DE19603379A1

DE19603379A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE19603379A1
Application number: DE19603379A
Authority: DE
Inventors: Helmut Weyl; Udo Jauernig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1996-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 1997-08-07
Also published as: JPH11504117A; DE59610047D1; EP0817961B1; WO1997028442A1; US6083371A; EP0817961A1; BR9604283A

Description

Die Erfindung betrifft einen Gassensor, insbesondere für Abgase von Brennkraftmaschinen, mit den im Ober begriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Stand der Technik

Gassensoren der gattungsgemäßen Art sind bekannt. So ist beispielsweise aus der DE 32 06 903 A1 ein Gas sensor bekannt, bei dem ein planares Sensorelement in einer Längsbohrung eines Gehäuses mit zwei übereinan der angeordneten, elektrisch isolierenden Formteilen fixiert ist. Zwischen den Formteilen ist das Sensor element von einem bei der Montage verpreßten, elek trisch isolierenden Pulver umgeben, welches mittels eines Federelementes zusammengepreßt gehalten wird. Das Pulver bildet innerhalb des Gehäuses eine Dich tung für das Sensorelement, wobei die Dichtung einen Meßgasraum und einen Referenzgasraum für das Sensor element voneinander trennt. Bekannt ist, als Dicht pulver Steatit einzusetzen. Hierbei ist nachteilig, daß einerseits das Steatitpulver eine Restporösität aufweist, die Undichtigkeiten zwischen dem Meßgasraum und dem Referenzgasraum hervorrufen kann. Darüber hinaus ist nachteilig, daß das Steatitpulver einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das umgebende Gehäuse aufweist, so daß bei einer be triebsbedingten Erwärmung des Gassensors es ebenfalls zu Undichtigkeiten kommen kann.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gassensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, daß eine Abdichtung zwischen dem Meßgasraum und dem Referenzgasraum auch bei extremen mechanischen und/oder thermischen Belastungen des Gassensors si cher aufrechterhalten werden kann. Dadurch, daß we nigstens eines der Formteile der Dichtungsanordnung eine Aufnahme für das Dichtmaterial ausbildet und das Dichtmaterial in dieser Aufnahme von dem weiteren Formteil mittels eines Federelementes verdichtet und/oder plastisch verformt wird und das Dichtma terial in der verdichteten und/oder plastisch ver formten Stellung gehalten wird, ist es vorteilhaft möglich, mittels der Formteile eine so große Druck kraft auf das Dichtmaterial auszuüben, daß dieses sich so weit verdichtet, daß eine Verbindung zwischen dem Meßgasraum und dem Referenzgasraum sowohl durch das Dichtmaterial selbst als auch an den Berührungs flächen zwischen dem Dichtmaterial und dem Sensor element sicher ausgeschlossen werden kann.

Insbesondere ist vorteilhaft, wenn die das Dichtma terial aufnehmenden Formteile einen niedrigeren ther mischen Ausdehnungskoeffizienten als das Dichtma terial aufweisen. Hierdurch wird es vorteilhaft mög lich, daß bei einer betriebsbedingten Erwärmung des Sensorelementes und damit des Dichtmaterials und der Formteile, das Dichtmaterial sich stärker ausdehnt als die Formteile, so daß die Dichtwirkung zumindest beibehalten, wenn nicht sogar vergrößert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbei spielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Dichtungsanordnung eines Gassensors nach einer ersten Ausführungsvariante;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Dichtungsanordnung eines Gassensors nach einer zweiten Ausführungsvariante und

Fig. 3 einen Teil-Längsschnitt durch eine Dichtungsanordnung eines Gassensors nach einer dritten Ausführungsvariante.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In den Fig. 1 bis 3 ist jeweils ausschnittsweise ein Gassensor 10 mit seinen für die vorliegende Er findung wesentlichen Bestandteilen gezeigt. Gleiche Teile in den Figuren sind trotz ihres teilweise un terschiedlichen Aufbaus zur besseren Verdeutlichung mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In der Fig. 1 ist ein Gassensor 10 gezeigt. Der Gas sensor 10 besitzt ein Gehäuse 12, durch dessen Längs bohrung 14 ein planares Sensorelement 16 geführt ist. Das Sensorelement 16 ist in dem Gehäuse 12 durch eine Dichtungsanordnung 18 fixiert. Das Sensorelement 16 besitzt einen meßgasseitigen Abschnitt 20 und einen referenzgasseitigen Abschnitt 22. Der meßgasseitige Abschnitt 20 ragt in einen Meßgasraum 24, während der referenzgasseitige Abschnitt 22 in einen Referenzgas raum 26 ragt. Der Abschnitt 22 besitzt hier nicht näher dargestellte Kontakte 28 zum elektrischen Kon taktieren des Sensorelementes 16. Mittels der Dich tungsanordnung 18 wird der Meßgasraum 24 von dem Referenzgasraum 26 abgedichtet, wobei das Gehäuse 12 beispielsweise in dem Abgasrohr eines Kraftfahrzeuges befestigt ist.

Die Dichtungsanordnung 18 besitzt ein meßgasseitiges Formteil 30 sowie ein referenzgasseitiges Formteil 32. Das Formteil 30 ist im wesentlichen scheibenför mig ausgebildet und besitzt eine Durchgangsöffnung 34 für das Sensorelement 16. Auf dem Formteil 30 stützt sich ein Ring 36 ab, dessen Außenumfang an der Innenwandung des Gehäuses 12 anliegt und der einen Innenraum 38 ausbildet. Der Innenraum 38 ist mit ei nem Dichtmaterial 40 ausgefüllt. Das zweite Formteil 32 ist im wesentlichen zylinderförmig ausgebildet und besitzt ebenfalls eine Durchgangsöffnung 42 für das Sensorelement 16. An seiner dem Ring 36 zugewandten Stirnseite besitzt das Formteil 32 eine ringförmige Stufenausnehmung 44. Die Stufenausnehmung 44 und der Ring 36 sind so dimensioniert, daß diese paßgenau über eine wählbare Länge ineinander verschiebbar sind.

Das Gehäuse 12 ist mittels eines Deckels 46 ver schließbar, indem dieser beispielsweise auf das Ge häuse 12 aufrastbar, aufschraubbar oder auf andere geeignete Weise arretierbar ist oder geschweißt wird. Der Deckel 12 besitzt an seiner der Dichtungsanord nung 18 zugewandten Seite wenigstens ein Federelement 48, beispielsweise eine angeformte Tellerfeder.

Das Formteil 30 weist an seiner dem Meßgasraum 24 zugewandten Seite eine konische Ringschulter 50 auf, die mit einer entsprechenden Ringstufe 52 des Ge häuses 12 korrespondiert. In die Ringstufe 52 ist ein Dichtring 54 eingelegt.

Das Dichtmaterial 40 besteht beispielsweise aus einem leicht plastisch verformbaren Material, beispiels weise einem Metall oder Keramikpulver (Steatit, Bornitrid). Die Formteile 30 und 32 sowie der Ring 36 bestehen aus einem hochfesten, elektrisch isolieren den Material, so daß das Sensorelement 16 gegenüber dem Gehäuse 12 elektrisch isoliert fixiert ist. Die Formteile 30 und 32 sowie der Ring 36 können aus einer hochfesten Keramik, beispielsweise Aluminium oxid Al₂O₃ oder Siliziumnitrid Si₃N₄ bestehen. Das Material der Formteile 30 und 32 sowie des Ringes 36 ist auf das Dichtmaterial 40 derart abgestimmt, daß ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Dicht materials 40 größer oder gleich dem thermischen Aus dehnungskoeffizienten der Formteile 30, 32 und 36 ist. Ferner erfolgt die Materialauswahl so, daß ein thermischer Ausdehnungskoeffizient des Sensorelemen tes 16, das typischerweise aus Zirkoniumoxid ZrO₂ be steht, größer ist als der thermische Ausdehnungskoef fizient des Dichtmaterials 40. Als Dichtmaterial 40 kann beispielsweise ein pulverförmiges Bornitrid ver wendet werden.

Bei der Montage des Sensorelementes 10 wird der Deckel 46 auf das Gehäuse 12 aufgesetzt, so daß über das Federelement 48 eine Druckkraft auf das Formteil 32 ausgeübt wird. Dieses wird in den Ring 36 entlang der Stufenausnehmung 44 verschoben und verdichtet hierdurch das Dichtmaterial 40. Die hierbei auftre tende Druckkraft ist ausreichend, um das Dichtma terial 40 plastisch zu verformen. Hierdurch wird neben der Verdichtung eine optimale Anpassung des Dichtmaterials 40 an die Konturen des Sensorelementes 16 sowie des Formteils 30 beziehungsweise 32 und des Ringes 36 erreicht. Somit können etwa vorhandene geringfügige Fertigungstoleranzen und/oder ferti gungsbedingte Grate ausgeglichen werden. Nach Er reichen der Endstellung des Deckels 46 werden die Fügekräfte über das Federelement 48 aufrechterhalten, so daß auch bei einem bestimmungsgemäßen Gebrauch des Gassensors 10 das Dichtmaterial 40 permanent mit einer Preßkraft beaufschlagt ist. Somit können Er schütterungen oder ähnliches nicht zu einer nachlas senden Dichtwirkung der Dichtungsanordnung 18 führen. Aufgrund der Härte des Materials des Sensorelementes 16 führt das Einbringen der Preßkräfte in das Dicht material 40 zu einem sehr guten Anschmiegen des Dichtmaterials 40 an das Sensorelement 16. Somit wird jegliche Verbindung zwischen dem Meßgasraum 24 und dem Referenzgasraum 26 verhindert. Undichtigkeiten aufgrund eventuell vorhandener Restporösität können durch die plastische Verformung des Dichtmaterials 40 nicht bestehen.

Durch die Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffi zienten der Materialien des Sensorelementes 16, des Dichtmaterials 40 sowie der Formteile 30, 32 und 36 wird erreicht, daß bei einer betriebsbedingten Er wärmung des Gassensors 10 die Formteile 30, 32 und 36 eine geringere Ausdehnung als das Dichtmaterial 40 erfahren und dieses wiederum eine geringere Ausdeh nung als das Sensorelement 16 erfährt. Hierdurch wer den auftretende Undichtigkeiten infolge einer unter schiedlichen Ausdehnung der einzelnen Materialien entgegengewirkt, im Gegenteil, durch die Wahl der thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird die Dicht wirkung bei einer Erwärmung verstärkt.

In Fig. 2 ist der Gassensor 10 in einer zweiten Aus führungsvariante gezeigt. Im Unterschied zur Fig. 1 ist hier das Formteil 30 und der Ring 36 einstückig ausgebildet. Das Formteil 30 besitzt einen hochgezo genen Rand 56, so daß sich ein wannenförmiger Innen raum 38 zur Aufnahme des Dichtmaterials 40 ergibt. Der Rand 56 des Formteils 30 bildet mit der Stufen ausnehmung 44 des Formteils 32 einen Paßsitz.

Der Deckel 46 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 2 besitzt eine Formgebung, die gleichzeitig die Aus bildung des Federelementes 48 sicherstellt. Der Deckel 48 besitzt hierzu eine genügend große Elasti zität, so daß bei Aufsetzen auf das Gehäuse 12 über die Federelemente 48 eine Preßkraft auf das Formteil 32 und somit auf das Dichtmaterial 40 erfolgt.

Eine zusätzliche Abdichtung zwischen dem Formteil 30 und dem Gehäuse 12 erfolgt über den Dichtring 54.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel be sitzt das Formteil 30 eine konische Auflauffläche 58 für das Dichtmaterial 40. Die Auflauffläche 58 ver läuft hierbei in einem Winkel α zu einer gedachten Längsachse 60 des Sensorelementes 16. Hierdurch wird erreicht, daß beim Aufsetzen des Deckels 46 über das Federelement 48 und das Formteil 32 besonders hohe Preßkräfte auf das Dichtmaterial 40 wirken, die zu einer großen Verdichtung beziehungsweise plastischen Verformung des Dichtmaterials 40 führen. Hierbei wird das Dichtmaterial 40 in den sich verringernden Spalt zwischen der Auflauffläche 58 des Formteils 30 und des Sensorelementes 16 verpreßt, so daß sich eine optimale Dichtwirkung ergibt. Über eine Wahl des Win kels α kann die auf das Dichtmaterial 40 einwirkende Preßkraft eingestellt werden. Bei Wahl eines geeigne ten kleinen Winkels α wird das Lösen der Dicht materialien 40 durch eine Selbsthemmung vermieden. Die über das Federelement 48 auf die Dichtungsanord nung 18 angreifende Kraft dient dann lediglich noch dem Ausgleich von während des bestimmungsgemäßen Ein satzes des Gassensors 10 auftretenden Setzvorgängen.

Anhand der in den Fig. 1 bis 3 erläuterten Ausfüh rungsbeispiele wird deutlich, daß durch eine Varia tion der Dichtungsanordnung 18, insbesondere eine Formgebung der Formteile 30, 32 beziehungsweise 36 und eine geeignete Materialwahl der Formteile und des Dichtmaterials 40, eine verbesserte Dichtwirkung ge genüber bekannten Gassensoren 10 erreicht wird. Der grundsätzliche Aufbau der Gassensoren 10 kann hierbei beibehalten werden, da lediglich ein entsprechender Austausch der Formteile 30, 32 beziehungsweise 36 zu erfolgen braucht.

Claims

1. Gassensor, insbesondere für Abgase von Brennkraft maschinen, mit einem planaren Sensorelement, welches in einer Längsbohrung eines Gehäuses von einer Dich tungsanordnung fixiert ist, die zwei mittels eines Federelementes zusammenpreßbare Formteile und ein zwischen den Formteilen angeordnetes, das Sensor element umschließendes Dichtmaterial aufweist, da durch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Form teile (30, 32) eine Aufnahme für das Dichtmaterial (40) ausbildet und das Dichtmaterial (40) in diese Aufnahme von dem weiteren Formteil (30, 32) mittels des Federelementes (48) verdichtet und/oder plastisch verformt wird und das Dichtmaterial (40) in der ver dichteten und/oder plastisch verformten Stellung ge halten wird.

2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (30) einen Innenraum (38) ausbildet, der das Dichtmaterial (40) aufnimmt und das Formteil (32) zumindest teilweise in den Innenraum (38) drück bar ist.

3. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Formteil (30) ein Ring (36) zugeordnet ist, der zur Ausbildung des In nenraumes (38) führt.

4. Gassensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (30) einen Rand (58) aufweist, der den Innenraum (38) ausbildet.

5. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (36) oder der Rand (58) an ihrer dem Sensorelement (16) zugewandten Seite eine konische Auflauffläche (58) für das Dicht material (40) aufweisen.

6. Gassensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflauffläche (58) in einem wählbaren Winkel (α) zu einer Längsachse (60) des Sensorelementes (16) verläuft und über den Winkel (α) ein Grad der Ver dichtung und/oder plastischen Verformung des Dicht materials (40) einstellbar ist.

7. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtmaterial (40) einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Formteile (30, 32, 36) aufweist.

8. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (16) einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Dichtmaterial (40) aufweist.

9. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtmaterial (40) ein Metall ist.

10. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtmaterial (40) ein pulverförmiges Bornitrid ist.

11. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Formteile (30, 32, 36) aus einer hochfesten Keramik, insbesondere aus Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid, bestehen.

12. Gassensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (48) von einem auf das Gehäuse (12) arretierbaren Deckel (46) ausgebildet wird.