CN104870990B - 用于内燃发动机的具有涡流的进入气体传感器 - Google Patents

用于内燃发动机的具有涡流的进入气体传感器 Download PDF

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Abstract

一种气体传感器，包括传感器外壳和位于传感器外壳内的传感元件。传感元件限定出轴线。传感元件具有从传感器外壳伸出的远端。所述气体传感器还包括联接至传感器外壳并且至少部分地包围传感元件的远端的传感器保护元件。传感器保护元件包括具有圆锥形部分的管和位于所述管上的气体入口，所述气体入口与轴线间隔开。所述气体入口被成形成将气体引导到管中以在管的圆锥形部分之内引起涡旋气流。

Description

用于内燃发动机的具有涡流的进入气体传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年12月20日提出的美国临时申请No.61/739,954的优先权，其全部内容通过引用结合到本文中。
技术领域
本发明涉及一种气体(例如，氧气)传感器，且更特别是涉及一种具有供低温环境之用的传感器保护元件的气体传感器。
背景技术
通过使用气体传感器来监控内燃发动机中的氧含量是已知的。现有的气体传感器设计成用于发动机中的高温区域，诸如，排气歧管，其处废气可以到达高达1030摄氏度的温度。气体传感器包括从传感器外壳处伸出的用于检测废气的氧含量的传感元件。
在发动机运行期间，在排气歧管中一般不存在可能损伤传感元件的显著数量的水、颗粒和/或其他污染物，至少部分地由于在这些区域中已经存在高温。然而，发动机的包括进气歧管的其他区域具有比排气歧管显著更低的温度。例如，在进气歧管中，温度可能仅达到130摄氏度。在这些更低温度的区域中，与排气歧管比较起来，一般存在更大量的水分、颗粒及其他污染物。这种水、颗粒和/或其他污染物可能损伤和/或毁坏传感元件。因此，有利的是具有供在这些低温环境中从气体传感器处消除或者移除水、颗粒和/或其他污染物之用的气体传感器，以便维持保护所述传感元件。
发明内容
根据一种构型，本发明提供了一种包括传感器外壳和位于传感器外壳内的传感元件的气体传感器。所述传感元件限定出轴线。所述传感元件具有从传感器外壳伸出的远端。所述气体传感器还包括联接至传感器外壳并且至少部分地包围传感元件的远端的传感器保护元件。所述传感器保护元件包括具有圆锥形部分的管和位于所述管上的气体入口，所述气体入口与所述轴线间隔开。所述气体入口被成形为：将气体引导到所述管中，以在所述管的所述圆锥形部分内引起涡旋气流。
根据另一种构型，本发明提供了一种包括传感器外壳和位于传感器外壳内的传感元件的气体传感器。所述传感元件限定出轴线。所述传感元件具有从传感器外壳伸出的远端。所述气体传感器还包括联接至传感器外壳并且至少部分地包围传感元件的远端的传感器保护元件。所述传感器保护元件包括具有圆锥形部分的外管。第一气体入口位于所述外管上。第一气体入口与所述轴线间隔开。所述传感器保护元件还包括位于所述圆锥形部分上的废物出口。所述轴线延伸穿过所述废物出口。所述传感器保护元件还包括设置在所述外管之内的内管。所述传感元件位于所述内管之内。所述传感器保护元件还包括位于所述内管上的第二气体入口。所述轴线延伸穿过第二气体入口。所述传感器保护元件还包括位于所述内管上的第一气体出口。第一气体出口与所述轴线间隔开。所述传感器保护元件还包括位于所述外管上的第二气体出口。第二气体出口与所述轴线间隔开。
本发明的其他方面通过考虑到详细说明书和附图而显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的一种构造的气体传感器的前部剖视图，所述气体传感器包括传感器保护元件。
图2是图1的传感器保护元件的前视图。
图3是图1的传感器保护元件的后视图。
图4是根据图1的气体传感器的前部剖视图，示出了所述传感器保护元件之内的气流。
图5是根据本发明的另一构造的气体传感器的分离透视图。
图6是图5的气体传感器的透视剖视图，包括内管。
图7是图6的内管的透视图。
具体实施方式
在详细阐述本发明的任何实施例之前，应当理解，本发明在其应用方面不限于以下说明中所阐述的或者以下附图中所示出的构造的细节和部件的布置。本发明能够有其他实施例并且能按多种方式来实践或者实施。
图1-4示出了气体传感器10。气体传感器10包括传感器外壳14和位于传感器外壳14之内的传感元件18。传感元件18是氧气传感元件，虽然其他种类的传感元件18也是可能的。传感元件18限定出轴线22。传感元件18具有从传感器外壳14伸出的远端26。远端26沿着轴线22延伸。
气体传感器10还包括传感器保护元件30。传感器保护元件30联接至传感器外壳14。特别地，传感器保护元件30经由在外壳14上的摩擦配合被联接到传感器外壳14上，虽然其他联接形式也是可能的，包括利用紧固件、钎焊、焊接等的附接。传感器保护元件30至少部分地包围传感元件18的远端26。传感器保护元件30控制气体从气体传感器保护元件30外侧流入而与传感元件18通信并且返回传感器保护元件30外侧。
传感器保护元件30包括具有圆锥形部分38和圆筒形部分42的外管34。气体入口46位于圆锥形部分38上。气体入口46与轴线22间隔开。气体入口46被构造成将气体引入到圆锥形部分38中。参见图4，气体入口46被构造成以一角度将气体引入到圆锥形部分38中，以便使气体的至少一部分在圆锥形部分38之内产生漩流涡流50。穿过气体入口46进入的气体包含水、颗粒和/或其他污染物。借助于重力(图1和4中示出为箭头“G”)，漩流涡流50朝向废物出口54推动气体中的水、颗粒和/或其他污染物，并且阻止水、颗粒和/或其他污染物到达传感元件18。废物出口54位于圆锥形部分38上。轴线22延伸穿过废物出口54。
图1-4中所示的气体入口46具有朝向外的勺式结构。所述朝向外的勺式结构远离轴线22延伸。朝向外的勺式结构包含内凹表面58。进入气体入口46的气体沿着内凹表面58移动直到气体处于圆锥形部分38内。圆锥形部分38包括内表面62。进入气体入口46的气体被沿着内凹表面58引导并且然后进一步沿着内表面62引导。气体入口46将气体与内表面62大致相切地引入到圆锥形部分38中。
随着继续参见图1-4，传感器保护元件30还包括内管66。内管66被设置在外管34之内。传感元件18位于内管66之内。特别地，传感元件18的远端26位于内管66之内。涡流50出现在外管34与内管66之间。
内管66包括圆筒形部分70和圆锥形部分74。气体入口78位于内管66的圆锥形部分74上。轴线22延伸穿过气体入口78。气体入口78大致位于气体入口46处或气体入口46下方(术语“下方”和“向下”是指沿着轴线22的由图1和4中的重力箭头“G”表示的方向)，以使通过气体入口46进入的任何气体在向上穿过气体入口78进入之前首先必须向下转向。气体入口46、78的该配置形成了气体到达传感元件18的曲折通道并且进一步阻止水、颗粒和/或其他污染物到达传感元件18。
随着继续参见图1-4，内管66包括气体出口82。气体出口82与轴线22间隔开。气体出口82位于内管66的圆筒形部分70上。气体出口82被设置在气体传感器保护元件30的与气体入口46基本上相反侧上。
外管34还包括气体出口86。气体出口86与轴线22间隔开。气体出口86位于外管34的圆筒形部分42上。气体出口86沿着垂直于轴线22延伸的轴线88与气体出口82对准，以使内管66内的气体能够从内管66内通过外管34直接移动出来。在所示构造中，气体出口82、86具有相同直径，虽然气体出口82、86的其他形状和构造也是可能的。
如图4中所示，气体入口46接收并且引导气体沿正切方向进入外管34中以引起涡流50。水、颗粒和/或其他污染物被离心力驱动至外管34的内壁表面62，并且最终通过废物出口54排出。该配置阻止水、颗粒和/或其他污染物到达传感元件18。因此，仅由线90表示的干净气体通过气体入口78被接收到内管66中。一旦干净气体90流过传感元件18，则干净气体90通过气体出口82、86离开气体传感器保护元件30。由气体出口82、86产生了负压力，从而促进了如图4中所示的气体流动。
图5-7示出了根据另一构造的气体传感器110。气体传感器110包括传感器外壳114和位于传感器外壳114之内的传感元件118。传感元件118是氧气传感元件，虽然其他种类的传感元件118也是可能的。传感元件118限定出轴线122。传感元件118具有从传感器外壳114伸出的远端126。远端126沿着轴线122延伸。
气体传感器110还包括传感器保护元件130。传感器保护元件130联接至传感器外壳114。特别地，气体传感器保护元件130经由在外壳114上的摩擦配合被联接到传感器外壳114上，虽然其他联接形式也是可能的，包括利用紧固件、钎焊、焊接等的附接。传感器保护元件130至少部分地包围传感元件118的远端126。传感器保护元件130控制气体从传感器保护元件130外侧流入而与传感元件118通信并且返回传感器保护元件130外侧。
传感器保护元件130包括具有圆锥形部分138和圆筒形部分142的外管134。气体入口146位于圆筒形部分142上。气体入口146与轴线122间隔开。气体入口146被构造成将气体引入到圆锥形部分138中。特别是，气体入口146被构造成以一角度将气体引入到圆锥形部分138中，以便使气体的至少一部分在圆锥形部分138之内产生出漩流涡流(类似于图4中的涡流50)。穿过气体入口146进入的气体包含水、颗粒和/或其他污染物。借助于重力，漩流涡流朝向废物出口154推动气体中的水、颗粒和/或其他污染物，并且阻止水、颗粒和/或其他污染物到达传感元件118。废物出口154位于圆锥形部分138上。轴线122延伸穿过废物出口154。
图5-7中所示的气体入口146具有朝向内的勺式结构。所述朝向内的勺式结构包含外凹表面158。进入气体入口146的气体沿着外凹表面158移动直到气体处于圆锥形部分138内。所述朝向内的勺式结构向轴线122延伸。进入气体入口146的气体沿着气体入口146移动直到气体处于圆锥形部分138内。圆锥形部分138包括内表面162。进入气体入口146的气体被沿着气体入口146引导并且然后进一步沿着内表面162引导。气体入口146将气体与内表面162大致相切地引入到圆锥形部分138中。
随着继续参见图5-7，传感器保护元件130还包括内管166。内管166设置在外管134之内。传感元件118位于内管166之内。特别地，传感元件118的远端126位于内管166之内。
如图6中所示，内管166包括圆筒形部分170和圆锥形部分174。气体入口178位于内管166的圆锥形部分174上。轴线122延伸穿过气体入口178。气体入口178大致位于气体入口146处或气体入口146下方(术语“下方”和“向下”是指沿着轴线22的由图6中的重力箭头“G”表示的方向)，以使通过气体入口146进入的任何气体在向上穿过气体入口178进入之前首先必须向下转向。气体入口146、178的该配置形成了气体到达传感元件118的曲折通道并且进一步阻止水、颗粒和/或其他污染物到达传感元件118。
随着继续参见图5-7，内管166包括气体出口182。气体出口182与轴线122间隔开。气体出口182位于内管166的圆柱形部分170上。气体出口182被设置在气体传感器保护元件130的与气体入口146基本上相反侧上。如图7中所示，气体出口182被形成为沿着圆筒形部分170的凹进式通道183，在凹进式通道183的端部上具有两个开口184、185。气体出口182具有细长结构。气体出口182沿着圆筒形部分170、围绕轴线122大致周向地延伸。
参见图5，外管134还包括气体出口186。气体出口186与轴线122间隔开。气体出口186沿着垂直于轴线122延伸的轴线188位于外管134的圆筒形部分142上。气体出口186沿着轴线188与气体出口182的开口184、185间隔开并且未与开口184、185对准，以使内管134之内的气体必须从内管166之内通过外管134沿着曲折通道间接地移动出来。该曲折通道阻止水、颗粒、和/或其他污染物通过气体出口182、186轻易地进入传感器保护元件130并且接触传感元件118。在所示构造中，气体出口186具有圆形形状，并且气体出口182具有凹进式通道形状，虽然其他形状也是可能的。
随着继续参见图5-7，气体进口146接收并引导气体沿正切方向进入外管134中以引起涡流(类似于图4中的涡流50)。水、颗粒和/或其他污染物被离心力驱动至外管134的内壁表面162，并且最终通过废物出口154排出。该配置阻止水、颗粒和/或其他污染物到达传感元件118。因此，仅干净气体通过气体入口178被接收到内管166中。一旦所述干净气体流过传感元件118，则干净气体通过气体出口182、186离开传感器保护元件130。由气体出口182、186产生了负压力，从而促进气流通过传感器保护元件130的运动。
气体传感器保护元件30、130的另外的变化和改型也是可能的。例如，在某些构造中，传感器保护元件30包括具有沿着外管34的圆锥形部分38定位的朝向内的勺式结构(类似于气体入口146的)、而非气体入口46的朝向外的勺式结构的气体入口。
在某些构造中，传感器保护元件30包括位于圆筒形部分70、42上的未对准的气体出口(类似于气体出口182、186)，而非直接对准的气体出口82、86。
在某些构造中，传感器保护元件130包括具有位于圆筒形部分142上的朝向外的勺式结构(类似于气体入口46的)、而非气体入口146的朝向内的勺式结构的气体入口。
在某些构造中，传感器保护元件130包括位于圆筒形部分170、142上的直接对准的气体出口(类似于气体出口82、86)，而非未对准的气体出口182、186。
在权利要求书中阐述了本发明的各种特征和优点。

Claims (22)

1.一种气体传感器，包括：
传感器外壳；
位于所述传感器外壳之内的传感元件，所述传感元件限定出第一轴线并且具有从所述传感器外壳伸出的远端；以及
传感器保护元件，其联接至所述传感器外壳并且至少部分地包围所述传感元件的所述远端，所述传感器保护元件包括：
具有第一圆锥形部分的外管，所述第一圆锥形部分具有内表面，所述外管还具有气体入口，所述气体入口与所述第一轴线间隔开，所述气体入口被成形为：将气体引导到所述外管中，以在所述外管的所述第一圆锥形部分内引起涡旋气流，其中，所述气体入口被成形为具有内凹表面的朝向外的勺式结构和具有外凹表面的朝向内的勺式结构中的一个，其中，所述气体入口被配置成将气体与第一圆锥形部分的内表面大致相切地引入到第一圆锥形部分中，其中，所述外管还包括第一气体出口；和
布置于所述外管中的内管，其中，所述内管具有第二圆锥形部分，第二圆锥形部分沿着第一轴线在直径上渐缩，从而所述第二圆锥形部分的直径沿着第一轴线在远离所述传感元件的方向上减小。
2.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述气体入口位于所述第一圆锥形部分上。
3.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述传感器保护元件还包括位于所述第一圆锥形部分上的废物出口。
4.如权利要求3所述的气体传感器，其特征在于，所述第一轴线延伸穿过所述废物出口。
5.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述外管还包括圆筒形部分。
6.如权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，所述气体入口位于所述圆筒形部分上。
7.如权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，第一气体出口位于所述圆筒形部分上。
8.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述传感元件的所述远端位于所述内管之内。
9.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述气体入口是第一气体入口，并且所述气体传感器保护元件还包括在第二圆锥形部分的远端处位于所述内管上的第二气体入口。
10.如权利要求9所述的气体传感器，其特征在于，所述第一轴线延伸穿过所述第二气体入口。
11.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述内管包括与第一轴线间隔开的第二气体出口，其中，第二轴线延伸穿过第一气体出口和第二气体出口的至少一部分，第二轴线垂直于第一轴线延伸。
12.一种气体传感器，包括：
传感器外壳；
位于所述传感器外壳之内的传感元件，所述传感元件限定出第一轴线并且具有从所述传感器外壳伸出的远端；以及
传感器保护元件，其联接至所述传感器外壳并且至少部分地包围所述传感元件的所述远端，所述传感器保护元件包括：
具有圆锥形部分的外管；
位于所述外管上的第一气体入口，第一气体入口与所述第一轴线间隔开；
位于所述圆锥形部分上的废物出口，所述第一轴线延伸穿过所述废物出口；
设置在所述外管之内的内管，所述传感元件位于所述内管之内；
位于所述内管上的第二气体入口，所述第一轴线延伸穿过第二气体入口；
位于所述内管上的第一气体出口，第一气体出口与所述第一轴线间隔开；以及
位于所述外管上的第二气体出口，第二气体出口与所述第一轴线间隔开，以使进入第一气体入口的气体的一部分被配置成：在不通过第二气体入口的情况下通过所述废物出口离开，
其中，第二轴线垂直于所述第一轴线延伸，第二轴线延伸穿过第二气体出口，其中，第一气体出口包括由所述内管的径向向内延伸式凹进部限定的凹进式通道，其中，第一气体出口包括位于所述凹进式通道的相反端部上的开口，所述开口与第二轴线间隔开，且也沿着所述内管彼此圆周地间隔开。
13.如权利要求12所述的气体传感器，其特征在于，第二轴线延伸穿过第一气体出口和第二气体出口的至少一部分。
14.如权利要求12所述的气体传感器，其特征在于，第一气体入口被成形为：将气体引导到所述外管中，以在所述外管和所述内管之间引起涡旋气流。
15.如权利要求14所述的气体传感器，其特征在于，所述外管包括圆筒形部分，且其中，第一气体入口被成形为所述圆筒形部分上的朝向外的勺式结构和朝向内的勺式结构中的一种。
16.如权利要求14所述的气体传感器，其特征在于，第一气体入口被成形为所述圆锥形部分上的朝向内的勺式结构和朝向外的勺式结构中的一种。
17.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述外管包括圆筒形部分，其中，第一气体出口位于所述圆筒形部分上。
18.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述内管包括与第一轴线间隔开的第二气体出口，其中，第二轴线延伸穿过第一气体出口和第二气体出口的至少一部分，第二轴线垂直于第一轴线延伸。
19.一种气体传感器，包括：
传感器外壳；
位于所述传感器外壳之内的传感元件，所述传感元件限定出第一轴线并且具有从所述传感器外壳伸出的远端；以及
传感器保护元件，其联接至所述传感器外壳并且至少部分地包围所述传感元件的所述远端，所述传感器保护元件包括：
具有第一圆锥形部分的外管，所述第一圆锥形部分具有内表面，所述外管还具有气体入口，所述气体入口与所述第一轴线间隔开，所述气体入口被成形为：将气体引导到所述外管中，以在所述外管的所述第一圆锥形部分内引起涡旋气流，其中，所述气体入口被成形为具有内凹表面的朝向外的勺式结构和具有外凹表面的朝向内的勺式结构中的一个，其中，所述气体入口被配置成将气体与所述第一圆锥形部分的内表面大致相切地引入到所述第一圆锥形部分中，其中，所述外管还包括第一气体出口；和
布置于所述外管中的内管，其中，所述内管具有第二圆锥形部分，所述内管包括与第一轴线间隔开的第二气体出口，其中，第二轴线延伸穿过第一气体出口和第二气体出口的至少一部分，第二轴线垂直于第一轴线延伸。
20.如权利要求19所述的气体传感器，其特征在于，所述外管包括圆筒形部分。
21.如权利要求19所述的气体传感器，其特征在于，所述传感器保护元件还包括位于所述第一圆锥形部分上的废物出口。
22.如权利要求21所述的气体传感器，其特征在于，所述第一轴线延伸穿过所述废物出口。
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