CN105683743A - 用于感测流体介质的至少一个特性的传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于感测流体介质(112)的至少一个特性的传感器装置(110)，所述流体介质尤其是内燃机的废气。所述传感器装置(110)包括用于接收至少一个传感器元件的至少一个保护壳体(114)，其中，至少一个可通流流体介质(112)的流动路径(128)设置在所述保护壳体(114)中。所述流动路径(128)具有至少三个转向部位(131、132、133、134、135、136)，所述流体介质(112)在这些转向部位经历至少90°角度的方向改变。根据本发明的传感器装置(110)对温度突变具有高的抵抗力，同时传感器元件受到大的动态性。

Description

用于感测流体介质的至少一个特性的传感器装置

背景技术

从现有技术已知用于感测流体介质的至少一个特性的传感器装置，所述流体介质优选是气体。属于此类的传感器装置具有至少一个传感器元件，所述传感器元件用于感测气体的至少一个参数、尤其是内燃机废气的至少一个特性，例如废气的组成部分的含量，尤其氧气含量、氮氧化物含量和/或气态碳氢化合物的含量。可用这类传感器装置感测的其它特性例如是流体介质的颗粒加载、温度和/或压力。这类传感器装置尤其能够是λ探头(或称氧气传感器)。λ探头优选被使用在内燃机的排气系中，主要用于感测废气中的氧气分压。例如在康拉德奈夫(KonradReif)编写的“机动车中的传感器(SensorenimKraftfahrzeug)”,SpringerVieweg出版社2012年第二版(2.Auflage)，第160至165页中描述了λ探头。

这类传感器装置尤其在它的废气侧尖端具有突出到废气流中的保护壳体。所述保护壳体不仅用于针对安装时出现的机械负荷进行保护，也针对由于排气装置中出现的颗粒造成的机械负荷进行保护，以有目标地引导传感器装置内的流体介质向位于该传感器装置中的传感器元件流动；以及用于保护所述传感器元件免受废气中冷凝液影响且免受与此相关的传感器元件温度突变。尤其当由废气流形成冷凝液滴并且沉降到热的陶瓷传感器元件上时，发生所谓的“温度突变”，由此在该传感器元件的表面上产生局部温度差，该局部温度差能够导致该传感器元件中的高的热感应应力，该高的热感应应力可能最终引起该传感器元件受损或甚至毁坏。所述保护壳体通常构型为使在排气装置中出现的传感器装置液体负荷尽可能地降低到直到露点端点(Taupunktende)为止对传感器元件都没有损害的量。为了还进一步地保护传感器元件免受温度突变影响，传感器元件优选附加地设有用于隔热和/或用于液体接合的涂层。在此特别有利的是：所述涂层具有陶瓷成分，尤其氧化铝成分。

但是在许多情况下对于保护壳体的要求都是矛盾的。在实际中尤其存在针对温度突变的强保护方面的要求与传感器装置高动态性方面的要求之间的目标冲突。这尤其意味着，保护壳体上的、可导致传感器元件的液体负荷减小的措施常常也同时导致传感器装置的动态性降低。这是由于：传感器元件附近的尽可能快的气体交换通常促进该传感器装置的动态性，而该传感器元件的液体负荷同时由此提高且通常由此使对温度突变的保护降低。在实践中，这意味着：在选择保护壳体时，以很大程度上令人满意的方式通常仅能满足所述两个要求(即，高动态性或对温度突变的强保护性)中的一个。

所述保护壳体自身能够单件地或多件地实施，其中，多件式实施方案大多数具有内部壳体和包围该内部壳体的外部壳体，在所述内部壳体和所述外部壳体之间构成中间室，在该中间室中必要时存在另外的保护管。具有两个或三个保护管且因此也被称为双重保护管或三重保护管的保护壳体被特别频繁地使用。在这里，三重保护管与双重保护管相比通常具有更好的防温度突变性能。当然，从现有技术已知的三重保护管具有一系列的缺点。与双重保护管相比，在三重保护管中，气体流从保护壳体上的进入开口直到到达传感器元件所必须走过的流动路径通常更长。这种实施方案虽然有利于针对温度突变进行保护，但是由于更长的流动路径而大多对传感器装置的动态性产生不利影响。由于对动态性更严格的要求，现有技术中的三重保护管不再适于这类目标。此外，在三重保护管当前常用的结构的情况下，需要将内部壳体从参考空气室那侧置入到所述外部壳体中。基于由此所需的内部壳体直径限制，由于内部壳体中有限的可用空间而只可使用不具有附加的防温度突变保护涂层的传感器元件。然而，所述传感器元件所缺少的涂层使得允许从废气流加载给传感器元件的液体量显著减小。最终，三重保护管中的该常见布置导致，尽管具有附加的保护管，但由于传感器元件针对温度突变的保护性降低而使得整个传感器装置针对温度突变的保护性总体上仅微弱地提高或并没提高。

EP2333534A2公开了一种用于感测流体介质的至少一个特性的传感器装置，该传感器装置设有用于接收至少一个传感器元件的保护壳体。可通流流体介质的流动路径位于该保护壳体内，所述流动路径从外部壳体中的进入开口经由中间室和内部壳体中的入内开口延伸向传感器元件，其中，保护壳体内的流动路径具有两个转向部位，所述流体介质在这两个转向部位上分别经历90°角度的方向改变。附加地，在保护壳体内部沿着所述流动路径设置有至少一个壁体，所述壁体这样布置并且设置用于接收以尽可能小的速度从所述壁体旁经过的流体介质中的热量。

发明内容

本发明提出一种用于感测流体介质、尤其内燃机废气的至少一个特性的传感器装置，该传感器装置至少很大程度上克服已知的限制和缺点。这种传感器装置尤其用于感测流体介质的至少一个特性，优选感测内燃机废气的特性，例如废气中的氧气含量、氮氧化物含量和/或气态碳氢化合物的含量。然而，也可设想感测流体介质的其它特性。所述传感器装置由于其构型尤其适用于在高温下使用，优选在从600℃至1000℃的范围中使用，然而并不局限于此。

根据本发明的传感器装置包括至少一个保护壳体，所述保护壳体设置用于接收至少一个传感器元件且为此目的而至少部分地包围所述传感器元件。“保护壳体”在这里理解为一种装置，其设置用于保护所述传感器元件至少免受常见的、在装配该传感器装置时和/或在该传感器装置运行时出现的机械和/或化学负荷。所述保护壳体为此能够至少部分由刚性材料，尤其由金属和/或合金和/或陶瓷制成，尤其在用通常所用的力、例如通常所用的拧紧力固定保护壳体时，所述刚性材料不发生变形。所述保护壳体尤其可设置用于在外部至少部分包围传感器装置且因此为传感器装置的至少一部分提供外部构型。保护壳体尤其能够设置用于被完全或被部分地置入到流体介质中，例如被置入到内燃机排气系中。

所述保护壳体可一件式、两件式、三件式或更多件式地实施。在一种优选构型中，所述保护壳体可两件式地实施并相应地具有单独的内部壳体，该内部壳体至少部分包围传感器元件，其中，内部壳体自身能够至少部分地被外部壳体包围。在该构型中，内部壳体和外部壳体可这样相对彼此布置：使得在内部壳体和外部壳体之间构成可被加载以废气的中间室，所述中间室优选可采用环状缝隙的形式。在特别优选的构型中，所述保护壳体可三件式地实施，其中，在内部壳体和外部壳体之间的中间室中可置入附加的中间保护壳体。

可通流流体介质的流动路径位于所述保护壳体内部。“流动路径”理解为流体介质在可加载给传感器元件之前从进入到保护壳体中直到由该保护壳体流出所走过的路段。在此，该路段除了流体介质进入保护壳体的速度(该速度可被称为进入速度)之外基本上通过保护壳体内的中间室的几何构型确定。然而，与所述流体介质中的各个微粒和/或分子的实际运动无关(该运动在微观尺度上既可假设为层流状态也可假设为紊流状态)，该流体介质在宏观尺度上始终遵循一个(也是理想的)流动路径，该流动路径可沿着保护壳体内的内壁且沿着可能位于该保护壳体中的构件延伸。因此，保护壳体内部的流动路径的构型可通过保护壳体的构型的几何形状包括位于该保护壳体中的、用于供流体介质进入到保护壳体的中间室中的进入开口和位于该保护壳体中的、用于供流体介质从中间室流向传感器元件的入内开口以及可能位于所述中间室中的附加构件来确定。

因此，相应于本发明这样确定所述流动路径：所述流动路径具有至少三个转向部位或至少四个转向部位或至少五个转向部位或至少六个转向部位。在这里，所述流体介质在所述至少三个转向部位中的每个上经历至少90°角度的方向改变。在此，转向部位上的方向改变分别由流体介质从该转向部位流出后的流动路径的方向与流体介质进入该转向部位之前的流动路径的方向之间的比较来得到。在一种特别优选的构型中，所述转向部位设置用于，使位于废气中的液体尤其由于在转向部位处进行方向改变期间作用到所述液体上的惯性力而优选以冷凝液滴形式沉降到保护壳体的位于转向部位区域中的内壁上。

在一种优选构型中，所述外部壳体可具有用于所述流体介质的至少一个进入开口。为此，所述外部壳体优选可至少部分以柱体的形式构型，其中所述柱体具有壳面，所述至少一个进入开口被加工到所述壳面中。此外，所述内部壳体优选可具有至少一个用于供流体介质从中间室流出的入内开口，该入内开口尤其用于将流体介质导送到所述至少一个传感器元件。在该优选构型中，流动路径从所述进入开口穿过中间室延伸直到入内开口，流体介质穿过所述入内开口最终到达所述传感器元件。如上面解释的那样，在流动路径上设置有至少三个转向部位，流体介质在这些转向部位上分别经历至少90°角度的方向改变。

在另一优选构型中，可在位于内部壳体和外部壳体之间的中间室中置入附加的中间保护壳体，使得所述流动路径优选可延伸通过围绕所述中间保护壳体的区域。在此，所述流动路径延伸通过围绕中间保护壳体的区域可这样进行：在该区域中设置有总共至少三个转向部位中的至少两个，优选至少六个转向部位中的至少四个。特别地，中间保护壳体可这样布置到中间室中并设置用于在中间室中产生至少部分大于流体介质就在横穿所述进入开口后所具有的流动速度的流体介质流动速度。以该方式可实现，至少在流动路径的位于中间室中的各个区段上引起流体介质的加速。基于可通过该方式在流动路径的尤其在中间室的这样的部分中的各个区段上获得的高流动速度：在所述部分中两个保护壳体紧密地布置在彼此旁或紧密地相互贴靠，可以有高流动力作用于位于所述部分中的流体介质上。视中间室的所述部分的构型而定，在此出现的流动力甚至能够超过各个液滴的内聚力且以该方式使流体介质中的较大液滴分别分散成多个较小液滴。通过由此实现的平均液滴尺寸减小，尽管采用了各种保护措施但仍到达传感器元件的液滴具有比较小的体积，由此以该方式可进一步降低所述传感器元件表面上发生温度突变的风险。

在另一优选构型中，所述中间保护壳体具有折边，可通过该折边对流动路径进行导向，其中，流动路径可基于所选的几何结构以该方式设有至少一个另外的转向部位，优选设有两个另外的转向部位，特别优选设有三个另外的转向部位。“折边”理解为所述中间保护壳体的翻转部分，所述翻转部分可突出到所述中间室中，并且与其余部分围成180°以下的角度，优选围成处于60°到120°之间的角度，特别围成约90°的角度。通过基于中间保护壳体中的折边强制造成方向改变，可在邻近所述角度的区域中优选通过惯性力实现附加地将液体液滴从所述流体介质朝向所述角度的方向分离。

在另一优选构型中，外部壳体这样构型，使得该外部壳体可构成空心室，所述空心室可大致以空心拱顶形式构型，所述内部壳体可置入、优选固定在所述空心拱顶中。为了使气体能够进入所述保护壳体的中间室，在该构型中有利的是，用于供气体从废气室进入到中间室中的所述至少一个进入开口布置在所述柱体的壳面中。所述至少一个进入开口在侧面布置在所述壳面中还可使废气能直接流入到保护壳体的中间室中，由此流体介质的流动速度在进入中间室后直接就已具有与现有技术相比更高的值，如之前所述的那样，这能够是有利的，尤其以该方式可引起流体介质中平均液滴尺寸的附加减小。

本发明的优点

所述传感器装置的根据本发明的构型导致整个传感器装置对于温度突变在多方面都更高的针对温度突变的稳健性。可通流流动介质的流动路径经过至少三个转向部位通过所述保护壳体，这使得能处于流体介质中的液体更好地分离。用于所述流体介质的进入开口在侧面布置在外部壳体的壳面中一方面可导致流体介质在所述壳体中的流动速度提高且从而尤其导致传感器元件的动态性的改善。所述提高的流动速度与流体介质在保护壳体内的加速可共同导致增大的流动力，所述增大的流动力可引起平均液滴尺寸的减小。以该方式使尽管采用了各种措施但仍到达传感器元件的液滴的危害性显著地降低。通过此外优选设置的中间保护壳体上的折边对流动路径进行导向还可导致更好地将液滴从流体介质分离。

所述保护壳体的构型的所述优选方式可使内部壳体内部中的可用位置更大。以该方式可能的是，将所述内部壳体设为具有这样选择的直径：使得在内部壳体中有足够的位置来布置至少一个设有陶瓷涂层、优选设有例如由氧化铝构成的防温度突变陶瓷涂层的传感器元件。所述至少一个传感器元件也以该方式使获得了更好的防温度突变保护，该温度突变保护补充于通过所描述的保护壳体构型获得的保护被使用。因此，提出的所有措施在结构上共同作用，用于以所述方式达到整个传感器装置在各方面都提高的、针对温度突变的稳健性和安全性。因此，根据本发明的传感器装置尤其也可使用在可能在发动机起动时就已接通的废气传感器中。

附图说明

在附图中示出且在后面的说明中详细解释本发明的一种优选实施例。附图以截面图的形式示出根据本发明的传感器装置的一种优选实施例，该传感器装置具有三件式实施的保护壳体。

具体实施方式

在图1中示出根据本发明的、用于感测流体介质112的至少一个特性的传感器装置110的优选实施例。传感器装置110包括保护壳体114，该保护壳体用于接收至少一个传感器元件(未示出)，所述传感器元件被保护壳体114包围。

在该优选实施例中，保护壳体114包括外部壳体116，外部壳体116具有以拱顶形式构型的空心室118，内部壳体120被置入到空心室118中。在这里，外部壳体116这样包围内部壳体120，使得在外部壳体116和内部壳体120之间构成中间室122。此外，保护壳体114的该优选实施方案包括中间保护壳体124，该中间保护壳体置入到位于外部壳体116和内部壳体120之间的中间室112中。然而也可设想保护壳体114的、用于保护传感器装置110的所述至少一个传感器元件的其它实施方案。

传感器装置110的保护壳体114的外部壳体116具有至少一个进入开口126，流体介质112可通过进入开口126从废气室进入到位于外部壳体116和内部壳体120之间的中间室122中。在保护壳体114内部，流体介质112在流动路径128上被引导直到通向内部壳体120内室(未示出)的入内开口130，所述传感器元件位于内部壳体120中。流动路径128在其从进入中间室122中的进入开口126直到从中间室122进入内部壳体120内室的入内开口130的路段上横穿至少三个转向部位，其中在本实施例中在流动路径128上设置有相继布置的六个转向部位131、132、133、134、135、136。“相继”在上下文中是指，流体介质112在已穿过进入开口126以后，首先在第一转向部位131上经历方向改变，然后流动介质被引向第二转向部位132，该流动介质在第二转向部位132经历另一方向改变。接着，流体介质112横穿第三转向部位133，然后是第四转向部位134，接着是第五转向部位135，然后横穿第六转向部位136，最后流体介质穿过入内开口130离开中间室122，用于以该方式达到内部壳体120的内室中，以在那里加载传感器元件。

沿着流动路径128运动的流体介质112在这六个转向部位131、132、133、134、135、136中的每个上分别经历一次方向改变，在该优选实施例中分别进行90°角度的方向改变。如由图1可看到的那样，流动路径128的走向和位于流动路径128中的六个转向部位尤其通过中间保护壳体124的特定形状构型以及中间保护壳体124在处于外部壳体116和内部壳体120之间的中间室122中的几何布置来确定。通过从位于外部壳体116壳面138中的进入开口126导送到中间室122的流体介质112碰撞到中间保护壳体124上来引起第一转向部位131。第二转向部位132和第三转向部位133通过中间保护壳体124的呈折边形式的翻转部分140确定，所述翻转部分在区域142中相对于中间保护壳体124的其余部分144构成约90°的角度。第四转向部位134和第五转向部位135通过非闭合的子室146预先给定，其中，子室146通过外部壳体116、内部壳体120且通过中间保护壳体124的翻转部分140限界。通过将流动路径128在内部壳体120和中间保护壳体124之间的路段148上引导向通到内部壳体120的入内开口130来确定第六转向部位136。在转向部位131、132、133、134、135、136中的每个上，流动路径128的90°角度的方向改变都导致液体从流体介质112分离，优选呈冷凝液滴形式分离。尤其在流动路径128的路段148上，流体介质112在内部壳体120和中间保护壳体124之间的窄缝隙150中经历高的流动速度。由此有比较高的流动力作用到存在于流体介质112中的液滴上并导致这些液滴分裂成更小液滴。因此，如果尽管在该优选实施例中存在六个转向部位131、132、133、134、135、136，但仍有液滴穿过入内开口130碰撞到位于内部壳体120中的传感器元件上，则所述液滴至少具有小的液滴尺寸，由此基于导送的液滴个体体积小而减小传感器元件表面上的温度突变风险。

如同样由图1中可知的那样，内部壳体120接合到外部壳体116的拱顶形空心室118中，从而内部壳体120在本优选实施方案中可具有内直径152，内直径152的尺寸选择成：在内部壳体120的内室中存在布置至少一个可附加地设有防温度突变涂层的传感器元件的位置。除了保护壳体114在该实施方案中示例性示出的构型外，根据本发明的传感器装置110以该方式还附加地获得用于针对出现温度突变进行保护的附加装置。

Claims (10)

1.用于感测流体介质(112)的至少一个特性的传感器装置(110)，所述流体介质尤其是内燃机废气，所述传感器装置包括至少一个用于接收至少一个传感器元件的保护壳体(114)，其中，在所述保护壳体(114)内部设置有至少一个能被所述流体介质(112)流过的流动路径(128)，其特征在于，所述流动路径(128)具有至少三个转向部位(131，132，133，134，135，136)，所述流体介质(112)在所述转向部位上经历至少90°角度的方向改变。

2.根据前述权利要求所述的传感器装置(110)，其特征在于，所述流动路径(128)中的转向部位(131、132、133、134、135、136)的数量为至少四个或至少五个或至少六个。

3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置(110)，其特征在于，所述转向部位(131、132、133、134、135、136)设置用于，使得处于所述流体介质(112)中的液体从所述流体介质(112)分离。

4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置(110)，其特征在于，内部壳体(120)包围所述传感器元件，其中，所述内部壳体(120)至少部分被外部壳体(116)包围，其中，所述外部壳体(116)这样至少部分包围所述内部壳体(120)：使得构成有中间室(122)，其中，所述外部壳体(116)具有至少一个用于所述流体介质(112)的进入开口(126)，其中，所述内部壳体(120)具有至少一个用于供所述流体介质(112)从所述中间室(122)流出的入内开口(130)，其中，所述流动路径(128)从所述进入开口(126)经由所述中间室(122)延伸向所述入内开口(130)。

5.根据前述权利要求所述的传感器装置(110)，其特征在于，所述外部壳体(116)至少部分以柱体形式存在，所述柱体构型有壳面(138)，其中，所述进入开口(126)位于所述壳面(138)中。

6.根据前面两项权利要求中任一项所述的传感器装置(110)，其特征在于，所述外部壳体(116)构成空心室(118)，所述内部壳体(120)被置入到所述空心室中，优选以被固定的形式被置入到所述空心室中。

7.根据前面三项权利要求中任一项所述的传感器装置(110)，其特征在于，在位于所述外部壳体(116)和所述内部壳体(120)之间的所述中间室(122)中置入有中间保护壳体(124)，其中，所述流动路径(128)在所述中间室(122)中延伸通过围绕所述中间保护壳体(124)的区域，其中，在所述区域中优选存在所述转向部位(132、133、134、135)中的至少两个。

8.根据前述权利要求所述的传感器装置(110)，其特征在于，所述中间保护壳体(124)这样布置在所述中间室(122)中：以引起所述流体介质在位于所述中间室(122)中的流动路径(128)上加速，尤其在位于所述中间保护壳体(124)和所述内部壳体(120)之间的缝隙(150)中加速。

9.根据前面两项权利要求中任一项所述的传感器装置(110)，其特征在于，所述中间保护壳体(124)具有突出到所述中间室(122)中的翻转部分(140)且具有其余部分(144)，其中，所述翻转部分(140)相对于所述其余部分(144)具有小于180°的角度，优选具有处于60°到120°之间的角度，特别具有90°的角度，其中，所述流动路径(128)延伸通过邻近所述角度的区域(142)，所述区域(142)具有所述转向部位(132、133)中的至少两个。

10.根据前述权利要求中任一项所述的传感器装置(110)，其特征在于，所述传感器元件设有陶瓷涂层，尤其设有防温度突变涂层。