DE19523978C2 - Abgassensor mit geringer Ansprechzeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgassensor mit gerin­ ger Ansprechzeit gemäß dem Oberbegriff von Patent­ anspruch 1.

Die Lambda-Regelung stellt in Verbindung mit dem Dreiwege-Katalysator heute das wirksamste Abgasrei­ nigungsverfahren für Brennkraftmaschinen dar. Dabei liefert ein im Abgasrohr stromaufwärts des Katalysa­ tors angeordneter Sauerstoffsensor, in der Regel als Lambda-Sonde bezeichnet, ein vom Sauerstoffgehalt im Abgas abhängiges Signal, das eine Lambda-Regelein­ richtung derart weiterverarbeitet, daß das mittels einer Zumeßeinrichtung, wie Einspritzventile oder Vergaser den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoff-Luftgemisch eine nahezu vollständige Ver­ brennung (λ = 1,00) ermöglicht.

Eine derartige Regelung der Luftzahl λ des Summen­ abgases einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, auch als globale Regelung bezeichnet, auf λ = 1,00 führt aufgrund der vorhandenen Durchflußstreuungen der Einspritzventile sowie der unterschiedlichen Zylinder­ füllungen zu nennenswerten Abweichungen der Einzel­ zylinderluftzahlen vom Sollwert. Daraus resultieren so­ wohl negative Einflüsse auf die Rohemission der Brenn­ kraftmaschine als auch auf die Konvertierungsrate des Katalysators.

Aus diesem Grunde geht man bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen von der globalen Regelung des Summenabgases auf zylinderselektive Regelalgorith­ men über. Hierbei muß der Abgassensor in der Lage sein, die von den einzelnen Zylindern ausgestoßenen Abgaspakete hinsichtlich ihrer Abgaszusammensetzung getrennt zu analysieren. Dies ist aber nur möglich, wenn der Abgassensor eine sehr geringe Ansprechzeit auf­ weist.

Solche schnellen Sauerstoffsensoren zur zylinderse­ lektiven Gemischregelung, deren Werte für die An­ sprechzeiten typisch unter 15 ins liegen, sind beispiels­ weise auf der Basis von Strontiumtitanat (SrTiO3) in Dünnschichttechnologie aufgebaut (VDI Berichte 939, Düsseldorf 1992, "Vergleich der Ansprechgeschwindig­ keit von KFZ Abgassensoren zur schnellen Lambda­ messung auf der Grundlage von ausgewählten Metall­ oxiddünnfilmen").

Um diese kurzen Ansprechzeiten solcher Sauerstoff­ sensoren zu erreichen, sind sehr hohe Temperaturen des Sensorelements von typisch ca. 900°C erforderlich.

Deshalb ist in dem Substrat, das die gassensitive Schicht des Sauerstoffsensors trägt, eine elektrische Heizeinrichtung integriert. Damit das Sensorelement und insbesondere die gassensitive Schicht dem Abgass­ trom und den Abgaspartikeln nicht unmittelbar ausge­ setzt ist, wird das Sensorelement üblicherweise von ei­ nem Schutzgehäuse umgeben.

Bei den bekannten Abgassensoren ist dieses Schutz­ gehäuse rohrförmig ausgebildet und als Blech-Tiefzieh­ teil realisiert. Über kleine, am Umfang des Schutzgehäu­ ses verteilte Bohrungen oder Schlitze strömt das zu de­ tektierende Abgas in das Schutzrohr ein und gelangt an die gassensitive Schicht des Sensorelements. Durch ein solches Schutzgehäuse wird der Gasaustausch mehr oder weniger behindert und damit die Ansprechge­ schwindigkeit des Sensors erhöht.

In der EP 0 503 295 A1 ist ein Gehäuse für einen schnellen Abgassensor zur zylinderselektiven Lambda­ messung in einem Verbrennungsmotor beschrieben, das hohlzylinderförmig ist und in seinem Umfang minde­ stens zwei rotationssymmetrisch angeordnete, parallel zur Achse des Gehäuses liegende schlitzförmige Öff­ nungen aufweist, deren Ränder sich jalousieartig über­ lappen. Dadurch wird einerseits erreicht, daß ein direk­ tes Anströmen des Sensorelements durch das Abgas verhindert und damit die Ablagerung von Partikeln weitgehend vermieden wird und andererseits wird durch eine solche Anordnung der Gasaustausch nicht behindert, so daß die Ansprechgeschwindigkeit des Sen­ sors nicht merklich beeinträchtigt wird.

Aus der DE 43 24 659 C1 ist ein Gassensor bekannt mit einem aus Stahl bestehenden Schutzgehäuse, dessen Aufbau einer Pfeife ähnelt. Diese weist einen s-förmig gekrümmten Strömungskanal auf, der die Gaseintritts­ öffnung mit der Gasaustrittsöffnung verbindet. Ein pla­ nares Sensorelement ist in einem weitgehend laminar durchströmten Abschnitt des Kanals hinter einer in die Gaseintrittsöffnung mündenden Krümmung angeord­ net. Da die in dem gasförmigen Medium mitgeführten schwereren Teilchen der Kanalkrümmung nicht folgen können, prallen sie auf die Kanalwand und bleiben dort haften. Die in der umgelenkten Strömung eventuell noch mitgeführten leichteren Teilchen werden von ei­ nem dem Sensorelement vorgelagerten Metallsteg ab­ gefangen. Dadurch wird zwar einerseits eine nahezu wirbelfreie Umströmung des kompletten Sensorele­ mentes gewährleistet und Ablagerungen auf den gas­ sensitiven Bereichen vermieden, andererseits hat diese Anordnung den Nachteil, daß damit ein großer Wärme­ transport von dem Sensorelement zu der Gasströmung erfolgt und damit die Heizleistung der elektrischen Heizeinrichtung des Sensors steigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu­ grunde, einen Abgassensor der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß die Ansprechzeit nicht durch Gastransportvorgänge nennenswert erhöht und die Temperaturverteilung über die aktive Sensorschicht günstig beeinflußt wird.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Pa­ tentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgen­ den unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch das Gehäuses eines Abgas­ sensors,

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Gehäuse entlang der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Abgassensors ent­ lang der Linie III-III in Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung des Abgassensors ent­ lang der Linie IV-IV in Fig. 2,

Fig. 5 und 6 Beispiele für weitere Ausgestaltungen des Strömungskanals und

Fig. 7 und 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein Schutzrohr des Abgassensors.

In den Figuren sind nur die Teile eines Abgassensors dargestellt, die für das Verständnis der Erfindung not­ wendig sind. Bei dem Abgassensor handelt es sich um einen Sauerstoffsensor mit geringer Ansprechzeit für Kraftfahrzeuge, der bezüglich seines Ausgangssignals entweder eine Sprungcharakteristik oder eine lineare Charakteristik aufweisen kann.

Kernstück des Abgassensors ist ein planares Sensor­ element 10, das zur Detektion von Abgasbestandteilen, insbesondere zur Detektion des Restsauerstoffgehaltes im Abgas einer Brennkraftmaschine in der Nähe ihres stirnseitigen Endes einen gasaktiven Bereich, auch als gassensitive Schicht 11 bezeichnet, aufweist. Zur Behei­ zung des Sensorelements 10 ist in unmittelbarer Nähe der gassensitiven Schicht 11 eine elektrische Heizein­ richtung (nicht dargestellt) beispielsweise in Form von Widerstandsbahnen in Mäanderform auf dem Sensor­ element aufgebracht. Dadurch kann das Sensorelement 10 auf eine hohe, kurze Ansprechzeiten garantierende Betriebstemperatur von typisch 900°C aufgeheizt wer­ den.

Zum Schutz vor dem partikelbeladenen Abgasstrom, der zur Verschmutzung des Sensorelements 10 und im schlimmsten Fall zur Zerstörung der gassensitiven Schicht 11 führen kann, ist das Sensorelement 10 von einem mehrteiligen Schutzgehäuse 12 umgeben. Das Schutzgehäuse 12 besteht im wesentlichen aus einer Metallhülse 13 und einem, teilweise in die Metallhülse 13 hineinragenden und dort gehaltenen, vorzugsweise aus Keramikmaterial bestehenden Schutzrohr 14.

Zur Befestigung des Abgassensors an einem Abgas­ rohr und zur Halterung des Schutzrohres 14 ist an einer Stirnseite der Metallhülse 13 ein umlaufender Bund 15 vorgesehen, so daß die Metallhülse 13 hier einen Be­ reich mit einem gegenüber dem zylindrischen Grund­ körper erweiterten Durchmesser aufweist.

An diesem Bund 15 kann beispielsweise eine Über­ wurfmutter aufliegen, die mit einem Gewinde am Ab­ gasrohr zusammenwirkt. Dadurch läßt sich der Abgas­ sensor im Falle eines Defektes leicht auswechseln. Es ist aber auch möglich, daß der Bund 15 ein Außengewinde trägt und der Abgassensor in eine Bohrung des Abgas­ rohres mit entsprechendem Gegengewinde einge­ schraubt wird. In jedem Fall ragt dabei das Schutzrohr 14 mit noch näher zu beschreibenden Eintritts- und Aus­ trittsöffnungen für das zu detektierende Gas in den Ab­ gasstrom hinein, während die Metallhülse 13 mit ihren elektrischen Anschlüssen für die gassensitive Schicht 11 und der elektrischen Heizeinrichtung außerhalb des Ab­ gasrohres angeordnet ist.

Innerhalb der Metallhülse 13 ist ein bezüglich seiner Längserstreckung symmetrischer, hohlzylindrischer Ke­ ramikträger 16 angeordnet, dessen Außenkontur der Form der Metallhülse 13 angepaßt ist, so daß der Kera­ mikträger 16 von der Metallhülse 13 fest umschlossen ist. Das Sensorelement 10 ist in dem hohlzylindrischem Teil mittels eines temperaturbeständigen Haftstoffes 17, z. B. Kleber oder Glaslot an mehreren, räumlich beab­ standeten Haftstellen eingeklebt. Bevorzugte Befesti­ gungsstellen des Sensorelements 10 an dem Keramik­ träger 16 sind dabei Bereiche in der Nähe der stirnseiti­ gen Enden des Keramikträgers 16. Zwischen den beiden Haftstellen befindet sich innerhalb des Freiraumes zwi­ schen Keramikträger 16 und Sensorelement 10 ein Füll­ stoff 18 aus einem Material mit geringer Wärmeleitung, z. B. Keramikpulver, Silikatpulver oder Kreide.

Zur Befestigung des Schutzrohres 14 an dem Kera­ mikträger 16 dient ein an einer Stirnseite des Schutzroh­ res 14 angeformter Flansch 19, der beim Zusammenbau des Abgassensors in eine entsprechende Aussparung 20 in dem Bund 15 des Keramikträgers 16 eingesetzt wird. Die lichte Weite des Schutzrohres 14 ist an dieser Stirn­ seite etwas vergrößert, so daß hier ein Raum gebildet ist, in dem ebenfalls ein Haftstoff 17 eingebracht werden kann, mit dessen Hilfe sowohl das Schutzrohr 14 in dem Keramikträger 16 als auch das Sensorelement 10 an dem Schutzrohr 14 fixiert ist. Um eine dauerhafte und mechanisch belastbare Befestigung des Schutzrohres 14 am Keramikträger 16 zu erreichen, werden die an der Außenseite des Bundes 15 verlaufenden freien Enden der Metallhülse 13 nach dem Einsetzen des Schutzroh­ res 14 gebördelt, so daß der Flansch 19 in der Ausspa­ rung 20 festgehalten wird. Eine Dichtung 21 zwischen dem Flansch 19 bzw. der Unterseite des Bundes 15 und dem gebördelten Ende der Metallhülse 13 dient einer­ seits zum gasdichten Verschluß des abgasführenden Schutzrohres 14 und andererseits ebenso wie eine Dich­ tung 22 zwischen der Schulter des Bundes 15 und der dort anliegenden Metallhülse 13 zur Vermeidung von punktförmigen Spannungen im Keramikträger 16. Die Dichtung 21 kann dabei gemeinsam mit der Metallhülse 13 am Keramikträger 16 befestigt werden.

Außerdem kann an der Metallhülse 13 eine mechani­ sche Kodiervorrichtung, beispielsweise in Form eines Vorsprunges oder einer Nut angebracht sein, die mit einer entsprechenden Gegenvorrichtung am Abgasrohr derart zusammenwirkt, daß ein Einbau des Abgassen­ sors nur in einer gerichteten Lage möglich und damit die Anströmrichtung des Abgases auf die gassensitive Schicht 11 des Sensorelements 10 vorgegeben ist.

Ein Deckel 23, vorzugsweise ebenfalls aus Keramik­ material schließt das Schutzrohr 14 an dem in den Ab­ gasstrom hineinragenden Ende ab. Die Verbindung des Deckels 23 mit dem Schutzrohr 14 kann beispielsweise durch Klebung mit dem Haftmittel 17 erfolgen, das auch zur Fixierung und Halterung des Sensorelements 10 in dem Keramikträger 16 verwendet wird.

Gemäß weiterer Ausführungsformen ist entweder das Schutzrohr 14, der Keramikträger 16 und der Dek­ kel 23 als einstückiges Teil ausgeführt oder der Deckel 23 und das Schutzrohr 14 bilden eine Einheit, die in beschriebener Art und Weise im Keramikträger 16 be­ festigt ist.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch das Schutz­ rohr 14 entlang der Schnittlinie I-I in Fig. 1. Mit dem Bezugszeichen 24 ist dabei ein Strömungskanal bezeich­ net, der das Abgas in der der mit dem Pfeilsymbol ge­ kennzeichneten Richtung an der gassensitiven Schicht 11 des Sensorelements 10 vorbeileitet. Der Querschnitt des Strömungskanals 24 ist in im Einlaufbereich 25 ver­ kleinert, wodurch eine beschleunigte Strömung ent­ steht. Dadurch werden Strömungsablösungen sowie die Ausbildung strömungsarmer Gebiete verhindert. Der Austrittsbereich 26 des Strömungskanals 24 ist radial nach außen gekrümmt. Dadurch können Rückstromef­ fekte durch Pulsationsvorgänge teilweise abgeschirmt werden. Da sich der Strömungsaustritt in einem Unter­ druckgebiet befindet, wird die Durchströmung zusätz­ lich beschleunigt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen weitere Strömungskanalgeo­ metrien, durch deren Ausgestaltung eine laminare Strö­ mung an der gassensitiven Schicht 11 erreicht wird.

Da das Sensorelement 10 nur im Bereich der gassensi­ tiven Schicht 11 vom Abgas umströmt wird und die Arbeitstemperatur von zeitlich hoch auflösenden Ab­ gassensoren bei etwa 900°C liegt, bringt dies den Vor­ teil, daß sich die erforderliche Heizleistung gegenüber bekannten Anordnungen, bei denen das Sensorelement vollständig dem Abgasstrom ausgesetzt ist, deutlich re­ duziert.

Eine weitere Verringerung der Heizleistung kann durch eine Reduzierung des Strahlungswärmeanteils er­ reicht werden. Durch Reflexion der von der Heizein­ richtung des Sensorelements 10 abgegebenen Wärme­ strahlung am Schutzrohr 14 kann die effektiv wirksame Strahlungskonstante verkleinert werden. Da die nicht­ umströmten Oberflächen des Sensorelements 10 vom Schutzrohr 14 eng umfaßt sind, wird diese Strahlungs­ konstante zusätzlich verringert, da diese eine Funktion des Verhältnisses der abstrahlenden Fläche zu der ab­ sorbierenden Fläche ist. Der Abstand A zwischen dem Schutzrohr 14 und der nichtumströmten Oberfläche des Sensorelements 10 (Fig. 2) ist daher optimiert auf mini­ malen Wärmeverlust und beträgt bei einer typischen Arbeitstemperatur des Sensorelements von ca. 900°C etwa 0,5 mm.

Die Fig. 7 und 8 zeigen eine weitere Ausführungs­ form für ein Schutzrohr 14 und die Anordnung des Strö­ mungskanals 24. Bei dieser Anordnung ist das Schutz­ rohr 14 nicht mit einem separaten Deckel abgeschlos­ sen, sondern das Schutzrohr 14 ist einstückig ausgebil­ det. Außerdem liegen der Eintrittsbereich 25 (Fig. 7) und der Austrittsbereich 26 (Fig. 8) für das Abgas in verschiedenen Ebenen. Dadurch erfolgt eine Umlen­ kung des Gasstromes und die im Abgas mitgeführten Partikel treffen nicht direkt auf die gassensitive Schicht 11 des Sensorelements.

Besteht sowohl das Schutzrohr 14 als auch der Sens­ orträger 16 aus keramischen Material, so kann aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Keramik der Ein­ fluß von sich ändernden thermischen Umgebungsbedin­ gungen auf die Temperaturregelung bzw. auf das Sen­ sorausgangssignal unterdrückt werden.

Außerdem verhindert ein Schutzrohr aus Keramik eine Vergiftung der gassensitiven, halbleitenden Metall­ oxid-Dünnschichten durch Oxide, wie sie von Schutz­ rohren aus Metall abgetragen werden. Dadurch erge­ ben sich auch hinsichtlich der Dauerhaltbarkeit des Ab­ gassensors Vorteile gegenüber Sensoren mit einem me­ tallischen Schutzrohr.

Claims (7)

1. Abgassensor mit einem, einen Eintrittsbereich (25) und ei­ nen Austrittsbereich (26) für das Abgas aufweisenden Gehäuse (12) und einem von diesem Gehäuse (12) umgebenen, eine gas­ sensitive Schicht (11) aufweisenden Sensorelement (10), mit einem Strömungskanal (24), der den Eintrittsbereich (25) und den Austrittsbereich (26) miteinander verbindet, wobei das Sensorelement (10) in dem Strömungskanal (24) angeordnet ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) ein Schutzrohr (14) aus keramischem Material aufweist und der Strömungskanal (24) innerhalb des Schutzrohres (14) derart verläuft, daß nur die gassensitive Schicht (11) des Sensorelements (10) vom Abgas umströmt wird und die vom Abgas nichtumströmten Teile der Oberfläche des Sensorelements (10) vom Schutzrohr (14) derart umfaßt sind, daß zwischen diesen Sensoroberflächen und der Innenwandung des Schutzrohres (14) ein Spalt (A) mit bezogen auf die Dicke des Sensorselements (10) geringer Breite gebildet ist.

2. Abgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Eintrittsbereiches (25) des Strömungska­ nals (24) gegenüber dem restlichen Abschnitt des Strömungska­ nals (24) verkleinert und der Austrittsbereich (26) des Strö­ mungskanals (24) radial nach außen gekrümmt ist.

3. Abgassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Spaltes (A) in Abhängigkeit von der Ar­ beitstemperatur des Sensorelements (10) gewählt ist.

4. Abgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (14) in einen Träger (16) aus Keramikmaterial eingesetzt ist, der wiederum von einer Hülse (13) aus metal­ lischem Werkstoff zumindest teilweise formschlüssig umgeben ist.

5. Abgassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche da­ durch gekennzeichnet, daß der Eintrittsbereich (25) und der Austrittsbereich (26) innerhalb des Schutzrohres (14) in der selben Ebene verlaufen.

6. Abgassensor nach einem der Ansprüche 1-5 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Eintrittsbereich (25) und der Austrittsbe­ reich (26) innerhalb des Schutzrohres (14) in verschiedenen Ebenen verlaufen, so daß der Abgasstrom umgelenkt wird.

7. Verwendung eines Abgassensors nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche als Lambda-Sonde.