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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 oder Al
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3 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 sind die Stützkeramikbuchsen hinsichtlich ihrer Festigkeit grenzwertig ausgelegt, da diese aus hauptsächlich aus Steatit oder Aluminiumoxid hergestellt sind. Aufgrund von Materialschwankungen und Prozessschwankungen beim Herstellen, wie beispielsweise Werkzeugverschleiß, Werkzeugausrichtung usw., kommt es häufig zu Rissen oder Abplatzungen beim Verdichten der Dichtpackungen. Es besteht dadurch ein Risiko, dass Abplatzungen beim Kabelbaumfügen zwischen Sensorelement und Crimpkontakte eingeklemmt werden, was Signalfehler zur Folge hat. Ein weiterer Nachteil der genannten Materialien der Stützkeramikbuchsen ist der Unterschied der Wärmeausdehungskoeffizienten zum Sensorgehäuse. Bei Betriebstemperatur von ungefähr 600 °C bis 700 °C entstehen so axiale und radiale Spalte, die die Vorspannung auf die Steatitpackung reduzieren. Dadurch kann es Zerrüttung der Dichtpackungen und Bruch des Sensorelements kommen.
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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 die Sensorfunktion 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 Dichtung umgeben. In der Längsbohrung des Sensorgehäuses sind beabstandet voneinander ein messgasseitiges Formteil und ein anschlussseitiges Formteil angeordnet. Die Dichtung ist zwischen dem messgasseitigen Formteil und dem anschlussseitigen Formteil angeordnet. Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil sind aus Edelstahl hergestellt.
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Unter einem Formteil ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Bauteil zu verstehen, das eine bestimmte Anpresskraft auf die Dichtung oder die Dichtungen ausübt. Am messgasseitigen Ende und am anschlussseitigen Ende der Dichtung oder der Dichtungen ist dabei jeweils ein Formteil angeordnet, so dass die Dichtung beidseitig von den Formteilen umgeben ist. Die Formteile können die Dichtung oder die Dichtungen einspannen. Die aus Edelstahl hergestellten Formteile können durch Stanzen oder Fließpressen hergestellt werden.
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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 Dichtung aus Edelstahl beispielsweise, dass die Dichtung zu mindestens 80 Vol.-% und bevorzugt mindestens 90 Vol.-% und bevorzugt vollständig bis auf technisch unvermeidbare Verunreinigungen aus Edelstahl hergestellt ist.
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Unter Edelstahl ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein legierter oder unlegierter Stahl mit besonderem Reinheitsgrad gemäß der Definition der EN 10020 zu verstehen. Bei Edelstahl kann es sich zum Beispiel um einen Stahl handeln, dessen Schwefel- und Phosphorgehalt (sogenannte Eisenbegleiter) 0,025 % nicht überschreitet. Da der Sensor im kraftfahrzeugteschnischen Bereich einsetzbar ist, versteht es sich, dass der Edelstahl hitzebeständig sein muss, um bei Betriebstemperaturen von ungefähr 600 °C bis 700 °C beständig zu sein.
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Aufgrund der deutlich höheren Scherfestigkeit von Edelstahl im Vergleich zu den üblichen Materialien der Stützkeramikbuchsen, insbesondere Steatit, können die Formteile bei gleichbleibender Montagekraft zur Verdichtung der Dichtpackung dünner als die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen ausgeführt werden. Alternativ könnten die Formteile in vergleichbaren Abmessungen wie die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen gestaltet werden. Die Montagekraft zur Verdichtung der Dichtpackung entprechend gesteigert werden was eine Verbesserung der Dichtwirkung der Dichtpackung zur Folge hat. Ein weiterer großer Vorteil bietet ein ultraschallunterstütztes Aufbringen der Montagekraft, was im Gegensatz zu sprödharten Keramiken bei Edelstahl aufgrund seiner duktilen Eigenschaft möglich ist. Hierdurch kann die Verdichtung der Dichtpackung und damit die Dichtwirkung nochmals signifikant gesteigert werden. Zudem können die negativen Auswirkungen des Unterschieds der Wärmeausdehungskoeffizienten zwischen Stützkeramikbuchsen und dem Sensorgehäuse durch den Einsatz der Edelstahlformteile deutlich verringert werden. Der Wärmeausdehungskoeffizient der Edelstahlformteile kann auf die jeweilige Gehäusetype angepasst werden.
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Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil können gegenüber dem Sensorgehäuse elektrisch isoliert sein. Die gleiche Isolationseigenschaft ist also wie bei den herkömmlichen Stützkeramikbuchsen gegeben.
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Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil können zumindest auf einer dem Sensorgehäuse zugewandten Oberfläche mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sind. Bevorzugt sind das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil vollständig mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material beschichtet sind. Für die Isolationsbeschichtung gibt es ebenfalls mehrere mögliche Verfahren wie beispielsweise das nasschemische Sol-Gel-Verfahren (elektrisch isolierendes Material: Al2O3, SiO2; Isolationsschichtdicke 1 μm), Atomlagenabscheidung ALD (elektrisch Isolierendes Material: Al2O3, ZrO2, TiO2, TiC, TiN; Isolationsschichtdicke 60–120 nm) oder Plasmaspritzen PCVD(elektrisch Isolierendes Material: Al2O3; Isolationsschichtdicke 100 μm).
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Das messgasseitige Formteil und das anschlussseitige Formteil können ringförmig ausgebildet sein und jeweils eine Dicke von 2 mm bis 6 mm aufweisen. Aufgrund der deutlich höheren Scherfestigkeit von Edelstahl im Vergleich zu den üblichen Materialien der Stützkeramikbuchsen, insbesondere Steatit, können die Formteile bei gleichbleibender Montagekraft zur Verdichtung der Dichtpackung somit dünner als die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen ausgeführt werden, was mehrere technische Möglichkeiten bietet. So lässt sich die Dichtpackung mit mehr Volumen realisieren, was Verbesserungen der Dichtigkeit gegenüber Abgas und Feuchtigkeit bewirkt. So lässt sich zudem ein ein Zurückziehen des messgasseitigen Formteils oder eine Verkürzung des Sensorgehäuses realisieren, was eine bessere Anströmung des Sensorelements und eine Verbesserung der Dynamik bewirkt. Alternativ könnten die Formteile vergleichbar dick wie die herkömmlichen Stützkeramikbuchsen gestaltet werden, was die Möglichkeit bietet, die Steatitpackung mit einer größeren Montagekraft zu verdichten, um die Dichtigkeit zu steigern.
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Die mindestens eine Dichtung kann ringförmig ausgebildet sein und eine Dicke von 6 mm bis 15 mm aufweisen. Somit lässt sich die Dichtpackung dicker als herkömmlich realisieren, was die Dichtigkeit verbessert.
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Das messgasseitige Formteil, das anschlussseitige Formteil und die Dichtung können einteilig ausgebildet sein. Ein großer Kostenvorteil kann erzielt werden, wenn die beiden Formteile und die Dichtung einteilig ausgeführt werden. Die Formteile können hierzu an der Grenzfläche zur dichtung eine Strukturierung aufweisen, wie beispielsweise eine Rändelung, Laschen oder dergleiche, damit sich zwischen der Dichtung und den Formteilen eine Verbindung ergibt.
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Das messgasseitige Formteil, das anschlussseitige Formteil und die Dichtung sind beispielsweise formschlüssig miteinander verbunden sind. Eine Formschluss ergibt eine erhöhte Festigkeit bzw. Stabilität für Handling und Transport.
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Es können mehrere Dichtungen zwischen dem messgasseitigen Formteil und dem anschlussseitigen Formteil angeordnet sein, wobei zumindest eine Dichtung der mehreren Dichtungen aus Steatit hergestellt ist. Bevorzugt sind alle Dichtungen aus Steatit hergestellt. Durch ein reines Steatit-Dichtsystem ergibt sich sich durch die beschriebene mögliche Erhöhung der Montagekraft und ggf. Ultraschallunterstützung bei der Montage eine deutliche Steigerung der Dichtheit.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, die in dem oben beschriebenen Stand der Technik erwähnten Stützkeramikbuchsen durch aus Edelstahl hergestellte Scheiben zu ersetzen.
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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 und
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3 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Sensorelements gemäß einer dritten 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. 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 Dichtung 42 umgeben, beispielsweise ringförmig, d.h. senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung 34. Die Dichtung 42 ist aus Steatit hergestellt. Die mindestens eine Dichtung 42 weist eine Dicke 44 von 6 mm bis 15 mm auf. Das Sensorelement 32 kann von mehreren Dichtungen umgeben sein. Im Fall von mehreren Dichtungen können diese aus unterschiedlichen oder identischen Materialien hergestellt sein. Zumindest eine Dichtung davon ist aus Steatit hergestellt. Bevorzugt sind im Fall von mehreren Dichtungen alle Dichtungen aus Steatit hergestellt. Im Fall von mehreren Dichtungen weisen diese zusammen eine Dicke von 6 mm bis 15 mm auf.
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In der Längsbohrung 16 des Sensorgehäuses sind beabstandet voneinander ein messgasseitiges Formteil 46 und ein anschlussseitiges Formteil 48 angeordnet. Die Dichtung 42 ist zwischen dem messgasseitigen Formteil 46 und dem anschlussseitigen Formteil 48 angeordnet. Das messgasseitige Formteil 46 liegt eines an der Ringfläche 20 an. Die Dichtung 42 ist zwischen dem dem messgasseitigen Formteil 46 und dem anschlussseitigen Formteil 48 eingespannt. Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind aus Edelstahl hergestellt. Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind gegenüber dem Sensorgehäuse 12 elektrisch isoliert. Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind zumindest auf einer dem Sensorgehäuse 12 zugewandten Oberfläche 50 mit mindestens einem elektrisch isolierenden Material 52 beschichtet. Bevorzugt sind das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 vollständig, d.h. allseitig, mit dem elektrisch isolierenden Material 52 beschichtet. Das elektrisch isolierende Material ist Al2O3, SiO2, ZrO2, TiO2, TiC, oder TiN.
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Das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 sind ringförmig ausgebildet und weisen jeweils eine Dicke 54 von 2 mm bis 4 mm auf, beispielsweise 3 mm. Das messgasseitige Formteil 46, das anschlussseitige Formteil 48 und die Dichtung 42 können einteilig ausgebildet sein. Beispielsweise sind das messgasseitige Formteil 46, das anschlussseitige Formteil 48 und die Dichtung 42 formschlüssig miteinander verbunden, beispielsweise mittels einer Rändelung oder mittels Laschen.
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Bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform ist das Sensorgehäuse 12 im Vergleich zu dem Gehäuse aus dem oben genantnen Stand der Technik verkürzt ausgebildet. Dabei ist das Volumen der Dichtung 42 bzw. deren Dicke identisch mit dem Volumen bzw. der Dicke der Dichtpackung aus dem oben genannten Stand der Technik. Allerdings sind die Formteile 46, 48 dünner als die Stützkeramikbuchsen aus dem oben genannten Stand der Technik. Dadurch ragt das Sensorelement 32 weiter in die Schutzrohrer 26, 28 hinein, was die Dynamik und die Funktion des Sensorelements 32 verbessert. Ein weiteres Verkürzen des Sensorgehäuses 12 ist bei einer Änderung der anbindung der Schutzrohre 26, 28 an das Sensorgehäuse 12 möglich.
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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 ist das Sensorgehäuse 12 nicht verkürzt ausgebildet. Bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform ist die Dichtung 42 dicker als bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform. So weist die Dichtung 42 bei dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform eine Dicke 44 von 10 mm bis 15 mm auf, beispielsweise 12 mm. Dadurch weist die Dichtpackung eine vergrößertes Volumen auf, was die Dichtheit erhöht.
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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. Bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform ist das Sensorgehäuse 12 nicht verkürzt ausgebildet. Bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform ist die Dichtung 42 dicker als bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform. So weist die Dichtung 42 bei dem Sensor 10 der dritten Ausführungsform eine Dicke 44 von 6 mm bis 11 mm auf, beispielsweise 10 mm auf. Zudem sind das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 dicker als bei dem Sensor 10 der ersten Ausführungsform. So weisen das messgasseitige Formteil 46 und das anschlussseitige Formteil 48 jeweils eine Dicke 54 von 4 mm bis 6 mm auf, beispielsweise 5 mm. Dadurch weist die Dichtpackung eine vergrößertes Volumen auf und es sind größere Montagekräfte zum Verpressen der Dichtung 42 möglich, was die Dichtheit im Vergleich zu dem Sensor 10 der zweiten Ausführungsform nochmals erhöht. Beim Einsetzen der oben beschriebenen Dichtungen 42 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]
- EN 10020 [0009]
