DE19705402B4

DE19705402B4 - Gassensor

Info

Publication number: DE19705402B4
Application number: DE19705402A
Authority: DE
Inventors: Max Dr. Greiner; Theodor Graser; Gerhard Dr. Hoetzel; Johann Wehrmann; Heinz Eisenschmid
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-07-17
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2017-02-14
Also published as: DE19705402A1; JP3983295B2; WO1998003861A1; JPH11513120A; EP1038173A1; CN1197512A; KR20000064242A

Abstract

Gassensor mit einem Sensorelement, welches in einem Gehäuse fixiert ist, und mit einem doppelwandigen Schutzrohr mit einer äußeren Schutzhülse und einer inneren Schutzhülse, die jeweils mindestens eine Öffnung zum Gasein- und/oder Gasaustritt aufweisen, wobei die innere Schutzhülse einen Meßgasraum bildet, in den das Sensorelement mit einem meßgasseitigen Abschnitt hineinragt, und wobei zwischen der äußeren und der inneren Schutzhülse ein Zwischenraum zur Weiterleitung des Gases in den Meßgasraum ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schutzhülse (31) und die innere Schutzhülse (32) einstückig ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Gassensor, insbesondere zur Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen von Verbrennungsmotoren, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der US-PS 4 597 850 ist ein Gassensor mit einem Sensorelement bekannt, bei dem das Sensorelement am abgasseitigen Ende von einem doppelwandigen Schutzrohr mit einem äußeren Zylinderteil und einem inneren Zylinderteil umgeben ist. Die beiden Zylinderteile werden getrennt voneinander hergestellt, in mindestens einem Montageschritt zusammengefügt und anschließend am Gehäuse des Gassensors befestigt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gassensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Montage zum Fügen des doppelwandigen Schutzrohres entfällt. Dadurch ist das Schutzrohr und damit der Gassensor kostengünstiger herstellbar.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Gassensors möglich. Besonders vorteilhaft ist es, daß aufgrund des an den Querschnitt des Sensorelements angepaßten Querschnitts der inneren Schutzhülse bei einem zur Verfügung stehenden engen Bauraum für die innere Schutzhülse das Sensorelement nach allen Seiten einen ausreichenden Sicherheitsabstand zur Innenwand der inneren Schutzhülse hat. Dieser Sicherheitsabstand ist notwendig, weil das Sensorelement bei stoßartiger Belastung in der inneren Schutzhülse elastisch ausgelenkt wird und beim Anstoßen an die Innenwand beschädigt würde beziehungsweise zu Bruch gehen kann. Die geschlossene Mantelfläche der äußeren Schutzhülse und die Anordnung einer stirnseitigen Gasöffnung für den Gaseintritt in den Zwischenraum zwischen äußerer und innerer Schutzhülse hat den Vorteil, daß das Abgas bis zum sensitiven Bereich einen längeren Strömungsweg aufweist, der Meßgasraum jedoch eine ausreichende Durchströmung erhält. Außerdem werden die im Abgas von Verbrennungsmotoren mitgeführten Partikel, wie beispielsweise Verunreinigungen oder Kondenswasser, am Eindringen in den Zwischenraum zwischen äußerer und innerer Schutzhülse gehindert. Die Anordnung der inneren Gasöffnungen am Ringflansch zwischen äußerer und innerer Schutzhülse bewirkt, daß im Abgas mitgeführtes Kondenswasser nicht unmittelbar an den sensitiven Bereich des Sensorelements gelangt, sondern in Richtung des Innenraums des Gehäuses gerichtet wird.

Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Es zeigen 1 einen abgasseitigen Abschnitt des erfindungsgemäßen Gassensors im Längsschnitt, 2 einen Schnitt nach der Linie II-II gemäß 1, 3 einen Schnitt nach der Linie III-III gemäß 1 und 4 eine weitere Ausführungsform eines Schutzrohres im Längsschnitt.
1 zeigt einen abgasseitigen Abschnitt eines Gassensors beispielsweise eines elektrochemischen Sauerstoffsensors, mit einem abgasseitigen metallischen Gehäuseabschnitt 11, in dem ein planares Sensorelement 12 gasdicht fixiert ist. Der abgasseitige Gehäuseabschnitt 11 ist Teil eines beispielsweise aus zwei Teilen zusammengesetzten Gehäuses. Ein nicht dargestellter anschlußseitiger Gehäuseabschnitt, in dem die Kontaktierung des Sensorelements 12 untergebracht ist, ist mit dem abgasseitigen Gehäuseabschnitt 11 gasdicht verschweißt. Es ist aber genauso denkbar, das Gehäuse aus einem einzigen Gehäuseteil herzustellen.
Der Gehäuseabschnitt 11 besteht aus einer Zylinderhülse 14 mit einer abgasseitigen Öffnung 15. Die Zylinderhülse 14 ist an einer Stelle mit einer radial einwärts gerichteten Einformung 16 ausgeführt. Von der Einformung 16 wird ein erstes keramisches Formteil 21 mit einer ersten Durchführung 22, ein zweites keramisches Formteil 23 mit einer zweiten Durchführung 24 und ein dazwischen angeordnetes Dichtelement 25 gehalten. Vom zweiten Formteil 23 wirkt eine Anpreßkraft auf das Dichtelement 25, das aus vorgepreßtem Steatitpulver besteht. Durch die Anpreßkraft wird das Steatitpulver des Dichtelements 25 an das Sensorelement 12 und an die Innenwand des Gehäuseabschnitts 11 gedrückt, wodurch das Sensorelement 12 gasdicht im Gehäuseabschnitt 11 gehalten wird.
Das Sensorelement 12 besteht aus einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytkeramik mit nicht dargestellten Elektroden. Mindestens eine Elektrode ist dem Abgas ausgesetzt und bildet am Sensorelement 12 einen sensitiven Bereich 13. Das planare Sensorelement 12 ist aus mehreren keramischen Folien zusammenlaminiert, gesintert und weist im gesinterten Zustand einen rechteckigen Querschnitt auf.
Am Gehäuseabschnitt 11 ist ein doppelwandiges Schutzrohr 30 mit einer äußeren Schutzhülse 31 und einer inneren Schutzhülse 32 befestigt. Die innere Schutzhülse 32 umgibt einen Meßgasraum 34, in den das Sensorelement 12 mit dem sensitiven Abschnitt 13 eintaucht. Die äußere Schutzhülse 31 und die innere Schutzhülse 32 sind beabstandet voneinander angeordnet, so daß sich dazwischen ein umlaufender Zwischenraum 35 ausgebildet, der zur Weiterleitung des Abgases in den Meßgasraum 34 dient.
Die äußere Schutzhülse 31 ist als eine zylindrische Hülse 36 ausgeführt, die am gehäuseseitigen Ende sich zu einem zylindrischen Abschnitt 37 verjüngt, wobei der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 37 dem Innendurchmesser der Öffnung 15 des Gehäuseabschnitts 11 entspricht. Am abgasseitigen Ende ist die Hülse 36 aus fertigungstechnischen Gründen leicht nach außen gebogen. Es ist aber genauso denkbar, die Hülse 36 am abgasseitigen Ende zylindrisch auslaufen zu lassen oder aber mit einer zur inneren Schutzhülse 32 gerichteten Biegung zu versehen. Die Hülse 36 ist mit einer geschlossenen Mantelfläche ausgeführt. Der Gasein- und/oder Gasaustritt bezüglich des Zwischenraumes 35 wird von einer stirnseitigen Gasöffnung 39 gebildet.
Die innere Schutzhülse 32 weist entsprechend dem Querschnitt des Sensorelements 12 einen rechteckförmigen Querschnitt auf und hat vier Seitenwände 41. Die vier Seitenwände 41 haben einen ausreichenden Abstand zum Sensorelement 12, wobei der Abstand an allen vier Seiten etwa gleich ist. Am abgasseitigen Ende laufen die vier Seitenwände 41 zu einem Boden 42 zusammen. Die Seitenwände 41 und der Boden 42 umgeben den Meßgasraum 34 (2 und 3). Im Boden 42 ist bezüglich der Mittellinie fluchtend eine Gasöffnung 44 zum Gasaus- und/oder Gaseintritt angeordnet.
Das abgasseitige Ende der inneren Schutzhülse 32 ragt über das abgasseitige Ende der äußeren Schutzhülse 31 hinaus. Dadurch ensteht zwischen der Innenwand der Hülse 36 der äußeren Schutzhülse 31 und der Außenseite der Seitenwände 41 der inneren Schutzhülse 32 ein umlaufender Spalt 50, der die stirnseitige Gasöffnung 39 zum Gasein- und/oder Gasaustritt für den Zwischenraum 35 bildet.
Am gehäuseseitigen Ende sind die vier Seitenwände 41 mittels eines Ringflansches 46 mit der zylindrischen Hülse 36 der äußeren Schutzhülse 31 verbunden, wobei der Ringflansch 46 zumindest annähernd rechtwinklig zu den Seitenwänden 41 und der Hülse 36 verläuft. In den Ringflansch 46 sind zwei innere Gasöffnungen 48 eingebracht. Die beiden inneren Gasöffnungen 48 sind gemäß 2 beispielsweise gegenüberliegend und parallel zu den breiten Seitenwänden 41 der inneren Schutzhülse 32 angeordnet. Es ist aber genauso denkbar, lediglich eine innere Gasöffnung 48 oder aber mehr als zwei innere Gasöffnungen 48 am Ringflansch 46 vorzusehen.
Das doppelbandige Schutzrohr 30 mit der äußeren Schutzhülse 31 und der inneren Schutzhülse 32 ist einstückig ausgeführt. Dies wird fertigungstechnisch durch ein Tiefziehverfahren realisiert, wobei zunächst die innere Schutzhülse 31 mit den Seitenwänden 41 und dem Boden 42 geformt wird. Danach wird die Hülse 36 der äußeren Schutzhülse 31 ausgeführt, wobei gleichzeitig der Ringflansch 46 und der Spalt 50 entstehen.
Der zylindrische Abschnitt 37 der Hülse 36 wird beim Formen der äußeren Schutzhülse 31 realisiert. Die Herstellung der Gasöffnungen 44 und 48 ist zweckmäßigerweise in den Tiefziehprozeß integriert.
Das einstückig geformte und mit den Gasöffungen 39, 44, 48 versehene Schutzrohr 30 wird mit dem zylindrischen Abschnitt 37 in die Öffnung 15 des Gehäuseabschnitts 11 eingesetzt und mittels einer umlaufenden Schweißnaht 52, beispielsweise mittels Laser-Schweißen, verschweißt.
In einem nicht dargestellten Abgasrohr strömt das Abgas in der mit einem Pfeil in 1 angedeuteten Richtung, wobei das Abgas über den Spalt 50 in den Zwischenraum 35 gelangt. Durch die inneren Gasöffnungen 48 dringt das Abgas in den Meßgasraum 34 ein. Durch die Gasöffnung 44 strömt schließlich das Abgas aus dem Meßgasraum 34 wieder heraus. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, daß das Abgas auch durch die Gasöffnung 44 in den Meßgasraum 34 hineinströmt, wobei sich dann die Strömung im Meßgasraum 34 und im Zwischenraum 35 umkehrt.
Eine weitere Ausführungsform des Schutzrohres 30 geht aus 4 hervor. Hierbei ist die äußere Schutzhülse 31 am umlaufenden Spalt 50 mit einem zur inneren Schutzhülse 32 weisenden Rand 55 versehen. Mit dem Rand 55 wird der umlaufende ringförmige Spalt 50 verkleinert und damit die stirnseitige Gasöffnung 39 verengt. Die Verengung der stirnseitigen Gasöffnung 39 bietet einen noch besseren Schutz vor dem Eindringen von im Abgas mitgeführten Kondenswasser.
Neben den beschriebenen Ausführungsformen ist es jedoch auch denkbar, die innere Schutzhülse 32 mit jedem beliebigen Querschnitt auszuführen, beispielsweise mit einem kreisförmigen Querschnitt oder einem quadratischen Querschnitt. Darüberhinaus ist es denkbar, das abgasseitige Ende der Hülse 36 mit einem stirnseitigen Boden zu versehen, in dem die stirnseitigen Gasöffnungen 39 eingebracht sind.

Claims

Gassensor mit einem Sensorelement, welches in einem Gehäuse fixiert ist, und mit einem doppelwandigen Schutzrohr mit einer äußeren Schutzhülse und einer inneren Schutzhülse, die jeweils mindestens eine Öffnung zum Gasein- und/oder Gasaustritt aufweisen, wobei die innere Schutzhülse einen Meßgasraum bildet, in den das Sensorelement mit einem meßgasseitigen Abschnitt hineinragt, und wobei zwischen der äußeren und der inneren Schutzhülse ein Zwischenraum zur Weiterleitung des Gases in den Meßgasraum ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schutzhülse (31) und die innere Schutzhülse (32) einstückig ausgebildet sind.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am gehäuseseitigen Ende zwischen äußerer Schutzhülse (31) und innere Schutzhülse (32) ein Ringflansch (46) ausgebildet ist, der mindestens eine innere Gasöffnung (48) aufweist.
Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringflansch (46) zumindest annähernd rechtwinklig zur äußeren Schutzhülse (31) und zur inneren Schutzhülse (32) verläuft.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der äußeren Schutzhülse (31) und der inneren Schutzhülse (32) mindestens eine stirnseitige Gasöffnung (39) zum Gasein- und/oder Gasaustritt in den Zwischenraum (35) ausgebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitig Gasöffnung (39) von einem umlaufenden Spalt (50) gebildet ist.
Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schutzhülse (31) am gasseitigen Ende einen zur inneren Schutzhülse (32) gerichteten Rand (55) aufweist, der den umlaufenden Spalt (50) verengt.
Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (11) am abgasseitigen Ende eine zylindrische Öffnung (15) aufweist, daß am gehäuseseitigen Ende der äußeren Schutzhülse (31) ein zylindrischer Abschnitt (37) angeformt ist, und daß das Schutzrohr (30) mit dem zylindrischen Abschnitt (37) in die zylindrische Öffnung (37) des Gehäuses (11) eingesetzt und mit dem Gehäuse (11) gasdicht verbunden ist.