CN106661992A - 用于感测流体介质至少一个特性的传感器装置和用于提供这种传感器装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于感测流体介质(112)、尤其是内燃机废气的至少一个特性的传感器装置(110)，以及一种用于提供这种传感器装置(110)的方法。传感器装置(110)包括用于将至少一个传感器元件接收在内壳体(120)中的至少一个保护壳体(114)，其中，内壳体(120)至少部分由外壳体(116)围绕。根据本发明，外壳体(116)借助于尤其在区段(130)上的挤压配合(132)相对于内壳体(120)固定。根据本发明的传感器装置(110)在传感器装置具有高动态性能的情况下同时具有高热冲击抗性并且能够提供保护壳体(114)的定向结构。

Description

用于感测流体介质至少一个特性的传感器装置和用于提供这 种传感器装置的方法
技术领域
本发明涉及一种用于感测流体介质至少一个特性的传感器装置和一种用于提供这种传感器装置的方法。
背景技术
由现有技术公知用于感测流体介质、优选气体的至少一个特性的传感器装置。具有至少一个传感器元件的传感器装置属于此类，该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，例如废气组分的含量、尤其是氧气含量、氮氧化物含量和/或气态碳氢化合物含量。可以通过这种传感器装置来感测的其他特性例如为流体介质的微粒负荷、温度和/或压力。这种传感器尤其可以是λ探测器。λ探测器优选被使用在内燃机的排气管路中，主要是为了感测废气中的氧气分压力。λ探测器例如在Konrad Reif(编者)：机动车中的传感器(Sensoren im Kraftfahrzeug)，2012年第2版，Springer出版社，第160-165页中阐述。
这种传感器装置尤其在它的废气侧的顶端具有保护壳体，该保护壳体伸入到废气流中。保护壳体自身可以单件式或多件式地实施，其中，多件式的实施大多数具有内壳体和围绕内壳体的外壳体，在内壳体与外壳体之间构造有中间空间，必要时另外的保护管位于该中间空间中。具有两个保护管(这两个保护管也因此被称为双保护管)的保护壳体特别频繁地被使用。保护壳体为了传感器装置内部的流体介质到位于传感器装置中的传感器元件的针对性流动导向而用于防止在装入时和通过排气设备中出现的微粒所产生的机械载荷的影响，以及用于保护传感器元件来防止来自废气的冷凝液和与此有关的传感器元件的热冲击的影响。当冷凝液滴由废气流构成并且沉积到热陶瓷传感器元件上，由此在传感器元件的表面上产生局部温度差时，则尤其出现所谓的“热冲击”，该温度差可能导致在传感器元件中的高热感应应力，该应力最终可能导致传感器元件的损伤或甚至破坏。因此，保护壳体通常以一方式构型，以便将在排气设备中出现的对传感器装置的液体负载尽可能降低到对于传感器元件在很大程度上不造成损害的数量。
但是在许多情况下，对保护壳体的要求是相反的。在实际中，关于高热冲击保护而言的要求和关于传感器装置高动态性能而言的要求之间尤其存在着目标冲突。这尤其意味着，能够通过流体导致传感器元件的负载减小的、在保护壳体上的措施通常同时导致传感器装置的动态性能降低。这由此引起，即，传感器元件附近的尽可能快的气体交换通常促进传感器装置的动态性能，而由此同时提高传感器元件的液体负载，由此通常削弱热冲击保护。这实际上意味着，在所选取的保护壳体中通常只能以在很大程度上令人满意的方式满足两个要求中的一个要求，即高动态性能或高热冲击保护。
在内燃机中使用的传感器装置通常具有保护壳体的所谓非定向结构。保护壳体的“非定向结构”理解为这样的结构，根据该结构，传感器装置与流体介质、尤其是废气的流动方向无关地被引入到测量气体室中。相应地，传感器装置通常被引入到内燃机的废气管(Abgastrakt)中，而不在此考虑位于内燃机废气管中的废气的流动方向，例如关于用于使流体介质进入到保护壳体中的至少一个进入开口的布置。另一方面公知的是，传感器装置的动态性能与一整个系列的因素有关，尤其与传感器装置中的至少一个保护壳体的构型的细节有关，用于使流体介质进入到保护壳体中的进入开口的布置也属于这些因素。
因此，期望提供一种用于感测流体介质、尤其是内燃机废气的至少一个特性的传感器装置，该传感器装置具有至少一个保护壳体的所谓“定向结构”。该“定向结构”理解为这样的结构，在该结构中，传感器装置相对于内燃机的废气管中的废气的流动方向定向地取向，尤其为了以该方式改进传感器装置的动态性能。但是至今缺少这样的传感器装置，该传感器装置具有尽可能简单的结构并且能够以尽可能简单地实施的方法呈定向结构的形式相对于废气管中流体介质的流动方向来提供。
发明内容
根据本发明，提出一种用于感测流体介质、尤其是内燃机废气的至少一个特性的传感器装置，以及一种用于提供这种传感器装置的方法，该传感器装置和方法至少在很大程度上克服公知的限制和缺点。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/或气态碳氢化合物含量。然而可以考虑感测流体介质的其他特性。本传感器装置由于它的构型而尤其适用于在高温下使用、优选在600℃到1000℃的范围中使用，但不局限于该范围。
根据本发明的传感器装置包括至少一个保护壳体，该保护壳体设置用于接收至少一个传感器元件并且为了该目的至少部分地围绕传感器元件。在此，保护壳体理解为这样的装置，该装置设置用于至少针对通常在传感器装置装入时和/或在传感器装置运行中出现的机械和/或化学的负载来保护传感器元件。为此，保护壳体可以至少部分地由刚性的材料、尤其由金属和/或合金和/或陶瓷制成，该材料尤其在固定保护壳体时在通常的力的情况下、例如在通常的拧紧力的情况下不发生变形。保护壳体尤其可以设置用于向外至少部分地围绕传感器装置，并因此给予传感器装置的至少一部分外部构型。保护壳体尤其可以设置用于完全地或部分地被引入到流体介质中、例如被引入到内燃机的排气管路中。
保护壳体可以单件式地、两件式地、三件式地或更多件式地实施。根据本发明，保护壳体尤其两件式地实施并且相应地具有单独的内壳体，该内壳体可以至少部分地围绕传感器元件，其中，内壳体自身可以至少部分地由外壳体围绕。内壳体和外壳体在该构型中可以如此相互布置，使得在内壳体与外壳体之间构造有能通过废气来加载的中间空间，该中间空间可以优选采用环状间隙的形式。
能够由流体介质流过的流动路径可以位于保护壳体内部。流动路径理解为这样的行程，在流动介质随后可以加载传感器元件之前，流体介质从进入到保护壳体中到从保护壳体中排出可以经过该行程。在此，除了速度(流体介质以该速度进入到保护壳体中)以外，该行程主要通过保护壳体内部的中间空间的几何构型来确定。然而，与流体介质中的各个微粒和/或分子的、以显微镜比例既可以呈现层流态也可以呈现紊流态的真实运动无关，流体介质在显微镜比例下也可以跟随理想化的流动路径，该流动路径可以沿着保护壳体内部的内壁并且必要时沿着位于保护壳体中的装入件(Einbauten)走向。因此，保护壳体内部的流动路径的构型可以通过保护壳体构型的几何结构，包括位于保护壳体中的用于让流体介质进入到保护壳体的中间空间中的进入开口、位于保护壳体中的用于让流体介质从中间空间中输入到传感器元件的输入开口和必要时位于中间空间的附加的装入件来确定。
根据本发明，借助于挤压配合、尤其借助于轻轻的挤压配合相对于内壳体来固定外壳体。“借助于挤压配合来固定”关于本发明而言尤其理解为，优选可以区段式地圆柱状构型的外壳体至少在一区段中如此围绕同样优选可以区段式地圆柱状构型的内壳体，使得在相关区段中(两个部件之间的挤压配合在该区段中起作用)基本上不再留有外壳体与内壳体之间的中间空间，从而外壳体内侧的表面在挤压配合的相关区段中固定地贴靠在内壳体外侧的表面上，其中，借助于挤压配合相互固定的两个部件在应用外压力时还是能相互移动并且尤其也可相互旋转地支承。挤压配合、尤其是轻轻的挤压配合则不导致两个相关的部件相互完全固定，而是允许两个部件相互间的相对位置有针对性地继续改变、尤其是通过应用所选择的外圧力来使两个部件中的至少一个部件移动和/或旋转，其中，挤压配合的类型可以尤其通过为了设置挤压配合而应用的外圧力的大小来表征。
在特别优选的构型中，外壳体还具有至少一个固定元件，该固定元件可以例如呈突出的凸出部形式构型并且该固定元件尤其可以设置用于将外壳体引入到单独的焊入式螺纹接套中，并且在特别优选的构型中，该外壳体相对于焊入式螺纹接套固定。焊入式螺纹接套可以为此尤其具有卡锁位置，在外壳体接合在焊入式螺纹接套中之后固定元件将外壳体固定在该卡锁位置中。“焊入式螺纹接套”理解为这样的任意机械构件，该机械构件可以用于接收第一构件、在此是外壳体，以便将该第一构件如此施加到另一构件上、在此是下面描述的传感器壳体，使得可以相对于第二构件借助于焊入式螺纹接套来固定第一构件。
在另一优选构型中，传感器元件还具有传感器壳体，其中，根据本发明，传感器壳体可以与内壳体优选借助焊缝固定连接，该焊缝例如可以置于传感器壳体与内保护壳体之间。在此，“传感器壳体”尤其理解为这样的用于传感器元件的保护装置，该保护装置可以相对于内壳体附加地或替代地至少部分围绕传感器元件。
尤其在上述构型中，外壳体在该构型中还具有用于引入到焊入式螺纹接套中的至少一个固定元件，传感器装置可以优选如此构型，使得还可以借助于焊入式螺纹接套相对于传感器壳体来固定外壳体。因为传感器壳体在该构型中与内壳体固定连接，所以可以以该方式实现外壳体相对于内壳体的进一步固定。
在另一优选构型中，传感器壳体具有密封环，其中，密封环如此构型，使得由此实现可以相对于密封环来固定焊入式螺纹接套。以该方式尤其可以实现，至少部分地围绕传感器元件的传感器壳体可以不从包括内壳体和外壳体的保护壳体中松脱，该外壳体可以借助于至少一个固定元件关于焊入式螺纹接套来固定。以该方式可以尤其实现传感器装置的定向结构，即保护壳体关于在废气管中的流体介质的流动方向的取向。
在另一优选构型中，外壳体尤其可以在这样的区域中(在该区域中借助于挤压配合相对于内壳体来固定外壳体)如此围绕内壳体，使得可以构造在外壳体与内壳体之间的中间空间。尤其为了实现用于保护壳体内部的流体介质的上述流动路径的构造，外壳体可以具有用于使流体介质进入到中间空间中的至少一个进入开口，并且内壳体可以具有用于使流体介质从中间空间到传感器元件的至少一个输入开口。
尤其为了实现传感器装置的上述定向结构，外壳体可以为此具有一周面，用于流体介质的进入开口位于外壳体的所述周面中，其中，内壳体在该构型中也可以具有一周面，用于使流体介质从中间空间到传感器元件的输入开口可以位于内壳体的所述周面中。以该方式尤其可以如此构型传感器装置的保护壳体中的流动路径，使得该流动路径可以在同时减小由出自流体介质的液体对传感器元件造成的负载的情况下导致传感器装置的高动态性能。
在另一方面，本发明涉及一种用于感测流体介质、尤其是内燃机废气的至少一个特性的传感器装置的方法。在此，传感器装置包括用于将至少一个传感器元件接收在内壳体中的至少一个保护壳体，其中，内壳体至少部分由外壳体围绕。
根据本发明的方法尤其包括接下来所述的方法步骤a)到d)，这些方法步骤优选以该顺序来实施：从a)开始、紧接着是b)、然后是c)、最后是d)，其中，所述方法步骤中的一个或多个方法步骤或另外的方法步骤可以至少部分地与前一或后一方法步骤一起实施。
根据步骤a)，将保护壳体的外壳体接合到焊入式螺纹接套中，其中，外壳体具有用于引入到焊入式螺纹接套中的至少一个固定元件。
根据步骤b)，借助于挤压配合将焊入式螺纹接套与接合到焊入式螺纹接套中的外壳体插接到内壳体上。
根据步骤c)，在保持挤压配合的情况下推移插接到内壳体上的外壳体经过内壳体，直到存在于外壳体中的至少一个固定元件到达焊入式螺纹接套中的对应卡锁位置。内壳体通过该装入类型尤其可以如用于外壳体的承载件那样起作用。
根据步骤d)，旋转作为用于外壳体的承载件起作用的内壳体，直到存在于外壳体中的至少一个固定元件接合到焊入式螺纹接套中的上述卡锁位置。以该方式，根据本发明相对于内壳体来固定外壳体。
在特别优选的构型中，可以借助于密封环来固定焊入式螺纹接套，外壳体根据步骤a)接合在该焊入式螺纹接套中。在此，密封环优选施加到传感器壳体上，其中，传感器壳体可以与内壳体优选固定地、例如借助焊缝连接。以该方式可以借助于传感器壳体在焊入式螺纹接套中固定外壳体，并且施加到传感器壳体上的密封环可以防止传感器壳体从保护壳体中松脱，传感器元件可以位于传感器壳体中，该保护壳体可以包括外壳体和借助于挤压配合与其固定的内壳体。以该方式，外壳体可以相对于废气的流动方向借助于外壳体中的至少一个固定元件来取向，该外壳体可以接合在焊入式螺纹接套的至少一个卡锁位置中。以该方式，能够实现关于废气流动方向的根据本发明的传感器装置的取向，因为根据现有技术通常进行的外壳体到探测器壳体上的焊接不发生。
对于关于根据本发明的方法的其他细节参考在上面和/或在下面关于传感器装置的说明。
根据本发明的传感器装置和用于提供该传感器装置的对应方法尤其实现传感器装置的至少一个保护壳体关于废气的流动方向的定向，由此可改进传感器装置的上述动态特性，而同时尤其在合适地设计外壳体的构型的情况下可以减少水进入到传感器壳体中。由于提高的动态性能和同时提高的抵抗水冲击(Wasserschlag)的阻抗，根据本发明的传感器装置在发动机启动后已可以较早地采用它的运行模式，这尤其可以用于减少废气排放。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并且在接下来的说明中详细阐释。附图示出：
图1：以剖面图形式示出在根据本发明的用于提供传感器装置的方法期间的根据本发明传感器装置的示意性视图；
图2：以剖面图形式示出根据本发明的用于提供传感器装置的方法的示意性视图；
图3：以剖面图形式示出根据本发明的传感器装置的外壳体的示意性视图，该外壳体具有用于固定到焊入式螺纹接套中的固定元件；
图4：以根据本发明的传感器装置的俯视图示出示意性视图，其中，a)示出保护壳体的非定向结构(现有技术)，并且b)示出保护壳体的定向结构。
具体实施方式
在图1中以剖面图形式示出在根据本发明的用于提供传感器装置的方法期间的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。传感器装置110包括用于接收至少一个传感器元件(未示出)的保护壳体114，该传感器元件由保护壳体114围绕。
在图1中示出的优选实施例中，保护壳体114包括外壳体116，该外壳体具有呈拱顶形式构型的空心室118，内壳体120被引入到该空心室中。在此，外壳体116如此围绕内壳体120，使得在外壳体116与内壳体120之间构造有中间空间122。然而可以考虑保护壳体114的用于保护传感器装置110的至少一个传感器元件的其他实施方案。
传感器装置110的保护壳体114的外壳体116具有至少一个进入开口124，流体介质112可以从废气室穿过该进入开口进入到外壳体116与内壳体120之间的中间空间122中。流动路径上的流体介质112在保护壳体114内部被引导直到通向内壳体120的内室128的输入开口126，传感器元件(未示出)位于该内壳体中。
根据本发明，在区段130上借助于轻轻的挤压配合132相对于内壳体120来固定外壳体116。在该优选实施例中，借助于(图1中未示出的)固定元件134相对于焊入式螺纹接套136来固定外壳体。
在图1中示出的用于传感器装置110的优选实施例还具有传感器壳体138，该传感器壳体围绕(未示出的)传感器元件并且该传感器壳体借助于焊缝140与内壳体120固定连接。为了之后将焊入式螺纹接套136固定到传感器壳体138上，在此传感器壳体138还具有密封环142。
图2以剖面图形式示意性示出用于提供根据本发明的传感器装置110的根据本发明的方法的视图。
在图2a)中示意性示出方法步骤a)和b)。根据步骤a)，传感器装置110的外壳体116插接到焊入式螺纹接套136中。在此，外壳体116具有用于将外壳体116固定在焊入式螺纹接套136中的固定元件134。根据步骤b)，焊入式螺纹接套136与外壳体116借助于区段130上的挤压配合132插接到内壳体120上。
在图2b)中示意性示出另外的方法步骤c)和d)。根据步骤c)，在保持区段130上的挤压配合132的情况下，如此经过内壳体120推移外壳体116，直到外壳体116中的固定元件134到达焊入式螺纹接套136中的卡锁位置144中。根据步骤d)，旋转内壳体120，直到固定元件134接合到焊入式螺纹接套136中的卡锁位置144中。
以该方式，如图2c)所示，相对于内壳体120固定外壳体116。如图2c)所示，在此传感器壳体138具有密封环142，该密封环负责关于密封环142固定焊入式螺纹接套136。此外，焊入式螺纹接套136负责还相对于传感器壳体138来固定外壳体116，该传感器壳体借助于焊缝140与内壳体120固定连接。以该方式，如图2c)示意性示出，提供根据本发明的传感器装置110，该传感器装置借助于密封环142附加地预紧。
图3以剖面图形式的示意性视图示出根据本发明的传感器装置110的保护壳体114的外壳体116，该传感器装置具有用于将外壳体116固定在焊入式螺纹接套136中的固定元件134。固定元件134在本优选实施例中呈突出的凸出部形式地构型，该凸出部实现外壳体116在焊入式螺纹接套136中的卡锁位置144中的卡锁。这示例地从图3a)到c)中得出，在这些图中外壳体116的固定元件134在焊入式螺纹接套136中的相应卡锁位置144中以逐渐放大的方式示出。
在图4a)中以示意性视图示出由现有技术公知的根据本发明的传感器装置，该传感器装置关于流体介质112的流动方向146具有非定向结构。在此，进入开口124位于外壳体116的肩部148上，由此只实现流体介质112从测量气体室到传感器装置110中的无序的进入。
然而根据本发明，如在图4b)中呈根据本发明的传感器装置110的俯视图形式示意性示出，至少一个进入开口124位于在该优选实施例中圆柱状构型的外壳体116的周面150上。保护壳体114的以该方式的可能的定向结构改进传感器装置110的动态特性，而同时在外壳体116的几何结构的合适设计的情况下，可以使更少的水侵入到传感器装置110中。

Claims (10)

1.传感器装置(110)，用于感测流体介质(112)、尤其是内燃机废气的至少一个特性，所述传感器装置包括用于将至少一个传感器元件接收在内壳体(120)中的至少一个保护壳体(114)，其中，所述内壳体(120)至少部分由外壳体(116)围绕，其特征在于，所述外壳体(116)借助于挤压配合(132)相对于所述内壳体(120)固定。
2.根据权利要求1所述的传感器装置(110)，其特征在于，所述外壳体(116)还具有用于固定在焊入式螺纹接套(136)中的至少一个固定元件(134)。
3.根据权利要求2所述的传感器装置(110)，其特征在于，所述外壳体(116)借助于所述固定元件(134)相对于所述焊入式螺纹接套(136)固定。
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，所述传感器元件具有传感器壳体(138)，其中，所述传感器壳体(138)与所述内壳体(120)优选借助于焊缝(140)固定连接。
5.根据权利要求3或4所述的传感器装置(110)，其特征在于，所述外壳体(116)还借助于所述焊入式螺纹接套(136)相对于所述传感器壳体(138)固定。
6.根据权利要求4到6中任一项所述的传感器装置(110)，其特征在于，所述传感器壳体(138)具有密封环(142)，其中，所述焊入式螺纹接套(136)借助于所述密封环(142)相对于所述传感器壳体(138)固定。
7.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，所述外壳体(116)部分地如此围绕所述内壳体(120)，使得构造有中间空间(122)，其中，所述外壳体(116)具有用于让所述流体介质(112)进入到所述中间空间(122)中的至少一个进入开口(124)，其中，所述内壳体(120)具有用于让所述流体介质(112)从所述中间空间(122)到所述传感器元件的至少一个输入开口(126)。
8.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，所述外壳体(116)具有周面(150)，其中，用于所述流体介质(112)的所述进入开口(124)位于所述周面(150)中，并且所述内壳体(120)具有另一周面，其中，用于使所述流体介质(112)从所述中间空间(122)中出来的所述输入开口(126)优选位于所述另一周面中。
9.用于提供用于感测流体介质(112)、尤其是内燃机废气的至少一个特性的传感器装置(110)的方法，所述传感器装置包括用于将至少一个传感器元件接收在内壳体(120)中的至少一个保护壳体(114)，其中，所述内壳体(120)至少部分地由外壳体(116)围绕，所述方法包括以下步骤：
a)将所述外壳体(116)接合到焊入式螺纹接套(136)中，其中，所述外壳体(116)具有用于将所述外壳体(116)固定在所述焊入式螺纹接套(136)中的至少一个固定元件(134)；
b)借助于挤压配合(132)将所述焊入式螺纹接套(136)与接合到所述焊入式螺纹接套中的所述外壳体(116)插接到所述内壳体(120)上；
c)在保持所述挤压配合(132)的情况下，推移所述外壳体(116)经过所述内壳体(120)，直到所述外壳体(116)中的所述固定元件(134)到达所述焊入式螺纹接套(136)中的卡锁位置(144)中；
d)旋转所述内壳体(120)，直到所述固定元件(134)接合到所述焊入式螺纹接套(136)中的所述卡锁位置中，由此使所述外壳体(116)相对于所述内壳体(120)固定。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，借助于密封环(142)来固定所述焊入式螺纹接套(136)，其中，将所述密封环(142)施加到传感器壳体(138)上，其中，所述传感器壳体(138)优选借助于焊缝(140)与所述内壳体(120)连接。
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