DE3743295C1 - Vorrichtung zur Verlaengerung der Lebensdauer und Verbesserung der Messrepraesentanz einer in dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors eingebauten Lambda-Sonde - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Verlängerung der Lebensdauer und Verbesserung der Meßrepräsentanz einer in dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordneten beheizten Lambda-Sonde.

Lambda-Sonden ermitteln den Restsauerstoffgehalt in dem Mo­ torabgas und ermöglichen dadurch eine genaue Regelung des Kraftstoff/Luft-Gemisches, so daß das entstehende Motorab­ gas an einem Abgaskatalysator optimal umgesetzt werden kann. Der Aufbau von Lambda-Sonden ist dem Fachmann wohlbekannt und z. B. in DE-OS 30 23 337 ausführlich beschrieben. Lambda-Sonden bestehen allgemein aus einem in den Abgas­ strom ragenden, einseitig geschlossenen Festelektrolytrohr, das auf seiner Außenseite die Meßelektrode und auf seiner Innenseite die Bezugselektrode trägt. Das Festelektrolyt­ rohr besteht aus Keramik und ragt bei der Messung in den Abgasstrom. Zum Schutz gegen Berührungen mit Flüssigkeitstropfen und Feststoffteilchen ist das Festelektrolytrohr mit einem Schutz­ rohr umgeben, das Öffnungen für den Zutritt des Gases zu dem Festelektrolytrohr besitzt. So ist es z. B. aus DE-OS 29 37 105 eine Lambda-Sonde mit einem Schutzrohr bekannt, das mit bodenseitigen Gaseintrittsöff­ nungen versehen ist. Der Zutritt von Partikeln zu der Son­ de wird durch ein an dem Schutzrohr vor den Öffnungen parallel zum Boden des Schutzrohres angeordnetes Blech, das als Par­ tikelabscheidevorrichtung dient, verhindert. Zum Wirksamwer­ den der Partikelabscheidevorrichtung ist jedoch eine aufwen­ dige Ausrichtung der Lamba-Sonde zum Gasstrom erforderlich.

Da die Lambda-Sonde erst aber einer relativ hohen Temperatur des Fest­ elektrolyten Meßwerte zu liefern beginnt, ist sie mit einer Heizung für das Festelektrolytrohr versehen, die das Fest­ elektrolytrohr auf Temperaturen von etwa 600-800°C erhitzt. Auf diese Weise ist es möglich, bereits unmittelbar nach dem Start des Motors Meßergebnisse zu erhalten. Das schnelle Aufheizen des Keramikkörpers (Festelektrolyt­ rohrs) innerhalb von 20 bis 30 sec. auf die Betriebstem­ peratur bringt aber auch Nachteile mit sich. Nach dem Kalt­ start des Motors kommt es an den kalten Auspuffrohren und an eventuell vorgeschalteten Vor-Katalysatoren mit metal­ lischer Träger-Matrix zur Kondensation des Abgases. Größere Tropfen dieses kalten Kondensats, das vorwiegend aus Wasser besteht, führen beim Auftreffen auf den aufgeheizten Kera­ mikkörper zu Thermoschockreaktionen, die zu einem Bruch der Keramik und damit zur Zerstörung der Lambda-Sonde führen.

Zur Verbesserung der Leistungscharakteristik der Motoren oder aus baulichen Gegebenheiten (V-Motoren) werden die Abgas­ rohre einzelner Zylinder oder Zylinderbaugruppen erst un­ mittelbar vor dem Einbauort der Lambda-Sonde zusammengeführt. Aufgrund der Fertigungstoleranzen sowohl im Ansaugbereich als auch bei Zylindern und Kolben und bei der Kraftstoffzumessung treten geringfügige Streuungen in der Abgaszusammensetzung einzelner Zylinder bzw. Zylinderbaugruppen auf. Bei einer Abgasrohrführung, bei der die Abgasrohre der einzelnen Zylinder bzw. Zylin­ derbaugruppen erst unmittelbar vor dem Einbauort der Lambda-Sonde zusammengefaßt werden, kann es dabei vor­ kommen, daß bei der Abgaserfassung durch die Lambda-Sonde einzelne Zylinder oder Zylindergruppen bevorzugt gemessen werden. Der von der Lambda-Sonde abgegebene Meßwert ist dann nicht mehr repräsentativ für alle Zylinder sondern kann zu einer Fehlinterpretation der wahren Abgaszusammen­ setzung führen. Dadurch wird das Kraftstoff-Luftgemisch nicht mehr auf den optimalen Lambda-Wert geregelt, was sich bekannter Weise negativ auf die Abgasemission auswirkt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine Vor­ richtung zu finden, mit der sich sowohl die Lebendsdauer der Lambda-Sonde als solcher als auch ihre Meßrepräsen­ tanz verbessern läßt.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 beschrie­ bene Vorrichtung gelöst.

Die Vorrichtung besteht somit durch ein im Abgasstrom in Strömungsrichtung der Gase gesehen vor der Lambda-Sonde der­ artig angeordneten Gasablenkblech, daß die Lambda-Sonde in dessen Strömungsschatten liegt. Aufgrund der wesenltich größeren Massenträgheit der Wassertropfen fliegen diese an der Sonde vorbei und gelangen nicht auf die empfindliche Sondenkeramik. Zusätzlich führt die Anordnung des Gasab­ lenkbleches unmittelbar vor der Lambda-Sonde durch die vom Strömungsabriß an dem Blech ausgelösten Verwirbelungen zu einer Verbesserung der Abgasvermischung und damit zu einem repräsentativen Sondensignal für die Lambda-Regelung.

Das Gasablenkblech soll natürlich einen möglichst geringen Strömungswiderstand für den Abgasstrom darstellen. Bevor­ zugt wird daher ein fingerförmig in den Gasstrom vor der Lambda-Sonde reichendes Gasablenkblech, welches eine brei­ te von 80 bis 180% des Schutzkorbdurchmessers der Lambda­ sonde besitzt und etwa 5 bis 30 mm vor der Lambda-Sonde angeordnet ist. Je weiter das Gasablenkblech vor der Lambda- Sonde angeordnet ist, desto breiter muß es werden. Da die Länge des Strömungsschattens nicht nur von der Breite des Gasablenkblechs abhängt, sondern auch von den geometrischen Verhältnissen des Abgasstrangs sowie der Gasströmungsge­ schwindigkeit, werden die optimalen Abmessungen zweckmäßi­ gerweise experimentell ermittelt, was einem Fachmann un­ schwer möglich ist. Bei den derzeit üblichen Ausführungs­ formen für Lambda-Sonden sowie bei der derzeit üblichen Aus­ legung des Abgasstrangs liegen die optimalen Werte für die die Breite des Gasablenkbleches etwa zwischen 10,5 und 13,5 mm, was 90 bis 110% des Schutzkorbdurchmessers entspricht und der Abstand des Gasablenkblechs zur Sonde beträgt etwa 15 bis 25 mm. Wird das Gasablenkblech zu breit, so ergibt sich dadurch ein zusätzlicher Strömungswiderstand im Abgasstrom, was unerwünscht ist.

Die Länge des Gasablenkblechs soll etwa der Länge des in den Abgsstrom reichenden Teils der Lambda-Sonde betragen, da­ mit diese auch sicher im Strömungsschatten liegt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß auch mit einem etwas kürzeren Gas­ ablenkblech noch zufriedenstellende Ergebnisse erzielt wer­ den können. Ein Gasablenkblech, dessen Länge die Länge des in den Abgasstrom reichenden Teils der Lambda-Sonde über­ trifft, hat keinen schädigenden Einfluß auf die Funktion, stellt jedoch natürlich einen größeren Strömungswiderstand dar. Dieser größere Strömungswiderstand kann jedoch toleriert werden, wenn dadurch eine vereinfachte Befestigung des Gas­ ablenkblechs möglich wird, z. B. indem das Gasablenkblech das Abgasrohr völlig durchdringt. Bevorzugt wird man jedoch die Länge des Gasablenkblechs so bemessen, daß sie etwa 80 bis 120% der Länge des in den Abgasstrom reichenden Teils der Lambda-Sonde beträgt. Zur Verringerung des Strö­ mungswiderstandes ist es vorteilhaft, wenn das Gasablenk­ blech eine strömungsgünstige Form erhält, z. B. indem es eine gegen den Abgasstrom gepfeilte Form erhält oder wenn es in Strömungsrichtung der Gase gesehen konvex geformt ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematisierter Form dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 in vergrößerter Form einen Teillängsschnitt durch ein Abgasrohr mit Ablenkblech und Lambda- Sonde sowie

Fig. 2 einen schematisierten Querschnitt durch ein Ab­ lenkblech und den Sondenschutzkorb.

In die Wandung des Abgasrohres 1 ist die mit einem Innenge­ winde versehene Hülse 2 eingeschweißt, in welche die Lambda- Sonde 3 eingeschraubt ist. Man erkennt bei der Lambda-Sonde 3 den Heizstab 4, den keramischen Festelektrolyten 5 sowie den Sondenschutzkorb 6 mit einem Gaseintrittsschlitz 7. In Strömungsrichtung des Abgases, die durch den Pfeil darge­ stellt ist, befindet sich vor der Lambda-Sonde das Gasab­ lenkblech 8, das in diesem Fall Teil der Gewindehülse 2 ist. Es ist jeoch auch möglich, das Gasablenkblech ge­ sondert in dem Abgasrohr zu befestigen. Das Gasblenkblech 8 ist zur Verkleinerung des Strömungswiderstandes in Strömungs­ richtung des Abgases gesehen konkav geformt. Wie in Fig. 2 deutlich wird, fliegen die im Abgas befindlichen Wasser­ tröpfchen 9 an der im Windschatten des Gasablenkblechs 8 gelegenen Lambda-Sonde vorbei, während das Abgas wie durch die Pfeile 10 dargestellt, hinter dem Gasblenkblech stark verwirbelt wird und durch die Gaseintrittsschlitze 7 an die Sondenkeramik herantreten kann.

Mit der Erfindung wird erreicht, daß die Sondenkeramik nicht mehr durch Thermoschockreaktionen infolge des Auftreffens von Wassertröpfchen auf die beheizte Keramik springen kann und daß eine sehr gute Verwirbelung des Abgases durch das Gasablenkblech erfolgt, so daß eine bessere Repräsentanz des von der Lambda-Sonde abgegebenen Meßwertes erreicht wird.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Verlängerung der Lebensdauer und Ver­ besserung der Meßrepräsentanz einer in dem Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordneten beheizten Lambda-Sonde, gekennzeichnet durch ein im Abgasstrom in Strömungsrichtung der Gase gesehen vor der Lambda-Sonde derart angeordnetes Gasablenkblech, das die Lambda-Sonde in dessen Strömungsschatten liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasablenkblech eine Breite von 80 bis 180% des Schutzkorbdurchmessers der Lambda-Sonde besitzt und 5 bis 30 mm vor der Lambda-Sonde angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Gasablenkblechs 80 bis 120% der Länge es in den Abgasstrom reichenden Teils der Lambda-Sonde be­ trägt.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasablenkblech in Strömungsrichtung der Gase ge­ sehen konvex geformt ist.