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Dokumentenidentifikation DE102004027297A1 20.01.2005
Titel Gassensor
Anmelder Denso Corp., Kariya, Aichi, JP
Erfinder Yamada, Hirokazu, Kariya, Aichi, JP
Vertreter Tiedtke, Bühling, Kinne & Partner GbR, 80336 München
DE-Anmeldedatum 04.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004027297
Offenlegungstag 20.01.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.01.2005
IPC-Hauptklasse G01N 27/406
IPC-Nebenklasse G01N 27/403   
Zusammenfassung Die Außenfläche (100) eines Gassensors (1), der in sich einen Messfühler (2) zum Messen der Konzentration eines bestimmten Gases in einem Messgas enthält, hat eine einem Messgas ausgesetzte Messgasfläche (101) und eine der Atmosphäre ausgesetzte Atmosphärenfläche (102), wobei zumindest ein Abschnitt der Atmosphärenfläche (102) ein Emissionsvermögen von kleiner oder gleich 0,3 hat. Dieses Emissionsvermögen entspricht vorzugsweise einem Wert, der sich auf elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 0,5 bis 1 µm bezieht, und das Emissionsvermögen von kleiner oder gleich 0,3 entspricht vorzugsweise einem Bereich, der mit 60% oder mehr zur Atmosphärenfläche beiträgt. Dies ergibt einen Gassensor, der weniger anfällig gegenüber Strahlungswärme ist und dessen Temperatur sich weniger leicht erhöhen lässt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Gassensor, der im Abgas eines Fahrzeugmotors eine Sauerstoffkonzentration oder dergleichen messen soll, wobei das Messergebnis dann zur Verbrennungssteuerung oder dergleichen genutzt wird.

Durch eine Verbrennungssteuerung, die auf der Sauerstoffkonzentration oder dergleichen im Abgas eines Fahrzeugmotors basiert, lassen sich der Kraftstoffverbrauch und die Abgasreinigung wirksam verbessern.

Ein Gassensor, der zur Erfassung der Sauerstoffkonzentration oder dergleichen im Abgas dient, enthält in sich einen Messfühler, um in einem Messgas (zu messenden Gas) die Konzentration eines bestimmten Gases zu messen.

Dieser Gasmessfühler hat eine elektrochemische Zelle, die einen Festelektrolyt und ein Paar Elektroden umfasst und die in einem Messgas unter Verwendung des Atmosphärengases als Bezugsgas auf der Grundlage einer zwischen den Elektroden auftretenden elektromotorischen Kraft, eines dazwischen fließenden Grenzstroms oder dergleichen eine Sauerstoffkonzentration oder dergleichen messen soll.

Der Gassensor kommt demnach mit sowohl der Atmosphäre als auch dem Messgas in Kontakt, wobei die Außenfläche des Gassensors eine dem Messgas ausgesetzte Messgasfläche und eine der Atmosphäre ausgesetzte Atmosphärenfläche hat. Die Messgasfläche hat ein Einlassloch, um das Messgas in das Innere des Gassensors zu lassen, während die Atmosphärenfläche ein Einlassloch hat, um die Atmosphäre in das Innere des Gassensors zu lassen.

So ist zum Beispiel der in 1 gezeigte Gassensor, der später ausführlicher beschrieben wird, in ein Installationsloch in einem Auspuffrohr eingesetzt, in dem ein Abgas strömt, und ist das Gehäuse auf halbem Wege geteilt, so dass der eine Teil eine Atmosphärenfläche und der andere eine Messgasfläche bildet.

Gleichzeitig bestehen einige Einzelteile eines Gassensors aus Materialien mit geringer Hitzebeständigkeit. So wird zum Beispiel manchmal ein aus Harz bestehender, Wasser abweisender Filter eingesetzt (siehe unter anderem 1), der die Atmosphäre in das Innere einer atmosphärenseitigen Abdeckung lässt, aber das Eindringen von Wasser verhindert. Dieser Wasser abweisende Filter besteht aus einem porösen Harzmaterial wie Tetrafluorethylen und hat eine geringere Hitzebeständigkeit als Metall oder Keramik.

Darüber hinaus wird manchmal ein elastisches Isoliermaterial eingesetzt (siehe unter anderem 1), um den Fußabschnitt einer atmosphärenseitigen Abdeckung luftdicht abzudichten und um von außerhalb des Gassensors kommende Leitungsdrähte zu fixieren. Allerdings besteht dieses elastische Isoliermaterial aus Harz oder Gummi und hat eine geringe Hitzebeständigkeit.

Darüber hinaus sind in den letzten Jahren die Abgasrichtlinien Jahr für Jahr strenger geworden, weswegen die Temperatur des Abgases weiter angestiegen ist und die Außenfläche des von dem heißen Abgas erhitzten Auspuffrohrs glüht, wodurch Strahlungswärme erzeugt wird.

Da die Atmosphärenfläche der Außenfläche des Gassensors zur Außenseite des Auspuffrohrs frei liegt, stellt sie eine die Strahlungswärme aufnehmende Oberfläche dar. Die Strahlungswärme fördert das Aufheizen des Gassensors, so dass die Möglichkeit besteht, dass die Hitzebeständigkeitsgrenze eines gegenüber Hitze anfälligen (schwachen) Materials überschritten wird.

Es wurde bereits ein Aufbau vorgeschlagen, bei dem die Außenfläche des Fußes der atmosphärenseitigen Abdeckung unregelmäßig geformt ist, um einen Wärme abstrahlenden Abschnitt zu bilden, oder die Größe des Gassensors erhöht wird, um den Abstand zwischen dem Auspuffrohr und der Außenfläche zu erhöhen, damit die Temperatur des Gassensors nicht übermäßig ansteigt.

Da der Gassensor Platzbeschränkungen unterliegt, ist es allerdings vorzuziehen, dass der Gassensor so klein wie möglich ist, zumal eine Größenzunahme auch im Hinblick auf die Materialkosten ungünstig ist. Darüber hinaus ist die Herstellung einer Außenfläche mit unregelmäßigem Aufbau mit Schwierigkeiten verbunden, was die Produktivität senkt.

Angesichts dessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, unter Umgehung der oben genannten herkömmlichen Probleme einen Gassensor zur Verfügung zu stellen, der weniger anfällig gegenüber Strahlungswärme von außen ist und dessen Temperatur sich weniger leicht erhöhen lässt.

Der Erfindung sieht hierzu einen Gassensor vor, der in sich einen Gasmessfühler zum Messen der Konzentration eines bestimmten Gases in einem zu messenden Messgas enthält, wobei die Außenfläche des Gassensors eine dem Messgas ausgesetzte Messgasfläche und eine der Atmosphäre ausgesetzte Atmosphärenfläche hat und zumindest ein Abschnitt der Atmosphärenfläche ein Emissionsvermögen von kleiner oder gleich 0,3 hat.

Bei dem erfindungsgemäßen Gassensor befindet sich auf der Atmosphärenfläche ein Bereich mit einem Emissionsvermögen von kleiner oder gleich 0,3, wodurch hinsichtlich der Atmosphärenfläche die durch die Strahlungswärme bedingte Wärmeübertragung vermindert wird, so dass sich die Temperatur des Gassensors weniger leicht erhöhen lässt. Da dies die Wärmeübertragung zu der Atmosphärenfläche blockieren kann, lässt sich auch die Temperatur in der Umgebung der Atmosphärenfläche weniger leicht erhöhen.

Die Erfindung stellt demnach ein Gassensor zur Verfügung, der weniger anfällig für Strählungswärme von außen ist und dessen Temperatur sich weniger leicht erhöhen lässt.

Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist. Es zeigen:

1 im Längsschnitt einen Gassensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

2 den Gassensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel in Seitenansicht;

3 im Längsschnitt einen anderen Aufbau des Gassensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; und

4 eine Darstellung, die zur Erläuterung eines Verfahrens verwendet wird, mit dem Temperaturen von Abschnitten eines Gassensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemessen werden.

Die Erfindung kann bei verschiedenen Gassensorbauarten Anwendung finden, unter anderem bei einem Sauerstoffsensor, einem NOx-Sensor oder anderen Gassensoren und bei einem Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, der auf der Grundlage einer Sauerstoffkonzentration in einem Abgas das Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einer Brennkammer eines Fahrzeugmotors messen soll.

Der Messfühler 2 kann, wie auf diesem Gebiet weithin bekannt ist, entweder in Schicht- oder Becherform realisiert werden.

Eine ausführliche Beschreibung des Aufbaus des Gassensors erfolgt später, doch wird bereits jetzt darauf hingewiesen, dass sich die Wirkung der Erfindung auch im Fall von Gassensoren erzielen lassen, die von den in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Gassensoren abweichen.

Wenn auf der Atmosphärenfläche kein Bereich vorliegt, dessen Emissionsvermögen kleiner oder gleich 0,3 ist, wird das Aufheizen des Gassensors durch die Strahlungswärme gesteigert, so dass die Möglichkeit besteht, dass die Hitzebeständigkeitsgrenze eines hitzeempfindlichen Materials überschritten wird.

In diesem Fall bezeichnet das „hitzeempfindliche Material" bei den Einzelteilen des Gassensors Materialien aus Harz, Gummi oder dergleichen von unter anderem beispielsweise Wasser abweisenden Filtern und mit einem Leitungsdrahteinführloch versehenen und an einem Fußabschnitt einer atmosphärenseitigen Abdeckung vorgesehenen elastischen Isolierbauteilen (siehe erstes Ausführungsbeispiel).

Das Emissionsvermögen kann auf null eingestellt werden. In diesem Fall wird die gesamte von außen stammende Wärme reflektiert, so dass der Gassensor weitaus weniger Wärme ausgesetzt ist, was den Temperaturanstieg weiter unterdrückt.

Darüber hinaus ist es vorzuziehen, dass das Emissionsvermögen zumindest eines Abschnitts der angesprochenen Atmosphärenfläche kleiner oder gleich 0,15 ist.

Wenn das Emissionsvermögen auf Werte von kleiner oder gleich 0,15 eingestellt wird, wird hinsichtlich der Atmosphärenfläche die Wärmeübertragung aufgrund der Strahlungswärme weiter reduziert, so dass sich die Temperatur weniger leicht erhöhen lässt.

Darüber hinaus entspricht das angesprochene Emissionsvermögen vorzugsweise einem Wert, der sich auf eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge von 0,5 bis 1 um bezieht.

Dies ermöglicht eine Reflektion der Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichts und im Infrarotbereich. Die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen, die beim Glühen eines metallischen Materials wie eines Auspuffrohrs entstehen, liegen ungefähr zwischen der Wellenlänge von sichtbarem Licht und der von Infrarotlicht, so dass sich im Hinblick auf den Temperaturanstieg des Gassensors eine ausreichende Wirkung erreichen lässt, wenn die Reflektion elektromagnetischer Wellen mit dieser Wellenlänge möglich ist.

Darüber hinaus ist die Atmosphärenfläche vorzugsweise eine kugelgestrahlte Oberfläche.

Das Kugelstrahlen kann unter anderem einen auf der Außenseite der Atmosphärenfläche gebildeten Oxidfilm entfernen, so dass der metallische Glanz erscheint. Dadurch lässt sich ein geringes Emissionsvermögen erzielen.

Beim Kugelstrahlen ist es vorzuziehen, als Abrasionsmittel ein feines Pulver aus Glas, Keramik oder dergleichen zu verwenden.

Darüber hinaus besteht die Atmosphärenfläche bei dem erfindungsgemäßen Gassensor unter anderem aus einer atmosphärenseitigen Abdeckung oder unter anderem aus einem Gehäuse.

Und zwar besteht der Gassensor im Allgemeinen, wie später beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben wird, aus einem Gehäuse, einer am Kopf des Gehäuses vorgesehenen messgasseitigen Abdeckung und einer am Fuß des Gehäuses vorgesehenen atmosphärenseitigen Abdeckung. Allerdings können in der Außenfläche auch andere Abdeckungsbauteile als die atmosphärenseitige Abdeckung oder die messgasseitige Abdeckung frei liegen.

Das Innere der atmosphärenseitigen Abdeckung und der messgasseitigen Abdeckung kommt mit einer Atmosphärenumgebung beziehungsweise mit einer Messgasumgebung in Kontakt, wobei der innerhalb des Gassensors enthaltene Gasmessfühler so angeordnet ist, dass er sich sowohl über die Atmosphärenumgebung als auch die Messgasumgebung erstreckt bzw. die Grenze dazwischen überspannt.

Bei diesem Aufbau wird vorzugsweise auf der gesamten atmosphärenseitigen Abdeckung vorab ein Passivfilm (Oxidfilm) ausgebildet und der benötigte Bereich dann kugelgestrahlt, um eine kugelgestrahlte Oberfläche zu erzielen.

Da der Gasmessfühler in diesem Gassensor die Erfassung mit der als Bezugsgas dienenden Atmosphärenumgebung vornehmen soll, nimmt die Sauerstoffkonzentration der Atmosphärenumgebung ab, wenn in einer Hochtemperaturumgebung ein den Gassensor bildendes Metallbauteil wie die atmosphärenseitige Abdeckung oxidiert, so dass es zu einer Abweichung des Erfassungswerts kommt.

Daher wird auf der Oberfläche der atmosphärenseitigen Abdeckung oder dergleichen im Allgemeinen ein starker Passivfilm (Oxidfilm) ausgebildet, indem sie vorab auf eine hohe Temperatur erhitzt wird, wodurch während des Gebrauchs in einer Hochtemperaturumgebung eine beschleunigte Oxidation verhindert wird. Durch diese Behandlung erhält die atmosphärenseitige Abdeckung eine oxidierte Oberfläche mit einem braunen bis dunkelbraunen Glanz, deren Emissionsvermögen eher hoch ist. Daher stellt das Kugelstrahlen das einfachste Herstellungsverfahren dar, mit dem sich das von der Erfindung vorgesehene geringe Emissionsvermögen erzielen lässt.

Als Verfahren zum Entfernen des Passivfilms sind auch Schleifen und eine Säurebehandlung geeignet.

Darüber hinaus ist das Emissionsvermögen vorzugsweise in einem Bereich, der 60% oder mehr der Atmosphärenfläche einnimmt, kleiner oder gleich 0,3.

Dies vermindert hinsichtlich der Atmosphärenfläche die Wärmeübertragung aufgrund der Strahlungswärme, so dass sich die Temperatur des Gassensors weniger leicht erhöhen lässt. Außerdem wird durch die Behinderung der Wärmeübertragung zur Atmosphärenfläche verhindert, dass die Temperatur der Atmosphärenfläche steigt.

Wenn der Bereich, in dem das Emissionsvermögen kleiner oder gleich 0,3 ist, nicht 60% erreicht, besteht die Möglichkeit, dass die Wirkung, den Temperaturanstieg des Gassensors zu unterdrücken, unzureichend ist.

Am Besten ist es, wenn die gesamte Atmosphärenfläche einen Emissionsgrad von kleiner oder gleich 0,3 hat.

Schließlich ist es vorzuziehen, dass das Emissionsvermögen in einem Bereich, der von einem Fußabschnitt der Atmosphärenfläche zu ihrem Kopfabschnitt einer Strecke von 0,6H oder mehr in Axialrichtung des Gassensors entspricht, wenn die in Axialrichtung verlaufende Strecke von ihrem Fußabschnitt zum Kopfabschnitt mit H bezeichnet wird, auf 0,3 oder weniger eingestellt ist.

Wenn der Gassensor in einem Zustand verwendet wird, in dem er in einem Auspuffrohr eines Fahrzeugmotors eingesetzt ist, so dass er dem Abgas ausgesetzt ist, wird das Auspuffrohr durch das heiße Abgas erhitzt und glüht, so dass die Strahlungswärme erzeugt wird. Außerdem befinden sich bei den meisten Gassensoren, wie später im ersten Ausführungsbeispiel erläutert wird, am Fußende des Gassensors hitzeempfindliche Bauteile aus etwa Harz oder Gummi. Wenn daher die Abschnitte, deren Emissionsgrad gering ist, am Fuß vorgesehen sind, lässt sich der Temperaturanstieg in der Nähe des Fußes besonders gut unterdrücken.

Wenn der Bereich, in dem der Emissionsgrad kleiner oder gleich 0,3 ist, eine Strecke von weniger als 0,6H einnimmt, besteht die Möglichkeit, dass die Wirkung, den Temperaturanstieg am Fuß des Gassensors zu unterdrücken, unzureichend ist.

Erstes Ausführungsbeispiel

Wie in den 1 und 2 gezeigt ist, enthält der allgemein mit der Bezugszahl 1 bezeichnete Gassensor gemäß diesen Ausführungsbeispiel in sich einen Messfühler 2, um die Konzentration eines bestimmten Gase in einem Messgas zu messen, wobei eine Außenfläche 100 des Gassensors 1 eine einem Messgas ausgesetzte Messgasfläche 101 und eine der Atmosphäre ausgesetzte Atmosphärenfläche 102 hat. Der Emissionsgrad zumindest eines Abschnitts der Atmosphärenfläche 102 ist kleiner oder gleich 0,3.

Es folgt nun eine genauere Beschreibung des Gassensors 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel.

Wie in 1 gezeigt ist, ist der Gassensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel so aufgebaut, dass ein Gehäuse 10 mit dem Gewindeabschnitt eines Gassensorinstallationslochs in einem Auspuffrohr 3 eines Fahrzeugmotors verschraubt ist und ein Abschnitt am Kopf des Gassensors 1 dem Abgas ausgesetzt ist, um auf Grundlage einer Sauerstoffkonzentration des Abgases ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis in einer (nicht gezeigten) Brennkammer des Fahrzeugmotors zu messen.

Obwohl dies nicht gezeigt ist, besteht der Messfühler 2 in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Paar auf einem plattenförmigen Festelektrolytbauteil befindlicher Elektroden und kommt eine der beiden Elektroden mit einer Messgasumgebung 119 in Kontakt, während die andere Elektrode mit einer Atmosphärenumgebung 124 in Kontakt kommt. Die Sauerstoffkonzentration des die Messgasumgebung 119 bildenden Abgases lässt sich erfassen, indem die Atmosphärenumgebung 124 im Inneren des Gassensors 1 als Bezugsgas verwendet wird.

Wie in 1 gezeigt ist, besteht der Gassensor 1 in diesem Ausführungsbeispiel aus dem zylinderförmigen Gehäuse 10 und dem durch einen vorrichtungsseitigen Isolator 13 in das Innere des Gehäuses 10 verlaufenden Messfühler 2. Zwischen dem Messfühler 2 und dem vorrichtungsseitigen Isolator 13 befindet sich ein luftdicht abdichtendes Material 29, um einen Gasstrom zu verhindern. Dieses Dichtungsmaterial 29 bildet die Grenze zwischen der Atmosphärenumgebung 124 und der Messgasumgebung 119.

Am Kopf des Gehäuses 10 befindet sich eine messgasseitige Abdeckung 11 mit einem Doppelaufbau, der den die Gaskonzentration erfassenden Abschnitt am Kopf des Messfühlers 2 bedeckt. Die messgasseitige Abdeckung 11 hat ein Einlassloch 110, durch das ein Messgas von außerhalb des Gassensors 1 in das Innere der Abdeckung 11 gelassen wird. Das Innere der Abdeckung 11 bildet die Messgasumgebung 119.

Darüber hinaus ist am Fuß des vorrichtungsseitigen Isolators 13 ein zylinderförmiger atmosphärenseitiger Isolator 14 vorgesehen, der den Fuß des Messfühlers 2 bedeckt, und ist mit dem Fuß des Gehäuses 10 fest eine atmosphärenseitigen Abdeckung 121 verschweißt, die die Außenseite des atmosphärenseitigen Isolators 14 bedeckt.

Auf dem Außenumfang des Fußes der atmosphärenseitigen Abdeckung 121 befindet sich mit einem zylinderförmigen Wasser abweisenden Filter 125 dazwischen eine Außenabdeckung 122, die von ihrer Außenseite her fest verstemmt ist, wodurch der Wasser abweisende Filter 125 fixiert wird. In der atmosphärenseitigen Abdeckung 121 und der Außenabdeckung 122 befindet sich an der Stelle des Wasser abweisenden Filters 125 ein Einlassloch 120, um die Atmosphäre in das Innere der atmosphärenseitigen Abdeckung 121 zu lassen. Das Innere der atmosphärenseitigen Abdeckung 121 bildet die Atmosphärenumgebung 124, wobei der Fuß der atmosphärenseitigen Abdeckung 121 wie später erwähnt durch ein elastisches Isolierbauteil 129 luftdicht abgedichtet ist.

Im Inneren des atmosphärenseitigen Isolators 14 kommen ein (nicht gezeigter) Anschluss zum Abgreifen eines Ausgangssignals und zum Anlegen einer Spannung und eine Anschlussfeder 151 in Kontakt miteinander, wobei sich der Fuß der Anschlussfeder 151 außerhalb des atmosphärenseitigen Isolator 14 befindet, wo er über einen Verbindungsanschluss 152 mit einem Leitungsdraht 153 verbunden ist. Der Leitungsdraht 153 geht durch ein Leitungsdrahteinführloch 128, das einem Durchgangsloch in dem elastischen Isolierbauteil 129 entspricht, das sich im Inneren des Fußes der atmosphärenseitigen Abdeckung 151 befindet, zur Außenseite des Sensors 1.

Die atmosphärenseitige Abdeckung 121 und die Außenabdeckung 122 bestehen jeweils aus einem rostfreien Material, das auf seiner Oberfläche einen Passivfilm (Oxidfilm) hat, der durch ein Aufheizen auf eine hohe Temperatur gebildet wurde. Als rostfreies Material kann austenitischer SUS310 oder SUS316 mit hoher Hitzebeständigkeit verwendet werden. Da der Messfühler 2 in dem Gassensor 1 die Erfassung unter Verwendung der als Bezugsgas dienenden Atmosphärenumgebung 124 in dem Gassensor 1 durchführt, verringert sich die Sauerstoffkonzentration der Atmosphärenumgebung 124, wenn die den Gassensor 1 bildende Metallbauteile wie die atmosphärenseitige Abdeckung 121 in einer Hochtemperaturumgebung oxidieren, so dass sich der Erfassungswert nur unter Schwierigkeiten präzise ermitteln lässt.

Aus diesem Grund wird unter anderem die atmosphärenseitige Abdeckung 121 vorab auf eine hohe Temperatur erhitzt, um auf deren Oberflächen einen starken Passivfilm (Oxidfilm) zu bilden, damit während des Gebrauchs in einer Hochtemperaturumgebung eine beschleunigte Oxidation verhindert wird. Durch diese Behandlung gelangt unter anderem auch die atmosphärenseitige Abdeckung 121 in einen oxidierten Oberflächenzustand mit braunem oder dunkelbraunem Glanz.

In diesem Ausführungsbeispiel werden die atmosphärenseitige Abdeckung 121 und die Außenabdeckung 122 kugelgestrahlt, um den der Atmosphärenfläche 102 entsprechenden Passivfilm zu entfernen und das rostfreie Material im metallischen Glanz erscheinen zu lassen. Dadurch beträgt das Emissionsvermögen 0,3 oder weniger.

Beim Kugelstrahlen wird als Abrasionsmittel ein feines Pulver als Glas, Keramik oder dergleichen verwendet.

Das Gehäuse 10 ist so aufgebaut, dass sein Kopfabschnitt einen kleinen Durchmesser hat, sein mittlerer Abschnitt einen großen Durchmesser hat und sein Fußabschnitt einen kleinen Durchmesser hat und dass es auf der Unterseite des mittleren Abschnitts großen Durchmessers mit einem Federabschnitt 105 ausgestattet ist. Die Seitenfläche des Kopfabschnitts kleinen Durchmessers hat einen dem Gewindeabschnitt des Gassensorinstallationslochs des Auspuffrohrs 3 entsprechenden Schraubabschnitt 106.

Wenn das Gehäuse 10 des Gassensors 1 in das Auspuffrohr 3 eingeschraubt wird, wird die dem Kopf zugewandte Oberfläche des Federabschnitts 105 mit der Oberfläche 30 des Auspuffrohrs 3 in Kontakt gebracht.

Darüber hinaus bildet die dem Inneren des Auspuffrohrs 3 ausgesetzte Oberfläche der messgasseitigen Abdeckung 11 die Messgasfläche 101 der Außenfläche 100 des Gassensors 1, während die Seitenfläche des Fußes des Gehäuses, die Seitenfläche der atmosphärenseitigen Abdeckung 121 und die Seitenfläche der Außenabdeckung 122 die Atmosphärenfläche 102 bilden.

In den 1 und 2 sind die Bereiche der Außenfläche 100, der Messgasfläche 101 und der Atmosphärenfläche 102 übrigens durch geschweifte Klammern angegeben.

Bei dem Gassensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Atmosphärenfläche 102 so gestaltet, dass ihr Emissionsvermögen auf 0,3 oder weniger eingestellt ist, was hinsichtlich der Atmosphärenfläche 102 die Wärmeübertragung aufgrund der Strahlungswärme reduziert und die Temperatur des Gassensors 1 weniger leicht steigen lässt. Da dies die Wärmeübertragung zur Atmosphärenfläche 102 blockieren kann, lässt sich auch die Temperatur in der Umgebung der Atmosphärenfläche weniger leicht erhöhen.

In dem Gassensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel besteht der Wasser abweisende Filter 125 aus Tetrafluorethylen und das elastische Isolierbauteil 129 aus Fluorgummi.

Die Maximaltemperatur des durch das Innere des Auspuffrohrs 3 strömenden Abgases beträgt ungefähr 800°C, weswegen auch die Oberfläche 30 des Auspuffrohrs 3 auf etwa diese Temperatur erhitzt wird und glüht, so dass elektromagnetische Wellen, und zwar Infrarotlicht oder sichtbares Licht, erzeugt werden.

Wenn der Passivfilm auf den Oberflächen unter anderem der atmosphärenseitigen Abdeckung 121 zurückgelassen wird, ist, wie später im zweiten Ausführungsbeispiel erläutert wird, der Temperaturanstieg in dem Gassensor 1 nicht zu vermeiden und kann es in dem Wasser abweisenden Filter 125 oder dem elastischen Isolierbauteil 129 zu einem Hitzeschaden kommen.

Da in diesem Ausführungsbeispiel unter anderem auch die Atmosphärenfläche 102 der atmosphärenseitigen Abdeckung 121 durch Kugelstrahlen behandelt wird, erscheint der metallische Glanz des rostfreien Materials und ist das Emissionsvermögen kleiner oder gleich 0,3. Wie später im zweiten Ausführungsbeispiel erläutert wird, lässt sich die Temperatur des Gassensors 1 weniger leicht erhöhen und kann ein Hitzeschaden des Wasser abweisenden Filters 125 oder des elastischen Isolierbauteils 129 verhindert werden.

Wie oben beschrieben wurde, stellt dieses Ausführungsbeispiel einen Gassensor zur Verfügung stellen, der weniger anfällig gegenüber Strahlungswärme von außen ist und dessen Temperatur sich weniger leicht erhöhen lässt.

Wie in 3 gezeigt ist, ist es auch möglich, die außerhalb der atmosphärenseitigen Abdeckung 121 gelegene Außenabdeckung 122 zu verlängern.

Wie in 3 gezeigt ist, ist zwar nicht das Emissionsvermögen der ganzen Atmosphärenfläche 102 auf 0,3 oder weniger eingestellt, doch ist das Emissionsvermögen eines mit 103 bezeichneten Bereichs auf kleiner oder gleich 0,3 eingestellt und ist das Emissionsvermögen der von diesem Bereich verschiedenen Abschnitte größer als 0,3, wodurch dennoch die Wirkung dieses ersten Ausführungsbeispiels erzielt werden kann.

Der mit 103 bezeichnete Bereich hat vom Fußabschnitt des Gassensors 1 aus in Axialrichtung des Gassensors 1 eine Länge von 0,6H oder mehr, wobei H der Länge der Atmosphärenfläche 102 entlang ihrer Axialrichtung entspricht.

In dem Gassensor 1 gemäß diesem Ausführungsbeispiel stellen das elastische Isolierbauteil 129 zum luftdichten Abschließen des Fußabschnitts der atmosphärenseitigen Abdeckung 121 und der Wasser abweisende Filter 125 die hitzeempfindlichen Abschnitte dar. Das elastische Isolierbauteil 129 ist wie gesagt am Fußabschnitt der atmosphärenseitigen Abdeckung 121 und der Wasser abweisende Filter 125 im Großen und Ganzen im Fuß des Gassensors 1 angeordnet, da die Atmosphäre an dieser Stelle eingeleitet wird (erstes Ausführungsbeispiel). Daher reicht der Bereich, dessen Emissionsvermögen 0,3 oder weniger beträgt, vom Fußabschnitt bis zu einer Stelle, die einer Strecke von 0,6H oder mehr entspricht, wodurch insbesondere in der Nähe des Fußabschnitts des Gassensors 1 ein Temperaturanstieg verhindert wird und das elastische Isolierbauteil 129 und der Wasser abweisende Filter 125 geschützt werden.

Zweites Ausführungsbeispiel

In diesem Ausführungsbeispiel wurden bei dem Gassensor mit dem Aufbau gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel das Emissionsvermögen der Atmosphärenfläche bzw. die Fläche des Bereichs mit geringem Emissionsvermögen geändert und wurden die Auswirkungen auf die Unterdrückung des Temperaturanstiegs gemessen.

Der Probekörper 0 entspricht dabei einem Bezugskörper, bei dem auf der Atmosphärenfläche ein Passivfilm ausgebildet wurde, ohne eine kugelgestrahlte Oberfläche auszubilden, und bei dem sich zwar ein leichter metallischer Glanz einstellte, das Emissionsvermögen der Atmosphärenfläche aber ganze 0,4 betrug.

Auf der Atmosphärenfläche des Probekörpers 1 wurde kein Passivfilm ausgebildet, so dass der metallische Glanz von SU5310 direkt erschien.

Auf der Atmosphärenfläche des Probekörpers 3 wurde durch Erhitzen in ausreichendem Maße ein Passivfilm gebildet.

Die Atmosphärenfläche des Probekörpers 2 hatte eine behandelte Oberfläche, die durch Kugelstrahlen einer Atmosphärenfläche erzielt wird, die sich im Zustand des Probekörpers 3 befand.

In jedem der auf den Probekörpern 1 bis 3 basierenden Gassensoren war das Emissionsvermögen des gesamten Bereichs vom Fußabschnitt der Atmosphärenfläche bis zu deren Kopfabschnitt auf einen vorbestimmten Wert eingestellt.

In jedem der auf den Probekörpern 4 bis 6 basierenden Gassensoren wurde das Emissionsvermögen eines vorbestimmten Bereichs in der Atmosphärenfläche auf 0,3 eingestellt. Und zwar wurde der Probekörper 4 in einem Bereich vom Fußabschnitt der Atmosphärenfläche bis zu der einer Strecke von 0,7H entsprechenden Stelle kugelgestrahlt, während der Probekörper 5 in einem Bereich von ihrem Fußabschnitt bis zu der einer Strecke von 0,6H entsprechenden Stelle kugelgestrahlt wurde und der Probekörper 6 in einem Bereich von ihrem Fußabschnitt bis zu der einer Strecke von 0,5H entsprechenden Stelle kugelgestrahlt wurde.

Zwecks Messung des Emissionsvermögens der Atmosphärenfläche jedes dieser Probekörper wurde ihr Reflektionsgrad mit Hilfe eines das sichtbare Licht und nahes Infrarot abdeckenden, auf dem Markt erhältlichen Spektroradiometers gemessen. Da es zu keiner Übertragung der elektromagnetischen Wellen in der Atmosphärenfläche kommt, gilt Emissionsvermögen = 1 – Reflektionsgrad.

Als nächstes folgt eine Beschreibung, wie die Temperatur des Gassensors gemessen wurde.

Wie in 4 gezeigt ist, wurde ein Gassensor 1 in ein Installationsloch 41 eines Haltewerkzeugs 4 eingesetzt. Das Werkzeug 4 wurde erhitzt, bis die Temperatur der Werkzeugoberfläche 40 800°C erreichte. Nach dem Verstreichen von 30 Minuten, innerhalb der sich die Temperatur der Temperaturmessstelle 42 stabilisierte, wurde mit Hilfe eines an der Temperaturmessstelle 42 angebrachten Thermoelements in diesem Zustand die Temperatur gemessen. Die Temperaturmessstelle 42 war um c = 10 mm vom Fußabschnitt des Gassensors 1 beabstandet.

Beim Einführen des Gassensors 1 befand sich die Messgasfläche wie im tatsächlichen Gebrauch auf der rechten Seite der Darstellung, während sich die Atmosphärenfläche auf der linken Seite der Darstellung befand.

In der folgenden Tabelle 1 sind die Temperaturdifferenzen bezüglich eines Bezugswerts angegeben, für den der für den Probekörper 0 ermittelte Wert verwendet wurde.

Tabelle 1

In dieser Tabelle 1 ist das Ergebnis „C", wenn die Temperaturdifferenz kleiner oder gleich 5°C ist, „B", wenn die Temperaturdifferenz größer als 5°C, aber kleiner als 10°C ist, und „A", wenn die Temperaturdifferenz größer oder gleich 10°C ist.

Wie sich aus Tabelle 1 ergibt, zeigen die Probekörper 1 bis 3, dass eine hohe die Temperatur verringernde Wirkung erzielt werden kann, wenn das Emissionsvermögen kleiner oder gleich 0,3 ist.

Darüber hinaus zeigen die Probekörper 4 bis 6, dass sich eine größere die Temperatur verringernde Wirkung erzielen lässt, wenn der Bereich, in dem das Emissionsvermögen kleiner oder gleich 0,3 beträgt, vom Fußabschnitt des Gassensors bis zu einer Stelle reicht, die einer Strecke von 0,6H oder mehr entspricht.

Es versteht sich, dass der Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern sämtliche Änderungen und Abwandlungen der Ausführungsbeispiele einschließt, die nicht vom Schutzumfang der Erfindung abweichen.

Die Außenfläche eines Gassensors, der in sich einen Messfühler zum Messen der Konzentration eines bestimmten Gases in einem Messgas enthält, hat eine einem Messgas ausgesetzte Messgasfläche und eine der Atmosphäre ausgesetzte Atmosphärenfläche, wobei zumindest ein Abschnitt der Atmosphärenfläche ein Emissionsvermögen von kleiner oder gleich 0,3 hat. Dieses Emissionsvermögen entspricht vorzugsweise einem Wert, der sich auf elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge von 0,5 bis 1 um bezieht, und das Emissionsvermögen von kleiner oder gleich 0,3 entspricht vorzugsweise einem Bereich, der mit 60% oder mehr zur Atmosphärenfläche beiträgt. Dies ergibt einen Gassensor, der weniger anfällig gegenüber Strahlungswärme ist und dessen Temperatur sich weniger leicht erhöhen lässt.


Anspruch[de]
  1. Gassensor (1), der in sich einen Gasmessfühler (2) zum Messen der Konzentration eines bestimmten Gases in einem zu messenden Messgas enthält, wobei die Außenfläche (100) des Gassensors (1) eine dem Messgas ausgesetzte Messgasfläche (101) und eine der Atmosphäre ausgesetzte Atmosphärenfläche (102) hat und zumindest ein Abschnitt der Atmosphärenfläche (102) ein Emissionsvermögen von kleiner oder gleich 0,3 hat.
  2. Gassensor (1) nach Anspruch 1, bei dem zumindest ein Abschnitt der Atmosphärenfläche (102) ein Emissionsvermögen von kleiner oder gleich 0,15 hat.
  3. Gassensor (1) nach Anspruch 1, bei dem das Emissionsvermögen ein Wert ist, der sich auf eine elektromagnetische Welle mit einer Wellenlänge von 0,5 bis 1 um bezieht.
  4. Gassensor (1) nach Anspruch 1, bei dem die Atmosphärenfläche (102) eine kugelgestrahlte Oberfläche umfasst.
  5. Gassensor (1) nach Anspruch 1, bei dem ein Bereich der Atmosphärenfläche (102), der mit 60% oder mehr zur Atmosphärenfläche (102) beträgt, ein Emissionsvermögen von kleiner oder gleich 0,3 hat.
  6. Gassensor (1) nach Anspruch 1, bei dem das Emissionsvermögen in einem Bereich (103), der von einem Fußabschnitt der Atmosphärenfläche (102) zu ihrem Kopfabschnitt einer Strecke von 0,6H oder mehr in Axialrichtung des Gassensors entspricht, wenn die in Axialrichtung verlaufende Strecke von ihrem Fußabschnitt zum Kopfabschnitt mit H bezeichnet wird, auf 0,3 oder weniger eingestellt ist.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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