CN103109173B

CN103109173B - 传感器装置

Info

Publication number: CN103109173B
Application number: CN201180045518.1A
Authority: CN
Inventors: R.菲克斯; D.孔茨; A.马丁
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2031-07-29
Also published as: CN103109173A; EP2619539B1; DE102010041166A1; EP2619539A1; WO2012038128A1

Abstract

本发明涉及一种传感器装置，尤其用于探测带内燃机的机动车的废气中的气体排放物，包括气体管路（12）和由壳体（16）限定边界的以及与气体管路（12）的内部通过入口（18）和出口（20）流体连通的分析室（14），其中分析室（14）至少部分布置在气体管路（12）之外，并且其中在分析室（14）中这样布置传感器（28），使该传感器处在气体管路（12）之外。按照本发明设置了至少一个冷却元件（32），该冷却元件布置在气体管路（12）和传感器（28）之间的区域中。传感器（28）由此可以在处在废气温度之下的温度下运行。

Description

传感器装置

技术领域

本发明涉及一种传感器装置。本发明尤其涉及一种针对探测机动车废气中气体排放物的传感器的传感器装置。

背景技术

为了减少机动车中尤其是内燃机的有害气体排放，必须安全地通过传感器来证实有害气体达到最小浓度。待证实的气体或者说有害气体排放物例如包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂）、碳氢化合物（HCs）或氨（NH₃）。在对机动车废气或者说在废气中存在的排放物作分析时，在此需要在机动车排气系中进行测量。在此使用的传感器因此必须能在腐蚀性气体环境下以及尤其在例如约至650℃的高温下可靠工作，这对待使用的传感器提出了很高的要求。

为了承受高温，例如使用废气传感器，其基于导引离子的陶瓷材料。例如使用以二氧化锆（ZrO₂）为基础的陶瓷传感器。基于探测废气所需的离子管路，这种传感器在必定超过750℃的温度下持久运行。

由DE19810973A1公开了一种方法，以便补偿废气传感器的功能变化，亦即零点变化，以及此外也在相应高的温度下遵守传感器的工作温度区域。在这种方法中，废气传感器周期性交替地被废气和新鲜空气冲洗。由此通过新鲜空气给废气传感器一个基准点作为零点，因此可以持续修正或者说校正零点。此外，废气传感器可以通过较冷的新鲜空气冷却以及因此可以根据温度差保持在其工作温度范围内。

DE102007012056A1描述了一种用于改善针对内燃机的流体传感器的效率的系统和方法，在此可以对流过废气管路的废气的代表性的横截面进行分析。为此，废气被动地从流体流的目标区域朝着相应的传感器绕行，传感器例如布置在屏蔽装置中。这种被动的绕行可以导致废气在达到传感器之前被动地冷却。

发明内容

本发明的主题在于一种传感器装置，尤其用于探测带有内燃机的机动车的废气中的气体排放物，该传感器装置包括气体管路和被壳体限定边界并且与气体管路的内部通过入口和出口流体连通的分析室，其中，分析室至少部分布置在气体管路之外，以及其中，在分析室中这样布置传感器，使该传感器处在气体管路之外。在此，设至少一个冷却元件，其被布置在气体管路和传感器之间的区域中。

通过按本发明的传感器装置，可以有效降低传感器的工作温度。传感器的运行温度尤其下降到实际的废气温度之下，或者说传感器可以在实际的废气温度之下运行。由此可以明显改善传感器的长期稳定性和可靠性以及此外可以省去耗费的冷却过程。

因此可以明显降低对材料稳定性和传感器及所有附加的传感器部件的负荷的要求，这为用于按本发明的传感器装置的传感器的制造和研发节省了成本。此外，传感器的整个结构和连接技术都能设计用于低温，因此可以进一步节省成本。

通过使分析室至少部分布置在气体管路之外以及在分析室内这样布置一个传感器，使该传感器处在气体管路之外，废气被从气体管路内部导出以及导入处在气体管路之外的一个区域中。限定分析室边界的壳体由此不会或至少仅特别小的一部分承受永久的热气流。由此将待测量气体的热能的一部分导出，气体因而被冷却。

此外，通过设置至少一个布置在气体管路和分析室之间的区域内的冷却元件，还明显提高了冷却效果。热能因此不仅通过传感器在热气流外的布置而实现，更确切地说还通过冷却元件被进一步加强。基于在壳体或者说至少一个冷却元件与环境空气之间的巨大的温度梯度，从废气中吸收的热量在此被向外排出。此外，通过构造和布置一个或若干冷却元件，还能如所期望的那样影响冷却效果。因此可以调整冷却率，传感器的运行温度可以用冷却率如所期望那样被调整。因此例如对陶瓷传感器而言，较高的运行温度是所期望的以及必要的，反之，在其它传感器中，则通常要避免这样高的运行温度。

在气体管路和传感器之间的区域因此是这样一个区域，在该区域上，待分析的气体沿从气体管路到传感器的路径流动。冷却元件因此可以例如被布置在入口上，分析室中或特别优选布置在入口和分析室之间。待分析的气体在到达传感器之前，以此方式至少冷却至传感器的运行温度。

此外，可以更为灵活地选择传感器的安装地点，因为之前的废气冷却实现了传感器在处在内燃机附近以及因此处在排气系的较热的废气区域中的一些位置上的运行。

在本发明的一种有利的设计方案的框架内，设多个冷却元件，这些冷却元件被构造成冷却肋。这些冷却肋然后优选横向于气体的流动方向布置以及可以梳状地相互啮合。由此创造了冷却元件的大表面，待分析的气体在到达传感器之前在该表面上顺延流动。由此实现了一种极为有效的冷却特性。在此，冷却肋可以例如这样设计成导出热量的，即，它们由一种有高热导率的材料构造而成。热导率的合适的值为≥10W/mK至≤5000W/mK，有利地为≥50W/mK。

在本发明的另一种有利的设计方案的框架内，至少一个冷却元件被构造成热质量块。这个冷却元件然后相宜地这样布置在入口和分析室之间，使得待分析的气体在这个热质量块上顺延流动。热质量块在此是这样一个构件，其具有尤其在≥0.3J/gK至≤1.5J/gK，有利地为≥0.5J/gK范围内的热容量。由此使待分析气体的热能基本上被热质量块截留且气体因此被冷却。冷却元件，尤其是热质量块，在此优选可以设计成，使该冷却元件能进一步向外导出其热能。这一点可以有利地例如通过热量导出装置实现，其中，例如可以使用有高热导率的材料作为热量导出装置。但原则上可以是任意类型的热量排出，亦即热量导出（传导）、热量辐射（排放）和热量携带（对流）。

优选在至少一个冷却元件内设用于用冷却流体对冷却元件进行外部冷却的冷却通道。冷却元件由此可以不仅通过其吸热或者说排热的特性发挥其冷却效果，而且更确切地说还可以通过外部冷却增强冷却效果。气体的温度在温度峰值时也能被安全地冷却到所期望的温度。冷却流体在此可以大致由水或油形成。

在本发明的另一种有利的设计方案的框架内，壳体和气体管路至少部分彼此热分离。以此方式可以防止壳体被气体管路过强地加热以及因而向导入的气体散发热量，这使废气的冷却变得困难。因此，通过壳体和气体管路的完全的热分离，气体可以被更为有效地冷却。热分离可以例如由此实现，即，使壳体不是直接与气体管路接触，而是在壳体和气体管路之间布置一个热绝缘的部件。因此这可以是有很小热导率的材料。可以用来形成壳体和气体管路热分离的材料例如包括热导率≤4W/mK的钢合金，例如铬-钼-钒合成的钢，比如AssabSteelsCalmax。此外，陶瓷也适用，陶瓷具有优选≤4W/mK的很小的热导率且同时具有很高的热膨胀系数，以及其中，陶瓷的热膨胀系数相宜地与气体管路的热膨胀系数适配。一个优选的例子是可以使用二氧化锆（ZrO₂）。

在本发明的另一个有利的设计方案的框架内，传感器被构造成化学敏感场效应晶体管（ChemFET），这种场效应晶体管尤其具有p沟道的基底，两个n沟道的区域被加工在该基底中，这两个区域也被称为源极（Source）或者说漏极（Drain）。在源极和漏极之间有一个电绝缘层，被称为栅极的电极布置在该电绝缘层上。在化学敏感场效应晶体管中，在栅极上布置着一种物质，其针对有待证实的部件具有选择性，或栅极本身具有这种选择性。因此，通过用积聚的或者说吸附的部件改变栅极电势，场效应晶体管对有待证明的部件而言是选择性的。

这种半导体传感器原则上很适用于测量有害气体排放物并且在此具有很高的直至ppm范围的测量精度。尤其在使用有很大带隙的结实耐用的半导体材料，如碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）时，化学敏感场效应晶体管也能在更高的温度下以及为了测量热气体而在腐蚀性的环境下，例如燃烧废气中使用。但按本发明的低温也对这种场效应晶体管的使用寿命有利，因为尤其是传感器部件，例如栅极绝缘层、欧姆触头、印制导线或构造和连接技术可以构造得更为不耗费。

除了高测量精度，亦即低证实极限外，这种传感器还因此具有另外的优势，即，它们能被极为低成本地制造并且按本发明的传感器装置因此能被极为低成本地设计。

化学敏感场效应晶体管的典型的运行温度处在≥100℃至≤600℃的范围内，尤其在≥200℃至≤500℃的范围内。通过设置按本发明的装置，这个温度也可以在废气温度明显较高时被毫无问题地保持。

还有利的是，设一种催化活性物质，其被布置成，使气体能在达到传感器前穿流该催化活性物质和/或在该催化活性物质上顺延流动。由此可以有针对性地改变分析室内废气的成分。例如可以设氧化催化器。借助该催化器可以将不应被探测的或可能干扰探测的废气成分从待测量的气体中清除。

在本发明的另一种有利的设计方案中，至少入口能通过封闭装置封闭。这种封闭装置例如可以构造成罩。由此可以至少暂时阻止气体穿流分析室。因此，尤其在布置在车辆排气系中的颗粒传感器再生时可能处在直至1000℃范围内的温度峰值并不作用到传感器上。封闭装置在此可以包括双金属条带，其在预定温度下封闭入口。

但特别优选的是，封闭装置与控制装置连接，控制装置根据气流的温度和/或再生过程来关闭和打开封闭装置。以此方式可以在预定的温度下封闭或打开入口，从而使传感器被特别安全地保护不受不期望的温度峰值的影响。在此，气流的温度尤其通过温度测量装置测量以及因此根据实际在气体管路中的条件作出反应。通过根据再生过程封闭或者说打开入口，封闭装置可以例如在出现温度升高之前就被关闭以及在再生之后再次被打开。

按本发明的传感器装置尤其布置在带有内燃机的车辆的排气系中。按本发明的传感器装置特别适用于这种机动车的气体排放物的分析。

附图说明

按本发明的主题的其它优势和有利的设计方案通过附图示出并且在接下来的说明中阐释。在此要注意的是，附图具有仅描述性的特性，并不是先要限制任何形式的本发明。附图中：

图1是按本发明的传感器装置的一种实施形式的从侧面看的示意性剖视图；

图2是按本发明的传感器装置的另一种实施形式的从侧面看的示意性剖视图；

图3是按本发明的传感器装置的另一种实施形式的从侧面看的示意性剖视图；

图4是按本发明的传感器装置的另一种实施形式的从侧面看的示意性剖视图；

图5是按本发明的传感器装置的另一种实施形式的从侧面看的示意性剖视图；

图6是按本发明的传感器装置的另一种实施形式的从侧面看的示意性剖视图；

图7是按本发明的传感器装置的另一种实施形式的从侧面看的示意性剖视图。

具体实施方式

在图1中示出了按本发明的传感器装置10。该传感器装置10尤其适用于探测带内燃机的机动车的废气中的气体排放物。传感器装置10因此尤其被布置在带内燃机的机动车的排气系中。但传感器装置10同时也可以使用在建筑设备工程技术领域，例如油料采暖设备中。但下文中以不加限制的方式涉及在车辆排气系中的使用。

传感器装置10包括气体管路12，内燃机的废气尤其作为待分析的气体在该气体管路中导引。气体管路12因此可以是机动车的排气系的排气管部分。

传感器装置10此外还具有用于分析废气的分析室14，分析室由壳体16限定边界并且至少部分布置在气体管路12之外。分析室14在此相宜地与气体管路12的内部通过入口18和出口20流体连通。入口18和出口20例如构造成一个布置在壳体16内的开口，并且布置在通过箭头22示出的气流中。以此方式可以使气流的至少一部分流入壳体16以及因而流入分析室14以及从它们流出，如箭头24、25和26所示。

为了分析在气体管路12中导引的废气，在分析室14中布置传感器28。该传感器28优选可以插入壳体16并且在此气密地密封壳体16。例如壳体16以及传感器28可以配设有螺纹，因此传感器28可以旋入壳体16。在此，传感器28可以构造成棒状以及因而伸入分析室14。传感器28在此布置成处在气体管路12之外。

传感器28优选构造成化学敏感场效应晶体管（ChemFET）并且作为化学敏感场效应晶体管对废气中的待分析物质是选择性的。待分析的物质尤其是在带有内燃机的车辆的废气中出现的气体并且可以例如包括一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO₂）、碳氢化合物（HCs）或氨（NH₃）。因此，优选使用含铂、含钯、含金、含银/或含铱的材料或者说材料组合作为在栅极电极上的选择性部件。

废气因此从气体管路12通过入口18流入壳体16以及因而流入分析室14，气体在那里与传感器28接触并且可以以此方式被分析。因此来自气体管路12以及因而热的废气流的气体在到达传感器28之前，流入分析室14以及由此已经被冷却。

但为了更为有效地设计冷却以及进一步降低待测量气体的温度，设至少一个冷却元件32，该冷却元件布置在气体管路12和传感器28之间。待分析的气体以此方式在碰到传感器28之前经过至少一个冷却元件32以及可以这样将其另一部分热能转给冷却元件32以及因而冷却。

为了扩大冷却效果以及能够安全地截留尤其是温度峰值，可以在冷却元件32内设至少一个用于用冷却流体对冷却元件32进行外部冷却的冷却通道。冷却流体可以以此方式穿流冷却元件32以及因而排出热能。适用的冷却流体自然具有很大的热容量以及可以包括水或油。

按照图1，按本发明的设备10包括多个冷却元件32，它们被设计成冷却肋34并且可以布置在入口通道38中，入口通道布置在入口18和分析室14之间。冷却肋34可以优选横向于气体的流动方向布置并且梳状地相互啮合。因此确保了气体在冷却肋34的尽量大的表面上顺延流动以及因而经历了良好的冷却。基于在壳体16或者说冷却元件32与环境空气之间的大多很大的温度梯度，被气体吸收的热量通过冷却肋向外排放。冷却肋34在此优选由具有很高的热导率的材料构造而成，以便能够很好地导出气体的热能以及因而极为有效地冷却气体。冷却元件32或者说冷却肋34例如由钢构造而成。

作为备选或附加，冷却元件32例如也包括静态的混合器。这个混合器可以用于搅动气流，因而气体可以排出尽量多的热能。

除入口18外，还可以设另外的入口30，该入口构造得与入口18一样并且分析室14同样与气体管路12流体连通。在此，入口30或者说从入口30到分析室14的路径构造得与入口18类似，尤其是关于至少一个冷却元件32的设置。多个入口尤其在可以旋入冷却元件32的壳体16中是有利的。在此，例如在入口旋转对称地布置时，可以与安装位置无关地始终实现入口18、30的一种合适的定向。

此外还可以尤其在壳体16内部嵌入一些部件，例如折流板、棱边、圆形或类似物，以便由此有针对性地影响在壳体16中的气体的流速。由此可以使传感器对废气内的变化的动作时间被最优化。

图2至7示出了按本发明的装置10的另一个实施例，其大部分都对应按图1的装置10。因此接下来功能和/或结构相似或近似的元件都用同一个附图标记标注，而无需在它们出现的时候作详细说明或重复说明。

按照图2，至少一个冷却元件32被构造成热质量块36。冷却元件32因此包括带有优选在≥0.3J/gK至≤1.5J/gK范围内的大热容量的构件。热质量块36在此可以例如至少部分限定入口通道38的边界，入口通道布置在入口18和分析室14之间。待分析的气体由此在进入分析室14之前在热质量块36上沿热质量块流动以及因此将该气体的热能排放给质量块36。热质量块36可以例如由热容量≥0.5J/gK的铝或优质钢合金构造而成，例如OutokumpuSAF2507。

按照图3，壳体16和气体管路12至少部分彼此热分离。为此，设热分离件40，其布置在壳体16和气体管路12之间。由此防止了壳体16和气体管路12彼此间直接的尤其是热接触。气体管路12通过导引热的废气而具有的热量或者说热能，因此不能或至少不是直接地以及仅部分转给壳体16。壳体16以此方式与气体管路12相比保持在一个较低的温度，因而气体的冷却能更为有效。因此在废气和环境空气之间的温度梯度就不会这样受不利影响。热分离件40在此可以构造成一种有很小的热导率的材料，或者说构造成热绝缘体。有利的热导率在此可以处在≤4W/mK的范围内。适用于热分离件40的材料，例如包括热导率≤4W/mK的钢合金，例如AssabSteelsCalmax，或有优选≤4W/mK的很小的热导率和同时很高的热膨胀系数的陶瓷，例如二氧化锆（ZrO₂），这个热膨胀系数可以与气体管路的热膨胀系数匹配。

图4示出了一种实施形式，在该实施形式中，热分离件与作为冷却元件32的热质量块36结合。

按照图5，设置了催化活性物质42，其布置成，使气体在到达传感器28之前穿流该催化活性物质。为此，催化活性物质42例如设置在入口18或入口通道38中，它在那里例如给相应的壁区域加衬。此外，催化活性物质还能塞子状地布置在入口18中，其中，这个塞子然后能让待分析的气体渗透。通过催化活性物质42可以有针对性地由此改变废气的成分，即，使与探测不相关的废气成分，例如含氢的气体成分，被氧化以及因此被清除。为此，可以例如使用表面充足的氧化物作为催化活性物质42，例如三氧化二铝（Al₂O₃）、二氧化铈（CeO₂）、二氧化锆（ZrO₂）；优质金属，例如铂（Pt）、钯（Pd）或铱（Ir）；或它们的混合物。这种物质相宜地尤其对含氢的气体是催化活性的。针对这样的情况，即，尽管设置了催化活性物质42，仍出现废气成分的变化，则可以借助当前的温度数据和传感器数据以及借助之前求出的模型来推断出实际在废气中存在的气体浓度或者说混合。

此外可以看到，传感器28不是构造成棒状，而是布置在壳体16的后壁的区域上。以此方式可以将传感器28和气体管路12之间的间距保持得最大，这进一步通过可能的热辐射最小化了传感器28的加热。

按照图6，催化活性物质42被构造成封闭罩，其包围入口18和选择性地包围入口30以及包围气体管路12中的壳体16的出口20。为此，催化活性物质42可以例如被构造成半圆形。在此相宜的是，催化活性物质42能被待分析的气体渗透。以此方式可以利用在气体管路12内流动的热气流加热催化活性材料。这些高温有利于催化器上的气体转换，而在传感器28上的气体分析则与所期望的那样在低温下进行。催化活性物质42在此还可以用作热挡板，以便不过强地加热壳体16。

作为附加或备选，至少入口18以及可能时入口30可以通过封闭装置44，例如机械的罩封闭，如图7所示。附加地，出口20也能通过封闭装置44封闭。由此可以在气体管路12中的气体的温度提高时，封闭到分析室14以及因而到传感器28的入口，因此传感器被保护不受例如形式为温度峰值的过高温度的损害。这种温度峰值例如在另一个传感器或颗粒滤清器再生之前出现，因为在此使用这样的温度，其可以远超传感器28的运行温度。在此例如达到了在1000℃或更高的范围内的温度。

为此相宜的是，封闭装置44与控制装置连接，控制装置根据气流的温度和/或再生过程关闭或者说打开封闭装置44。在此，可以例如利用来自内燃机特性曲线族数据、温度数据或传感器28本身数据的信息，以便计算废气峰值温度以及因此关闭或者说打开封闭装置44。同样可以例如利用用于尤其是再生颗粒滤清器的启动信号，以便与之同步地在再生持续期间由此保护传感器28不受在此出现的高废气温度或者说温度峰值的损伤，即，使传感器通过关闭封闭装置44而与废气流分离。

对技术人员来说显而易见的是，所述特征的组合如所期望的那样也是可行的。因此按本发明的装置在传感器28的每一种实施形式中例如既能有作为冷却元件32的热质量块36和冷却肋34，以及更确切地说，能带或不带热分离件40，带或不带催化活性物质42以及带或不带封闭装置44，而不会脱离本发明的框架。

Claims

1.一种传感器装置，包括气体管路（12）和由壳体（16）限定边界的以及与气体管路（12）的内部通过入口（18）和出口（20）流体连通的分析室（14），其中分析室（14）至少部分布置在气体管路（12）之外，并且其中在分析室（14）中这样布置了传感器（28），以致于该传感器处在气体管路（12）之外，其特征在于，设置了至少一个冷却元件（32），该冷却元件布置在气体管路（12）和传感器（28）之间的区域中，其中，至少所述入口（18）能被封闭装置（44）封闭，并且其中，该封闭装置（44）与控制装置连接，该控制装置在气流的预先确定的温度下通过该封闭装置（44）关闭或者打开该入口，其中，所述冷却元件构造成冷却肋（34），这些冷却肋横向于气体的流动方向布置并且梳状地相互啮合。

2.按权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，至少一个冷却元件（32）被构造成热质量块（36）。

3.按权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，在至少一个冷却元件（32）内设置了至少一个用于用冷却流体对冷却元件（32）进行外部冷却的冷却通道。

4.按权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，壳体（16）和气体管路（12）至少部分彼此热分离。

5.按权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，传感器（28）被构造成化学敏感场效应晶体管。

6.按权利要求1或2所述的传感器装置，其特征在于，设置了催化活性物质（42），其被布置成使气体在到达传感器（28）之前穿流该催化活性物质并且/或者在该催化活性物质上顺延流动。

7.按权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，该传感器装置用于探测带内燃机的机动车的废气中的气体排放物。

8.按权利要求1至6之一所述的传感器装置在带有内燃机的车辆的排气系中的应用。