CN104870989A - 用于内燃机的进气传感器 - Google Patents

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Abstract

气体传感器包括气体感应元件，所述气体感应元件至少部分地定位在本体内并且在第一端处暴露以测量与所述第一端接触的气体。套筒固定至所述本体并且从所述本体沿着与所述气体感应元件的第一端相反的方向延伸。所述套筒包括具有接合结构的远端部。连接器壳体被包覆模制到所述套筒的端部上以通过所述接合结构锁定到所述套筒上。连接器壳体包括插接连接部，所述插接连接部部分地包封与所述气体感应元件电连接的多个电气端子。

Description

用于内燃机的进气传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2012年12月20日提交的美国专利申请No.61/739,949以及于2012年12月20日提交的美国专利申请No.61/739,959的优先权，所述两个申请的全部内容在此以参考方式并入。
背景技术
本发明涉及用于低温环境的具有多种塑料连接器壳体设计的多种气体(例如氧气)传感器设计。低温指的是相对于氧气传感器通常被安装的高温排气系统为较低。当前的氧气传感器被设计用于高温应用。传感器安装在排气歧管或排气系统中。氧气传感器设计成暴露至1030C或更高的排放气体、700C的安装表面温度以及280C的电缆出口温度。这需要高温不锈钢合金以及高温橡胶密封材料。这些材料由于其高热容而昂贵。
发明内容
在一个方面，本发明提供一种气体传感器，其包括气体感应元件，所述气体感应元件至少部分地定位在本体内并且在第一端处暴露以测量与所述第一端接触的气体。套筒固定至本体并且从所述本体沿着与所述气体感应元件的第一端相反的方向延伸。所述套筒包括具有接合结构的远端部。连接器壳体被包覆模制到所述套筒的端部上以通过所述接合结构锁定到所述套筒上。连接器壳体包括插接连接部，所述插接连接部部分地包封与所述气体感应元件电连接的多个电气端子。
在另一方面，本发明提供一种气体传感器，其包括气体感应元件，所述气体感应元件至少部分地定位在本体内并且在第一端处暴露以测量与所述第一端接触的气体。气体感应元件限定轴向方向。凸缘从所述本体沿着横向于所述轴向方向的方向延伸。所述凸缘具有面朝所述第一端的第一侧以及面朝气体传感器的远端的第二侧。O形圈密封件构造成将气体传感器密封地定位在孔内。连接器壳体被包覆模制到所述本体上以在所述第一侧和第二侧上包封所述凸缘。连接器壳体模制成包括插入部和插接连接部，所述插入部构造成支承O形圈密封件，所述插接连接部部分地包封与所述气体感应元件电连接的多个电气端子。
附图说明
图1为用于内燃机的进气歧管的透视图，包含气体传感器的示例性安装位置。
图2为图1的进气歧管的第一剖视图。
图3为图1的进气歧管的第二剖视图。
图4为根据本发明一个方面的进气传感器的正视图。
图5为图4的进气传感器的剖视图。
图6为根据本发明一个方面的进气传感器的正视图。
图7为图6的进气传感器的剖视图。
图8为根据本发明一个方面的进气传感器的正视图。
图9为图8的进气传感器的剖视图。
图10为根据本发明一个方面的进气传感器的正视图。
图11为图10的进气传感器的剖视图。
图12为根据本发明一个方面的进气传感器的正视图。
图13为图12的进气传感器的剖视图。
图14为根据本发明一个方面的进气传感器的正视图。
图15为图14的进气传感器的剖视图。
图16为根据本发明一个方面的进气传感器的正视图。
图17为图16的进气传感器的侧视图。
图18为图16的进气传感器的俯视图。
图19为图16的进气传感器的剖视图。
图20为图16的进气传感器的传感器组件的剖视图。
图21为根据本发明第二个方面的进气传感器的剖视图。
图22为图21的进气传感器的壳体部的透视图。
图23为图22的壳体部的第二透视图。
图24为图22至23的壳体部的剖视图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何实施例之前，应理解的是本发明并不将其应用局限至在以下说明中提及的或是在以下附图中图示的部件的构造及布置的细节。本发明能够具有其它实施例并且能够以各种方式实践或实施。
如果氧气传感器用在诸如进气歧管的非排气系统应用中，则温度要求相比于用在排气流中较低。通常地最大温度为130C。较低的温度要求允许氧气传感器使用较低成本且非传统的材料。这些材料可包括塑料、如热塑性塑料。使用热塑性塑料可降低重量并且降低成本。
本发明用于制造具有塑料连接器壳体并且克服了热力学问题的更小、更轻质的传感器。所述传感器的安装方法相比于标准的氧气传感器可更灵活。一体的插接壳体消除了传感器中配线的需求。示例性的气体传感器在附图中图示。每一种构造的特征在于以一个或多个工件构成的塑料壳体，所述塑料壳体可例如由玻璃填充的热塑性材料、如PPS-GF或PBT-GF(例如约25％至约50％的玻璃填料)组成。
图1至3图示了用于内燃机的空气进气歧管20。多个气体传感器24联接至进气歧管20从而示出多种示例性安装位置，但应理解的是任何数量(例如单一的一个)的气体传感器可设置在进气歧管20上，并且气体传感器24的位置不一定局限在图1至3中所示的位置上。图4至15以更明确的细节示出了多种构造的具体气体传感器，每个气体传感器可用在诸如图1至3的歧管20的进气歧管上、用在沿着内燃机进气路径的另外的位置上、或用在另外的低温(非排气)环境中。
图4和5图示了根据第一构造的气体传感器100。气体传感器100尤其适合于在低温(非排气)环境中使用。气体传感器100包括传感器子组件(或“短传感器组件”)102，该传感器子组件包括气体感应元件104，所述气体感应元件104在传感器子壳体或本体106内定位并且限定轴线X。本体106可为金属的。陶瓷衬套108和软陶瓷密封封装件110可用于将气体感应元件104定位在本体106内。本体106包括插入部112和横向凸缘114。插入部112接收O形圈116，并且构造成被密封地接收在进气歧管20上的孔内。插入部112和O形圈116允许传感器100简单地“插入”到进气歧管20上的孔内(例如简单地轴向插入非螺纹孔内)。凸缘114可包括一个或多个孔口118以接收用于将传感器100固定至进气歧管20或其它结构的紧固件(未示出)。垫圈也可设置在凸缘114与进气歧管20之间。在气体传感器100的第一端或感应端A处的一个或多个保护管120覆盖感应元件104的感应端的同时，还允许与经过的气体流体连通。感应元件104的第一端从本体106延，并且除了(一个或多个)保护管120外，感应元件104的第一端也暴露向环境气体。当通电时，传感器子组件102实施气体传感器100(例如氧气传感器，诸如泵送基准宽频带式(pumped-referencewide-band)氧气传感器)的气体感应功能。
在气体传感器100的与感应端A相反的第二端B处，连接器壳体124联接至本体106以覆盖感应元件104的远端或内端并且提供插接壳体部或插接连接部126和电气端子或电气连接件128以用于在气体传感器100的远端B处与外部插接元件连接。连接器壳体124可由塑料(以上示例)模制而成，并且电连接件128可在所述连接器壳体中插入模制而成，留出端部暴露以用于形成电接通。至少一个可释放的锁定结构129(例如凸件、凹部、钩件、弹簧夹等)可设置在插接连接部126上以用于将外部插接元件或配线可释放地锁定在如下位置，该位置建立和维持电连接件128与外部插接元件的对应连接件之间的电接通。在图示的构造中，连接器壳体124设有一个或多个内部结构，所述内部结构提供了与本体106的一个或多个外部结构的卡扣配合式锁定接口130。因而，不需要紧固件。在一些构造中，不需要粘合剂或进一步的粘合过程。接触保持或维持元件134设置在感应元件104的远端或内端处。维持元件134可锁定地接合电连接件128的内端以确保在电连接件128与感应元件104的导电垫或导电部之间维持用于电传导的适当的接通。电连接件128为此可设有锁合突起(locking tab)。
图6和7图示了根据第二构造的气体传感器200。气体传感器200尤其适合于在低温(非排气)环境中使用。气体传感器200的与气体传感器100相类似的结构不再详细描述，并且使用增加100的类似附图标记。
连接器壳体224除了设置插接连接部226以用于与外部插接元件连接以外，在其内部上还包括一体的(例如一体模制成单一工件)接触保持或维持部234。连接器壳体224的接触保持部234接收感应元件204的远端或内端并且维持电连接件228的内端与感应元件204的导电部之间的接触以确保维持电连接。
图8和9图示了根据第三构造的气体传感器300。气体传感器300尤其适合于在低温(非排气)环境中使用。气体传感器300的与气体传感器100相类似的结构不再详细描述，并且使用增加200的类似附图标记。
连接器壳体324与套筒325单独设置，所述套筒325与传感器子组件302的本体306接合。可由金属或塑料构造的套筒325提供了与本体306的接口330。接口330可为如上所示和描述的卡扣配合式锁定接口。替代地，套筒325可不采用机械卡扣配合地固定至本体306(例如通过粘合或焊接)。套筒325设有开口，所述开口允许套筒325滑过连接器壳体324并且顶住(retain)连接器壳体324的凸缘或肩部327。尽管未被图示，插接壳体部也可设置为部分地包封由连接器壳体324的接触保持部所保持的电连接件328，并且提供用于联接外部插接元件的结构。插接壳体部可与图示的连接器壳体324单独地形成且与其组装在一起，或是可包覆模制而成从而与所述连接器壳体形成一体。像之前附图中图示的插接壳体一样，插接壳体部提供了对暴露的电连接件328部分包封的插口。插接壳体在连接器壳体324基础上可包封或可不包封套筒325的全部或部分。
图10和11图示了根据第四构造的气体传感器400。气体传感器400尤其适合于在低温(非排气)环境中使用。气体传感器400的与上述气体传感器相类似的结构不再详细描述，并且采用4xx的类似附图标记。
传感器子组件402的本体406可与横向凸缘414单独设置，所述横向凸缘可为金属或塑料构造。本体406包括小凸缘407，以用于在一侧上抵接凸缘414并且在相反侧上抵接薄壁套筒425。套筒425可焊接或以其它方式固定至本体406。在与传感器400的感应端A相反的远端B的相邻处，套筒425包括接合结构427，当套筒425在连接器壳体424上包覆模制而成时，所述接合结构尤其适合于与该连接器壳体互锁。在图示的构造中，接合结构427包括具有回旋形状(例如当在剖面中观视时为大致180度的U形弯曲)的壁轮廓。然而，接合结构427也可采用适合于接收包覆模制的连接器壳体424以与其锁在一起的其它形式。如图所示，连接器壳体424仅覆盖套筒425的上端，留出套筒425的外表面以在连接器壳体424与凸缘414之间限定气体传感器400的暴露外表面。上述这些特征可为传感器400提供整体更窄的尺寸。
图12和13图示了根据第五构造的气体传感器500。气体传感器500尤其适合于在低温(非排气)环境中使用。气体传感器500的与上述气体传感器相类似的结构不再详细描述，并且采用5xx的类似附图标记。
传感器500的连接器壳体524设有成角度的插接连接部526，该插接连接部相对于由感应元件504和本体506限定的轴线X以不平行(即非零)的角度定向插口和暴露的电连接件528。在图示的构造中，插口和暴露的电连接件528相对于轴线X以90度的角度定向。其它角度定向(例如30度、45度、60度等)是可选的，并且可由具体应用的包装限制或方便性所确定。用于将传感器500相对于进气歧管20轴向固定的横向凸缘514可设置为连接器壳体524的一体部分(例如模制为单一工件)。携载O形圈516的插入部512也可设置为连接器壳体524的一体部分(例如模制为单一工件)。传感器子组件502的本体506包括横向凸缘507，所述横向凸缘与连接器壳体524的塑料包覆模制而成以将传感器子组件502相对于连接器壳体524锁定就位。例如，横向凸缘507的第一侧和第二侧(例如面向气体传感器500的第一端A和第二端B)可被连接器壳体524包住或包封。本体506还包括与横向凸缘507的第一侧相邻的颈部，并且所述颈部大致被连接器壳体524包封。
接触预成型框或接触引导框534可被设置以部分地包住每个电连接件528。引导框534可模制到本体506的内端上、或是预模制并组装在本体506的内端上。引导框534可为塑料本体，电连接件528在所述塑料本体中插入模制而成。连接器壳体524在引导框534固定至或定位在传感器子组件502上之后在引导框534和本体506上包覆模制而成。引导框534可定位在本体506上以接收感应元件504的远端，并且当完全坐落在本体506上时可接触横向凸缘507。连接器壳体524可完全地包封引导框534。
图14和15图示了根据第六构造的气体传感器600。气体传感器600尤其适合于在低温(非排气)环境中使用。气体传感器600的与上述气体传感器相类似的结构不再详细描述，并且采用6xx的类似附图标记。除以下指出的以外，图14和15的传感器600在许多方面与图12和13的传感器500类似。
连接器壳体624被一体模制成包括插接连接部626、横向凸缘614以及插入部612，而没有包覆模制到传感器子组件602的本体上，连接器壳体624包覆模制到保护管620(例如外保护管)的上端上。保护管620在其上端或远端处设有接合结构627(例如横向凸缘)以用于与模制的连接器壳体624牢固地互锁。在图示的构造中，接合结构627具有与气体传感器500的横向凸缘507相类似的第一和第二轴向面对的表面，所述表面均被连接器壳体624包封或包住。因而，外保护管620用作传感器子组件602的壳体，并且不需要利用车削操作制造的本体。外保护管620可通过深冲压形成，内保护管602也可如此形成。内保护管620可与外保护管60挤压在一起、可焊接至外保护管、或者被外保护管简单地捕获支承。单个的热形成的玻璃密封件609将感应元件604固定和密封在外保护管620内，从而无需压缩密封加工步骤。特别地与适合于排气场合的气体传感器相比，传感器600提供了显著的材料节约性。
图16至20图示了根据第七构造的气体传感器700。气体传感器700尤其适合于在低温(非排气)环境中使用。气体传感器700的与上述气体传感器相类似的结构不再详细描述，并且采用7xx的类似附图标记。除以下指出的以外，图16至20的传感器700在许多方面与图12和13的传感器500类似。
气体传感器700包括两件式传感器壳体724，所述两件式传感器壳体包括单独形成并且联接在一起的第一部724A和第二部724B。第一部724A包括携载O形圈716的插入部712，并且还包括横向安装凸缘714。第一壳体部724A包括孔750，所述孔朝着传感器700的与感应端A相反的远端B敞开。孔750具有横向表面752，本体706的横向凸缘707抵靠所述横向表面定位。第二部724B包括构造成适配入所述孔750中并且抵接横向凸缘707的本体部。本体706的横向凸缘707受控在第一壳体部724A与第二壳体部724B之间，而非由单个壳体部包覆模制而成。壳体724的第二部724B还包括插接壳体726以用于将电连接件728呈现给外部插头或配线。壳体724的第二部724B可以以多种不同的方式设置，包括但不限于：包覆模制至本体706和第一壳体部724A上、粘结至第一壳体部724A以包封本体706、以及焊接至第一壳体部724A以包封传感器子壳体706。当第一壳体部724A和第二壳体部724B联接时，传感器子组件702被制约，并且不需要粘合至或固定至任一壳体部724A、724B，但是若需要的话也可以粘合或固定至任一壳体部。电连接件728可被设置以利用或不利用单独引导框地与第二壳体部724B最终组装。
图21至24图示了根据第八构造的气体传感器800。气体传感器800尤其适合于在低温(非排气)环境中使用。气体传感器800的与上述气体传感器相类似的结构不再详细描述，并且采用8xx的类似附图标记。图21至24的传感器800在许多方面分别与图4至5的传感器100以及图16至20的传感器700类似。
第二壳体部824B没有适配在第一壳体部824A的孔850内，而是两个壳体部824A、824B在图示的构造中利用对接接头匹配。抵接的部分可通过粘合、焊接等结合。然而壳体部824A、824B之间替代样式的接头也可预想到，包括任何数量的具有重叠和/或互锁部的已知接头样式。第二壳体部824B提供了如图4至5的笔直插接壳体826，所述笔直插接壳体与轴线X大致共轴或平行地延伸，并且将电连接件828以类似的定向定位。第一壳体部824A可具有单侧凸缘814，单侧凸缘814具有单个孔818，然而其它构型也是可选的。第一壳体部824A上的孔850设有锥形表面872，传感器本体806的锥形抵接表面866搁靠在该锥形表面上。锥形抵接表面866是本体的定位凸缘或定位突出部807的一部分。
将认识到的是任何上述构造中的具体特征在本质上不排斥的情况下可互换以获得没有被明确示出或描述的额外的构造。所有的这些变型在发明时被发明人所预想到。这包括但不限于：连接器壳体的定向或形状，其可采用具体应用所期待的任何图示的形式或替代形式；以及将传感器子组件联接和/或保持在一个或多个模制的塑料壳体内的方式。
此外，本文所公开的任何气体传感器可包括附加的结构以促进在低温环境、如内燃机的进气系统中的使用。例如，在标准配线穿过传统的金属体氧气传感器以允许传感器壳体的内侧和外侧之间的压力平衡以及将参照气体再次供应至感应元件的场合中，在固体电气端子上模制塑料壳体以提供了气密性密封会阻止这些动作。因此，开口可设置在模制的连接器壳体上以在包围感应元件的远端的容腔与外部环境之间建立流体连通。膜件可限制通过所述开口的流体连通。例如，膜件(如多孔膜件)可允许气体(如氧气、空气等)通过，同时限制或防止诸如水或其它污染物的液体通过。而且，为了管理气体传感器的内部温度并且防止塑料壳体(一个或多个)的过热，保护管(一个或多个)可构造成从内部传感器加热器散热。这可包括提供从感应元件和/或加热器至保护管(一个或多个)的导热路径，并且可进一步包括在保护管(一个或多个)上设置散热结构(例如翅片)。

Claims (20)

1.一种气体传感器，其包括：
气体感应元件，所述气体感应元件至少部分地定位在一本体内并且在第一端处暴露以测量与所述第一端接触的气体；
套筒，所述套筒固定至所述本体并且在与所述气体感应元件的所述第一端相反的方向上从所述本体延伸，所述套筒包括具有接合结构的远端部；以及
连接器壳体，所述连接器壳体包覆模制至所述套筒的所述端部上以通过所述接合结构锁定到所述套筒上，所述连接器壳体包括插接连接部，所述插接连接部部分地包封电连接至所述气体感应元件的多个电气端子。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括O形圈密封件，所述O形圈密封件由所述本体支承并且构造成将所述气体传感器密封地定位在孔内。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括横向安装凸缘，所述横向安装凸缘从所述本体在所述插接连接部与所述O形圈密封件之间的位置处延伸。
4.根据权利要求3所述的气体传感器，其特征在于，所述横向安装凸缘与所述本体一体形成为单一工件。
5.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述接合结构包括具有回旋形状的壁轮廓。
6.根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，所述回旋形状包括卷绕式凸缘。
7.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述套筒被激光焊接至所述本体。
8.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述插接连接部是在与所述气体感应元件大致平行的方向上延伸的笔直插接连接器。
9.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述插接连接部是与所述气体感应元件大致不平行的方向上延伸的成角度插接连接器。
10.根据权利要求9所述的气体传感器，其特征在于，所述插接连接部是大致垂直于所述气体感应元件延伸的直角插接连接器。
11.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述连接器壳体由玻璃填料为约25％至约50％的玻璃填充的热塑性材料模制而成。
12.一种气体传感器，其包括：
气体感应元件，所述气体感应元件至少部分地定位在一本体内并且在第一端处暴露以测量与所述第一端接触的气体，所述气体感应元件限定轴向方向；
凸缘，所述凸缘在横向于所述轴向方向的方向上从所述本体延伸，所述凸缘具有面朝所述第一端的第一侧以及面朝所述气体传感器的远端的第二侧；
O形圈密封件，所述O形圈密封件构造成将所述气体传感器密封地定位在孔内；以及
连接器壳体，所述连接器壳体包覆模制到所述本体上以在所述第一侧和所述第二侧上包封所述凸缘，其中，所述连接器壳体被模制成包括
插入部，所述插入部构造成支承O形圈密封件；以及
插接连接部，所述插接连接部部分地包封电连接至所述气体感应元件的多个电气端子。
13.根据权利要求12所述的气体传感器，其特征在于，所述本体包括与所述凸缘的所述第一侧相邻的颈部，所述颈部大致被所述连接器壳体包封。
14.根据权利要求11所述的气体传感器，其特征在于，所述颈部大致被所述连接器壳体的所述插入部包封。
15.根据权利要求12所述的气体传感器，其特征在于，所述气体传感器还包括引导框，所述引导框以预定的位置关系支承所述多个电气端子，所述引导框能够定位在所述本体上以接收所述气体感应元件的远端。
16.根据权利要求15所述的气体传感器，其特征在于，所述引导框在完全坐落在所述本体上时接触所述凸缘的所述第二侧。
17.根据权利要求15所述的气体传感器，其特征在于，所述引导框整体包封在所述连接器壳体内。
18.根据权利要求12所述的气体传感器，其特征在于，所述连接器壳体进一步被模制成包括从所述本体横向延伸的安装凸缘。
19.根据权利要求18所述的气体传感器，其特征在于，所述安装凸缘包括构造成接收紧固件的至少一个安装孔口。
20.根据权利要求12所述的气体传感器，其特征在于，所述连接器壳体由玻璃填料为约25％至约50％的玻璃填充的热塑性材料模制而成。
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