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TECHNISCHES GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Sensoren zum Messen des
Anteils von Sauerstoff (O2) in Fluiden,
die durch Kraftfahrzeugantriebsstrang- und Abgassysteme hindurchwandern,
und insbesondere Verbinderanordnungen zum funktionalen Verbinden
eines Sauerstoffsensors mit einer Einrichtung, die zum Verwenden
der von dem Sensor erzeugten Signale in der Lage ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Nahezu
alle herkömmlich
motorisierten Fahrzeuge, wie etwa das moderne Kraftfahrzeug, umfassen
ein Abgassystem, um die bei einem Normalbetrieb der Brennkraftmaschine
(ICE) des Fahrzeugs erzeugten Nebenprodukte abzusaugen und zu entschärfen. Die
meisten Abgassysteme umfassen einen Katalysator oder eine ähnliche
Abgasnachbehandlungseinrichtung, welche eine Ausgabe aus dem Abgaskrümmer (oder ”Kopfteil”) der Maschine durch
eine Fluidleitung oder ein ”Auspuffrohr” empfängt, und
welche die Abgasemissionen reduziert und oxidiert. Eine Schalldämpferanordnung
oder eine ähnliche
Einrichtung, die allgemein stromabwärts zu dem Katalysator angeordnet
ist, dämpft
Geräusche,
die von dem Abgasemissionsprozess erzeugt werden.
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Elektronische
Sensoren werden bei einer Vielfalt von Anwendungen verwendet, die
eine qualitative und quantitative Analyse von Fluiden benötigen. In
der Kraftfahrzeugindustrie werden beispielsweise Sauerstoffsenso ren,
die in der Umgangssprache als ”O2-Sensoren” bekannt
sind, in Brennkraftsteuerungssystemen verwendet, um genaue Sauerstoffkonzentrationsmesswerte
von Kraftfahrzeugabgasen bereitzustellen. Die Sauerstoffkonzentration im
Abgas einer Maschine weist eine direkte Korrelation mit dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis der
Kraftstoffmischung auf, die an die Maschine geliefert wird. Die von
dem O2-Sensor aufgenommenen Messwerte können daher verwendet werden,
um die günstigsten Verbrennungsbedingungen
zu ermitteln, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis zu optimieren, die Kraftstoffsparsamkeit
zu maximieren und Abgasemissionen zu managen.
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Für Kraftfahrzeuganwendungen
sind zahlreiche Sauerstoffsensortypen kommerziell erhältlich. Elektrochemische
Sauerstoffsensoren, die typischerweise bei Kraftfahrzeuganwendungen
verwendet werden, verwenden eine fingerhutförmige elektrochemische galvanische
Zelle, die in dem ”potentiometrischen
Modus” betrieben
wird, um die relativen Mengen von Sauerstoff, die in der Abgasströmung der
Maschine vorhanden sind, zu ermitteln oder zu erfassen. Dieser Typ
von Sauerstoffsensor umfasst ein ionenleitendes Festelektrolytmaterial,
typischerweise ein mit Titan oder Yttrium dotiertes Zirkoniumdioxid,
eine poröse
Elektrodenbeschichtung an der Außenseite des Sensors, welche
der Abgasströmung ausgesetzt
ist, und eine poröse
Elektrodenbeschichtung an der Innenseite des Sensors, die einer
bekannten Konzentration an Referenzgas ausgesetzt ist.
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Bei
Sauerstoff werden die Festelektrolytsensoren verwendet, um Sauerstoffaktivitätsunterschiede
zwischen einer unbekannten Gasmaterialprobe und einer bekannten
Gasmaterialprobe zu messen. Bei Kraftfahrzeugabgasanwendungen ist
beispielsweise das unbekannte Gas Abgas und das bekannte Referenzgas
ist für
gewöhnlich
atmosphärische
Luft, da der Sauerstoffgehalt in Luft relativ konstant und leicht
zugänglich
ist. Der Gaskonzentrationsgradient über dem Festelektrolyt erzeugt
ein galvanisches Potential. Das bedeutet, dass, wenn entgegengesetzte Oberflächen dieser
galvanischen Zelle verschiedenen Sauerstoffpartialdrücken ausgesetzt
sind, eine elektromotorische Kraft (”EMF”) zwischen den Elektroden
gemäß der Nernst-Gleichung
entwickelt wird: E = AT ln(P1/P2)wobei E
das Reduktionspotential oder die ”galvanische Spannung” der Zelle
ist, T die absolute Temperatur des Gases ist, P1/P2 das Verhältnis der
Sauerstoffpartialdrücke
des Referenzgases der zwei Elektroden ist und A = R/4F, wobei R
die universelle Gaskonstante ist (R = 8,314472 J·K–1·mol–1),
und F die Faraday-Konstante ist (F = 96485,3399 C/mol).
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Potentiometrische
Sauerstoffsensoren werden allgemein in dem Abgassystem einer ICE
eingesetzt, um qualitativ zu ermitteln, ob die Maschine in einer
fetten Kraftstoffbedingung (das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ist ”fett” bzw. reich
an unverbranntem Kraftstoff) oder einer mageren Kraftstoffbedingung (das
Luft/Kraftstoff-Verhältnis
weist einen Sauerstoffüberschuss
auf) im Vergleich zur Stöchiometrie
arbeitet. Nach einer Gleichgewichtseinstellung weisen die Abgase,
die von Maschinen erzeugt werden, welche bei diesen zwei Betriebsbedingungen
arbeiten, zwei stark unterschiedliche Sauerstoffpartialdrücke auf.
Diese Information wird an ein Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Regelungssystem
geliefert, welches versucht, ein mittleres stöchiometrisches Luft/Kraftstoff-Verhältnis zwischen
diesen zwei extremen Bedingungen bereitzustellen. Bei dem stöchiometrischen
Punkt von Luft zu Kraftstoff ändert
sich die Sauerstoffkonzentration um mehrere Größenordnungen. Entsprechend
sind potentiometrische Sauerstoffsensoren in der Lage, qualitativ
anzuzeigen, ob die Maschine in der Bedingung mit fettem Kraftstoff oder
mit magerem Kraftstoff arbeitet, ohne unbedingt spezifischere Informationen
dahingehend bereitzustellen, welchen tatsächlichen Wert das Luft/Kraftstoff-Verhältnis aufweist.
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Aufgrund
zunehmender Anforderungen für verbesserte
Kraftstoffsparsamkeit und verbesserte Emissionskontrolle wurden
Weitbereichssauerstoffsensoren entwickelt, die in der Lage sind,
den Sauerstoffpartialdruck im Abgas von Maschinen genau zu ermitteln,
die bei Bedingungen mit sowohl fettem Kraftstoff als auch magerem
Kraftstoff arbeiten. Derartige Bedingungen erfordern einen Sauerstoffsensor,
der zu einer schnellen Reaktion auf Änderungen beim Sauerstoffpartialdruck über mehrere
Größenordnungen
in der Lage ist, wobei er auch eine ausreichende Empfindlichkeit
aufweist, um den Sauerstoffpartialdruck bei den Bedingungen mit
sowohl fettem Kraftstoff als auch magerem Kraftstoff genau zu ermitteln.
Sauerstoffsensoren, die eine Ausgabe erzeugen, die proportional
zu dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis
ist, bieten zusätzliche
Leistungsvorteile für
Maschinensteuerungssysteme. Ein Sauerstoffsensor, der in dem Modus
mit diffusionsbegrenztem Strom arbeitet, kann eine derartige proportionale
Ausgabe erzeugen, die eine ausreichende Auflösung bereitstellt, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis unter
Bedingungen mit fettem Kraftstoff oder magerem Kraftstoff zu ermitteln.
Allgemein weisen Sauerstoffsensoren mit diffusionsbegrenztem Strom
eine Pumpenzelle und eine Sauerstoffspeicherzelle zum Erzeugen einer
internen Sauerstoffreferenz auf. Zwischen der Speicherzelle und
der Pumpenzelle wird eine konstante EMF aufrechterhalten, sodass
die Größe und die
Polarität
des Pumpenstroms detektiert werden kann, der die Abgaszusammensetzung
angibt.
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Aktuelle
O2-Sensorentwürfe
umfassen zwei elektrische Verbindungspunkte zur elektrischen Verbindung
des Sauerstoffsensors mit einer elektronischen Einrichtung, wie
etwa einem fahrzeugeigenen Maschinensteuerungsmodul (ECM), welche
das Signal verwendet, das von dem Sensor er zeugt wird. Ein Verbindungspunkt
ist sensorintern und ein zweiter externer Verbindungspunkt dient
zur elektrischen Kommunikation mit einem Kabelbaum. Bei derartigen
Entwürfen
koppelt eine längliche ”Anschlusslitzenanordnung” diese
zwei elektrischen Verbindungspunkte auf elektrische Weise. Die Anschlusslitzenanordnung
weist einen eindeutigen elektrischen Verbinder an jedem entgegengesetzten
Ende davon auf: eine erste Metallverbinderklammer zum Verbinden mit
dem sensorinternen Verbindungspunkt und eine zweite weniger kostspielige
Kunststoffverbinderklammer zum Anbringen der Anschlusslitzenanordnung an
einem Fahrzeugkabelbaum.
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Die
zwei Verbindungspunkte sind durch die Benutzung der Anschlusslitzenanordnung
getrennt, um den externen Verbindungspunkt zu isolieren und ihn
entfernt von den Bedingungen extremer Hitze, bei denen der O2-Sensor normalerweise
eingebaut ist, einzubauen. Der Sauerstoffsensor ist in einer Umgebung
angeordnet, die bei einer normalen Sensorverwendung sehr heiß ist und
bei einigen Betriebsbedingungen auch sehr kalt ist. Der Sensor kann
Temperaturen über
850°C an
dem Punkt erreichen, an dem er in das Auspuffrohr hineinragt. Darüber hinaus
ist die elektrische Verbindung am Sauerstoffsensor widrigen Straßenbedingungen
ausgesetzt, die ein Besprühen
mit Salz, Feuchtigkeit, Wasser, Öl,
Fett und den Abgasen selbst umfassen können. Die Kunststoffverbinderklammer
der Anschlusslitze ist nicht so konzipiert, dass sie dieser rauen
Arbeitsumgebung Stand hält.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine Sauerstoffsensoranordnung mit
Direktverbindung bereitgestellt, um den Sauerstoffanteil in einer
vorbeiströmenden
Fluidströmung
zu messen, und um Signale, welche diesen anzeigen, an einen Controller
zu übertragen.
Die Sauerstoffsensoranordnung umfasst einen Sauerstoffsensor, der
zur funktionalen Verbindung mit einer Fluidleitung, etwa einem Abgaskrümmer der
Maschine oder einem stromabwärts
davon gelegenen Auspuffrohr ausgestaltet ist. Der Sauerstoffsensor
weist ein Sensorgehäuse
mit einem Sauerstoff erfassenden Element auf, das zumindest teilweise
aus einem Ende des Sensorgehäuses
hervorsteht, und einen ersten elektrischen Anschluss, der an einem
entgegengesetzten Ende des Sensorgehäuses angeordnet ist. Ein elektrischer
Leiter koppelt das Sauerstoff erfassende Element auf elektrische
Weise mit dem ersten elektrischen Anschluss.
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Die
Sauerstoffsensoranordnung umfasst auch eine Verbinderanordnung,
die ein Verbindergehäuse
mit einem oder mehreren Leitungsdrähten aufweist, die daraus hervorstehen.
Die Leitungsdrähte sind
mit dem Controller funktional verbunden. Ein zweiter elektrischer
Anschluss ist an dem Verbindergehäuse montiert und mit dem Leitungsdraht
oder den Leitungsdrähten
elektrisch gekoppelt. Der zweite elektrische Anschluss ist so ausgestaltet,
dass er in den ersten elektrischen Anschluss eingreift und sich elektrisch
damit verbindet. Das Verbindergehäuse ist aus einem Material
mit einer Arbeitstemperatur von mindestens 200 Grad Celsius (°C) hergestellt,
wie zum Beispiel aus Edelstahl. Das Verbindergehäuse ist idealerweise aus dem
gleichen Material wie das Sensorgehäuse hergestellt, kann aber
auch aus anderen wärmebelastbaren
Materialien hergestellt sein.
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Die
vorliegende Erfindung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber Anordnungen
aus einem Sauerstoffsensor und einem elektrischen Verbinder nach dem
Stand der Technik. Dieser Entwurf ermöglicht ein Konzept eines Sauerstoffsensors
mit Direktverbindung, der von einem Temperatur-, Vibrations- und Einbaustandpunkt
aus gesehen funktioniert. Die vorstehend be schriebene Sauerstoffsensoranordnung ist
deutlich kleiner als Anordnungen nach dem Stand der Technik, wodurch
sie wesentlich weniger Einbauraum benötigt. Zudem beseitigt dieser
Entwurf den Bedarf für
Anschlusslitzenanordnungen mit einem externen Verbinder der gegenwärtigen Produktion. Tatsächlich beseitigt
dieser Entwurf den Bedarf für
irgendwelche zusätzlichen
elektrischen Verbindungspunkte zwischen dem Sauerstoffsensor und
dem Controller. Das Beseitigen dieser nicht benötigten zusätzlichen Komponente verringert
Entwicklungs-, Verpackungs-, Transport- und Installationskosten, minimiert
Garantieprobleme und vereinfacht den Entwurfs-, Validierungs- und
Freigabeprozess.
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Gemäß einem
Aspekt dieser speziellen Ausführungsform
umfasst der elektrische Anschluss des Sauerstoffsensors entweder
mehrere elektrische Stifte oder mehrere komplementäre weibliche
Verbinder. Bei dieser Instanz umfasst der elektrische Anschluss
der Verbinderanordnung die jeweils anderen der mehreren elektrischen
Stifte und weiblichen Verbinder. Jeder weibliche Verbinder ist ausgelegt,
um einen jeweiligen der mehreren elektrischen Stifte aufzunehmen
und sich damit elektrisch zu verbinden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt dieser Ausführungsform
umfasst das Sensorgehäuse
einen allgemein zylindrischen Körperabschnitt
mit einem allgemein zylindrischen Schutzrohr, das aus einem Ende
desselben axial hervorsteht. Das Sauerstoff erfassende Element ist
in dem Schutzrohr und dem Körperabschnitt
eingeschlossen. Im Idealfall definiert das Schutzrohr mindestens
eine Öffnung
derart, dass die Materialprobe des unbekannten Fluids (z. B. Abgas)
mit dem Sauerstoff erfassenden Element funktional in Verbindung
treten kann.
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Als
Teil eines weiteren Aspekts umfasst das Verbindergehäuse eine
Verbinderhülle
mit einem Anschlussschirm, der aus einer Seite derselben hervorsteht.
Der Anschlussschirm umgibt den Verbinderanordnungsanschluss. Bei
dieser speziellen Instanz ist der Anschlussschirm im Inneren des
elektrischen Anschlusses des Sauerstoffsensors angeordnet, wenn die
Verbinderanordnung an dem Sauerstoffsensor angebracht ist, während die
Verbinderhülle
entlang einer äußeren Oberfläche des
elektrischen Anschlusses des Sauerstoffsensors angeordnet ist.
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Als
Teil noch einer weiteren Facette dieser Ausführungsform umfasst der erste
elektrische Anschluss vorzugsweise eine oder mehrere Zacken, die aus
einer Innenfläche
desselben hervorstehen. Der Verbindergehäuseanschlussschirm definiert
eine entsprechende Anzahl von Schlüsselschlitzen, die jeweils
ausgestaltet sind, um eine der Zacken aufzunehmen. Das Merkmal mit
Zacke und Schlüsselschlitz
stellt sicher, dass der erste und zweite Anschluss korrekt ausgerichtet
sind, wenn der Sauerstoffsensor mit der Verbinderanordnung verbunden wird.
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In Übereinstimmung
mit noch einem weiteren Aspekt umfasst die Sauerstoffsensoranordnung ein
Drehverriegelungsmerkmal. Der erste elektrische Anschluss umfasst
eine oder mehrere Nasen, die aus einer Außenfläche desselben hervorragen.
Das Verbindergehäuse
definiert andererseits eine entsprechende Anzahl von Kanälen, die
jeweils zur Aufnahme einer Nase darin ausgestaltet sind. Durch Einführen der
Nasen in ihre jeweiligen Kanäle,
Zusammendrücken
des Verbindergehäuses
mit dem Sensorgehäuse
und anschließendes
Drehen der zwei Gehäuse
in entgegengesetzte Richtungen wird sich die Verbinderanordnung
mit dem Sauerstoffsensor verriegeln.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal dieser Ausführungsform
kann ein Verbinderpositionssicherungsstift (CPA-Stift) umfasst sein.
Der CPA-Stift ist so ausgestaltet, dass er in den Sauerstoffsensor
und die Verbinderanord nung eingreift und eine korrekte elektrische
Verbindung zwischen den ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen sicherstellt.
Der CPA-Stift kann beispielsweise einen U-förmigen Entwurf aufweisen, wobei
eine Basis Schenkel aufweist, die aus entgegengesetzten Enden derselben
hervorstehen. Die Verbinderhülle
kann zwei Aufnahmedurchgänge
definieren, die jeweils ausgestaltet sind, um einen jeweiligen Schenkel
nur dann aufzunehmen und mit diesem ineinander zu greifen, wenn
die Sensor- und Verbindergehäuse
korrekt aneinander angebracht sind.
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Ein
weiteres Merkmal dieser Ausführungsform
besteht darin, dass ein temperaturbelastbares Dichtungselement,
etwa ein Teflon-Dichtungsring, zwischen den ersten und zweiten elektrischen
Anschlüssen
umfasst ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine Sauerstoffsensoranordnung bereitgestellt,
um den Sauerstoffanteil in gasförmigem
Abgas, das von einer Brennkraftmaschine ausgestoßen wird, zu erfassen und Signale, die
diesen anzeigen, an ein Maschinensteuerungsmodul zu übertragen.
Die Sauerstoffsensoranordnung umfasst einen Sauerstoffsensor und
eine Verbinderanordnung. Der Sauerstoffsensor ist ausgestaltet,
um zumindest teilweise im Inneren eines der Auspuffrohre des Fahrzeugs
montiert zu werden. Der Sauerstoffsensor weist ein metallisches
Gehäuse
mit einem Sauerstoff erfassenden Element auf, das darin angeordnet
ist und zumindest teilweise aus einem Ende desselben hervorsteht.
Der Sauerstoffsensor umfasst auch einen elektrischen Anschluss mit
mehreren elektrischen Stiften, die aus einem entgegengesetzten Ende
des Sensorgehäuses
hervorstehen. Ein elektrischer Leiter, der im Inneren des Sensorgehäuses angeordnet
ist, koppelt das Sauerstoff erfassende Element mit den mehreren
elektrischen Stiften auf elektrische Weise.
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Die
Verbinderanordnung weist ein metallisches Verbindergehäuse auf,
das so ausgestaltet ist, dass es an dem Sauerstoffsensorgehäuse angebracht
werden kann und in dieses eingreift. Das Verbindergehäuse umfasst
mehrere isolierte Leitungsdrähte,
die mit dem Maschinensteuerungsmodul direkt verbunden sind und sich
von einer Seite desselben nach außen erstrecken. Die Verbinderanordnung weist
auch einen elektrischen Anschluss mit mehreren weiblichen Verbindern
auf, die aus einer entgegengesetzten Seite des Verbindergehäuses hervorstehen.
Jeder der weiblichen Verbinder ist mit einem jeweiligen der Leitungsdrähte elektrisch
verbunden und ist ausgestaltet, um einen jeweiligen der elektrischen
Stifte aufzunehmen, die aus dem Sauerstoffsensoranschluss hervorstehen.
Das Verbindergehäuse
ist aus einem metallischen Material hergestellt, das bei 200°C nicht wesentlich
schmilzt oder sich krümmt.
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Die
vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile
der vorliegenden Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden
genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und der besten
Arten zum Ausführen
der vorliegenden Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen und den beigefügten
Ansprüchen
gelesen wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine teilweise schematische Veranschaulichung in Explosionsseitenansicht
einer Sauerstoffsensoranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine schematische Seitenansichtveranschaulichung in teilweisem Querschnitt
eines beispielhaften Sauerstoffsensors; und
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3 ist
eine Veranschaulichung in einer perspektivischen Explosionsansicht
der Sauerstoffsensoranordnung von 1.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche
Komponenten in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist in 1 eine
Sauerstoffsensoranordnung, die allgemein als 10 bezeichnet
ist, gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. 1 stellt auch eine beispielhafte
Anwendung dar, mit welcher die vorliegende Erfindung ausgeübt werden
kann. Jedoch ist die vorliegende Erfindung keinesfalls auf die Anwendung
oder Anordnung beschränkt,
die in 1 gezeigt ist. Obwohl die Sauerstoffsensoranordnung 10 zur
Verwendung in einem herkömmlichen
Kraftfahrzeug gedacht ist, wie etwa Standardpersonenautos, Sportnutzfahrzeuge
(SUV), leichte Lastwägen,
Minitransporter und dergleichen, aber nicht darauf beschränkt ist,
kann sie auch in eine beliebige Kraftfahrtzeuganwendung eingebaut sein,
die umfasst, aber sicher nicht beschränkt ist auf Busse, Schwerlastfahrzeuge,
Traktoren, Boote und Personenwasserfahrzeuge, Flugzeuge und so weiter.
Zudem sind die hier dargestellten Zeichnungen nicht maßstabsgetreu
und sind nur zu Lehrzwecken bereitgestellt. Daher sollen die spezifischen
und relativen Dimensionen und Orientierungen, die in den Zeichnungen
gezeigt sind, nicht als Einschränkung aufgefasst
werden. Schließlich
ist die Verwendung von Begriffen wie ”Erfassen”, ”Detektieren”, ”Messen”, ”Berechnen”, und ”Ermitteln” nicht
als Einschränkung
gedacht, und sie sollen als relativ austauschbar betrachtet werden.
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Die
Sauerstoffsensoranordnung 10 der vorliegenden Erfindung
besteht aus zwei primären
Komponenten: einem Sauerstoffsensor 12 und einer Verbinderanordnung 14.
Wie aus der folgenden genauen Beschreibung leicht verstanden wird,
können
jedoch zusätzliche
Komponenten in der Sauerstoffsensoranordnung 10 umfasst
sein oder Modifikationen daran im Umfang der beigefügten Ansprüche durchgeführt werden.
Der Sauerstoffsensor 12 ist eine Einrichtung, welche die
Menge oder den Anteil von Sauerstoff in einem Fluid, etwa den Abgasen,
die von einer Brennkraftmaschinenanordnung (ICE-Anordnung) 16 oder
dergleichen erzeugt werden, detektiert, misst oder anderweitig erfasst.
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1 stellt
eine repräsentative
Anwendung dar, in welcher die Sauerstoffsensoranordnung 10 der
vorliegenden Erfindung eingebaut und verwendet werden kann. Die
ICE-Anordnung 16 umfasst ein Luftansaugsystem, welches
hier durch einen Ansaugkrümmer 18 dargestellt
ist, das in stromabwärtiger
Fluidverbindung mit einem Drosselklappenkörper 20 (auch als ”Drosselklappenventil” bekannt)
steht. Luft wird durch den Ansaugkrümmer 18 in die ICE 16 eingesaugt.
Der Drosselklappenkörper 20 dient
zum Regeln des Luftvolumens, das in die Maschine 16 eingesaugt
wird. Der Ansaugkrümmer 18 ist
für eine gleichmäßige Verteilung
der Kraftstoff/Luft-Mischung auf die (nicht gezeigten) Einlassöffnungen
der verschiedenen Brennkammern 26 mit variablem Volumen
der ICE 16 verantwortlich.
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Die
ICE 16 umfasst auch ein Abgassystem, das zum Aufnehmen
und Ausstoßen
von Abgasen aus den Brennkammern 26 dient. Das Abgassystem ist
hier durch einen Abgaskrümmer 22 (in
der Technik auch als ”Abgaskopfstück” bezeichnet)
dargestellt, der die Maschine 16 fluidtechnisch mit einem
Auspuffrohr 24 koppelt. Der Abgaskrümmer 22 sammelt das
Abgas, das aus den verschiedenen Brennkammern 26 während eines
Betriebs der ICE 16 ausgestoßen wird, und das Rohr 24 leitet
die Gase von der ICE 16 weg. Es sei angemerkt, dass die
ICE, das Luftansaugsystem und das Abgassystem, die hier in 1 gezeigt
sind, stark vereinfacht wurden und es versteht sich, dass weitere
Informationen hinsichtlich der Funktion und Arbeitsweise derartiger
Systeme im Stand der Technik aufzufinden sind.
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Der
Sauerstoffsensor 12 ist mit dem Auspuffrohr 24 funktional
verbunden, um ein Ausgabesignal an eine elektronische Steuerungseinheit
(oder einen ”Controller”), etwa
ein Maschinensteuerungsmodul (ECM) 28, bereitzustellen,
welches vorzugsweise zu dem Sauerstoffpartialdruck in der Abgasmischung der
ICE 16 proportional ist. Bei der Ausführungsform von 2 umfasst
der Sauerstoffsensor 12 ein Sensorgehäuse 30, das einen
länglichen,
allgemein zylindrischen, hohlen Sensorkörper 32 aus Metall
umfasst, der zu einem allgemein zylindrischen rohrförmigen Schutzrohr 34 aus
Metall koaxial benachbart ist. Das Schutzrohr 34 ist an
ein Ende des Sensorkörpers 32 aufgepresst,
befestigt oder angeklebt. Der Sensorkörper 32, der vorzugsweise
aus Edelstahl oder einem anderen temperaturbelastbaren Material hergestellt
ist, umfasst eine mit einem Gewinde versehene äußere Oberfläche 36, die verwendet
wird, um den Sauerstoffsensor 12 mit dem Fahrzeugabgassystem,
nämlich
dem Auspuffrohr 24, derart zu verschrauben und zu befestigen,
dass die Spitze des Schutzrohrs 34 dem fließenden Abgasstrom
ausgesetzt ist. Ein Sechskantabschnitt 38 ist zum Übertragen
von Drehmoment, zum Beispiel von einem Drehmomentschraubschlüssel, auf
den Körper
des Sensorgehäuses 30 vorgesehen,
um den Sensor 12 fest in sein komplementäres Aufnahmeloch
im Auspuffrohr 24 einzuschrauben. Es ist zu erkennen, dass
andere Mittel zum Befestigen des Sauerstoffsensors 12 an
dem Auspuffrohr 24 verfügbar
sind.
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Mit
speziellem Bezug auf 2 ist der Sauerstoffsensor 12 in
einer beispielhaften Konfiguration gezeigt. Der Sauerstoffsensor 12 umfasst
ein Sauerstoff erfassendes Element 40, das im Inneren des Gehäuses 30 beispielsweise
von einem oder mehreren Stützrohren 42 abgestützt ist.
Das Sauerstoff erfassende Element 40 kann von einem beliebigen
bekannten Typ sein. Als Beispiel, aber keinesfalls als Einschränkung, kann
das Sauerstoff erfassende Element 40 vom schmalbandigen
Typ oder vom breitbandigen Typ sein. Schmalbandige Sauerstoffsensoren,
etwa ein konischer Zirkonsensor, erzeugen eine nichtlineare (d.
h. binäre)
Ausgabespannung auf der Grundlage der Sauerstoffmenge im Abgas.
Die von einem schmalbandigen Sauerstoffsensor erzeugte Ausgabespannung
kann verwendet werden, um zu ermitteln, ob die Maschine 16 in
einem ”mageren” oder einem ”fetten” Status
arbeitet, wie hier vorstehend beschrieben ist. Breitbandige Sauerstoffsensoren,
wie etwa ein planarer Zirkonsensor, erzeugen eine allgemein lineare
Ausgabespannung auf der Grundlage der Sauerstoffmenge im Abgas.
Somit können
breitbandige Sauerstoffsensoren verwendet werden, um den spezifischen
Sauerstoffgehalt im Abgas, und ob die Maschine in einem Status mit
magerem Kraftstoff oder fettem Kraftstoff arbeitet, zu ermitteln.
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Das
Sauerstoff erfassende Element 40 ist als ein allgemein
ebenes, längliches
Stück gezeigt,
das sich axial innerhalb des Sensorgehäuses 30 erstreckt.
Ein Erfassungselement 44 ist an einem Ende des Sauerstoff
erfassenden Elements 40 angeordnet und ist in einer Erfassungskammer 48 eingeschlossen,
die von dem Schutzrohr 34 definiert wird. Bei der beispielhaften
Ausführungsform
von 2 umfasst das Erfassungselement 44 ein
optionales einstückig ausgebildetes
Heizungselement 46. Das Heizungselement 46 ist
umfasst, um zusätzliche
Wärme bereitzustellen,
um das Erfassungselement 44 auf einen Temperaturbereich über seiner
Empfindlichkeitstemperatur zu erwärmen. Das Heizungselement 46 kann zum Beispiel
verwendet werden, um das Erfassungselement 44 auf eine
Temperatur über
350 Grad Celsius (°C)
zu erwärmen.
Andere Anordnungen des Sauerstoff erfassenden Elements 40 werden
im Umfang der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen.
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Ein
erster elektrischer Anschluss, der in 2 allgemein
durch das Bezugszeichen 50 angezeigt ist, steht an einem
zu dem Schutzrohr 34 entgegengesetzten Ende aus dem Sensorkörper 32 hervor.
Ein elektrischer Leiter 52 ist innerhalb des Sensorkörperabschnitts 32 des
Sensorgehäuses 30 angeordnet.
Der elektrische Leiter 52 dient zur elektrischen Kopplung
des Sauerstoff erfassenden Elements 40, des Erfassungselements 44 und
des Heizungselements 46 mit mehreren elektrischen Stiften 54.
Die Stifte 54, die sich innerhalb des Sensorgehäuses 30 in
Längsrichtung
erstrecken, sind an einem Ende an dem elektrischen Leiter 52 befestigt und
liegen an einem entgegengesetzten Ende frei, welches sich durch
den ersten elektrischen Anschluss 50 zu einem offenen Ende
desselben erstreckt. In den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen
sind nur zwei elektrische Stifte 54 veranschaulicht; der
elektrische Anschluss 50 kann jedoch in Abhängigkeit
von der speziellen Konfiguration des Erfassungselements 44 und
des Heizungselements 46 und den speziellen Entwurfsanforderungen
für die beabsichtigte
Anwendung des Sauerstoffsensors 12 weniger oder mehr als
zwei Stifte umfassen. Die Stifte 54 können auch mit Gold oder Silber
beschichtet sein, um die elektrisch leitfähigen Eigenschaften derselben
zu verbessern.
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An
dem Erfassungselement 44 bildet sich auf der Grundlage
der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas, das durch das Auspuffrohr 24 hindurchströmt, eine
Spannung aus. Diese Spannung wird von dem Sauerstoffsensor 12 über den
Anschluss 50 ausgegeben. Das Maschinensteuerungsmodul (ECM) 28 empfängt das
Ausgabesignal des Sauerstoffsensors 12 in Verbindung mit
Signalen von anderen Sensoren, die in 1 bei 29 kollektiv
dargestellt sind. Die anderen Sensoren 29 können beispielsweise
einen Luftmassenströmungssensor
(MAF-Sensor), einen Krümmerabsolutdrucksensor
(MAP-Sensor), einen Maschinenkühlmitteltemperatursensor
(ECT-Sensor), einen Drosselklappenpositionssensor (TPS-Sensor),
usw. umfassen. Das ECM 28 regelt die an die Maschine 16 verteilte
Luft/Kraftstoff-Mischung zumindest teilweise auf der Grundlage der Ausgabe
des Sauerstoffsensors 12 und der anderen Sensoren 29.
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Bei
der in 1 gezeigten beispielhaften Implementierung regelt
das ECM 28 die Luft/Kraftstoff-Mischung durch Manipulieren
der Position eines Drosselklappenventils in dem Drosselklappenkörper 20,
um das durch den Ansaugkrümmer 18 in
die Maschine 16 eingesaugte Luftvolumen zu erhöhen oder zu
verringern. Das ECM 28 regelt die Luft/Kraftstoff-Mischung auch durch
Anweisen eines (nicht gezeigten) Kraftstoffeinspritzsystems zum
Erhöhen oder
Verringern des Kraftstoffgehalts der Luft/Kraftstoff-Mischung. Durch
Messen des Anteils von Sauerstoff in dem verbleibenden Abgas und
unter anderem durch eine Kenntnis des Volumens und der Temperatur
der Luft, die in die Zylinder eintritt, kann das ECM 28 die
Kraftstoffmenge ermitteln, die zum Verbrennen bei dem stöchiometrischen
Verhältnis (14,7:1
Luft:Kraftstoffmasseanteil bei Benzin) benötigt wird, beispielsweise unter
Verwendung spezieller Nachschlagetabellen, um eine vollständige Verbrennung
sicherzustellen.
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Die
funktionale Verbindung zwischen dem Sensor 12 und einer
Fluidleitung (z. B. dem Auspuffrohr 24), ob diese nun direkt
(wie in 1 gezeigt ist) oder anderweitig
erfolgt, platziert das Sauerstoff erfassende Element 40 in
Fluidverbindung mit dem Abgas. Das Schutzrohr 34, das vorzugsweise
aus Edelstahl oder einem anderen temperaturbelastbaren Material
hergestellt ist, ist zur Abschirmung des Erfassungselements 40 vor
einem direkten Aufprall durch die Abgase und zum Schützen des
Erfassungselements 44 vor Wasser oder anderen Flüssigkeiten,
die in der Abgasströmung
mitgerissen werden, entworfen. Bei der in 2 gezeigten
beispielhaften Konfiguration umfasst das Schutzrohr 34 zum Beispiel
einen rohrförmigen
Innenschirm 56, der von einem konzentrisch orientierten
rohrförmigen
Außenschirm 58 umgeben
ist. Die Innen- und Außenschirme 56 und 58 definieren
einzeln und zusammen drei Öffnungen,
etwa eine erste, zweite und dritte Öffnung 60, 62 bzw. 64,
durch welche Abgas in den Hohlraum 48 eindringen kann.
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Die Öffnungen 60, 62, 64 können verschiedene
Größen und
Gestalten aufweisen. Die Öffnungen 60, 62, 64 können so
angeordnet und dimensioniert sein, dass sie eine spezielle Reaktion
des Sauerstoff erfassenden Elements 40 auf Veränderungen im
Sauerstoffgehalt des Abgases erzeugen. Zudem können die Öffnungen 60, 62, 64 so
angeordnet und dimensioniert sein, dass sie eine Temperaturreaktion des
Sauerstoff erfassenden Elements 40 auf einen Aufprall von
flüssigem
Wasser beeinflussen. Anders ausgedrückt kann die Menge und die
Stelle, an der flüssiges
Wasser das Sauerstoff erfassende Element 40 kontaktieren
kann, von der Stelle und der Größe der Öffnungen 60, 62, 64 abhängen, welche
dadurch die Temperaturreaktion des Sauerstoff erfassenden Elements 40 beeinflussen.
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Wieder
auf 1 Bezug nehmend dient die Verbinderanordnung 14,
welche als eine direkte Erweiterung des Standardproduktionskabelbaums
des Fahrzeugs gedacht ist, zur funktionalen Verbindung (d. h. zur
elektrischen Kopplung) des Sauerstoffsensors 12 direkt
mit dem ECM 28. Die Verbinderanordnung 14 besteht
allgemein aus einem Verbindergehäuse 70 mit
einem Feld thermisch isolierter Leitungsdrähte 72, die aus einer
Rückseite
desselben hervorstehen. Die Leitungsdrähte 72 sind von einer Schutzmanschette 74 ummantelt
und durch diese isoliert, welche ein thermisch und elektrisch isolierendes
elastisches Silikonpolymer, ein faserverstärktes Polymer oder ein anderes
geeignetes Material sein kann. Im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen elektrischen
Verbinderanordnungen sind die Leitungsdrähte 72 mit dem Maschinensteuerungsmodul 28 direkt
verbunden, wie hier nachstehend genauer erläutert wird. Die Anzahl und
die Dicke der Leitungsdrähte 72 kann
angepasst werden, um die speziellen Bedürfnisse der beabsichtigten
Anwendung der Sauerstoffsensoranordnung 10 zu erfüllen.
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Das
Verbindergehäuse 70 umfasst
eine allgemein zylinderförmige
haubenähnliche
Verbinderhülle 76 mit
einem konzentrisch orientierten allgemein zylinderförmigen Anschlussschirm 78,
der aus einer Vorderseite derselben in einer beabstandeten Beziehung
entgegengesetzt zu den Leitungsdrähten 72 hervorsteht.
Das Verbindergehäuse 70 ist
aus einem Material mit einer Arbeitstemperatur von mindestens 200
Grad Celsius (°C)
hergestellt. Das bedeutet, dass das Verbindergehäuse 70 aus einem Material
aufgebaut ist, das sich bei Temperaturen bis zu 200°C und vorzugsweise
bis zu 230°C
oder höher nicht
wesentlich verformen, schmelzen, oder biegen wird und somit seine
volle Funktionalität
behalten wird. Das Verbindergehäuse 70 ist
im Idealfall aus dem gleichen Material wie das Sensorgehäuse 30 hergestellt,
wie zum Beispiel aus Edelstahl, kann aber auch aus anderen thermisch
belastbaren Materialien hergestellt sein. Zum Beispiel kann der
Anschlussschirm 78 aus Keramik, einem Fluorpolymer, etwa
Polytetrafluorethylen, anderen eisenhaltigen Metallen usw. hergestellt
sein.
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Der
Anschlussschirm 78 umgibt einen zweiten elektrischen Anschluss,
der in 1 allgemein mit 80 bezeichnet ist, welcher
allgemein mehrere weibliche Verbinder umfasst (von denen zwei in 1 bei 82 verdeckt
gezeigt sind), die orthogonal aus der Vorderseite des Verbindergehäuses 70 hervorstehen.
Jeder der weiblichen Verbinder 82 ist mit einem jeweiligen
der Leitungsdrähte 72 elektrisch verbunden
(z. B. über
Crimpen, Löten,
Clips usw.) und ist ausgestaltet, um einen jeweiligen der elektrischen
Stifte 54 aufzunehmen, die aus dem Sauerstoffsensoranschluss 50 hervorstehen.
Bei der in 1 dargestellten beispielhaften
Konfiguration umfassen die weiblichen Verbinder 82 einen
Metallkörper,
der einen Hohlraum mit einem Profil definiert, das zu denjenigen
des Schnittstellenabschnitts eines Stifts 54 passt. Wenn
die Verbinderanordnung 14 am Sauerstoffsensor 12 angebracht
wird, wie hier nachstehend erläutert
wird, werden die weiblichen Verbinder 82 so positioniert,
dass sie die Stifte 54 gleitend aufnehmen. Zu diesem Zeitpunkt
ist der Anschlussschirm 78 innerhalb des elektrischen Anschlusses 50 des
Sauerstoffsensors angeordnet, wobei er die elektrischen Stifte 54 allgemein
umgibt, während
die Verbinderhülle 76 den
elektrischen Anschluss 50 des Sauerstoffsensors umgibt,
wobei er allgemein um eine Außenfläche desselben
herum angeordnet ist. Ähnlich
wie die Stifte 54 können
die weiblichen Verbinder 82 mit Gold oder Silber beschichtet
sein, um die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften
derselben zu verbessern.
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Das
Verbindergehäuse 70 ist
so ausgestaltet, dass es in das Sauerstoffsensorgehäuse 30 eingreift
und daran angebracht werden kann. Bei einer speziellen Ausführungsform
umfasst die Sauerstoffsensoranordnung 10 ein ”Drehverriegelungsmerkmal”. Der Sensorkörper 32 umfasst
eine oder mehrere Nasen 84, die um eine Außenfläche des
ersten elektrischen Anschlusses 50 herum umlaufend beabstandet
sind und von dieser radial nach außen wegstehen. Das Verbindergehäuse 70 definiert
andererseits eine entsprechende Anzahl weiblicher Kanäle oder
Rillen (von denen zwei in 3 bei 86 verdeckt gezeigt
sind), die jeweils ausgestaltet sind, um darin eine Nase 84 aufzunehmen.
Durch Einführen
der Nasen 84 in ihre jeweiligen Kanäle 86, Drücken, Schieben,
oder anderweitiges Verschieben der Sensor- und Verbindergehäuse 30, 70 zueinander,
und anschließendes
Drehen eines oder beider Gehäuse
(in 3 durch Pfeile A dargestellt), wird die Verbinderanordnung 14 mit
dem Sauerstoffsensor 12 verriegeln.
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Ein
thermisch belastbares Dichtungselement, etwa ein Polytetrafluorethylen-Dichtungsring 88,
ist zwischen den ersten und zweiten elektrischen Anschlüssen 50, 80 platziert.
Der Dichtungsring 88 weist eine Arbeitstemperatur von 260°C auf und
stellt eine witterungsbeständige,
wasserfeste, thermisch belastbare Dichtung zwischen dem Sauerstoffsensor 12 und
der Verbinderanordnung 14 bereit. Bei einer alternativen
Ausführungsform
können
die Nasen 84 durch eine Gewindeaußenfläche ersetzt sein, die in eine
Gewindeinnenfläche
der Verbinderhülle 76 zur Verschraubung
eingreift, welche, wenn sie verschraubt sind, das Sauerstoffsensorgehäuse 30 mechanisch
an dem Verbindergehäuse 70 befestigen. Bei
einem weiteren Beispiel kann das hier dargestellte Drehverriegelungsmerkmal
durch eine ”Schnellverbindungs”-Schnittstelle
ersetzt sein. Ein Feld von flexiblen Fingergriffen 90 ist
um den Außenumfang der
Verbinderhülle 76 herum
beabstandet, was eine besser ”greifbare”, benutzerfreundliche
Oberfläche zum
Zusammenschrauben des Sauerstoffsensorgehäuses 30 mit dem Verbindergehäuse 70 schafft.
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Die
Sauerstoffsensoranordnung 10 kann auch mit einem Zacke-
und -Schlüssel-Merkmal
hergestellt sein, das entworfen ist, um sicherzustellen, dass die
ersten und zweiten Anschlüsse 50, 80 korrekt
ausgerichtet sind, wenn der Sauerstoffsensor 12 mit der
Verbinderanordnung 14 verbunden wird. Der Sensorkörper 32 umfasst
vorzugsweise einen oder mehrere Zacken (von denen zwei in 2 bei 90 gezeigt
sind), die umlaufend voneinander beabstandet sind und aus einer
Innenfläche
des ersten elektrischen Anschlusses 50 aus radial nach
innen hervorstehen. Wie in 3 ersichtlich
ist, definiert der Verbindergehäuseanschlussschirm 78 eine
entsprechende Anzahl länglicher
Schlüsselschlitze 92,
von denen jeder so dimensioniert und positioniert ist, dass er einen
der Zacken 90 aufnimmt, wenn die ersten und zweiten Anschlüsse 50, 80,
nämlich
die elektrischen Stifte 54 und die weiblichen Verbinder 82, korrekt
orientiert sind.
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Es
kann auch ein Verbinderpositionssicherungsstift (CPA-Stift) 94 umfasst
sein. Der CPA-Stift 94 ist so ausgestaltet, dass er in
den Sauerstoffsensor 12 und der Verbinderanordnung 14 eingreift
und eine korrekte elektrische Verbindung zwischen den ersten und
zweiten elektrischen Anschlüssen 50, 80 sicherstellt.
Zum Beispiel kann der CPA-Stift einen U-förmigen
Entwurf mit einer Basis 96 aufweisen, die Schenkel 98 aufweist,
die aus entgegengesetzten Enden derselben hervorstehen. Bei der
in 3 gezeigten Ausführungsform definiert zum Beispiel
die Verbinderhülle 76 zwei
Aufnahmedurchgänge 100 (von
denen einer in 1 und einer in 3 zu
sehen ist). Jeder Durchgang 100 ist ausgestaltet, um einen
jeweiligen Schenkel 98 nur aufzunehmen und damit zusammenzupassen,
wenn die Sensor- und Verbindergehäuse 30, 70 korrekt
angebracht sind. Der CPA-Stift 94 kann
allgemein nicht in Eingriff gebracht werden, solange nicht und bis
die Verbinderanordnung 14 vollständig in ihre Sitzposition hineingedreht
wurde. Der CPA-Stift 94 gibt einem Anwender die Sicherheit,
dass er eine korrekte Verbindung hergestellt hat, und ermöglicht anderen
(wie etwa einem Qualitätspunktinspekteur),
eine visuelle Prüfung
auszuführen,
um einen vollständig
sitzenden Verbinder sicherzustellen.
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Der
hier dargestellte Direktverbindungsentwurf ermöglicht pro Technik ein Teil,
wobei Anschlusslitzenanordnungen nach dem Stand der Technik und
alle Zwischenverbindungspunkte zwischen der Sauerstoffsensoranordnung 10 und
dem ECM 28 beseitigt werden. Dies wird den Rationalisierungseffekt
wesentlich erhöhen – von jeder
Teilenummer viel mehr her stellen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch,
dass der Sensor 12 in seiner einfachsten Form installiert,
gewartet, verpackt und behandelt wird. Im Gegensatz zur vorliegenden
Erfindung bedeutet der einstückige
Anschlusslitzenentwurf, dass eine Wartung den Sensor plus die Anschlusslitze statt
nur den Sensor ersetzen muss. Dies wird Garantiefälle verringern
und den Entwurfs- und Freigabeprozess stark vereinfachen. Sie ermöglicht eine beträchtliche
Verringerung der Gesamtteileanzahl und erhöht das Zeitintervall für Wartung.
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Obwohl
die besten Arten zum Ausführen
der vorliegenden Erfindung im Detail dargestellt wurden, werden
Fachleute auf dem Gebiet, das diese Erfindung betrifft, verschiedene
alternative Entwürfe
und Ausführungsformen
zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis im Umfang der beigefügten Ansprüche erkennen.