DE19924319C2 - Gasmeßfühler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Gasmeßfühler, insbeson­ dere zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskom­ ponente in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Gasmeßfühler der gattungsgemäßen Art sind bekannt und werden üblicherweise im Bereich eines Abgaskanals der Verbrennungskraftmaschine angeordnet. Die Gasmeßfüh­ ler weisen ein im wesentlichen röhrenförmiges Gehäuse auf, in dem wenigstens ein axial verlaufendes Sensor­ element durch wenigstens eine Dichtungsanordnung fi­ xiert ist. Gehäuse und Dichtungsanordnung können da­ bei eine große Formvielfalt aufweisen. So kann das Gehäuse ein- oder mehrteilig aufgebaut sein und bei­ spielsweise Konturen aufweisen, die eine Positionie­ rung des Gasmeßfühlers innerhalb eines bestimmten Be­ reichs eines Abgasstroms in dem Abgaskanal erlauben. Die Dichtungsanordnung wiederum kann ein- oder mehr­ teilig ausgeführt sein und ermöglicht neben der Posi­ tionierung des Sensorelements eine Abdichtung ausge­ wählter Gehäusebereiche.

Der Gasmeßfühler wird in dem Abgaskanal derart posi­ tioniert, daß er in seiner Längserstreckung senkrecht zum Abgasstrom angeordnet ist. Dazu wird ein abgas­ fernes Ende des Gasmeßfühlers in einer geeigneten Aussparung des Abgaskanals dichtend festgelegt, wäh­ rend ein abgasnahes Ende möglichst in einem Bereich hoher Abgasströmung positioniert wird. Es ist bekannt solche Gasmeßfühler derart auszugestalten, daß die wenigstens eine Dichtungsanordnung einen dem Abgas zugewandten Meßraum innerhalb des Gehäuses begrenzt. In diesen Meßraum ragt das Sensorelement.

Über Ein- und Austrittsöffnungen des Gehäuses im Be­ reich des Meßraums umströmt das Abgas das Sensorele­ ment. Im Abgas enthaltene Feststoffpartikel, starke Temperatur- und Druckschwankungen können sich jedoch störend auf einen Betrieb eines solchen Gasmeßfühlers auswirken. Daher ist bekannt, das Gehäuse im Bereich des Meßraums derart auszugestalten, daß es aus einem Innenrohr und einem Außenrohr besteht, die jeweils zumindest eine Eintrittsöffnung für das Abgas in den Meßraum aufweisen und wenigstens eine Austrittsöff­ nung besitzen. Durch eine solche Anordnung werden Temperatur- und Druckschwankungen gedämpft, sowie ein Eindringen der Feststoffpartikel in den Meßraum ver­ hindert.

Die Sensorelemente solcher Gasmeßfühler sind überwie­ gend aus keramischen Materialien geformt. Solche Ke­ ramiken sind sehr empfindlich gegenüber starken Tem­ peraturschwankungen, das heißt, innerhalb eines sol­ chen Sensorelements sollte ein großer Temperaturgra­ dient verhindert werden. Ansonsten bilden sich sehr schnell Risse in dem Sensorelement, die zu einem To­ talausfall oder einer Fehlfunktion des Gasmeßfühlers führen.

Es ist bekannt, Verbrennungskraftmaschinen zur Ver­ brauchsoptimierung unter magerer Atmosphäre, das heißt sauerstoffreichen Bedingungen, zu betreiben. In diesem Fall weist das Abgas deutlich niedrigere Tem­ peraturen als bei einem Betrieb unter stöchiometri­ scher oder fetter Atmosphäre auf. Daher ist eine Warmlaufphase, in der der Abgaskanal aufgeheizt wird, kurz nach einer Inbetriebnahme der Verbrennungskraft­ maschine verlängert. Das Sensorelement wiederum wird durch eine integrierte Heizeinrichtung, insbesondere einen Heizmäander, sehr schnell auf eine hohe Be­ triebstemperatur gebracht. Befindet sich Wasser, bei­ spielsweise in Form von Eis, im Abgaskanal zwischen der Verbrennungskraftmaschine und dem Gasmeßfühler, so kann dieses durch die Eintrittsöffnungen in den Meßraum eindringen. Insbesondere, wenn der Schmelz­ punkt von Wasser überschritten wird, können so schlagartig größere Mengen von Wasser in den Meßraum eindringen. Nachteilig bei den bekannten Gasmeßfüh­ lern ist dabei, daß sich das Wasser auch auf dem Sen­ sorelement abscheiden kann, was zwangsläufig zu einer Abkühlung einer Oberfläche des Sensorelements führt, und damit die schädlichen Temperaturgradienten inner­ halb des Sensorelements hervorruft.

Aus der DE 43 18 107 A1 ist ein Gasmeßfühler bekannt, der zum Schutz des Sensorelements ein einwandiges Schutzrohr aufweist. Das Schutzrohr besitzt mindestens eine Öffnung für das Meßgas. Um eine Benetzung der Oberfläche des Sensors mit Wasser zu vermeiden, ist die Öffnung auf der der Strömung des Meßgases abgewandten Seite des Schutzrohres angeordnet.

Vorteile der Erfindung

Durch einen Gasmeßfühler mit den Merkmalen des An­ spruchs 1 kann eine Benetzung der Oberfläche des Sen­ sorelements wirkungsvoll vermieden werden.

Dadurch, daß der zumindest einen Eintrittsöffnung des Innenrohrs und/oder der zumindest einen Eintrittsöff­ nung des Außenrohrs ein Strömungselement für das Ab­ gas zugeordnet ist, daß das in dem vom Innenrohr und Außenrohr gebildeten Zwischenraum und/oder den Meß­ raum eintretende Abgas in Richtung der jeweiligen in­ neren Mantelfläche des Innenrohres und/oder des Au­ ßenrohres umlenkt, ist es in einfacher und kostengün­ stiger Weise möglich, eindringendes Wasser an den in­ neren Mantelflächen zu binden. Infolge ansteigender Temperaturen des Abgases verdampft das Wasser dann anschließend allmählich. Aufgrund der Strömungsele­ mente besitzt das Abgas im Bereich des Meßraums ein tangentiales und helikales entlang der Mantelinnen­ flächen verlaufendes Strömungsprofil. Auf diese Weise wird eindringendes Wasser durch die auftretenden Zen­ trifugalkräfte auf die Mantelinnenflächen gelenkt, und daneben können auch zusätzlich eindringende kleinste Feststoffpartikel von dem Sensorelement ferngehalten werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung bestehen die Strö­ mungselemente aus radial nach innen gerichteten Aus­ buchtungen des Innen- und/oder Außenrohres. Solche Ausbuchtungen können in einem hohe Maße variabel ge­ staltet werden. So ist es möglich, beispielsweise durch Variation einer Anzahl der Ausbuchtungen, deren relative Lage zueinander oder deren geometrische Aus­ gestaltung auf gegebenenfalls bestehende Applika­ tionsanforderungen einzugehen. Weiterhin ist es denk­ bar, die inneren Mantelflächen ganz oder bereichswei­ se mit schraubenförmigen Konturen zu versehen, die insbesondere eine Ausbildung des helikalen Strömungs­ profils des Abgases unterstützen.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung er­ geben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen ge­ nannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispie­ len anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 eine Schnittansicht durch einen Gasmeß­ fühler;

Fig. 2a und 2b zwei verschiedene Schnittansichten durch einen Bereich eines Meßraums des Gasmeß­ fühlers gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht durch eine weitere Ausführungsform des Bereichs des Meßraums;

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht und eine Draufsicht auf ein Außenrohr einer Ausführungsform gemäß Fig. 3;

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht und eine Draufsicht auf ein Innenrohr einer Ausführungsform gemäß Fig. 3 und

Fig. 6 eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines Strömungselements.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines Gasmeß­ fühlers 10, der insbesondere zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente in Abgasen von Ver­ brennungskraftmaschinen eingesetzt wird. Der Gasmeß­ fühler 10 hat ein im wesentlichen rohrförmiges Gehäu­ se 12, in dem ein axial verlaufendes Sensorelement 14 untergebracht ist. Die Funktionsweise eines solchen Gasmeßfühlers 10 ist bekannt und soll in diesem Zu­ sammenhang nicht näher erläutert werden.

Der Gasmeßfühler 10 wird in einem hier nicht darge­ stellten Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine an­ geordnet, und zwar derart, daß sein eines Ende 13 dichtend in einer Aussparung des Abgaskanals sitzt und der Gasmeßfühler 10 senkrecht in den Abgaskanal ragt. Somit wird der Gasmeßfühler 10 in Querrichtung von dem zu untersuchenden Abgas umströmt. Ein Bereich 17 des Gasmeßfühlers 10 ist dabei nach Möglichkeit in einem Bereich des Abgaskanals angeordnet, der einen relativ schnellen Abgasstrom aufweist. Der Bereich 17 wird durch eine Dichtungsanordnung 16, die einerseits das Gehäuse 12 in Richtung des Endes 13 abdichtet und andererseits zur Fixierung des Sensorelements 14 dient, begrenzt.

In dem Bereich 17 wird ein Meßraum 18 von einem In­ nenrohr 22 umschlossen. Das Sensorelement 14 ragt in diesen Meßraum 18. Ferner ist dem Bereich 17 ein Au­ ßenrohr 20 zugeordnet, wobei sich zwischen dem Außen­ rohr 20 und dem Innenrohr 22 ein Zwischenraum 23 er­ streckt. Außen- und Innenrohr 20, 22 können konzen­ trisch um das Sensorelement 14 angeordnet werden und sind über eine Bördelung 34 an dem Dichtelement 16 festgelegt.

Außen- und Innenrohr 20, 22 weisen jeweils wenigstens eine Eintrittsöffnung 24, 26 für das Abgas auf. Wei­ terhin ist wenigstens eine Austrittsöffnung 28 - in diesem Fall Bestandteil des Innenrohrs 22 - vorhan­ den. Den Eintrittsöffnungen 24, 26 ist jeweils ein Strömungselement 30, 32 zugeordnet. Ebenso kann auch der Austrittsöffnung 28 ein Strömungselement 36 zuge­ ordnet werden.

Der Bereich 17 des Meßraumes 18 ist in den Fig. 2a und 2b vergrößert dargestellt. Der Übersichtlichkeit wegen ist das Sensorelement 14 nicht dargestellt wor­ den. Die Fig. 2a zeigt dabei ebenfalls einen Schnitt entlang einer Längsachse des Gasmeßfühlers 10, wäh­ rend in der Fig. 2b eine Draufsicht auf einen Schnitt entlang der Linie AB dargestellt ist.

Besonders aus der Fig. 2b wird hier bereits deut­ lich, daß die Strömungselemente 30, 32, 36 in einem hohen Maße variabel ausgestaltet werden können. So liegt die Anzahl der Eintrittsöffnungen 24, 26 je­ weils bei sechs, die der Austrittsöffnungen 28 bei drei. Jeder dieser Öffnungen 24, 26, 28 ist jeweils ein Strömungselement 30, 32, 26 zugeordnet. Denkbar ist aber auch die Anzahl der Eintrittsöffnungen 24, 26 und Austrittsöffnungen 28 zu variieren, und es ist nicht notwendig jedem dieser Öffnungen 24, 26, 28 ein Strömungselement 30, 32, 36 zuzuordnen.

Weiterhin ist ersichtlich, daß auch eine geometrische Ausgestaltung der Strömungselemente 30, 32, 36 ver­ schiedenartig ist. Dabei ist es ebenso möglich, die Strömungselemente 30, 32, 36 bereichsweise oder voll­ ständig gleichartig auszugestalten. Darüber hinaus können die Strömungselemente 30, 32, 36 in ihrer re­ lativen Lage zueinander verschiedenartig angeordnet sein. So ist es denkbar, beispielsweise die Ein­ trittsöffnungen 26 des Innenrohrs 22 in axialer Rich­ tung versetzt zueinander in das Innenrohr 22 einzu­ bringen. Insgesamt wird damit ersichtlich, daß durch Variation der Strömungselemente 30, 32, 36 in einem besonders hohen Maße auf gegebenenfalls bestehende Applikationsanforderungen eingegangen werden kann.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel strömt das Abgas zunächst durch die Eintrittsöffnung 24 in den Zwi­ schenraum 23. Dabei wird das Abgas derart durch das Strömungselement 30 abgelenkt, daß es tangential auf eine innere Mantelfläche 38 des Außenrohrs 20 trifft. Infolge dessen zirkuliert das Abgas innerhalb des Zwischenraumes 23 um die Längsachse des Gasmeßfühlers 10 und gegebenenfalls eingedrungene Feststoffpartikel und/oder Wasser werden aufgrund der auftretenden Zen­ trifugalkräfte in Richtung der Mantelfläche 38 be­ schleunigt und scheiden sich dort ab. In eben glei­ cher Weise wird das Abgas nach einem Eintritt in den Meßraum 18 durch die Eintrittsöffnungen 26 umgelenkt. Auch hier zirkuliert das Abgas, diesmal um eine Achse des Innenrohrs 22.

Die Strömungselemente 30, 32, 36 können beispielswei­ se durch Ausbuchtungen 42, 44, 46 des Innen- und Au­ ßenrohrs 20, 22 gebildet werden. Die Ausbuchtungen 42, 44, 46 sind dabei radial und nach innen gerich­ tet. Ein Ende 48 und ein Ende 50 der Ausbuchtungen 42, 44 der Eintrittsöffnungen 24, 26 zeigt dabei in die jeweils selbe Umlaufrichtung und das Abgas wird entsprechend eines variablen Anstellwinkels α tangen­ tial auf die Mantelfläche 38, 40 geleitet. Die Aus­ buchtung 46 der Austrittsöffnung 28 ragt mit ihrem Ende 52 der Umlaufrichtung des Abgases entgegen, um Turbolenzen möglichst gering zu halten.

Die Fig. 3 zeigt in einer schematischen Schnittan­ sicht ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Be­ reich 17 des Gasmeßfühlers 10. Aus Gründen der Über­ sichtlichkeit wurden alle Strömungselemente sowie das Sensorelement 14 weggelassen. Verdeutlicht werden soll hier lediglich eine bevorzugte Anordnung der Eintrittsöffnungen 24, 26 und Austrittsöffnungen 28, 54. So hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Ein­ trittsöffnung 24 des Außenrohrs 20 senkrecht zur Längsachse des Gasmeßfühlers 10 anzuordnen, da auf diese Weise besonders gut ein Eindringen von Fest­ stoffpartikeln verhindert werden kann. Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Eintrittsöff­ nung 26 des Innenrohrs 22 an einer der Eintrittsöff­ nung 24 des Außenrohrs 20 entfernt liegenden Seite anzuordnen. In dem Zwischenraum 23 kann auf diese Weise eine Dämpfung auftretender Druckschwankungen stattfinden. Dadurch, daß die Austrittsöffnungen 28 und 54 radial versetzt zueinander angeordnet sind, kann auch ein Eintreten von Feststoffen über die Aus­ trittsöffnungen 28, 54 besonders sicher verhindert werden.

In der Fig. 4 ist das Außenrohr 20 gemäß der Fig. 3 noch einmal separat dargestellt. So ist auch hier eine Mehrfachanordnung von Eintrittsöffnungen 24, die konzentrisch um die Längsachse des Gasmeßfühlers 10 angeordnet sind, möglich.

Das Innenrohr 22 gemäß der Fig. 3 ist in der Fig. 5 in zwei weiteren Schnittansichten noch einmal detail­ liert dargestellt. In diesem Fall sind den Eintritts­ öffnungen 26 die Strömungselemente 32 zugeordnet. Dazu werden Ausbuchtungen 44 entlang eines Radius des Innenrohrs 22 angeordnet. Ein solches Strömungsele­ ment 32 ist in der Fig. 6 noch einmal vergrößert dargestellt. Wie ersichtlich, ist hier die Ausbuch­ tung 44 radial nach innen gerichtet und weist einen Anstellwinkel α auf. Über den Anstellwinkel α kann eine tangentiale Strömungsrichtung des Abgases beein­ flußt werden. Daneben kann zur Beeinflussung einer helikalen Strömungsrichtung des Abgases das Ende 50 der Ausbuchtung 44 schräg zu dem Radius des Innen­ rohrs 22 verlaufen.

Weiterhin ist es möglich, die Mantelflächen 38, 40 des Innen- und Außenrohrs 20, 22 mit schraubenförmi­ gen Konturen zu versehen, die eine Ausbildung des ge­ wünschten helikalen Strömungsprofils des Abgases un­ terstützen. So ist es beispielsweise denkbar ausge­ hend von den Eintrittsöffnungen 26 schraubenförmige Rillen bis zu den Austrittsöffnungen 28 zu führen.

Claims (6)

1. Gasmeßfühler, insbesondere zur Bestimmung einer Konzentration einer Gaskomponente in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem im wesentlichen rohrförmigen Gehäuse, in dem wenigstens ein axial verlaufendes Sensorelement durch wenigstens eine Dichtungsanordnung fixiert ist, wobei die wenigstens eine Dichtungsanordnung einen dem Abgas zugewandten Meßraum innerhalb des Gehäuses begrenzt und das Gehäuse im Bereich des Meßraumes zur Ausbildung eines Zwischenraumes aus einem Innenrohr und einem Außenrohr besteht, die jeweils zumindest eine Eintrittsöffnung für das Abgas in den Meßraum aufweisen und wenigstens eine Austrittsöffnung für das Abgas besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest einen Eintrittsöffnung (26) des Innenrohrs (22) und/oder der zumindest einen Eintrittsöffnung (24) des Außenrohrs (20) ein Strömungselement (30, 32) für das Abgas zugeordnet ist, das das in den vom Innenrohr (22) und Außenrohr (20) gebildeten Zwischenraum (23) und/oder den Meßraum (18) eintretende Abgas in Richtung der jeweiligen inneren Mantelflächen (38, 40) des Innenrohrs (22) und/oder des Außenrohrs (20) umlenkt.

2. Gasmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der wenigstens einen Austrittsöffnung (28, 54) ein Strömungselement (36) zugeordnet ist.

3. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Strömungselement (30, 32, 36) durch eine Ausbuchtung (42, 44, 46) des Innenrohrs (22) und/oder des Außenrohrs (20) gebildet wird.

4. Gasmeßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß eine tangentiale Strömungsrichtung des Abga­ ses in Richtung der Mantelflächen (38, 40) durch ei­ nen Anstellwinkel (α) der Ausbuchtungen (42, 44) ge­ geben ist.

5. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß eine helikale Strö­ mungsrichtung des Abgases im Zwischenraum (23) und/oder im Meßraum (18) durch eine relative Ausrich­ tung eines Endes (48, 50) der Ausbuchtung (42, 44) bezüglich einer Längsachse des Gasmeßfühlers (10) und/oder durch eine schraubenförmige Kontur auf der Mantelfläche (38, 40) gegeben ist.

6. Gasmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Strömungselement (30) des Außenrohrs (20) und das we­ nigstens eine Strömungselement (32) des Innenrohrs (22) auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Zwischen­ raums (23) angeordnet sind.