CN108351321B - 废气传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气体传感器，其用于通过陶瓷的传感器元件（10）检验测量气体的组成成份，所述传感器元件被固定在壳体（11）中，并且所述气体传感器具有带有外部的保护套筒（21）和内部的保护套筒（22）的双壁的保护管（20），其中，所述内部的保护套筒（22）包围气体空间（30），所述传感器元件（10）以测量气体侧的区段（101）沿所述气体传感器的纵向轴线（10）伸入到所述气体空间中，并且其中在所述外部的和内部的保护套筒（21、22）之间构造有环形空间（31）。尤其在于，所述外部的保护套筒（21）具有带有被构造为涡流元件（212a）的至少一个开口（212）的外周面（211），通过所述开口测量气体在围绕所述气体传感器（1）的纵向轴线（100）旋转的情况下能够进入到所述环形空间（31）中，并且所述内部的保护套筒（22）具有关于所述传感器元件（10）的敏感的区域（102）定向的、尤其以功能优化的方式定向的至少一个开口（222），通过所述开口测量气体能够从所述环形空间（31）进入到所述气体空间（30）中。

Description

废气传感器

技术领域

根据独立权利要求的前序部分，本发明涉及一种尤其用于确定内燃机的废气中的氧气含量或颗粒浓度的气体传感器。

背景技术

由DE-19628423 A1公开了一种具有传感器元件的气体传感器，该气体传感器以气体密封的方式被固定在金属的壳体中。该气体传感器具有双壁的保护管，所述保护管具有外部的保护套筒和内部的保护套筒，所述外部的保护套筒和所述内部的保护套筒分别具有用于气体流入和/或气体流出的开口。内部的保护套筒形成气体空间，传感器元件以废气侧的区段嵌入到所述气体空间中。外部的保护套筒为具有封闭的外周面的套筒，其中用于气体流入和/或气体流出到所述中间空间中的开口被布置在套筒的端侧上。由内部的保护套筒形成的气体空间具有垂直于传感器元件的延伸方向的矩形的横截面。

发明内容

根据本发明的气体传感器利用权利要求1的特征部分如下地改进已公开的气体传感器，从而动态性得到改善，其测量功能关于其在装入位置中的定向的依赖性被消除并且此外其稳健性得到提升。

因此规定，外部的保护套筒具有外周面，该外周面具有被构造为涡流元件的至少一个开口，通过所述开口测量气体在围绕所述气体传感器的纵向轴线旋转的情况下能够进入到被构造在所述内部的保护套筒和所述外部的保护套筒之间的环形空间中。

被构造为涡流元件的至少一个开口例如可以是由开口组成的环，该环例如以彼此相同的间距并且在传感器的纵向延伸尺度的相同的高度上被布置在外部的保护套筒的外周面上。例如可以是奇数个开口。通过使用涡流翻板，所述开口可以由此例如被构造为涡流元件，所述涡流翻板例如通过相应地压入或压出所述外部的保护套筒的节段而制成。

涡流元件被如此定向，使得测量气体可以在围绕气体传感器的纵向轴线旋转的情况下进入环形空间中。为此，它们尤其朝向垂直于气体传感器的纵向轴线的方向。然而也可以规定，涡流元件额外地也具有沿气体传感器的纵向轴线的或者反向于气体传感器的纵向轴线的分量。

通过测量气体在围绕气体传感器的纵向轴线旋转的情况下而进入到环形空间中，由此实现了传感器功能在测量气体流动中对气体传感器的定向的依赖性降低。此外，产生这样的效果：即，所述环形空间中的测量气体的旋转适用于使得所述测量气体的可能存在的液体的组成部分、例如水滴与所述内部的保护套筒和所述气体空间并且由此与所述传感器元件远离。与此代替地，测量气体的剩余的液体的组成部分保留在外部的保护套筒的内侧面上，直到它们蒸发或通过外部的保护套筒的开口再次离开所述环形空间。

内部的保护套筒尤其在其外周面上具有至少一个开口，通过该开口测量气体可以从环形空间进入到气体空间中。

所述至少一个开口可以是一个单个开口或多个开口，例如为与它们的相邻开口具有相同间隔的并且在气体传感器的纵向延伸尺度中的相同高度上位于孔环上的开口。替代性地，所述开口也可以以不相同的间距被布置和/或被布置在孔环的外部。这些孔例如可以上下地被定向。

根据本发明，所述至少一个开口关于传感器元件的敏感的区域尤其如此定向，使得传感器元件或气体传感器的功能、例如关于其动态性和/或灵敏度被优化，或者开口关于传感器元件的敏感的区域定向，从而测量气体尤其在沿气体传感器的纵向方向穿过所述开口时被转向至传感器元件。

气体传感器可以是诸如宽带拉姆达探测器或NOx传感器的氧气传感器并且具有传感器元件，该传感器元件具有被构造在其内部中的空腔和电化学的单池，所述电化学的单池具有两个电极，所述两个电极中的至少一个被布置在所述空腔中，所述传感器元件还具有将所述气体空间与所述空腔连接的气体流入孔。

这种氧气传感器的功能尤其通过以下方面给出：即，进入到空腔中的氧气通过电化学的单池被泵出，并且所产生的泵电流可作为测量气体中的氧气浓度的量度以供使用。

在根据本发明的气体传感器中，内部的保护套筒的至少一个开口可以由此关于传感器元件的敏感的区域进行定向，使得所述开口如传感器元件的气体流入孔那样被布置在气体传感器的纵向延伸尺度中的相同的高度上。通过这种方式，进入到气体空间中的测量气体尽可能最快地进入到传感器元件的空腔中，以便在那里易于传感装置接近。气体传感器的动态性的功能以这种方式得到优化。

在改进方案中，内部的保护套筒可以在端侧上具有开口，该开口被构造为翻板、尤其作为压入到气体空间中的节段。与简单的孔状的开口相比优点在于，即使测量气体通过该开口进入到气体传感器的内部、尤其到所述气体空间中，气体的固体的和液体的组成部分通过这种方式被保持远离所述传感器元件。

额外地或替代性地，气体传感器可以是颗粒传感器，其传感器元件为此目的具有叉指电极，该叉指电极由相互啮合的并被布置在传感器元件的外周的一部分上的两个梳状的导体结构组成。

这种颗粒传感器的功能在于，存在于测量气体中的颗粒、例如烟尘颗粒积聚在叉指电极上并且在它们的梳状的导体结构之间建立导电的连接。导电能力作为所积聚的颗粒量的量度以供使用。例如，在这里评估由施加的电压所产生的电流强度。如果该电流强度在测量周期内超过阈值，则与传感器连接的评估单元生成相应的信号，该信号例如进一步如下被解释为：被布置在废气道中的颗粒传感器上游的颗粒过滤器（DPF）有缺陷。

在根据本发明的气体传感器中，内部的保护套筒的至少一个开口可以关于传感器元件的敏感的区域定向，即通过所述开口仅沿所述内部的保护套筒的外周的一部分构造和以这样的方式使得所述开口在径向上面向叉指电极。通过这种方式，进入到气体空间中的测量气体直接达到叉指电极，并且测量气体中所含有的颗粒可以以较高的速率积聚在那里。通过这种方式，可以优化颗粒传感器的灵敏度。

在改进方案中，内部的保护套筒的至少一个开口可以具有细长的形状，其长侧朝向气体传感器的纵向方向。替代性地，内部的保护套筒的至少一个开口也可以由被相继地沿气体传感器的纵向方向布置的多个开口组成。

本发明不限于在这里更详细描述的类型的氧气传感器和/或颗粒传感器。根据本公开内容，本领域技术人员将会发现用于其他的气体传感器的根据本发明的实施方式。

所有气体传感器可以由此被修改为：内部的保护套筒的至少一个开口被构造为其他的涡流元件，所述涡流元件在周向方向上与外部的保护套筒的涡流元件被定向在相同的方向上，使得进入到环形空间中的测量气体在保持其旋转动量的情况下可以快速地进入到气体空间中并到达传感器元件。该措施减小了传感器信号对传感器元件或气体流入孔相对于废气的流入方向的定向的依赖性。由此，减小了传感器信号的由旋转角度所决定的偏差。由此，例如实现了更准确地诊断在内燃机的各个燃烧室中的燃烧过程是否彼此平衡或者例如以彼此不同的空燃比运行。这实现了所谓的“空气燃料不平衡监测”（AFIM），这对提供和确保环境友好的和资源友好的燃烧技术作出了重要贡献。

本发明一方以通过保护管实现，其中内部的保护套筒的端侧在纵向方向上超过外部的保护套筒的端侧伸出。通过这种方式形成了尤其长形地构造的气体空间。

替代性地，也可以规定，内部的保护套筒的端侧在纵向方向上没有超过外部的保护套筒的端侧伸出并且在内部的保护套筒和外部的保护套筒之间在端侧上构造与所述环形空间分开的中间空间。

附图说明

本发明的实施例在附图的图1至5中示出并在下面进行解释。

具体实施方式

图1a示出了作为本发明的第一实施例的用于检验内燃机的废气中的氧气的气体传感器1。所述气体传感器为具有陶瓷的传感器元件10的宽带拉姆达探测器，所述陶瓷的传感器元件被固定在壳体11中。宽带拉姆达探测器具有双壁的保护管20，该保护管在本示例中由内部的保护套筒22和外部的保护套筒21组成。内部的保护套筒22包围气体空间30，传感器元件10以测量气体侧的区段101伸入到所述气体空间中。在外部的保护套筒21和内部的保护套筒22之间构造了环形空间31。外部的保护套筒21具有外周面211和端侧213。在本示例中，在外周面211和端侧213之间构造了环形凸肩215和连接区域216。

在外部的保护套筒21的外周面211上，呈涡流翻板212a形式的开口212被构造在环绕的孔环上，测量气体在围绕气体传感器1的纵向轴线100旋转的情况下穿过所述开口。涡流翻板212a在本示例中被构造为向内弯曲的节段。替代性地，涡流翻板212a也可以始终被构造为向外弯曲的节段。

内部的保护套筒22具有外周面221和端侧223。在本文中，内部的保护套筒22完全地被构造在外部的保护套筒21中，内部的保护套筒22的端侧223沿气体传感器的纵向方向尤其不超过外部的保护套筒21的端侧213伸出并且在内部的保护套筒22和外部的保护套筒21之间构造了与环形空间31流体地分开的中间空间32。

内部的保护套筒22具有在孔环上被构造为孔的开口222，测量气体可以通过该开口从环形空间31进入到气体空间30中。

拉姆达探测器的传感器元件10是具有被构造在其内部的空腔103a和具有两个电极104a、104b的电化学的单池103b的陶瓷体，所述两个电极之一被布置在空腔103a中。传感器元件10还具有气体流入孔105，该气体流入孔将气体空间30与空腔103a连接，如也可从图1b中看见的那样。

规定了如下，内部的保护套筒22的开口222和气体流入孔105被布置在气体传感器1的纵向延伸尺度中的相同的高度上，使得通过内部的保护套筒22的开口222的进入到气体空间30中的测量气体可以直接通过气体流入孔105进入到空腔103a中。

通过这种方式，内部的保护管22的开口222相对于气体流入孔105或内部的内腔103a以功能优化的方式定向。

内部的保护套筒22在其端侧223上具有总共八个孔224，如从图1c可见的那样，所述图1c示出了图1a中所示的带有移除的外部的保护套筒21的气体传感器1。

在图2a和2b中可以看到被修改的实施方式。在此，与参照图1a和1c所示的实施方式不同，内部的保护套筒22在其端侧223上具有仅两个开口224，所述开口通过压入节段而被构造为翻板225。

在图2c中可以看到另一个被修改的实施方式。与参照图1a和1c所示的实施方式不同，外部的保护套筒21具有位于两个孔环上的开口212、212'，所述开口当沿气体传感器的纵向方向100观察时被相继地布置。开口212、212'构造为涡流元件212a、212a'，从而它们在围绕气体传感器1的纵向轴线100旋转的情况下将测量气体引入到环形空间31中。位于远端的孔环上的涡流元件212a、212a'在此产生与由位于近端的孔环上的涡流元件212a、212a'所产生的旋转相反的旋转。

参考图3a和3b以及4示出了本发明的第二实施例。该第二实施例与前面所示出的第一实施例的不同之处在于，内部的保护管22的开口222被构造为其他的涡流翻板222a。进入气体空间30中的流动在此尤其再次被直接对准到传感器元件的气体流入孔105上。

图3a在此示出了一种实施方式，在该实施方式中，外部的保护套筒21的涡流翻板212a和内部的保护套筒22的其他的涡流翻板222a被定向在相同的方向上。图3b在此示出了一种实施方式，在该实施方式中，外部的保护套筒21的涡流翻板212a和内部的保护套筒22的其他的涡流翻板222a被定向在相反的方向上。

图3c相应地示出了关于图2a、2b、3a和3b中所示的实施方式的修改方案。在此规定，所述内部的保护管22在其端侧上仅具有一个中央的圆形的开口224。该开口224相对较大，例如具有不小于所述内部的保护套筒22的内直径的一半的开口直径。此外，在这些修改方案中规定，所述外部的保护管21在其端侧上具有两个开口214，所述开口通过压入节段而被构造为翻板215。该修改方案进一步提高了气体传感器的动态性，因为流动阻力被减小到最小。

在朝向保护管20的虚拟俯视图中，在图4中示出了用于定向外部的保护套筒21的涡流翻板212a的和内部的保护套筒22的其他的涡流翻板222a的各种实施方式。而例如在图4a和图4c中示出了这样的实施方式，在所述实施方式中，测量气体可以以较高的动态性从环形空间31流入到气体空间30中，而图4b和4d示出了这样的实施方式，在所述实施方式中，为此需要流动的转向，这也就是说降低了传感器的动态性，然而另一方面非常有利地可以保护传感器元件10免于受到可能存在于测量气体中的水滴的侵入。

图5a示出了作为本发明的第三实施例的用于通过陶瓷的传感器元件10检验废气中的烟灰的颗粒传感器，该陶瓷的传感器元件被固定在壳体11中。颗粒传感器具有双壁的保护管20，在该示例中该保护管由内部的保护套筒22和外部的保护套筒21组成。内部的保护套筒22包围气体空间30，传感器元件10以测量气体侧的区段101伸入到该气体空间中。在外部的保护套筒21和内部的保护套筒22之间构造环形空间31。外部的保护套筒21具有外周面211和端侧213。

在外部的保护套筒21的外周面211上，呈涡流翻板212a形式的开口212被构造在环绕的孔环上，测量气体在围绕气体传感器1的纵向轴线100旋转的情况下穿过所述开口。涡流翻板212a在本示例中被构造为向内弯曲的节段。所述节段可以相对于气体传感器的纵向轴线100以0°至90°的角度定向，在该示例中其为45°。

替代性地，涡流翻板212a也可以始终被构造为向外弯曲的节段。

颗粒传感器的传感器元件10的测量气体侧的区段101在图5d中被放大并且根据图5a中的从右向左的观察方向以俯视图示出。传感器元件10仅在其面向图5d中的观察者的一侧上具有叉指电极106。叉指电极106由两个相互啮合的梳状的导体结构106a、106b组成。

内部的保护套筒22在其外周面221上刚好具有一个被构造为孔的开口222，该开口在该示例中是被构造为长形，其中其长侧朝向气体传感器1的纵向方向。

规定了如下,内部的保护管22的开口222和传感器元件10的叉指电极106面向彼此，使得通过内部的保护套筒22的开口222进入到气体空间30中的测量气体直接加载叉指电极106。

通过这种方式，内部的保护管22的开口222关于叉指电极106以功能优化的方式定向。

图5b示出了一个替代性的实施方式，在该实施方式中，替代构造为细长的孔的开口222设有构造为固定的孔的多个开口222，所述开口沿气体传感器1的纵向方向被上下地布置。

图5c示出另一替代性的实施方式，在该实施方式中，被构造为细长的孔的第二开口222添加至被构造为细长的孔的开口222，其中两个开口222沿内部的保护管22的周向以例如25°（或以45°或甚至以90°）彼此偏移并且，类似于开头所示出的第三实施例的实施方式，总体上面向传感器元件10的叉指电极106。

此外实现了在圆周方向上设置、例如冲压多个开槽或多排上下地布置的开口。

在第三实施例中所示出的保护管20的情况下，通过内部的保护套筒22在外部的保护套筒21的被构造为环形凸肩215的端侧213上贯穿所述外部的保护套筒21，该内部的保护套筒22沿纵向方向超过外部的保护套筒21伸出。

Claims (16)

1.一种气体传感器，其用于通过陶瓷的传感器元件（10）检验测量气体的组成成份，所述传感器元件（10）被固定在壳体（11）中，并且所述气体传感器具有带有外部的保护套筒（21）和内部的保护套筒（22）的双壁的保护管（20），其中，所述内部的保护套筒（22）包围气体空间（30），所述传感器元件（10）以测量气体侧的区段（101）沿所述气体传感器的纵向轴线（10）伸入到所述气体空间中，并且其中在所述外部的和内部的保护套筒（21、22）之间构造有环形空间（31），其中所述外部的保护套筒（21）具有带有被构造为涡流元件（212a）的至少一个开口（212）的外周面（211），通过所述外部的保护套筒（21）的至少一个开口（212）测量气体在围绕所述气体传感器（1）的纵向轴线（100）旋转的情况下能够进入到所述环形空间（31）中，其特征在于，所述内部的保护套筒（22）具有关于所述传感器元件（10）的敏感的区域（102）定向的以功能优化的方式定向的至少一个开口（222），通过所述内部的保护套筒（22）的至少一个开口（222）测量气体能够从所述环形空间（31）进入到所述气体空间（30）中并且在穿过所述内部的保护套筒（22）的至少一个开口（222）时由于所述内部的保护套筒（22）的至少一个开口（222）的定向在此沿纵向方向被转向到所述传感器元件（10），其中所述内部的保护套筒（22）的所述至少一个开口（222）被构造为其他的涡流元件（222a）。

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（1）为氧气传感器，其传感器元件（10）具有被构造在其内部中的空腔（103a）和电化学的单池（103b），所述电化学的单池（103b）具有两个电极（104a、104b），所述两个电极中的至少一个被布置在所述空腔（103a）中，所述传感器元件（10）具有将所述气体空间（30）与所述空腔（103a）连接的气体流入孔（105）。

3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述内部的保护套筒（22）的至少一个开口（222）被构造为在所述内部的保护套筒（22）的圆周上环绕的孔环。

4.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述内部的保护套筒（22）在端侧具有至少另一个开口（224），所述至少另一个开口（224）被构造为呈翻板（225）形式。

5.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（1）为颗粒传感器，其传感器元件（10）具有仅沿所述传感器元件（10）的外周的一部分布置的叉指电极（106），所述内部的保护套筒（22）的至少一个开口（222）仅沿所述内部的保护套筒（22）的外周的一部分构造而成，并且所述叉指电极（106）在径向上面向所述内部的保护套筒（22）的至少一个开口（222）。

6.根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，所述内部的保护套筒（22）的至少一个开口（222）具有细长的形状，其长侧朝向所述气体传感器（1）的纵向方向。

7.根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，所述内部的保护套筒（22）的至少一个开口（222）由多个开口（222）组成，所述开口相继地被布置在所述气体传感器（1）的纵向方向上。

8.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述其他的涡流元件（222a）与所述外部的保护套筒（212a）的涡流元件（212a）在圆周方向上沿相同方向定向。

9.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述其他的涡流元件（222a）与所述外部的保护套筒（212a）的涡流元件（212a）在圆周方向上沿相反方向定向。

10.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述内部的保护套筒（22）的端侧（223）超过所述外部的保护套筒（21）的端侧（213）沿纵向方向伸出。

11.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述内部的保护套筒（22）的端侧（223）在纵向方向上不超过所述外部的保护套筒（21）的端侧（213）伸出，并且在所述内部的保护套筒（22）和所述外部的保护套筒（21）之间在端侧上构造有中间空间（32），所述中间空间与所述环形空间（31）流体地分开。

12.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述外周面（211）具有被构造为涡流元件（212a'）的至少另一个开口（212'），通过所述外周面（211）的至少另一个开口（212'）测量气体在围绕所述气体传感器（1）的所述纵向轴线（100）沿与所述旋转相反方向进行旋转的情况下能够进入到所述环形空间（31）中。

13.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述外部的保护套筒（21）具有位于两个孔环上的开口（212、212'），当沿所述气体传感器的纵向方向（100）来观察时，所述位于两个孔环上的开口（212、212'）被相继地布置并且所述位于两个孔环上的开口（212、212’）被构造为涡流元件，使得所述位于两个孔环上的开口（212、212’）在围绕所述气体传感器（1）的所述纵向轴线（100）进行旋转的情况下将测量气体引入到所述环形空间（31）中，并且位于远端的孔环上的涡流元件产生的旋转与由位于近端的孔环上的涡流元件所产生的旋转方向相反。

14.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，所述外部的保护套筒（21）具有至少两个端侧的开口（214），所述至少两个端侧的开口（214）通过压入节段而被构造为翻板（215）。

15.根据权利要求14所述的气体传感器，其特征在于，所述内部的保护管（22）在其端侧上仅具有一个中央的圆形的开口（224），所述中央的圆形的开口（224）的开口直径不小于所述内部的保护套筒（22）的内直径的一半。

16.根据权利要求4所述的气体传感器，其特征在于，所述至少另一个开口（224）以翻板（225）的形式被构造为压入到所述气体空间中的节段。

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