Titel

Messfühler, insbesondere Gassensor, zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messfühler und insbesondere einen Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere der Temperatur oder der Konzentration einer Gaskomponente und insbesondere im Gas einer Brennkraftmaschine.

Solche Messfühler werden beispielsweise als so genannte Lambdasonden zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Derartige Lambdasonden sind beispielsweise in Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165, beschrieben. Dabei ragt das Sensorelement im Allgemeinen in einer Längserstreckungsrichtung des Messfühlers aus einem Messfühlergehäuse heraus. Diese

Längserstreckungsrichtung oder auch Längsachse des Messfühlers kann dabei gleichzeitig eine Symmetrieachse des Messfühlers vorgeben, da bekannte Messfühler verbreitet einen rotationssymmetrischen Aufbau in Bezug auf die genannte Längserstreckungsrichtung aufweisen.

Üblicherweise wird das Sensorelement von einem Schutzrohr umgeben. Da entscheidend ist, dass das Sensorelement in einen direkten Kontakt mit dem Messgas bringbar ist, weist das Schutzrohr stets geeignete Öffnungen auf, um einen Durchtritt des umströmenden Messgases zu ermöglichen.

Die DE 10 2008 041 041 AI beschreibt einen Abgassensor mit einem

Sensorelement, einem ersten Schutzrohr und einem zweiten Schutzrohr. Das erste Schutzrohr umgibt das zweite Schutzrohr, das wiederum das

Sensorelement umgibt. Trotz der durch die oben beschriebenen Messfühler bewirkten Vorteile beinhalten diese nach wie vor ein Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Messgenauigkeit. Beispielsweise hat im Stand der Technik das äußere oder erste Schutzrohr kreisrunde Öffnungen an einem Schulterabschnitt, während das innere oder zweite Schutzrohr mit Drallklappen versehen ist. Bei den Messfühlern des Standes der Technik zeigt die Sauerstoffmessung trotz des Einsatzes von Drallklappen eine Streuung des Sensorsignals in Abhängigkeit der zufällig vorliegenden Drehwinkeleinbaulage des Sensorelements, des ersten

Schutzrohrs und des zweiten Schutzrohrs.

Offenbarung der Erfindung

Es wird daher ein Messfühler vorgeschlagen, der die oben genannten Nachteile zumindest weitgehend vermeidet und der eine optimierte Strömungsführung in den Schutzrohren erlaubt, um eine rotationssymmetrische Strömung und eine homogene Sauerstoffkonzentrationsverteilung um die Längsachse des

Sensorelements im zweiten Schutzrohr zu gewährleisten.

Ein erfindungsgemäßer Messfühler, insbesondere Gassensor, zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum, insbesondere einer Temperatur oder einer Konzentration einer Gaskomponente, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, umfasst ein

Messfühlergehäuse, ein Sensorelement, das mit einem dem Messgas aussetzbaren, gasseitigen Endabschnitt in einer Längserstreckungsrichtung aus dem Messfühlergehäuse herausragt, ein erstes Schutzrohr und ein zweites Schutzrohr. Dabei umgibt das erste Schutzrohr das zweite Schutzrohr, wobei das zweite Schutzrohr den gasseitigen Endabschnitt des Sensorelements umgibt, wobei zwischen dem ersten Schutzrohr und dem zweiten Schutzrohr ein

Zwischenraum gebildet ist, wobei das erste Schutzrohr zum Erlauben eines Zutritts des Messgases in den Zwischenraum mindestens eine Öffnung aufweist, wobei das erste Schutzrohr mindestens ein an die mindestens eine Öffnung angrenzendes Drallerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Dralls in dem

Messgas aufweist. Das Drallerzeugungsmittel des ersten Schutzrohrs kann zu dem Zwischenraum hin ausgerichtet sein. Die Öffnung des ersten Schutzrohrs kann rechteckig ausgebildet sein. Das erste Schutzrohr kann einen Schulterabschnitt aufweisen, wobei die Öffnung des ersten Schutzrohrs und das Drallerzeugungsmittel des ersten Schutzrohrs in dem Schulterabschnitt ausgebildet sind. Das

Drallerzeugungsmittel des ersten Schutzrohrs kann eine Drallerzeugungsfläche aufweisen, wobei die Drallerzeugungsfläche des ersten Schutzrohrs gegenüber dem Schulterabschnitt in einem Winkel von 10 ° bis 80 ° und bevorzugt von 30 ° bis 70 ° geneigt ist. Das Drallerzeugungsmittel des ersten Schutzrohrs kann mindestens eine Seitenfläche aufweisen, wobei die Seitenfläche die

Drallerzeugungsfläche mit einem Rand der Öffnung des ersten Schutzrohrs verbindet. Das erste Schutzrohr kann mehrere Öffnungen zum Erlauben eines Zutritts des Messgases in den Zwischenraum aufweisen, wobei das erste

Schutzrohr mehrere an die Öffnungen angrenzende Drallerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas aufweist, wobei die Drallerzeugungsmittel Drallerzeugungsflächen aufweisen, wobei die Drallerzeugungsflächen in einer Umfangsrichtung um die Längserstreckungsrichtung identisch orientiert sind. Das zweite Schutzrohr kann zum Erlauben eines Zutritts des Messgases aus dem Zwischenraum in einen Innenraum des zweiten Schutzrohrs mindestens eine Öffnung aufweisen, wobei das zweite Schutzrohr mindestens ein an die mindestens eine Öffnung des zweiten Schutzrohrs angrenzendes

Drallerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas aufweist. Das zweite Schutzrohr kann ein dem Messfühlergehäuse abgewandtes stirnseitiges Ende aufweisen, wobei das zweite Schutzrohr mindestens eine an dem stirnseitigen Ende ausgebildete Auslassöffnung aufweist, wobei das zweite Schutzrohr mindestens ein an die mindestens eine Auslassöffnung

angrenzendes Drallerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Dralls in dem

Messgas aufweist. Schließlich kann das erste Schutzrohr ein dem

Messfühlergehäuse abgewandtes stirnseitiges Ende aufweisen, wobei das erste Schutzrohr eine an dem stirnseitigen Ende des ersten Schutzrohrs ausgebildete Auslassöffnung aufweist, wobei das an die Auslassöffnung des zweiten

Schutzrohrs angrenzende Drallerzeugungsmittel zu dem stirnseitigen Ende des ersten Schutzrohrs hin ausgerichtet ist. Unter einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Erstreckungsrichtung zu verstehen, die parallel zu einer Längsabmessung des Sensorelements ist. Die Längserstreckungsrichtung kann eine Längsachse des Messfühlers definieren.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist es, Rotationssymmetrie der Strömung bezüglich der Längsachse des Sensorelements nicht erst innerhalb des zweiten Schutzrohrs zu erzielen, sondern bereits durch entsprechende Schulterdrallflächen im ersten Schutzrohr. Der Impuls der ankommenden (Staupunkt-)Abgasströmung kann so beim Übergang ins erste Schutzrohr zum Aufbau des gewünschten Strömungsdrehimpulses genutzt werden. Durch die Drallklappen am zweiten Schutzrohr bleibt dieser Drehimpuls erhalten und wird (konvektiv) in das Volumen des zweiten Schutzrohrs hineingetragen. Dadurch können die Wirbelstärke und die Rotationssymmetrie um das Sensorelement erhöht werden. Der messbare Vorteil der Erfindung liegt in einer geringeren Streuung der Sensordynamik in Abhängigkeit der zufälligen

Drehwinkeleinbaulage von Schutzrohren und Sensorelement.

Der prinzipielle konstruktive Aufbau der Erfindung bildet den Aufbau der

Messfühler des Standes der Technik weiter. Der entscheidende Unterschied liegt in der Geometrie der Eintrittsöffnungen an der Schulter des ersten Schutzrohrs. Statt kreisrunder Öffnungen, also Löchern, kommen hier bevorzugt

Schulterdrallflächen zum Einsatz. Diese Schulterdrallflächen können durch Eindrücken der Außenwand des ersten Schutzrohrs in das Volumen des ersten Schutzrohrs gebildet werden. Fertigungstechnisch kann dies durch einen Prägestempel mit entsprechender Negativgeometrie realisiert werden. Die Parameter der Drallklappengeometrie sind die Größe der Durchtrittsfläche, die Anzahl der Drallflächen sowie die Neigungswinkel der Schulterdrallflächen. Diese Parameter können hinsichtlich Sensordynamik und deren Streuung zur

Optimierung herangezogen werden.

Durch die Schulterdrallflächen wird erreicht, dass die Strömung beim Eintritt vom Abgasrohr in das Volumen des ersten Schutzrohrs einen Drehimpuls durch die ankommende Abgasströmung erhält. Dadurch kann die Wirbelstärke der Strömung im Volumen des zweiten Schutzrohrs erhöht und die Rotationssymmetrie der Strömung verbessert werden. Die

Sauerstoffkonzentration im Volumen des zweiten Schutzrohrs wird dabei homogen verteilt. Es wird somit gewährleistet, dass die Messung der

Sauerstoffkonzentration unabhängig von der zufälligen Drehwinkeleinbaulage des Sensorelements und der Schutzrohre wird.

Analog zum Eindrücken der Schulterdrallflächen am ersten Schutzrohr können auch an der Prallplatte Drallflächen zum Einsatz kommen. Die Prägung der Drallflächen erfolgt dann aber von innen nach außen zum Stirnloch hin. Der Vorteil besteht dann darin, dass der Wirbel im Volumen des zweiten Schutzrohrs erhalten bleibt und (konvektiv) durch die Drallflächen nach außen geführt werden kann. Auch ohne den Einsatz von Drallklappen am zweiten Schutzrohr können die Drallflächen am ersten Schutzrohr allein zu einer besseren,

drehwinkelunabhängigen Dynamikmessung beitragen. Ebenso ist es denkbar, die Drallflächen seitlich zu schließen, um eine bessere Strömungsführung in das Volumen des ersten Schutzrohrs hinein zu gewährleisten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Figur 1 eine Querschnittsansicht parallel zu einer Längserstreckungsrichtung eines Sensorelements eines Messfühlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 eine perspektivische Ansicht des Messfühlers,

Figur 3 eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A der Figur 2.

Figur 4 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Messfühlers parallel zu einer Längserstreckungsrichtung des Sensorelements und Figur 5 einen Verlauf einer Konzentrationsänderung über die Zeit.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt in einer Querschnittsansicht einen Messfühler 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Zur Reduktion der Schadstoffemissionen von

Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen, wird ein so genannter Dreiwegekatalysator mit Lambdaregelung eingesetzt. Der in Figur 1 ausschnittsweise dargestellte Messfühler 10 ist beispielhaft als eine

Lambdasonde ausgestaltet, die bei der Lambdaregelung verwendet wird. Die Lambdasonde dient zur Steuerung des Luft-Kraftstoff-Gemischs, um mittels einer Messung der Konzentration des Sauerstoffgehalts im Abgas des

Verbrennungsmotors ein möglichst stöchiometrisches Gemisch oder eine andere bekannte Zusammensetzung einstellen zu können, so dass durch eine möglichst optimale Verbrennung der Schadstoffausstoß minimiert wird.

Diese Lambdasonde wird nachfolgend als erstes Ausführungsbeispiel für einen als Gassensor eingesetzten bzw. ausgebildeten allgemeinen Messfühler 10 beschrieben, mit dem eine physikalische Eigenschaft eines Messgases, insbesondere die Temperatur oder die Konzentration einer Gaskomponente, bestimmt wird.

Der Messfühler 10 weist ein Messfühlergehäuse 12 und Sensorelement 14 auf. Ein derartiges Sensorelement 14 ist aus dem oben beschriebenen Stand der

Technik und insbesondere aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165 bekannt, so dass auf die Details des Aufbaus des Sensorelements 14 nicht näher eingegangen wird. Stattdessen ist der oben genannte Stand der Technik aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im

Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, S. 160-165 im Hinblick auf das Sensorelement

14 durch Verweis eingeschlossen. Beispielsweise ist das Sensorelement 14 als planares Sensorelement ausgebildet. Das Sensorelement 14 ragt mit einem dem Messgas ausgesetzten, gasseitigen Endabschnitt 16 in einer

Längserstreckungsrichtung 18 aus dem Messfühlergehäuse 12 heraus. Die Längserstreckungsrichtung 18 verläuft bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel innerhalb der Zeichenebene. Entsprechend ist die

Schnittdarstellung der Figur 1 parallel zu der Längserstreckungsrichtung 18.

Der Messfühler 10 weist weiterhin ein erstes Schutzrohr 20 und ein zweites Schutzrohr 22 auf. Das erste Schutzrohr 20 ist rotationssym metrisch um die Längserstreckungsrichtung 18 ausgebildet. Das erste Schutzrohr 20 weist einen ersten Abschnitt 24 und einen zweiten Abschnitt 26 auf. Ein Durchmesser des ersten Abschnitts 24 ist größer als ein Durchmesser des zweiten Abschnitts 26. Zwischen dem ersten Abschnitt 24 und dem zweiten Abschnitt 26 weist das erste Schutzrohr 20 einen Schulterabschnitt 28 auf. Das erste Schutzrohr 20 umgibt das zweite Schutzrohr 22. Dabei ist zwischen dem ersten Schutzrohr 20 und dem zweiten Schutzrohr 22 ein Zwischenraum 30 gebildet. Zum Erlauben eines Zutritts des Messgases in den Zwischenraum 30 weist das erste Schutzrohr 20 mindestens eine Öffnung 32 auf. Das erste Schutzrohr 20 weist weiterhin mindestens ein an die Öffnung 32 angrenzendes Drallerzeugungsmittel 34 auf. Die Öffnung 32 des ersten Schutzrohrs 20 und das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 sind in dem Schulterabschnitt 28 ausgebildet. Die Öffnung 32 ist rechteckig ausgebildet. Das Drallerzeugungsmittel 34 ist zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas ausgebildet. Das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 ist zu dem Zwischenraum 30 hin ausgerichtet. Das erste Schutzrohr 20 weist weiterhin ein dem Messfühlergehäuse 12 abgewandtes stirnseitiges Ende 36 auf. An dem stirnseitigen Ende 36 weist das erste

Schutzrohr 20 eine Auslassöffnung 38 auf.

Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Messfühlers 10. Wie in Figur 2 gezeigt, kann das erste Schutzrohr 20 mehrere Öffnungen 32 zum Erlauben eines Zutritts des Messgases in den Zwischenraum 30 aufweisen. Die Öffnungen 32 sind beispielsweise in dem Schulterabschnitt 28 ausgebildet und in einer Umfangsrichtung um die Längserstreckungsrichtung 18 verteilt, beispielsweise gleichmäßig verteilt. Analog kann das erste Schutzrohr 20 mehrere an die Öffnungen 32 angrenzende Drallerzeugungsmittel 34 zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas aufweisen. Mit anderen Worten weist das erste Schutzrohr 20 an jeder Öffnung 32 ein Drallerzeugungsmittel 34 auf. Das Drallerzeugungsmittel 34 weist eine Drallerzeugungsfläche 40 auf. Bei mehreren Öffnungen 32 weist jedes Drallerzeugungsmittel 34 eine Drallerzeugungsfläche 40 auf. Wie in Figur 2 gezeigt, sind die Drallerzeugungsflächen 40 in einer Umfangsrichtung um die Längserstreckungsrichtung 18 identisch orientiert. Mit anderen Worten sind die Drallerzeugungsflächen 40 bei einem gedanklichen Aufklappen und Entrollen des ersten Schutzrohrs 20 um die Längserstreckungsrichtung 18 parallel orientiert.

Figur 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A der Figur 2. Der Schnitt verläuft dabei insbesondere durch den Schulterabschnitt 28 mit einer Öffnung 32 und einem Drallerzeugungsmittel 34. Zu erkennen ist die Drallerzeugungsfläche 40, die bezogen auf die Darstellung der Figur 3 nach unten verläuft. Bezogen auf die Darstellung der Figur 2 ist das Drallerzeugungsmittel 34 somit zu dem

Zwischenraum 30 hin orientiert. Die Drallerzeugungsfläche 40 des ersten Schutzrohrs 20 kann gegenüber dem Schulterabschnitt 28 bzw. der Öffnung 32 in einem Winkel von 10 ° bis 80 °und bevorzugt von 30 °bis 70 °, wie

beispielsweise 45 °, geneigt sein. Optional kann das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 mindestens eine Seitenfläche aufweisen (nicht näher gezeigt). Die Seitenfläche verbindet die Drallerzeugungsfläche 40 mit einem Rand 42 der Öffnung 32 des ersten Schutzrohrs 20. Die Seitenfläche steht dabei senkrecht auf der Drallerzeugungsfläche 40.

Unter Rückkehr zur Figur 1 ist zu erkennen, dass das zweite Schutzrohr 22 zum Erlauben eines Zutritts des Messgases aus dem Zwischenraum 30 in einen Innenraum 44 des zweiten Schutzrohrs 22, in dem das Sensorelement 14 angeordnet ist, mindestens eine Öffnung 46 aufweist. Beispielsweise weist das zweite Schutzrohr 22 mehrere Öffnungen 46 auf. Optional kann das zweite Schutzrohr 22 mindestens ein an der mindestens einen Öffnung 46 des zweiten Schutzrohrs 22 angrenzendes Drallerzeugungsmittel 48 zum Erzeugen eines Dralls in dem Messgas aufweisen. Beispielsweise ist jeder Öffnung 46 des zweiten Schutzrohrs 22 ein Drallerzeugungsmittel 48 zugeordnet. Das zweite Schutzrohr 22 weist weiterhin ein dem Messfühlergehäuse 12 abgewandtes stirnseitiges Ende 50 auf. Das stirnseitige Ende 50 des zweiten Schutzrohrs 22 ist in axialer Richtung bezüglich der Längserstreckungsrichtung 18 von dem stirnseitigen Ende 36 des ersten Schutzrohrs 20 beabstandet. Das zweite Schutzrohr 22 weist mindestens eine an dem stirnseitigen Ende 50 ausgebildete Auslassöffnung 52 auf. Beispielsweise weist das zweite Schutzrohr 22 an dem stirnseitigen Ende 50 mehrere Auslassöffnungen 52 auf. Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht des Messfühlers 10 parallel zu der Längserstreckungsrichtung 18. Wie aus Figur 2 zu erkennen ist, kann das zweite Schutzrohr 22 optional mindestens ein an die mindestens eine Auslassöffnung 52 angrenzendes Drallerzeugungsmittel 54 zum Erzeugen eines Dralls in dem

Messgas aufweisen. Das Drallerzeugungsmittel 54 des zweiten Schutzrohrs 22 ist zu dem stirnseitigen Ende 36 des ersten Schutzrohrs 20 hin ausgereichtet.

Das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 kann durch Eindrücken der Wand des ersten Schutzrohrs 20 nach innen erzeugt werden. Beispielsweise kann das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 durch einen Prägestempel mit entsprechender Negativgeometrie realisiert werden. Analog kann das Drallerzeugungsmittel 54 des zweiten Schutzrohrs 22 an der

Auslassöffnung 52 des stirnseitigen Endes 50 des zweiten Schutzrohrs 22 durch Herausdrücken der Wand des zweiten Schutzrohrs 22 erzeugt werden. Durch das Drallerzeugungsmittel 34 des ersten Schutzrohrs 20 erhält die Strömung des Messgases einen Drehimpuls in dem Zwischenraum 30, der die Wirbelstärke und die Rotationssymmetrie der Strömung in dem zweiten Schutzrohr 22 erhöht. Figur 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Konzentrationsänderung im Abgas des Messfühlers 10. Auf der X-Achse 56 ist die Zeit aufgetragen und auf der Y- Achse 58 ist die Konzentrationsänderung aufgetragen. Eine Linie 60 gibt eine Konzentrationsänderung von 63 % an. Die zugehörige Zeit t ₆₃ , nach der 63 % der Konzentrationsänderung im Messgas in dem Messfühler 10 gemessen sind, wird dabei als Nachweis der besseren Messgenauigkeit gegenüber dem Stand der Technik herangezogen. So geben die Linien 62 und 64 den zeitlichen Verlauf der Konzentrationsänderung bei einem herkömmlichen Messfühler nach dem Stand der Technik wieder. Die Linien 66 und 68 geben dagegen den zeitlichen Verlauf der Konzentrationsänderung bei einem Messfühler 10 gemäß der vorliegenden Erfindung wieder. Wie aus der Figur 5 zu erkennen ist, weist der

Messfühler 10 gemäß der vorliegenden Erfindung eine geringere Streuung 70 der Konzentrationsänderung bezogen auf die Zeit t ₆₃ als eine Streuung 72 bei dem Messfühler aus dem Stand der Technik auf. Mit anderen Worten liegen die Linien 66 und 68 deutlich dichter beieinander als die Linien 62 und 64. Dies zeigt, dass durch die erfindungsgemäß vorgesehenen Drallerzeugungsmittel 34 an dem ersten Schutzrohr 20 das Messergebnis verbessert werden kann, indem die Strömungsführung optimiert wird. Mit anderen Worten ist das Messergebnis unabhängig von der relativen Einbaulage zum einen des Sensorelements innerhalb des zweiten Schutzrohrs 22 und zum anderen des ersten Schutzrohrs 20 und des zweiten Schutzrohrs 22 zu dem Messgasraum. Die

Strömungsführung wird insbesondere dadurch optimiert, dass sich ein ausgezeichneter Drehimpuls im Volumen des Zwischenraums 30 einstellt, so dass der Impuls der einkommenden Abgasströmung ideal genutzt wird. Durch die Wirbelstärke der Strömung im Inneren des zweiten Schutzrohrs 22, die durch den Drehimpuls des Messgases in dem Zwischenraum 30 erhöht ist, kann die

Rotationssymmetrie der Strömung erhöht werden. Die Sauerstoffkonzentration im Volumen des Innenraums 44 wird homogen verteilt. Es wird somit gewährleistet, dass die Messung der Sauerstoffkonzentration unabhängig von der zufälligen Drehwinkeleinbaulage des Sensorelements 14 und der

Schutzrohre 20, 22 wird.