EP1038173A1 - Gassensor - Google Patents

Gassensor

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Publication number
EP1038173A1
EP1038173A1 EP97931686A EP97931686A EP1038173A1 EP 1038173 A1 EP1038173 A1 EP 1038173A1 EP 97931686 A EP97931686 A EP 97931686A EP 97931686 A EP97931686 A EP 97931686A EP 1038173 A1 EP1038173 A1 EP 1038173A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
protective sleeve
housing
inner protective
opening
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP97931686A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Max Greiner
Theodor Graser
Gerhard Hoetzel
Johann Wehrmann
Heinz Eisenschmid
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/4077—Means for protecting the electrolyte or the electrodes

Definitions

  • the invention is based on a gas sensor, in particular for determining the oxygen content in exhaust gases
  • a gas sensor with a sensor element is known from US Pat. No. 4,597,850, in which the sensor element at the exhaust-side end is surrounded by a double-walled protective tube with an outer cylinder part and an inner cylinder part.
  • the two cylinder parts are manufactured separately from one another, assembled in at least one assembly step and then attached to the housing of the gas sensor.
  • the gas sensor according to the invention with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the assembly for joining the double-walled protective tube not applicable. As a result, the protective tube and thus the gas sensor can be produced more cost-effectively.
  • the arrangement of the inner gas openings on the ring flange between the outer and inner protective sleeve has the effect that condensed water carried in the exhaust gas does not reach the sensitive area of the sensor element directly, but is directed in the direction of the interior of the housing.
  • FIG. 1 shows a section on the exhaust gas side of the gas sensor according to the invention in longitudinal section
  • FIG. 2 shows a section along line II-II according to FIG. 1
  • FIG. 3 shows a section along line III-III according to FIG. 1
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a protective tube in longitudinal section .
  • FIG. 1 shows a section of a gas sensor on the exhaust gas side, for example an electrochemical oxygen sensor, with a metallic housing section 11 on the exhaust gas side, in which a planar sensor element 12 is fixed gas-tight.
  • the exhaust-side housing section 11 is part of a housing composed, for example, of two parts.
  • a connection-side housing section, not shown, in which the contacting of the sensor element 12 is accommodated, is welded gas-tight to the exhaust-side housing section 11.
  • the housing section 11 consists of a cylinder sleeve 14 with an opening 15 on the exhaust gas side.
  • the cylinder sleeve 14 is designed at one point with a radially inwardly directed indentation 16.
  • a first ceramic molded part 21 with a first passage 22, a second ceramic molded part 23 with a second passage 24 and a sealing element 25 arranged between them are held by the indentation 16.
  • a contact pressure acts on the sealing element 25, which consists of pre-pressed steatite powder.
  • the steatite powder of the sealing element 25 is pressed against the sensor element 12 and against the inner wall of the housing section 11 by the contact pressure, as a result of which the sensor element 12 is held gas-tight in the housing section 11.
  • the sensor element 12 consists of an oxygen ion-conducting solid electrolyte ceramic with electrodes, not shown. At least one electrode is exposed to the exhaust gas and forms a sensitive area 13 on the sensor element 12.
  • the planar sensor element 12 is laminated together from a plurality of ceramic foils, sintered and, in the sintered state, has a rectangular cross section.
  • a double-walled protective tube 30 with an outer protective sleeve 31 and an inner one
  • the inner protective sleeve 32 attached.
  • the inner protective sleeve 32 surrounds a measuring gas space 34 into which the sensor element 12 with the sensitive section 13 is immersed.
  • the outer protective sleeve 31 and the inner protective sleeve 32 are spaced apart from one another, so that there is a circumferential between them
  • Intermediate space 35 is formed, which serves to forward the exhaust gas into the measuring gas space 34.
  • the outer protective sleeve 31 is designed as a cylindrical sleeve 36 which tapers to a cylindrical section 37 at the end on the housing side, the outer diameter of the cylindrical section 37 corresponding to the inner diameter of the opening 15 of the housing section 11.
  • the sleeve 36 is slightly bent outwards for manufacturing reasons. However, it is equally conceivable to allow the sleeve 36 to run out cylindrically at the exhaust-side end or to provide it with a bend directed towards the inner protective sleeve 32.
  • the sleeve 36 is designed with a closed outer surface. The gas inlet and / or gas outlet with respect to the
  • Intermediate space 35 is formed by an end gas opening 39.
  • the inner protective sleeve 32 has a rectangular cross section corresponding to the cross section of the sensor element 12 and has four side walls 41.
  • the four side walls 41 have a sufficient distance from the sensor element 12, the distance being approximately the same on all four sides. At the exhaust end, the four side walls 41 converge to form a floor 42.
  • the side walls 41 and the bottom 42 surround the measuring gas space 34 (FIGS. 2 and 3).
  • a gas opening 44 for gas outlet and / or gas inlet is arranged in the bottom 42 in alignment with the center line.
  • the exhaust-side end of the inner protective sleeve 32 protrudes beyond the exhaust-side end of the outer protective sleeve 31. This creates a circumferential gap 50 between the inner wall of the sleeve 36 of the outer protective sleeve 31 and the outside of the side walls 41 of the inner protective sleeve 32, which gap forms the front gas opening 39 for gas entry and / or gas exit for the intermediate space 35.
  • the four side walls 41 are connected to the cylindrical sleeve 36 of the outer protective sleeve 31 by means of an annular flange 46, the annular flange 46 running at least approximately at right angles to the side walls 41 and the sleeve 36.
  • Two inner gas openings 48 are introduced into the ring flange 46.
  • the two inner gas openings 48 are arranged, for example, opposite one another and parallel to the wide side walls 41 of the inner protective sleeve 32.
  • the double-band protective tube 30 with the outer protective sleeve 31 and the inner protective sleeve 32 is made in one piece. In terms of production technology, this is realized by a deep-drawing process, the inner protective sleeve 31 with the side walls 41 and the bottom 42 being formed first. Then the sleeve 36 of the outer protective sleeve 31 is carried out, the ring flange 46 and the gap 50 being formed at the same time. The cylindrical section 37 of the sleeve 36 is realized when the outer protective sleeve 31 is formed.
  • the production of the gas openings 44 and 48 is expediently integrated into the deep-drawing process.
  • the protective tube 30, which is formed in one piece and provided with the gas openings 39, 44, 48, is inserted with the cylindrical section 37 into the opening 15 of the housing section 11 and is welded by means of a circumferential weld seam 52, for example by means of laser welding.
  • the exhaust gas flows in the direction indicated by an arrow in FIG. 1, the exhaust gas reaching the gap 35 through the gap 50.
  • the exhaust gas penetrates into the measurement gas space 34 through the inner gas openings 48.
  • the exhaust gas flows out of the measurement gas space 34 through the gas opening 44.
  • the exhaust gas also flows through the gas opening 44 into the measuring gas space 34, the flow in the measuring gas space 34 and in the intermediate space 35 then being reversed.
  • FIG. 4 Another embodiment of the protective tube 30 is shown in FIG. 4.
  • the outer protective sleeve 31 is provided at the circumferential gap 50 with an edge 55 facing the inner protective sleeve 32.
  • the edge 55 With the edge 55, the circumferential annular gap 50 is reduced and thus the gas opening 39 on the end face is narrowed.
  • the narrowing of the front gas opening 39 offers even better protection against the ingress of condensed water carried in the exhaust gas.
  • the inner protective sleeve 32 with any cross section, for example with a circular cross section or a square one Cross-section.
  • the exhaust-side end of the sleeve 36 with an end face in which the end gas openings 39 are made.

Abstract

Es wird ein Gassensor mit einem Sensorelement (12) vorgeschlagen, das in einem metallischen Gehäuse (11) gasdicht fixiert ist. Der Gassensor weist ein doppelwandiges Schutzrohr (30) mit einer äusseren Schutzhülse (31) und einer inneren Schutzhülse (32) auf, die jeweils Öffnungen zum Gasein- und/oder Gasaustritt besitzen. Die innere Schutzhülse (32) bildet einen Messgasraum (34), in den das Sensorelement (12) mit einem abgasseitigen Abschnitt (13) eintaucht. Die äussere Schutzhülse (31) und die innere Schutzhülse (32) sind einstückig ausgebildet.

Description

Gassensor
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Gassensor, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von
Verbrennungsmotoren, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der US-PS 4 597 850 ist ein Gassensor mit einem Sensorelement bekannt, bei dem das Sensorelement am abgasseitigen Ende von einem doppelwandigen Schutzrohr mit einem äußeren Zylinderteil und einem inneren Zylinderteil umgeben ist. Die beiden Zylinderteile werden getrennt voneinander hergestellt, in mindestens einem Montageschritt zusammengefügt und anschließend am Gehäuse des Gassensors befestigt.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Gassensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Montage zum Fügen des doppelwandigen Schutzrohres entfällt. Dadurch ist das Schutzrohr und damit der Gassensor kostengünstiger herstellbar.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Gassensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, daß aufgrund des an den Querschnitt des Sensorelements angepaßten Querschnitts der inneren Schutzhülse bei einem zur Verfügung stehenden engen Bauraum für die innere Schutzhülse das Sensorelement nach allen
Seiten einen ausreichenden Sicherheitsabstand zur Innenwand der inneren Schutzhülse hat. Dieser Sicherheitsabstand ist notwendig, weil das Sensorelement bei stoßartiger Belastung in der inneren Schutzhülse elastisch ausgelenkt wird und beim Anstoßen an die Innenwand beschädigt würde beziehungsweise zu Bruch gehen kann. Die geschlossene Mantelfläche der äußeren Schutzhülse und die Anordnung einer stirnseitigen Gasδffnung für den Gaseintritt in den Zwischenraum zwischen äußerer und innerer Schutzhülse hat den Vorteil, daß das Abgas bis zum sensitiven Bereich einen längeren Strömungsweg aufweist, der Meßgasraum jedoch eine ausreichende Durchströmung erhält. Außerdem werden die im Abgas von Verbrennungsmotoren mitgeführten Partikel, wie beispielsweise Verunreinigungen oder Kondenswasser, am Eindringen in den Zwischenraum zwischen äußerer und innerer Schutzhülse gehindert . Die Anordnung der inneren Gasöffnungen am Ringflansch zwischen äußerer und innerer Schutzhülse bewirkt, daß im Abgas mitgeführtes Kondenswasser nicht unmittelbar an den sensitiven Bereich des Sensorelements gelangt, sondern in Richtung des Innenraums des Gehäuses gerichtet wird.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen Figur 1 einen abgasseitigen Abschnitt des erfindungsgemäßen Gassensors im Längsschnitt, Figur 2 einen Schnitt nach der Linie II-II gemäß Figur 1, Figur 3 einen Schnitt nach der Linie III-III gemäß Figur 1 und Figur 4 eine weitere Ausführungsform eines Schutzrohres im Längsschnitt .
Ausführungsbeispiel
Figur 1 zeigt einen abgasseitigen Abschnitt eines Gassensors beispielsweise eines elektrochemischen Sauerstoffsensors, mit einem abgasseitigen metallischen Gehäuseabschnitt 11, in dem ein planares Sensorelement 12 gasdicht fixiert ist. Der abgasseitige Gehäuseabschnitt 11 ist Teil eines beispielsweise aus zwei Teilen zusammengesetzten Gehäuses. Ein nicht dargestellter anschlußseitiger Gehäuseabschnitt, in dem die Kontaktierung des Sensorelements 12 untergebracht ist, ist mit dem abgasseitigen Gehäuseabschnitt 11 gasdicht verschweißt. Es ist aber genauso denkbar, das Gehäuse aus einem einzigen Gehäuseteil herzustellen.
Der Gehäuseabschnitt 11 besteht aus einer Zylinderhülse 14 mit einer abgasseitigen Öffnung 15. Die Zylinderhülse 14 ist an einer Stelle mit einer radial einwärts gerichteten Einformung 16 ausgeführt. Von der Einformung 16 wird ein erstes keramisches Formteil 21 mit einer ersten Durchführung 22, ein zweites keramisches Formteil 23 mit einer zweiten Durchführung 24 und ein dazwischen angeordnetes Dichtelement 25 gehalten. Vom zweiten Formteil 23 wirkt eine Anpreßkraft auf das Dichtelement 25, das aus vorgepreßtem Steatitpulver besteht. Durch die Anpreßkraft wird das Steatitpulver des Dichtelements 25 an das Sensorelement 12 und an die Innenwand des Gehäuseabschnitts 11 gedrückt, wodurch das Sensorelement 12 gasdicht im Gehäuseabschnitt 11 gehalten wird. Das Sensorelement 12 besteht aus einer Sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkeramik mit nicht dargestellten Elektroden. Mindestens eine Elektrode ist dem Abgas ausgesetzt und bildet am Sensorelement 12 einen sensitiven Bereich 13. Das planare Sensorelement 12 ist aus mehreren keramischen Folien zusammenlaminiert, gesintert und weist im gesinterten Zustand einen rechteckigen Querschnitt auf.
Am Gehäuseabschnitt 11 ist ein doppelwandiges Schutzrohr 30 mit einer äußeren Schutzhülse 31 und einer inneren
Schutzhülse 32 befestigt. Die innere Schutzhülse 32 umgibt einen Meßgasraum 34, in den das Sensorelement 12 mit dem sensitiven Abschnitt 13 eintaucht. Die äußere Schutzhülse 31 und die innere Schutzhülse 32 sind beabstandet voneinander angeordnet, so daß sich dazwischen ein umlaufender
Zwischenraum 35 ausgebildet, der zur Weiterleitung des Abgases in den Meßgasraum 34 dient .
Die äußere Schutzhülse 31 ist als eine zylindrische Hülse 36 ausgeführt, die am gehäuseseitigen Ende sich zu einem zylindrischen Abschnitt 37 verjüngt, wobei der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 37 dem Innendurchmesser der Öffnung 15 des Gehäuseabschnitts 11 entspricht. Am abgasseitigen Ende ist die Hülse 36 aus fertigungstechnischen Gründen leicht nach außen gebogen. Es ist aber genauso denkbar, die Hülse 36 am abgasseitigen Ende zylindrisch auslaufen zu lassen oder aber mit einer zur inneren Schutzhülse 32 gerichteten Biegung zu versehen. Die Hülse 36 ist mit einer geschlossenen Mantelfläche ausgeführt. Der Gasein- und/oder Gasaustritt bezüglich des
Zwischenraumes 35 wird von einer stirnseitigen Gasöffnung 39 gebildet .
Die innere Schutzhülse 32 weist entsprechend dem Querschnitt des Sensorelements 12 einen rechteckförmigen Querschnitt auf und hat vier Seitenwände 41. Die vier Seitenwände 41 haben einen ausreichenden Abstand zum Sensorelement 12, wobei der Abstand an allen vier Seiten etwa gleich ist. Am abgasseitigen Ende laufen die vier Seitenwände 41 zu einem Boden 42 zusammen. Die Seitenwände 41 und der Boden 42 umgeben den Meßgasraum 34 (Figur 2 und 3) . Im Boden 42 ist bezüglich der Mittellinie fluchtend eine Gasöffnung 44 zum Gasaus- und/oder Gaseintritt angeordnet.
Das abgasseitige Ende der inneren Schutzhülse 32 ragt über das abgasseitige Ende der äußeren Schutzhülse 31 hinaus. Dadurch ensteht zwischen der Innenwand der Hülse 36 der äußeren Schutzhülse 31 und der Außenseite der Seitenwände 41 der inneren Schutzhülse 32 ein umlaufender Spalt 50, der die stirnseitige Gasδffnung 39 zum Gasein- und/oder Gasaustritt für den Zwischenraum 35 bildet.
Am gehäuseseitigen Ende sind die vier Seitenwände 41 mittels eines Ringflansches 46 mit der zylindrischen Hülse 36 der äußeren Schutzhülse 31 verbunden, wobei der Ringflansch 46 zumindest annähernd rechtwinklig zu den Seitenwänden 41 und der Hülse 36 verläuft. In den Ringflansch 46 sind zwei innere Gasδffnungen 48 eingebracht. Die beiden inneren Gasöffnungen 48 sind gemäß Figur 2 beispielsweise gegenüberliegend und parallel zu den breiten Seitenwänden 41 der inneren Schutzhülse 32 angeordnet. Es ist aber genauso denkbar, lediglich eine innere Gasöffnung 48 oder aber mehr als zwei innere Gasöffnungen 48 am Ringflansch 46 vorzusehen.
Das doppelbandige Schutzrohr 30 mit der äußeren Schutzhülse 31 und der inneren Schutzhülse 32 ist einstückig ausgeführt. Dies wird fertigungstechnisch durch ein Tiefziehverfahren realisiert, wobei zunächst die innere Schutzhülse 31 mit den Seitenwänden 41 und dem Boden 42 geformt wird. Danach wird die Hülse 36 der äußeren Schutzhülse 31 ausgeführt, wobei gleichzeitig der Ringflansch 46 und der Spalt 50 entstehen. Der zylindrische Abschnitt 37 der Hülse 36 wird beim Formen der äußeren Schutzhülse 31 realisiert. Die Herstellung der Gasöffnungen 44 und 48 ist zweckmäßigerweise in den Tiefziehprozeß integriert.
Das einstückig geformte und mit den Gasδffungen 39, 44, 48 versehene Schutzrohr 30 wird mit dem zylindrischen Abschnitt 37 in die Öffnung 15 des Gehäuseabschnitts 11 eingesetzt und mittels einer umlaufenden Schweißnaht 52 , beispielsweise mittels Laser-Schweißen, verschweißt.
In einem nicht dargestellten Abgasrohr strömt das Abgas in der mit einem Pfeil in Figur 1 angedeuteten Richtung, wobei das Abgas über den Spalt 50 in den Zwischenraum 35 gelangt. Durch die inneren Gasöffnungen 48 dringt das Abgas in den Meßgasraum 34 ein. Durch die Gasöffnung 44 strömt schließlich das Abgas aus dem Meßgasraum 34 wieder heraus. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, daß das Abgas auch durch die Gasöffnung 44 in den Meßgasraum 34 hineinströmt, wobei sich dann die Strömung im Meßgasraum 34 und im Zwischenraum 35 umkehrt .
Eine weitere Ausführungsform des Schutzrohres 30 geht aus Figur 4 hervor. Hierbei ist die äußere Schutzhülse 31 am umlaufenden Spalt 50 mit einem zur inneren Schutzhülse 32 weisenden Rand 55 versehen. Mit dem Rand 55 wird der umlaufende ringförmige Spalt 50 verkleinert und damit die stirnseitige Gasδffnung 39 verengt. Die Verengung der stirnseitigen Gasöffnung 39 bietet einen noch besseren Schutz vor dem Eindringen von im Abgas mitgeführten Kondenswasser.
Neben den beschriebenen Ausführungsformen ist es jedoch auch denkbar, die innere Schutzhülse 32 mit jedem beliebigen Querschnitt auszuführen, beispielsweise mit einem kreisförmigen Querschnitt oder einem quadratischen Querschnitt. Darüberhinaus ist es denkbar, das abgasseitige Ende der Hülse 36 mit einem stirnseitigen Boden zu versehen, in dem die stirnseitigen Gasöffnungen 39 eingebracht sind.

Claims

Ansprüche
1. Gassensor mit einem Sensorelement, welches in einem
Gehäuse fixiert ist, und mit einem doppelwandigen Schutzrohr mit einer äußeren Schutzhülse und einer inneren Schutzhülse, die jeweils mindestens eine Öffnung zum Gasein- und/oder Gasaustritt aufweisen, wobei die innere Schutzhülse einen Meßgasraum bildet, in den das Sensorelement mit einem meßgasseitigen Abschnitt hineinragt, und wobei zwischen der äußeren und der inneren Schutzhülse ein Zwischenraum zur Weiterleitung des Gases in den Meßgasraum ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schutzhülse (31) und die innere Schutzhülse (32) einstückig ausgebildet sind.
2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am gehäuseseitigen Ende zwischen äußerer Schutzhülse (31) und innere Schutzhülse (32) ein Ringflansch (46) ausgebildet ist, der mindestens eine innere Gasöffnung (48) aufweist.
3. Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringflansch (46) zumindest annähernd rechtwinklig zur äußeren Schutzhülse (31) und zur inneren Schutzhülse (32) verläuft.
4. Gassensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß zwischen der äußeren Schutzhülse (31) und der inneren Schutzhülse (32) mindestens eine stirnseitige Gasöffnung (39) zum Gasein- und/oder Gasaustritt in den Zwischenraum (35) ausgebildet ist.
5. Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitig Gasöffnung (39) von einem umlaufenden Spalt (50) gebildet ist.
6. Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schutzhülse (31) am gasseitigen Ende einen zur inneren Schutzhülse (32) gerichteten Rand (55) aufweist, der den umlaufenden Spalt (50) verengt.
7. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) am abgasseitigen Ende eine zylindrische Öffnung (15) aufweist, daß am gehäuseseitigen Ende der äußeren Schutzhülse (31) ein zylindrischer Abschnitt (37) angeformt ist, und daß das Schutzrohr (30) mit dem zylindrischen Abschnitt (37) in die zylindrische Öffnung (37) des Gehäuses (11) eingesetzt und mit dem Gehäuse (11) gasdicht verbunden ist.
EP97931686A 1996-07-17 1997-06-19 Gassensor Withdrawn EP1038173A1 (de)

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DE19628692 1996-07-17
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DE19705402A DE19705402B4 (de) 1996-07-17 1997-02-13 Gassensor
DE19705402 1997-02-13
PCT/DE1997/001366 WO1998003861A1 (de) 1996-07-17 1997-06-19 Gassensor

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