kreisförmige Kante des Gehäuses 10 wird über einen Metallring 19 integral mit der unteren kreisförmigen Kante der Abdeckung 12 verspreizt bzw. abgedichtet. Die durch den Eingriff der kreisförmigen Kante des Gehäuses 10 in die untere kreisförmige Kante der Abdeckung 12 erzeugte Spreizkraft bzw. Stemmkraft wird über ein Polster 21 und einen Isolator 22 auf ein keramisches Abdichtpulver 20 übertragen. Dadurch wird das keramische Abdichtpulver 20 auf einen abgestuften Abschnitt des Gehäuses 10 gedrückt. Mit dieser Anordnung werden das Gehäuse 10 und die Abdeckung 12 an ihren Verbindungsabschnitten abgedichtet. Ein ähnlicher Abdichtaufbau ist zwischen den Abdeckungen 12 und 13 und zwischen den Abdeckungen 13 und 14 vorgesehen, wodurch diese integral miteinander verbunden werden.
Minus- und Plus-Anschlußstücke 23 und 24 bestehen aus einem leitenden Federmetall. Ein unterer Endabschnitt 23a des Minusendstücks 23 wird als elastische Preßpassung in eine äußere zylindrische Oberfläche eines abgestuften Zwischenabschnitts des Sensorelements 11 eingepaßt und elektrisch mit der Außenseiten-Elektrode 11b des Sensorelements 11 verbunden. Währenddessen wird ein unterer Endabschnitt 24a eines Plus-Anschlußstückes 24 als elastische Preßpassung in eine äußere zylindrische Oberfläche eines oberen Abschnitts des Sensorelements 11 eingepaßt, der einen kleineren Durchmesser aufweist.
Die Innenseiten-Elektrode 11a des Sensorelements 11 wird bis zu der Stelle verlängert, bei der der untere Endabschnitt 24a des Plus-Anschlußstücks 24 als Preßpassung befestigt ist. Somit wird das Plus-Anschlußstück 24 elektrisch mit der Innenseiten-Elektrode 11a des Sensorelements 11 verbunden.
Die oberen Enden der Anschlußstücke 23 und 24 werden elektrisch mit den Verbindern bzw. Verbindungselementen 25 und 26 verbunden. Das elektrische Heizelement 18 wird mit einem Verbinder 27 elektrisch verbunden. Diese Verbinder bzw. Verbindungselemente 25, 26 und 27 werden über in einem keramischen Isolator 28 ausgebildete Löcher eingeführt. Darüber hinaus sind diese Verbindungselemente 25, 26 und 27 zur elektrischen Verbindung mit einer externen Schaltung elektrisch mit Anschlußdrähten 29, 30 und 31 verbunden.
Gemäß 1 besitzen das Verbindungselement 27 und der Anschlußdraht 31 die gleiche Polarität. Das andere Verbinder- und Anschlußdrahtpaar mit ihrer entgegengesetzten Polarität ist in der Zeichnung nicht dargestellt. In einem gekoppelten oder sich überlappenden Bereich werden Durchgangslöcher 13a und 14a in den Abdeckungen 13 und 14 geöffnet. Zwischen diese Durchgangslöcher 13a und 14a wird ein Filterelement 32 eingefügt. Das Filterelement 32 dient dem Entfernen von Wasser oder Staub, das bzw. der von außen eindringt. Mit anderen Worten, steht der zentrale Abschnitt (d. h. die atmosphärische Kammer) des Sensorelements 11 über diese Durchgangslöcher 13a, 14a und das Filterelement 32 in Verbindung mit der Außenseite.
Die beiden oberen kreisförmigen Enden der Abdeckungen 13 und 14 sind jeweils geöffnet. Die Anschlußdrähte 29, 30 und 31 werden an diesen geöffneten Enden der Abdeckungen 13 und 14 zur Außenseite geführt. Eine Gummitülle 33 wird innerhalb des geöffneten kreisförmigen Endabschnitts der gemeinsamen Abdeckungen 13 und 14 angeordnet. Die Gummitülle 33 besitzt sich in axialer Richtung erstreckende Durchgangslöcher, in denen die Anschlußdrähte 29, 30 und 31 liegen. Demzufolge werden die Anschlußdrähte 29, 30 und 31 fest durch die Gummitülle 33 getragen bzw. unterstützt.
Der durch die Gummitülle 33 realisierte Trage- und Befestigungsaufbau für die Anschlußdrähte 29, 30 und 31 stellt ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung dar. Nachfolgend werden daher Einzelheiten dieses Trage- und Befestigungsaufbaus beschrieben.
Die Gummitülle bzw. Gummidichtung 33 wird als zylindrischer Körper mit sich in axialer Richtung erstreckenden Durchgangslöchern ausgebildet, in denen die Anschlußdrähte 29, 30 und 31 liegen bzw. geführt sind. Nach dem Einführen der Anschlußdrähte 29, 30 und 31 in diese Durchgangslöcher wird eine Verstemmung, bzw. ein quetschender Abdichtvorgang zum Befestigen der Anschlußdrähte 29, 30 und 31 in der Gummitülle 33 durchgeführt. Insbesondere wird eine radiall nach innen gerichtete Quetschkraft an einer vorbestimmten Stelle 13b und 14b des offenen kreisförmigen Endabschnitts den gemeinsamen Abdeckungen 13 und 14 zugeführt. Die axiale Lage dieser Quetschstellen 13b und 14b trifft genau einen axialen Mittelpunkt der Gummitülle 33. Durch diesen Abdicht- bzw. Quetschvorgang wird der axiale Mittelpunkt 33a der Gummitülle 33 elastisch eingedrückt und derart verformt, daß eine kreisförmige Rille bzw. Nut ausgebildet wird. Die so erzeugte Druckkraft bzw. Druckspannung bewirkt somit eine Preßpassung der Gummitülle 33 am axialen Mittelpunkt 33a für die Anschlußdrähte 29, 30 und 31 sowie die Innenwand der Abdeckung 30, wodurch eine wasserdichte Abdichtung geschaffen wird.
Der erfindungsgemäße Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor wird jedoch im Abgasrohr bzw. Auspuffrohr eines Kraftfahrzeugmotors montiert. Daher werden die hohen Temperaturen des Abgases an den kreisförmigen offenen Endabschnitt der gemeinsamen Abdeckungen 13 und 14 übertragen oder abgestrahlt. Es besteht daher die Gefahr, daß die Gummitülle 33 einer hohen Temperatur bis 300°C ausgesetzt wird. Folglich treten bei der Gummitülle 33 die negativen Wirkungen von hohen Temperaturen auf, wodurch eine Alterung hervorgerufen werden kann aufgrund der Risse oder eine Verschlechterung der wasserdichten Abdichtfunktion hervorgerufen wird.
In Anbetracht dieser Tatsache haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des wasserdichten Aufbaus bei einer Hochtemperaturatmosphäre ihr Augenmerk auf eine 100%-Modulfestigkeit eines Gummimaterials gerichtet (d. h. eine erhaltene Zugfestigkeit, wenn ein Muster um das Doppelte ausgedehnt wird) wobei ein "try and error"-Verfahren zur Untersuchung verschiedener Materialien für die Gummitülle 33 angewendet wurde. Hierzu wurde eine Anzahl von Versuchsmustern für die Gummitülle 33 aus Materialien hergestellt, die unterschiedliche Modulfestigkeiten aufweisen. Diese Versuchsmuster wurden für 100 Stunden einer Atmosphäre von 300°C ausgesetzt. Daraufhin wurde sowohl eine Riß-Erzeugungsrate bzw. ein Riß-Erzeugungsgrad sowie ein Gasaustrittsbetrag für die Gummitülle 33 gemessen, wodurch sich eine Beziehung zwischen diesen physikalischen Größen und der 100%-Modulfestigkeit ergibt. Die 2 zeigt das Ergebnis des derart gemessenen Riß-Erzeugungsgrades bzw. der Wahrscheinlichkeit für die Rißerzeugung und den Gasaustrittsbetrag.
Bei den Tests zum Riß-Erzeugungsgrad wurden Experimente unter zwei Abdichtraten von 10% (schwarze Punkte) und 35% (weiße Punkte) durchgeführt. Mit diesen beiden Quetsch-Abdichtraten wurden eine Vielzahl von Materialien für die Gummitülle 33 unter gleichen Bedingungen nach 100 Stunden bei 300°C getestet, um sowohl den Riß-Erzeugungsgrad als auch den Gasaustrittsbetrag (Luft) der Gummitülle 33 zu ermitteln bzw. messen.
Im Allgemeinen wird die Quetsch-Abdichtrate durch nachfolgende Gleichung 1 definiert, wobei "a" eine Dicke der Gummitülle 33 in einem freien Zustand darstellt, in dem noch keine Quetschoperation durchgeführt wurde, und "b" eine Dicke der Gummitülle 33 in einem komprimierten und verformten Zustand darstellt, bei dem die Quetschoperation bereits abgeschlossen ist. Quetsch-Abdichtrate = {(a – b)/a}·100 (%) (1)
Darüber hinaus erhält man den Rißerzeugungsgrad durch visuelle Überprüfung eines Prozentsatzes der getesteten Muster mit Rißbildung aus der Gesamtheit der getesteten Muster.
Wie sich aus dem Versuchsergebnis gemäß 2A ergibt, kann die Rißbildungsrate bzw. der Rißerzeugungsgrad bis auf 0 verringert werden, wenn ein Gummimaterial eine 100%-Modulfestigkeit von größer oder gleich 588,402 × 10⁴ Pa (60 kg/cm² = 60 kgf/cm²) nach Ablauf von 100 Stunden bei einer Umgebungstemperatur von 300°C aufweist.
Die 2B zeigt eine Beziehung zwischen dem Gasaustrittsbetrag der Gummitülle 33 und der 100%-Modulfestigkeit. Zum Testen des Gasaustrittsbetrags wurden Versuche unter den nachfolgend beschriebenen Bedingungen durchgeführt. In den Versuchen wurde das Gehäuse 10 und die Abdeckung 12 gemäß 1 voneinander getrennt, wodurch das untere Ende der Abdeckung 12 geöffnet wird. An diesem geöffneten unteren Ende der Abdeckung 12 wird Gas unter einem Druck von 0,8 kg/cm² (Manometerdruck) eingebracht. Der obere offene Endbereich der gemeinsamen Abdeckungen 13 und 14 wurde für eine Minute in Wasser eingetaucht. Daraufhin wurde der durch die Gummitülle 33 in das Wasser ausgetretene Gasbetrag gemessen.
Wie sich aus dem Versuchsergebnis gemäß 2B ergibt, kann der Gasaustrittsbetrag auf 0 verringert werden, wenn ein Gummimaterial mit einer 100%-Modulfestigkeit von größer oder gleich 588,402 × 10⁴ Pa (60 kg/cm² = 60 kgf/cm²) nach Ablauf von 100 Stunden bei einer Umgebungstemperatur von 300°C verwendet wird.
In Anbetracht der vorstehend beschriebenen Ergebnisse kann man folglich eine wasserdichte Abdichtung für eine Gummitülle 33 für eine lange Zeit selbst unter einer extremen Bedingung von 300°C in angemessener Weise beibehalten, solange die Gummitülle 33 aus einem Gummimaterial besteht, welches eine 100%-Modulfestigkeit größer oder gleich 588,402 × 10⁴ Pa (60 kg/cm² = 60 kgf/cm²) nach Ablauf von 100 Stunden bei einer Umgebungstemperatur von 300°C aufweist.
Hinsichtlich des Abdichtverhaltens der Gummitülle 33 wird durch die Ergebnisse gemäß 2A und 2B bestätigt, daß die wasserdichte Abdichtfähigkeit gut beibehalten wird, wenn die Abdichtrate in einem Bereich von 10 bis 35% liegt.
Zweites Ausführungsbeispiel
Die 3 zeigt ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel, welches durch einen Mehrfach-Abdichtaufbau gekennzeichnet ist, bei dem die Gummitülle 33 an zwei Abschnitten 33b und 33c gequetscht wird, die in axialer Richtung beabstandet sind. Gemäß 3 bezeichnen die Bezugszei chen 13c, 14c und 14d gequetschte Abschnitte (Aussparungsabschnitt) der Abdeckungen 13 und 14.
Durch Verwendung von zumindest zwei gequetschten Abschnitten an der Gummitülle 33 gemäß dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ergibt sich ein Vorteil dahingehend, daß die Anzahl der Dichtabschnitte vergrößert ist und ebenso die Kontaktfläche zwischen der Gummitülle 33 und den Anschlußdrähten 29, 30 und 31 vergrößert werden kann. Auf diese Weise ergibt sich der Vorteil, daß die Anschlußdrähte 29, 30 und 31 sicher befestigt werden können. Gleichzeitig erhöht sich die Abdichtfläche an den Quetsch-Abdichtabschnitten, wodurch die wasserdichte Abdichtfähigkeit in wünschenswerter Weise weiter verbessert werden kann.
Durch Anwendung des vorstehend beschriebenen Mehrfach-Abdichtaufbaus kann in vorteilhafter Weise der wasserdichte Abdichtaufbau in gleicher Weise beibehalten werden, da eine Vergrößerung der Abdichtfläche eine Verringerung der Quetsch-Abdichtrate der Gummitülle 33 ausgleichen kann. Die Verringerung der Abdichtrate führt zu einer Verringerung einer bleibenden Druckverformung der Gummitülle aufgrund von Wärme und Alterung. Somit kann die Dauerfestigkeit bzw. Haltbarkeit der Gummitülle 33 verbessert werden.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, daß der zwischen den Quetschabschnitten 33b und 33c liegende Teil der Gummitülle 33 in hermetischen bzw. luftdichten Kontakt mit der Innenwand der gemeinsamen Abdeckungen 13 und 14 liegt, nachdem die Gummitülle 33 durch die Quetschoperation verformt wurde, so daß die Abdichtfähigkeit durch einen sich axial erstreckenden Bereich zwischen den beiden Quetschabschnitten 33b und 33c bewirkt wird. Die beiden Quetschabschnitte 33b und 33c neigen zu einer Verschlechterung bzw. Störung (bleibende Druckverformung). Selbst wenn die Abdichtfähigkeit lokal an diesen Quetschabschnitten 33b und 33c aufgrund der vorstehend beschriebenen Verschlechterung lokal verringert ist, kann die Gesamt-Abdichtfähigkeit der Gummitülle 33 in angemessener Weise beibehalten werden, solange die Gummitülle 33 luftdicht mit der Innenwand der gemeinsamen Abdeckungen 13 und 14 im sich axial erstreckenden Bereich zwischen den Quetschabschnitten 33b und 33c in Kontakt steht.
Weitere Ausführungsbeispiele
Ein wesentlicher Teil der vorliegenden Erfindung liegt im vorstehend beschriebenen Trage- und Befestigungsaufbau, der durch die Gummitülle 33 realisiert wird. Daher können das Sensorelement 11 und weitere Bauteile in beliebiger Weise modifiziert bzw. geändert werden. Der Aufbau des Sensorelements 11 kann beispielsweise plattenförmig anstelle der verwendeten Tassenform aufgebaut sein. In diesem Fall wird das elektrische Heizelement 18 ebenso plattenförmig ausgebildet, so daß das elektrische Heizelement auf diesem plattenförmigen Sensorelement angeordnet bzw. laminiert werden kann.
Darüber hinaus kann neben dem Sensorelement 11 vom Konzentrationszellentyp der eine elektromotorische Kraft in Abhängigkeit vom Unterschied der an den Innenseiten- und Außenseiten-Elektroden 11a und 11b gemessenen Sauerstoffkonzentrationen erzeugt, die vorliegende Erfindung auch auf andere Luft/Kraftstoff-Verhältnissensoren angewendet werden, wie beispielsweise sogenannte Sensoren vom Strombegrenzungstyp, bei denen eine Spannung zwischen den Elektroden 11a und 11b des Sensorelements 11 angelegt wird und ein entsprechend dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases ausgegebener Stromwert abgegeben wird.
Gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen dienen die Abdeckungen 13 und 14 als Gehäuseelemente, die zum Erzeugen einer auf die Gummitülle 33 wirkenden Druckkraft gequetscht sind. Durch diese Druckbeanspruchung bzw. Druckkraft können die Anschlußdrähte 29, 30 und 31 in der Gummitülle 33 festgehalten werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Quetsch-Strukturen bzw. Abdichtstrukturen der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann die Gummitülle 33 zwischen den beiden Abdeckungen 13 und 14 "sandwichförmig" angeordnet sein, wodurch der Gummitülle 33 eine Druckbeanspruchung zugeführt wird aufgrund der die Anschlußdrähte 29, 30 und 31 fest innerhalb der Gummitülle 33 befestigt werden.
Zur Verbesserung der Abdichtfähigkeit einer Gummitülle gegenüber Wasser, die bei einer Hochtemperaturumgebung in einem Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor verwendete Anschlußdrähte befestigt, verwendet man eine 100%-Modulfestigkeit (d. h. eine erhaltene Zugfestigkeit, wenn eine Probe um das Dop pelte gestreckt wurde) eines Gummimaterials als Material für eine Gummitülle. Dabei wurde festgestellt, daß die Wasser-Abdichtfähigkeit der Gummitülle wirkungsvoll verbessert wird, wenn der Wert der 100%-Modulfestigkeit auf größer oder gleich 588,402 × 10⁴ Pa (60 kg/cm² = 60 kgf/cm²) nach Ablauf von 100 Stunden bei einer Umgebungstemperatur von 300°C eingestellt wird.

Claims

Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor mit: einem Sensorelement (11) zum Erfassen eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des zu messenden Gasstroms; Gehäuseelementen (10, 12, 13, 14) zum Halten und Befestigen des Sensorelements (11); Anschlußdrähten (29, 30, 31), die mit ihrem einen Ende an das Sensorelement (11) angeschlossen sind, die sich mit ihrem mittleren Abschnitt innerhalb der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) erstrecken und die mit ihrem anderen Ende aus einer Öffnung herausragen, die an einem Endabschnitt der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) vorgesehen ist; und einer Gummitülle (33), die innerhalb des Endabschnitts der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) angeordnet ist und Durchgangslöcher aufweist, in denen die Anschlußdrähte (29, 30, 31) eingeführt sind; wobei eine Druckbeanspruchung auf die Gummitülle (33) von den Gehäuseelementen (10, 12, 13, 14) ausgeht, wodurch die Anschlußdrähte (29, 30, 31) luftdicht in der Gummitülle (33) befestigt werden, und die Gummitülle aus einem Gummimaterial besteht, das einen Elastizitätsmodul von 100% aufweist, dessen Wert nach Ablauf von 100 Stunden bei einer Umgebungstemperatur von 300°C gleich oder größer als 588,402 × 10⁴ Pa ist, wobei der Elastizitätsmodul von 100% als die Zugspannung definiert ist, bei welcher sich ein Material um 100% ausdehnt.
Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gummitülle (33) aus einem Tetrafluorethylen-Perfluorether-Gruppen-haltigen Kautschuk besteht.
Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gummitülle (33) innerhalb des Endabschnitts der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) durch die von den Gehäuseelementen erzeugte Druckbeanspruchung derart gehalten wird, daß die Gummitülle eine Quetsch-Abdichtrate von 10% bis 35% aufweist.
Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor nach einem der vorstehend genannten Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrfach-Abdichtstruktur mit zumindest zwei Quetschabschnitten am Endabschnitt der Gehäuseelemente (10, 12, 13, 14) vorgesehen ist.