DE69411454T2

DE69411454T2 - Abgassensor mit rohrförmiger Hülse

Info

Publication number: DE69411454T2
Application number: DE69411454T
Authority: DE
Inventors: Bruce Richard Dinger; Richard William Duce; Mark Ray Mcclanahan
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1993-05-11
Filing date: 1994-04-18
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2014-04-19
Also published as: EP0624791A1; EP0624791B1; US5329806A; DE69411454D1; JPH06331596A; JP3083231B2

Description

Diese Erfindung betrifft Gassensoren und genauer Autoabgassauerstoffsen soren, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben und beispielsweise in der EP-A-398 625 offenbart.
Autoabgassauerstoffsensoren weisen Elemente, wie Elektroden oder Heizungen auf, die eine Zufuhr von Elektrizität für deren Arbeit erfordern. Fig. 1 der begleitenden Zeichnungen veranschaulicht einen früheren Sauerstoffsensor 10, bei dem elektrische Energie an ein Sensorelement oder eine Heizung 12 durch permanent gecrimpte Kontakte geliefert wird. Die Kontakte weisen eine Klemmenanschlußfläche 14 auf, die permanent mit dem Körper des Sensors oder einer zugeordneten Klemmenanschlußfläche an der Heizung verbunden, beispielsweise gelötet, ist. Der Kontakt an dem anderen Ende umfaßt einen gecrimpten Teil 16, der einen Draht 18 umgibt und kontaktiert, der dem Bauteil elektrische Energie zuführt. Der Draht 18 erstreckt sich dann durch einen Gehäusekörper 20 und ist mit einer äußeren Energiequelle verbunden. Ein Zusammenbauen eines derartigen Sensors erfordert, daß der Sensorkörper permanent an eine Verbindung eines Kabels mit einem Schnittstellenverbinder angebracht wird. Diese Zusammenbauprozeß ist schwierig zu erzielen, und dies ist unerwünscht. Es sind viele zusätzliche Schritte und spezielle Werkzeuge notwendig, um einen Sensor mit einem angebrachten Kabelbaum mit einem Krümmerauge zu verbinden. Die angebrachten Kabelbaumanordnungen können sich verheddern und verwickeln, was es schwierig macht, einen Sensor aus einer Schüttladung herauszuziehen. Es sind zwei Hände erforderlich, um den Sensor in einen Krümmer zu schrauben und somit zu verhindern, daß sich die Drähte verheddern. Es ist ein spezielles Werkzeug erforderlich, um den Sensor in einem Auge an dem Krümmer anzuziehen, das so konstruiert ist, daß es um die Kabelbaumanordnung und Drähte paßt. Ferner müssen die Drähte vor dem Einbau des Sensors in das Fahrzeug an dem Motor befestigt werden, so daß eine Beschädigung der Drähte und des Fahrzeugschnittstellenverbinders verhindert wird.
Die vorliegende Erfindung strebt an, die Mängel dieser früheren Sauerstoffsensoren zu überwinden.
Ein Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist durch die im kennzeichnenden Anteil von Anspruch 1 beschriebenen Merkmale gekennzeichnet.
Die Erfindung umfaßt einen Autoabgassauerstoffsensor und ein Verfahren zum Zusammenbauen desselben, wobei der Sensor einen einstückigen, rohrförmigen Mantel umfaßt, der nahe bei einem unteren Teil von diesem eine gecrimpte Lippe umfaßt. Eine Mutter ist über den rohrförmigen Mantel für einen Eingriff mit der gecrimpten Lippe geschoben. Die Mutter umfaßt einen Gewindeteil, der einem Gewindeauge in einem Abgassystem entspricht. Die gecrimpte Lippe an dem Mantel verhindert, daß der Mantel des Sauerstoffsensors in oder aus dem Auge geschoben wird. Die Mutter arbeitet mit einem Sitz zusammen, der in dem Auge gebildet ist, um zu verhindern, daß der Mantel des Sauerstoffsensors zu weit in das Auge geschoben wird. Die Mutter wird in das Auge geschraubt, um den Sensor ohne die Notwendigkeit, den Mantel zu drehen, an seiner Stelle zu halten. Dies beseitigt die Notwendigkeit für spezielle Werkzeuge, um den Sensor zusammenzubauen und einzubauen.
Der Sensor kann einen mit einem Widerhaken versehenen Ring umfassen, der über den oberen Teil des rohrförmigen Mantels geschoben ist, wobei der Ring einen Widerhaken zum Eingriff mit dem Mantel umfaßt. Ein Haltedeckel ist über den oberen Teil des Mantels und den mit einem Widerhaken versehenen Ring geschoben. Der Haltedeckel umfaßt einen nach innen vorgespannten Finger, um mit dem mit einem Widerhaken versehenen Ring in Eingriff zu treten, so daß der obere Teil des Sensors abgedichtet ist. Es kann eine Teflondichtung innerhalb des Halteelements vorgesehen sein, und in diesem können Löcher gebildet sein, um elektrische Kabel unterzubringen, die zu elektrischen Klemmen für entweder das Sauerstoffwahrnehmungselement oder die Heizung gehören.
Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung, den angehängten Ansprüchen und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:
Fig. 1 einen früheren Abgassauerstoffsensor veranschaulicht,
Fig. 2 einen Gassensor zeigt, der nicht innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche liegt und lediglich zum Zweck einer Veranschaulichung beschrieben ist,
Fig. 3 einen Explosionsschnittansicht des Gassensors von Fig. 2 ist, genommen entlang der Linie 3-3 von Fig. 2,
Fig. 4 eine Schnittansicht des Gassensors von Fig. 2. ist, genommen entlang der Linie 4-4 von Fig. 3,
Fig. 5 eine Explosionsansicht eines als flache Platte ausgebildeten Sauerstoffsensors ist, der bei der vorliegenden Erfindung verwendbar ist,
Fig. 6 eine Schnittansicht eines anderen Gassensors ist, der nicht innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche liegt und lediglich zum Zweck einer Veranschaulichung beschrieben ist, und
Fig. 7 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines Gassensors mit einer verschiebbaren Sechskantmutter gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
In Automobilen werden Abgassauerstoffsensoren verwendet, um die Konzentration von Sauerstoff zu bestimmen, der im Abgas eines Verbrennungsmotors vorhanden ist. Durch Messen der Konzentration des Sauerstoffgehaltes in dem Abgas können verschiedene Motorbetriebsparameter eingestellt werden, um den Motor für eine verbesserte Leistungsfähigkeit und begrenzte Umweltemissionen zu betreiben. Im allgemeinen umfassen Abgassauerstoffsensoren ein Paar Elektroden, die auf entgegengesetzten Seiten eines sauerstoffdurchlässigen Materials, wie eines Elektrolytkörpers, positioniert sind. Wenn den Elektroden Elektrizität zugeführt wird, wandert Gas durch das sauerstoffdurchlässige Material. Die Rate des Sauerstofftransports durch das durchlässige Material wird gemessen, um die Konzentration des Sauerstoffs in dem Abgas zu bestimmen. Oftmals ist eine Heizung vorgesehen, so daß sowohl Referenzsauerstoff als auch Abgassauerstoff auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden. Die Elektrode und die Heizung benötigen elektrische Energie, um zu arbeiten. Die früheren Abgassauerstoffsensoren umfaßten Klemmen, die permanent an den Sensorkörper oder an eine Klemmenanschlußfläche an einer Heizung gelötet waren, wie in Fig. 1 gezeigt. Ein anderer Teil der Klemme war um einen Draht gecrimpt, der mit einer äußeren Energiequelle verbunden war. Die Nachteile derartiger Systeme sind oben umrissen.
Die Fig. 2, 3 und 4 veranschaulichen einen Abgassauerstoffsensor 30, der nicht innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche liegt. Der Sauerstoffsensor umfaßt eine obere Abschirmung 32, einen Körper 34, eine untere Abschirmung 36 und einen Deckel 38, die alle miteinander verbunden sind, um ein Gehäuse des Sauerstoffsensors zu bilden. Die oberen und unteren Abschirmungen 32, 36 sind aus einem rohrförmigen, rostfreien Stahlmaterial mit ungefähr 0,5 mm Dicke hergestellt. Der Körper ist aus einem rostfreien Stahlmaterial mit ungefähr 2,5 mm Dicke am dünnsten Querschnitt hergestellt. Der Körper weist einen Gewindeteil 37 an seiner Außenfläche nahe bei einem unterem Ende von diesem auf, wobei der Gewindeteil 37 in ein Krümmerauge geschraubt sein kann. Ein Heizungselement 40 und ein Sauerstoffwahrnehmungselement 42 sind in dem Gehäuse aufgenommen und durch einen zylindrischen Keramikverbinder 44 und obere und untere Glasdichtungen 46, 48, die sich jeweils von dem Mantel zu Klemmen 50 und zu dem als flache Platte ausgebildeten Sauerstoffwahrnehmungselement 42 erstrecken, in ihrer Position gehalten. Die Klemmen 50 sind für getrennte Verbindungen mit ersten und zweiten Leitern des Heizungselements 40, mit der Elektrode des Sauerstoffwahrnehmungselements 42 und mit einer Erdverbindung vorgesehen. Die Klemmen umfassen jeweils eine Klemmenanschlußfläche 52, die entweder an das Heizungselement 40 oder an das Sauerstoffwahrnehmungselement 42 geschweißt ist. Steckerzinken 54 erstrecken sich von jeder Klemmenanschlußfläche 52 nach oben. Die Steckerzinken 54 können durch die obere Glasdichtung 46 oder durch ein Abstandshalter-Qrientierungs- Aluminiumoxidmaterial (nicht gezeigt), das als ein Klemmenhalter wirkt, an ihrer Stelle gehalten sein. Eine geeignete Glasdichtung für den Halter umfaßt schmelzgeformtes Aluminiumoxidborsilikatglas. Es ist eine zweite Klemme in dem Deckel 38 mit einem entsprechenden Buchsenverbinder für jede Steckerzinke vorgesehen. Jeder Buchsenverbinder umfaßt einen Metallteil 56, der einen Hohlraum 58 festlegt, um mindestens einen Teil einer jeweiligen Steckerzinke 54 aufzunehmen. Jeder Buchsenverbinder umfaßt auch einen gecrimpten Teil 60, der um einen Draht 62 herum gecrimpt ist, welcher sich aus dem Gehäuse des Sauerstoffsensors heraus zu einer äußeren Energiequelle erstreckt. Die Buchsenverbinder können durch einen Dichtungsstopfen 64 in ihrer Position gehalten sein, der in den Deckel 38 des Sauerstoffsensors eingeführt ist. Die Steckerzinken 54 und die Buchsenverbinder können aus irgendeinem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise goldplattierter, rostfreier Stahl, hergestellt sein.
Die Orientierung der Steckerzinke und der Buchsenaufnahme für jede elektrische Klemme kann verändert werden, und jede Klemme kann mindestens eine Steckerzinke und eine Buchsenaufnahme aufweisen. Die Steckerzinken und die Buchsenaufnahmen können an jeder elektrischen Klemme angeordnet sein, um sicherzustellen, daß die Klemmen des Heizungselements und des Sauerstoffwahrnehmungselements immer richtig verbunden und zusammengebaut sind. Wie in Fig. 4 gezeigt, können die Steckerzinken eine Vielfalt von Formen aufweisen, die eine im Querschnitt im wesentlichen zylindrische oder im wesentlichen rechtwinklige Form umfassen. Die entsprechende Buchsenaufnahme ist konstruiert, um einen Hohlraum festzulegen, um die besondere Form der entsprechenden Stekkerzinke an der gegenüberliegenden Klemme aufzunehmen. Jede Steckerzinke und jede Buchsenaufnahme ist so aufgebaut und angeordnet, daß eine der ersten und zweiten elektrischen Klemmen bezüglich der anderen Klemme entfembar ist.
Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, umfaßt der Deckel 38 eine erste elastische Verriegelung 66, um den Deckel 38 an einem Steg 68 lösbar zu verriegeln, der an dem oberen Abschirmungsteil 32 des Sensors gebildet ist. Die erste elastische Verriegelung 66 umfaßt eine sich nach innen erstreckende Lippe 70, die an einer unteren Kante des Deckels 38 einen elastischen Rand bildet. Der Deckel 38 ist auf die obere Abschirmung 32 geschoben, so daß die ersten Klemmen in dem Körper des Sauerstoffsensors und die zweiten Klemmen in dem Deckel eine elektrische Verbindung miteinander herstellen, wobei die Steckerzinken in jeweiligen Buch senaufnahmen aufgenommen sind. Die erste elastische Verriegelung 66 an dem Deckel 38 ist um den Steg 68 der oberen Abschirmung 32 herum preßgepaßt, um das Gehäuse des Sauerstoffsensors zu verschließen. Danach kann der Deckel 38 permanent an der oberen Abschirmung 32 durch Schweißen, Zement oder ein anderes geeignetes Mittel befestigt werden.
Fachleuten ist eine Vielfalt von als flache Platte ausgebildeten Sauerstoffsensoren bekannt, die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Fig. 5 veranschaulicht einen derartigen, als flache Platte ausgebildeten Sauerstoffsensor, der eine Reihe von laminierten Strukturen umfaßt, die übereinander liegen und beispielsweise einen Heizungsschutzüberzug 72, eine Platinheizung 74, eine Heizungsisolierschicht 76, ein Heizungssubstrat 78, eine innere Platinelektrode 80, ein Zirkonelektrodensubstrat (Elektrolytkörper) 82, eine äußere Platinelektrode 84, einen Elektrodenleiterschutzüberzug 86 und einen Elektrodenschutzüberzug 88 umfassen. Die hierin beschriebenen Steckerzinken und Buchsenzinken sind so angeordnet, daß sie mit der Platinheizung und den inneren und äußeren Platinelektroden eine elektrische Verbindung herstellen.
Fig. 6 veranschaulicht ebenso einen Sauerstoffsensor, der nicht innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche liegt. Dieser Sensor umfaßt eine obere, rohrartig geformte Abschirmung 90, einen hohlen zylindrischen Metallkörper 92, der nahe bei einem unteren Ende von diesem einen Gewindeteil 94 aufweist, und eine rohrartig geformte, untere Abschirmung 96 mit geschlossenem Ende, die miteinander verbunden sind, um ein Gehäuse eines Sauerstoffsensors zu bilden. Ein als flacher Platte ausgebildeter Sauerstoffsensor 98, der ein Sauerstoffwahrnehmungselement mit einer Heizung umfaßt, ist in dem Gehäuse aufgenommen und durch Zement 100, der sich von der Innenwand des Metallkörpers 92 zu dem als flache Platte ausgebildeten Sensor 98 erstreckt, in seiner Position gehalten. Das als flache Platte ausgebildete Sauerstoffwahrnehmungselement weist elektrische Klemmen 102, 104 auf, die mit diesem nahe bei einem oberen Ende von diesem verbunden sind, und Steckerzinken 106, 108, die sich davon nach oben erstrecken. Eine Glasdichtung 110 erstreckt sich von einer Innenwand der oberen Abschirmung 90, um einen oberen Teil des als flache Platte ausgebildeten Sauerstoffwahrnehmungselements und die elektrischen Klemmen 102, 104 zu umgeben. Die Steckerzinken 106, 108 sind durch ein Abstandshalter-Orientierungs-Aluminiumoxidkeramikelement 112 in ihrer Position gehalten, das sich von der Innenwand der oberen Abschirmung 90 zu den Zinken 106, 108 erstreckt. Es ist ein Raum 14 in einem oberen Teil der oberen Abschirmung 90 vorgesehen, um daran einen Gummianschlag (nicht gezeigt) aufzunehmen, der eine elektrische Klemme trägt, die Buchsenaufnahmen aufweist, um die Steckerzinken 106, 108 aufzunehmen. Drähte verbinden die Buchsenaufnahme der elektrischen Klemme mit einer äußeren Energiequelle.
Nur Fig. 7 veranschaulicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform umfaßt einen einstückigen, rohrförmigen Mantel 116, der aus einem rostfreien Stahlmaterial mit ungefähr 0,5 mm Dicke hergestellt ist. Nahe bei einem unteren Teil des Mantels ist an dem Mantel 116 eine gecrimpte Lippe 118 gebildet. Eine ringförmige Sechskantmutter 120 ist über den rohrförmigen Mantel 116 zum Eingriff mit der gecrimpten Lippe 118 geschoben. Die Sechskantmutter 120 umfaßt einen Gewindeteil 122, der mit einem Gewindeauge 124 in dem Abgassystem in Eingriff treten kann. Die gecrimpte Lippe 118 an dem Mantel verhindert, daß der Sauerstoffsensor in oder aus dem Auge 124 geschoben wird. Die Sechskantmutter 120 arbeitet mit einem Sitz 126 zusammen, der in dem Auge 124 gebildet ist, um zu verhindern, daß der Sensor zu weit in das Auge geschoben wird. Die Mutter 120 ist in das Auge 124 geschraubt, um den Sensor ohne die Notwendigkeit den Mantel zu drehen, an seiner Stelle zu halten. Dies beseitigt die Notwendigkeit für spezielle Werkzeuge, um den Sensor zusammenzubauen und in das Abgassystem einzubauen.
Ein mit einem Widerhaken versehener Ring 130 ist über den oberen Teil des rohrförmigen Mantels 116 geschoben und umfaßt einen Widerhaken 132, um mit dem Mantel in Eingriff zu treten. Ein Halteelement 134, das aus einem rostfreien Stahlmaterial mit ungefähr 0,5 mm Dicke hergestellt ist, ist über den oberen Teil des Mantels 116 und den mit einem Widerhaken versehenen Ring 130 geschoben. Das Halteelement 134 weist nach innen vorgespannte Beine 136 auf, um mit dem mit einem Widerhaken versehenen Ring 130 in Eingriff zu stehen und den oberen Teil des Sauerstoffsensors abzudichten. Der als flache Platte ausgebildete Sauerstoffsensor 138 ist in dem Mantel 116 untergebracht und ist in seiner Position gehalten durch eine erste Zementzusammensetzung 140, die einen oberen Teil des als flache Platte ausgebildeten Sauerstoffsensors 138 umgibt, eine Glasdichtung 142, die den mittleren Teil des Sauerstoffsensors 138 umgibt, und eine zweite Zementzusammensetzung 144, die einen unteren Teil des als flache Platte ausgebildeten Sauerstoffsensors 138 umgibt. Eine geeignete Zementzusammensetzung umfaßt Kalziumoxid-Aluminiumoxid (Kalziumaluminat, 3 CaO Al&sub2;O&sub3;) und ist von Aremco Company, USA, unter dem Handelsnamen Ceramcast 575 erhältlich. Eine geeignete Glasdichtungszusammensetzung umfaßt Glasfritte und ist von Ferro Company, USA, unter dem Handelsnamen 2876 erhältlich. Die ersten und zweiten Zementzusammensetzungen 140, 144 halten den als flache Platte ausgebildeten Sauerstoffsensor 138 fest in dem Mantel 116, und die Glasdichtung 142 berücksichtigt eine thermische Ausdehnung des als flache Platte ausgebildeten Sauerstoffsensors 138.
Erste und zweite Klemmen 146, 148 werden verwendet, um eine elektrische Verbindung mit der Heizung und den als flache Platte ausgebildeten Elektroden des Sauerstoffsensors 138 mittels Steckerzinken 150 und Buchsenaufnahmen 152, wie oben beschrieben, herzustellen. Es sind zwei elektrische Verbindungen mit dem Heizungsteil des als flache Platte ausgebildeten Sauerstoffsensors, wie oben beschrieben, hergestellt. Eine elektrische Verbindung ist mit der inneren Elektrode des als flache Platte ausgebildeten Sensors hergestellt. Eine vierte Klemme ist mit der äußeren Elektrode verbunden, um eine isolierte Erdverbindung zurück zu einem elektronischen Steuermodul zu schaffen. Ein keilförmiger Ring 154 kann um die elektrischen Verbindungen zu dem als flache Platte ausgebildeten Sauerstoffsensor 138 herum positioniert sein, um jene Verbindungen vor der Zementzusammensetzung 140 zu schützen. Eine Teflon(RTM)-Dichtung 156 ist innerhalb des Halteelements 134 vorgesehen, und in dieser sind Löcher gebildet, um elektrische Kabel 158 unterzubringen, die zu den elektrischen Verbinderbuchsenaufnahmen 152 gehören. Das Halteelement 134, der mit einem Widerhaken versehene Ring 130 und die Teflon(RTM)- Dichtung 156 machen den Sauerstoffsensor 138 wasserdicht.

Claims

1. Gassensor, der einen rohrförmigen Mantel (116) und ein Gaswahrnehmungselement (138) umfaßt, das in dem Mantel (116) getragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Mantel (116) eine gecrimpte Lippe (118) aufweist, die nahe bei einem unteren Teil des Mantels gebildet ist, und daß der Sensor eine Mutter (120) umfaßt, die verschiebbar über dem rohrförmigen Mantel (116) zum Eingriff mit der gecrimpten Lippe (118) aufgenommen ist, wobei die Mutter (120) einen Gewindeteil zum Eingriff mit einem Gewindeauge (124) aufweist.

2. Abgassensor nach Anspruch 1, bei dem das Gaswahmehmungselement (138) umfaßt: einen als flache Platte ausgebildeten Gassensor, der ein Heizelement umfaßt und der durch eine erste Zementzusammensetzung (140) an seiner Stelle gehalten ist, die ein Kalziumaluminat umfaßt, das einen oberen Teil des als flache Platte ausgebildeten Sensors umgibt und sich zu dem Mantel (116) erstreckt, eine Glasdichtung (142), die einen mittleren Teil des als flache Platte ausgebildeten Sensors umgibt, und eine zweite Zementzusammensetzung (144), die Kalziumaluminat umfaßt, das einen unteren Teil des als flache Platte ausgebildeten Sensors umgibt, so daß die ersten und zweiten Zementzusammensetzungen (140, 144) den als flache Platte ausgebildeten Sensor fest in seiner Position in dem Mantel halten und die Glasdichtung (142) eine thermische Ausdehnung des als flache Platte ausgebildeten Sensors berücksichtigt.

3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, der einen Autoabgassauerstoffsensor umfaßt, bei dem es einen mit einem Widerhaken versehenen Ring (130) gibt, der über den oberen Teil des rohrförmigen Mantels (116) geschoben ist, welcher einen Widerhaken (132) zum Eingriff mit dem Mantel (116) umfaßt, und bei dem ein Haltedeckel (134) über den oberen Teil des Mantels (116) und den mit einem Widerhaken versehenen Ring (130) geschoben ist und mindestens ein nach innen vorgespanntes Bein (136) umfaßt, das mit dem mit einem Widerhaken versehenen Ring (130) in Eingriff steht, so daß der obere Teil des Sauerstoffsensors abgedichtet ist.

4. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sensor erste und zweite elektrische Klemmen (146, 148, 152) umfaßt, die in dem Mantel (116) getragen sind, wobei die ersten elektrischen Klemmen (146, 148) an dem Gaswahmehmungselement (138) befestigt sind und die zweiten elektrischen Klemmen (152) mit einer äußeren Energiequelle verbunden sind, eine der elektrischen Klemmen mindestens eine Steckerzinke (150) aufweist und die andere elektrische Klemme eine entsprechende Buchsenaufnahme (152) aufweist und die ersten und zweiten elektrischen Klemmen (146, 148, 152) so aufgebaut und angeordnet sind, daß sie selektiv in bezug zueinander entfembar sind.