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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensoren und Verfahren zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Dabei kann es sich grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaften des Messgases handeln, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar, wie beispielsweise die Temperatur.
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Derartige Sensoren beruhen auf der Verwendung entsprechend ausgebildeter Sensorelemente. Beispiele für derartige Sensoren sind als so genannte Lambdasonden ausgestaltet, wie sie beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 160–165 bekannt sind. Mit Breitband-Lambdasonden, insbesondere mit planaren Breitband-Lambdasonden, kann beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im Abgas in einem großen Bereich bestimmt und damit auf das Luft-Kraftstoff-Verhältnis im Brennraum geschlossen werden. Die Luftzahl λ beschreibt dieses Luft-Kraftstoff-Verhältnis. Aus dem Stand der Technik sind insbesondere keramische Sensorelemente bekannt, welche auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festkörper basieren, also auf ionenleitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Insbesondere kann es sich bei diesen Festkörpern um keramische Festelektrolyte handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid, insbesondere Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid und Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid, die geringe Zusätze an Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid enthalten können.
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Aus der
DE 197 14 203 A1 und der
DE 195 32 090 C2 sind Lambdasonden mit einem Dichtpackungssystem bekannt, welches aus einer Kombination mehrerer Dichtscheiben aus Steatit und Bornitrid besteht. Bei den Steatitdichtscheiben handelt es sich um ungesinterten Steatitrohstoff. Beim Bornitrid handelt es sich um hexagonales heißgepresstes Bornitrid. Bei der Montage wird das Dichtpackungssystem durch zwei angrenzende Stützkeramikbuchsen aus hartgesintertem Steatit im Sensorgehäuse gekammert und durch axiale Krafteinleitung pulverisiert und verdichtet. Dabei werden Fügespalte geschlossen und die Dichtheit gesteigert. Das Dichtsystem hat die Aufgabe, Abgas und Feuchtigkeit vom Referenzluftraum des Sensors zu trennen.
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Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. Zwar weist das oben beschriebene Dichtpackungssystem gute Dichteigenschaften gegenüber Gasen und Flüssigkeiten auf, jedoch kann es bei Anwendung mit niedriger Temperatur vorkommen, dass sich Wasserdampf ins Kristallgitter des Bornitrids einlagert sowie mit dem im Bornitrid enthaltenen Boroxid zu Borsäure reagiert. Beim Aufheizen der Lambdasonde während des Motorstarts kann es dann vorkommen, dass das gebundene Wasser aus der Bornitridscheibe in den Referenzluftraum ausgetrieben wird, was dann zur Verfälschung des Sondensignals führen kann. Dabei kommt es zusätzlich zu einer starken Absenkung des Isolationswiderstands.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird daher ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und bei dem insbesondere eine verbesserte Dichtwirkung gegenüber Feuchtigkeit und Abgasen realisiert ist sowie der Isolationswiderstand zwischen dem Sensorelement und dem Sensorgehäuse verbessert ist.
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Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, umfasst ein Sensorgehäuse und ein Sensorelement zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Messgases. Das Sensorgehäuse weist eine Längsbohrung auf. Das Sensorelement ist in der Längsbohrung angeordnet. Das Sensorelement ist von mindestens einer ersten Dichtung umgeben. Die erste Dichtung ist bevorzugt aus Vermiculit hergestellt. Das Sensorelement ist weiterhin von mindestens einer zweiten Dichtung umgeben. Die zweite Dichtung ist aus einem Material hergestellt, das sich von dem Material der ersten Dichtung unterscheidet. Alternativ kann die erste Dichtung aus Muscovit oder Phlogopit hergestellt sein, wobei die zweite Dichtung aus einem Material hergestellt ist, das sich von diesen Materialien unterscheidet.
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Unter dem Ausdruck „hergestellt aus einem bestimmten Material“ ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verstehen, dass das jeweilige Bauteil zu mindestens 80 Vol.-% und bevorzugt mindestens 90 Vol.-% und bevorzugt vollständig bis auf technisch unvermeidbare Verunreinigungen hergestellt ist. So beudeutet eine Herstellung der ersten Dichtung aus Vermiculit beispielsweise, dass die erste Dichtung zu mindestens 80 Vol.-% und bevorzugt mindestens 90 Vol.-% und bevorzugt vollständig bis auf technisch unvermeidbare Verunreinigungen hergestellt ist.
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Der Sensor kann weiterhin mindestens zwei erste Dichtungen umfassen, wobei die zweite Dichtung zwischen den zwei ersten Dichtungen angeordnet ist. Alternativ kann der Sensor weiterhin mindestens zwei zweite Dichtungen umfassen, wobei die erste Dichtung zwischen den zwei zweiten Dichtungen angeordnet ist. Alternativ kann der Sensor mehrere erste Dichtungen und mehrere zweite Dichtungen umfassen, wobei die ersten Dichtungen und die zweiten Dichtungen in einer alternierenden Reihenfolge auf dem Sensorelement angeordnet sind. Die zweite Dichtung kann aus Steatit hergestellt sein. Alternativ kann die zweite Dichtung aus einem Material hergestellt sein, das einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mindestens 10·10–6/K aufweist. Das Sensorgehäuse kann beispielsweise aus einem Stahl hergestellt sein, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient sich von dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der zweiten Dichtung um nicht mehr als 3·10–6/K unterscheidet. Die zweite Dichtung kann aus Quarz, Cristobalit, Titanoxid, Strontiumtitanat, Forsterit, Enstatit oder aus Mischungen von mindestens zwei der genannten Stoffe hergestellt sein. Die zweite Dichtung kann insbesondere mit einem Volumenanteil von mindestens 90 % dieser Stoffe hergestellt sein.
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Die zweite Dichtung kann weiterhin Muscovit, Vermiculit, Kaolin, Phlogopit oder Mischungen aus mindesten zwei der genannten Stoffe aufweisen, bevorzugt mit einem Volumenanteil von mindestens 0,5 Vol.-% und höchstens 20 Vol.-%. Bevorzugt ist die erste Dichtung aus Vermiculit-Flakes hergestellt.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die in dem oben beschriebenen Stand der Technik erwähnten Bornitrid-Dichtungsscheiben zu ersetzen durch Dichtungsscheiben, die zumindest Vermiculit aufweisen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weiter optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
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1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer ersten Ausführungsform,
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2 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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3 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer dritten Ausführungsform und
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4 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer vierten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Messgas oder einer Temperatur des Messgases, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Sensor 10 kann insbesondere zum Nachweis von physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften des Messgases verwendet werden, wobei eine oder mehrere Eigenschaften erfasst werden können. Die Erfindung wird im Folgenden insbesondere unter Bezugnahme auf eine qualitative und/oder quantitative Erfassung einer Gaskomponente des Messgases beschrieben, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erfassung eines Sauerstoffanteils in dem Messgas. Der Sauerstoffanteil kann beispielsweise in Form eines Partialdrucks und/oder in Form eines Prozentsatzes erfasst werden. Grundsätzlich sind jedoch auch andere Arten von Gaskomponenten erfassbar, wie beispielsweise Stickoxide, Kohlenwasserstoffe und/oder Wasserstoff. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar. Die Erfindung ist insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik einsetzbar, so dass es sich bei dem Messgasraum insbesondere um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine handeln kann und bei dem Messgas insbesondere um ein Abgas.
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Der Sensor 10 weist ein Sensorgehäuse 12 auf. Das Sensorgehäuse 12 kann beispielsweise ein metallisches Gehäuse sein. Das Sensorgehäuse 12 weist ein Gewinde 14 als Befestigungsmittel für den Einbau in einer Wand des Messgasraums (nicht näher gezeigt) auf. Das Sensorgehäuse 12 weist eine Längsbohrung 16 auf. Die Längsbohrung 16 erstreckt sich entlang einer Längsachse 18. Die Längsbohrung 16 weist eine schulterförmige Ringfläche 20 auf. Die Ringfläche 20 befindet sich angrenzend an einem dem Messgasraum zugewandten stirnseitigen Ende 22 des Sensorgehäuses 12. An dem stirnseitigen Ende 22 ist eine Schutzrohrbaugruppe 24 festgelegt, beispielsweise angeschweißt. Die Schutzrohrbaugruppe 24 weist mindestens ein Schutzrohr auf. Beispielsweise weist die Schutzrohrbaugruppe ein äußeres Schutzrohr 26 und mindestens ein darin angeordnetes inneres Schutzrohr 28 auf. Die Schutzrohrbaugruppe kann beispielsweise zwei innere Schutzrohre 28 aufweisen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Sowohl das äußere Schutzrohr 26 als auch das innere Schutzrohr 28 weisen Ein- und Austrittsöffnungen 30 auf, durch die das Messgas in einen Innenraum des inneren Schutzrohrs 28 eintreten kann bzw. aus diesem heraustreten kann.
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Der Sensor 10 weist weiterhin ein Sensorelement 32 zur Erfassung der mindestens einen Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement 32 ist planar ausgebildet. Das Sensorelement 32 erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung 34. Das Sensorelement 32 weist ein anschlussseitiges Ende 36 und ein messgasseitiges Ende 38 auf. Das anschlussseitige Ende 36 ist ausgebildet, mit elektrischen Anschlüssen 40 des Sensors 10 elektrisch kontaktiert zu werden. Das messgasseitige Ende 38 ist ausgebildet, dem Messgas im Inneren des inneren Schutzrohrs 28 ausgesetzt zu werden.
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Das Sensorelement 32 ist von mindestens einer ersten Dichtung 42 umgeben, beispielsweise ringförmig, d.h. senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung 34. Die erste Dichtung 42 ist aus Vermiculit hergestellt. Beispielsweise ist die erste Dichtung 42 aus einem Vermiculit-Schichtwerkstoff hergestellt. Der Schichtwerkstoff besteht aus geschichteten Vermiculit-Flakes. Die Flakes werden durch chemisches Expandieren gewonnen. Als Ausgangsmaterial ist der Schichtwerkstoff in Form von Folien/Platten kommerziell erhältlich. Die erste Dichtung 42 kann somit durch Ausstanzen der Folien bzw. Platten hergestellt werden. Das Sensorelement 32 ist weiterhin von mindestens einer zweiten Dichtung 44 umgeben. Die zweite Dichtung 44 ist aus einem Material hergestellt, das sich von dem Material der ersten Dichtung 42 und somit Vermiculit unterscheidet. Bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform sind beispielsweise zwei zweite Dichtungen 44 vorgesehen, die aus Steatit hergestellt sind. Die erste Dichtung 42 ist zwischen den zwei zweiten Dichtungen 44 angeordnet bzw. von diesen sandwichartig umgeben. Die erste Dichtung 42 und die zweite Dichtung 44 sind zwischen zwei Keramikformteilen 46 eingespannt, von denen eines an der Ringfläche 20 anliegt.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform sind zwei erste Dichtungen 42 und eine zweite Dichtung 44 vorgesehen. Die zweite Dichtung 44 ist zwischen den zwei ersten Dichtungen 42 angeordnet. 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Sensor 10 kann mehrere erste Dichtungen 42 und mehrere zweite Dichtungen 44 aufweisen, die in alternierender Reihenfolge auf dem Sensorelement 32 angeordnet sind. Bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform sind beispielsweise zwei erste Dichtungen 42 und drei zweite Dichtungen 44 vorgesehen.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, und gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform weist der Sensor 10 der vierten Ausführungsform mehrere erste Dichtungen 42 und mehrere zweite Dichtungen 44 auf. Genauer weist der Sensor 10 der vierten Ausführungsform drei erste Dichtungen 42 und vier zweite Dichtungen 44 in alternierender Reihenfolge auf dem Sensorelement 32 auf.
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Durch den Einsatz der ersten Dichtung aus Vermiculit wird eine Verbesserung der Dichtwirkung gegenüber Feuchtigkeit und Abgasen sowohl bei Raumtemperatur als auch bei Betriebstemperatur des Sensors erzielt. Des Weiteren wird der Isolationswiderstand zwischen dem Sensorelement 32 und dem Sensorgehäuse 12 verbessert.
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Die erste Dichtung 42 kann bei allen zuvor beschriebenen Ausführungsformen anstelle von Steatit aus einem Material hergestellt sein, das einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mindestens 10·10–6/K aufweist. Das Sensorgehäuse kann aus einem Stahl hergestellt sein, der einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von nicht kleiner als 12,5·10–6/K aufweist. Entsprechend weist das Sensorgehäuse 12 einen Stahl auf, dessen linearer Ausdehnungskoeffizient sich von dem linearen Ausdehnungskoeffizienten der zweiten Dichtung um nicht mehr als 3·10–6/K unterscheidet. Insbesondere kann Quarz, Cristobalit, Titanoxid, Strontiumtitanat, Forsterit, Enstatit bzw. Mischungen von mindestens zwei dieser Stoffe ein Bestandteil der Dichtung sein. Vorzugsweise besteht die zweite Dichtung 44 aus einem Gemisch verschiedener Ausgangsstoffe, in dem die genannten Stoffe einen Volumenanteil von insgesamt mindestens 90 % ausmachen. Die zweite Dichtung 44 kann Muscovit, Vermiculit, Kaolin, Phlogopit und/oder eine andere Tonminerale bzw. Schichtsilikate aufweisen. Diese Stoffe verbessern insbesondere die plastischen und elastischen Eigenschaften der zweiten Dichtung 44. Vorzugsweise besteht die Dichtung aus einem Gemisch verschiedener Ausgangsstoffe, in dem diese Stoffe einen Volumenanteil von 0,5 % bis 10 % ausmachen.
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Der Einsatz der ersten Dichtung 42 aus Vermiculit weist den Vorteil auf, dass dieses Material bei Kompression gasundurchlässig und wasserabweisend ist. Fügespalten werden bei axialer Verdichtung des Materials aufgrund der Querkontraktion dauerhaft geschlossen, da diese einer verbleibenden Verformung unterliegen. Der Wärmeausdehnungskoeffizient entspricht etwa dem des Sensorgehäuses 12 und des Sensorelements 32, sodass auch im Betrieb bei höheren Temperaturen keine Verschlechterung der Dichtigkeit zu erwarten ist. In Kombination mit der zweiten Dichtung 44 aus dem oben beschriebenen Material kann die Abstimmung der Wärmekoeffizienten der zweiten Dichtung 44 so erfolgen, dass der Anpressdruck mit steigender Temperatur entsprechend konstant gehalten wird. Der Isolationswiderstand ist in allen Betriebszuständen gleichermaßen hoch, da Vermiculit unter Kompression kein Wasser einlagert. Beim Einsetzen der oben beschriebenen Dichtungen 42, 44 werden bei der Montage durch axiale Krafteinwirkung diese pulverisiert und verdichtet. Dabei werden Fügespalten geschlossen und die Dichtheit gesteigert. Das einpressen erfolgt dabei bei mindestens 1000 bar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19714203 A1 [0003]
- DE 19532090 C2 [0003]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Aufl. 2010, Seiten 160–165 [0002]
