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DE102004050630A1 - Gas sensor used as lambda sensor for analyzing IC engine exhaust gases comprises sensor element impinged by exhaust gas stream separated from assembly element by separating device - Google Patents

Gas sensor used as lambda sensor for analyzing IC engine exhaust gases comprises sensor element impinged by exhaust gas stream separated from assembly element by separating device Download PDF

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Abstract

A gas sensor comprises a sensor element (3) impinged by an exhaust gas stream separated from an assembly element (4) by a separating device (6).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gassonde, insbesondere eine Lambdasonde zur Analyse von Abgasen einer mobilen Brennkraftmaschine, mit einem Grundkörper, einem Sensorelement, einem Montageelement und einem Schutzelement, wobei das mit dem Grundkörper verbundene Sensorelement zum Teil von dem Montageelement und zum Teil von dem Schutzelement umgeben ist.The The present invention relates to a gas probe, in particular a Lambda probe for analysis of exhaust gases of a mobile internal combustion engine, with a basic body, a sensor element, a mounting element and a protective element, being that with the main body connected sensor element partly from the mounting element and partly surrounded by the protective element.

Gemäß dem Stand der Technik ist bei den heutigen Gassonden das Montageelement zumeist als ein massiver Gewindesockel ausgeführt. Dieser Gewindesockel ist in das Gehäuse eines im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Abgaskatalysators eingeschraubt. Dadurch bildet das Montageelement zwangsläufig eine Kältebrücke zwischen der kalten Umgebungsluft außerhalb des Katalysators und dem heißen Abgas innerhalb des Katalysators. Somit wird sich während der Aufheizphase die im Abgas enthaltene Feuchtigkeit bevorzugt an dem Montageelement niederschlagen. Dies ist aber besonders problematisch, weil das unmittelbar zu dem Montageelement benachbarte jedoch mit einer wesentlich höheren Betriebstemperatur arbeitende Sensorelement durch den Kontakt mit einem an dem Montageelement anhaftenden Wassertröpfchen zerstört werden kann.According to the state The technology is in most of today's gas probes, the mounting element as a solid threaded socket executed. This threaded socket is in the case a arranged in the exhaust system of the internal combustion engine exhaust gas catalyst screwed. As a result, the mounting element inevitably forms a Cold bridge between the cold ambient air outside of the catalyst and the hot one Exhaust gas within the catalyst. Thus, during the Heating phase, the moisture contained in the exhaust preferably on the Knock down the mounting element. This is especially problematic because the immediately adjacent to the mounting element, however, with a much higher one Operating temperature sensor element by the contact with a adhering to the mounting element water droplets are destroyed can.

Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Gassonde bereitzustellen, welche während der Aufheizphase der Brennkraftmaschine bzw. des Katalysators wirkungsvoll vermeidet, dass sich im Abgas enthaltene Feuchtigkeit an den zu dem Sensorelement benachbarten kalten Komponenten als Wassertröpfchen niederschlägt, damit das Sensorelement durch die auftretende Feuchtigkeit nicht beschädigt werden kann.In front This is the object of the present invention to provide improved gas probe, which during the heating of the Combustion engine or the catalyst effectively avoids that moisture contained in the exhaust gas at the to the sensor element adjacent cold components precipitates as water droplets, so that the sensor element will not be damaged by the occurring moisture can.

Lösungsgemäß wird das von dem Abgasstrom beaufschlagte Sensorelement mittels einer Trennvorrichtung von dem Montageelement getrennt, so dass das Sensorelement nicht mehr mit der im Abgas enthaltenen Feuchtigkeit in Berührung kommt, die sich bevorzugt an dem als massiven Gewindesockel ausgeführten und gegenüber dem Sensorelement deutlich kälteren Montageelement niederschlägt. Dadurch ist das Sensorelement der Gassonde in der Aufheizphase weniger gefährdet und somit wesentlich schneller auf seine erforderliche Betriebstemperatur aufheizbar.The solution is the acted upon by the exhaust gas flow sensor element by means of a separator separated from the mounting member so that the sensor element is not more comes into contact with the moisture contained in the exhaust gas, which preferably on the solid threaded socket executed and across from significantly colder the sensor element Precipitates mounting element. As a result, the sensor element of the gas probe is less in the heating phase endangered and thus much faster to its required operating temperature heatable.

Vorteilhaft weist die Trennvorrichtung ein hut-, ring- oder zylinderförmiges Dichtelement auf, denn dieses hut-, ring- oder zylinderförmige Dichtelement fügt sich in besonders günstiger Weise in den schmalen Ringspalt zwischen dem zylindrischen Gewindesockel des Montageelements und dem konzentrisch dazu angeordneten länglichen Sensorelement der Gassonde ein. Mittels einer solchen Trennvorrichtung kann die vorhandene Feuchtigkeit nicht mehr mit dem Montageelement bzw. nicht mehr mit dem Sensorelement in Berührung kommen.Advantageous the separating device has a hat, ring or cylinder-shaped sealing element on, because this hat, ring or cylindrical sealing element fits in particularly favorable Way into the narrow annular gap between the cylindrical threaded socket the mounting member and the concentric thereto arranged elongated Sensor element of the gas probe. By means of such a separation device The existing moisture can no longer with the mounting element or no longer come into contact with the sensor element.

Besonders vorteilhaft ist die Trennvorrichtung bzw. das Dichtelement als eine Beschichtung ausgebildet, wobei diese Beschichtung gasdurchlässig nicht aber feuchtigkeitsdurchlässig sein sollte. Dies könnte beispielsweise durch eine Beschichtung aus einem keramischen Material erzielt werden, welches gleichzeitig wärmedämmende Eigenschaften besitzt.Especially Advantageously, the separation device or the sealing element as a Coating formed, this coating is not permeable to gas but permeable to moisture should be. this could for example, by a coating of a ceramic material be achieved, which has the same thermally insulating properties.

Weiterbildungsgemäß ist die Trennvorrichtung wenigstens zum Teil hygroskopisch ausgeführt, damit sich die im Abgas enthaltene Feuchtigkeit grundsätzlich nicht in Form von einzelnen Tröpfchen, sondern lediglich in Form eines angefeuchteten Bereiches oder einer angefeuchteten Schicht der hygroskopischen Trennvorrichtung niederschlagen kann. Die Trennvorrichtung gibt die Feuchtigkeit während der Aufheizphase langsam wieder ab, ohne dass das Sensorelement dabei gefährdet ist.Training is the Separator at least partially executed hygroscopic, so The moisture contained in the exhaust gas is basically not in the form of individual Droplets, but only in the form of a moistened area or a moistened area Layer of hygroscopic separation device can knock down. The Separator slowly releases the moisture during the heating phase again, without the sensor element is at risk.

Die Trennvorrichtung kann außerdem porös ausgeführt sein, um einen Gasaustausch zwischen der dem Montageelement zugewandten Seite und der von dem Montageelement abgewandten Seite des Dichtelementes bzw. der Beschichtung zu ermöglichen.The Separator can also be porous, to a gas exchange between the mounting element facing Side and the side facing away from the mounting member of the sealing element or to allow the coating.

Zweckmäßigerweise besteht die Trennvorrichtung zumindest teilweise aus einem elastischen Material. Dank der Elastizität der Trennvorrichtung werden mechanische und thermische Toleranzen zwischen dem Montageelement und dem Sensorelement der Gassonde ausgeglichen, so dass die Trennvorrichtung bzw. das Dichtelement auch wirklich zuverlässig abdichtet.Conveniently, If the separator is at least partially made of an elastic material. Thanks to the elasticity The separator will be mechanical and thermal tolerances between compensated for the mounting element and the sensor element of the gas probe, so that the separator or the sealing element really reliable seals.

Ist die Trennvorrichtung mit dem Sensorelement, dem Montageelement und/oder mit dem Schutzelement der Gassonde verschweißt, so gewährleistet dies eine höchst zuverlässige Fixierung der Trennvorrichtung und damit eine sichere Trennung zwischen dem vom Abgasstrom beaufschlagten Sensorelement und dem Montageelement.is the separation device with the sensor element, the mounting element and / or welded to the protective element of the gas probe, this ensures a highly reliable fixation of Separator and thus a secure separation between the from Exhaust flow acted upon sensor element and the mounting element.

Bevorzugt besteht das Schutzelement aus einem Innenrohr und einem Außenrohr, wobei der Rand des Innenrohres entweder aufgeweitet ist und die Stirnseite des Montageelements übergreift, so dass die Trennvorrichtung zum Teil zwischen dem Montageelement und dem Schutzelement angeordnet ist oder wobei der Rand des Innenrohres mit der Vertiefung des Montageelements verbunden ist, so dass die Trennvorrichtung wenigstens zum Teil von dem Innenrohr des Schutzelements gebildet ist. Damit ist eine gasseitige Abschirmung des Montageelements realisiert und wird die Kondensatbildung am Montageelement vermieden. Bei beiden Alternativen unterstützt das Innenrohr des Schutzelements außerdem die optimale Positionierung der Trennvorrichtung und trägt zur einwandfreien Abdichtung bei.Preferably, the protective element consists of an inner tube and an outer tube, wherein the edge of the inner tube is either expanded and engages over the end face of the mounting member, so that the separating device is arranged partially between the mounting member and the protective element or wherein the edge of the inner tube with the Deepening of the mounting member is connected, so that the separating device is at least partially formed by the inner tube of the protective element. For a gas-side shielding of the mounting element is realized and the formation of condensation on the mounting element is avoided. In both alternatives, the inner tube of the protective element also supports the optimum positioning of the separator and contributes to proper sealing.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:The The present invention will be described with reference to the following Drawing figures closer explained. Show it:

1 eine erste Ausführungsform der Gassonde mit einer Trennvorrichtung in vereinfachter Darstellung; 1 a first embodiment of the gas probe with a separator in a simplified representation;

2 eine zweite Ausführungsform der Gassonde mit Trennvorrichtung; 2 a second embodiment of the gas probe with separator;

3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Gassonde; 3 a third embodiment of the gas probe according to the invention;

4 eine vierte Ausführungsform der Gassonde; und 4 a fourth embodiment of the gas probe; and

5 eine weitere Ausführungsform der Gassonde. 5 a further embodiment of the gas probe.

Die Gassonde 1 umfasst im wesentlichen einen Grundkörper 2, ein Sensorelement 3, ein Montageelement 4, ein Schutzelement 5 sowie eine Trennvorrichtung 6.The gas probe 1 essentially comprises a main body 2 , a sensor element 3 , a mounting element 4 , a protective element 5 and a separator 6 ,

Die Gassonde 1 ist eine Lambdasonde, die das Luft/Kraftstoffverhältnis λ der Abgase bestimmt, welche den Katalysator einer Brennkraftmaschine durchströmen.The gas probe 1 is a lambda probe, which determines the air / fuel ratio λ of the exhaust gases, which flow through the catalyst of an internal combustion engine.

Der metallische Grundkörper 2 der Gassonde 1 ist im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist einen Außensechskant 7 auf. An seinem einen Ende trägt der Grundkörper 2 das Sensorelement 3 sowie das Montageelement 4 und an seinem anderen Ende trägt der Grundkörper 2 ein elektrisches Leitungselement 8 zur Anbindung an ein nicht dargestelltes Steuergerät der Brennkraftmaschine.The metallic base body 2 the gas probe 1 is substantially cylindrical and has an external hexagon 7 on. At one end of the body carries 2 the sensor element 3 as well as the mounting element 4 and at its other end is the main body 2 an electrical conduction element 8th for connection to an unillustrated control unit of the internal combustion engine.

Das längliche Sensorelement 3 der Gassonde 1 besteht aus einem keramischen Material und ragt zur Erfassung der Abgaszusammensetzung bzw. des Luftanteils im Abgas der Brennkraftmaschine mit seinem freien Ende in den Abgasstrom hinein. Damit das Sensorelement 3 optimal arbeiten kann, muss es eine Betriebstemperatur von ca. 300 Grad Celsius erreicht haben.The elongated sensor element 3 the gas probe 1 consists of a ceramic material and protrudes to detect the exhaust gas composition or the proportion of air in the exhaust gas of the internal combustion engine with its free end into the exhaust gas flow into it. So that the sensor element 3 must be able to work optimally, it must have reached an operating temperature of about 300 degrees Celsius.

Das zur Befestigung der Gassonde 1 vorgesehene Montageelement 4, ist als ein massiver Metallsockel 9 ausgebildet. Dieser Metallsockel 9 weist auf der dem Sensorelement 3 zugewandten Innenseite eine muldenartige Vertiefung 10 auf, welche mit dem Abgas in Kontakt kommt. Die Außenseite des Metallsockels 9 ist hingegen als ein Außengewinde 11 ausgebildet, welches an einer geeigneten Stelle in das Gehäuse des nicht dargestellten Katalysators einschraubbar ist und somit nicht mit dem Abgas in Kontakt steht.The attachment of the gas probe 1 provided mounting element 4 , is considered a massive metal base 9 educated. This metal base 9 points to the sensor element 3 facing inside a trough-like depression 10 on, which comes into contact with the exhaust gas. The outside of the metal base 9 is, however, as an external thread 11 formed, which is screwed at a suitable location in the housing of the catalyst, not shown, and thus is not in contact with the exhaust gas.

Das Montageelement 4 trägt außerdem das Schutzelement 5. Das aus dünnem Blech gefertigte Schutzelement 5 ist zweiteilig ausgebildet und besteht aus einem Innenrohr 12 sowie aus einem Außenrohr 13. Das Innenrohr 12 sowie das Außenrohr 13 weisen jeweils versetzt zueinander angeordnete Aussparungen 14 auf, so dass sie das Sensorelement 3 gasdurchlässig umgeben und dabei bereits einen gewissen Schutz vor im Abgas enthaltener Feuchtigkeit darstellen.The mounting element 4 also carries the protective element 5 , The protection element made of thin sheet metal 5 is formed in two parts and consists of an inner tube 12 as well as an outer tube 13 , The inner tube 12 as well as the outer tube 13 each have mutually offset recesses 14 on, so that they are the sensor element 3 surrounded gas permeable and already represent some protection against moisture contained in the exhaust gas.

Damit sich die speziell während der Startphase der Brennkraftmaschine im Abgas enthaltene Feuchtigkeit, welche bevorzugt an kühlen Bauteilen kondensiert, nicht an dem zu dem empfindlichen Sensorelement 3 unmittelbar benachbarten Montageelement 4 ablagert, ist die Trennvorrichtung 6 vorgesehen, welche das Sensorelement 3 bzw. den Abgasstrom von dem Montageelement 4 trennt.Thus, the moisture contained specifically in the exhaust gas during the starting phase of the internal combustion engine, which preferably condenses on cool components, not on the to the sensitive sensor element 3 immediately adjacent mounting element 4 deposits, is the separator 6 provided, which the sensor element 3 or the exhaust gas flow from the mounting element 4 separates.

Die Trennvorrichtung 6 ist gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform einfach als eine wasserspeichernde bzw. hygroskopische hutförmige Beschichtung 15 der mit dem Abgas in Kontakt stehenden Vertiefung 10 sowie der Stirnseite 16 des Metallsockels 9 des Montageelements 4 ausgeführt.The separator 6 is according to the in 1 shown as a water-storing or hygroscopic hat-shaped coating 15 the recess in contact with the exhaust gas 10 as well as the front side 16 of the metal socket 9 of the mounting element 4 executed.

Gemäß der zweiten Ausführungsform aus 2 besteht die Trennvorrichtung 6 aus einem zwischen dem Sensorelement 3 und dem Montageelement 4 vorgesehenen hygroskopischen ringförmigen Dichtelement 17. Dieses elastische Dichtelement 17 ist zwischen der Stirnseite 16 des Metallsockels 9 des Montageelements 4 und dem sich aufweitenden Rand 18 des Innenrohres 12 des Schutzelements 5 eingelegt und ist mittig von dem Sensorelement 3 durchdrungen.According to the second embodiment of 2 there is the separator 6 from one between the sensor element 3 and the mounting element 4 provided hygroscopic annular sealing element 17 , This elastic sealing element 17 is between the front side 16 of the metal socket 9 of the mounting element 4 and the widening edge 18 of the inner tube 12 of the protective element 5 inserted and is centered on the sensor element 3 penetrated.

Bei der dritten Ausführungsform der 3 ist die Trennvorrichtung 6 einfach als ein zwischen dem Sensorelement 3 und dem Montageelement 4 angeordnetes Dichtelement 17 und als ein Teil des Innenrohres 12 des Schutzelementes 5 ausgeführt. Dazu ist bei dieser Gassonde 1 der Rand 18 des sich verjüngenden Innenrohres 12 des Schutzelements 5 direkt mit der Innenseite der Vertiefung 10 des Metallsockels 9 verbunden, so dass der zu dem Sensorelement 3 unmittelbar benachbarte Bereich des Montageelements 4 auch hier wirkungsvoll durch die Trennvorrichtung 6 von dem Abgasstrom getrennt ist.In the third embodiment of the 3 is the separator 6 simply as one between the sensor element 3 and the mounting element 4 arranged sealing element 17 and as a part of the inner tube 12 of the protective element 5 executed. This is with this gas probe 1 the edge 18 the tapered inner tube 12 of the protective element 5 directly to the inside of the depression 10 of the metal socket 9 connected so that the to the Sensorele ment 3 immediately adjacent area of the mounting element 4 here also effective by the separator 6 is separated from the exhaust gas stream.

Gemäß der vierten Ausführungsform aus 4 besteht die Trennvorrichtung 6 lediglich aus einem Teil des Innenrohres 12 des Schutzelements 5. Hierzu ragt das sich verjüngende Innenrohr 12 so weit in die Vertiefung 10 das Metallsockels 9 hinein, dass das Montageelement 4 auch ohne ein separates Dichtelement 17 weitestgehend von dem Sensorelement 3 getrennt ist.According to the fourth embodiment of 4 there is the separator 6 only from a part of the inner tube 12 of the protective element 5 , For this purpose, the tapered inner tube protrudes 12 so far into the depression 10 the metal base 9 into it, that the mounting element 4 even without a separate sealing element 17 as far as possible from the sensor element 3 is disconnected.

Und bei der letzten Ausführungsform aus 5 ist die Trennvorrichtung 6 als eine das Sensorelement 3 umgebende Beschichtung 15 aus sehr porösem Material ausgebildet. Durch die Porosität ist die Beschichtung 15 gasdurchlässig nicht aber wasserdurchlässig, so dass das Sensorelement 3 in seiner Funktion unbeeinträchtigt ist, aber gleichzeitig der Kontakt des heißen Sensorelementes mit dem kalten Wasser vermieden wird.And in the last embodiment off 5 is the separator 6 as one the sensor element 3 surrounding coating 15 made of very porous material. Due to the porosity is the coating 15 gas permeable but not permeable to water, so that the sensor element 3 is unaffected in its function, but at the same time the contact of the hot sensor element is avoided with the cold water.

11
Gassondegas Well
22
Grundkörperbody
33
Sensorelementsensor element
44
Montageelementmounting element
55
Schutzelementprotection element
66
Trennvorrichtungseparating device
77
AußensechskantExternal hexagon
88th
Leitungselementline element
99
Metallsockelmetal base
1010
Vertiefungdeepening
1111
Außengewindeexternal thread
1212
Innenrohrinner tube
1313
Außenrohrouter tube
1414
Aussparungrecess
1515
Beschichtungcoating
1616
Stirnseitefront
1717
Dichtelementsealing element
1818
Randedge

Claims (9)

Gassonde, insbesondere einer Lambdasonde zur Analyse von Abgasen einer mobilen Brennkraftmaschine, mit – einem Grundkörper, – einem Sensorelement, – einem Montageelement und – einem Schutzelement, wobei das mit dem Grundkörper verbundene Sensorelement zum Teil von dem Montageelement und zum Teil von dem Schutzelement umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das von dem Abgasstrom beaufschlagte Sensorelement (3) mittels einer Trennvorrichtung (6) von dem Montageelement (4) getrennt ist.Gas probe, in particular a lambda probe for analyzing exhaust gases of a mobile internal combustion engine, comprising - a base body, - a sensor element, - a mounting element and - a protective element, wherein the sensor element connected to the base body is partially surrounded by the mounting element and partly by the protective element , characterized in that the sensor element acted upon by the exhaust gas flow ( 3 ) by means of a separating device ( 6 ) of the mounting element ( 4 ) is disconnected. Gassonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (6) ein hut-, ring- oder zylinderförmiges Dichtelement (17) aufweist.Gas probe according to claim 1, characterized in that the separating device ( 6 ) a hat, ring or cylinder-shaped sealing element ( 17 ) having. Gassonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (6) als eine Beschichtung (15) ausgebildet ist.Gas probe according to claim 1 or 2, characterized in that the separating device ( 6 ) as a coating ( 15 ) is trained. Gassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (6) wenigstens zum Teil hygroskopisch ausgeführt ist.Gas probe according to one of claims 1 to 3, characterized in that the separating device ( 6 ) is executed at least partially hygroscopic. Gassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (6) wenigstens zum Teil porös ausgeführt ist.Gas probe according to one of claims 1 to 4, characterized in that the separating device ( 6 ) is carried out at least partially porous. Gassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (6) aus einem elastischen Material besteht.Gas probe according to one of claims 1 to 5, characterized in that the separating device ( 6 ) consists of an elastic material. Gassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennvorrichtung (6) mit dem Sensorelement (3), dem Montageelement (4) und/oder dem Schutzelement (5) verschweißt ist.Gas probe according to one of claims 1 to 6, characterized in that the separating device ( 6 ) with the sensor element ( 3 ), the mounting element ( 4 ) and / or the protective element ( 5 ) is welded. Gassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (5) aus einem Innenrohr (12) und einem Außenrohr (13) gebildet ist, wobei der Rand (18) des Innenrohres (12) aufgeweitet ist und die Stirnseite (16) des Montageelements (4) übergreift, so dass die Trennvorrichtung (6) zum Teil zwischen dem Montageelement (4) und dem Innenrohr (12) des Schutzelements (5) angeordnet ist.Gas probe according to one of claims 1 to 7, characterized in that the protective element ( 5 ) from an inner tube ( 12 ) and an outer tube ( 13 ), wherein the edge ( 18 ) of the inner tube ( 12 ) is widened and the front side ( 16 ) of the mounting element ( 4 ) so that the separating device ( 6 ) partly between the mounting element ( 4 ) and the inner tube ( 12 ) of the protective element ( 5 ) is arranged. Gassonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzelement (5) aus einem Innenrohr (12) und einem Außenrohr (13) gebildet ist, wobei der Rand (18) des Innenrohres (12) mit der Vertiefung (10) des Montageelementes (4) verbunden ist, so dass die Trennvorrichtung (6) wenigstens zum Teil von dem Innenrohr (12) des Schutzelements (5) gebildet ist.Gas probe according to one of claims 1 to 7, characterized in that the protective element ( 5 ) from an inner tube ( 12 ) and an outer tube ( 13 ), wherein the edge ( 18 ) of the inner tube ( 12 ) with the depression ( 10 ) of the mounting element ( 4 ), so that the separating device ( 6 ) at least in part from the inner tube ( 12 ) of the protective element ( 5 ) is formed.
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