DE19933185A1 - Sensoranordnung zur Erfassung von Gasanteilen in partikelbehafteten Gasströmungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung wenigstens einer Komponente eines in einem Kanal (1) strömenden Gasgemisches, insbesondere eines heißen Abgases einer Kolbenbrennkraftmaschine, mit einem mit dem Kanal (1) in Verbindung stehenden Halterelement (3), das einen Innenraum aufweist, der über wenigstens eine Kontaktöffnung (5) mit dem Kanal (1) in Verbindung steht und der im Innenraum ein Sensorelement (6) aufweist, und mit einem dem Bereich der Kontaktöffnung (5) zugeordneten Heizelement (9).

Description

Bei der Erfassung wenigstens einer Komponenten eines in einem Kanal strömenden, partikelbehafteten, insbesondere heißen Gasgemisches mittels Sensoren, besteht das Problem darin, daß die Sensorelemente nicht unmittelbar der Gasströmung ausge­ setzt werden können, sondern daß in den Gasstrom hineinragen­ de Halterelemente vorgesehen sind, in deren Innenraum das entsprechende Sensorelement angeordnet ist, das über wenig­ stens eine Kontaktöffnung im Halterelement mit der Gasströ­ mung in Verbindung steht. Partikelablagerungen sowie Konden­ sationsvorgänge führen nun dazu, daß diese Kontaktöffnung zur aktiven Oberfläche des Sensorelementes sich im Laufe der Zeit zusetzt, so daß nach einiger Zeit kein ausreichendes Sensor­ signal mehr zur Verfügung steht. Dieser Nachteil ist vor al­ lem dann gegeben, wenn Sprungfunktion und Sprungantwort der Gaszusammensetzung kürzer ist als die Diffusionszeiten der zu erfassenden Abgaskomponenten in der Gasströmung zum Sensor­ element.

Dieses Problem macht sich um so deutlicher bemerkbar, je tem­ peraturempfindlicher das jeweils eingesetzte Sensorelement ist. Temperaturempfindliche Sensoren müssen zudem beim Ein­ satz in heißen Gasströmungen, beispielsweise bei der Erfas­ sung der Gaszusammensetzungen von Abgasen von Kolbenbrenn­ kraftmaschinen in weiten Kennfeldbereichen durch Kühlung auf einer niedrigeren Temperatur als das zu erfassende Abgas ge­ halten werden. Infolge des damit gegebenen Temperaturgradien­ ten zwischen dem heißen Abgas und der aktiven Oberfläche des Sensorelementes werden aufgrund thermophoretischer Prozesse können sich Partikel und/oder Kondensate auf den kälteren Oberflächen des Sensorelementes ablagern und hierbei die Kon­ taktöffnung zum Sensorelement verstopfen. Kondensate können beispielsweise von Kohlenwasserstoffen unterschiedlichen Mo­ lekulargewichts wie auch von schwewfeliger Säure oder anderer im Gas bei hohen Temperaturen gasförmigen Komponenten errüh­ ren.

Zur Vermeidung dieses Nachteils wird gemäß der Erfindung vor­ geschlagen eine Sensoranordnung zur Erfassung wenigstens ei­ ner Komponente eines in einem Kanal strömenden Gasgemisches, insbesondere eines heißen Abgases einer Kolbenbrennkraftma­ schine, mit einem mit dem Kanal in Verbindung stehenden Hal­ terelement, das einen Innenraum aufweist, der über wenigstens eine Kontaktöffnung mit dem Kanal in Verbindung steht, und der im Innenraum ein Sensorelement aufweist und mit einem dem Bereich der Kontaktöffnung zugeordneten Heizelement. Damit ist die Möglichkeit gegeben, den Bereich der Kontaktöffnung über das Heizelement so zu temperieren, daß dieser mit der heißen Gasströmung in Verbindung stehende Bereich eine Tempe­ ratur aufweisen, die mindestens gleich oder größer ist als die Temperatur des im Kanal strömenden heißen Gasgemisches. Hierdurch wird eine Ablagerung von Partikeln und/oder Konden­ saten zuverlässig vermieden. Die Kontaktöffnung kann auch in Form eines Bypaß-Kanals ausgebildet sein, durch den ein Teil­ strom des Gasgemisches mit Kontakt zum Sensorelement geführt wird.

Zweckmäßig ist es hierbei, wenn das Heizelement auf der dem Kanal zugekehrten und mit der Kontaktöffnung versehenen Wan­ dung des Halterelementes angeordnet ist. Zweckmäßigerweise ist hierbei ferner das Heizelement so angeordnet, daß es die Kontaktöffnung umgreift.

Zur Vermeidung eines starken Wärmeverlustes zwischen dem Heiz­ element einerseits und der Sensorhalterung andererseits ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, wenn zwischen dem Heizelement und der Wandung des Halterelementes eine wärmeisolierende Zwischenlage angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, hohe Temperaturunterschiede zwischen der im Gasstrom liegenden, im wesentlichen durch das Heizelement de­ finierten Oberfläche und dann mit dem Sensorelement verbunde­ nen Teil des Halterelementes einzustellen, so daß zur Auf­ rechterhaltung der hohen Oberflächentemperatur nur eine ge­ ringe Heizleistung erforderlich ist. Dies ist auch dann mög­ lich, wenn in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Innen­ raum des Halterelementes mit einer Kühlmittelversorgung in Verbindung steht.

Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

Zur Erfassung der Gaszusammensetzung eines in einem Kanal 1 strömenden, partikelbehafteten heißen Gasgemisches ist eine Sensoranordnung 2 vorgesehen, die ein als Hohlkammer ausge­ bildetes Halterelement 3 aufweist, das durch eine Öffnung in der Wandung des Kanals 1 um ein gewisses Maß in den Kanal­ querschnitt hineinragt. Das Halterelement 3 weist eine kanal­ seitige Stirnwand 4 auf, die mit wenigstens einer Kontaktöff­ nung 5 versehen ist. Auf der Innenseite der Stirnwand ist ein Sensorelement 6 angeordnet, durch das im Kontakt mit dem in die Kontaktöffnung 5 eintretenden Gasgemisch wenigstens eine Komponente des im Kanal 1 strömenden Gasgemisches erfaßt wer­ den kann. Das Sensorelement 6 ist über Signalleitungen 7 und 8 mit einer hier nicht näher dargestellten Signalerfassung verbunden.

Auf der dem Kanal 1 zugekehrten Fläche der Stirnwand 4 ist ein Heizelement 9 angeordnet, das eine die Kontaktöffnung 5 verlängernde Ausnehmung 10 aufweist, so daß die Kontaktöff­ nung 5 im wesentlichen von dem Heizelement 9 umfaßt wird. Das Heizelement 9 ist als elektrisches Heizelement ausgebildet und steht mit einer Zuleitung 11 mit einer Stromversorgung 12 in Verbindung, die ggf. über eine entsprechende Steuerein­ richtung 13 hinsichtlich der aufzubringenden Heizleistung ge­ steuert werden kann, wobei die Steuerung beispielsweise in Abhängigkeit von der Temperatur des im Kanal 1 strömenden Gasgemisches erfolgen kann.

Über einen Zuleitungskanal 14 und einen Ableitungskanal 15 steht das als Hohlkammer ausgebildete Halterelement 3 mit ei­ nem Kühlmittelstrom in Verbindung, so daß über eine entspre­ chende temperaturabhängige Mengenregelung des Kühlmittel­ stroms das Sensorelement 6 auf seiner optimalen Arbeitstempe­ ratur gehalten werden kann.

Wird nun über die Energieversorgung 12 das Heizelement 9 so mit so mit elektrischer Energie beaufschlagt, daß eine Tempe­ ratur auf der dem Kanal 1 zugekehrten Oberfläche 9.1 auf­ rechterhalten wird, die mindestens der Temperatur des im Ka­ nal 1 strömenden Gasgemisches entspricht, dann kann eine Ab­ lagerung von Partikeln und/oder Kondensaten aus dem Gasge­ misch im Bereich der Kontaktöffnung 5 zuverlässig vermieden werden, so daß immer ein einwandfreier Kontakt zwischen dem Gas und der "aktiven" Kontaktoberfläche des Sensorelementes 6 gewährleistet ist.

Um eine Aufheizung des Sensorelementes 6 über Wärmeleitung zu vermeiden, ist auf der dem Kanal zugekehrten Außenfläche der Stirnwand 4 zwischen dem Heizelement 9 und der Außenfläche eine wärmeisolierende Zwischenlage 16 angeordnet. Da durch die heißen Abgase auch die Wandung des Kanals 1 aufgeheizt wird, ist zweckmäßigerweise das Halterelement über eine ent­ sprechende mantelförmige Isolierung 17 gegenüber der heißen Kanalwandung geschützt. Zweckmäßig kann es hierbei sein, die mantelförmige Wärmeisolierung 17 bis in den in den Kanal hin­ einragenden Endbereich des Halterelementes zu ziehen, um so eine Aufheizung des Halterelementes durch Wärmeübertragung vom heißen Gas zu minimieren. Zweckmäßig ist es ferner, wenn zwischen dem Sensorelement 6 und der Innenseite der Stirnwand 4 anstelle der wärmeisolierenden Zwischenlage 16 am Heizele­ ment oder zusätzlich hierzu eine wärmeisolierende Zwischenla­ ge angeordnet ist, durch die eine Aufheizung des Sensorele­ mentes 6 infolge Wärmeleitung zumindest reduziert werden kann. Eine wärmeisolierende Zwischenlage zwischen dem Halter­ element 3 und Sensorelement 6 hat hierbei den Vorteil, daß im wesentlichen nur das Sensorelement 6 selbst durch den Kühl­ mittelstrom gekühlt wird und somit eine Kühlung des sensorna­ hen Bereichs der Kontaktöffnung weitgehend vermieden wird.

Bei der Anordnung einer Wärmeisolierung zwischen Halterele­ ment 3 und Sensorelement 6 und Kühlung des Sensorelementes 6 besteht ferner die Möglichkeit, zumindest den in den Kanal 1 hineinragenden Teil des Halterelementes 3 ohne Wärmeisolie­ rung gegenüber der Gasströmung auszubilden, so daß die Gas­ temperatur zur Aufheizung des die Kontaktöffnung 5 begrenzen­ den Bereichs beiträgt. Damit kann bei der Auslegung und bei der Regelung der Heizleistung sowohl eine Kaltstartphase als auch die heiße Betriebsphase berücksichtigt werden.

Das Halterelement 3 kann zumindest teilweise aus einem Werk­ stoff bestehen, der im Vergleich zu metallischen Werkstoffen eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit aufweist, wie beispiels­ weise keramische Werkstoffe, so daß zumindest für Teilbereich die Anforderungen an eine Wärmeisolierung erfüllt werden. Der vom Kühlmittel durchströmte Bereich des Halterelementes 3 so­ wie der Bereich zwischen Sensorelement 6 und Halterelement 3 kann hierbei zusätzlich mit einer wärmeisolierenden Abdeckung versehen sein.

Claims (8)

1. Sensoranordnung zur Erfassung wenigstens einer Komponente eines in einem Kanal (1) strömenden Gasgemisches, insbesonde­ re eines heißen Abgases einer Kolbenbrennkraftmaschine, mit einem mit dem Kanal (1) in Verbindung stehenden Halterelement (3), das einen Innenraum aufweist, der über wenigstens eine Kontaktöffnung (5) mit dem Kanal (1) in Verbindung steht und der im Innenraum ein Sensorelement (6) aufweist, und mit ei­ nem dem Bereich der Kontaktöffnung (5) zugeordneten Heizele­ ment (9).

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (9) auf der dem Kanal (1) zugekehrten, mit der Kontaktöffnung (5) versehenen Stirnwand (4) des Hal­ terelementes (3) angeordnet ist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Heizelement (9) die Kontaktöffnung (5) um­ greift.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Heizelement (9) und der Wan­ dung (4) des Halterelementes (3) und/oder zwischen dem Sensor­ element (6) und der Wandung (4) eine wärmeisolierende Zwi­ schenlage (16) angeordnet ist.

5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Kontaktöffnung (5) im we­ sentlichen quer zur Gasströmung ausgerichtet ist.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Halterelementes (3) mit einer Kühlmittelversorgung (14, 15) in Verbindung steht.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Kühlmittel beaufschlagte Innen­ wandbreich des Halterelement (3) mit einer Wärmeisolierung versehen ist.

8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterelement (3) zumindest teilweise aus einem Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht.