WO2008031689A1 - Gas sensor for determining the oxygen concentration - Google Patents

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WO2008031689A1
WO2008031689A1 PCT/EP2007/058567 EP2007058567W WO2008031689A1 WO 2008031689 A1 WO2008031689 A1 WO 2008031689A1 EP 2007058567 W EP2007058567 W EP 2007058567W WO 2008031689 A1 WO2008031689 A1 WO 2008031689A1
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sensor
gas
housing
seal
sensor housing
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Application number
PCT/EP2007/058567
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Inventor
Andreas Schaak
Goetz Reinhardt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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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

Definitions

  • the invention is based on a gas sensor for determining the oxygen concentration in a measuring gas, in particular lambda probe for the mixture control in motor vehicles, according to the preamble of claim 1.
  • the sensor element has a ceramic body of an oxygen ion-conducting solid electrolyte, on the surface of which a measuring electrode covered by a porous protective layer is arranged within the measuring gas element section of the sensor element that can be exposed to the measuring gas.
  • the protective layer serves in addition to the mechanical protection of the measuring electrode also an increased so-called. Poisoning resistance.
  • the measuring gas catalytically equilibrated at the measuring electrode causes a constant removal of the rich and lean gas coupled with a continuous removal of the reaction products carbon dioxide and water.
  • Grease gas and lean gas have a different transport speed in the protective layer. For example, hydrogen diffuses faster in the protective layer than Lean gas. Therefore, larger amounts of lean gas than the stoichiometry would be necessary to completely convert hydrogen.
  • the lambda jump is thereby shifted into the lean region ( ⁇ > 1).
  • a lambda probe which is located downstream of a catalyst present in the exhaust stream of an internal combustion engine, has a lambda jump, which is slightly in the fat region ( ⁇ ⁇ l). Disclosure of the invention
  • the gas sensor according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that by providing the targeted leak between the surrounding the sensor housing atmosphere, which is also exposed to the reference electrode of the sensor element, and the measuring gas side of the seal upstream region in the sensor housing, like the sample gas - Element section of the sensor element is arranged thereon with the measuring electrode exposed to the measuring gas, with little technical effort an additional sour material source is provided, which the desired, slight shift of the lambda jump, ie the potential jump between reference and measuring electrode, in the fat area ( ⁇ ⁇ l) causes even in the absence of lean gas.
  • the desired, slight shift of the lambda jump ie the potential jump between reference and measuring electrode, in the fat area ( ⁇ ⁇ l) causes even in the absence of lean gas.
  • the leak point on at least one extending in the sensor housing channel with a formed in the housing inner wall channel mouth is advantageously introduced into the sensor housing.
  • the seal between the sensor element and the housing inner wall is axially clamped between two ceramic moldings, and the channel mouth on the measurement gas side of the seal is in the region of the measured gas side
  • Ceramic molding This area is roughly sealed by the ceramic compared to the sample gas in the sample gas space, so that the amount of air exchanged with the sample gas is small.
  • Gap can be provided, which extends to the measuring gas side front part end.
  • the fine gap on the inner wall of the housing it is also possible to provide a defined porosity of the measuring gas-side ceramic molding for the diffusion of the ambient air from the channel mouth to the measuring gas space.
  • the invention is explained in more detail in the following description with reference to an embodiment shown in the drawing.
  • the drawing shows a detail of a longitudinal section of a gas sensor.
  • the gas sensor shown in the drawing in longitudinal section for determining the oxygen concentration in a mixed gas is preferably used as a lambda probe for mixture control in internal combustion engines in motor vehicles.
  • the gas sensor or the lambda probe has a metallic sensor housing 11, on which a thread 12 as
  • Fastening means for installation in an unillustrated sample gas or exhaust pipe and a hexagon 13 are designed for mounting on the sample gas tube.
  • a sensor element 14 is accommodated, which protrudes from the sensor housing 11 at both ends of the sensor housing 11.
  • a measuring gas element section 141 projecting at the lower end of the sensor housing 11 can be exposed to the measuring or exhaust gas, and a connecting element section 142 protruding at the upper end of the sensor element 14 bears contact surfaces 15 on contact surfaces facing away from the rectangular cross-section of the sensor element 14.
  • the contact surfaces 15 serve connecting the sensor element 14 to an evaluation electronics located outside the gas sensor.
  • a lying between the two element portion 141, 142 in the housing 11 middle housing element portion 143 of the sensor element 14 is enclosed in a portion of a seal 16 which is clamped axially between two ceramic moldings 17, 18 and thereby on the one hand to the housing element portion 142nd of the sensor element 14 and on the other hand to the inner wall of the sensor housing 11 each gas-tight presses.
  • the seal 16 is composed for example of three superimposed sealing elements 161, 162, 163, wherein e.g. the first sealing element 161 made of steatite directly adjoining the lower ceramic molded part 17, the middle, second sealing element 162 made of hexagonal boron nitride and the third sealing element 163 resting against the upper ceramic molded part 18 likewise consist of steatite.
  • the lower ceramic molding 17 rests on an annular shoulder 19 formed on the housing inner wall.
  • a metal sleeve 20 is placed, which is caulked on the sensor housing 11 and on the ceramic molding 18 exerts an axially directed biasing force, so that the seal 16 between the two ceramic moldings 17, 18 is pressed.
  • the projecting from the housing 11 measuring gas element portion 141 of the sensor element 14 is surrounded by a protective tube 21 which is fixed to the sensor housing 11.
  • the protective tube 21 has inlet and outlet openings 22 for the measurement gas or exhaust gas and defines a measurement space 27 surrounding the measurement gas element section 141.
  • Also connected to the contact surfaces 15 is an integrated in the sensor element 14, not shown here reference electrode, which is separated from the measuring electrode 23 by a solid electrolyte and a reference gas, eg the ambient air exposed.
  • a possible structure of the sensor element 14 is outlined and described in DE 198 34 276 A1.
  • the lambda probe preferably behind the catalyst in the exhaust system of an internal combustion engine of a motor vehicle and this lambda jump easily in the absence of lean gases in the fat area ( ⁇ ⁇ l) to move in the sensor housing 11, a defined leak point is established between the atmosphere surrounding the sensor housing 11 and the inner region of the sensor housing 11 located upstream of the measurement gas side of the seal 16.
  • This leakage point is realized in that in the sensor housing 11 a plurality of cross-section small channels 24 are inserted with a lying in the housing inner wall channel mouth 25 and a lying in the housing outer wall channel mouth 26.
  • the channels 24 are introduced from the side facing away from the protective tube 21 top of the hexagon 13 and extend obliquely in the sensor housing 11.
  • the channel openings 25 are in the region of the lower ceramic molding 17 and are covered by this, so that the over the channel mouths 25 with respect to the Measured or exhaust gas exchanged air quantity is low.
  • tightly toleranced gaps can be provided, which extend in the region of the channel openings 25 and extend to the messgas workede front ends of the ceramic molding 17.

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Abstract

A gas sensor for determining the oxygen concentration in a measurement gas, in particular a lambda probe for regulating the mixture in motor vehicles, is specified, said sensor having a sensor housing (11), a sensor element (14) with a measurement gas element section (141) which can be exposed to the measurement gas, and a seal (16) which is arranged in the sensor housing (11), surrounds the sensor element (14) and presses against the sensor element (14) and the sensor housing (11). In order to give rise to a slight displacement of the λ =1 step change to the rich range when the gas sensor is operated as a step-change probe and in the absence of lean measurement gas, a defined leakage point is produced in the sensor housing (11) between the atmosphere surrounding the sensor housing (11) and that region of the sensor housing (11) which is upstream of the measurement gas side of the seal (16).

Description

Gassensor zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration Gas sensor for determining the oxygen concentration
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Messgas, insbesondere Lambdasonde für die Gemischregelung bei Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a gas sensor for determining the oxygen concentration in a measuring gas, in particular lambda probe for the mixture control in motor vehicles, according to the preamble of claim 1.
Bei einem solchen Gassensor weist das Sensorelement einen Keramikkörper aus einem Sauerstoffionen leitenden Festelektrolyten auf, auf dessen Oberfläche innerhalb des dem Messgas aussetzbaren Messgas-Elementabschnitts des Sensorelements eine mit einer porösen Schutzschicht bedeckte Messelektrode angeordnet ist. Die Schutzschicht dient neben dem mechanischen Schutz der Messelektrode auch einer erhöhten sog. Vergiftungsresistenz. Zwischen der Messelektrode und einer Referenzelektrode, die getrennt von der Messelektrode einem Referenzgas mit definiertem Sauerstoffgehalt, z.B. der Umgebungsluft, ausgesetzt ist, wird fortlaufend das elektrische Potential, also die elektrische Spannung zwischen Mess- und Referenzelektrode, gemessen. Dabei äußert sich der Übergang von einem „fetten" Messgas, in dem ein hoher Anteil von Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffen enthalten ist, zu einem „mageren" Messgas, in dem ein hoher Anteil von Sauerstoff und Stickoxiden vorhanden ist, in einem Potenzialsprung bzw. in einem Sprung der Spannung zwischen Referenz- und Messelektrode, dem sog. Lambdasprung. Die Sprungcharakteristik bei λ=l einer solchen sog. Sprung- oder λ=l -Sonde eignet sich für eine Zweipunkt-Regelung zur Gemischaufbereitung im Kraftstoffansaugtrakt von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen.In such a gas sensor, the sensor element has a ceramic body of an oxygen ion-conducting solid electrolyte, on the surface of which a measuring electrode covered by a porous protective layer is arranged within the measuring gas element section of the sensor element that can be exposed to the measuring gas. The protective layer serves in addition to the mechanical protection of the measuring electrode also an increased so-called. Poisoning resistance. Between the measuring electrode and a reference electrode separated from the measuring electrode by a reference gas with a defined oxygen content, e.g. the ambient air is exposed, the electrical potential, ie the electrical voltage between the measuring and reference electrode, is continuously measured. The transition from a "rich" sample gas, which contains a high proportion of hydrogen, carbon monoxide and hydrocarbons, to a "lean" sample gas, in which a high proportion of oxygen and nitrogen oxides is present, manifests itself in a potential jump or in a jump in the voltage between reference and measuring electrode, the so-called lambda jump. The jump characteristic at λ = 1 of such a so-called jump or λ = 1 probe is suitable for a two-point control for mixture preparation in the fuel intake tract of internal combustion engines in motor vehicles.
Verschiedene Ursachen führen zu einer Verschiebung des Lambdasprungs gegenüber der Stöchometrie des Mess- bzw. Abgases. Zum einen findet durch das an der Messelektrode katalytisch ins Gleichgewicht gesetzte Messgas ein ständiger Abtransport des Fett- und Magergases gekoppelt mit einem ständigen Abtransport der Reaktionsprodukte Kohlendioxid und Wasser statt. Fettgas und Magergas haben eine unterschiedliche Transportgeschwindigkeit in der Schutzschicht. Beispielsweise diffundiert Wasserstoff in der Schutzschicht schneller als Magergas. Deshalb sind größere Menge Magergas, als es der Stöchometrie entsprechen würde notwendig, um Wasserstoff komplett umzusetzen. Der Lambdasprung wird dadurch in den Magerbereich (λ>l) verschoben. Viele Kohlenwasserstoffe, wie z.B. Propan, diffundieren langsamer als Magergas. Die Kennlinie verschiebt sich in den Fettbereich (λ<l). Zum anderen kommt es an der Messelektrode zu einer unvollständigen Reaktion, wodurch die Messelektrode nicht in der Lage ist, das stöchometrische Gleichgewicht einzustellen. Als Folge davon verschiebt sich der Lambdasprung. Bei den Magergasen treten derartige Verschiebungen auf, wenn die Messelektrode und die Schutzschicht nicht in der Lage sind, die Reaktionen des Fettgases mit den Stickoxiden zu katalysieren. Die Stickoxide wirken dann wie ein Inertgas, und es wird mehr Sauerstoff benötigt, um die Fettgase umzusetzen. Der Lambdasprung wird dadurch in den Magerbereich (λ>l) verschoben. Umgekehrt benötigen Kohlewasserstoffe, die nicht komplett umgesetzt werden, weniger Magergase. In der Konsequenz verschiebt sich die Kennlinie in den Fettbereich (λ<l). Diese Effekte der Verschiebung des Lambdasprungs treten aber nur dann auf, wenn das Gasgemisch nicht im Gleichgewicht ist. Dies ist immer der Fall, wenn der Gassensor als Lambdasonde im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors stromaufwärts eines Katalysators betrieben wird. Stromabwärts des Katalysators betriebene Lambdasonden erhalten eine Gleichgewichtsgasmischung und zeigen deshalb einen sehr präzisen Lambdasprung bei λ=l. Bei diesen Lambdasonden, die stromabwärts des Katalysators eingesetzt werden, ist es wünschenswert, die Sprunglage in den leichten Fettbereich zu verschieben, um die Abgaswerte zu verbessern, d.h. die Stickoxidemission zu reduzieren. Dabei spielt die Sauerstoffspeicherfähigkeit von Dreiwege-Katalysatoren eine wesentliche Rolle, denn im mageren Bereich wird überschüssiger Sauerstoff im Katalysator gespeichert, der in einer darauffolgenden fetten Phase wieder abgegeben wird. Ist der Katalysator mit Sauerstoff beladen, so entstehen die genannten unerwünschten, höheren Stickoxidemissionen.Various causes lead to a shift of the lambda jump with respect to the stoichometry of the measuring or exhaust gas. On the one hand, the measuring gas catalytically equilibrated at the measuring electrode causes a constant removal of the rich and lean gas coupled with a continuous removal of the reaction products carbon dioxide and water. Grease gas and lean gas have a different transport speed in the protective layer. For example, hydrogen diffuses faster in the protective layer than Lean gas. Therefore, larger amounts of lean gas than the stoichiometry would be necessary to completely convert hydrogen. The lambda jump is thereby shifted into the lean region (λ> 1). Many hydrocarbons, such as propane, diffuse more slowly than lean gas. The characteristic shifts into the fat range (λ <l). On the other hand, there is an incomplete reaction at the measuring electrode, whereby the measuring electrode is unable to adjust the stoichiometric balance. As a result, the lambda jump shifts. With the lean gases such shifts occur when the measuring electrode and the protective layer are not able to catalyze the reactions of the fat gas with the nitrogen oxides. The nitrogen oxides then act as an inert gas, and more oxygen is needed to convert the fat gases. The lambda jump is thereby shifted into the lean region (λ> 1). Conversely, hydrocarbons that are not completely converted require less lean gas. As a consequence, the characteristic shifts into the fat range (λ <1). However, these effects of shifting the lambda jump occur only when the gas mixture is not in equilibrium. This is always the case when the gas sensor is operated as a lambda probe in the exhaust tract of an internal combustion engine upstream of a catalytic converter. Lambda probes operated downstream of the catalytic converter receive an equilibrium gas mixture and therefore show a very precise lambda jump at λ = 1. With these lambda probes, which are used downstream of the catalytic converter, it is desirable to shift the jump position into the light fat range in order to improve the exhaust gas values, ie to reduce the nitrogen oxide emission. The oxygen storage capacity of three-way catalysts plays an essential role, because in the lean area excess oxygen is stored in the catalyst, which is released again in a subsequent rich phase. If the catalyst is loaded with oxygen, the mentioned undesirable, higher nitrogen oxide emissions arise.
Um diesen Mangel durch Verschieben des Lambdasprungs in den leichten Fettbereich (λ<l) zu beheben, ist bereits vorgeschlagen worden (DE 10 2006 01 4697.2), durch eine Schaltungsanordnung zwischen Referenz- und Messelektrode einen Sauer Stoff ström zu erzeugen, der hin zur Messelektrode führt, und die Größe dieses Sauerstoffstroms an den durch die poröse Schutzschicht hindurch diffundierenden Messgasstrom anzupassen. Durch dieseTo remedy this deficiency by shifting the lambda jump in the light fat range (λ <l), has already been proposed (DE 10 2006 01 4697.2) to produce by a circuit arrangement between the reference and measuring electrode an oxygen substance Ström, which leads to the measuring electrode leads, and adjust the size of this oxygen stream at the sample gas flow diffusing through the porous protective layer. Through this
„zusätzliche Sauerstoff quelle" wird ermöglicht, dass eine Lambdasonde, die stromabwärts eines im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors vorhandenen Katalysators angeordnet ist, einen Lambdasprung aufweist, der leicht im Fettbereich (λ<l) liegt. Offenbarung der Erfindung"Additional oxygen source" is made possible that a lambda probe, which is located downstream of a catalyst present in the exhaust stream of an internal combustion engine, has a lambda jump, which is slightly in the fat region (λ <l). Disclosure of the invention
Der erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch Vorsehen der gezielten Undichtigkeit zwischen der das Sensorgehäuse umgebenden Atmosphäre, der auch die Referenzelektrode des Sensorelements ausgesetzt ist, und dem der Messgasseite der Dichtung vorgelagerten Bereich im Sensorgehäuse, der wie der Messgas- Elementabschnitt des Sensorelements mit darauf angeordneter Messelektrode dem Messgas ausgesetzt ist, mit geringem technischen Aufwand eine zusätzliche Sauer Stoff quelle bereitgestellt ist, die die erwünschte, leichte Verschiebung des Lambdasprungs, d.h. des Potentialsprungs zwischen Referenz- und Messelektrode, in den Fettbereich (λ<l) auch bei Abwesenheit von Magergas bewirkt. Durch die Zuführung der Umgebungsluft auf die Messgasseite der Dichtung bleibt die gasdichte Abdichtung zwischen Referenzelektrode resp. Referenzgas und Messelektrode resp. Messgas erhalten.The gas sensor according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that by providing the targeted leak between the surrounding the sensor housing atmosphere, which is also exposed to the reference electrode of the sensor element, and the measuring gas side of the seal upstream region in the sensor housing, like the sample gas - Element section of the sensor element is arranged thereon with the measuring electrode exposed to the measuring gas, with little technical effort an additional sour material source is provided, which the desired, slight shift of the lambda jump, ie the potential jump between reference and measuring electrode, in the fat area (λ <l) causes even in the absence of lean gas. By supplying the ambient air to the gas side of the gasket, the gas-tight seal between the reference electrode resp. Reference gas and measuring electrode resp. Received measuring gas.
Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafteThe measures listed in the further claims are advantageous
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gassensors möglich.Further developments and improvements of the gas sensor specified in claim 1 possible.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Undichtigkeitsstelle mindestens einen im Sensorgehäuse verlaufenden Kanal mit einer in der Gehäuseinnenwand ausgebildeten Kanalmündung auf. Solche querschnittskleine, sehr feine Kanäle lassen sich problemlos in das Sensorgehäuse einbringen.According to an advantageous embodiment of the invention, the leak point on at least one extending in the sensor housing channel with a formed in the housing inner wall channel mouth. Such small cross-section, very fine channels can be easily introduced into the sensor housing.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Dichtung zwischen Sensorelement und Gehäuseinnenwand axial zwischen zwei Keramikformteilen eingespannt, und die Kanalmündung auf der Messgasseite der Dichtung liegt im Bereich des messgasseitigenAccording to an advantageous embodiment of the invention, the seal between the sensor element and the housing inner wall is axially clamped between two ceramic moldings, and the channel mouth on the measurement gas side of the seal is in the region of the measured gas side
Keramikformteils. Dieser Bereich ist durch die Keramik gegenüber dem Messgas im Messgasraum grob abgedichtet, so dass die mit dem Messgas ausgetauschte Luftmenge gering ist.Ceramic molding. This area is roughly sealed by the ceramic compared to the sample gas in the sample gas space, so that the amount of air exchanged with the sample gas is small.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann für eine gezielte Vergrößerung der zugeführten Luftmenge zusätzlich im Bereich der Kanalmündung ein definierter, feinerAccording to an advantageous embodiment of the invention can for a targeted increase in the amount of air supplied in addition to a defined, finer in the region of the channel mouth
Spalt vorgesehen werden, der sich bis zum messgasseitigen Frontteilende erstreckt. Anstelle des feinen Spaltes an der Gehäuseinnenwand kann auch eine definierte Porosität des messgasseitigen Keramikformteils für die Diffusion der Umgebungsluft von der Kanalmündung zum Messgasraum vorgesehen werden. Kurze Beschreibung der ZeichnungenGap can be provided, which extends to the measuring gas side front part end. Instead of the fine gap on the inner wall of the housing, it is also possible to provide a defined porosity of the measuring gas-side ceramic molding for the diffusion of the ambient air from the channel mouth to the measuring gas space. Brief description of the drawings
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die Zeichnung ausschnittweise einen Längsschnitt eines Gassensors.The invention is explained in more detail in the following description with reference to an embodiment shown in the drawing. The drawing shows a detail of a longitudinal section of a gas sensor.
Der in der Zeichnung im Längsschnitt dargestellte Gassensor zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Mischgas wird vorzugsweise als Lambdasonde zur Gemischregelung bei Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Der Gassensor bzw. die Lambdasonde weist ein metallisches Sensorgehäuse 11, an dem ein Gewinde 12 alsThe gas sensor shown in the drawing in longitudinal section for determining the oxygen concentration in a mixed gas is preferably used as a lambda probe for mixture control in internal combustion engines in motor vehicles. The gas sensor or the lambda probe has a metallic sensor housing 11, on which a thread 12 as
Befestigungsmittel für den Einbau in ein nicht dargestelltes Messgas- oder Abgasrohr und ein Sechskant 13 für die Montage am Messgasrohr ausgebildet sind. In dem hohlen Inneren des Sensorgehäuses 11 ist ein Sensorelement 14 aufgenommen, das an beiden Stirnenden des Sensorgehäuses 11 aus dem Sensorgehäuse 11 herausragt. Ein am unteren Ende des Sensorgehäuses 11 vorstehender Messgas-Elementabschnitt 141 ist dem Mess- oder Abgas aussetzbar und ein am oberen Ende des Sensorelements 14 herausragender Anschluss- Elementabschnitt 142 trägt auf voneinander abgekehrten Großflächen des im Querschnitt rechteckförmigen Sensorelements 14 Kontaktflächen 15. Die Kontaktflächen 15 dienen dem Anschließen des Sensorelements 14 an eine außerhalb des Gassensors liegende Auswerteelektronik. Ein zwischen den beiden Elementabschnitt 141, 142 im Gehäuse 11 liegender mittlerer Gehäuse-Elementabschnitt 143 des Sensorelements 14 ist in einem Teilbereich von einer Dichtung 16 umschlossen, die zwischen zwei Keramikformteilen 17, 18 axial eingespannt ist und dadurch sich einerseits an den Gehäuse-Elementabschnitt 142 des Sensorelements 14 und andererseits an die Innenwand des Sensorgehäuses 11 jeweils gasdicht anpresst. Die Dichtung 16 ist beispielsweise aus drei aufeinanderliegenden Dichtelementen 161, 162, 163 zusammengesetzt, wobei z.B. das sich unmittelbar an das untere Keramikformteil 17 anschließende erste Dichtelement 161 aus Steatit, das mittlere, zweite Dichtelement 162 aus hexagonalem Bornitrid und das an dem oberen Keramikformteil 18 anliegende dritte Dichtelement 163 ebenfalls aus Steatit besteht. Das untere Keramikformteil 17 liegt auf einer an der Gehäuseinnenwand ausgebildeten Ringschulter 19 auf. Auf das obige Keramikformteil 18 ist eine Metallhülse 20 aufgesetzt, die am Sensorgehäuse 11 verstemmt ist und auf das Keramikformteil 18 eine axial gerichtete Vorspannkraft ausübt, so dass die Dichtung 16 zwischen den beiden Keramikformteilen 17, 18 eingepresst ist.Fastening means for installation in an unillustrated sample gas or exhaust pipe and a hexagon 13 are designed for mounting on the sample gas tube. In the hollow interior of the sensor housing 11, a sensor element 14 is accommodated, which protrudes from the sensor housing 11 at both ends of the sensor housing 11. A measuring gas element section 141 projecting at the lower end of the sensor housing 11 can be exposed to the measuring or exhaust gas, and a connecting element section 142 protruding at the upper end of the sensor element 14 bears contact surfaces 15 on contact surfaces facing away from the rectangular cross-section of the sensor element 14. The contact surfaces 15 serve connecting the sensor element 14 to an evaluation electronics located outside the gas sensor. A lying between the two element portion 141, 142 in the housing 11 middle housing element portion 143 of the sensor element 14 is enclosed in a portion of a seal 16 which is clamped axially between two ceramic moldings 17, 18 and thereby on the one hand to the housing element portion 142nd of the sensor element 14 and on the other hand to the inner wall of the sensor housing 11 each gas-tight presses. The seal 16 is composed for example of three superimposed sealing elements 161, 162, 163, wherein e.g. the first sealing element 161 made of steatite directly adjoining the lower ceramic molded part 17, the middle, second sealing element 162 made of hexagonal boron nitride and the third sealing element 163 resting against the upper ceramic molded part 18 likewise consist of steatite. The lower ceramic molding 17 rests on an annular shoulder 19 formed on the housing inner wall. On the above ceramic molding 18, a metal sleeve 20 is placed, which is caulked on the sensor housing 11 and on the ceramic molding 18 exerts an axially directed biasing force, so that the seal 16 between the two ceramic moldings 17, 18 is pressed.
Der aus dem Gehäuse 11 vorstehende Messgas-Elementabschnitt 141 des Sensorelements 14 ist von einem Schutzrohr 21 umgeben, das am Sensorgehäuse 11 festgelegt ist. Das Schutzrohr 21 weist Ein- und Austrittsöffnungen 22 für das Messgas bzw. Abgas auf und definiert einen dem Messgas-Elementabschnitt 141 umgebenden Messraum 27. Auf der Oberfläche des Messgas- Elementabschnitts 141 ist eine von einer porösen Schutzschicht überdeckte Messelektrode 23, auch Nernstelektrode genannt, angeordnet, die über Leiterbahnen mit den Kontaktflächen 15 auf dem Anschluss-Elementabschnitt 142 verbunden ist. Ebenfalls mit den Kontaktflächen 15 ist eine im Sensorelement 14 integrierte, hier nicht dargestellte Referenzelektrode verbunden, die von der Messelektrode 23 durch einen Festelektrolyten getrennt ist und einem Referenzgas, z.B. der Umgebungsluft, ausgesetzt ist. Ein möglicher Aufbau des Sensorelements 14 ist in der DE 198 34 276 Al skizziert und beschrieben.The projecting from the housing 11 measuring gas element portion 141 of the sensor element 14 is surrounded by a protective tube 21 which is fixed to the sensor housing 11. The protective tube 21 has inlet and outlet openings 22 for the measurement gas or exhaust gas and defines a measurement space 27 surrounding the measurement gas element section 141. A measuring electrode 23, also called a Nernst electrode, which is covered by a porous protective layer, is arranged on the surface of the measurement gas element section 141 is connected via interconnects with the contact surfaces 15 on the terminal element portion 142. Also connected to the contact surfaces 15 is an integrated in the sensor element 14, not shown here reference electrode, which is separated from the measuring electrode 23 by a solid electrolyte and a reference gas, eg the ambient air exposed. A possible structure of the sensor element 14 is outlined and described in DE 198 34 276 A1.
Um im Falle des Einsatzes des Gassensors als Sprungsonde mit einem Lambdasprung bei λ=l die Lambdasonde vorzugsweise hinter dem Katalysator im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs betreiben und hierbei den Lambdasprung auch bei Abwesenheit von Magergasen leicht in den Fettbereich (λ<l) verschieben zu können, ist im Sensorgehäuse 11 eine definierte Undichtigkeitsstelle zwischen der das Sensorgehäuse 11 umgebenden Atmosphäre und dem der Messgasseite der Dichtung 16 vorgelagerten Innenbereich des Sensorgehäuses 11 hergestellt. Diese Undichtigkeitsstelle ist dadurch realisiert, dass in das Sensorgehäuse 11 mehrere querschnittskleine Kanäle 24 mit einer in der Gehäuseinnenwand liegenden Kanalmündung 25 und einer in der Gehäuseaußenwand liegenden Kanalmündung 26 eingebracht sind. Im Ausführungsbeispiel sind die Kanäle 24 von der vom Schutzrohr 21 abgekehrten Oberseite des Sechskants 13 her eingebracht und verlaufen schräg im Sensorgehäuse 11. Die Kanalmündungen 25 liegen im Bereich des unteren Keramikformteils 17 und sind durch dieses überdeckt, so dass die über die Kanalmündungen 25 gegenüber dem Mess- oder Abgas ausgetauschte Luftmenge gering ist. Zusätzlich können zwischen dem Keramikformteil 17 und der Gehäuseinnenwand engtolerierte Spalte vorgesehen werden, die im Bereich der Kanalmündungen 25 verlaufen und bis an das messgasseitige Stirnenden des Keramikformteils 17 reichen. Anstelle der querschnittskleinen Spalte kann auch eine definierte Porosität des Keramikformteils 17 vorgesehen werden, so dass die über die Kanäle 24 in das Keramikformteil 17 gelangende Umgebungsluft durch das Keramikformteil 17 hindurchdiffundieren kann. To operate in the case of the use of the gas sensor as a jump probe with a lambda jump at λ = l, the lambda probe preferably behind the catalyst in the exhaust system of an internal combustion engine of a motor vehicle and this lambda jump easily in the absence of lean gases in the fat area (λ <l) to move in the sensor housing 11, a defined leak point is established between the atmosphere surrounding the sensor housing 11 and the inner region of the sensor housing 11 located upstream of the measurement gas side of the seal 16. This leakage point is realized in that in the sensor housing 11 a plurality of cross-section small channels 24 are inserted with a lying in the housing inner wall channel mouth 25 and a lying in the housing outer wall channel mouth 26. In the exemplary embodiment, the channels 24 are introduced from the side facing away from the protective tube 21 top of the hexagon 13 and extend obliquely in the sensor housing 11. The channel openings 25 are in the region of the lower ceramic molding 17 and are covered by this, so that the over the channel mouths 25 with respect to the Measured or exhaust gas exchanged air quantity is low. In addition, between the ceramic molding 17 and the housing inner wall tightly toleranced gaps can be provided, which extend in the region of the channel openings 25 and extend to the messgasseitige front ends of the ceramic molding 17. Instead of the cross-sectionally small gaps, it is also possible to provide a defined porosity of the ceramic molding 17, so that the ambient air passing through the channels 24 into the ceramic molding 17 can diffuse through the ceramic molding 17.

Claims

Ansprüche claims
1. Gassensor zur Bestimmung der Sauer Stoffkonzentration in einem Messgas, insbesondere Lambdasonde zur Gemischregelung bei Kraftfahrzeugen, mit einem Sensorgehäuse (11), mit einem Sensorelement (14), das einen mit einer Messelektrode (23) belegten, dem Messgas aussetzbaren Messgas-Elementabschnitt (141) und einen sich daran fortsetzenden, im Sensorgehäuse (11) einliegenden Gehäuse-Elementabschnitt (143) aufweist, und mit einer im Sensorgehäuse (11) angeordneten, das Sensorelement (14) im Bereich des Gehäuse- Elementabschnitts (143) umschließenden Dichtung (16) , die sich einerseits an das Sensorelement (14) und andererseits an die Gehäuseinnenwand gasdicht anpresst, dadurch gekennzeichnet, dass im Sensorgehäuse (11) eine definierte Undichtigkeitsstelle zwischen der das Sensorgehäuse (11) umgebenden Atmosphäre und einem der Messgasseite der Dichtung1. A gas sensor for determining the oxygen concentration in a measuring gas, in particular lambda probe for mixture control in motor vehicles, comprising a sensor housing (11) having a measuring electrode (23) exposed to the measuring gas to be exposed measuring gas element portion (14) 141) and a housing element section (143) which continues in the sensor housing (11) and has a seal (16) which surrounds the sensor element (14) in the area of the housing element section (143) and is arranged in the sensor housing (11) ), which presses on the one hand to the sensor element (14) and on the other hand to the housing inner wall gas-tight, characterized in that in the sensor housing (11) has a defined leakage between the sensor housing (11) surrounding the atmosphere and one of the measured gas side of the seal
(16) vorgelagerten Bereich im Sensorgehäuse (11) hergestellt ist.(16) upstream region in the sensor housing (11) is made.
2. Gassensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Undichtigkeitsstelle mindestens einen im Gehäuse (11) verlaufenden Kanal (24) mit einer in der Gehäuseaußenwand und einer innerhalb des der Messgasseite der Dichtung (16) vorgelagerten Bereichs in der Gehäuseinnenwand liegenden Kanalmündung (25, 26) aufweist.2. Gas sensor according to claim 1, characterized in that the leak point at least one in the housing (11) extending channel (24) lying in the housing outer wall and within the measuring gas side of the seal (16) upstream region in the housing inner wall channel mouth (25 , 26).
3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der der Messgasseite der Dichtung (16) vorgelagerte Bereich im Sensorgehäuse (11) mit einem Keramikformteil (17) ausgefüllt ist, auf das die Dichtung (16) axial aufgepresst ist.3. Gas sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring gas side of the seal (16) upstream region in the sensor housing (11) with a ceramic molding (17) is filled, to which the seal (16) is axially pressed.
4. Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Keramikformteil4. Gas sensor according to claim 3, characterized in that between the ceramic molding
(17) und der Gehäuseinnenwand zumindest im Bereich der mindestens einen Kanalmündung (25) ein definierter, zum freien Formteilende sich erstreckender Spalt vorhanden ist.(17) and the housing inner wall at least in the region of the at least one channel mouth (25) has a defined, the free mold part end extending gap is present.
5. Gassensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Keramikformteil (17) zumindest im Bereich der mindestens einen Kanalmündung (25) eine dosierte Diffusion von Umgebungsluft von der mindestens einen Kanalmündung (25) zum freien Formteilende sicherstellende Porosität aufweist. 5. Gas sensor according to claim 3, characterized in that the ceramic molding (17) at least in the region of the at least one channel mouth (25) has a metered diffusion of ambient air from the at least one channel mouth (25) to the free end of the molding part ensuring porosity.
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