CN101095049B - 用于测头的防护元件以及相应的测头和蜂窝体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用来装在测头(8)、特别是用在机动车排气系统的测头(8)上的防护元件(10)，其中防护元件(10)的内表面(13)可至少部分地紧贴在测头(8)的外表面(14)上。防护元件(10)包含至少一个暂时性吸湿层(11)，该吸湿层在第一工作状态下与水化学地和/或物理地结合，并在第二工作状态下释放结合的水。本发明的防护元件(10)的吸湿层(11)的构造有效防止了对测头(8)的水击，这是因为它防止了特别是在冷起动阶段在测头(8)具有最大热容量的部位水蒸汽冷凝。吸湿层(11)在一种工作状态下与水暂时结合，而在另一种工作状态下将水释放。

Description

用于测头的防护元件以及相应的测头和蜂窝体
技术领域
本发明的主题是特别用在内燃发动机排气系统中的防止测头被水击(water shock)的防护元件，以及带有这种防护元件的测头和蜂窝体，特别是带这种测头的催化转化器基体和/或过滤体，以及相应的机动车。优选的应用领域是机动车排气系统内，例如汽车或发动机驱动的两轮车辆的排气系统内。
背景技术
在内燃发动机排气系统中使用的-例如在蜂窝体内的-测头，特别是λ探针，常常由于受水击丧失功能。水击是指测头表面被液态水浸湿的过程或水蒸汽在测头表面上凝结的过程。
发明内容
由于水击通常导致无法修复的损坏或至少测头发生故障，本发明的目的是，提供一种可靠地防止测头水击的措施，并且提供相应的测头和蜂窝体，以及相应的机动车。
这个目的通过一种防护元件、一种测头、一种蜂窝体和一种机动车实现。
所述防护元件用于测头，其特征在于：防护元件包括至少一个暂时性吸湿层，该吸湿层在第一工作状态下与水化学地或物理地结合，并且在第二工作状态下释放结合的水；该防护元件一体地形成在测头或测量传感器上，或以材料接合的方式连接到测头或测量传感器上。
所述测头用在内燃发动机排气系统中，并至少包括上述防护元件。
所述蜂窝体包括至少一个所述防护元件，或包括至少一个所述测头。
所述机动车包括至少一个所述蜂窝体，或至少一个所述测头，或至少一个所述防护元件。
在用于测头的本发明的防护元件方面，防护元件包括至少一个暂时性吸湿层(water-binding layer)，该吸湿层在第一工作状态下化学地和/或物理地结合水，并在第二工作状态下释放所结合的水。本发明的防护元件特别适合用于机动车排气系统中的测头。防护元件优选设计成使得内表面可至少部分贴合在测头的外表面上。
当将测头装入蜂窝体例如催化转化器基体和/或过滤体时，由于放热的催化反应，特别在内燃发动机冷起动阶段在测头的底座处存在最低的温度，所述底座位于蜂窝体外表面上，特别是位于形成在该处的外套管上。这是因为在该处存在最大的热容量，它造成比较慢的温升。如果此时在蜂窝体的一部分内起动催化反应，那么由于该反应的放热特性可能导致在蜂窝体内部形成水蒸汽。如果此时所述水蒸汽接触测头，特别是λ探针，则水会在该处冷凝，也就是说在最冷的部位、特别是在蜂窝体外表面上和/或贴合外套管的测头底座上发生水击，该底座由于外套管在该部位的热容量比较高而温升慢。此时如果在该处形成本发明的防护元件、特别是作为方便地贴合装配在测头上的或一体形成在测头上的附加构件，那么吸湿层导致在第一工作状态下通过化学吸附作用或物理吸附作用使水暂时化学地和/或物理地结合在所述层上或所述层内。特别是在加热的λ探针的情况下，防护元件还可以设计成这样，即在防护元件内表面和测头外表面之间至少在部分区域内形成间隙。如果测头包括测量传感器例如相应的半导体元件，该半导体元件被特别是防止对测量传感器的机械和/或热影响的防护盖包围，那么防护元件优选设计成形成在测量传感器和防护盖之间。
当前的化学和/或物理结合通过转变成第二工作状态逆转，转变到第二工作状态例如可以通过提高温度实现，使得例如在低于一极限温度时水吸附在吸湿层上和/或吸湿层内，并且在超过该极限温度后重新解除吸附。防护元件还优选地完全由暂时性吸湿材料构成，从而该暂时性吸湿层形成整个防护元件。
因此吸湿层用作一种类型的海绵，造成水击的水至少部分地暂时结合在其中。如果在不超过极限温度的情况下相继执行多次冷起动，则这将导致在某一时刻吸湿层的吸水容量耗尽。因此，特别有利的是尤其在汽车内燃发动机的发动机控制装置的范围内设置一用于内燃发动机的发动机管理系统，其中对不会导致转变到第二工作状态的多个冷启动的执行进行识别，并在吸湿层的吸水容量耗尽之前及时改变燃料成分和/或燃料量，从而产生这样的结果，例如，未燃烧的碳氢化合物到达蜂窝体并在那里燃烧，从而可靠地实现第二工作状态。
测头的防护元件适合于用在机动车排气系统内尤其具有这样的结果，即，防护元件能经受排气系统内的条件，特别是该处的温度和发生在该处的温度瞬变和/或温度梯度，对应的气体压力和/或高度活性物质，以及机械负荷和振动或冲击。根据防护元件的设计，它可以适合于完全地或者仅仅特别是在特定区域内围绕部分圆周包围测头和/或测量传感器。在后一种情况下防护元件可以设计成例如圆环区段。特别是在轴向区域内形成多个对应的防护元件也是可以的和符合本发明的，该多个防护元件围绕部分圆周延伸并且共同围绕整个圆周包围测头。
按照本发明的一个有利的改进，防护元件为具有内表面和外表面的基本上封闭的形状，特别是防护元件为环和/或圆环的形式。
防护元件尤其可以设计成环形防护环。在本文中，环尤其是指一种封闭结构，其几何形状与测头、防护盖和/或测量传感器的几何形状相匹配和/或能够匹配。因此，环不仅可具有圆环形几何形状，而且例如也可以具有多边形，优选地六边形或四边形、特别是正方形或矩形或者椭圆形的基本形状。任何具有外表面和内表面的封闭的环形结构在本发明的意义上都被看作环。
按照本发明的防护环的一个有利的实施例，防护元件至少部分是可压缩的或弹性的。
当防护元件做成独立于测头的构件时，有利于将防护元件装在测头上，这例如通过仅仅将防护元件贴合地装配在测头上实现。
按照本发明的防护环的另一个有利的实施例，至少该暂时性吸湿层是多孔的，特别是具有至少40％、优选地大于70％的孔隙度。
通过将至少该暂时性吸湿层做成多孔结构，有利地提高了可用于水的化学和/或物理结合的面积。
按照本发明的防护元件的另一个有利的实施例，该防护元件特别是吸湿层包括以下物质中的至少一种：
a)云母；
b)氧化铝；或者
c)沸石，特别是沸石A、X和/或Y和/或八面沸石。
云母特别是指结晶成单斜形式的硅酸盐材料，例如白云母、锂云母、黑云母或钠云母。云母尤其是指可借助于以下结构式表示的物质：
(K，Na，Ca)(Al，Mg，Fe，Li)2-3(OH)2(Si，Al)4-5O10
其中在括号内的原子可表现为任何需要的组合。术语“沸石”既指天然存在的也指人工制造的铝硅酸盐，特别是还指经受至少部分阳离子交换的铝硅酸盐。但是，原则上用其他材料来制造吸湿层也是可以的和符合本发明的，条件是通过这些材料水能够在第一运行阶段被结合并在第二运行阶段被重新释放。由多种材料形成吸湿层或形成多个吸湿层也是可以的和符合本发明的。
按照本发明的防护元件的另一个有利的实施例，所述防护元件可以承受高达500℃、优选地750℃、特别优选地1000℃的温度。
这种耐高温特性允许有利地用在汽车排气系统中。
按照本发明的防护元件的另一个有利实施例，第一工作状态和第二工作状态的区别在于工作温度。
因此，可以通过改变工作温度，即在防护元件处的温度，以便从一种工作状态转变到另一种工作状态。
按照本发明的防护元件的另一个有利实施例，第一工作状态基本上出现在低于一极限温度，特别是解吸温度的温度，第二工作状态基本上出现在高于该极限温度的温度。
特别是，这种暂时结合水的特征是吸附。这里极限温度还应被理解为一极限温度范围，在这个范围内在吸湿层处或吸湿层内的吸附和解吸之比发生变化。
按照本发明的防护元件的另一个有利实施例，极限温度高于水的沸点。
这有效地防止了水从吸湿层释放并直接重新冷凝。特别是，极限温度高于100℃。
按照本发明的防护元件的另一个有利实施例，吸湿层至少部分位于防护元件的表面上。
按照本发明的防护元件的另一个有利实施例，吸湿层至少部分在防护元件的一表面上形成，该表面相对于测头和/或相对于测量传感器至少部分位于外侧。
因此，吸湿层至少不完全在防护元件的内表面上形成，也不完全在防护元件的外表面上形成，当以后安装测量传感器时该外表面尤其紧贴在测头的壁的内表面上。这意味着，吸湿层优选地在防护元件的表面上的以下区域内形成，即，当所述防护元件用在例如蜂窝体内时该区域与废气接触。
按照本发明的防护元件的另一个有利实施例，防护元件适合于基本上气密地紧贴在测头和/或测量传感器的外表面上。
按照本发明的防护元件的另一个有利实施例，防护元件适合于基本上气密地紧贴在测头孔的内表面上。
由于适合于基本上气密地紧贴在测头的外表面和/或测头孔的内表面上，防护元件也可以执行密封功能，例如可做成密封环。
按照本发明的防护元件的另一个有利实施例，防护元件包括加热元件。
防护元件可被这些加热元件加热，通过加热防护元件进一步有效减小了水击的可能性。加热元件例如可包括形成在防护元件内部的简单的电热丝。
按照本发明思想的另一个方面，提出一种用在内燃发动机排气系统内的测头，特别是λ探针，一种包括至少一个本发明的防护元件的温度传感器和/或气体浓度传感器。
按照本发明的测头的一个有利实施例，测头包括测量传感器，其中防护元件包括至少一内表面，该内表面至少部分地紧靠在测头和/或测量传感器的外表面上，和/或至少部分地形成为与测头和/或测量传感器的外表面相对。这里特别优选地，在测头和/或测量传感器的外表面和防护元件的内表面之间至少在特定区域内将形成间隙。
防护元件优选地可一体地形成在测头和/或测量传感器上，和/或以材料接合的方式连接于其上，特别是焊接于其上。形状锁合(positively locking)和/或摩擦锁合连接也是可以的和符合本发明的。
按照本发明的测头的另一个有利实施例，所述测头包括一防护盖，该防护元件形成在防护盖和测量传感器之间。
通常防护盖尤其形成在λ探针上。在这种情况下，防护盖包围测量传感器，其中合适的开口允许待分析气体传送到位于防护盖内的λ探针的测量传感器。这种防护盖主要用来避免运输损坏和安装损坏，虽然这种防护盖也旨在防止水击，即，例如总体被加热的测量传感器通过与水滴接触而受到热冲击，但是尽管有这种防护盖存在由于水击导致的损坏还是经常发生，特别是如果机动车主要在短距离运行，即通常处于冷起动阶段的话。在这种情况下，在防护盖和现行的测量传感器之间附加地形成本发明的防护元件能够进一步显著减小特别是对于λ探针的水击风险。
按照本发明思想的另一个方面，提出一种蜂窝体，特别是催化转化器基体和/或过滤体，该蜂窝体具有流体可从中流过的空腔，包括至少一个本发明的防护元件和/或至少一个本发明的测头。
本发明的蜂窝体可由金属和/或陶瓷材料构成，特别是由至少部分形成构造的金属和/或陶瓷层-适当情况下为基本上光滑的金属和/或陶瓷层-进行卷绕或成层和扭曲或挤出而成。
按照本发明的蜂窝体的另一个有利实施例，吸湿层至少部分包括防护元件的一表面，该表面可设置成与空腔流体机械接触。
在本文中，流体机械接触尤其是指当流体-特别是废气-流过蜂窝体时能够与测量传感器和/或防护元件接触或围绕其流过。在这种情况下，防护元件有效地防止水击，特别是如果该防护元件形成在测头的具有最大热容量的部位，例如在测头和蜂窝体的外套管之间的接合部位处的底座上。
按照本发明思想的另一个方面，提出一种机动车，特别是汽车、两轮摩托车、飞机或轮船，其包括至少一个本发明的蜂窝体，一个本发明的测头和/或一个本发明的防护元件。
附图说明
针对本发明的防护元件公开的细节和优点可以同样地转移到和应用于本发明的测头，本发明的蜂窝体和/或本发明的机动车。本发明的其他优点和示例性实施例参照附图加以说明，但本发明并不局限于该实施例。在所述附图中：
图1是具有本发明的防护元件的第一示例性实施例的本发明的蜂窝体的概略横截面图；
图2是本发明的防护元件的第二示例性实施例的概略横截面图；
图3是本发明的测头的概略透视图；以及
图4是本发明的测头的概略横截面图。
具体实施方式
图1示出包括一蜂窝结构2和一外套管3的蜂窝体1。在本示例中蜂窝结构2通过基本上光滑的板层4和至少局部形成构造的板层5的堆叠和卷曲构成，为了清楚起见仅示出板层的一部分，板层4、5可以由金属和/或陶瓷材料、特别是还包括过滤材料构成。板层4、5形成流体可从中流过的空腔6，在本示例中形成从蜂窝体1的一端向另一端延伸的通道。
外套管3包括一测头孔7，测头8装在该孔内。为了将测头8固定在测头孔7内，形成一连接元件9例如螺纹，它对应于测头8的匹配连接元件(未示出)。
在测头孔7和测头8之间形成一防护元件10。所述防护元件10具有一吸湿层11，所述吸湿层11形成在防护元件10的表面上，使得在废气流过蜂窝体1时防护元件10与废气接触。这里吸湿层11相对于测头8形成在外侧，即，特别是不在防护元件10的与测头8的外表面14直接接触的内表面13上。在吸湿层11下方形成一基体层，该基体层例如可以是弹性的或可压缩的。但是，将整个防护元件10形成吸湿层11也是可以的和符合本发明的。通过形成上述可以和水暂时化学和/或物理结合的吸湿层11，能够有效地防止水击，该水击是由于特别是在发动机冷起动阶段包含在废气中的水蒸汽在蜂窝体1达到高于水的沸点的温度之前冷凝导致的。这里，吸湿层11起一种海绵的作用，它暂时储存水并重新释放。在通过吸附与水结合的吸湿层11的情况下，如果蜂窝体1和进而防护元件10和吸湿层11由于通过废气进行的加热和发生的放热反应而升温，则可在超过解吸温度后通过解吸释放水。
图2示出具有本发明的防护元件10的第二示例性实施例的测头8的横截面图。这里防护元件10做成防护环，该防护环完全包围测头8的圆周。防护元件10的内表面13以基本气密的方式紧贴测头8的外表面14。当防护元件的外表面15基本上气密性地紧贴测头孔7的内表面(未示出)时，防护元件10同时具有密封功能，以便有效地防止废气从蜂窝体1中漏出。此外，设置加热元件16，该加热元件在本示例性实施例中由加热线圈组成。其他加热元件16也是可以的和符合本发明的。
图3是本发明的测头8的概略图，该测头具有与测头孔的连接元件9对应的螺纹17。这里，通过测量传感器18进行测量值的实际记录，该测量传感器例如设计成具有矩形几何形状的半导体元件。测量传感器18被防护盖19包围，该防护盖防止测量传感器18受到例如机械作用。本发明的防护元件10形成在防护盖19内部，使得在防护元件10的内表面13和测量传感器18的外表面之间形成一间隙20。如果测头8设计成特别是在测量传感器18的区域内被加热，则这是特别有利的。在这种测量传感器18中，防护元件10用作抵抗可能的水击的附加防护。
图4是示出本发明的测头8的示意性横截面图，该测头包括一测量传感器18、一防护盖19和一根据本发明的防护元件10。该防护元件10制成为使得防护元件10的内表面13通过间隙20与测量传感器18的外表面分开，在这种情况下间隙20的形状和尺寸根据实施例的不同是可变的。
本发明的防护元件10通过形成一吸湿层11有效防止测头8被水击，这是因为防止了特别是在冷起动阶段在测头8的具有最大热容量的部位水蒸汽发生冷凝。在一种工作状态下吸湿层11暂时与水结合，以便在另一种工作状态下重新释放水。
附图标记列表
1蜂窝体                            2蜂窝结构
3外套筒                            4基本光滑的板层
5至少局部形成构造的板层            6空腔
7测头孔                            8测头
9连接元件                          10防护元件
11吸湿层
13防护元件的内表面                 14测头的外表面
15防护元件的外表面                 16加热元件
17螺纹                             18测量传感器
19防护盖                           20间隙

Claims (22)

1.一种防护元件(10)，该防护元件(10)用于测头(8)，其特征在于：防护元件(10)包括至少一个暂时性的吸湿层(11)，该吸湿层(11)在第一工作状态下与水化学地或物理地结合，并且在第二工作状态下释放结合的水；该防护元件(10)一体地形成在测头(8)或测量传感器(18)上，或以材料接合的方式连接到测头(8)或测量传感器(18)上。
2.按权利要求1的防护元件(10)，其特征在于：该防护元件(10)具有包含内表面(13)和外表面(15)的封闭的形状。
3.按权利要求1的防护元件(10)，其特征在于：该防护元件(10)包括一基体层，该基体层形成在吸湿层(11)下方，并且是可压缩的或弹性的。
4.按权利要求1的防护元件(10)，其特征在于：至少暂时性的吸湿层(11)是多孔的。
5.按权利要求1的防护元件(10)，其特征在于：该防护元件(10)包含至少以下材料之一：
a)云母；
b)氧化铝，或
c)沸石。
6.按权利要求1的防护元件(10)，其特征在于：所述防护元件(10)能够耐受高达500℃的温度。
7.按权利要求1的防护元件(10)，其特征在于：第一工作状态和第二工作状态的区别在于运行温度。
8.按权利要求7的防护元件(10)，其特征在于：第一工作状态处于一极限温度以下的温度，第二工作状态处于该极限温度以上的温度。
9.按权利要求8的防护元件(10)，其特征在于：该极限温度高于水的沸点温度。
10.按权利要求1的防护元件(10)，其特征在于：该吸湿层(11)至少部分位于防护元件(10)的表面上。
11.按权利要求10的防护元件(10)，其特征在于：该吸湿层(11)至少部分形成在防护元件(10)的一表面上，该表面相对于测头(8)或相对于测量传感器(18)至少部分位于外侧。
12.按权利要求1的防护元件(10)，其特征在于：该防护元件(10)适于气密性地紧贴在测头(8)或测量传感器(18)的外表面(14)上。
13.按权利要求1的防护元件(10)，其特征在于：该防护元件(10)适于气密性地紧贴在测头孔(7)的内表面上。
14.按上述权利要求之一的防护元件(10)，其特征在于：该防护元件(10)包含加热元件(16)。
15.一种用在内燃发动机排气系统中的测头(8)，该测头(8)至少包括按权利要求1至14之一的防护元件(10)。
16.按权利要求15的测头(8)，包括一测量传感器(18)，其特征在于：该防护元件(10)至少包括内表面(13)，该内表面(13)至少部分紧贴在测头(8)或测量传感器(18)的外表面(14)上，或至少部分形成为与测头(8)或测量传感器(18)的外表面(14)相对。
17.按权利要求15的测头(8)，其特征在于：在测头(8)或测量传感器(18)的外表面(14)和防护元件(10)的内表面(13)之间至少在一些区域内形成间隙(20)。
18.按权利要求15的测头(8)，其特征在于：该防护元件(10)以摩擦或形状锁合方式与测头(8)或测量传感器(18)连接。
19.按权利要求15的测头(8)，该测头(8)包括防护盖(19)，其特征在于：该防护元件(10)形成在防护盖(19)和测量传感器(18)之间。
20.一种蜂窝体(1)，该蜂窝体包括至少一个按权利要求1至14之一的防护元件(10)或至少一个按权利要求15至19之一的测头(8)。
21.按权利要求20的蜂窝体(1)，其特征在于：该吸湿层(11)至少部分包围防护元件(10)的可设置成与空腔(8)流体机械接触的表面。
22.一种机动车，该机动车包括至少一个按权利要求20或21的蜂窝体，按权利要求15至19之一的测头或按权利要求1至14之一的防护元件。
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