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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung
zum Erfassen der Konzentration einer speziellen Gaskomponente in
einem zu erfassenden Gas.
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US-A-4
502 939 offenbart eine Einrichtung zum Erfassen der Konzentration
einer Komponente in einem zu erfassenden Gas, die einen Gaskonzentrations-Erfassungskörper zum
Erzeugen eines elektrischen Signals umfasst, welches für die Konzentration
der Komponente anzeigend ist, wobei eine Abdeckung mit einem rohrförmigen Aufbau
und welche den Erfassungskörper
umschließt,
vorgesehen ist.
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JP 02 035 349 A offenbart
einen solchen Gassensor mit einem Gaskonzentrations-Erfassungskörper, welcher
geeignet ist, mit dem Gas zur Messung von Werten der Konzentration
einer Komponente des Gases in Kontakt gebracht zu werden. Eine planare
Gasdiffusionsschicht ist auf einer oberen Oberfläche eines Ausnehmungsteils
vorgesehen, welcher Elektroden enthält, und eine kleine Öffnung ist
durch Durchdringen eines Teils der Gasdiffusionsschicht ausgebildet.
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DE 90 14 826 U offenbart
eine andere Einrichtung mit einer Abdeckung mit nur einer Öffnung an
einem axialen Ende der Abdeckung, und es sind ebenso Öffnungen
an der Seite der Abdeckung ausgebildet. Die Öffnung an dem Ende der Abdeckung wirkt
als ein Einlass für
das Gas und die Öffnung
an den Seiten der Abdeckung als ein Auslass des Gases.
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JP
61-013147 A beschreibt ein Verfahren, gemäß welchem ein Gas durch eine
Schicht hindurchtritt, die derart angeordnet ist, dass sie einen Gassensor
umschließt.
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Eine
bekannte Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung ist in 1 gezeigt.
Die in 1 gezeigte Einrichtung ist an einer Wand einer
Abgasleitung eines Verbrennungsmotors angebracht und wird zur Erfassung
der Konzentration von Sauerstoff in einem Abgas in einem Abgas-Rückführ-(AGR)-System
für einen
Verbrennungsmotor verwendet, um eine Rückführsteuerung eines zurückgeführten Abgases
(AGR-Gases) in Übereinstimmung
mit der erfassten Konzentration des Gases zu ermöglichen. Die Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung
enthält
ein Gehäuse 92 mit
einem Flansch 91, welcher an einer Wand eines Abgases eines
Verbrennungsmotors angeschlossen ist. In dem Gehäuse 92 ist ein Gaskonzentrations-Erfassungskörper 93 einer
rohrförmigen
Form untergebracht, so dass ein Teil einer unteren Hälfte des
Körpers 93 nach
unten von dem Gehäuse 92 zu
dem Raum in der Abgasleitung P herausragt, während dieser durch eine Abdeckeinheit 94 umschlossen
ist. Der Gaskonzentrations-Erfassungskörper 93 ist als ein
rohrförmiges
Element ausgebildet, das aus einem Festelektrolyt wie Zirkonoxid
hergestellt ist, und weist innere und äußere Oberflächen auf, auf welchen Elektroden,
die aus einem Material wie Platin hergestellt sind, ausgebildet
sind. Ferner ist ein Heizer 95 in dem Gaskonzentrations-Erfassungskörper 93 zum Heizen
des letzteren angeordnet, so dass die Erfassungsgenauigkeit erhöht ist.
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Die
Abdeckeinheit 94, die eine Wärmeisolierung des Gaskonzentrations-Erfassungskörpers 93 ermöglichen
soll, und verhindert, dass der Körper 93 einer
mechanischen Auftreffkraft unterworfen wird, ist als ein Doppelrohraufbau
ausgebildet, der ein inneres Rohr 94a und ein äußeres Rohr 94b enthält. Diese
Rohre 94a und 94b sind an deren zylindrischen Wänden mit
Gasventilationsöffnungen 941 und 942 in
abwechselnder Weise ausgebildet, so dass die Geschwindigkeit der
Einströmung
des Abgases reduziert wird, wodurch eine Verschlechterung der Elektroden
verhindert wird. Wie wohlbekannt ist, ist in einem Dieselmotor im
Vergleich dem Benzin-Verbrennungsmotor eine Temperatur des Abgases
reduziert und eine Menge des Abgases vergrößert. Im Ergebnis kann in dem
Dieselmotor der Gaskonzentrations-Erfassungskörper schnell gekühlt werden,
wenn zwischen dem Abgas und dem Gaskonzentrations-Erfassungskörper 93 Kontakt
an der Außenoberfläche des
Körpers
auftritt. Die Abdeckung 94 ist dahingehend konstruiert, ein
Abkühlen
des Körpers 93 so
weit wie möglich
zu verhindern. Die Anordnung der Abdeckung 94 ist nämlich derart,
dass sie das Ende des Gaskonzentrations-Erfassungskörpers 93 umschließt, welche
in der Strömung
des Abgases ist, wodurch die Temperatur des Körpers 93 aufrechterhalten
wird.
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Jedoch
sind in dem Aufbau der Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung der
früheren
Technik, wie in 1 gezeigt ist, die Gasventilationsöffnungen 941 und 942 in
der Umfangswand der Abdeckung 94 in der Richtung der Strömung des
Abgases geöffnet. Demzufolge
ist die Strömung
des Abgases in der Lage, durch die Abdeckung hindurch zu treten,
ohne einer wesentlichen Geschwindigkeitsreduzierung unterworfen
zu werden. Demzufolge ist es in einem Dieselmotor, in welchem die
Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung mit der vorstehend genannten
Abdeckungseinheit 94 verwendet wird, wahrscheinlich, dass
eine Wärmerückhaltekapazität des Gaskonzentrations-Erfassungskörpers 93 infolge
der Abdeckeinheit 94 nicht hinreichend hoch ist, so dass
die Temperatur der Oberfläche
des Gaskonzentrations-Erfassungskörpers 83, sowie die
Temperatur der Abdeckeinheit 94 selbst niedrig sind, was
Partikel in dem Abgas in dem Dieselmotor veranlassen kann, auf der
Oberfläche
der Abdeckung anzuhaften oder abgelagert zu werden. Diese Partikel
enthalten Komponenten wie Ruß und
löslichen
organischen Anteil (SOF = soluble organic fraction). Der SOF weist
einen erhöhten
Wert von Viskosität
auf, was den Ruß veranlassen
kann, an der Oberfläche
der Abdeckeinheit 94 über
den SOF anzuhaften, wenn die Temperatur der Oberfläche niedrig
ist, dies infolge der Tatsache, dass die niedrigere Temperatur den
SOF veranlasst, weniger flüchtig
zu sein. Solche anhaftenden und abgelagerten Partikel werden teilweise
einer Verbrennung durch Kontakt mit Hochtemperatur-Abgas während eines
Betriebs unter hoher Last des Motors unterworfen, was die Zusammensetzung
des Abgases, das heißt,
die Sauerstoffkonzentration, veranlasst, in der Atmosphäre um den
Gaskonzentrations-Erfassungskörper 93 zu
variieren, was zu einem Fehler in der Sauerstoffkonzentrationsmessung führt. Ferner
neigen die Gasventilationsöffnungen 941 und 942 zur
Verstopfung durch Partikel, was eine Reduzierung der Geschwindigkeit
des Durchtritts des Gases bewirkt, wodurch die Mess-Ansprechgeschwindigkeit
reduziert wird und ein Messfehler er zeugt wird. Um diese Probleme
zu überwinden,
kann eine Lösung
zum Erhöhen
der Wärme,
die durch den Heizer erzeugt wird, angewandt werden. Jedoch erfordert
diese Lösung
eine erhöhte
Last in dem Heizer und einen erhöhten
Elektrostromverbrauch durch den Heizer.
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Die
japanische Gebrauchsmuster-Veröffentlichung
Nr. 53-103784 schlägt
einen Sauerstoffkonzentrationssensor vor, in welchem eine Abdeckung ein
geschlossenes Ende einer erhöhten
Wärmemasse
aufweist, welche eine Wärmerückhalte-Eigenschaft bezüglich einer Änderung
der Temperatur des Abgases erhöhen
kann. Jedoch weist bei diesem Aufbau die Abdeckeinheit an ihrer
Seitenwand Gasventilationsöffnungen
auf, welche die weitere Bewirkung der vorstehenden Probleme veranlassen.
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Mit
Blick auf die vorstehenden Probleme zogen die Erfinder eine Lösung dahingehend
in Betracht, dass die Abdeckeinheit an ihrer Seitenwand frei von
jeglicher Gasdurchtrittsöffnung
ist, während Gasdurchtrittsöffnungen
an dem Vorderende der Abdeckeinheit ausgebildet sind, so dass die
Menge des Abgases, welches mit dem Gaskonzentrations-Erfassungskörper in
Kontakt steht, reduziert wird, wodurch ein Auftreten einer Strömung des
Abgases quer zu der Abdeckung verhindert wird, wodurch verhindert wird,
dass die Abdeckeinheit übermäßig gekühlt wird. Das
US-Patent Nr. 5 073 247 offenbart einen solchen Aufbau einer Abdeckeinheit
mit einer Gasventilationsöffnung
nur an einer Endwand der Abdeckung, das heißt, ohne Vorsehen einer Ventilationsöffnung an
einer Seitenwand der Abdeckung, obwohl der Gegenstand dieser früheren Technik
keineswegs in Beziehung zu einem Kühlen des Gaskonzentrations-Erfassungskörpers und
der Abdeckung steht. In diesem Patent ist jedoch nur eine Gasdurchtrittsöffnung an dem
Vorderende der Abdeckung vorgesehen, so dass ein Einströmen des
Gases zu dem Raum in der Abdeckung und ein Ausströmend es
Gases aus dem Raum simultan über
die einzige Öffnung
erfolgt, welches bewirkt, dass eine Gasventilation nicht gleichmäßig zwischen
dem Einströmen
und Ausströmen des
Gases ist, wodurch die Ansprechgeschwindigkeit bei einer Messung
reduziert wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung bereitzustellen,
die in der Lage ist, die vorstehend genannten Schwierigkeiten der
früheren
Technik zu überwinden.
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Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung
bereitzustellen, die in der Lage ist, eine Wärmerückhaltekapazität zu erhöhen, wodurch
verhindert wird, dass Partikel anhaften und sich ablagern und wodurch
verhindert wird, dass die Messgenauigkeit reduziert wird, während eine
gewünschte
Ansprechgeschwindigkeit in einer Messung beibehalten wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung ist eine Einrichtung zum Erfassen einer Konzentration einer
Komponente in einem zu erfassenden Gas bereitgestellt, umfassend:
einen
Gaskonzentrations-Erfassungskörper,
welcher geeignet ist, mit dem Gas zur Erzeugung eines elektrischen
Signals in Kontakt gebracht zu werden, welches für die Konzentration der Komponente
anzeigend ist; und
eine Abdeckung zum Abdeckung des Abschnitts
des Erfassungskörpers
zum Verhindern, dass der Erfassungskörper direkt dem zu erfassenden
Abgas ausgesetzt wird;
wobei die Abdeckung an ihrem axialen
Ende Öffnungen
aufweist, die als Einlass- und
Auslassöffnungen für das zu
erfassende Gas funktionieren, während
die Abdeckung an Orten, welche sich von dem axialen Ende unterscheiden,
eine geschlossene Wand ausbildet, die keine Öffnung für einen Durchtritt des zu erfassenden
Gases aufweist.
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In
dem vorstehenden Aufbau sind die Öffnungen nur an dem axialen
Vorderende der Abdeckung ausgebildet, was zur Unterdrückung eines Kühlens der
Abdeckung und des Gaskonzentrations-Erfassungskörpers mittels der Einströmung oder der
Ausströmung
des Abgases über
die Konstruktion der früheren
Technik mit Gasventilationsöffnungen, die
auch an einer Seitenwand der Abdeckung ausgebildet sind, wirksam
ist. Die vorliegende Erfindung macht es daher möglich, eine Belastung des Heizers zum
Heizen des Erfassungskörpers
zu reduzieren, während
eine Wärmerückhaltekapazität vergrößert wird,
wodurch eine Ablagerung von Partikeln verhindert wird, welche sonst
das Auftreten eines Messfehlers bewirken würden. Darüber hinaus wird infolge des
Vorsehens der Einlass- und Auslassöffnungen nur an dem axialen
Ende der Abdeckung die Strömung
des Abgases daran gehindert, direkt in die Öffnungen eingeleitet zu werden,
was es weniger wahrscheinlich macht, dass die Öffnungen durch Partikel verstopft
werden. Darüber
hinaus kann infolge des Vorsehens einer Mehrzahl von Öffnungen,
eine der Öffnungen
als ein Einlass für
das zu erfassende Gas funktionieren, während die andere Öffnung als
ein Auslass funktioniert. Somit kann eine gleichmäßige Ventilation
erzielt werden, wodurch im Vergleich mit dem Aufbau, in welchem
nur eine Öffnung
vorgesehen ist, die Erfassungs-Responsibilität vergrößert wird.
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Gemäß einem
anderen Aspekt der Erfindung kann die Abdeckung an ihrem axialen
Ende eine einzelne Öffnung
mit einem Drosselabschnitt aufweisen, welcher die Öffnung in
Teile trennt, die als Einlass- und Auslassöffnungen für das zu erfassende Gas funktionieren,
während
die Abdeckung an Orten, die sich von dem Endabschnitt unterscheiden,
eine geschlossene Wand ausbildet, die keinerlei Öffnung für einen Durchtritt des zu erfassenden
Gases aufweist.
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In
dem Aufbau wird im Wesentlichen die gleiche vorteilhafte Wirkung
wie in dem ersten Aspekt der Erfindung erhalten. Ferner ist durch
das Vorsehen des Drosselabschnitts die einzelne Öffnung in Öffnungen unterteilt, von denen
eine als eine Einlassöffnung
funktioniert, während
die andere als eine Auslassöffnung
funktio niert. Im Ergebnis wird eine gleichmäßige Ventilation des Gases
erhalten, was zu einer erhöhten
Ansprechgeschwindigkeit bei der Messung führt.
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Ferner
ist die Abdeckung als ein Doppelwandaufbau mit einem inneren und
einem äußeren Rohr
von unterschiedlichem Durchmesser ausgebildet, wobei diese konzentrisch
zueinander angeordnet sind. Infolge des Doppelrohraufbaus der Abdeckung
um den Erfassungskörper
wird eine weiter verbesserte Wärmeisolierwirkung
erhalten. Ferner kann die Abdeckung als ein Mehrfachwandaufbau mit
inneren und äußeren Rohren
von unterschiedlichen Durchmessern und zumindest einem zwischenliegenden
Rohr ausgebildet sein, das zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr
angeordnet ist, wobei diese inneren und äußeren und zwischenliegenden Rohre
konzentrisch angeordnet sind.
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Vorzugsweise
bildet in dem Fall eines Mehrfachrohraufbaus der Abdeckung nur das
axiale Ende des inneren Rohres eine Endwand aus, wo die Einlass-
und Auslassöffnungen
ausgebildet sind, und alle außerhalb
des inneren Rohres angeordneten Rohre sind vollständig an
dem axialen Ende geöffnet. Infolge
dieses vollständig
geöffneten
Aufbaus des äußeren Rohres
ist es möglich,
die Wärme
an der Öffnung
als den Einlass oder Auslass des zu erfassenden Gases daran zu hindern,
zu dem äußeren Rohr
abgegeben zu werden und zu der Seitenwand des äußeren Rohres emittiert zu werden.
Somit wird eine hohe Temperatur an dem Ort benachbart zu den Öffnungen
aufrechterhalten, wodurch eine Wärmerückhaltekapazität vergrößert wird.
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In
dem Fall eines Mehrfachrohraufbaus ist es möglich, diesen derart anzuordnen,
dass das innere Rohr an seinem axialen Ende in einem Nicht-Berührungszustand
mit dem axialen Ende eines äußeren Rohres
steht. Durch diesen Aufbau wird ein Abwandern von Wärme von
dem Vorderende des inneren Rohres zu dem Vorderende des äußeren Rohres
verhindert, wodurch eine hohe Temperatur an dem Ort benachbart der Öffnungen
aufrechterhalten wird, wodurch eine vergrößerte Wärmerückhaltekapazität aufrechterhalten
wird.
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Vorzugsweise
ist das innere Rohr zu dem axialen Ende hin zulaufend. Als ein Ergebnis
hiervon wird eine Reduzierung des inneren Volumens erhalten, das
zu einer sehr gleichmäßigen Ventilation
des Gases in dem inneren Rohr führt,
was bei der Vergrößerung einer
Ansprechgeschwindigkeit unterstützt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Sauerstoffkonzentrations-Erfassungseinrichtung
in einer früheren
Technik.
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2 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer Sauerstoffkonzentrations-Erfassungseinrichtung
in einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine Querschnittsansicht eines Abdeckungsaufbaus in der Einrichtung
in 2.
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4 ist
eine Bodenaufrissansicht der Abdeckung in 3.
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5 ist
eine Querschnittsansicht eines Abdeckungsaufbaus in einer zweiten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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6 ist
eine Bodenaufrissansicht einer Abdeckung in 5.
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7 ist
eine Querschnittsansicht eines Abdeckungsaufbaus in einer dritten
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie VII-VII in 8 genommen
ist.
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8 ist
eine Bodenaufrissansicht einer Abdeckung in 7.
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9 ist
eine Querschnittsansicht einer Abdeckung in 7.
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10 ist
eine Querschnittsansicht eines Abdeckungsaufbaus in einer fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die entlang der Linie X-X in 11 genommen
ist.
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11 ist
eine Bodenaufrissansicht einer Abdeckung in 10.
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12 ist
eine Querschnittsansicht eines Abdeckungsaufbaus in einer sechsten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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13 ist
eine Querschnittsansicht einer Abdeckung in einer siebten Ausführungsform.
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14 ist
eine Bodenaufrissansicht der Abdeckung in 13.
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15 ist
eine Querschnittsansicht einer Abdeckung in einer achten Ausführungsform.
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16 ist
eine Bodenaufrissansicht der Abdeckung in 15.
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DETAILLIERTE
ERLÄUTERUNG
VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun
werden Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, die sich auf die Lösung des Problems richten,
erläutert.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines Sauerstoffsensors gemäß der vorliegenden
Erfindung, der zur Anbringung an einer Abgasleitung eines Dieselmotors
geeignet ist. Der Sauerstoffsensor enthält ein rohrförmiges Gehäuse 1,
welches an einer Wand P einer Abgasleitung des Motors befestigt
ist. Genauer ist das Gehäuse 1 mit
einem Flanschabschnitt 1-1 ausgebildet, welcher mit einer
Flanschplatte 1-2 axial im Eingriff steht und an dieser
befestigt ist, welche mit der Wand P der Abgasleitung durch irgendein
geeignetes Mittel verbunden ist. Innerhalb des Gehäuses 1 ist
ein Gaskonzentrations-Erfassungskörper 2 einer rohrför migen Form
angeordnet. Der Erfassungskörper 2 weist
einen Teil der oberen Hälfte
auf, der an dem Gehäuse 1 befestigt
ist und einen Teil der unteren Hälfte,
der sich in einen Raum in der Abgasleitung P in solch einer Weise erstreckt,
dass ein Kontakt zwischen der Strömung des Abgases und dem Körper 2 auftritt.
Eine Abdeckeinheit oder ein Abdeckaufbau 3 ist zur dortigen
Aufnahme der unteren Hälfte
des Erfassungskörpers 2 vorgesehen.
Der Erfassungskörper 2 ist
mit einem in Axialrichtung länglichen
inneren Raum mit einem geschlossenen Boden ausgebildet, in welchem
sich ein Heizer 4 in Stangenform erstreckt. Eine rohrförmige Kappe 5,
die aus einem keramischen Material hergestellt ist, ist an einem
Oberteil des Erfassungskörpers 2 angeordnet,
welcher in einem aus Metallmaterial hergestellten Ummantelungselement 51 aufgenommen
ist. Ein elektrisch isolierendes Element 52 ist an einem
oberen Ende des Ummantelungselements 51 eingepasst.
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Der
Gaskonzentrations-Erfassungskörper 2 ist
mit einem Sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkörper 2a ausgebildet,
wie einem Zirkondioxidkörper, dies
in rohrförmiger
Form, und mit Elektroden 2b und 2c, die an gegenüberstehenden
Positionen auf inneren und äußeren Oberflächen des
Körpers 2 bei
Positionen ausgebildet sind. In wohlbekannter Weise ist eine Diffusionswiderstandsschicht
(nicht gezeigt), die aus einem Material wie porösem Aluminiumoxid hergestellt
ist, auf der äußeren Oberfläche des
festen Elektrolytkörpers 2a in
solch einer Weise ausgebildet, dass Abgas mit der äußeren Elektrode 2c in
Kontakt kommt, nachdem dieses durch die Diffusionswiderstandsschicht
hindurchgetreten ist. Die Elektroden 2b und 2c sind über leitende
Schichten auf der Oberfläche 2a des
Erfassungskörpers 2 mit
Leitungsdrähten 61 und 62 jeweils
verbunden, die an Anschlüssen 71 und 72 angeschlossen
sind, die jeweils durch das elektrisch isolierende Element 52 gehalten werden.
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Ein
metallisches Rohr 81 ist zwischen der rohrförmigen Kappe 5 und
der Abdeckung 51 angeordnet. Das Rohr 81 weist
ein oberes Ende auf, welches in Endezu-Ende-Kontakt mit einer Hülse 11 steht,
die aus einem keramischen Material hergestellt ist, und ein Bodenende,
welches in das Gehäuse 1 über einen
Dichtungsring 80 eingesetzt ist, während ein isolierendes Material 12 einen
Raum zwi schen den Elementen 1, 2 und 81 ausfüllt. Wie
in 2 gezeigt ist, weist das Rohr 81 an seinem
Bodenendabschnitt einen C-querschnittsförmigen Abschnitt auf, an welchem
der Dichtungsring 80 angeordnet ist. Ferner weist das Gehäuse 1 einen
Oberkantenabschnitt 1-3 auf, der radial einwärts gebördelt ist,
so dass das Rohr 81 zusammen mit dem Ring 80 fest
an dem Gehäuse 1 angeschlossen
wird.
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Eine
Schraubenfeder 82 ist zwischen einem oberen Flanschabschnitt 81-1 des
Rohres 81 und einem unteren Flanschabschnitt 5a der
Kappe 5 angeordnet, so dass eine Federkraft erzeugt wird,
welche die obere Kappe 11 veranlasst, in Ende-zu-Ende-Kontakt
mit dem Erfassungskörper 2 zu
stehen. Ferner wird eine Bördelung
an einem Abschnitt 51-1 des oberen Endes der Abdeckung 51 ausgeführt, so dass
die Abdeckung 51 und das elektrisch isolierende Element 52 fest
miteinander verbunden werden. Die axiale Position des isolierenden
Elements 52 ist derart, dass die Schraubenfeder 82 einer
Kompression unterzogen wird, um so eine Federkraft zu erzeugen,
welche die Kappe 5 veranlasst, zu dem Erfassungskörper 2 gepresst
zu werden. Ein Führungsring 83,
der unter axialem Ende-zu-Ende-Kontakt
mit der Kappe 5 steht, ist an dem oberen Ende der Heizstange 4 befestigt.
Demzufolge veranlasst die Federkraft durch die Schraubenfeder 82 auch,
dass der Führungsring 83 nach
unten bewegt wird. Mit anderen Worten, wird der Führungsring 83 nach
unten gedrängt,
um Kontakt mit einem Schulterabschnitt 2-1 herzustellen,
wodurch eine axial fixierte Anordnung der Heizstange 4 bezüglich des
Erfassungskörpers 2 erhalten
wird.
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Ein
kleiner Spalt besteht zwischen dem unteren Ende der Abdeckung 51 und
dem Rohr 81, so dass Leckage von Atmosphärenluft über den
Spalt zwischen dem rohrförmigen
Körper 11 und
dem oberen Ende des Rohres 81 durch einen Raum innerhalb des
rohrförmigen
Elements 11, einen Raum innerhalb der Kappe 5 und
einem Passspalt zwischen dem Führungsring 83 des
Heizers 4 und dem Erfassungskörper 2 in den Raum
innerhalb des Erfassungskörpers 2 auftritt.
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Der
Heizer 4, der in dem hohlen Raum in dem Festelektrolytelement 2a angeordnet
ist, dient zum Heizen des Erfassungskörpers 2, um so die Messgenauigkeit
zu erhöhen.
Der Heizer 4 dient zum Heizen des Erfassungskörpers 2 zum
Erhöhen
der Sensitivität
und ist als Stange ausgebildet, die aus einem Material wie Aluminiumoxid
hergestellt ist, auf welcher ein Heizelement, das beispielsweise
aus einem Chrom-Nickel-Draht aufgebautes Heizelement an einem Ort
der Stange gegenüberliegend
den Elektroden 2b und 2c angeordnet ist, wie in 2 gezeigt ist.
Der Heizer 4 steht in elektrischer Verbindung mit einem
Anschluss 73, welcher durch das Isolierelement 52 gehalten
wird.
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Die
Abdeckeinheit 3 ist als ein Doppelrohraufbau aufgebaut,
die ein inneres Rohr 81 und ein äußeres Rohr 82 unterschiedlicher
Durchmesser enthält,
wie in 3 gezeigt ist, welche konzentrisch zueinander
angeordnet sind. Die inneren und äußeren Rohre 81 und 82 weisen
flache oder sich horizontal erstreckende Endteile 31-1 und 32-1 auf,
welche in einem dichten gegenüberliegenden
Kontakt stehen. Das innere Rohr 31 weist einen oberen gebogenen Abschnitt 31-2 auf,
welcher fest mit einer inneren zylindrischen Oberfläche des äußeren Rohres 82 verbunden
ist. Das äußere Rohr 82 weist
einen oberen Teil auf, welcher in das untere Ende des Gehäuses 1 eingesetzt
ist und welches einen Flanschabschnitt 32-2 aufweist, der
mit dem Gehäuse 1 fest
verbunden ist.
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Wie
in 3 und 4 gezeigt ist, weisen die inneren
und äußeren Rohre 31 und 32 an
den Bodenendabschnitten 31-1 und 32-2 Gasströmungsöffnungen 33 und 34 auf,
welche in einer Richtung beabstandet sind, welche parallel zu der
Richtung der Strömung
des Abgases in der Abgasleitung (P) des Verbrennungsmotors ist,
während
die Öffnungen 33 und 34 zu
dem Raum innerhalb der Abdeckeinheit 3 in einer Richtung
quer zu der Richtung der Strömung des
Abgases münden,
wie durch einen Pfeil F gezeigt ist. Die Öffnungen 33 und 34 sind
von gleicher Form (Kreisform) und eine der Öffnungen funktioniert als eine
Gaseinlassöffnung
oder ein Gaseinlassdurchtrittsweg, während die andere Öffnung als
eine Gasabgabeöffnung
oder ein Gasabgabedurchtrittsweg funktioniert. Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind die inneren und äußeren Abdeckungen 31 und 32 an
der Seite oder deren zylindrischen Wand nicht mit irgendeiner Öffnung für einen
Durchtritt des Gases versehen. Mit anderen Worten, tritt ein Einleiten des
Abgases von dem Verbrennungsmotor zu dem Raum innerhalb der Abdeckung 3 nur
durch die Gaskommunikationsöffnungen 33 und 34 an
den Bodenwänden 31-1 und 32-2 auf.
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Nun
ist ein Betrieb der Gaskonzentrations-Erfassungseinrichtung gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wie folgt. Unter der Beschaffenheit der
Erfassungseinrichtung, wie sie in 2 gezeigt
ist, wird das Abgas von dem Verbrennungsmotor über die Gaskommunikationsöffnung 33 oder 34 in
den Raum S1 innerhalb der Abdeckeinheit 3 eingeleitet und
wird mit der Oberfläche des
Erfassungskörpers 2 in
Kontakt gebracht. Andererseits wird die Atmosphärenluft in den Raum S2 innerhalb
des Erfassungskörpers 2 eingeleitet.
Der Heizer 4 heizt den Erfassungskörper 2 auf eine vorbestimmte
Temperatur, während
eine vorbestimmte Spannung über
die Elektroden 2b und 2c angelegt wird. Im Ergebnis
wird der Sauerstoff in dem Abgas durch die Diffusionswiderstandsschicht
auf der Oberfläche
des Erfassungskörpers 2 hindurchgeleitet
und wird zuerst zu der äußeren Elektrode 2c bewegt
und wird dann über
den Festelektrolytkörper 2a zu
der inneren Elektrode 2b bewegt. Infolge einer solchen
Bewegung des Sauerstoffs wird ein elektrischer Strom, der proportional
zu der Konzentration von Sauerstoff in dem Abgas ist, entlang der
Elektroden 2b und 2c erzeugt. Somit kann durch
Erfassen eines solchen elektrischen Stroms die Sauerstoffdichte
in dem Abgas bestimmt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die Abdeckeinheit 3 an ihrer Seitenwand nicht
mit irgendeiner Gasventilationsöffnung
ausgebildet, so dass verhindert werden kann, dass der Erfassungskörper 2 sowie
das innere Rohr 31 direkt der Strömung des Abgases ausgesetzt
werden, wodurch eine Reduzierung der Oberflächentemperatur in der Abdeckeinheit 3 und
dem Erfassungskörper 2 verhindert
wird, welche sonst infolge des Einströmens des Abgases in den Raum
innerhalb der Abdeckeinheit 3 oder infolge des Ausströmens des
Abgases aus dem Raum auftreten würde.
Im Ergebnis werden Partikel daran gehindert, an der Abdeckeinheit 3 oder
dem Erfassungselement 2 anzuhaften oder an diesen abgelagert
zu werden, wodurch ein Auftreten eines Messfehlers verhindert wird.
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Ferner
richten sich die Gasdurchtrittsöffnungen 33 und 34 nicht
in die Richtung der Strömung
des Abgases, was dazu führt,
dass ein Verstopfen der Öffnungen 33 und 34 weniger
wahrscheinlich ist, was eine Reduzierung der Strömung des Abgases verhindert.
Ferner sind zwei Gasdurchtrittsöffnungen 33 und 34 derselben
Form parallel zu der Richtung F der Strömung des Abgases angeordnet,
was ermöglicht, dass
die Funktionen der Öffnungen 33 und 34 ordnungsgemäß zugeordnet
werden, so dass eines der Löcher
als eine Gaseinlassöffnung
funktioniert, während
die andere als eine Gasauslassöffnung
funktioniert. Im Ergebnis wird im Vergleich mit dem Aufbau, in welchem
nur eine Öffnung
vorgesehen ist, eine gleichmäßige Strömung des
Abgases in oder aus dem Raum innerhalb der Abdeckung erhalten, was ermöglicht,
dass die Geschwindigkeit der Ventilation des Gases in der Abdeckung
unterstützt
wird. Ferner ist es infolge der Tatsache, dass innere und äußere Rohre 31 und 32 der
Abdeckeinheit 3 unter einen Berührungszustand an den Bodenenden
der Rohre stehen, möglich,
ein Verbleiben des Gases in dem Spalt zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr 31 und 32 zu
vermeiden, wodurch die Ansprechgeschwindigkeit der Erfassung erhöht wird.
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Die
Erfinder haben einen Test der Verbesserung einer Wärmehaltungs-Leistungsfähigkeit
der Sauerstoff-Erfassungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
wie sie vorstehend erläutert
ist, durchgeführt,
wenn die Einrichtung in einem Dieselmotor in solch einer Weise verwendet
wird, dass ein Abgas mit dem Sensor unter einem Leerlaufzustand des
Dieselmotors in Kontakt tritt. In diesem Test wurde als eine Abdeckeinheit 3 eine
solche verwendet, welche eine Axiallänge von 20 mm, einen Innenrohrdurchmesser
von 7 mm und einen Außenrohrdurchmesser
von 9 mm aufweist. Ferner war der Durchmesser der Gasdurchtrittsöffnungen 33 und 34 2,5 mm.
Gemäß dem Ergebnis
dieses Tests kann unter demselben elektrischen Strom in dem Heizer
der Aufbau der Sauerstoff-Erfassungseinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Temperatursteigerung von 75 °C an der Oberfläche des
Erfassungskörpers
und eine Temperatursteigerung von 45 °C an der inneren Oberfläche der
Abdeckeinheit 3 im Vergleich mit dem Aufbau der Sauerstoffkonzentrations-Erfassungseinrichtung
früherer
Technik erhalten. Mit anderen Worten, kann gemäß der vorliegenden Erfindung
ein Anhaften sowie eine Ablagerung von Partikeln hochgradig reduziert
werden.
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Ferner
wurde eine 63 % Ansprechgeschwindigkeit gemessen, wenn die Konzentration
des Sauerstoffs in dem Abgas schnell von 5 % auf 10 % geändert wird,
was durch die Zeit ausgedrückt
wird, die zum Erhalten einer Änderung
in der Konzentration von 63 % von dem Punkt der schnellen Temperaturänderung
in der Sauerstoffdichte nötig
ist. Gemäß dem Ergebnis
des Tests wurde eine Steigerung von 63 % Ansprechgeschwindigkeit
von 400 ms auf 180 ms erhalten im Vergleich mit dem Aufbau, in welchem nur
eine Gasdurchtrittsöffnung
eines Durchmessers von 2,5 mm vorgesehen ist.
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5 und 6 zeigen
einen Doppelwandaufbau der Abdeckeinheit 3 gemäß der zweiten
Ausführungsform.
Genauer ist in der zweiten Ausführungsform
eine einzige Gasdurchtrittsöffnung 35 an dem
axialen Bodenende der Abdeckung 3 vorgesehen. Jedoch ist,
wie in 7 gezeigt ist, die Öffnung 35 durch Teile 35a und 35b einer
Querschnittsform einer Teilöffnung
aufgebaut, welche entlang der Richtung der Strömung des Abgases, die durch
einen Pfeil F gezeigt ist, nebeneinander angeordnet sind. Im Ergebnis
wird ein Drosselabschnitt 35c an einem Ort ausgebildet,
wo die Teile 35a und 35b miteinander verbunden
sind. Im Ergebnis des Vorsehens des Drosselabschnitts 35c funktioniert
eines der Teile 35a und 35b der Öffnung als
ein Durchtrittsweg zum Einleiten eines Gases, während der andere Teil als ein
Durchtrittsweg zur Abgabe eines Gases funktioniert. Somit wird ein
Betrieb erhalten, welcher ähnlich dem
unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform erläuterten
ist.
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Die
Erfinder haben einen Test der Abdeckung in 5 und 6 der Öffnungsabschnitte 35a und 35b eines
Durchmessers von 2,5 mm durchgeführt.
Gemäß dem Ergebnis
des Tests hinsichtlich der Ansprechgeschwindigkeit wurde im Vergleich
mit dem Aufbau früherer
Technik mit einer einzigen Öffnung
eines Durchmessers von 2,5 mm einer Querschnittsform eines vollständigen Kreises
eine Vergrößerung in
der 63 % Ansprechgeschwindigkeit von 400 ms auf 270 mm erhalten.
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Wie
aus dem Vorstehenden verstanden wird, muss die Gaskommunikationsöffnung notwendigerweise
mehrfach sein. Im Falle, in welchem nur eine Öffnung 35 vorgehen
ist, die Öffnung 35 nämlich mit einem
Drosselabschnitt 35c versehen, so dass die einzelne Öffnung durch
den Drosselabschnitt in zwei Abschnitte 35a und 35b geteilt
wird, dies in solch einer Weise, dass einer der Abschnitte als eine
Einlassöffnung
funktioniert, während
der andere Abschnitt als eine Auslassöffnung funktioniert. In diesem
Fall muss die Querschnittsform der einzigen Öffnung nicht notwendigerweise
eine Verbindung von zwei Teilöffnungen
sein. Die Querschnittsform kann nämlich aus drei oder mehr Teilöffnungen
bestehen. Ferner muss die Öffnung
nicht notwendigerweise kreisförmig
sein. die Querschnittsform der Gaskommunikationsöffnung kann nämlich eine
Kombination von Formen sein, die sich von einer kreisförmigen Form unterscheiden,
wie einer elliptischen Form oder einer polygonalen Form. Darüber hinaus
kann eine Mehrzahl der Öffnungen
einer Querschnittsform als eine Verbindung von Teilöffnung angewandt
werden. In diesem letzteren Fall funktioniert eine der Öffnungen als
eine Gaseinlassöffnung,
während
die andere als eine Gasabgabeöffnung
funktioniert.
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7 und 8 zeigen
eine dritte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in welcher ein Raum zwischen den flachen
Endteilen 31-1 und 32-1 der inneren und äußeren Rohre 31 und 32 des
Abdeckungsaufbaus 33 vorliegen. Das flache Ende 31-1 des
inneren Rohres 31 ist mit Gasdurchtrittsöffnungen 36a, 36b und 36c ausgebildet,
während
das flache Ende 32-1 des äußeren Rohres 31 mit
Gasdurchtrittsöffnungen 37a, 37b und 37c ausgebildet ist.
Die Gasdurchtrittsöffnungen 36a, 36b und 36c und 37a, 37b und 37c sind
abwechselnd zwischen den Endteilen 31- 1 und 32-1 angeordnet.
Genauer sind, wie in 8 gezeigt ist, die Öffnungen 36a, 36b und 36c an
Scheiteln eines ersten regulären
Dreiecks angeordnet, während
die Öffnungen 37a, 37b und 37c an
Scheiteln eines zweien regulären
Dreiecks angeordnet sind, welches bezüglich des ersten Dreiecks um
60° gedreht
ist und eine Mitte aufweist, welche der des ersten Dreiecks gleich
ist. Die Achse von jeder der Öffnungen 36a, 36b und 36c in
dem Endteil 31-1 sowie jede der Öffnungen 37a, 37b und 37c in
dem Endteil 32-1 sind an einem Ort einer Beabstandung von 2
mm von der Mitte der Endteile 31-1 und 32-1. Ferner
ist die Beabstandung zwischen den Teilen 31-1 und 32-1 2
mm, was es dem Abgas ermöglicht,
in einen Raum im Inneren des inneren Rohres 32 eingeleitet
zu werden.
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Infolge
der vorstehend genannten gestaffelten Anordnung der Öffnungen 36a, 36b und 36c und der Öffnungen 37a, 37b und 37c in
den inneren und äußeren Rohren 31 und 32 wird
eine erhöhte
Wärmerückhalte-Leistungsfähigkeit
erhalten Genauer kann im Vergleich mit der nicht gestaffelten Anordnung
mit drei Gasdurchtrittsöffnungen
eines Durchmessers von 2 mm die gestaffelte Anordnung in 8 eine Temperaturerhöhung von
30 °C an
der äußeren Oberfläche des
Erfassungskörpers 2 und
von 15 °C an
der inneren Oberfläche
des Abdeckungsaufbaus 3 benachbart zu dem Erfassungskörper 2 erreichen. Ferner
sind in dem Aufbau der dritten Ausführungsform in 7 und 8 die
inneren und äußeren Rohre 31 und 32 an
den Endteilen 31-1 und 32-1 nicht miteinander
in Kontakt, wodurch eine Abgabe von Wärme von dem Ende 31-1 des
inneren Rohres 31 auf das äußere Rohr 32 verhindert
wird, welche sonst infolge einer reduzierten Temperatur des äußeren Rohres 32 auftreten
würde,
welches einem Kontakt mit dem Abgas unterliegt. Somit wird eine
erhöhte
Wärmerückhalteleistungsfähigkeit
erhalten.
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Darüber hinaus
kann die gestaffelte Anordnung die Gasventilationsgeschwindigkeit
in dem Abdeckungsaufbau 3 infolge der Tatsache, dass jedes der
inneren und äußeren Rohre 31 und 32 mit
drei Gasventilationsöffnungen 36a, 36b und 36c oder 37a, 37b und 37c jeweils
ausgebildet ist, im Wesentlichen unverändert lassen. Somit wird ein
Wert von 63 % Ansprechgeschwindigkeit so hoch wie 220 ms bezüglich einer
schnellen Änderung
der Sauerstoffdichte aufrechterhalten, welche mit der 63 % Ansprechwortgeschwindigkeit
von 180 ms unter nicht gestaffelter Anordnung verglichen wird.
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In
vierten vierten Anordnung, die in 9 gezeigt
ist, ist kein Spalt zwischen den Endwänden 31-1 und 32-2 der
inneren und äußeren Rohre
vorgesehen, während
die Gasventilationsöffnungen 36a und 36b in
der Endwand 31-1 des inneren Rohres 31 und der
Gasventilationsöffnungen 37a und 37b in
der Endwand 32-1 des äußeren Rohres 32 geringfügig überlagert
sind, so dass das Gas in dem Raum in dem Abdeckungsaufbau 3 ventiliert
wird, während eine
gewünschte
Wärmerückhalteeigenschaft
behalten wird.
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10 zeigt
eine fünfte
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, die ein inneres Rohr 31 aufweist,
welches zu der Endwand 31-1 zuläuft, während das andere Rohr 32 als
ein gerades Rohr mit einer Endwand 32-1 ausgebildet ist,
welche in Kontakt mit der Endwand 31-1 des inneren Rohres 31 steht. Darüber hinaus
sind die Endwände 31-1 und 32-1 mit ausgerichteten
Ventilationsöffnungen 38a, 38b und 38c ausgebildet,
welche sich an Scheiteln eines regulären Dreiecks befinden, wie
in 11 gezeigt ist. Jede der Ventilationsöffnungen 38a, 38b und 38c weist
einen inneren Durchmesser von etwa 2 mm auf, und die Beabstandung
der Mitte von jeder der Öffnungen
ist 2 mm.
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In
dem vorstehenden Aufbau wird infolge der nach unten zulaufenden
Form des inneren Rohres 31 eine Reduzierung des Volumens
desselben erhalten, wodurch die Geschwindigkeit der Gasventilation
erhöht
wird. Somit wird die 63 % Ansprechgeschwindigkeit auf eine schnelle Änderung
der Sauerstoffdichte auf 150 ms erhöht, wenn dies mit der von 180 ms
in dem geraden Aufbau des inneren Rohres 31 verglichen
wird.
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12 zeigt
eine sechste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, in welcher die Bodenendwände 31-1 und 32-1 des
gleichen Aufbaus wie dem der ersten Ausführungsform sind, welche in Kontakt
miteinander stehen und an Punkten W geschweißt sind, während ein Füller, wie eine pulverisierte
Keramik, in dem Raum zwischen den inneren und äußeren Rohren 31 und 32 der
Abdeckeinheit 3 gefüllt
ist.
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Gemäß diesem
Aufbau wird infolge des Vorsehens des Füllers 8 eine Verbesserung
der Wärmerückhalte-Leistungsfähigkeit
erhalten. Ferner wird infolge der geschweißten Verbindung zwischen den Bodenendwänden 31-1 und 32-2 der
inneren und äußeren Rohre 31 und 32 das
Abgas daran gehindert, in einem Raum zurückzubleiben, welcher sonst
zwischen den Endwänden
ausgebildet wird, wodurch eine Ansprechgeschwindigkeit erhöht wird.
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13 und 14 zeigen
eine siebte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in welcher der Abdeckungsaufbau 3 als
ein Dreifachwandaufbau aufgebaut ist, der zusätzlich zu den inneren und äußeren Rohren 31 und 32 ein
zwischenliegendes Rohr 39 aufweist. Das äußere und
das zwischenliegende Rohr 32 und 39 sind von dem
Aufbau, welcher am Boden vollständig
geöffnet
ist. Mit anderen Worten weist nur das innere Rohr 31 eine
Bodenwand 31-1 mit den Ventilationsöffnungen 33 und 34 auf.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird infolge des Dreifachwandaufbaus des Abdeckungsaufbaus 3 eine
verbesserte Rückhalteleistung
erhalten. Demgemäß wird gemäß dem Test
durch den Erfinder eine Erhöhung
von Temperatur von nahezu 80 °C
an dem Ort benachbart zu den Gasventilationsöffnungen 33 und 34 über den
Doppelwandaufbau erhalten, der durch das innere und äußere Rohr
mit den Ventilationsöffnungen
an den Bodenendwänden
aufgebaut ist. Darüber
hinaus werden gemäß der Ausführungsform
das äußere und
das innere Rohr 32 und 39 an den Bodenenden vollständig geöffnet, was
verhindert, dass die Wärme
bei den Gasventilationsöffnungen 33 und 34 über das äußere und
das zwischenliegende Rohr 32 und 39 an das Abgas
abgegeben wird. Im Ergebnis wird eine hohe Temperatur an dem Ort
benachbart der Gasventilationsöffnungen 33 und 34 erhalten,
was insbesondere zum Verhindern eines Verstopfens der Öffnungen 33 und 34 wirksam
ist.
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15 und 16 zeigen
eine achte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung des Abdeckungsaufbaus 3, der
als ein Doppelwandaufbau mit inneren und äußeren Rohren 31 und 32 ausgebildet ist,
in welcher das innere Rohr 31 an der Bodenendwand Gasventilationsöffnungen 33 und 34 ausbildet, während das äußere Rohr 32 an
der Bodenendwand eine Öffnung 321 ausbildet.
Die Öffnung 321 weist
einen Durchmesser auf, der groß genug
ist, zu verhindern, dass das Ende des inneren Rohres 31 mit
dem Ende des äußeren Rohres 32 in
Kontakt kommt.
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Selbst
in dem Aufbau, in welchem das innere Rohr 31 die Bodenwand
aufweist, tritt der Aufbau des inneren Rohres 31 nicht
in Kontakt mit dem äußeren Rohr 32 und
kann verhindern, dass Wärme
in den Gasventilationsöffnungen 33 und 34 zu
dem äußeren Rohr 32 einer
reduzierten Temperatur abgegeben wird, und dass diese über die
Seitenwand des äußeren Rohres 32 an
das Abgas übertragen
wird. Somit wird eine hohe Temperatur an dem Ort benachbart den
Gasventilationsöffnungen 33 und 34 aufrechterhalten,
was zum Verhindern eines Verstopfens der Öffnungen wirksam ist.