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DE19933185A1 - Sensor arrangement for the detection of gas fractions in particle-laden gas flows - Google Patents

Sensor arrangement for the detection of gas fractions in particle-laden gas flows

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Publication number
DE19933185A1
DE19933185A1 DE1999133185 DE19933185A DE19933185A1 DE 19933185 A1 DE19933185 A1 DE 19933185A1 DE 1999133185 DE1999133185 DE 1999133185 DE 19933185 A DE19933185 A DE 19933185A DE 19933185 A1 DE19933185 A1 DE 19933185A1
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Germany
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contact opening
channel
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sensor
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Inventor
Gerhard Lepperhoff
Hanns Rump
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FEV Europe GmbH
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FEV Motorentechnik GmbH and Co KG
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Abstract

The invention relates to a sensor assembly for detecting at least one component of a gaseous mixture which flows in a conduit (1), in particular, of a hot exhaust gas in a piston internal combustion engine. Said assembly comprises a support element (3) which is connected to the conduit (1). The support element has an internal chamber which is connected to the conduit (1) via at least one contact opening (5) and which has a sensor element (6) in the internal cavity. Said assembly also comprises a heating element (9) which is located in the area of the contact opening (5).

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.When detecting at least one component one in one Channel flowing, particulate, especially hot Gas mixture using sensors, the problem is that the sensor elements are not directly exposed to the gas flow can be set, but protrude into the gas stream de holder elements are provided, in the interior of which corresponding sensor element is arranged, that little least a contact opening in the holder element with the gas flows mung is connected. Particle deposits and condensates tion processes now lead to this contact opening active surface of the sensor element changes over time closes, so that after a while no sufficient sensor signal is more available. This disadvantage is above al lem given when the step function and step response of the Gas composition is shorter than the diffusion times exhaust gas components in the gas flow to the 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.This problem becomes even more noticeable, the more tem the sensor element used is more sensitive to temperature is. Temperature-sensitive sensors must also be switched on set in hot gas flows, for example in the detection Solution of the gas compositions of exhaust gases from piston combustion engines in wide map areas by cooling a lower temperature than the exhaust gas to be detected ge will hold. Due to the given temperature gradients between the hot exhaust gas and the active surface of the Sensor elements are due to thermophoretic processes can particles and / or condensates on the colder Deposit surfaces of the sensor element and thereby the con Block the clock opening to the sensor element. Condensates can for example Mo different from hydrocarbons  molecular weight as well as sulphurous acid or others Stir gaseous components in the gas at high temperatures 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.To avoid this disadvantage, according to the invention struck a sensor arrangement for detecting at least one egg ner component of a gas mixture flowing in a channel, especially a hot exhaust gas from a piston internal combustion engine seem, with a Hal connected to the channel terelement, which has an interior that at least a contact opening communicates with the channel, and which has a sensor element in the interior and with a Area of the contact opening associated heating element. In order to there is the possibility of the area of the contact opening to temper the heating element so that this with the hot gas flow related area a tempe rature that is at least equal to or greater than the temperature of the hot gas mixture flowing in the channel. This will result in the deposition of particles and / or condensates data reliably avoided. The contact opening can also be in Form a bypass channel through which a part flow of the gas mixture with contact to the sensor element becomes.

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.It is useful if the heating element on the Wan facing the channel and provided with the contact opening extension of the holder element is arranged. Conveniently the heating element is also arranged so that it is the Grips contact opening.

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.To avoid excessive heat loss between the heating element on the one hand and the sensor holder on the other it expedient in a further embodiment of the invention if between the heating element and the wall of the holder element a heat-insulating intermediate layer is arranged. Hereby it is possible to find high temperature differences between the Gas flow lying essentially through the heating element de  finished surface and then connected to the sensor element NEN part of the holder element to adjust so that on maintaining the high surface temperature only a ge rings heating power is required. This is also possible Lich if in a further embodiment of the invention the inside space of the holder element with a coolant supply in Connection is established.

Die Erfindung wird anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.The invention is illustrated by a schematic drawing explained.

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.To detect the gas composition of a particle-laden hot gas mixture flowing in a channel 1 , a sensor arrangement 2 is provided which has a holder element 3 which is formed as a hollow chamber and which projects through a certain amount into the channel cross section through an opening in the wall of the channel 1 . The holder element 3 has a channel-side end wall 4 , which is provided with at least one contact opening 5 . On the inside of the end wall, a sensor element 6 is arranged, through which, in contact with the gas mixture entering the contact opening 5 , at least one component of the gas mixture flowing in the channel 1 can be detected. The sensor element 6 is connected via signal lines 7 and 8 to a signal detection not shown here.

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. On the channel 1 facing surface of the end wall 4 , a heating element 9 is arranged, which has a contact opening 5 extending recess 10 , so that the contact opening 5 is substantially comprised by the heating element 9 . The heating element 9 is designed as an electrical heating element and is connected to a supply line 11 with a power supply 12 , which can optionally be controlled via a corresponding control device 13 with regard to the heating power to be applied, the control depending, for example, on the temperature of the Channel 1 flowing gas mixture can take place.

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.Via a supply channel 14 and a discharge channel 15 is formed as a hollow chamber holder element 3 with egg nem coolant flow in connection, so that the sensor element 6 can be kept at its optimum working temperature via a corresponding temperature-dependent quantity control of the coolant flow.

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.Turning now the power supply 12, the heating element 9 so applied as electrical power that a tempering temperature on the channel 1 facing surface 9.1 is at right obtained which corresponds to at least the temperature of the chan nel 1 gas mixture flowing, then an Ab Storage of particles and / or condensates from the gas mixture in the region of the contact opening 5 can be reliably avoided, so that a perfect contact between the gas and the "active" contact surface of the sensor element 6 is always guaranteed.

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.In order to avoid heating of the sensor element 6 via heat conduction, a heat-insulating intermediate layer 16 is arranged on the outer surface of the end wall 4 facing the channel between the heating element 9 and the outer surface. Since the wall of the channel 1 is also heated by the hot exhaust gases, the holder element is expediently protected against the hot channel wall by a corresponding jacket-like insulation 17 . It may be expedient here to pull the jacket-shaped heat insulation 17 into the end region of the holder element which projects into the channel, in order to minimize heating of the holder element by heat transfer from the hot gas. It is also useful if between the sensor element 6 and the inside of the end wall 4 instead of the heat-insulating intermediate layer 16 on the element Heizele or in addition thereto a heat-insulating intermediate layer is arranged, through which heating of the sensor element 6 due to heat conduction can at least be reduced. A heat-insulating intermediate layer between the holder element 3 and the sensor element 6 has the advantage that essentially only the sensor element 6 itself is cooled by the coolant flow and thus cooling of the sensor area of the contact opening is largely avoided.

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.In the arrangement of thermal insulation between Halterele element 3 and sensor element 6 and cooling of the sensor element 6 there is also the possibility of forming at least the part of the holder element 3 protruding into the channel 1 without heat insulation against the gas flow, so that the gas temperature for heating the Contact opening 5 limit the area contributes. This means that both a cold start phase and the hot operating phase can be taken into account when designing and regulating the heating output.

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.The holder element 3 can at least partially consist of a material that has a lower thermal conductivity compared to metallic materials, such as ceramic materials, so that the requirements for thermal insulation are met at least for partial areas. The area of the holder element 3 through which the coolant flows, and the area between the sensor element 6 and the holder element 3, can additionally be provided with a heat-insulating cover.

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).1. A sensor arrangement for detecting at least one component of a fluid flowing in a channel (1) gas mixture insbesonde a hot exhaust gas re a reciprocating internal combustion engine, having a with the channel (1) associated holder element (3) having an inner space via at least a contact opening ( 5 ) communicates with the channel ( 1 ) and which has a sensor element ( 6 ) in the interior, and with element ( 9 ) associated with the area of the contact opening ( 5 ). 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.2. Sensor arrangement according to claim 1, characterized in that the heating element ( 9 ) on the channel ( 1 ) facing, with the contact opening ( 5 ) provided end wall ( 4 ) of the Hal terelementes ( 3 ) is arranged. 3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Heizelement (9) die Kontaktöffnung (5) um­ greift.3. Sensor arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the heating element ( 9 ) engages the contact opening ( 5 ). 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.4. Sensor arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that between the heating element ( 9 ) and the Wan extension ( 4 ) of the holder element ( 3 ) and / or between the sensor element ( 6 ) and the wall ( 4 ) one heat-insulating inter mediate layer ( 16 ) is arranged. 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.5. Sensor arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the axis of the contact opening ( 5 ) is oriented substantially transversely to the gas flow. 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.6. Sensor arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the interior of the holder element ( 3 ) is connected to a coolant supply ( 14 , 15 ). 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.7. Sensor arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that the inner wall area of the holder element ( 3 ) acted upon by the coolant is provided with thermal insulation. 8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterelement (3) zumindest teilweise aus einem Werkstoff mit niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht.8. Sensor arrangement according to one of claims 1 to 7, characterized in that the holder element ( 3 ) consists at least partially of a material with low thermal conductivity.
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