CN104459028A - 气体传感器保护装置及方法 - Google Patents

Abstract

气体传感器具有传感器壳体和定位在所述传感器壳体内的传感元件。传感元件具有远端并且限定一轴线。气体传感器还包括连接到传感器壳体并且至少部分地包围所述传感元件的远端的传感器保护装置。传感器保护装置包括连接到壳体的第一元件，所述第一元件在垂直于所述轴线的平面内具有基本上矩形的横截面形状。所述第一元件包括气体入口和气体出口。所述传感器保护装置还包括连接到所述壳体的第二元件。

Description

气体传感器保护装置及方法

关于联邦政府资助的研究或开发的陈述

本发明在由能源部授予的DE-EE0005975下由政府支持做出。政府具有本发明的一定权利。

相关申请的交叉引用

本发明要求申请日为2013年9月18日的美国临时专利申请No.61/879,403的优先权，其整个内容在本文中通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及一种气体传感器，特别地涉及一种用于在内燃机中使用的具有传感器保护装置的气体传感器。

背景技术

氧气传感器通常在燃烧过程之后定位在内燃机的排气流内。在这个位置，氧气传感器大多被暴露到热的排气。在燃烧过程之前定位的氧气传感器(例如，在进气歧管内)被暴露到较冷的空气，所述较冷的空气可能具有诸如水、机油、燃料蒸汽、烟尘、颗粒的污染物以及其他污染物。这些污染物能够引起对氧气传感器的损坏，除了其他事项之外，所述损坏包括热冲击裂纹、传感元件的污染以及通道的堵塞。

发明内容

根据一种构造，气体传感器包括传感器壳体和定位在传感器壳体内的传感元件。传感元件具有远端并且限定一轴线。气体传感器还包括连接到传感器壳体并且至少部分地包围传感元件的远端的传感器保护装置。传感器保护装置包括连接到壳体的第一元件，所述第一元件在垂直于该轴线的平面内具有基本上矩形的横截面形状。第一元件包括气体入口和气体出口。所述气体保护装置还包括连接到壳体的第二元件。

根据另一构造，气体传感器包括传感器壳体和设置在传感器壳体内的传感元件。传感元件具有远端并且限定一轴线。气体传感器还包括连接到传感器壳体并且至少部分地包围传感元件的远端的传感器保护装置。传感器保护装置包括连接到壳体的第一元件，所述第一元件在垂直于该轴线的平面内具有基本上矩形的横截面形状。第一元件包括具有气体入口的第一侧壁和具有气体出口的第二、相对侧壁。第一元件至少部分地限定在气体入口与气体出口之间延伸的开口通道，所述开口通道在气体入口与气体出口之间具有第一横截面区域、第二横截面区域和第三横截面区域，第三横截面区域小于第一和第二横截面区域以使得穿过开口通道的气体在第三横截面区域内经历与第一和第二横截面区域相比更低的压力和更高的速度。传感器保护装置还包括连接到壳体的第二元件，所述第二元件具有直接连接到第一元件的第一侧壁的第一侧壁，具有气体入口的第二、相对侧壁和设置在第二元件的第一和第二侧壁之间的端壁，所述端壁具有气体出口。

附图说明

图1和图2是根据本发明的一种构造的气体传感器的局部立体图，气体传感器包括传感器保护装置。

图3是图1的气体传感器的局部侧视图。

图4和图5是在传感器保护装置的外部元件被移除的状态下，图1的气体传感器的局部立体图。

图6是在传感器保护装置的外部元件被移除的状态下，图1的气体传感器的局部侧视图。

图7是沿着图1的线7-7截取的图1的气体传感器的局部横截面视图。

图8和图9是根据本发明的另一构造的气体传感器的局部立体图，气体传感器包括传感器保护装置。

图10是图8的气体传感器的局部侧视图。

图11和图12是在传感器保护装置的外部元件被移除的状态下，图8的气体传感器的局部立体图。

图13是在传感器保护装置的外部元件被移除的状态下，图8的气体传感器的局部侧视图。

图14是沿着图8的线14-14截取的图8的气体传感器的局部横截面视图。

具体实施方式

在详细说明本发明的任何实施例之前，需要理解本发明不局限于应用到在下面的说明中所陈述的或者在下面的附图中所示出的详细构造和部件的布置。本发明能够应用于其他实施例并且能够通过各种方式执行。

图1-图7示出气体传感器10。气体传感器10包括传感器壳体14和设置在传感器壳体14内的传感元件18(图7)。尽管其他类型的传感元件18也是可能的，传感元件18是氧气传感器。如图7所示出的，传感元件18限定轴线22并且包括远端26。

气体传感器10还包括传感器保护装置30。保护装置30被连接到壳体14并且至少部分地包围传感元件18的远端26。保护装置30包括第一外部元件34和第二内部元件38。内部元件38被设置在外部元件34内并且传感元件的远端26被设置在内部元件38内。内部元件38被连接到壳体14并且外部元件34被连接到壳体14并连接到内部元件38。在一些构造中，外部元件34和内部元件38中的一个或者多个被与壳体14一体形成和/或彼此一体形成。在一些构造中，外部元件34和内部元件38中的一个或者多个被与壳体14可移除地连接。

外部元件34在垂直于轴线22的平面内具有基本上矩形的横截面形状。如将在下面进一步讨论的，这个基本上矩形的横截面形状有助于期望的气体流经保护装置30。外部元件34包括具有基本上矩形气体入口46的第一侧壁42、具有基本上矩形气体出口54的第二相对侧壁50和基本上垂直于轴线22在气体入口46与气体出口54之间延伸的开口通道58。气体入口46和气体出口54在气体传感器10上以基本上180度彼此隔开。外部元件34还包括基本上垂直于侧壁42、50并且不包括任何气体入口或者气体出口的两个侧壁60、61。侧壁42、50基本上彼此平行，并且侧壁60、61基本上彼此平行。其它构造包括气体入口46和气体出口54的不同形状。在一些构造中，设置有多于一个的气体入口46和/或气体出口54。

如图7所示，开口通道58部分地由外部元件34的端壁62形成。端壁62在侧壁42、50之间延伸并且具有成角度的、非线性的轮廓，所述轮廓形成在通道58内的会聚和发散横截面。例如，继续参考图7，通道58具有沿着平行于轴线22的平面截取的第一横截面区域66、沿着平行于轴线22的平面截取的第二横截面区域70和沿着平行于轴线22的平面截取的第三横截面区域。第三横截面区域74被设置在第一和第二横截面区域66、70之间，并且小于第一和第二横截面区域66、70。第三横截面区域74是气体在通道58内移动通过的最小横截面区域。第三横截面区域74被基本上设置在通道58的中间部分内。其他构造包括不同于所示出的构造的横截面区域的不同尺寸和形状。

继续参考图7，气体的主要流动78(包括在此发现的污染物质)通过气体入口46进入保护装置30并且在通道58内的流动由伯努利原理操纵以使得穿过外部元件34的气流78在第三横截面区域74内经历与第一和第二横截面区域66、70相比更小的压力和更高的速度。外部元件34在横截面区域内从第一横截面区域66会聚至第三横截面区域74，并且在横截面区域内从第三横截面区域74发散到第二横截面区域70。在第三横截面区域74，气流78的速度随着同时发生的压力降低而增加。当气流78从第三横截面区域74朝向气体出口54移动时，气流78的速度减小并且压力增加。在气体入口46与气体出口54之间的大部分气流78沿着垂直于轴线22的方向通过保护装置30而不影响传感元件18。因为外部元件34的基本上矩形的横截面结构和气体入口46、气体出口54的位置，气流78是流经保护装置30的基本上线性的气流。

参考图1至图7，内部元件38在垂直于轴线22的平面内具有基本上矩形的横截面形状。如将在下面进一步讨论的，这个基本上矩形的横截面形状也有助于期望的气流通过保护装置30。内部元件38包括第一侧壁82，所述第一侧壁82与气体入口46相邻直接连接到外部元件34的侧壁42，并且所述第一侧壁82不包括任何气体入口或者气体出口。内部元件38还包括第二、相对的侧壁86，所述第二、相对侧壁包括多个气体入口90(图5和图7)。内部元件还包括两个侧壁92、93，所述两个侧壁基本上垂直于侧壁82、86并且不包括任何气体入口或者气体出口。侧壁82、86基本上彼此平行，并且侧壁92、93基本上彼此平行。内部元件38还包括设置在侧壁82、86之间的端壁94。端壁94包括多个气体出口98。如图7所示，气体出口98在基本上在开口通道58的中间部分和第三横截面区域74的下游被设置在第三横截面区域74与气体出口54之间。其他构造包括不同于所示出的气体入口90和气体出口94的不同的数量、形状、型式和位置。

参考图7，保护装置30还包括在侧壁86与侧壁50之间形成的腔室102。腔室102基本上平行于轴线22延伸并且与通道58和气体入口90直接流体连通。

参考图7，因为与第三横截面区域74相比，在气体出口54处气流78的较高压力，气流78的一部分106(如在图7中通过较小的、循环箭头所示出的)被朝向气体入口90引入(例如，向上抽吸)腔室102内。这个部分106在基本上垂直于轴线22的方向循环通过气体入口90、越过传感元件18的远端26并且然后沿着基本上平行于轴线22的方向通过气体出口98循环出并返回通道58内，与主要气流78再次结合。如图7所示，循环部分106产生穿过传感元件18的气体试样。在主要气流78内的污染物质的动量保持污染物质在通道58内沿着基本上垂直于轴线22的方向移动以使得在主要气流78内的所有(或者至少大部分)污染物质不移动到循环部分106内并且不进入气体入口90内从而保护传感元件18不受到来自主要气流78内的污染物质的损坏或者污染。

图8-图14示出具有带有端壁262的外部元件234和带有端壁294的内部元件238的气体传感器210。除了端壁262和294的几何形状外，气体传感器210与气体传感器10相同。相同的部分已经被赋予相同的附图标记，而相似的部分已经被赋予增加200的附图标记。

如图14所示，与其中端壁94是基本上平坦的或者平面的并且端壁62具有非线性轮廓的图7相比较，端壁262是基本上平坦的或者平面的，并且端壁294包括非线性轮廓。因此，在图8至图14所示的构造中，保护装置230的会聚和发散的横截面区域由在内部元件238上的端壁294的非线性轮廓形成。在图1-图7所示的构造中，保护装置30的会聚和发散横截面区域由在外部元件34上的端壁62的非线性轮廓形成。

在其他构造中，保护装置的会聚和发散横截面区域通过具有非线性轮廓的内部和外部保护装置(例如，两个端壁都具有非线性轮廓)形成。在一些构造中，会聚和发散横截面区域由在不同于图1-图14所示的围绕气流78的方向的不同平面内具有非线性轮廓形成(例如，如与外部和内部元件的一个或者多个端壁具有非线性轮廓相反，外部或者内部元件的一个或者多个侧壁具有非线性轮廓的结构)。

继续参考图14，保护装置230包括开口通道258，所述开口通道258具有沿着平行于轴线22的平面截取的第一横截面区域266、沿着平行于轴线22的平面截取的第二横截面区域270和沿着平行于轴线22的平面截取的第三横截面区域274。内部元件238包括气体出口298，所述气体出口298设置在第三横截面区域274下游并且至少部分地通过端壁294的非线性形状被保护不受到初始进入外部元件234的直接气流278的影响。

本发明的各种特征和优点在下面的权利要求中陈述。

Claims (20)

1.一种气体传感器，所述气体传感器包括：

传感器壳体；

定位在所述传感器壳体内的传感元件，所述传感元件具有远端并且限定一轴线；和

连接到所述传感器壳体并且至少部分地包围所述传感元件的远端的传感器保护装置，所述传感器保护装置包括：

连接到所述壳体的第一元件，所述第一元件在垂直于所述轴线的平面内具有基本上矩形的横截面形状，所述第一元件包括气体入口和气体出口；和

连接到所述壳体的第二元件。

2.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述第一元件是外部元件，并且所述第二元件是设置在所述外部元件内的内部元件。

3.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述气体入口具有基本上矩形的形状并且所述气体出口具有基本上矩形的形状。

4.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述气体入口和所述气体出口被定位以沿着基本上垂直于所述轴线的方向引导气体流动。

5.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述第一元件至少部分地限定在所述气体入口与所述气体出口之间延伸的开口通道，所述开口通道在所述气体入口与所述气体出口之间具有第一横截面区域、第二横截面区域和第三横截面区域，所述第三横截面区域小于所述第一和第二横截面区域以使得穿过所述开口通道的气体在所述第三横截面区域内经历与所述第一和第二横截面区域相比更低的压力和更高的速度。

6.根据权利要求5所述的气体传感器，其中所述第二元件包括气体入口和气体出口，气体出口与所述开口通道直接流体连通。

7.根据权利要求6所述的气体传感器，其中所述第二元件的所述气体出口被定位以沿着基本上平行于所述轴线的方向引导气体流动。

8.根据权利要求6所述的气体传感器，其中所述第二元件的所述气体入口被定位以沿着基本上垂直于所述轴线的方向引导气体流动。

9.根据权利要求6所述的气体传感器，其中所述传感器保护装置包括与所述开口通道相邻设置的腔室，所述腔室设置在所述第一和第二元件之间，并且其中所述第二元件的所述气体入口与所述腔室直接连通。

10.根据权利要求6所述的气体传感器，其中所述第二元件包括第一侧壁、相对的第二侧壁和设置在所述第一和第二侧壁之间的端壁，并且其中所述第二元件的所述气体入口被设置在所述第二侧壁上并且所述第二元件的所述气体出口被设置在所述端壁上。

11.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述第一元件包括具有所述气体入口的第一侧壁、包括所述气体出口的相对的第二侧壁和设置在所述第一和第二侧壁之间的端壁。

12.根据权利要求11所述的气体传感器，其中所述端壁具有非线性轮廓。

13.根据权利要求11所述的气体传感器，其中所述第二元件包括第一侧壁和相对的第二侧壁，并且其中所述第二元件的所述第一侧壁被直接连接到所述第一元件的所述第一侧壁。

14.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述第二元件包括第一侧壁、相对的第二侧壁和设置在所述第一和第二侧壁之间的端壁。

15.根据权利要求14所述的气体传感器，其中所述端壁具有非线性轮廓。

16.根据权利要求1所述的气体传感器，其中所述第一元件至少部分地限定在所述气体入口与所述气体出口之间延伸的开口通道，所述开口通道具有会聚和发散横截面，其中所述第二元件包括气体入口和气体出口，并且其中移动通过所述开口通道的一部分气流被从所述开口通道抽吸离开并且通过所述第二元件的所述气体入口和所述气体出口。

17.一种气体传感器，所述气体传感器包括：

传感器壳体；

设置在所述传感器壳体内的传感元件，所述传感元件具有远端并且限定一轴线；和

连接到所述传感器壳体并且至少部分地包围所述传感元件的远端的传感器保护装置，所述传感器保护装置包括：

连接到所述壳体的第一元件，所述第一元件在垂直于所述轴线的平面内具有基本上矩形的横截面形状，其中所述第一元件包括具有气体入口的第一侧壁和具有气体出口的相对的第二侧壁并且至少部分地限定在所述气体入口与所述气体出口之间延伸的开口通道，所述开口通道在所述气体入口和所述气体出口之间具有第一横截面区域、第二横截面区域和第三横截面区域，所述第三横截面区域小于所述第一和第二横截面区域以使得穿过所述外部元件的气体在所述第三横截面区域内经历与所述第一和第二横截面区域相比更低的压力和更高的速度；和

连接到所述壳体的第二元件，所述第二元件具有直接连接到所述第一元件的所述第一侧壁的第一侧壁、具有气体入口的相对的第二侧壁以及设置在所述第二元件的所述第一和第二侧壁之间的端壁，所述端壁具有气体出口。

18.根据权利要求17所述的气体传感器，其中所述保护装置包括设置在所述第一元件的所述第二侧壁与所述第二元件的所述第二侧壁之间的腔室，所述腔室与所述开口通道和所述第二元件的所述气体入口流体连通。

19.根据权利要求17所述的气体传感器，其中所述第一元件包括设置在所述第一元件的所述第一和第二侧壁之间的端壁，所述端壁具有非线性轮廓。

20.根据权利要求17所述的气体传感器，其中所述第二元件的所述端壁具有非线性轮廓。