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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen
Eigenschaft eines Messgases, insbesondere der Konzentration mindestens
einer Gaskomponente oder der Temperatur im Messgas, nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
bekannter Gassensor oder Messfühler (
DE 197 39 435 A1 ) weist
ein als beidseitig offenes Rohrelement ausgebildetes Gehäuse
mit einem Dichtflansch auf, der eine obere nach unten geneigt verlaufende
Dichtfläche und eine untere nach oben geneigt verlaufende
Dichtfläche besitzt. Zur Ausbildung des Dichtflansches
wird das Rohrelement zunächst gestaucht, wobei sich ein
gerundeter Wulst am Rohrelement ausbildet. Dieser Wulst wird danach durch
Rundkneten derart bearbeitet, dass sich die beiden geneigt verlaufenden
Dichtflächen ausbilden. Im Gehäuse ist ein an
dem messgasseitigen Ende des Gehäuses vorstehendes Sensorelement
mittels einer Dichtpackung aus zwei Keramikformteilen mit dazwischenliegendem
Dichtelement gasdicht gehalten. Der aus dem Gehäuse vorstehende
gassensitive Endabschnitt des Sensorelements ist von einem Doppelschutzrohr überdeckt,
das am Gehäuse festgelegt, z. B. verschweißt ist
und Gasdurchtrittsöffnungen für den Messgasein-
und -austritt aufweist. Zur Befestigung des Gassensors in einem
Abgasrohr einer Brennkraftmaschine ist im Abgasrohr eine Öffnung
vorgesehen, in die ein zylindrischer Anschlussstutzen mit einer
ebenen ringförmigen Stirnfläche und einem Außengewinde
eingeschweißt ist. Auf der Stirnfläche des Anschlussstutzens
liegt die untere Dichtfläche des Dichtflansches auf. Über
das Gehäuse ist eine Überwurfmutter mit einem
Innengewinde und einer inneren Ringfläche geführt.
Die Überwurfmutter wird auf den Anschlussstutzen geschraubt. Dadurch
wird über die Ringfläche der Überwurfmutter
der Dichtflansch auf die Stirnfläche des Anschlussstutzens
gepresst, die somit einen Dichtsitz für den Dichtflansch
bildet. Für einen ausreichenden Dichtsitz muss der Dichtflansch
mit seinen schräg verlaufenden Dichtflächen zusammengepresst
werden, wozu eine hohes Anzugsmoment in der Gewindeverbindung zwischen
Anschlussstutzen und Überwurfmutter erforderlich ist, das
leicht zu einer Schädigung der Gewindeverbindung führen
kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass seine Herstellkosten bei Gewährleitung
einer gasdichten Verbindung zwischen Schutzrohr und Sensorgehäuse
und seiner gasdichten Verbauung im Messgas-Anschlussstutzen deutlich
gesenkt werden. Der Dichtflansch mit Dichtfläche lässt
sich beim Tiefziehen des Schutzrohrs in einfacher Weise ausformen,
und durch Aufschrumpfen des Schutzrohrs auf das Gehäuseende
lässt sich ein dauerhafter, mechanisch fester und gasdichter
Sitz des Schutzrohrs auf dem Sensorgehäuse realisieren.
Die rein mechanische Fügeverbindung zwischen Schutzrohr
und Sensorgehäuse vermeidet Materialschädigung
durch Gefügeveränderungen und die Verschlechterung
der Korrosionseigenschaften durch Legierungsbildung. Hohe Investitionskosten,
wie sie für das bekannte Anschweißen des Schutzrohrs
an das metallische Sensorgehäuse aufgewendet werden müssen,
sind für das Aufschrumpfen nicht erforderlich. Die Verlagerung
des Dichtflansches weg vom Sensorgehäuse in das Schutzrohr
ermöglicht den Einsatz sowohl eines metallischen Sensorgehäuses,
das kostengünstig und materialsparend als Umformteil hergestellt werden
kann, als auch eines keramischen Sensorgehäuses, das eine
niedrige Wärmeleitfähigkeit besitzt und damit
zur Absenkung der Temperaturbelastung des Kabelabgangs im hinteren
Teil des Sensorgehäuses beiträgt. Zur gasdichten
Verbauung des Gassensors sind geringere Anzugsmomente am Messgas-Anschlussstutzen
als bei dem eingangs beschriebenen, bekannten Gassensor erforderlich,
so dass eine Gewindeverbindung zwischen Anschlussstutzen und Sensorgehäuse
deutlich weniger beansprucht wird.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch
1 angegebenen Gassensors möglich.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Schurzrohrendabschnitt
zusätzlich auf dem Gehäuse verrastet, wozu im
Schutzrohr-Endabschnitt und am Gehäuse ineinandergreifende
Sicken ausgeprägt sind. Der kombinierte Aufschrumpf- und
Verrastungs- bzw. Clipprozess erlaubt die Aufbringung größerer
Schließkräfte als dies bei reiner Aufschrumpfung
möglich wäre und eine Verringerung der auftretenden
Hertzschen Pressung gegenüber einer reineren Clipverbindung.
Hohe Schließkräfte gestatten es, trotz etwas unterschiedlicher
thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Materialien von Schutzrohr
und Sensorgehäuse stabile Fügeverbindungen in
einem weiten Temperaturbereich zwischen niedrigen Ümgebungstemperaturen im
Ruhezustand und hohen Betriebstemperaturen zu gewährleisten.
Niedrige Hertzsche Pressungen ermöglichen Fügeverbindungen
zwischen Schutzrohren aus Metall und Sensorgehäusen aus
Keramiken, da letztere einen wesentlich niedrigeren Kerbwiderstand
als Metalle besitzen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
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1 ausschnittweise
einen Längsschnitt eines Gassensors sowie eines Anschlussstutzens und
einer Hohlschraube zur Festlegung des Gassensors im Anschlussstutzen, 2 ausschnittweise eine
perspektivische Ansicht des Gassensors in 1.
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Der
in 1 im Längsschnitt ausschnittweise dargestellte
Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines
Messgases dient beispielsweise zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration
im Abgas einer Brennkraftmaschine. Mit einer anderen konzeptionellen
Ausbildung des Sensorelements kann der Gassensor auch zur Bestimmung
der Konzentration von Stickoxiden im Abgas oder zur Messung der
Temperatur des Abgases verwendet werden.
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Der
Gassensor weist ein Sensorgehäuse 11 auf, in dem
ein Sensorelement 12 gasdicht aufgenommen ist, das mit
einem gassensitiven, messgasseitigen Endabschnitt 121 aus
dem Sensorgehäuse 11 an dessen messgasseitigem
Ende vorsteht. Innerhalb des Sensorgehäuses 11 ist
das Sensorelement 12 in einer Dichtungspackung 13 eingezwängt,
die beispielsweise aus zwei Keramikkörpern mit dazwischenliegendem
Dichtungselement besteht und in 1 nur schematisch
angedeutet ist. Alternativ kann diese Dichtungspackung 13 durch
eine Glaseinschmelzung realisiert werden. Das Sensorgehäuse 11 ist
ein Metallrohr, vorzugsweise ein Edelstahlrohr, das auf seinem in 1 nicht
zu sehenden, hinteren Endabschnitt vercrimpt ist und hier ein Anschlusskabel
für das Sensorelement 12 festlegt.
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Der
aus dem Sensorgehäuse 11 vorstehende, messgasseitige
Endabschnitt 121 ist von einem Doppelschutzrohr überdeckt,
das aus einem äußeren Schutzrohr 14 und
einem dazu konzentrischen, zwischen messgasseitigem Endabschnitt 121 und äußerem
Schutzrohr 14 angeordneten, inneren Schutzrohr 15 zusammengesetzt
ist. Die beiden Schutzrohre 14, 15 sind als topfförmige
Tiefziehteile mit Topfboden 141 bzw. 151 und Topfmantel 142 bzw. 152 hergestellt.
Im Topfboden 141 des äußeren Schutzrohrs 14 ist
zentral eine konisch sich verjüngende Vertiefung 16 ausgeprägt,
in deren Grund eine zentrale Öffnung 17 für
den Gasdurchtritt ausgebildet ist. Zusätzlich ist im Topfboden 141 ein
zur Vertiefung 16 konzentrischer Kranz von mehreren Gasdurchtrittslöchern 18 angeordnet.
Im inneren Schutzrohr 15 sind sowohl in dessen Topfboden 151 Gasdurchtrittslöcher 19 als
auch in dessen Topfmantel 152 Gasdurchtrittslöcher 20 vorhanden.
Nahe dem vom Topfboden 141 abgekehrten Ende des äußeren
Schutzrohrs 14 ist an diesem ein Dichtflansch 21 mit
einem zylindrischen Flanschabschnitt und einem sich daran anschließenden
konusförmigen Flanschabschnitt angeformt, der sich in Richtung
zum Topfboden 141 hin verjüngt. Der Mantel des konusförmigen
Flanschabschnitts bildet eine Dichtfläche 211 am
Dichtflansch 21. Hinter dem zylindrischen Flanschabschnitt
verbleibt noch ein Schutzrohr-Endabschnitt 143 des äußeren
Schutzrohrs 14, in das der zylindrische Flanschabschnitt über
eine radiale Stirnfläche übergeht, die wiederum
eine Aufspannfläche 212 für ein Montageglied
am Dichtflansch 21 bildet. Der Schutzrohr-Endabschnitt 143 des äußeren
Schutzrohrs 14 dient zum Aufschieben und Festlegen des
Doppelschutzrohrs auf dem messgasseitigen Ende des Sensorgehäuses 11.
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Das
koaxial in das äußere Schutzrohr 14 eingesetzte,
innere Schutzrohr 15 ist durch Tiefziehen so ausgeführt,
dass es mit einem oberen, kürzeren Abschnitt 152a des
Topfmantels 152 formschlüssig an dem Topfmantel 142 des äußeren
Schutzrohrs 14 anliegt und mit einem unteren, längeren
Mantelabschnitt 152b zusammen mit dem Topfmantel 142 des äußeren
Schutzrohrs 14 einen Ringraum 22 einschließt.
Auf diese Weise durchströmt das über die Gasdurchtrittslöcher 18 in
das Doppelschutzrohr eintretende Messgas den Ringraum 22 und
gelangt über die Gasdurchtrittslöcher 20 im
Topfmantel 152 des inneren Schutzrohr 15 an den
messgasseitigen Endabschnitt 121 des Sensorelements 12,
um von hier über die Gasdurchtrittslöcher 19 im
Topfboden 151 und die zentrale Öffnung 17 in
der Vertiefung 16 des Topfbodens 141 des äußeren
Schutzrohrs 14 wieder auszutreten. Nach Einschieben des
inneren Schutzrohrs 15 wird der hintere, zunächst
noch zylindrische Endabschnitt 153 des inneren Schutzrohrs 15 durch Umformen
in die Ausstülpung des Dichtflansches 21 am äußeren
Schutzrohr 14 hinein erweitert. Dadurch wird der Dichtflansch 21 des äußeren
Schutzrohrs 14 zusätzlich verstärkt.
Der Umformvorgang wird so ausgeführt, dass das Ende des
inneren Schutzrohrs 15 als ringförmige Stirnfläche
innen an die von der Dichtfläche 211 abgekehrte,
ringförmige Aufspannfläche 212 des Dichtflansches 21 angepresst
wird. In den Schurzrohr-Endabschnitt 143 sind noch Sicken 23 eingeprägt,
die mit im Sensorgehäuse 11 eingeprägten
Sicken 24 korrespondieren und eine Verrastung oder Clipverbindung
zwischen dem Doppelschutzrohr und dem Sensorgehäuse 11 herstellen.
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Das
in der vorstehend beschriebenen Weise aus äußerem
und innerem Schutzrohr 14, 15 zusammengesetzte
Doppelschutzrohr wird erwärmt, z. B. auf eine Temperatur
von 250°C, wodurch sich der lichte Durchmesser des Schutzrohr-Endabschnitts 143 des äußeren
Schutzrohrs 14 nach Maßgabe des Wärmeausdehnungskoeffizienten
des verwendeten Materials vergrößert. In diesem
Zustand besteht eine Differenz zwischen dem größeren
Innendurchmesser des äußeren Schutzrohrs 14 und
dem kleineren Außendurchmesser des Sensorgehäuses 11.
Die Tiefe der Sicken 23 übersteigt diese Differenz
um einen geeigneten Betrag. Das erwärmte Doppelschutzrohr wird
mit dem Schutzrohr-Endabschnitt 143 auf das messgasseitige
Ende des Sensorgehäuses 11 aufgeschoben, wobei
das Stirnende des Sensorgehäuses 11 als Tiefenanschlag
dient und sich an der Innenseite des inneren Schutzrohrs 15 abstützt.
In dem Maße, wie sich die Temperatur von Doppelschutzrohr und
Sensorgehäuse 11 einander angleichen, schließt sich
der Spalt zwischen den Schutzrohr-Endabschnitt 143 und
dem Sensorgehäuse 11, und das äußere
Schutzrohr 14 schrumpft auf das Sensorgehäuse 11 auf,
wobei gleichzeitig die Sicken 23 im äußeren
Schutzrohr 14 in die Sicken 24 im Sensorgehäuse 11 einrasten
und die Clipverbindung herstellen. Die Sicken 23, 24 können
dabei einzeln über den Umfang gleichmäßig
verteilt angeordnet oder als über den Umfang verlaufende
Ringe ausgeführt sein. Die im Betrieb des Gassensors auftretenden
Temperaturdifferenzen zwischen dem Doppelschutzrohr und dem Sensorgehäuse 11 erreichen
aufgrund des guten Wärmeübergangs zu keiner Zeit
die bei der Montage verwendete Temperaturdifferenz, so dass die
durch Schrumpfung hergestellte Verbindung dauerhaft ist.
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Wie
in 1 dargestellt ist, wird der Gassensor in den Messgasstrang,
im Falle einer Lambdasonde in den Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, eingesetzt.
Hierzu ist in die Rohrwandung 251 eines in 1 ausschnittweise
angedeuteten Abgasrohrs 25 ein Einführloch 26 für
das Doppelschutzrohr des Gassensors eingebracht, das von einem hohlzylindrischen
Anschlussstutzen 27 umschlossen ist. Der Anschlussstutzen 27 ist
auf der Rohrwandung 251 befestigt, z. B. verschweißt.
Im Anschlussstutzen 27 ist ein Dichtsitz 271 zur
Aufnahme der Dichtfläche 211 am Dichtflansch 21 sowie
ein Innengewinde 28 ausgebildet. Über das Sensorgehäuse 11 ist
das als Hohlschraube 29 ausgebildete Dichtungsglied geschoben,
das sich mit einer ringförmigen Stirnfläche 291 auf
die Aufspannfläche 212 des Dichtflansches 21 auflegt.
Die Hohlschraube 29 trägt ein Außengewinde 30 zum
Einschrauben in das Innengewinde 28 im Anschlussstutzen 27.
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Zum
Einbau des Gassensors in den Mess- oder Abgasstrang wird der Gassensor
in den Anschlussstutzen 27 eingesetzt, wobei das Doppelschutzrohr
durch das Einführloch 26 in das Abgasrohr 25 so
weit hineingeschoben wird, bis die Dichtfläche 211 am
Dichtflansch 21 auf dem Dichtsitz 271 im Anschlussstutzen 27 aufliegt.
Dann wird die Hohlschraube 29 mit ihren Außengewinde 30 in
dem Innengewinde 28 des Anschlussstutzens 27 verschraubt.
Am Ende des Einschraubvorgangs presst sich die Stirnfläche 291 der
Hohlschraube 29 auf die Aufspannfläche 212 des
Dichtflansches 21 auf und presst die Dichtfläche 211 auf
den Dichtsitz 271 auf. Damit ist eine gasdichte Verbindung
zwischen dem Gassensor und dem Anschlussstutzen 27 hergestellt.
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Anstelle
eines rohrförmigen, metallischen Sensorgehäuses
kann der Gassensor auch ein zylinderförmiges Keramikgehäuse
aufweisen, in den das Sensorelement 12 mit Ausnahme des
messgasseitigen Endabschnitts 121 eingesintert ist. Das
Doppelschutzrohr ist dann mit dem Endabschnitt 143 des äußeren
Schutzrohrs 14 direkt auf das Keramikgehäuse aufgeschrumpft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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