Titel

Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem um

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl verschiedener Sensoren zur Erfassung von mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Grundsätzlich ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter einer Eigenschaft eine beliebige physikalische und/oder chemische Eigenschaft des Messgases zu verstehen, wobei eine oder auch mehrere Eigenschaften des Messgases erfasst werden können. Mit einem solchen Sensor kann eine qualitative und/oder quantitative Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases erfolgen, beispielsweise eine Erfassung mindestens einer Gaskomponente des Messgases, insbesondere eine Erfassung einer Gaskomponente in einem Luft- Kraftstoff-Gemisch, und/oder eine Erfassung einer Partikelkonzentration in dem Messgas, insbesondere einer Rußmassenkonzentration. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Eigenschaften des Messgases erfassbar.

Ein Sensor zur Erfassung von einer Gaseigenschaft kann beispielsweise wie in Konrad Reif (Herausgeber) „Sensoren im Kraftfahrzeug“, 2. Auflage 2012, S. 160 - 165, als eine Lambda-Sonde ausgestaltet werden, wobei eine Ausgestaltung sowohl als Zweipunkt-Lambda-Sonde als auch als Breitband-Lambda-Sonde, insbesondere als eine planare Breitband-Lambda-Sonde beschrieben wird. Mit einer Lambda-Sonde kann ein Gasanteil eines Gasgemisches in einem Brennraum bestimmt werden, beispielsweise die Luftzahl , die das Luft- Kraftstoff-Verhältnis angibt. Mit Zweipunkt-Lambda-Sonden ist eine Bestimmung des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses nur in einem engen Bereich, bei stöchiometrischen Gemischen (Ä=1), möglich. Dagegen kann mit einer Breitband- Lambda-Sonde eine Bestimmung über einen großen Bereich von Ä erfolgen. Diese beschriebenen Lambda-Sonden umfassen ein Sensorelement, meist ein keramischer Festkörperelektrolyt, bevorzugt aus Zirkoniumdioxid und Yttriumoxid oder auch Festkörperschichten, bevorzugt aus Zirkoniumdioxid.

Derartige Sensoren weisen ein Wärmeabschirmelement auf, das den oberen Teil eines Gehäuses gegen Strahlungswärme vom Abgassystem bzw. Abgasrohr abschirmt. Das Wärmeabschirmelement wirkt nur als Abschirmung gegen Strahlungswärme aus Bereichen hinter der Abschirmung, kann aber nicht gegenüber Strahlungswärme aus anderen Richtungen wirken, da es dort keinen abschirmenden Effekt gibt. Das Wärmeabschirmelement wird üblicherweise zusammen mit einem separaten Dichtungsring verwendet, der verhindert, dass das Wärmeabschirmelement von seiner Position unterhalb des Sechskantkopfs des Gehäuses abfällt. Der Dichtungsring innerhalb der

Schraubverbindungsbaugruppe, die das Sensorgewinde, den Dichtungsring, das Schmiermittel und Abgasrohranschlussstelle umfasst, hat drei Funktionen. Er soll zur Dichtheit der Schraubverbindung beitragen, ein Selbstlosen des Sensors während des Fahrzeugbetriebs verhindern und ein Festfressen des Sensors an der Abgasrohranschlussstelle nach einem Fahrzeugbetrieb in der Werkstatt verhindern.

Trotz der Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Sensoren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So muss zum Befestigen des Wärmeabschirmelements das Wärmeabschirmelement und der Dichtungsring über das Gewinde des Sensors geschoben und anschließend erfolgt ein Vorpressen des Dichtungsrings, das erforderlich ist, um den Dichtungsring mit dem Wärmeabschirmelement an dem Sensor unterhalb des Sechskants zu befestigen. Ohne das Vorpressen würden Wärmeabschirmelement und der Dichtungsring abfallen. Entsprechend sind zur Montage viele Arbeitsschritte erforderlich. Offenbarung der Erfindung

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 insbesondere die Montage eines Wärmeabschirmelements erleichtert und weniger Bauteile für den Wärmeabschirmungseffekt benötigt.

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 Sensorelement, ein Gehäuse und ein Wärmeabschirmelement. Das Sensorelement ist teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet und ragt mit einem messgasseitigen Endabschnitt aus dem Gehäuse heraus. Der messgasseitige Endabschnitt ist von dem Schutzrohr umgeben. Das Gehäuse weist einen Gehäusesockel auf. Das Gehäuse weist weiterhin einen Gewindeabschnitt zur Montage an dem Messgasraum auf. Das Wärmeabschirmelement weist eine Öffnung auf. Das Wärmeabschirmelement ist auf einer dem Gewindeabschnitt zugewandten Seite des Gehäusesockels derart angeordnet, dass sich das Gehäuse mit dem Gewindeabschnitt durch die Öffnung erstreckt. Das Wärmeabschirmelement ist integral mit einem Dichtungselement ausgebildet, das die Öffnung umgebend an einem Gehäuseabschnitt zwischen dem Gehäusesockel und dem Gewindeabschnitt angeordnet ist.

Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist, das Wärmeabschirmelement und das Dichtungselement zu einem einzigen Bauteil zu integrieren. Dadurch sind weniger Arbeitsschritte bei der Montage des Wärmeabschirmelements erforderlich als bei einer Montage von zwei separaten Bauteilen. Außerdem werden weniger Bauteile benötigt. Weiterhin ist das Wärmeabschirmelement mit integriertem Dichtungselement leichter als eine Kombination aus zwei separaten Bauteilen, da es dünner hergestellt werden kann. Auch ist der Sensor kostengünstiger herstellbar, da weniger Bauteile und Arbeitsschritte zur Montage benötigt werden. Auch ist der wärmeabschirmende Effekt stärker bzw. deutlicher ausgeprägt. Somit ist die Funktionalität des Wärmeabschirmelements verbessert. Das Wärmeabschirmelement kann den Gehäuseabschnitt zwischen dem Gehäusesockel und dem Gewindeabschnitt in einer Umfangsrichtung vollständig umgeben. Dadurch wird ein vollständiger Wärmeabschirmungseffekt in der Umfangsrichtung vorgesehen.

Das Wärmeabschirmelement kann im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Dadurch lässt sich diese leichter herstellen und unabhängig von seiner Orientierung in der Umfangsrichtung montieren.

Das Wärmeabschirmelement kann im Wesentlichen becherförmig oder tassenförmig ausgebildet sein. Dadurch lässt sich das Gehäuse besonders gut vor Wärme schützen bzw. abschirmen.

Das Wärmeabschirmelement kann eine Wand aufweisen, die das das Gehäuse in einem anschlussseitigen Gehäuseabschnitt zumindest teilweise umgibt. Dadurch lässt sich das Gehäuse entlang seiner Längserstreckungsrichtung gut vor Wärme schützen bzw. abschirmen.

Die Wand kann sich vollständig in einer Umfangsrichtung um den anschlussseitigen Gehäuseabschnitt erstrecken. Dadurch lässt sich das Gehäuse in Umfangsrichtung vollständig vor Wärme schützen bzw. abschirmen.

Das Schutzrohr kann der Gehäuseabschnitt zwischen dem Gehäusesockel und dem Gewindeabschnitt aufweisen, die sich in einer Umfangsrichtung erstreckt, wobei das Wärmeabschirmelement in die Ausnehmung eingreifen kann. Dadurch wird das Wärmeabschirmelement besonders gut in seiner Lage gehalten.

Das Wärmeabschirmelement kann ein dem Gewindeabschnitt zugewandte Ende aufweisen. Das dem Schutzrohr zugewandte Ende kann eine Bördelung aufweisen. De Bördelung kann das Dichtungselement befestigen. Dadurch wird ein besonders stabiler Verbund aus Wärmeabschirmelement und Dichtungselement geschaffen. Das Wärmeabschirmelement kann einen Boden aufweisen. Der Boden kann mindestens eine Drainageöffnung aufweisen. Dadurch kann Wasser aus dem Wärmeabschirmelement ablaufen.

Das Wärmeabschirmelement kann einen größeren Durchmesser als eine Höhe aufweisen. Mit anderen Worten kann das Wärmeabschirmelement breiter als hoch sein. Dadurch wird die wärmeabschirmende Fläche vergrößert.

Bei dem Sensorelement kann es sich um ein Sensorelement für eine Lambdasonde handeln, wie es beispielsweise aus Konrad Reif (Hrsg.): Sensoren im Kraftfahrzeug, 1 . Auflage 2010, S. 160-165, bekannt ist. Ein derartiges Sensorelement weist einen Festelektrolyten und zwei durch den Festelektrolyten voneinander getrennte Elektroden auf. Der Festelektrolyt kann aus einer oder mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein.

Das Sensorelement kann eine im wesentlichen quaderförmige Grundform aufweisen, wobei die axialen Stirnflächen des Sensorelements die zwei kleinsten Seitenflächen der Grundform bilden, die Oberseite und die Unterseite des Sensorelements die zwei größte Seitenflächen der Grundform bilden und die Seitenflächen des Sensorelements die Seitenflächen der Grundform bilden, deren Größe größer ist als die der kleinsten Seitenflächen der Grundform und kleiner ist als die der größten Seitenflächen der Grundform.

Unter einem Festelektrolyten oder einer Festelektrolytschicht ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Körper oder Gegenstand mit elektrolytischen Eigenschaften, also mit Ionen leitenden Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen keramischen Festelektrolyten handeln, wie beispielsweise Zirkoniumdioxid (ZrOj), insbesondere yttriumstabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und scandiumdotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ), die geringe Zusätze an Aluminiumoxid (AI2O3) und/oder Siliziumoxid (SiOj) enthalten können. Dies umfasst auch das Rohmaterial eines Festelektrolyten und daher die Ausbildung als so genannter Grünling oder Bräunling, der erst nach einem Sintern zu einem Festelektrolyten wird. Insbesondere kann der Festelektrolyt als Festelektrolytschicht oder aus mehreren Festelektrolytschichten ausgebildet sein. Unter einer Elektrode ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element zu verstehen, welches in der Lage ist, den Festelektrolyten derart zu kontaktieren, dass durch den Festelektrolyten und die Elektrode ein Strom aufrechterhalten werden kann. Dementsprechend kann die Elektrode ein Element umfassen, an welchem die Ionen in den Festelektrolyten eingebaut und/oder aus dem Festelektrolyten ausgebaut werden können. Typischerweise umfassen die Elektroden eine Edelmetallelektrode, welche beispielsweise als Metall- Keramik- Elektrode oder auf dem Festelektrolyten aufgebracht sein kann oder auf andere Weise mit dem Festelektrolyten in Verbindung stehen kann. Typische Elektrodenmaterialen sind Platin-Cermet-Elektroden. Auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Gold oder Palladium, sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.

Auch andere Arten von Sensoren bzw. Sensorelemente sind jedoch von der vorliegenden Erfindung umfasst, wie beispielsweise Stickoxidsensoren, Wasserstoffsensoren, Partikelsensoren, Feuchtesensoren, Heißfilmluftmassenmesser.

Unter dem Begriff „Endbereich des Sensorelements" ist mit Bezug auf eine Längsrichtung im Rahmen dieser Erfindung grundsätzlich lediglich ein zusammenhängender Teilbereich des Sensorelements zu verstehen, der das betreffende Ende des Sensors umfasst und nicht mehr als 50% der Länge des Sensorelements ausmacht. Etwas eingeschränkter kann ein Endbereich des Sensorelements insbesondere auch als ein zusammenhängender Teilbereich des Sensorelements verstanden werden, der das betreffende Ende des Sensorelements umfasst und nicht mehr als ein Drittel oder sogar nicht mehr als ein Viertel der Länge des Sensorelements ausmacht.

Unter einem Wärmeabschirmelement ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung allgemein ein Element oder Bauteil mit wärmeabschirmenden bzw. wärmeisolierenden Eigenschaften zu verstehen. Das Wärmeabschirmelement kann dabei vergleichsweise dünn bzw. mit geringer Dicke ausgebildet sein, wie beispielsweise aus einem Blech. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weiter 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 Seitenansicht eines Sensors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Figur 2 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Wärmeabschirmelements,

Figur 3 eine vergrößerte Ansicht eines Details des Wärmeabschirmelements, und

Figur 4 eine Draufsicht des Wärmeabschirmelements.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 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.

Der Sensor 10 weist ein Gehäuse 12 auf. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise ein metallisches Gehäuse sein. Das Gehäuse 12 weist einen Gewindeabschnitt 14 zur Montage an dem Messgasraum (nicht näher gezeigt) auf. Genauer dient der Gewindeabschnitt 14 als Befestigungsmittel für den Einbau in einer Wand des Messgasraums auf. Das Gehäuse 12 weist weiterhin einen Gehäusesockel 16 auf. Der Gehäusesockel 16 ist als Sechskant ausgebildet, an dem zum Montieren des Sensors 10 an dem Messgasraum ein Schraubenschlüssel angesetzt werden kann. Auf einer dem Gewindeabschnitt 14 abgewandten Seite 18 des Gehäusesockels 16 weist das Gehäuse 12 einen anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 20 auf.

Auf einer dem Gewindeabschnitt 14 zugewandten Seite 22 des Gehäusesockels 16 befindet sich zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14 ein Gehäuseabschnitt 24. Der Gehäuseabschnitt 24 zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14 weist eine Ausnehmung 26 oder Vertiefung auf. Die Ausnehmung 26 erstreckt sich vollständig in einer Umfangsrichtung um den Gehäuseabschnitt 24 zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14. Die Ausnehmung 26 ist beispielsweise als Ringnut ausgebildet.

An einem stirnseitigen Ende 28 des Gehäuses 12, das dem anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 20 gegenüberliegt ist mindestens ein Schutzrohr 30 festgelegt, beispielsweise angeschweißt. Es können auch mehrere Schutzrohre 30 vorgesehen sein, die eine Schutzrohrbaugruppe bilden. Eine solche Schutzrohrbaugruppe weist beispielsweise mindestens ein Schutzrohr und bevorzugt mehrere Schutzrohre auf. Beispielsweise weist die Schutzrohrbaugruppe ein äußeres Schutzrohr und mindestens ein darin angeordnetes inneres Schutzrohr auf. Die Schutzrohrbaugruppe kann beispielsweise zwei innere Schutzrohre aufweisen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Sowohl das äußere Schutzrohr als auch das innere Schutzrohr weisen Ein- und Austrittsöffnungen auf, durch die das Messgas in einen Innenraum des inneren Schutzrohrs eintreten kann bzw. aus diesem heraustreten kann.

Der Sensor 10 weist weiterhin ein Sensorelement 32 zur Erfassung der mindestens einer Eigenschaft des Messgases auf. Das Sensorelement 32 ist planar ausgebildet. Das Sensorelement 32 erstreckt sich in einer Längserstreckungsrichtung. Das Sensorelement 32 weist einen anschlussseitigen Endbereich bzw. Endabschnitt 34, der dem Messgas abgewandt ist, und einen messgasseitigen Endbereich bzw. Endabschnitt 36, der dem Messgas zugewandt ist, auf. Der messgasseitige Endabschnitt 36 liegt dem anschlussseitigen Endabschnitt 34 in der Längserstreckungsrichtung gesehen gegenüber. In dem anschlussseitigen Endabschnitt 34 weist das Sensorelement 32 auf einer Oberseite und/oder Unterseite Kontaktflächen (nicht näher gezeigt) zur elektrischen Kontaktierung auf. Die Kontaktflächen sind beispielsweise als sogenannte Pads ausgebildet. Insgesamt weist das Sensorelement 20 eine im wesentlichen quaderförmige Grundform auf. Dabei bilden Stirnflächen des Sensorelements 32 zwei kleinste Seitenflächen der Grundform, bilden die Oberseite und die Unterseite des Sensorelements 32 zwei größte Seitenflächen der Grundform und bilden Seitenflächen des Sensorelements 32 Seitenflächen der Grundform, deren Größe größer ist als die der kleinsten Seitenflächen der Grundform und kleiner ist als die der größten Seitenflächen der Grundform. Aufgrund der Orientierung des Sensorelements 32 im montierten Zustand können die Stirnflächen auch als axiale Stirnflächen bezeichnet werden. Der messgasseitige Endabschnitt 32 ist ausgebildet, dem Messgas im Inneren des Schutzrohrs 30 ausgesetzt zu werden. Entsprechend ragt der messgasseitige Endabschnitt 36 aus dem Gehäuse 12 heraus. Die Kontaktflächen sind ausgebildet, mit elektrischen Anschlüssen eines Kabelbaums (nicht näher gezeigt) elektrisch kontaktiert zu werden. Die elektrische Kontaktierung der Kontaktflächen mit den Anschlüssen ist dabei beispielsweise mittels Kontaktfedern realisiert.

Der Sensor 10 weist weiterhin ein Wärmeabschirmelement 38 auf. Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht des Wärmeabschirmelements 38. Das Wärmeabschirmelement 38 weist eine Öffnung 40 auf. Das Wärmeabschirmelement 38 ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Insbesondere ist das Wärmeabschirmelement 38 im Wesentlichen becherförmig oder tassenförmig ausgebildet. Entsprechend weist das Wärmeabschirmelement 38 eine Wand 42 auf. Die Wand 42 bildet die Becherform. Das Wärmeabschirmelement 38 weist zumindest an dem der Öffnung 40 gegenüberliegenden Ende einen größeren Durchmesser 44 als eine Höhe 46 auf.

Figur 3 zeigt ein vergrößertes Detail des Wärmeabschirmelements 38. Das Wärmeabschirmelement 38 ist integral mit einem Dichtungselement 48 ausgebildet. Das Wärmeabschirmelement 38 weist ein Ende 50 auf, das im montierten Zustand dem Gewindeabschnitt 14 zugewandt ist auf. Das dem Gewindeabschnitt 14 zugewandte Ende 50 weist eine Bördelung 52 auf. Die Bördelung 52 befestigt das Dichtungselement 48. Das Wärmeabschirmelement 38 weist einen Boden 54 auf. Der Boden 54 erstreckt sich in radialer Richtung. Der Boden 54 begrenzt die Öffnung 40. Die Figuren 2 und 3 zeigen dabei das Wärmeabschirmelement 38 in einem Zustand vor einer Montage, in dem das Ende 50 noch nicht vorgepresst ist und die Bördelung 52 von dem Boden 54 beabstandet ist.

Figur 4 zeigt eine Draufsicht des Wärmeabschirmelements 38. Der Boden 54 weist mindestens eine Drainageöffnung 56 auf. Wie in Figur 4 zu erkennen ist, weist der Boden 54 beispielsweise vier Drainageöffnungen 56 auf, die gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt sind. Es wird explizit betont, dass auch mehr oder weniger als vier Drainageöffnungen 56 vorgesehen sein können, wie beispielsweise zwei, drei, fünf, sechs oder noch mehr Drainageöffnungen 56.

Wie in Figur 1 zu erkennen ist, ist das Wärmeabschirmelement 38 auf der dem Gewindeabschnitt 14 zugewandten Seite 22 des Gehäusesockels 16 derart angeordnet, dass sich das Gehäuse 12 mit dem Gewindeabschnitt 14 durch die Öffnung 40 erstreckt. Das Dichtungselement 48 ist dabei die Öffnung 40 umgebend an dem Gehäuseabschnitt 24 zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14 angeordnet. Das Wärmeabschirmelement 38 greift dabei mit dem dem Gewindeabschnitt 14 zugewandten Ende 50 in die Ausnehmung 26 ein. Die Wand 42 umgibt das Gehäuse 12 in dem anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 20 zumindest teilweise. Die Wand 42 erstreckt sich vollständig in einer Umfangsrichtung um den anschlussseitigen Gehäuseabschnitt 20. Das Wärmeabschirmelement 38 umgibt den Gehäuseabschnitt 24 zwischen dem Gehäusesockel 16 und dem Gewindeabschnitt 14 in einer Umfangsrichtung vollständig. Figur 1 zeigt dabei das Wärmeabschirmelement 38 in einem Zustand nach einer Montage, in dem das Ende 50 vorgepresst ist und die Bördelung 52 an dem Boden 54 anliegt.

Zur Montage des Wärmeabschirmelements 38 an dem Gehäuse 12 ist es lediglich erforderlich, das Wärmeabschirmelement 38 mit dem integrierten Dichtungselement 48 mit seiner Öffnung 40 über den Gewindeabschnitt 14 zu schieben, bis es an der dem Gewindeabschnitt 14 zugewandten Seite 22 des Gehäusesockels 16 anliegt und in die Ausnehmung 26 eingreift. Dann wird das Ende 50 und das integrale Dichtungselement 48 vorgepresst und die Bördelung 52 liegt schließlich an dem Boden 54 an.