WO2009059865A1 - Schutzrohr für einen abgassensor - Google Patents

Schutzrohr für einen abgassensor Download PDF

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Jens Schneider
Thomas Harrer
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0059—Avoiding interference of a gas with the gas to be measured
    • G01N33/006—Avoiding interference of water vapour with the gas to be measured

Definitions

  • the invention is based on an exhaust gas sensor according to the preamble of the main claim.
  • Exhaust gas sensors from DE 198 31 455 A1 and DE 10 2004 020 139 A1 are already known, with a sensor element which is surrounded by a measuring gas-side section of at least one protective tube, which at least in sections has a porosity which is achieved by means of a sintered metal.
  • a sensor element which is surrounded by a measuring gas-side section of at least one protective tube, which at least in sections has a porosity which is achieved by means of a sintered metal.
  • the largest possible pore diameter is to be carried out. On the other hand, this reduces the filter or
  • the smallest pore size of the sintered metal is smaller than a predetermined critical droplet size, since the liquid droplets are reduced or divided in this way as they pass through the protective tube so that they evaporate within the protective tube before they reach the sensor element. This achieves effective thermal shock protection. It is furthermore advantageous if the protective tube is made entirely of sintered metal, since the production costs are reduced in this way in comparison to multi-walled protective tubes of the prior art.
  • the carrier is for example a metal or a ceramic.
  • the support means is a perforated plate or mesh, since in this way a simple flowability of the Susunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasunasuna perforated plate or mesh, since in this way a simple flowability of the Sus.
  • the sintered metal is applied to the inner side of the support means facing the sensor element, since in this way the high mechanical strength of, for example, metallic support means can be combined with the good filtering effect of the sintered metal layer.
  • the sintered metal is designed as a separate disc, which is arranged frontally in an end opening of the protective tube, since in this way an effective thermal shock protection in gas access via a simple manufacturing process using inexpensive components can be realized. Due to the particularly good protective effect of the protective tube according to the invention only a single protective tube for the sensor element is required, which reduces the manufacturing cost.
  • the sintered metal is of annular design and is arranged on the circumference of the protective tube, since in this way results in a gas flow of the protective tube which is advantageous with respect to the sensor dynamics.
  • the sintered metal is produced from particles with a particle diameter in the range between 0.05 mm and 0.5 mm, since in this way a particularly good compromise between the opposing requirements of a high thermal shock protection and a high sensor dynamics is achieved.
  • Fig.l shows in section an exhaust gas sensor according to the invention according to a first and second
  • FIG. 2 shows a cross section of the protective tube according to the invention
  • Figure 3 shows a protective tube according to a third embodiment
  • Figure 4 shows a protective tube according to a fourth embodiment.
  • FIG. 1 shows in section a simplified illustrated, inventive exhaust gas sensor.
  • the exhaust gas sensor serves, for example, for determining the oxygen concentration in an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • the exhaust gas sensor can also be expressly used to determine other physical quantities of any gas.
  • the exhaust gas sensor has a housing 1, in which a ceramic sensor element 2 is provided, by means of which the physical size of the measurement gas to be measured can be determined.
  • the exhaust gas sensor projects in sections with the sensor element 2 into an exhaust pipe 3 of an internal combustion engine.
  • the sensor element 2 has a measuring gas-side section 2.1 and a connection-side section 2.2, wherein the measuring gas-side section 2.1 is exposed to the exhaust gas and the connection-side section has 2.2 electrical connection contacts 4 for deriving the measurement signals of the sensor element 2.
  • the housing 1 has a sensor element channel 5, in which the sensor element 2 is arranged and held at least in sections. According to the embodiment is in the
  • Sensor element channel 5 at least one temperature-resistant sealing element 6 is provided, which seals the sensor element channel 5 relative to the exhaust gas.
  • the sensor element 2 projects with the measuring gas side portion 2.1 of the sensor element 2 in the direction of the exhaust pipe 3 from the sensor element channel 5 out.
  • the measured gas side section 2.1 of the sensor element 2 is surrounded by at least one protective tube 10.
  • the at least one protective tube 10 serves to expose the sensor element 2 in the exhaust gas Protect A - contained liquid droplets, which are formed by condensation predominantly shortly after engine start and can cause damage to the sensor element 2 by hitting the heated sensor element 2 by thermal shock.
  • the thermal shock results from evaporation of the water droplet on the heated sensor element 2, which locally creates a high temperature gradient, which can lead to a crack in the ceramic of the sensor element 2.
  • the at least one protective tube 10 is fastened to the housing 1 and encloses an interior 11 containing the measuring gas-side section 2.1 of the sensor element 2.
  • the protective tube 10 is designed, for example, cap-shaped, cylindrical, cup-shaped, cone-shaped or similar.
  • the at least one protective tube 10 has passages 15, which allow an inflow of exhaust gas from the exhaust pipe 3 into the inner space 11 of the protective tube 10 and an outflow from the inner space 11 out.
  • the passages 15 are formed by an at least partially provided porosity of the protective tube 10.
  • the porosity on the protective tube 10 is achieved by the use of a sintered metal.
  • the porous sintered metal has a large, rough surface on which liquid droplets, despite high surface tension, can be divided and at least partially vaporized.
  • the protective tube 10 can be optimally optimized for the probe dynamics and the thermal shock protection effect by changing the protective tube shape, the protective tube wall thickness and the porosity.
  • the powdery starting material for the sintered metal for example, a mechanically strong and high temperature resistant steel or a very good heat conductive copper bronze is used, e.g. Copper-nickel or copper-aluminum alloys.
  • the critical drop size is the diameter of a drop that does not completely evaporate after passing through the protective tube 10 until reaching the sensor element 2.
  • the sintered metal is made of particles with a particle diameter in the range between 0.05 mm and 0.5 mm.
  • the sintered metal coating 13 has, for example, a layer thickness of 0.5 mm to 5.0 mm.
  • FIG 3 shows a protective tube according to a third embodiment.
  • the sintered metal can also be designed as a separate disc 18, which is arranged on the front side in a front opening 19 of the protective tube 10.
  • the protective tube 10 is closed except for the end opening 19, so has no further openings. Therefore, the inflow takes place for
  • FIG 4 shows a protective tube according to a fourth embodiment.
  • the fourth embodiment differs from the first embodiment in that only a ring or partial ring portion 20 of the protective tube 10 is made of porous sintered metal.
  • the remaining part of the protective tube is made for example of metal and formed closed, so has no passages 15.
  • the at least one sintered metal ring or partial ring section 20 is arranged in at least one opening of the protective tube 10. It is therefore only a lateral gas inlet and outlet via the ring portion 20 possible.

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Abstract

Es sind schon Abgassensoren bekannt mit einem Sensorelement, das an einem messgasseitigen Abschnitt von zumindest einem Schutzrohr umgeben ist, das zumindest abschnittsweise eine Porosität aufweist, die mittels eines Sintermetalls erreicht ist. Um eine hohe Gasdurchlässigkeit für eine hohe Sondendynamik zu erreichen, ist ein möglichst großer Porendurchmesser auszuführen. Andererseits verringert sich dadurch die Filterwirkung des Schutzrohres, da vergleichsweise große Tropfen durch das Schutzrohr ungehindert hindurchtreten können. Bei dem erfindungsgemäßen Abgassensor wird die Gasdurchlässigkeit des Schutzrohrs erhöht und dabei die Schutzwirkung nahezu aufrechterhalten, wobei die Partikelgröße des Sintermetalls in Durchströmungsrichtung gesehen zum Sensorelement hin abnimmt.

Description

Beschreibung
Titel
Abgassensor
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Abgassensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es sind schon Abgassensoren aus der DE 198 31 455 Al und DE 10 2004 020 139 Al bekannt, mit einem Sensorelement, das an einem messgasseitigen Abschnitt von zumindest einem Schutzrohr umgeben ist, das zumindest abschnittsweise eine Porosität aufweist, die mittels eines Sintermetalls erreicht ist. Um eine hohe Gasdurchlässigkeit für eine hohe Sondendynamik zu erreichen, ist ein möglichst großer Porendurchmesser auszuführen. Andererseits verringert sich dadurch die Filter- bzw.
Schutzwirkung des Schutzrohres, da vergleichsweise große Tropfen durch das Schutzrohr ungehindert hindurchtreten können.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Abgassensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Gasdurchlässigkeit des Schutzrohrs erhöht und dabei die Schutzwirkung gegenüber Thermoschock durch Tropfenschlag und gegenüber partikelförmigen Verunreinigungen im Abgas aufrechterhalten wird, indem die Partikelgröße des Sintermetalls in
Durchströmungsrichtung gesehen zum Sensorelement hin abnimmt. Je besser die Schutzwirkung des Schutzrohres bezüglich Thermoschock ist, desto früher kann der Abgassensor nach einem Motorstart eingeschaltet werden, wodurch das Erreichen von besseren Emissionswerten ermöglicht wird.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Abgassensors möglich.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die kleinste Porengröße des Sintermetalls kleiner ist als eine vorbestimmte kritische Tropfengröße, da die Flüssigkeitstropfen auf diese Weise beim Durchtritt durch das Schutzrohr so weit verkleinert bzw. zerteilt werden, dass sie innerhalb des Schutzrohrs verdampfen bevor sie das Sensorelement erreichen. Dadurch ist ein wirkungsvoller Thermoschockschutz erreicht. Weiterhin vorteilhaft ist, wenn das Schutzrohr vollständig aus Sintermetall hergestellt ist, da die Herstellungskosten auf diese Weise gegenüber mehrwandigen Schutzrohren aus dem Stand der Technik verringert werden.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn das Sintermetall schichtförmig auf ein Trägermittel aufgebracht ist, da auch diese alternative Lösung sehr kostengünstig herstellbar ist. Das Trägermittel ist beispielsweise ein Metall oder eine Keramik.
Auch vorteilhaft ist, wenn das Trägermittel ein Lochblech oder Siebgewebe ist, da auf diese Weise eine einfache Durchströmbarkeit des Trägermitteies erreicht wird.
Außerdem vorteilhaft ist, wenn das Sintermetall auf der dem Sensorelement zugewandten Innenseite des Trägermittels aufgebracht ist , da auf diese Weise die hohe mechanische Festigkeit eines zum Beispiel metallischen Trägermittels mit der guten Filterwirkung der Sintermetallschicht kombiniert werden kann.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn das Sintermetall als separate Scheibe ausgeführt ist, die stirnseitig in einer Stirnöffnung des Schutzrohrs angeordnet ist, da auf diese Weise ein effektiver Thermoschockschutz im Gaszutritt über einen einfachen Fertigungsprozess unter Verwendung kostengünstiger Komponenten realisierbar ist. Durch die besonders gute Schutzwirkung des erfindungsgemäßen Schutzrohres ist nur ein einziges Schutzrohr für das Sensorelement erforderlich, was die Herstellungskosten verringert.
Desweiteren vorteilhaft ist, wenn das Sintermetall ringförmig ausgebildet ist und am Umfang des Schutzrohrs angeordnet ist, da auf diese Weise eine bezüglich der Sensordynamik vorteilhafte Gasdurchströmung des Schutzrohres ergibt.
In vorteilhafter Weise wird das Sintermetall aus Partikeln mit einem Partikeldurchmesser im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,5 mm hergestellt, da auf diese Weise ein besonders guter Kompromiss zwischen den gegenläufigen Anforderungen eines hohen Thermoschockschutzes und einer hohen Sensordynamik erreicht wird. Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Fig.l zeigt im Schnitt einen erfindungsgemäßen Abgassensor gemäß einem ersten und zweiten
Ausführungsbeispiel,
Fig.2 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Schutzrohres, Fig.3 ein Schutzrohr gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und Fig.4 ein Schutzrohr gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Fig.1 zeigt im Schnitt einen vereinfacht dargestellten, erfindungsgemäßen Abgassensor.
Der Abgassensor dient beispielsweise der Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in einem Abgas einer Brennkraftmaschine. Der Abgassensor kann aber ausdrücklich auch zur Bestimmung anderer physikalischer Größen eines beliebigen Gases verwendet werden.
Der Abgassensor weist ein Gehäuse 1 auf, in dem ein keramisches Sensorelement 2 vorgesehen ist, mittels dem die zu messende pyhsikalische Größe des Messgases ermittelbar ist. Der Abgassensor ragt abschnittsweise mit dem Sensorelement 2 in ein Abgasrohr 3 einer Brennkraftmaschine hinein.
Das Sensorelement 2 weist einen messgasseitigen Abschnitt 2.1 und einen anschlussseitigen Abschnitt 2.2 auf, wobei der messgasseitige Abschnitt 2.1 dem Abgas ausgesetzt ist und der anschlussseitige Abschnitt 2.2 elektrische Anschlusskontakte 4 zur Ableitung der Messsignale des Sensorelementes 2 aufweist.
Das Gehäuse 1 weist einen Sensorelementkanal 5 auf, in dem das Sensorelement 2 zumindest abschnittsweise angeordnet und gehalten ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist in dem
Sensorelementkanal 5 zumindest ein temperaturbeständiges Dichtelement 6 vorgesehen, das den Sensorelementkanal 5 gegenüber dem Abgas abdichtet. Das Sensorelement 2 ragt mit dem messgasseitigen Abschnitt 2.1 des Sensorelementes 2 in Richtung des Abgasrohres 3 aus dem Sensorelementkanal 5 heraus.
Der messgasseitige Abschnitt 2.1 des Sensorelementes 2 ist von zumindest einem Schutzrohr 10 umgeben. Das zumindest eine Schutzrohr 10 dient dazu, das Sensorelement 2 vor im Abgas - A - enthaltenen Flüssigkeitstropfen zu schützen, die durch Kondensation vorwiegend kurz nach einem Motorstart gebildet werden und beim Auftreffen auf das beheizte Sensorelement 2 durch Thermoschock eine Beschädigung des Sensorelementes 2 verursachen können. Der Thermoschock ergibt sich durch Verdampfen des Wassertropfens auf dem beheizten Sensorelement 2, wodurch lokal ein hoher Temperaturgradient entsteht, der zu einem Riss in der Keramik des Sensorelementes 2 führen kann.
Das zumindest eine Schutzrohr 10 ist an dem Gehäuse 1 befestigt und schließt einen den messgasseitigen Abschnitt 2.1 des Sensorelementes 2 enthaltenden Innenraum 11 ein. Das Schutzrohr 10 ist beispielsweise kappenförmig, zylinderförmig, topfförmig, kegelabschnittsförmig oder ähnlich ausgeführt.
Das zumindest eine Schutzrohr 10 weist Durchgänge 15 auf, die eine Einströmung von Abgas aus dem Abgasrohr 3 in den Innenraum 11 des Schutzrohrs 10 und eine Ausströmung aus dem Innenraum 11 heraus ermöglichen. Die Durchgänge 15 sind durch eine zumindest abschnittsweise vorgesehene Porosität des Schutzrohrs 10 gebildet. Die Porosität am Schutzrohr 10 wird durch die Verwendung eines Sintermetalles erreicht.
Das poröse Sintermetall weist eine große, rauhe Oberfläche auf, an der Flüssigkeitstropfen trotz hoher Oberflächenspannung sich aufteilen und zumindest teilweise verdampfen können.
Durch den Einsatz des porösen Sintermetalls kann das Schutzrohr 10 durch Veränderung der Schutzrohrform, der Schutzrohrwanddicke und der Porosität optimal auf die Sondendynamik und die Thermoschockschutzwirkung optimiert werden.
Als pulverförmiges Ausgangsmaterial für das Sintermetall wird beispielsweise ein mechanisch fester und hochtemperaturbeständiger Stahl oder eine sehr gut wärmeleitende Kupferbronze- verwendet, z.B. Kupfer-Nickel oder Kupfer- Aluminium-Legierungen.
Das Schutzrohr 10 kann gemäß der Ausführung nach Fig.1 vollständig aus porösem Sintermetall hergestellt sein (wie es in der linken Hälfte beispielhaft dargestellt ist) oder eine
Sintermetallbeschichtung 12 aufweisen (wie in der rechten Hälfte beispielhaft dargestellt), die auf einem Trägermittel 13 aufgebracht ist. Das Trägermittel 13 ist beispielsweise ein Lochblech oder ein Siebgewebe. Die Sintermetallbeschichtung 12 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel auf einer dem Sensorelement 2 zugewandten Innenseite des Trägermittels 13 vorgesehen, könnte aber auch auf der Außenseite angeordnet sein. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Partikel- bzw. Korngröße des Sintermetalls in Durchströmungsrichtung 14 gesehen zum Sensorelement 2 hin abnimmt (Fig.2). Auf diese Weise ergibt sich im Sintermetall auf der dem Sensorelement 2 zugewandten Seite eine kleinste Porengröße, die kleiner ist als eine vorbestimmte kritische Tropfengröße. Die Partikelgröße nimmt beispielsweise stufenförmig zum Sensorelement 2 hin ab, es könnte aber auch eine kontinuierliche Abnahme vorgesehen sein. Durch die Verringerung der Partikelgröße zum Sensorelement 2 hin verkleinern sich entsprechend auch die zwischen den Partikeln gebildeten Poren zum Sensorelement 2 hin. Die kritische Tropfengröße ist der Durchmesser eines Tropfens, der nach dem Durchtritt durch das Schutzrohr 10 bis zum Erreichen des Sensorelementes 2 nicht vollständig verdampft. Das Sintermetall ist aus Partikeln mit einem Partikeldurchmesser im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,5 mm hergestellt. Die Sintermetallbeschichtung 13 weist beispielsweise eine Schichtdicke von 0,5 mm bis 5,0 mm auf.
Fig.2 zeigt einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Schutzrohres.
Bei dem Schutzrohr nach Fig.2 sind die gegenüber dem Schutzrohr nach Fig.1 gleichbleibenden oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Partikel- bzw. Korngröße des Sintermetalls nimmt von außen nach innen gesehen, also zum Sensorelement 2 hin, ab. Dies gilt sowohl für das vollständig aus Sintermetall hergestellte Schutzrohr 10 als auch für das mit einer Sintermetallbeschichtung 12 versehene Schutzrohr 10.
Fig.3 zeigt ein Schutzrohr gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Bei dem Schutzrohr nach Fig.3 sind die gegenüber dem Schutzrohr nach Fig.l und Fig.2 gleichbleibenden oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Das Sintermetall kann auch als separate Scheibe 18 ausgeführt sein, die stirnseitig in einer Stirnöffnung 19 des Schutzrohrs 10 angeordnet ist. Das Schutzrohr 10 ist bis auf die Stirnöffnung 19 geschlossen, weist also keine weiteren Öffnungen auf. Daher erfolgt die Einströmung zum
Sensorelement 2 hin und die Ausströmung aus dem Schutzrohr 10 heraus über die Stirnöffnung 19 und die darin angeordnete Sintermetallscheibe 18.
Fig.4 zeigt ein Schutzrohr gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
Bei dem Schutzrohr nach Fig.4 sind die gegenüber dem Schutzrohr nach Fig.l bis Fig.3 gleichbleibenden oder gleichwirkenden Teile durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass nur ein Ring- oder Teilringabschnitt 20 des Schutzrohrs 10 aus porösem Sintermetall hergestellt ist. Der übrige Teil des Schutzrohrs ist beispielsweise aus Metall hergestellt und geschlossen ausgebildet, weist also keine Durchgänge 15 auf. Der zumindest eine sintermetallene Ring- oder Teilringabschnitt 20 ist in zumindest einer Öffnung des Schutzrohres 10 angeordnet. Es ist daher nur ein seitlicher Gaszu- und austritt über den Ringabschnitt 20 möglich.

Claims

Ansprüche
1. Abgassensor mit einem Sensorelement, das an einem messgasseitigen Abschnitt von zumindest einem Schutzrohr umgeben ist, das zumindest abschnittsweise eine Porosität aufweist, die mittels eines Sintermetalls erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgröße des Sintermetalls in Durchströmungsrichtung gesehen zum Sensorelement (2) hin abnimmt.
2. Abgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kleinste Porengröße des Sintermetalls kleiner ist als eine vorbestimmte kritische Tropfengröße.
3. Abgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr (10) vollständig aus Sintermetall hergestellt ist.
4. Abgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermetall schichtfÖrmig (12) auf ein Trägermittel (13) aufgebracht ist.
5. Abgassensor nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermittel (13) ein Lochblech oder Siebgewebe ist.
6. Abgassensor nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermetall auf der dem Sensorelement (2) zugewandten Innenseite des Trägermittels (13) aufgebracht ist.
7. Abgassensor nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermetall als separate Scheibe (18) ausgeführt ist, die stirnseitig in einer Stirnöffnung (19) des Schutzrohrs (10) angeordnet ist.
8. Abgassensor nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermetall als separater Ring (20) ausgebildet ist und am Umfang des Schutzrohrs (10) angeordnet ist.
9. Abgassensor nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintermetall aus Partikeln mit einem Partikeldurchmesser im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,5 mm hergestellt ist.
10. Abgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr (10) zylinderförmig, kegelabschnittsförmig, kappenförmig oder topfförmig ausgebildet ist.
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