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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases, insbesondere zur Bestimmung der Konzentration mindestens einer Gaskomponente oder der Temperatur im Messgas, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein bekannter Messfühler oder Gassensor zur Bestimmung der Konzentration mindestens einer Gaskomponente im Messgas, insbesondere der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine (
DE 10 2004 033 958 A1 ), weist ein Sensorelement auf, das mit einem dem Abgas ausgesetzten, messgasseitigen Endabschnitt aus einem Sensorgehäuse vorsteht. Zum Schutze des Sensorelements gegen Thermoschock infolge Beaufschlagung des Endabschnitts durch im Abgas mitgeführten kalten Wassertröpfchen und zum Schutz gegen zu starkes Abkühlen des Sensorelements durch kaltes Abgas ist der Endabschnitt des Sensorelements von einem am Sensorgehäuse befestigten Mehrfach-Schutzrohr umgeben. Das Mehrfach-Schutzrohr weist ein an seinem gehäusefernen, freien Rohrende mit einem Deckel einstückig verschlossenes inneres Schutzrohr, ein das innere Schutzrohr konzentrisch umgebendes äußeres Schutzrohr sowie ein zwischen dem inneren und äußeren Schutzrohr angeordnetes, koaxiales, mittleres Schutzrohr auf. Das äußere und das mittlere Schutzrohr sind topfförmig als Tiefziehteile ausgebildet, wobei das längere mittlere Schutzrohr den Topfboden des äußeren Schutzrohrs durchdringt. In dem verbleibenden, ringförmigen Topfboden des äußeren Schutzrohrs ist eine Vielzahl von Gaseintrittsöffnungen vorgesehen, während im Topfmantel des mittleren Schutzrohrs nahe dessen gehäuseseitigem Ende eine Mehrzahl von Gasdurchtrittslöchern und im Topfboden des mittleren Schutzrohrs eine zentrale Gasaustrittsöffnung vorhanden ist. Das innere Schutzrohr ist im Axialabstand von seinem Deckel mit einem Lochkranz aus mehreren Gasdurchtrittslöchern versehen.
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Ein bekanntes, in einem solchen Gassensor zum Einsatz kommendes, stabförmiges, planares Sensorelement (
DE 102 35 195 A1 ) weist einen aus mehreren Festelektrolytschichten zusammenlaminierten, gesinterten Keramikkörper auf, in dem eine Pumpzelle mit einer auf der Oberfläche des Keramikkörpers angeordneten äußeren Pumpelektrode und einer in einem Hohlraum im Keramikkörper angeordneten inneren Pumpelektrode, eine Nernstzelle mit einer im Hohlraum angeordneten Nernstelektrode und einer in einem im Innern des Keramikkörpers ausgebildeten, mit einem Referenzgas beaufschlagten Referenzgaskanal angeordneten Referenzelektrode sowie eine elektrische Heizeinrichtung mit einem im Innern des Keramikkörpers angeordneten, in einer elektrischen Isolierung eingebetteten, elektrischen Heizelement in Form eines elektrischen Widerstandsmäanders vorhanden sind. Das Heizelement, dessen Heizleistung abhängig von der Temperatur des Sensorelements geregelt ist, dient dazu, einerseits das Sensorelement möglichst rasch und noch während der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine auf die erforderliche Betriebstemperatur des Sensorelements zu bringen und andererseits diese Betriebstemperatur über die Betriebszeit konstant zu halten. Die Temperatur am Sensorelement wird in bekannter Weise über die Messung des elektrischen Widerstands der Nernstzelle erfasst. Bei zunehmendem Widerstand der Nernstzelle wird das Taktverhältnis der an dem Heizelement liegenden Heizspannung erhöht.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Gassensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Abstimmung des von dem in das Schutzrohr einströmenden Messgas ausgehenden Kühleffekts auf den vom Heizelement ausgehenden Erwärmungsprozess für Pump- und Nernstzelle eine sehr gute Messgenauigkeit des Gassensors gewährleistet ist, da damit Pump- und Nernstzelle stets und zeitgleich zumindest annähernd der gleichen Temperatur ausgesetzt sind. Dadurch werden Fehlmessungen des Sensorelements infolge zu starken Kühlens der Pumpzelle im Vergleich zur Nernstzelle ebenso vermieden wie Fehlmessungen des Sensorelements durch ein Überhitzen der Pumpzelle bei zu stark gekühlter Nernstzelle.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Gassensors möglich.
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Gemäß einer nicht zur Erfindung gehörigen Lösung sind Heizelement und Pump- und Nerstzelle im Sensorelement so angeordnet, dass der räumliche Schwerpunkt der Heizleistung etwa mittig zwischen Pump- und Nernstzelle liegt. In diesem Fall lässt sich das Zusammenlegen von Heiz- und Kühlschwerpunkt dadurch erreichen, dass der Lochkranz im Rohrmantel dicht am Deckel des Schutzrohrs angeordnet ist und der Endabschnitt des Sensorelements bis etwa zur Lochmitte der Gasdurchtrittslöcher des Lochkranzes in das Schutzrohr hineinragt. Alternativ ist das Sensorelement gegenüber dem Lochkranz weiter zurückgezogen, so dass der Endabschnitt des Sensorelements bis zu der vom Deckel wegweisende Begrenzungskante der Gasdurchtrittslöcher oder wenig über diese Begrenzungskante hinweg in das Schutzrohr hineinragt. In beiden Fällen wird ein direktes Anblasen von Nernst- und Pumpzelle, die in einem definierten axialen Abstand vom Ende des Endabschnitts angeordnet sind, durch das kalte Abgas vermieden, und beide Zellen werden gleichmäßig mit Abgas angeströmt und dadurch gekühlt. Der geringe Anstrom des Messgases über das gesamte Sensorelement lässt den Heizspannungsbedarf sinken. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn bei geringer Batteriespannung der Gassensor keine ausreichenden Heizspannungsreserven mehr erhält, um den Gassensor auf Betriebstemperatur aufzuheizen.
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Erfindungsgemäß sind Heizelement und Pump- und Nerstzelle relativ zueinander im Sensorelement so angeordnet, dass der räumliche Schwerpunkt der Heizleistung des Heizelements an der Nernstzelle liegt, und der Lochkranz ist im Rohrmantel so angeordnet, dass die Gasdurchtrittslöcher und die Nernstzelle in etwa in einer quer zum Sensorelement sich erstreckender Ebene liegen. Bei dieser konstruktiven Gestaltung des Schutzrohrs liegen der Schwerpunkt der Kühlung durch das Messgas, der Schwerpunkt oder der Hot-Spot der von Heizelement zur Verfügung gestellten Heizleistung und der Schwerpunkt der Temperaturmessung am dichtesten aneinander. In diesem Fall wird auch bei inhomogener Anblasung des Endabschnitts des Sensorelements durch das kühle Messgas eine von der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases unabhängige konstante Temperatur eingestellt.
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Figurenliste
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ausschnittweise einen Längsschnitt eines Gassensors mit einem Sensorelement und einem aus drei konzentrischen Schutzrohren zusammengesetzten Mehrfach-Schutzrohr,
- 2 ausschnittweise einen Längsschnitt des Sensorelements in 1,
- 3 ausschnittweise einen schematisierten Längsschnitt von Sensorelement und innerem Schutzrohr des Gassensors in 1, schematisiert dargestellt,
- 4 bis 6 jeweils eine gleiche Darstellung wie in 3 dreier weiterer Ausführungsbeispiele.
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Der in 1 ausschnittweise im Schnitt dargestellte Gassensor zur Bestimmung einer physikalischen Eigenschaft eines Messgases dient beispielsweise zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas einer Brennkraftmaschine. In anderer konzeptioneller Ausbildung kann der Gassensor auch zur Bestimmung der Konzentration von Stickoxiden im Abgas oder zur Messung der Temperatur des Abgases oder zur Messung der Russkonzentration verwendet werden.
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Der Gassensor weist ein rotationssymmetrisches, metallisches Gehäuse 10 auf, in dem ein im Ausführungsbeispiel stabförmiges, planares Sensorelement 11 mittels einer an die Innenwand des Gehäuses 10 angepressten, keramischen Dichtung 12 gasdicht verbaut ist. Das Sensorelement 11 ragt mit einem messgasseitigen Endabschnitt 111 aus dem Gehäuse 10 heraus und ist im Einbauzustand des Gassensors einer Messgas- oder Abgasströmung ausgesetzt.
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In 2 ist ausschnittweise ein Längsschnitt des Endabschnitts 111 Sensorelements 11 schematisiert dargestellt. Das Sensorelement 11 weist einen aus mehreren Festelektrolytschichten zusammengesetzten, stabförmigen Keramikkörper 13 auf, wobei in 2 der Übersichtlichkeit halber auf die Darstellung der einzelnen Festelektrolytschichten verzichtet worden ist. Im Keramikkörper 13 sind ein Hohlraum 14 und ein Referenzgaskanal 15 ausgebildet. In dem Hohlraum 14 mündet ein von der Oberfläche des Keramikkörpers 13 ausgehendes Gaszutrittsloch 16, dessen Mündung im Hohlraum 14 von einer Diffusionsbarriere 17 umgeben ist. Der Referenzgaskanal 15 ist mit einem Referenzgas, z.B. mit atmosphärischer Luft, beaufschlagt. Das Sensorelement 11 weist eine äußere Pumpelektrode 18, die auf der Körperoberfläche koaxial zum Gaszutrittloch 16 angeordnet ist, und eine im Hohlraum 14 hinter der Diffusionsbarriere 17 angeordnete innere Pumpelektrode 19, eine der inneren Pumpelektrode 19 im Hohlraum 14 gegenüberliegende Mess- oder Nernstelektrode 20 sowie eine im Referenzgaskanal 15 angeordnete Referenzelektrode 21 auf. Die üblicherweise von einer Schutzschicht 32 abgedeckte äußere Pumpelektrode 18 und die innere Pumpelektrode 19 bilden eine sog. Pumpzelle und die Nernstelektrode 20 und Referenzelektrode 21 eine sog. Nernstzelle. Der durch die Pumpzelle fließende Pumpstrom, der von der Temperatur des Sensorelements 11 beeinflusst ist, ist ein Maß für die Sauerstoffkonzentration im Abgas der Brennkraftmaschine. Die Spannung an der Nernstzelle wird dabei auf einen konstanten Wert, z.B. 450mV, eingeregelt. Das Sensorelement 11 wird mittels einer Heizeinrichtung eingestellt, auf Betriebstemperatur aufgeheizt und gehalten. Diese weist ein elektrisches Heizelement 22 auf, das in Form eines Widerstandsbahn-Mäanders in einer in dem Keramikkörper 13 integrierten, elektrischen Isolationsschicht 23 eingebettet ist. In der Schnittzeichnung der 2 ist auf die Darstellung der elektrischen Zuleitungsbahnen zu den verschiedenen Elektroden und dem Heizelement 22 verzichtet worden.
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Wie in 1 dargestellt ist, ist der messgasseitige Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 von einem inneren Schutzrohr 24 konzentrisch umgeben, das mit einer trichterförmigen Erweiterung 241 in dem Gehäuse 10 zwischen einer am Gehäuse 10 angeformten Schrägschulter und der Dichtung 12 eingespannt ist. Das gehäuseferne Ende des als Tiefziehteil hergestellten inneren Schutzrohrs 24 ist mit einem einstückig angeformten Deckel 242 verschlossen. Im Rohrmantel 243 des inneren Schutzrohrs 24 ist direkt unter dem Deckel 242 ein Lochkranz aus mehreren Gasdurchtrittslöchern 25 angeordnet, durch die hindurch das Mess- oder Abgas an den Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 gelangt, um diesen zu umströmen. Konzentrisch zum inneren Schutzrohr 24 sind ein äußeres Schutzrohr 26 und ein zwischen dem inneren und äußeren Schutzrohr 24, 26 liegendes mittleres Schutzrohr 27 angeordnet. Äußeres Schutzrohr 26 und mittleres Schutzrohr 27 sind topfförmig als Tiefziehteile mit einem Topfboden 261 bzw. 271 und einem Topfmantel 262 bzw. 272 ausgeführt. Das mittlere Schutzrohr 27 weist eine größere Länge als das äußere Schutzrohr 26 auf und ist durch eine Öffnung im Topfboden 261 des äußeren Schutzrohrs 26 hindurchgeführt. In dem dadurch verbleibenden, ringförmigen Topfboden 261 des äußeren Schutzrohrs 26 ist ein Gaseinlass vorgehalten, der als Ringspalt oder mit einer Vielzahl von Gasdurchtrittslöchern 28 realisiert ist, die beispielsweise als Stanz- oder Bohrlöcher ausgeführt sind. Der Topfboden 271 des mittleren Schutzrohrs 27 trägt eine zentrale Öffnung 29, und der Topfmantel 272 des mittleren Schutzrohrs 27 ist nahe seinem gehäuseseitigen Ende mit einer Mehrzahl von Gasdurchtrittslöchern 30 versehen. Die beiden ineinandergesetzten Schutzrohre 26, 27 sind mit ihrer Topföffnung auf einen im Durchmesser reduzierten Gehäuseabschnitt des Gehäuses 10 aufgeschoben und an diesem befestigt, z.B. verschweißt. Bei in den Messgas- oder Abgasstrom mit seinem Mehrfach-Schutzrohr hineinragenden Gassensor strömt das Messgas durch die Gasdurchtrittslöcher 28 im Topfboden 261 des äußeren Schutzrohrs 26 in den zwischen den Topfmänteln 262, 272 des äußeren und mittleren Schutzrohrs 26, 27 eingeschlossenen Ringraum, wird dort an den Gasdurchtrittslöchern 30 im Topfmantel 272 des mittleren Schutzrohrs 27 umgelenkt und durchströmt gegensinnig den von dem Topfmantel 272 des mittleren Schutzrohrs 27 und dem Rohrmantel 243 des inneren Schutzrohrs 24 begrenzten inneren Ringraum, wobei ein Teilstrom des Messgases über die Gasdurchtrittslöcher 25 im Rohrmantel 243 des inneren Schutzrohrs 24 in das Innere des inneren Schutzrohrs 24 übertritt und dort den Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 umströmt.
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In 3 ist schematisiert der messgasseitige Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 mit dem ihm unmittelbar umschließenden inneren Schutzrohr 24 im Längsschnitt dargestellt. Im Endabschnitt 111 sind schematisiert die Nernstzelle N und die Pumpzelle P angedeutet. Beide sind hintereinander im Längsabstand von dem Ende des Endabschnitts 111 angeordnet, wobei die Pumpzelle P näher zum Ende des Endabschnitts 111 hin platziert ist. Das Heizelement 22 der in Abhängigkeit von dem temperaturabhängigen Widerstand der Nernstzelle geregelten Heizeinrichtung ist im Keramikkörper 13 so angeordnet, dass der Schwerpunkt S seiner an Nernst- und Pumpzelle N, P gelangenden Heizleistung zwischen den beiden Zellen liegt, wie dies in 3 mit S angedeutet ist.
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Um temperaturabhängige Messfehler des Gassensors, die bei unterschiedlichen Temperaturen an Nernst- und Pumpzelle auftreten, weitgehend zu unterdrücken, wird ein gleichmäßiges An- und Überströmen des Endabschnitts 111 ohne direktes Anströmen der Nernst- und Pumpzelle N, P mit dem Messgas angestrebt; denn im Falle der geringeren Kühlung der Nernstzelle N gegenüber der Pumpzelle P durch das kühle Messgas misst der Gassensor eine falsche Sauerstoffkonzentration im Abgas, da der Pumpstrom durch die Pumpzelle P von der Temperatur im Keramikkörper 13 an der Stelle der Pumpzelle P abhängt, und im Falle einer zu starken Kühlung der Nernstzelle N im Vergleich zur Pumpzelle P wird ein Nachheizen durch das Heizelement 22 und damit ein Überhitzen der Pumpzelle P ausgelöst.
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Die gleichmäßige An- und Überströmung des Sensorelements 11 im Bereich von Nernst- und Pumpzelle N, P durch das Messgas wird bei dem Gassensor gemäß 3 dadurch erreicht, dass der Lochkranz mit den Gasdurchtrittslöchern 25 im Rohrmantel 243 des inneren Schutzrohrs 24 relativ dicht an dem Deckel 242 des inneren Schutzrohrs 24 platziert ist und der Endabschnitt 111 des Sensorelements 11 bis etwa zur Lochmitte der Gasdurchtrittslöcher 25 in das innere Schutzrohr 24 hineinragt. Dadurch erfolgt die direkte Anströmung des Endabschnitts 111 im oberen Bereich des Endabschnitts 111 im Abstand von Nernst- und Pumpzelle N, P, von wo aus dann das Messgas gleichmäßig am Endabschnitt 111 entlangströmt. Eine weitere Reduzierung der direkten Anströmung des Endabschnitts 111 wird durch eine Verkleinerung des lichten Querschnitts der Gasdurchtrittslöcher 25 und/oder durch eine Verringerung der Anzahl der Gasdurchtrittslöcher 25 im Lochkranz erzielt.
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Bei dem Gassensor gemäß 4 ist die Anordnung des Lochkranzes mit den Gasdurchtrittslöchern 25 in unmittelbarer Nähe des Deckels 242 des inneren Schutzrohrs 24 beibehalten und gegenüber dem Ausführungsbeispiel in 3 das Sensorelement 11 im inneren Schutzrohr 24 etwas zurückgezogen, so dass der Endabschnitt 111 nur noch bis zu der vom Deckel 242 wegweisenden Begrenzungskante der Gasdurchtrittslöcher 25 oder wenig über diese Begrenzungskante hinweg in das innere Schutzrohr 24 hineinragt. In diesem Fall wird der Endabschnitt 111 vom Messgas überströmt und nur ein geringer Teilgasstrom prallt auf das Sensorelement 11.
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Der Gassensor gemäß 5 unterscheidet sich von dem in 4 nur dadurch, dass bei unveränderter Lage der Nernstzelle N die Pumpzelle P hinter die Nerstzelle N zurückverlagert ist und nunmehr einen größeren Abstand von dem Ende des messgasseitigen Endabschnitts 111 des Sensorelements 11 aufweist. Durch die Vertauschung der Reihenfolge von Nerstzelle N und Pumpzelle P bezogen auf das Ende des Sensorelements 11 ist sichergestellt, dass die Nernstzelle N immer stärker als die Pumpzelle P gekühlt wird. Da dadurch gleichzeitig der Messzellenbereich einen größeren Längsabstand von dem Lochkranz im Rohrmantel des inneren Schutzrohrs 24 aufweist, wird gezielt das obere, zellenfreie Ende des Endabschnitts 111 angeblasen und die Nernstzelle N weit weniger gekühlt.
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Der Gassensor in 6 ist erfindungsgemäß ausgebildet und unterscheidet sich insofern von den vorstehend beschriebenen Gassensoren gemäß den 3, 4 und 5 als das Heizelement 22 im Keramikkörper 13 so platziert ist, dass der Schwerpunkt seiner Heizleistung exakt an der Nernstzelle N liegt. Der Lochkranz mit den Gasdurchtrittlöchern 25 ist gegenüber dem Deckel 242 des inneren Schutzrohrs 24 weit zurückverlagert und liegt nunmehr mit dem Schwerpunkts der Heizleistung oder dem Hot-Spot des Heizelements 22 und der Nernstzelle N in einer quer zum inneren Schutzrohr 24 sich erstreckenden Ebene. Dadurch liegen der Hot-Spot des Heizelements 22, der Messpunkt für die über die Nernstzelle N erfolgende Temperaturmessung und die Kühlung der Nernstzelle N durch das in das Schutzrohr 24 einströmende Messgas dicht beieinander auf einer Achse. Bei dieser Anordnung von Nernstzelle N, Heizelement 22 und Gasdurchtrittslöchern 25 wird auch bei einer inhomogenen Anblasung des Sensorelements 11 durch das Messgas eine strömungsgeschwindigkeitsunabhängige, konstante Temperatur eingestellt.
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In allen 3 bis 6 ist der in das innere Schutzrohr 24 eintretende Gasstrom mit Pfeil 31 gekennzeichnet.