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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorvorrichtungen zur Erfassung eines oder mehrerer Parameter eines strömenden fluiden Mediums bekannt. Bei dem strömenden fluiden Medium kann es sich beispielsweise um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf Abgase von Verbrennungskraftmaschinen beschrieben, beispielsweise im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs. Auch andere Anwendungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Bei dem mindestens einen zu erfassenden Parameter kann es sich beispielsweise um einen physikalischen und/oder chemischen Parameter handeln. Beispielsweise kann es sich um einen Strömungsparameter handeln, beispielsweise eine Strömungsgeschwindigkeit, einen Massenstrom oder einen Volumenstrom des fluiden Mediums. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der mindestens eine zu erfassende Parameter mindestens einen Anteil, also beispielsweise einen Prozentsatz und/oder einen Partialdruck, mindestens einer Komponente des fluiden Mediums, beispielsweise mindestens einer Gaskomponente, beinhaltet oder ist. Beispielsweise kann es sich bei dieser mindestens einen Komponente, welche qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden kann, um Sauerstoff und/oder Stickstoff und/oder Stickoxide und/oder mindestens einen Kohlenwasserstoff handeln. Allgemein kann der mindestens eine Parameter, welcher erfasst wird, beispielsweise ein Anteil mindestens einer Gaskomponente sein.
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Beispiele derartiger Sensorvorrichtungen, mittels derer ein Anteil mindestens einer Gaskomponente in einem Gas erfasst werden kann, insbesondere einem Abgas, sind so genannte Lambda-Sonden, also allgemein Sensorelemente, welche auf der Verwendung mindestens eines Festelektrolytmaterials, vorzugsweise mindestens eines keramischen Festelektrolytmaterials, basieren und wie sie beispielsweise in
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2010, Seiten 160–165 beschrieben werden. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung jedoch auch auf eine Vielzahl anderer Arten von zu erfassenden Parameter und/oder anderen Arten von Sensorvorrichtungen einsetzbar. Auch in
DE 10 2006 060 312 A1 , in
DE 10 2007 040 726 A1 und in
DE 10 2008 041 038 A1 sind Sensorvorrichtungen beschrieben, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich abgewandelt eingesetzt werden können. Weiterhin sind auch so genannte chemische Feldeffekttransistoren als Sensorelemente in Sensorvorrichtungen einsetzbar. Beispiele derartiger chemischer Feldeffekttransistoren zum Einsatz in der Automobiltechnik sind in
H. Wingbrant: Studies of MISiC-FET Sensors for Car Exhaust Gas Monitoring, Linköping Studies in Science and Technology, Dissertation No. 931, Seiten 51 bis 57, Linköping 2005, oder in
H. Wingbrant et al: Using a MISiC-FET Sensor for Detecting NH3 in SCR Systems, IEEE Sensors Journal, Vol. 5, No. 5. October 2005, Seiten 1099 bis 1105 beschrieben.
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Bei vielen aktuellen Sensorvorrichtungen, beispielsweise Abgassensoren, wird ein Sensorelement eingesetzt, welches beispielsweise elektrisch beheizt sein kann und welches beispielsweise keramisch ausgestaltet sein kann. Dieses kann beispielsweise durch ein oder mehrere metallische Schutzrohre vom direkten Kontakt mit der Abgasströmung zumindest teilweise abgeschirmt werden, wie beispielsweise in dem oben genannten Stand der Technik beschrieben. Die Hauptaufgaben der Schutzrohre bestehen in einer Begrenzung des Abgasmassenstroms über dem Sensorelement, in einem Abhalten von Kondenswasser in der Abgasanlage von dem Sensorelement, d. h. insbesondere in einem Schutz vor Wasserschlag auf die heiße Keramik, welcher zum Bruch des Sensorelements führen kann, in einem Sicherstellen einer ausreichenden Sondendynamik (schneller Gasaustausch in der Nähe des Sensorelements) und in einem Schutz des Sensorelements vor einer mechanischen Beanspruchung, beispielsweise bei einem Verbau. Diese Anforderungen an die Schutzrohre sind zum Teil jedoch gegenläufig. So ist eine hohe Dynamik in der Regel nur durch ausreichende Strömungsgeschwindigkeit zu erreichen, die jedoch einen Wassertransport zum Sensorelement wahrscheinlicher macht und die ebenso die Auskühlung durch kaltes Abgas erhöht. Ein Teil des üblicherweise länglich ausgestalteten Sensorelements befindet sich in der Regel bei aktuellen Sensoren räumlich innerhalb des Abgasrohres. Wünschenswert wäre daher eine Sensorvorrichtung, welche eine ausreichende Dynamik bei gleichzeitiger hoher Robustheit und Schutz vor Wasserschlag gewährleisten kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Überwindung der technischen Herausforderungen der bekannten Sensorvorichtungen wird dementsprechend eine Sensorvorrichtung zur Erfassung mindestens eines Parameters eines durch ein Strömungsrohr strömenden fluiden Mediums vorgeschlagen. Bezüglich der möglichen Ausgestaltungen des fluiden Mediums und des mindestens einen zu erfassenden Parameters, welcher qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden kann, kann auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Das fluide Medium kann insbesondere mit einer Hauptströmungsrichtung durch das Strömungsrohr strömen. Unter einer Hauptströmungsrichtung wird dabei eine Hauptrichtung eines Massentransports des fluiden Mediums in dem Strömungsrohr verstanden. Lokale Abweichungen von dieser Hauptströmungsrichtung können dabei eventuell vernachlässigbar sein, beispielsweise lokale Verwirbelungen oder Ähnliches. Die Hauptströmungsrichtung kann grundsätzlich auch im Betrieb umkehrbar sein. Das strömende fluide Medium kann insbesondere ein gasförmiges Medium umfassen, insbesondere ein Abgas einer Verbrennungskraftmaschine.
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Die Sensorvorrichtung umfasst mindestens ein Gehäuse und mindestens ein in dem Gehäuse zumindest teilweise aufgenommenes Sensorelement zur Erfassung des mindestens einen Parameters. Unter einem Gehäuse wird dabei allgemein ein Element verstanden, welches mindestens einen Innenraum aufweist, in diesem Fall mindestens einen Innenraum zur Aufnahme des mindestens einen Sensorelements, und welches vorzugsweise eingerichtet ist, um eine Schutzwirkung zumindest gegenüber mechanischen Belastungen zu gewährleisten. Beispielsweise kann das Gehäuse zumindest teilweise aus einem steifen Material hergestellt werden, welches beispielsweise bei einem Fixieren des Gehäuses in dem Strömungsrohr des fluiden Mediums bei üblichen Kräften, beispielsweise bei üblichen Verschraubungskräften, keine Verformung durchläuft. Das Gehäuse kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem metallischen Material und/oder einem Kunststoffmaterial hergestellt sein.
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Unter einem Sensorelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Element zu verstehen, welches eingerichtet ist, um den mindestens einen Parameter qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen und ein entsprechendes Signal zu generieren. Beispielsweise kann das mindestens eine Sensorelement mindestens einen Sensorchip umfassen. Wie unten noch näher ausgeführt wird, kann das Sensorelement insbesondere mindestens einen ChemFET umfassen, beispielsweise gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik. Das Sensorelement kann allgemein beispielsweise mindestens eine Sensoroberfläche umfassen, wobei das Sensorelement derart in dem Gehause aufgenommen sein kann, dass die Sensoroberfläche mit dem fluiden Medium beaufschlagbar ist. Das Sensorelement kann insbesondere ein Miniaturbauteil auf sehr kleinem Bauraum sein, beispielsweise mit einem Bauraum von weniger als 2 cm3, insbesondere von weniger als 1 cm3 und besonders bevorzugt von weniger als 0,5 cm3. Insbesondere kann das Miniaturbauteil ein Miniaturbauteil in kubischer Form sein.
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Das Gehäuse weist mindestens ein Außengehäuse und mindestens ein von dem Außengehäuse zumindest teilweise umschlossenes Innengehäuse auf. Zwischen dem Außengehäuse und dem Innengehäuse ist mindestens ein Spalt, insbesondere mindestens ein Ringspalt ausgebildet. Ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen wird nachfolgend insbesondere auf eine Ausgestaltung als mindestens einen Ringspalt Bezug genommen. Das Gehäuse ist derart ausgebildet, dass mindestens ein Teilstrom des fluiden Mediums durch mindestens eine Eintrittsöffnung in den Spalt einströmen kann, also aus dem Strömungsrohr in den Spalt und somit in das Gehäuse, um zu dem Sensorelement zu gelangen. Das Gehäuse ist weiterhin derart ausgebildet, dass der Teilstrom anschließend durch das Innengehäuse über mindestens eine Austrittsöffnung zurück in das Strömungsrohr strömen kann.
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Das Gehäuse weist weiterhin mindestens ein Halteelement auf. Das Gehäuse ist mittels des Halteelements mit dem Strömungsrohr verbindbar, wobei ein Teil des Gehäuses in das Strömungsrohr hineinragt. Die Eintrittsöffnung ist von einer Innenwand des Strömungsrohrs beabstandet angeordnet, wobei das Sensorelement außerhalb des Strömungsrohrs angeordnet ist.
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Das Gehäuse ist also mittels des Halteelements mit dem Strömungsrohr verbindbar. Zu diesem Zweck kann das Strömungsrohr beispielsweise mindestens eine Öffnung aufweisen, wobei das Gehäuse vollständig oder teilweise durch diese Öffnung in das Strömungsrohr hineinragt. Mittels des Halteelements kann das Gehäuse in dem Strömungsrohr fixierbar sein, beispielsweise indem das Gehäuse mittels des Halteelements in einer Position und/oder Orientierung relativ zu dem Strömungsrohr fixierbar ist, wobei eine Fixierung in einer, zwei oder drei Dimensionen möglich ist. Unter einem Halteelement ist allgemein ein Element zu verstehen, welches eine Verbindung zwischen dem Gehäuse und dem Strömungsrohr herstellen kann. Diese Verbindung kann beispielsweise eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindung sein. Beispielsweise kann das Halteelement mindestens ein Gewinde umfassen. Beispielsweise kann das mindestens eine Halteelement des Gehäuses mit mindestens einem Element des Strömungsrohrs zusammenwirken, beispielsweise mit einem Gegengewinde. So können beispielsweise sowohl das Gehäuse als auch das Strömungsrohr jeweils mindestens ein Gewinde aufweisen, so dass das Gehäuse vorzugsweise in dem Strömungsrohr fixierbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Halteelement beispielsweise eine einfache Anschlagsfläche umfassen, mittels derer das Gehause an das Strömungsrohr angelegt werden kann. Beispielsweise kann das Gehäuse einen Bund umfassen, beispielsweise einen umlaufenden vorstehenden Rand an dem Gehäuse, welcher auf dem Strömungsrohr aufliegt, wenn das Gehäuse in das Strömungsrohr eingeschoben oder eingesteckt wird, so dass eine Tiefenbegrenzung des Einschiebens bzw. Einsteckens erfolgt. Allgemein kann das Halteelement derart ausgestaltet sein, dass dieses das Gehäuse in mindestens einer Dimension relativ zu dem Strömungsrohr positioniert, beispielsweise in einer Richtung senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung und/oder senkrecht zu einer Rohrachse des Strömungsrohrs. So kann beispielsweise, wie oben ausgeführt, das Gehäuse derart zu dem Strömungsrohr positioniert werden, dass dieses stets in gleicher Tiefe in das Strömungsrohr hineinragt. Das Halteelement kann mit mindestens einem strömungsrohrseitigen Halteelement zusammenwirken.
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Das Gehäuse weist, wie oben beschrieben, mindestens ein Außengehäuse und mindestens ein von dem Außengehäuse zumindest teilweise umschlossenes Innengehäuse auf. Beispielsweise können das Außengehäuse und/oder das Innengehäuse zumindest teilweise rohrförmig ausgestaltet sein, so dass im Folgenden, ohne Beschränkung möglicher weiterer Ausgestaltungen, bei Bezugnahme auf das Außengehäuse auch von einem Außenrohr gesprochen wird, und bei Bezugnahme auf das Innengehäuse auch von einem Innenrohr. Das Außengehäuse kann beispielsweise das Innengehäuse ringförmig umschließen. Zwischen dem Außengehäuse und dem Innengehäuse ist der Spalt, beispielsweise der Ringspalt, ausgebildet, welcher sich vorzugsweise um das gesamte Innengehäuse herum oder lediglich um einen Teil des Innengehäuses erstrecken kann, vorzugsweise um mindestens 80% des Innengehäuses. Der Ringspalt kann das Innengehäuse zumindest teilweise umschließen.
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Das Gehäuse ist derart ausgebildet, dass das fluide Medium in den Spalt einströmen kann, um zu dem Sensorelement zu gelangen und anschließend durch das Innengehäuse zurück in das Strömungsrohr zu strömen. Beispielsweise kann das Innengehäuse mindestens einen Innenraum aufweisen, beispielsweise einen im Wesentlichen zylindrisch ausgestalteten Innenraum, durch welchen das fluide Medium zurück in das Strömungsrohr strömen kann. Beispielsweise kann das fluide Medium in einer axialen Richtung in den Ringspalt einströmen, zu dem Sensorelement gelangen, und anschließend in einer entgegengesetzten axialen Richtung wieder durch das Innengehäuse zurück in das Strömungsrohr strömen. Unter einer axialen Richtung ist dabei allgemein eine Richtung parallel zu einer Achse der Sensorvorrichtung zu verstehen. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung im Wesentlichen zylindrisch ausgestaltet sein, so dass die Achse beispielsweise eine Rotationsachse des Gehäuses und/oder eines Teils des Gehäuses sein kann. Beispielsweise kann das Gehäuse derart in dem Strömungsrohr fixierbar sein, insbesondere mittels des Halteelements, dass die Achse im Wesentlichen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung ausgerichtet ist, wobei die Hauptströmungsrichtung beispielsweise parallel zu einer Rohrachse des Strömungsrohrs ausgerichtet sein kann. Unter im Wesentlichen senkrecht oder im Wesentlichen parallel ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein eine Abweichung von einer senkrechten Ausrichtung, bzw. einer parallelen Ausrichtung zu verstehen, welche nicht mehr als 30° beträgt, vorzugsweise nicht mehr als 15° und insbesondere nicht mehr als 5° und besonders bevorzugt 0°.
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Das Strömungsrohr kann beispielsweise einen Durchmesser von 30 mm bis 150 mm aufweisen, beispielsweise einen Durchmesser von 50 mm bis 100 mm und besonders bevorzugt einen Strömungsrohrquerschnitt von 70 mm. So können beispielsweise je nach Hubraum eines Motors Querschnitte der Abgasanlagen unterschiedlich gestaltet sein. Übliche Rohrdurchmesser bei PKW liegen bei 30 mm bis 100 mm. Im NKW-Bereich liegen die Durchmesser üblicherweise bei 100 mm bis 150 mm. Auch andere Durchmesser sind jedoch möglich. Das fluide Medium, insbesondere das Abgas, kann beispielsweise mit einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 1 bis 300 Metern pro Sekunde oder sogar mit Strömungsgeschwindigkeiten von über 300 Metern pro Sekunde durch das Strömungsrohr strömen, beispielsweise mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 2 bis 7 Metern pro Sekunde. Die Strömungsgeschwindigkeit kann wiederum abhängig sein beispielsweise von einem Querschnitt der Abgasanlage und/oder einem Betriebspunkt des Motors.
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Zur Vermeidung der oben beschriebenen Problematik wird also im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere vorgeschlagen, das Gehäuse derart auszugestalten, dass die Eintrittsöffnung von einer Innenwand des Strömungsrohrs beabstandet angeordnet ist. Das Halteelement kann insbesondere derart eingerichtet sein, dass die Eintrittsöffnung von der Innenwand um mindestens 3 mm beabstandet ist, insbesondere um mindestens 5 mm. Beispielsweise kann die Eintrittsöffnung von der Innenwand um 3 mm bis 20 mm beabstandet sein, insbesondere um 5 mm bis 15 mm und besonders bevorzugt um 10 mm. Das Halteelement kann weiterhin derart eingerichtet sein, dass die Austrittsöffnung weiter von der Innenwand beabstandet ist als die Eintrittsöffnung. Insbesondere kann die Austrittsöffnung von der Innenwand um mindestens 5 mm beabstandet sein, vorzugsweise um mindestens 10 mm. Insbesondere kann die Austrittsöffnung von der Innenwand um 8 mm bis 30 mm beabstandet sein, beispielsweise um 10 mm bis 20 mm und besonders bevorzugt um 15 mm.
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Das Halteelement kann also beispielsweise derart eingerichtet sein, dass ein sich innerhalb des Strömungsrohrs befindlicher Teil der Sensorvorrichtung und ein sich außerhalb des Strömungsrohrs befindlicher Teil der Sensorvorrichtung definiert werden. Das Sensorelement kann in dem äußeren Teil angeordnet sein, insbesondere zur Kühlung des Sensorelements. Ein Abstand des Sensorelements zu der Innenwand des Strömungsrohrs kann insbesondere mindestens 20 mm betragen, vorzugsweise mindestens 30 mm und besonders bevorzugt mindestens 40 mm. Die Sensorvorrichtung und insbesondere das Gehäuse kann insbesondere mindestens einen außerhalb des Strömungsrohrs angeordneten Kühlkörper umfassen, insbesondere einen Kühlkörper mit mindestens einer Kühlrippe. Beispielsweise kann auch mindestens eine Kühlrippe vorgesehen sein, welche gleichzeitig als Strahlungsschutzblech wirkt.
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Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens ein Temperierelement umfassen. Beispielsweise kann dieses mindestens eine Temperierelement mindestens ein Heizelement umfassen. Weiterhin kann die Sensorvorrichtung beispielsweise mindestens eine Temperatursteuerung und/oder mindestens eine Temperaturregelung aufweisen. Das mindestens eine Temperierelement und vorzugsweise die mindestens eine Temperatursteuerung oder Temperaturregelung können insbesondere eingerichtet sein, um eine Temperatur des Sensorelements einzustellen, insbesondere zu steuern oder zu regeln.
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Die Sensorvorrichtung kann weiterhin mindestens ein Filterelement umfassen, wobei beispielsweise mindestens ein Filterelement vorgesehen sein kann, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem chemischen Filter, einem Katalysator, einer strömungstechnischen Maßnahme, beispielsweise einem Tropfenabscheider und/oder einem Partikelabscheider.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Sensorsystem vorgeschlagen, welches eine Sensorvorrichtung gemäß einer oder mehreren der oben oder nachfolgend noch beschriebenen Ausgestaltungen sowie mindestens ein Strömungsrohr aufweist, wobei die Sensorvorrichtung mittels des Halteelements mit dem Strömungsrohr verbunden ist. Beispielsweise kann das Sensorsystem, wie oben beschrieben, durch mindestens eine Öffnung in dem Strömungsrohr in das Innere des Strömungsrohrs hineinragen. Für weitere mögliche Ausgestaltungen des Sensorsystems kann auf die obige Beschreibung der Sensorvorrichtung verwiesen werden.
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Die vorgeschlagene Sensorvorrichtung und das Sensorsystem in einer oder mehreren der oben oder nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen weisen gegenüber bekannten Sensorvorrichtungen und Sensorsystemen eine Reihe von Vorteilen auf. So ist diese insbesondere mit neuen Sensorelementen als Abgassensoren einsetzbar, bei welchen das Sensorelement beispielsweise als Miniaturbauteil auf sehr kleinem Bauraum in kubischer Form ausgeführt ist. Derartige Sensorelemente sind beispielsweise in
DE 10 2007 040 726 A1 beschrieben. Mittels der vorgeschlagenen Sensorvorrichtung sind typische Hauptforderungen an den Verbau derartiger Sensorelemente gut zu erfüllen. Diese Hauptforderungen bestehen insbesondere dann, dass eine Betriebstemperatur des Sensorelements unter der Temperatur aktueller Sensoren liegt und vorzugsweise unterhalb maximal auftretender Abgastemperaturen. Beispielsweise können typische Betriebstemperaturen des Sensorelements bei 300°C liegen und typische Abgastemperaturen, je nach Einbauposition, beispielsweise bei 700°C bis kurzzeitig 1000°C oder sogar dauerhaft bis 1000°C. Im Betrieb kann das Sensorelement kontinuierlich elektrisch beheizt werden, beispielsweise mittels des Temperierelements, und die Temperatur kann hierbei beispielsweise geregelt werden. Die Abgastemperatur kann beispielsweise an jedem Betriebspunkt des Motors unter der maximalen Betriebstemperatur des Sensorelements liegen. Bei bisherigen Sensorelementen muss in der Regel eine Mindest-Temperatur erreicht werden. Eine höhere Gastemperatur ist in vielen Fallen für das Sensorelement eher unkritisch und im Sinne eines geringeren Heizleistungsbedarfs eher erwünscht. Weiterhin lassen sich mittels der vorgeschlagenen Sensorvorrichtungen auch die Anforderungen üblicher Sensorvorrichtungen an die Dynamik gut erfüllen. So lässt sich mittels der Sensorvorrichtung ein Transport des fluiden Mediums, insbesondere ein Gastransport, zum Sensorelement zumindest näherungsweise verzögerungsfrei realisieren. Besonders vorteilhaft ist die vorgeschlagene Sensorvorrichtung jedoch hinsichtlich der Anforderungen bezüglich Schutz vor Tropfen- und Partikelschlag sowie hinsichtlich einer Resistenz gegenüber Verschmutzungen beispielsweise durch Ruß.
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Durch die Anordnung des Sensorelements räumlich außerhalb des Strömungsrohrs sowie optional eine geeignete Geometrie des Gehäuses kann sichergestellt werden, dass das Sensorelement mit einer ausreichenden Menge an fluidem Medium versorgt wird. Weiterhin kann das fluide Medium auch auf seinem Weg zum Sensorelement gekühlt werden, beispielsweise durch den oben genannten mindestens einen Kühlkörper, beispielsweise durch Kühlrippen, welche auf einer Außenseite des Gehäuses außerhalb des Strömungsrohrs angeordnet sein können, derart, dass diese einen Strömungsweg zwischen der Eintrittsöffnung und dem Sensorelement kühlen können. Auch eine Ausgestaltung ohne derartige Kühlrippen ist jedoch grundsätzlich möglich.
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Mittels der vorgeschlagenen Sensorvorrichtung lassen sich also mehrere Anforderungen gleichzeitig erfüllen, mit einem Konstruktionsprinzip, welches sich weitgehend an die Geometrie von bekannten Gehäusen für Abgassensoren anlehnen kann. Hierdurch ergibt sich eine Kostenersparnis sowie die Möglichkeit einer Nutzung bereits vorhandener Infrastrukturen. Zur Realisierung der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise nur vergleichsweise geringe mechanische Modifikationen bekannter Gehäusegeometrien nötig. Die Erfindung ermöglicht weiterhin eine Teilstromentnahme von fluidem Medium, beispielsweise von Abgas, aus einem Hauptstrom in dem Strömungsrohr und vorzugsweise dessen Kühlung auf dem Weg zum Einbauort des Sensorelements. Somit wird das fluide Medium, beispielsweise das Abgas, vorzugsweise in jedem Betriebspunkt mit einer Temperatur zum Sensor gelangen, die unter der eigentlichen Betriebstemperatur des Sensors liegt. Weiterhin kann die Zuführung des entnommenen fluiden Mediums, beispielsweise des Abgases, mit einer derartig großen Geschwindigkeit zum Einbauort des Sensorelements in dem Gehäuse erfolgen, dass eine ausreichende Dynamik zur Messung von Konzentrationsänderungen sichergestellt werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung eine weitgehend von einem Verdrehwinkel des Sensors gegenüber der Anströmung unabhängige Funktion der Gasentnahme realisiert werden kann. Insbesondere kann die Eintrittsöffnung derart ausgestaltet werden, dass diese das Innengehäuse und/oder die Austrittsöffnung ringförmig vollständig oder teilweise umschließt. Die Sensorvorrichtung kann derart konstruiert werden, dass eine Funktion der Sensorvorrichtung zumindest weitgehend unabhängig ist von einer Verdrehung der Sensorvorrichtung um eine Achse der Sensorvorrichtung.
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Weiterhin kann auch eine Filterung und/oder Vorbehandlung des entnommenen fluiden Mediums vor der eigentlichen Messung erfolgen. Zu diesem Zweck können, wie oben beschrieben, beispielsweise ein oder mehrere Filterelemente vorgesehen sein. Dieses mindestens eine Filterelement kann beispielsweise in dem Spalt zwischen der Eintrittsöffnung und dem Sensorelement angeordnet sein. Beispielsweise kann hier eine chemische Filterung und/oder eine Katalyse erfolgen Alternativ oder zusätzlich können strömungstechnische Maßnahmen zur Tropfenabscheidung und/oder Partikelabscheidung ergriffen werden, bevor derartige Verunreinigungen auf das Sensorelement auftreffen.
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Die Sensorvorrichtung kann, wie oben beschrieben, ein Gehäuse mit Schutzrohren umfassen, also beispielsweise einem Außenrohr und einem Innenrohr, wobei das Gehäuse derart geometrisch ausgeführt werden kann, dass eine im Hinblick auf die oben genannten Anforderungen optimale Anströmung eines Sensorelements, beispielsweise eines Halbleitersensors ermöglicht wird. Beispielsweise kann das Sensorelement mindestens einen Halbleitersensor zur Messung von Konzentrationen eines oder mehrerer verschiedener Gase im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine beinhalten Das oben beschriebene Halteelement kann beispielsweise mindestens einen Bund umfassen, welcher zur Anlage an dem Strömungsrohr vorgesehen ist. Die Sensorvorrichtung kann eine Strömungsführung beinhalten, bei welcher der abgezweigte Teilstrom geometrisch aus dem Strömungsrohr, beispielsweise dem Abgasrohr, hinausgeführt wird und beispielsweise an einer Position in möglichst großem Abstand von der Außenwand des Abgasrohrs umgelenkt wird, um über das Sensorelement und anschließend zurück in das Strömungsrohr geführt zu werden.
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Die Funktionsweise einer Teilstromentnahme aus einer Hauptströmung durch das Strömungsrohr, beispielsweise aus einem Hauptabgasmassenstrom, kann insbesondere nach einem bereits von einer Lambda-Sonde bekannten Prinzip erfolgen. Die Schutzrohre des Sondengehäuses können Ein- und Austrittsöffnungen fur das Abgas umfassen. In der Nähe der mindestens einen Eintrittsöffnung kann beispielsweise durch eine Stauzone, beispielsweise in Form eines senkrecht zum Hauptgasstrom ausgerichteten Teils der Schutzrohre, eine Verzögerung der Strömung mit der Folge eines Anstiegs des statischen Drucks in der Strömung hervorgerufen werden. Gleichzeitig kann durch eine Verringerung eines freien Querschnitts des Strömungsrohrs, insbesondere des Abgasrohrs, durch den Einbau der Sensorvorrichtung eine Beschleunigung der Strömung und damit einhergehend ein Absinken des statischen Drucks in der Strömung im Bereich der Austrittsöffnung realisiert werden. Diese Druckdifferenz zwischen der Stauzone und engstem Querschnitt kann eine treibende Kraft für die Durchströmung der Sensorvorrichtung bilden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in den 1 und 2 schematisch dargestellt sind.
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Im Einzelnen zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; und
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2 ein Strömungsrohr mit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung gemäß 1 im eingebauten Zustand.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung 110 zur Erfassung mindestens eines Parameters eines durch ein Strömungsrohr (angedeutet durch die Bezugsziffer 112) strömenden fluiden Mediums in einer Schnittdarstellung gezeigt. 2 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Sensorvorrichtung 110 in einem in ein Strömungsrohr 112, im Folgenden auch als Abgasrohr bezeichnet, verbauten Zustand. Auf beide Figuren wird im Folgenden gemeinsam Bezug genommen. Die Sensorvorrichtung 110 und das Strömungsrohr 112 bilden gemeinsam Bestandteile eines Sensorsystems 111.
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Die Sensorvorrichtung 110 umfasst ein Gehäuse 114, welches durch eine Öffnung 116 im Wesentlichen senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung 118 des fluiden Mediums in dem Strömungsrohr 112 in das Strömungsrohr 112 hineinragt. Das Gehäuse 114 weist ein Außengehäuse 120 und ein Innengehäuse 122 auf. Das Außengehäuse 120 umgibt das Innengehäuse 122 ringförmig, so dass zwischen dem Außengehäuse 120 und dem Innengehäuse 122 ein Ringspalt 124 ausgebildet ist. An einer Oberseite des Außengehäuses 120, also in einem Bereich, in welchem das Außengehäuse 120 vorzugsweise am weitesten in das Strömungsrohr 122 hineinragt, ist eine Eintrittsöffnung 126 vorgesehen, welche beispielsweise das Innengehäuse 122 ringförmig umschließen kann. Im Bereich dieser Eintrittsöffnung 126 bildet sich, wie oben beschrieben, eine Stauzone 128 aus. Weiterhin ist am oberen Ende des Innengehäuses 122, welches am weitesten in das Strömungsrohr 112 hineinragt und welches beispielsweise an seinem oberen Ende konisch zulaufend ausgestaltet sein kann, eine Austrittsöffnung 130 vorgesehen. In diesem Bereich bildet sich, wie oben ebenfalls beschrieben, eine Unterdruckzone 132 aus.
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Das fluide Medium oder ein Teilstrom des fluiden Mediums, welches von einem Hauptstrom in dem Strömungsrohr 112 abgezweigt wird, kann an der Eintrittsöffnung 126, wie in 1 durch Pfeile angedeutet, in den Ringspalt 124 eintreten, durchströmt diesen in einer axialen Richtung der Sensorvorrichtung 110, wird am unteren Ende umgelenkt und gelangt zu einem Sensorelement 134. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen dieses Sensorelements 134 kann beispielsweise auf die obige Beschreibung verwiesen werden. Der Teilstrom kann beispielsweise auf seinem Weg von der Eintrittsöffnung 126 zu dem Sensorelement 134 gekühlt werden, beispielsweise durch einen oder mehrere in 1 nicht näher dargestellte Kühlkörper auf einer Außenseite außerhalb des Strömungsrohrs 112. Der Teilstrom kann beispielsweise mindestens eine Messoberfläche 136 des Sensorelements 134 überströmen. Anschließend wird der Teilstrom wieder umgelenkt und durchströmt in gegenläufig axiale Richtung das Innengehäuse 122 und tritt an der Austrittsöffnung 130 wieder aus dem Gehäuse 114 aus. Die Strömung des Teilstroms wird insgesamt durch die Druckdifferenz zwischen der Stauzone 128 und der Unterdruckzone 132 angetrieben.
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Das Gehäuse 114 umfasst mindestens ein Halteelement 138. Unter einem Halteelement kann allgemein ein Verbindungselement verstanden werden, welches eingerichtet ist, um das Gehäuse 114 mit dem Strömungsrohr 112 zu verbinden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel kann das Halteelement 138 beispielsweise einen Bund 140 umfassen, welcher auf einer Außenseite 142 des Strömungsrohrs 112 aufliegen kann. Der Bund 140 kann beispielsweise kraftschlüssig und/oder stoffschlussig und/oder formschlüssig mit dem Strömungsrohr 112 verbunden werden. So kann beispielsweise mindestens ein Gewinde vorgesehen sein. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich möglich. Unter einem Bund ist im Allgemeinen im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiger Anschlag zu verstehen, welcher eine Positionierung, insbesondere eine Begrenzung einer Einstecktiefe, der Sensorvorrichtung 110 relativ zu dem Strömungsrohr 112 bewirkt.
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Das Halteelement 138 ist derart dimensioniert, dass das Sensorelement 134 außerhalb des Strömungsrohrs 112, insbesondere außerhalb eines Innenbereichs des Strömungsrohrs 112, angeordnet ist. Beispielsweise kann ein Abstand zwischen einer Innenwand 144 des Strömungsrohrs 112 und der Eintrittsöffnung 126, welche in 1 mit d1 bezeichnet ist, 3 mm bis 20 mm betragen, insbesondere 5 mm bis 15 mm und besonders bevorzugt 10 mm. Ein Abstand d2 zwischen der Eintrittsöffnung 126 und der Außenseite 142 des Strömungsrohrs 112 kann beispielsweise um 2 bis 10 mm, insbesondere um 3 bis 7 mm und besonders bevorzugt um 10 mm größer sein als der Abstand d1. Je nach Ausführung des Strömungsrohrs 112 kann der Abstand d2 auch unterschiedlich ausgestaltet sein. Beispielsweise können in diesem oder auch in anderen Ausführungsbeispielen typische Wandstärken (d2 – d1) des Strömungsrohrs 112, beispielsweise eines einfachen Abgasrohrs, 1 mm bis 10 mm betragen, insbesondere 2 mm bis 3 mm. Insbesondere bei doppelwandigen, luftspaltisolierten Abgasanlagen können auch zwei oder mehr Bleche vorgesehen sein, beispielsweise jeweils mit einer Dicke von 1 mm bis 5 mm, insbesondere 2 mm, und einem Luftspalt von beispielsweise 1 mm bis 10 mm, insbesondere 2 mm bis 5 mm. Ein Abstand d3 zwischen der Innenwand 144 und dem Sensorelement 134 beispielsweise der Messoberfläche 136, kann beispielsweise mindestens 20 mm betragen, vorzugsweise mindestens 30 mm und besonders bevorzugt mindestens 40 mm. Beispielsweise kann dieser Abstand 20 bis 60 mm betragen.
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Die Funktionsweise der Teilstromentnahme aus dem Hauptabgasmassenstrom in der Anordnung gemäß den 1 und 2 kann beispielsweise nach dem bereits aus einer Lambda-Sonde bekannten Prinzip, beispielsweise gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik, erfolgen. So bildet sich, wie oben beschrieben, die Stauzone 128 in Form einer Überdruckzone an einer der Hauptströmungsrichtung 118 entgegenweisenden Seite der Eintrittsöffnung 126 aus. Die Unterdruckzone 132 bildet sich aufgrund eines verringerten freien Querschnitts des Strömungsrohrs 112 aus. Beispielsweise kann das Strömungsrohr 112 die oben beschriebenen Querschnitte aufweisen, beispielsweise einen Innendurchmesser D in 2 von 30 mm bis 150 mm, insbesondere von 50 mm bis 100 mm.
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Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Stand der Technik ist bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung gemäß den 1 und 2 die Verringerung des freien Querschnitts vorzugsweise deutlich größer, und damit einhergehend ergibt sich eine größere Druckdifferenz zwischen der Stauzone 128 und der Unterdruckzone 132.
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Dies führt auf einen höheren abgezweigten Teilmassenstrom, welcher eine schnellere Ansprechzeit der Sensorvorrichtung 110 und damit eine erhöhte Dynamik zur Folge hat. Durch die in den Innenbereich des Strömungsrohres 112 hinein hochgezogene Seitenwand des Außengehäuses 120 wird, im Gegensatz zum beschriebenen Stand der Technik, ein Einschleppen von Verunreinigungen, beispielsweise Wasser, welches als Wandfilm an der Innenwand 144 des Strömungsrohrs 112, beispielsweise des Abgasrohrs, entlang transportiert werden kann, verhindert. Somit ist diese geometrische Ausgestaltung robuster gegenüber einem Wasserschlag auf das Sensorelement 134.
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Eine Optimierung der Anforderungen bezüglich maximaler Gastemperaturen an einer Verbauposition des Sensorelements 134 und bezüglich eines dynamischen Ansprechsverhaltens münden in der Praxis in einem gegenläufigen Verhalten, welche auch als Temperatur-Dynamik-Schere bezeichnet wird. Eine hohe Dynamik kann beispielsweise durch einen großen Teilmassenstrom erreicht werden, der für eine schnelle Spülung des Gehäusevolumens des Gehäuses 114 mit frischem Gas sorgt. Ein hoher Massenstrom sorgt bei hohen Gastemperaturen jedoch gleichzeitig für einen hohen konvektiven Enthalpieeintrag in das Gehäuse 114, und somit resultieren hohe Gastemperaturen am Sensorelement 134. Zur Temperierung des Sensorelements 134 kann beispielsweise mindestens ein Temperierelement 146, insbesondere mindestens ein aktives Temperierelement 146, vorgesehen sein, welches in 1 lediglich andeutungsweise dargestellt ist. Beispielsweise kann dieses Temperierelement 146 mindestens ein Heizelement und/oder mindestens ein Kühlelement umfassen. Beispielsweise kann eine resistive Heizung und/oder eine resistive Kühlung vorgesehen sein. Weiterhin kann eine Temperatursteuerung, insbesondere eine Temperaturregelung vorgesehen sein. Zur Reduzierung der Gastemperatur sollte dem Gas auf seinem Weg zur Sensorposition des Sensorelements 138 vorzugsweise ein möglichst intensiver Kontakt mit kalten Oberflächen ermöglicht werden, um einen Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Gehäuse 114 zu ermöglichen. Eine Vergrößerung der zum Wärmeübertrag zur Verfügung stehenden Fläche und einer Reduktion der Gehäusetemperatur kann über eine Vergrößerung des Abstands vom Einbauort des Sensorelements 128 zur Innenwand 144 und/oder zur Außenseite 142 realisiert werden.
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Die in den 1 und 2 dargestellte Sensorvorrichtung 110 und das Sensorsystem 111 können insbesondere in einem Abgastrakt einer Verbrennungskraftmaschine zum Einsatz kommen. Besonders bevorzugt ist der Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006060312 A1 [0002]
- DE 102007040726 A1 [0002, 0018]
- DE 102008041038 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Ausgabe 2010, Seiten 160–165 [0002]
- H. Wingbrant: Studies of MISiC-FET Sensors for Car Exhaust Gas Monitoring, Linköping Studies in Science and Technology, Dissertation No. 931, Seiten 51 bis 57, Linköping 2005 [0002]
- H. Wingbrant et al: Using a MISiC-FET Sensor for Detecting NH3 in SCR Systems, IEEE Sensors Journal, Vol. 5, No. 5. October 2005, Seiten 1099 bis 1105 [0002]
