DE112018006081B4

DE112018006081B4 - Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE112018006081B4
Application number: DE112018006081.0T
Authority: DE
Inventors: Yuto TAMEI; Hirofumi Noda; Takehito Kimata; Takashi Araki
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2038-11-23
Also published as: US11448574B2; DE112018006081T5; JP6984356B2; US20200292421A1; CN111406207B; WO2019107262A1; CN111406207A; JP2019100776A

Abstract

Sensorvorrichtung (S) aufweisend:ein Sensorelement (2), das mit einer Erfassungssektion (21) zum Erfassen einer spezifischen Komponente in einem Gas, das gemessen wird, vorgesehen ist;ein Gehäuse (H) mit dem Sensorelement, das in einen Innenraum hiervon eingesetzt ist, sodass die Erfassungssektion am Spitzenende des Sensorelements hinsichtlich einer axialen Richtung (X) positioniert ist; undeine Elementabdeckung (1), die am Spitzenende des Gehäuses angeordnet ist, wobeidie Elementabdeckung eine innere Abdeckung (11), die angeordnet ist, um das Spitzenende des Sensorelements abzudecken und eine äußere Abdeckung (12), die mit einem Raum zwischen sich und einem äußeren Umfang der inneren Abdeckung angeordnet ist, aufweist;die innere Abdeckung eine Seite (111) und eine Spitzenfläche (112) aufweist, die jeweils mit innerseitigen Löchern (11a) und einem Loch in der inneren Spitzenfläche (11b) vorgesehen sind, durch welche das Gas, das gemessen wird, strömt;die äußere Abdeckung (12) mit außenseitigen Löchern (12a) in einer Seite (121) vorgesehen ist, durch welche das Gas, das gemessen wird, strömt und wobei die Spitzenposition der außenseitigen Löcher näher am Spitzenende ist als die Spitzenposition der inneren Abdeckung;ein Strömungspfad (3), der zwischen der äußeren Oberfläche des inneren Abdeckung und der inneren Oberfläche der äußeren Abdeckung vorgesehen ist, eine Sektion (31) mit großen Zwischenraum, die eine maximale Zwischenraumgröße aufweist, an der Außenseite des Spitzenendes des inneren Abdeckung und eine Sektion (32) mit kleinem Zwischenraum, die eine minimale Zwischenraumgröße aufweist, die näher am Basisende ist, als die Sektion mit großen Zwischenraum, aufweist und wobei der Strömungspfad eine Form aufweist, wodurch die Sektion mit großen Zwischenraum und die Sektion mit kleinem Zwischenraum ohne Stufe an einer Position, die näher an dem Spitzenende des Sensorelements liegt, verbunden sind, wobei das Zwischenraumverhältnis d1/d2 größer als 2,45 ist, wenn die Zwischenraumgröße der Sektion mit großem Zwischenraum in einer Richtung rechtwinklig zur axialen Richtung mit d1 bezeichnet wird und die Zwischenraumgröße der Sektion mit kleinem Zwischenraum in einer Richtung rechtwinklig zur axialen Richtung mit d2 bezeichnet, und wobeidie Seite (111) der inneren Abdeckung hinsichtlich der axialen Richtung von einer am weitesten am Spitzenende in der Sektion mit kleinem Zwischenraum liegenden Seite bis zu der Spitzenfläche der inneren Abdeckung linear kegelförmig ist.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-229645 , eingereicht am 29. November 2017, deren Offenbarung vollinhaltlich durch Bezugnahme aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung einer spezifischen Komponente in einem Gas, das messen wird.
HINTERGRUND
Es ist ein Abgasreinigungssystem bekannt, das eine Sensorvorrichtung zur Erfassung einer spezifischen Komponente in einem Gas und eine Reinigungsvorrichtung, wie etwa eine Filtervorrichtung oder eine Katalysatorvorrichtung, enthält, die im Abgasdurchlass eines Verbrennungsmotors vorgesehen sind. Die Sensorvorrichtung ist beispielsweise ein Feinstaubsensor, welcher Feinstaub (im Folgenden wenn geeignet als PM bezeichnet) erfasst und an einer stromabwärtigen Position von einer Filtervorrichtung, welche dazu dient PM anzusammeln, angeordnet ist, um zu beurteilen, ob ein Filterfehler auftritt. Darüber hinaus ist ein Abgassensor, wie etwa ein Sauerstoffsensor, stromaufwärts oder stromabwärts von der Katalysatorvorrichtung angeordnet.
Solch eine Sensorvorrichtung enthält im Allgemeinen ein Sensorelement, das in einem Gehäuse eingesetzt ist und aus dem Gehäuse vorsteht, wobei eine Elementabdeckung den äußeren Umfang des Sensorelements umgibt. Das Sensorelement enthält eine Erfassungssektion an seiner Spitze (dem vorstehenden Ende), welche durch die Elementabdeckung geschützt wird und erfasst eine spezifische Komponente, die im Abgas, das in die die Elementabdeckung angesaugt wird, enthalten ist. Wie in der PTL 1 beschrieben, ist die Elementabdeckung im Allgemeinen als eine einzelne oder doppelte Abdeckung konfiguriert.
Bei dem Gassensor, der in der PTL 1 beschrieben ist, ist die Elementabdeckung beispielsweise eine doppelte Abdeckung, bei welcher eine innere Abdeckung innerhalb einer äußeren Abdeckung, die am äußeren Umfang der inneren Abdeckung angebracht ist, positioniert ist, wodurch, nachdem das Abgas in einen Raum, der zwischen den zwei Abdeckungen ausgebildet ist, durch Gasströmungslöcher, die in einem äußeren Umfangsteil der äußeren Abdeckung, am Basisende, ausgebildet sind, eingetreten ist und diesen Raum durchströmt hat, das Abgas in den Innenraum der inneren Abdeckung durch ein Gasströmungsloch, das in einem zwischenliegenden äußeren Umfangsabschnitt der inneren Abdeckung ausgebildet ist, eingeleitet wird. Die Spitzenfläche der inneren Abdeckung ist innerhalb der Gasströmungslöcher, die in der äußeren Abdeckung ausgebildet sind, positioniert, wobei das Abgas, das mit dem Sensorelement in Kontakt kommt, zum Außenraum von einem Gasströmungsloch, das in der Spitzenfläche der inneren Abdeckung ausgebildet ist, ausströmt.
PATENTLITERATUR
[PTL 1] JP 2016 - 90 569 A
Weiterer Stand der Technik ist in den folgenden Dokumenten offenbart.
US 6 348 141 B1 offenbart einen Gassensor. Die Summe aus dem in axialer Richtung nächstgelegenen Abstand zwischen einer äußeren Gaseintrittsöffnung einer äußeren Schutzabdeckung und einem an einem Flansch einer mittleren Schutzabdeckung vorgesehenen Schlitz und dem in axialer Richtung nächstgelegenen Abstand zwischen dem Schlitz der mittleren Schutzabdeckung und einer inneren Gaseintrittsöffnung einer inneren Schutzabdeckung beträgt mindestens 10 mm. In radialer Richtung zwischen der äußeren Schutzabdeckung und der Zwischenschutzabdeckung und in radialer Richtung zwischen der äußeren Schutzabdeckung und der inneren Schutzabdeckung sind Lücken zur Vermeidung von Wasseransammlungen aufgrund von Grenzspannungen vorgesehen.
EP 3 006 931 A1 offenbart einen Gassensor. Der Gassensor hat einen Gasströmungskanal, der in einer inneren Schutzabdeckung ausgebildet ist. Der Gasströmungskanal ist in dem Weg des gemessenen Gases von einer ersten äußeren Gasöffnung, die in einer äußeren Schutzabdeckung ausgebildet ist, die das Spitzenende eines Sensorelements abdeckt, zu einer Gaseinlassöffnung des Sensorelements ausgebildet. Der Gasströmungskanal erstreckt sich von der hinteren Endseite zur Spitzenendseite des Sensorelements und ist zur Sensorelementkammer offen, in der die Gaseinlassöffnung angeordnet ist. Darüber hinaus ist eine elementseitige Öffnung in einem Abstand von der Gaseinlassöffnung ausgebildet, und der Abstand ist größer oder gleich -5 mm und kleiner oder gleich 1,5 mm. Darüber hinaus umfasst die innere Schutzabdeckung ein erstes Element und ein zweites Element, und der Gasströmungskanal ist als ein Spalt zwischen dem ersten Element und dem zweiten Element ausgebildet.
WO 2017/047511 A1 offenbart einen Gassensor. Der Gassensor umfasst ein Sensorelement, das eine bestimmte Gaskonzentration in gemessenen Gasen detektiert, ein Gehäuse, das den darin eingesetzten Gassensor aufnimmt, und einen Elementdeckel, der an dessen axialer Stirnseite angeordnet ist, wobei an der axial vorderen Stirnseite des Sensorelements eine Gaseinleitungseinheit vorgesehen ist. Die Elementabdeckung umfasst eine innere Abdeckung und eine äußere Abdeckung, die außerhalb der inneren Abdeckung mit einem Zwischenraum dazwischen angeordnet ist. Eine innere Seitenflächen-Durchflussöffnung, die in der inneren Abdeckung vorgesehen ist, ist an der in axialer Richtung gelegenen Basisendseite in Bezug auf einen abgestuften Abschnitt mit reduziertem Durchmesser vorgesehen. Ein Abstand in der axialen Richtung zwischen dem vorderen Ende des Sensorelements und einer Basisendposition der inneren Seitenflächen-Durchflussöffnung beträgt höchstens 1,6 mm.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei der konventionellen Konfiguration der Elementabdeckung, die in der PTL 1 beschrieben ist, wurde herausgefunden, dass unter Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors, bei welcher das Abgas eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit aufweist, die Gasströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Elementabdeckung verringert wird, wobei sich die Erfassungsempfindlichkeit oder die Ausgabereaktion des Sensorelements verschlechtert. Zum Beispiel wird, wenn ein Verbrennungsmotor gestartet wird, problemlos Feinstaub abgeführt und daher wäre es wünschenswert, die Erfassungsempfindlichkeit des PM Sensors unter dieser Bedingung zu verbessern, wobei es jedoch für die Strömung des Abgases, das Feinstaub enthält, schwierig wird, die Erfassungssektion zu erreichen, wenn die Gasströmungsgeschwindigkeit innerhalb der Elementabdeckung abgesenkt wird. Auf der anderen Seite kann zur Zeit des Motorstarts Wasserkondensat, das im Abgasdurchlass vorhanden ist, problemlos durch die Gasströmungslöcher in der Spitze eintreten und das verursacht, falls dieses am Sensorelement verbleibt, eine Rissbildung infolge von Feuchtigkeit (im Folgenden als Wasserrissbildung bezeichnet).
Bei einer weiteren Konfiguration einer Elementabdeckung, die in der PTL 1 beschrieben ist, ist die Spitzenfläche einer inneren Abdeckung, die im Inneren einer doppelten Abdeckung positioniert ist, getrennt von einer Spitzenfläche einer äußeren Abdeckung angeordnet, wobei mit der äußeren Abdeckung, die außerhalb der inneren Abdeckung positioniert ist, ein Raum zwischen den Spitzenflächen der äußeren Abdeckung und der inneren Abdeckung ausgebildet wird und dabei auch der Durchmesser der inneren Abdeckung am Spitzenende reduziert wird. Bei dieser Konfiguration wird das Abgas von den Gasströmungslöchern, die an einem Spitzenteil des äußeren Umfangs der äußeren Abdeckung öffnen, eingeleitet und durchläuft dann, nach Durchströmen des Raumes zwischen den zwei Spitzenflächen, einen Raum am Umfang des Abschnitts mit reduziertem Durchmesser der inneren Abdeckung in Richtung der Gasströmungslöcher am Basisende der inneren Abdeckung.
Bei dieser Konfiguration öffnet das Gasströmungsloch in der Spitzenfläche der inneren Abdeckung nicht direkt zum Außenraum und verhindert dadurch, dass das Sensorelement feucht wird. Jedoch erzeugt die Strömung des Gases in den Raum außerhalb der inneren Abdeckung an einer Stufenoberfläche des Abschnitts mit reduziertem Durchmesser eine große Wirbelströmung, was verursacht, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit verringert, wobei herausgefunden wurde, dass die Gasströmung in Richtung der inneren Abdeckung unzureichend ausgebildet wird, insbesondere wenn die Strömungsgeschwindigkeit niedrig ist. Es wird dadurch schwierig, dass Feinstaub die Erfassungssektion innerhalb der inneren Abdeckung erreicht, was verursacht, dass die Erfassungsempfindlichkeit des PM Sensors abgesenkt wird und darüber hinaus kann die Ausgabereaktion des Sensors, wenn dieser als Abgassensor verwendet wird, reduziert werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung die Gasströmungsrate in Richtung der Erfassungssektion des Sensorelements durch Unterdrücken der Erzeugung von Wirbelströmen in der Elementabdeckung für ein Sensorelement, das innerhalb einer Elementabdeckung, die eine Konfiguration einer Doppel-Abdeckung aufweist, aufgenommen ist, zu erhöhen und dadurch eine Sensorvorrichtung, die eine Erfassungssektion aufweist, vorzusehen, welche eine verbesserte Leistung bei der Erfassung einer spezifischen Komponente aufweist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der sich daran anschließenden Ansprüche.
Gemäß eines Aspekts sieht die vorliegende Offenbarung eine Sensorvorrichtung vor, die enthält:

ein Sensorelement, das eine Erfassungssektion zur Erfassung einer spezifischen Komponente in einem zu messenden Gas aufweist,
ein Gehäuse, das das Sensorelement, das in den Innenraum hiervon eingesetzt ist, aufweist, das mit der Erfassungssektion, positioniert am Spitzenende des Sensorelements hinsichtlich der axialen Richtung, gehalten wird, und
eine Elementabdeckung am Spitzenende des Gehäuses,
wobei die Elementabdeckung eine innere Abdeckung, die angeordnet ist, um das Spitzenende des Sensorelements abzudecken und eine äußere Abdeckung, die mit einem Raum zwischen sich und dem äußeren Umfang der inneren Abdeckung angeordnet ist, aufweist;
wobei:
- die innere Abdeckung eine Seite mit einem innenseitigen Loch, das darin vorgesehen ist, und eine Spitzenfläche, in dem ein Loch in der inneren Spitzenfläche vorgesehen ist, durch welches das zu messende Gas strömt, aufweist,
- die äußere Abdeckung mit außenseitigen Löchern an einer Seite hiervon vorgesehen ist, durch welche das zu messende Gas strömt, wobei die Spitzenposition der außenseitigen Löcher näher am Spitzenende positioniert ist als die Spitzenposition der inneren Abdeckung; und,
  - ein Strömungspfad, der zwischen der äußeren Oberfläche der inneren Abdeckung und der inneren Oberfläche des äußeren Abdeckung vorgesehen ist, eine Sektion mit großem Zwischenraum außerhalb des Spitzenendes der inneren Abdeckung, welche eine maximale Zwischenraumgröße darstellt, und eine Sektion mit kleinem Zwischenraum, welche eine minimale Zwischenraumgröße darstellt, aufweist, wobei die Sektion mit kleinem Zwischenraum näher am Basisende angeordnet ist als die Sektion mit großem Zwischenraum und die Form des Strömungspfads so vorgesehen ist, dass die Sektion mit großem Zwischenraum und die Sektion mit kleinem Zwischenraum ohne Stufe miteinander verbunden sind, wobei das Zwischenraumverhältnis d1/d2 größer als 2,45 ist, wenn die Zwischenraumgröße der Sektion mit großem Zwischenraum in einer Richtung rechtwinklig zur axialen Richtung mit d1 bezeichnet wird und die Zwischenraumgröße der Sektion mit kleinem Zwischenraum in einer Richtung rechtwinklig zur axialen Richtung mit d2 bezeichnet, und wobei die Seite der inneren Abdeckung hinsichtlich der axialen Richtung von einer am weitesten am Spitzenende in der Sektion mit kleinem Zwischenraum liegenden Seite bis zu der Spitzenfläche der inneren Abdeckung linear kegelförmig ist.

Bei einer Sensorvorrichtung, die die vorher beschriebene Konfiguration aufweist, strömt das Gas, das gemessen werden soll, von einem außenseitigen Loch der äußeren Abdeckung in den Innenraum der Elementabdeckung und durchläuft den Raum am Spitzenende der inneren Abdeckung in Richtung eines außenseitigen Lochs, das der Strömungsrichtung des Gases zugewandt positioniert ist, wobei ein Teil dieser Gasströmung einen Strömungspfad zwischen den Seiten der äußeren Abdeckung und der inneren Abdeckung durchläuft. Dieser Strömungspfad ist so geformt, dass dort keine Stufe ist, wodurch eine Verringerung einer Strömungsgeschwindigkeit infolge der Erzeugung von Wirbelströmen verhindert wird und darüber hinaus wird die Strömungsgeschwindigkeit durch sukzessive Reduzierung der Querschnittsfläche des Strömungspfads von der Zwischenraumgröße in der Sektion mit großem Zwischenraum am Spitzenende bis zur Zwischenraumgröße in der Sektion mit kleinem Zwischenraum am Basisende erhöht.
Da das Gas, das gemessen werden soll, von einem innenseitigen Loch zur Erfassungssektion mit einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit eingeleitet wird, kann die Zuführungsströmungsrate zur Erfassungssektion erhöht und daher die Erfassungsempfindlichkeit und die Ausgabereaktion verbessert werden. Zusätzlich wird, da kein Gasströmungsloch in der Spitzenfläche der äußeren Abdeckung benötigt wird, verhindert, dass das Gas, das gemessen werden soll, direkt in das Loch in der inneren Spitzenfläche der inneren Abdeckung strömt, sodass Wasserrissbildung am Sensorelement verhindert werden kann.
Wie vorher beschrieben, wird gemäß des vorherigen Aspekts bei einer Konfiguration, bei welcher ein Sensorelement in einer Elementabdeckung, die eine Doppel-Behälter-Struktur aufweist, aufgenommen ist, die Erzeugung von Wirbelströmen innerhalb der Elementabdeckung unterdrückt und die Geschwindigkeit der Gasströmung in Richtung der Erfassungssektion des Sensorelements erhöht, wobei es dadurch möglich wird, eine Sensorvorrichtung vorzusehen, die eine Erfassungssektion mit verbesserter Leistung bei der Erfassung einer spezifischen Komponente aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorherigen Aufgaben und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch die folgende genaue Beschreibung unter Bezugnahme der beigefügten Zeichnungen klarer herausgestellt. Die Zeichnungen:

1 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptteils eines PM Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist eine gesamt-perspektivische Ansicht eines Sensorelements des PM Sensors der ersten Ausführungsform.
3 ist eine Querschnittsansicht in axialer Richtung, die eine allgemeine Konfiguration des PM Sensors der ersten Ausführungsform zeigt.
4 ist ein Diagramm einer allgemeinen Konfiguration, das ein Beispiel eines Abgasreinigungssystems zeigt, das den PM Sensor der ersten Ausführungsform enthält.
5 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptteils der ersten Ausführungsform, zur Beschreibung der Gasströmung innerhalb der Elementabdeckung des PM Sensors.
6 zeigt vergrößerte Querschnittsansichten eines Hauptteils der Elementabdeckung des PM Sensors gemäß der ersten Ausführungsform zum Vergleich zwischen Effekten einer Anordnung (a) der außenseitigen Löcher in der Elementabdeckung und Effekten, bei Änderung zu einer anderen Anordnung (b) der außenseitigen Löcher in der Elementabdeckung.
7 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptteils des PM Sensors, die schematisch das Ergebnis einer CAE Analyse der Gasströmung im Inneren der Elementabdeckung der ersten Ausführungsform zeigt.
8 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptteils eines PM Sensors, die schematisch das Ergebnis einer CAE Analyse der Gasströmung im Inneren einer konventionellen Elementabdeckung zeigt,
9 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptteils eines PM Sensors, zur Beschreibung eines Zwischenraumverhältnisses d1/d2 der Elementabdeckung der ersten Ausführungsform.
10 ist ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Zwischenraumverhältnis d1/d2 und einer Anstiegszeit der Ausgabe in einem Evaluationstest zeigt,
11 zeigt ein Diagramm einer allgemeinen Konfiguration einer Erfassungssektion der ersten Ausführungsform, zur Beschreiben der Erfassungsprinzipien des Sensorelements und ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Erfassungszeit veranschaulicht.
12 zeigt eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptteils der Elementabdeckung des PM Sensors gemäß der ersten Ausführungsform, jeweils zum Vergleich zwischen Elementabdeckungsformen beim Zwischenraumverhältnis d1/d2 = 2,5 und beim Zwischenraumverhältnis d1/d2 = 1,7.
13 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptteils eines PM Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform.
14 ist eine gesamt-perspektivische Ansicht des Sensorelements des PM Sensors der zweiten Ausführungsform.
15 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Hauptteils eines PM Sensors gemäß einer dritten Ausführungsform.

AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Erste Ausführungsform)
Die Ausführungsformen werden im Folgenden mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben. Wie in den 1 bis 3 gezeigt, entspricht eine Sensorvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform einem PM Sensor S zum Erfassen von Feinstaub und wird beispielsweise als eine Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors E, der in 4 gezeigt ist, angewandt. In 1 enthält der PM Sensor S ein Sensorelement 2, das eine Erfassungssektion 21, ein Gehäuse H, in welches das Sensorelement 2, das darin hinsichtlich der axialen Richtung X mit der Erfassungssektion 21 an der Spitze des Sensorelements 2 gehalten wird, eingesetzt ist und eine Elementabdeckung 1, die am Spitzenende des Gehäuses H angeordnet ist, aufweist.
Der Verbrennungsmotor E ist beispielsweise ein Dieselmotor oder eine Kraftstoffmaschine eines Kraftfahrzeuges, wobei die Erfassungssektion 21 des Sensorelements 2 Feinstaub, das eine spezifische Komponente, die im Abgas, welches das zu messende Gas ist, enthalten ist, erfasst. Die axiale Richtung X des PM Sensors S ist in den 3 und 4 als die vertikale Richtung gezeigt, wobei das Spitzenende dem unteren Ende und das Basisende dem oberen Ende entspricht.
In 1 weist die Elementabdeckung 1 eine innere Abdeckung 11, die koaxial zum PM Sensor S angeordnet ist, um das Spitzenende des Sensorelements 2 hinsichtlich der axialen Richtung X abzudecken und eine äußere Abdeckung 12, die außerhalb der inneren Abdeckung 11 mit einem Raum zwischen der inneren Abdeckung 11 und der äußeren Abdeckung 12 angeordnet ist, auf. Ein innerseitiges Loch 11a und ein Loch in der inneren Spitzenfläche 11b, durch welche Gas, das gemessen werden soll, strömt, sind jeweils an der Seite 111 und in der Spitzenfläche 112 der inneren Abdeckung 11 vorgesehen. Zusätzlich ist die äußere Abdeckung 12 mit außenseitigen Löchern 12a an der Seite 121, durch welche das Gas, das gemessen werden soll, strömt, vorgesehen, wobei die Spitzenposition der außenseitigen Löcher 12a näher am Spitzenende ist, als die Spitzenfläche 112 der inneren Abdeckung 11.
In der Elementabdeckung 1 weist der Strömungspfad 3, der zwischen der Außenseite der inneren Abdeckung 11 und der Innenseite des äußeren Abdeckung 12 vorgesehen ist, eine Sektion mit großem Zwischenraum 31 auf, die die maximale Zwischenraumgröße außerhalb des Umfangs der Spitzenfläche 112 der inneren Abdeckung 11 darstellt. Der Strömungspfad 3 weist auch eine Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 auf, die die minimale Zwischenraumgröße darstellt, die näher am Basisende als die Sektion mit großem Zwischenraum 31 ist, wobei der Strömungspfad 3 mit einer Form ausbildet ist, bei welcher der Teil mit großem Zwischenraum 31 und der Teil mit dem kleinen Zwischenraum 32 ohne Stufe miteinander verbunden sind. Die Konfiguration der Elementabdeckung 1 wird im Folgenden genau beschrieben.
Wie in 3 gezeigt, weist der PM Sensor S das Sensorelement 2 auf, das koaxial innerhalb des zylindrischen Gehäuses H enthalten ist, wobei die Elementabdeckung 1 so angebracht ist, dass die Öffnung am Spitzenende H1 des Gehäuses H abgedeckt und die Erfassungssektion 21 des Sensorelements geschützt ist, welche von der Öffnung am Spitzenende H1 vorsteht. Der PM Sensor S ist beispielsweise durch Verschrauben in die Abgasrohrwand des Verbrennungsmotors E, gezeigt in 4, mittels eines Verschraubungselements H2, das am äußeren Umfang des Gehäuses H vorgesehen ist, angebracht, wobei das Spitzenende des PM Sensors S in den Abgasdurchlass EX vorsteht.
Wie in 4 gezeigt, ist ein Dieselpartikelfilter (im Folgenden als DPF bezeichnet) an einer zwischenliegenden Position entlang des Abgasdurchlasses EX montiert und der PM Sensor S stromabwärts vom DPF 10 positioniert, um Feinstaub (im Diagramm als „PM“ angegeben), der im Abgas G enthalten ist, zu erfassen. Der Feinstaub, der den DPF 10 durchläuft, kann dabei erfasst werden, wobei beispielsweise ermöglicht wird, dass ein Teil eines Abnormitätsdiagnosesystems für den DPF 10 konfiguriert wird. An Positionen, die stromabwärts vom DPF 10 sind, ist die Strömungsrichtung des Abgases G rechtwinklig zur axialen Richtung X des PM Sensors S.
Wie in 2 gezeigt, entspricht das Sensorelement 2 einem beschichteten Element mit einer vielschichtigen Struktur, das ein Isoliersubstrat 22, das als ein rechtwinkliges Parallelepiped geformt ist, mit einer Erfassungssektion 21 an der Spitzenoberfläche hiervon und Elektroden 23 und 24, die freigelegt sind, aufweist. Das Isoliersubstrat 22 ist beispielsweise durch Brennen eines Schichtstoffes ausgebildet, in welchem Elektrodenschichten, die die Elektroden 23 und 24 darstellen, alternierend zwischen einer Vielzahl von Isolationsplatten, welche das Isoliersubstrat 22 darstellen werden, angeordnet werden. Zu dieser Zeit werden Eckabschnitte der Elektroden 23 und 24, welche zumindest teilweise im Isoliersubstrat 22 eingebettet sind, linear an der Spitzenoberfläche des Isoliersubstrats 22 freigelegt, wobei sie eine Vielzahl von Elektrodenpaaren darstellen, die aus linearen Elektroden, die abwechselnd verschiedene Polaritäten aufweisen, bestehen. Zuleitungsabschnitte 23a und 24a, die mit den Elektroden 23 und 24 verbunden sind, sind im Inneren des Isoliersubstrates 22 angeordnet und mit Anschlusselektroden 25 und 26, die am Basisende des Isoliersubstrats 22 ausgebildet sind, verbunden.
Das Isoliersubstrat 22 kann beispielsweise unter Verwendung von isolierendem keramischem Material wie etwa Aluminium ausgebildet sein. Zusätzlich können beispielsweise die Elektroden 23 und 24, die Zuleitungsabschnitte 23a und 24a, sowie die Anschlusselektroden 25 und 26 unter Verwendung von elektrisch leitendem Material wie etwa Edelmetall konfiguriert sein.
In den 1 und 3 weist die Elementabdeckung 1 eine doppelwandige Behälterausbildung auf, wobei die Seite des Gehäuses H offen ist und eine innere Abdeckung 11, sowie eine äußere Abdeckung 12, welche koaxial angeordnet sind, enthält. Die äußere Abdeckung 12 weist eine Seite 121 auf, die aus einem zylindrischen Körper, welcher einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist und einer Spitzenfläche 122, welche den zylindrischen Körper abschließt, besteht, während die innere Abdeckung 11 eine Seite 111 aufweist, welche aus einem zylindrischen Körper und einer Spitzenfläche 112, welche den zylindrischen Köper abschließt, besteht, wobei ein Raum zwischen der inneren Abdeckung 11 und der äußeren Abdeckung 12 ausgebildet ist. Der Basisendabschnitt der inneren Abdeckung 11 weist einen vergrößerten Durchmesser auf, steht eng mit dem Basisendabschnitt der äußeren Abdeckung 12 in Kontakt und ist fest am Spitzenende des Gehäuses H angebracht.
Der zylindrische Körper, der die Seite 111 der inneren Abdeckung 11 ausbildet, erstreckt sich kontinuierlich ab der Spitzenfläche 112 und weist einen kegelförmigen ersten zylindrischen Abschnitt 113, dessen Durchmesser sich in Richtung des Basisendes vergrößert und einen zweiten zylindrischen Abschnitt 114, welcher einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist und sich kontinuierlich vom ersten zylindrischen Abschnitt 113 in Richtung des Basisendes erstreckt, auf. Der erste zylindrische Abschnitt 113 weist eine kegelförmige Oberfläche mit einem festen Kegelwinkel auf und eine Sektion mit großem Zwischenraum 31 ist zwischen der äußeren Abdeckung 12 und dem ersten zylindrischen Abschnitt 113 am Basisende ausgebildet. Eine Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 ist zwischen dem zweiten zylindrischen Abschnitt 114 und der äußeren Abdeckung 12 ausgebildet.
Die Sektion mit großem Zwischenraum 31 ist ein Abschnitt, an welchem die Zwischenraumgröße in einer Richtung rechtwinklig zur axialen Richtung X, das heißt, der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche der inneren Abdeckung 11 und der inneren Oberfläche der äußeren Abdeckung 12, maximal ist. Im Teil des Strömungspfades 3, der dem ersten zylindrischen Abschnitt 113 zugewandt ist, wird, ausgehend vom Spitzenende, die Größe des Zwischenraumes kleiner, je kleiner der Abstand zum Basisende wird.
Die Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 ist ein Abschnitt, bei welchem die Zwischenraumgröße in einer Richtung rechtwinklig zur axialen Richtung X, das heißt, der Abstand zwischen der äußeren Oberfläche der inneren Abdeckung 11 und der inneren Oberfläche der äußeren Abdeckung 12, minimal ist. Im Teil des Strömungspfades 3, der dem zweiten zylindrischen Abschnitt 114 zugewandt ist, ist die Zwischenraumgröße vom Spitzenende bis zum Basisende konstant, wobei sie dem Minimalwert der Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 entspricht.
Eine Vielzahl von innenseitigen Löchern 11a sind im zweiten zylindrischen Abschnitt 114 der inneren Abdeckung 11 an einer zwischenliegenden Position hinsichtlich der axialen Richtung X vorgesehen, das heißt, in einem Teil des Basisendes der Seite 111. Ein einzelnes Loch in der inneren Spitzenfläche 11b ist im Zentrum der Spitzenfläche 112 vorgesehen. Die innenseitigen Löcher 11a und das Loch in der inneren Spitzenfläche 11b sind beispielsweise runde Durchgangslöcher und obwohl die Anzahl und die Anordnung der innenseitigen Löcher 11a ausdrücklich nicht beschränkt sind, werden diese Löcher vorzugweise mit äquidistanten Abständen entlang des gesamten Umfangs der inneren Abdeckung 11 angeordnet.
Eine Vielzahl von außenseitigen Löchern 12a sind auf der Seite 121 der äußeren Abdeckung 12 nahe der Spitzenfläche 112 der inneren Abdeckung 11 vorgesehen. Die außenseitigen Löcher 12a können beispielsweise mit einem größeren Durchmesser als das Loch in der inneren Spitzenfläche 11b ausgebildet sein. Die außenseitigen Löcher 12a sind runde Durchgangslöcher, die in den Raum zwischen der Spitzenfläche 112 der inneren Abdeckung 11 und der Spitzenfläche 122 der äußeren Abdeckung 12 öffnen und sind vorzugsweise mit äquidistanten Abständen entlang des gesamten Umfangs der äußeren Abdeckung 12 angeordnet. Auf diese Weise wird, durch jeweiliges Vorsehen der außenseitigen Löcher 12a und der innerseitigen Löcher 11a entlang der gesamten Umfänge der äußeren Abdeckung 12 und der inneren Abdeckung 11 wie vorher beschrieben, eine Konfiguration erreicht, welche keine Richtwirkung hinsichtlich der Gasströmung aufweist, wodurch die Montage des Sensors erleichtert wird.
Eine Vielzahl von Ableitungslöchern 13 ist in einem äußeren Umfangsteil der Spitzenfläche 112 vorgesehen, welcher nicht dem Loch in der inneren Spitzenfläche 11b zugewandt ist. Die Ableitungslöcher 13 sind kleine Löcher zur Abführung von Wasser, das in der Elementabdeckung 1 kondensiert ist und sind in Relation zu den außenseitigen Löchern 12a, durch welche hauptsächlich Abgas strömt, hinreichend klein dimensioniert.
Wie in 5 gezeigt, wird Abgas G, das von der Seite des PM Sensors S in Richtung der Elementabdeckung 1 strömt, durch ein außenseitiges Loch 12a, das an der Seite 121 der äußeren Abdeckung 12 öffnet, eingeleitet. Da die außenseitigen Löcher 12a in der Elementabdeckung 1 näher am Spitzenende der Elementabdeckung angeordnet sind als es das Spitzenende der inneren Abdeckung 11 ist, strömt das Abgas G direkt durch den Raum zwischen der Spitzenfläche 112 der inneren Abdeckung 11 und der Spitzenfläche 122 der äußeren Abdeckung 12 mit einer hinreichenden Strömungsgeschwindigkeit in Richtung eines Außenseitigen Loches 12a, das der Richtung der Strömung des Abgases G zugewandt (siehe beispielsweise die gestrichelte Linie in 5) angeordnet ist.
Zusätzlich verändert ein Teil des Abgases G am stromabwärtigen Ende der Sektion mit großem Zwischenraum 31 seine Richtung und strömt in Richtung des Basisendes in einen Strömungspfad 3, welcher zwischen der Seite 111 des inneren Abdeckung 11 und der Seite 121 der äußeren Abdeckung 12 (siehe beispielsweise den fettgedruckten Pfeil in 5) ausgebildet ist.
Der Strömungsdurchlass 3 weist eine kleinere Strömungsdurchlassfläche in der Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 als in der Sektion mit großem Zwischenraum 31, welche auf der Einströmseite ist, auf, wodurch das Abgas G seine Strömungsgeschwindigkeit infolge des Venturi-Effektes erhöht, wenn es in Richtung der innerseitigen Löcher 11a, welche in die Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 öffnen, strömt. Der erste zylindrische Abschnitt 113 der inneren Abdeckung 11, welcher näher am Spitzenende als der zweite zylindrische Abschnitt 114, der die Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 ausbildet, ist, weist eine kegelförmige Form, welche in Richtung der Spitzenendes im Durchmesser verringert wird, auf, wobei dies verursacht, dass die Strömungsdurchlassfläche des Teils des Strömungspfades 3 zwischen der Sektion mit großem Zwischenraum 31 und der Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 graduell schmäler wird. Das Abgas G, das entlang der Seite 111 der inneren Abdeckung 11 strömt, erzeugt nicht ohne Weiteres einen Wirbelstrom.
Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases G durch den Effekt, wobei Wirbelströme unterdrückt werden, weiter erhöht, wobei das Abgas von einem innerseitigen Loch 11a mit einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit in die innere Abdeckung 11 strömt. Das Abgas erreicht dann die Erfassungssektion 21 am Spitzenende des Sensorelements 2, welche im Innenraum am Basisende angeordnet ist, wobei es eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit beibehält. Eine solche Strömung des Abgases G erhöht die Zuführungsströmungsrate pro Zeiteinheit zur Erfassungssektion 21, um eine Verringerung der benötigten Zeit zur Erfassung von Feinstaub zu ermöglichen, wie etwa wenn ein Fehler des DPF 10 auftritt und verbessert die Erfassungsempfindlichkeit des Sensorelements 2.
Das Abgas G strömt dann in Richtung des Lochs in der inneren Spitzenfläche 11b, welches in der Spitzenfläche 112 der inneren Abdeckung 11 öffnet (siehe beispielsweise den fettgedruckten Pfeil in 1). Zu dieser Zeit, wie vorher beschrieben, weist das Abgas G eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit im Raum zwischen der Spitzenfläche der inneren Abdeckung 11 und der Spitzenfläche 122 der äußeren Abdeckung 12 auf, um einen Unterdruck in der Umgebung des Lochs in der inneren Spitzenfläche 11b zu erzeugen.
Das heißt, dass mit der Konfiguration dieser Ausführungsform, wie im linksseitigen Diagramm (a) in 6 veranschaulicht, eine Strömung eines Gases vom Loch in der inneren Spitzenfläche 11b in die äußere Abdeckung 12 infolge der Sogwirkung des Unterdrucks hergestellt wird. Als Referenz hierzu wird mit einer Konfiguration in welcher die außenseitigen Löcher 12a näher am Basisende angeordnet sind als es die Spitzenfläche 112 der inneren Abdeckung 11 ist, wie im rechtsseitigen Diagramm (b) in 6 gezeigt ist, kein Unterdruck erzeugt, da das Gas nicht unter dem Loch in der inneren Spitzenfläche 11b strömt, sondern um den Umfang der Seite 111 der inneren Abdeckung 11 herum läuft.
Da kein Loch, das als ein Gasströmungsloch dient, in der Spitzenfläche 122 der äußeren Abdeckung 12 bei der vorliegenden Ausführungsform ausgebildet ist, und insbesondere nicht an einer Position, die dem Loch in der inneren Spitzenfläche 11b zugewandt ist, ausgebildet ist, ist die Strömungsrichtung des Abgases G rechtwinklig zur axialen Richtung X. Das Loch in der inneren Spitzenfläche 11b öffnet nicht in der Strömungsrichtung des Abgases G, wobei infolge dessen und infolge der vorher beschriebenen Sogwirkung, eine Strömung des Abgases G vom Loch in der inneren Spitzenfläche 11b in eine Richtung hergestellt wird, um beispielsweise mit der Strömung des Abgases G zusammenzulaufen, sodass das Abgas G, welches in die äußere Abdeckung 12 strömt, daran gehindert wird, direkt vom Loch in der inneren Spitzenfläche 11b in den Innenraum der inneren Abdeckung 11 zu strömen.
Dadurch besteht, selbst falls Wasserkondensat im Abgas G enthalten ist und im Innenraum der äußeren Abdeckung 12 verbleibt, eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass das Wasserkondensat in die innere Abdeckung 11 gemeinsam mit dem Abgas G eintritt und das Sensorelement 2 erreicht. Dadurch kann das Problem der Rissbildung, verursacht dadurch, dass das Sensorelement 2 feucht wird, unterdrückt werden.
Mit der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform, wie schematisch in 7 gezeigt, wird es möglich, die Erzeugung von Wirbelströmen im Strömungspfad 3 zu unterdrücken, wenn das Abgas eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Das heißt, wenn das Abgas G, welches in die äußere Abdeckung 12 eingetreten ist, in Vorwärtsrichtung strömt, strömt ein Teil des Gases reibungslos kurz vor Austreten durch ein außenseitiges Loch 12a in die Sektion mit großem Zwischenraum 31. Wenn diese Strömung entlang des Strömungspfades 3 ansteigt, erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit in der Umgebung der Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 am Basisende und das Gas strömt dann in ein innerseitiges Loch 11a und damit in Richtung des Spitzenendes des Sensorelements 2. Zusätzlich wird eine Gasströmung ausgebildet, welche aus der inneren Abdeckung 11 durch das Loch in der inneren Spitzenfläche 11b austritt und mit dem Abgas G, das in den Raum zwischen die zwei Spitzenflächen 112 und 122 strömt, zusammenläuft.
Auf der anderen Seite ist im Vergleichsbeispiel aus 8 eine Konfiguration gezeigt, bei welcher die Hälfte des Spitzenendes der inneren Abdeckung 11 ein Abschnitt mit kleinem Durchmesser 115, der einen festen Durchmesser aufweist, ist, wobei eine kegelförmige Stufenoberfläche 117 zwischen dem Abschnitt mit kleinem Durchmesser 115 und einer Hälfte des Basisendes mit einem großen Durchmesser 116 der inneren Abdeckung 11 ausgebildet ist und wobei mit dieser Konfiguration das Abgas G, das in die äußere Abdeckung 12 strömt, ohne Weiteres einen großen Wirbelstrom im äußeren Umfangsraum 4 an der Hälfte des Spitzenendes ausbilden wird. Das heißt, obwohl das Abgas G kurz vor Ausströmen aus einem außenseitigen Loch 12a in den äußeren Umfangsraum 4 strömt, ist dies durch die Stufenoberfläche 117 behindert, wodurch ein Wirbelstrom ausgebildet wird und so verhindert wird, dass sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht. Falls dementsprechend das Gas in ein innerseitiges Loch 11a nicht mit einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit strömt und die Spitzenfläche des Sensorelements 2 nicht erreichen kann, wird die Erfassungsempfindlichkeit der Erfassungssektion 21 gesenkt.
Die 7 und 8 veranschaulichen schematisch Gasströmungen innerhalb einer Elementabdeckung, basierend auf Ergebnissen einer CAE (Rechnergestützte Entwicklung) Analyse für den Fall von niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten (zum Beispiel 10 m/s).
Auf diese Weise kann mit der Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform eine vorteilhafte Erfassungsleistung beibehalten werden, selbst wenn die Strömungsgeschwindigkeit niedrig ist, ohne dabei die Erfassungsempfindlichkeit des PM Sensors S zu verringern.
(Testbeispiel)
Als Nächstes wird eine Beschreibung eines Evaluationstests, der zum Untersuchen der Effekte der Form des Strömungspfades 3 ausgeführt wurde und der Testergebnisse mit Bezug zu den 9 bis 12 gegeben. Wie in 9 gezeigt, wurden Elementabdeckungen 1 erstellt, bei welchen das Zwischenraumverhältnis d1/d2 innerhalb des Bereichs von 1,5 bis 20 variiert wurde, wobei der Zwischenraum an der Sektion mit großem Zwischenraum 31 (das heißt, der maximalen Zwischenraumgröße) als d1 bezeichnet ist und der Zwischenraum an der Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 (das heißt, der minimalen Zwischenraumgröße) als d2 bezeichnet ist. Jeder der jeweiligen PM Sensoren S, die mit einer Elementabdeckung 1 vorgesehen sind, wurden an einem PM-Modellgas-Prüfstand angebracht, wobei ein Modellgas, das eine vorbestimmte PM Konzentration aufweist, eingeleitet und die Anstiegszeit der Ausgabe der Erfassungssektion 21 des Sensorelements 2 evaluiert wurde. Die Testbedingungen waren wie folgt und die Evaluationsergebnisse sind in 10 gezeigt.
Evaluationsprüfstand: PM-Modellgas-Prüfstand
Gas-Geschwindigkeit: 10 m/s
PM Konzentration: 6 mg/m³
Wie im linksseitigen Diagramm in 11 gezeigt, wurde die Erfassungssektion 21 vor dem Evaluationstest durch Aufheizen des Sensorelements 2 regeneriert, um PM von der Oberfläche zu entfernen, wobei dann eine vorbestimmte Sammelspannung zwischen den Elektroden 23 und 24 angelegt wurde, um ein elektrostatisches Ansammeln einzuleiten. Die Anstiegszeit der Ausgabe entspricht dem Zeitintervall, das verstreicht, bis die Ausgabe der Erfassungssektion 21 über einen vorbestimmten Schwellwert angestiegen ist, wenn die Elektroden 23 und 24 erregt wurden, um Feinstaub an der Oberfläche des Isoliersubstrats 22 durch eine elektrostatische Kraft anzusammeln. Wie im rechtsseitigen Diagramm in 11 gezeigt, korrelieren die Erfassungseigenschaften des PM Sensors S mit der Strömungsgeschwindigkeit, wobei sich die Erfassungszeit (das heißt, die Anstiegszeit) entsprechend einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit verringert, wobei jedoch die Erfassungsempfindlichkeit oberhalb einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit nahezu konstant wird. Dies tritt infolge der Tatsache auf, dass, obwohl eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit die Rate, bei welcher Feinstaub die Umgebung der Erfassungssektion 21 erreicht, erhöht wird, festgestellt werden kann, dass wenn die Strömungsgeschwindigkeit einen bestimmten Wert überschreitet, es für die Partikel schwierig wird, nahe an der Erfassungssektion 21 zu verbleiben, wodurch sich die Rate, mit welcher der Feinstaub angesammelt wird, nicht ohne Weiteres erhöht.
Wie in 10 gezeigt, verringert sich, wenn d1/d2 innerhalb des Bereichs 1,5 bis 20 variiert wird, die Anstiegszeit der Ausgabe deutlich, wenn d1/d2 sich erhöht, wobei die Anstiegszeit dann auf einen im Wesentlichen konstanten Wert konvergiert, wenn d1/d2 innerhalb eines Bereichs höher als 2,45 oder mehr ist (das heißt, im Bereich ist, der als „Sättigung“ im Diagramm gezeigt ist). Insbesondere wird mit einer Konfiguration, bei welcher d1/d2 = 1,7 ist (siehe zum Beispiel das rechtsseitige Diagramm in 12), die Anstiegszeit auf rund 450 Sekunden verringert. Darüber hinaus wird mit einer Konfiguration, bei welcher d1/d2 = 2,45 ist (siehe zum Beispiel das linksseitige Diagramm in 12), die Anstiegszeit geringer als 400 Sekunden, das heißt, die Anstiegszeit der Ausgabe wird um etwa 100 Sekunden im Vergleich mit einer Konfiguration, bei welcher d1/d2 = 1,5 ist, verringert. Wenn d1/d2 = 8 ist, wird die Anstiegszeit auf rund 350 Sekunden verringert und wird im Wesentlichen konstant.
Daher wird es bevorzugt, eine Elementabdeckung 1 zu verwenden, die ein Zwischenraumverhältnis d1/d2 von 2,45 oder mehr aufweist, welches ermöglicht, die Erfassungsempfindlichkeit bedeutend zu verbessern. Noch bevorzugter kann ein geeigneter Wert des Zwischenraumverhältnisses d1/d2 innerhalb eines Wertebereichs, der höher als 2,45 ist, ausgewählt werden.
(Zweite Ausführungsform)
Eine zweite Ausführungsform eines PM Sensors S als Sensorvorrichtung wird mit Bezug zu den 13 und 14 beschrieben. Bei der ersten Ausführungsform ist die Erfassungssektion 21 auf der Spitzenfläche des Sensorelements 2 vorgesehen. Jedoch kann die Erfassungssektion 21, wie in 13 gezeigt, an einer Seite des Sensorelements 2 vorgesehen sein. Die Konfiguration des PM Sensors S, im Gegensatz zum Sensorelement 2, ist identisch zu der bei der ersten Ausführungsform, weshalb sich die folgende Beschreibung auf die Unterschiede zur Konfiguration bei der ersten Ausführungsform fokussiert. Bezüglich der Bezugszeichen, welche bei der zweiten und den nachfolgenden Ausführungsformen verwendet werden, sei darauf hingewiesen, dass Bezugszeichen, welche identisch zu denen sind, die bei der vorherigen Ausführungsform verwendet wurden, die gleichen Komponenten usw. repräsentieren, wie die bei der vorherigen Ausführungsform, sofern nicht anders angegeben.
Das Sensorelement 2 in 14 ist ein Schichtstoffelement, das eine vielschichtige Struktur aufweist und weist eine Erfassungssektion 21 mit Elektroden 23 und 24, die an einer Seite eines Isoliersubstrats 22, das als ein rechtwinkliges Parallelepiped geformt ist, freigelegt sind, auf. Die Konfiguration bei welcher die Elektroden 23 und 24 mit Anschlusselektroden 25 und 26 über Zuleitungsabschnitte 23a und 24a verbunden sind, ist die gleiche wie in der vorhergehenden Ausführungsform.
Das Sensorelement 2 in 13 ist so angeordnet, dass die Seite der Erfassungssektion 21 einem innerseitigen Loch 11a, durch welches das Abgas G in die innere Abdeckung 11 strömt, zugewandt ist. Unter dieser Bedingung wird bevorzugt, dass wenn die Erfassungssektion 21 auf die Seite 111 der inneren Abdeckung 11 vorspringt, zumindest ein Teil der Vorsprungsoberfläche mit dem innerseitigen Loch 11a hinsichtlich der axialen Richtung X überlappt. In anderen Worten soll, wenn beide Enden der Axialrichtung der Erfassungssektion 21 auf die Seite 111 vorspringen, zumindest ein Teil des innerseitigen Loch 11a zwischen diese zwei Enden angeordnet sein.
Auf diese Weise kann das Abgas G, das in die innere Abdeckung 11 durch das innerseitige loch 11a strömt, die Erfassungssektion 21, die auf der Gegenseite positioniert ist, direkt erreichen, ohne sich zu verteilen. Daher kann eine gute Erfassungsleistung beibehalten werden, selbst bei einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit, ohne dass dabei die Erfassungsempfindlichkeit des PM Sensors S verringert wird.
Es ist für den ersten zylindrischen Abschnitt 113 der inneren Abdeckung 11 nicht essenziell, eine Form aufzuweisen, bei welcher sich der Durchmesser von der Sektion mit großem Zwischenraum 31 auf der Seite des Spitzenendes zur Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 auf der Seite des Basisendes graduell verringert, das heißt, es ist nicht für den gesamten ersten zylindrischen Abschnitt 113 notwendig, kegelförmig zu sein. Zum Beispiel kann die Form so sein, dass ein zylindrischer Abschnitt 113a, der einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist, am Abschnitt des Spitzenendes, welcher die Sektion mit großem Zwischenraum 31 ausbildet, vorgesehen ist.
Auch mit einer solchen Konfiguration werden Wirbelströme, als Folge der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit des Abgases G, das durch den Strömungspfad 3 in Richtung der Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 läuft, effektiv unterdrückt. Darüber hinaus kann, da der Zwischenraum d1 der Sektion mit großem Zwischenraum 31, welche die maximale Zwischenraumgröße ist, problemlos eingestellt werden kann, der gewünschte Effekt ohne Weiteres durch Ausbilden des Strömungspfades 3 mit dem vorgenannten Zwischenraumverhältnis d1/d2 erreicht werden.
(Dritte Ausführungsform)
Eine dritte Ausführungsform des PM Sensors S als Sensorvorrichtung wird mit Bezug zu 15 beschrieben. Wie vorher beschrieben, ist es nur für die Form der inneren Abdeckung 11 notwendig so ausgebildet zu sein, dass der Zwischenraum des Strömungspfades 3 graduell ohne Stufenoberfläche verringert wird. Die innere Abdeckung 11 in 15 enthält einen zweiten zylindrischen Abschnitt 114, der einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist, sowie einen ersten zylindrischen Abschnitt 113, der an der Seite des Spitzenendes des zweiten zylindrischen Abschnitts 114 vorgesehen ist.
Der erste zylindrische Abschnitt 113 ist als Ganzes in einer im Wesentlichen kegelförmigen Form ausgebildet und besteht aus einem kegelförmigen zylindrischen Abschnitt 113c, dessen Durchmesser sich von der Seite des Basisendes zum Spitzenende hin verringert, sowie einem gekrümmten zylindrischen Abschnitt 113b, welcher den zylindrischen Abschnitt 113c mit der Spitzenfläche 112 der inneren Abdeckung 11 verbindet. Die Konfiguration des PM Sensors S, anders als die Konfiguration für die innere Abdeckung 11, ist die gleiche wie in jeder der vorherigen Ausführungsformen, sodass einer weitere Beschreibung ausgespart wird.
Mit einer solchen Konfiguration sind die Spitzenfläche 112 und die Seite 111 der inneren Abdeckung 11 durch den zylindrischen Abschnitt des Spitzenendes 113b gleichmäßig verbunden, sodass das Abgas, welches in die Elementabdeckung 1 strömt und von der Spitzenfläche 112 zum zylindrischen Abschnitt des Spitzenendes 113 läuft, reibungslos entlang der zylindrischen Oberfläche 113c in den Strömungspfad 3 strömen kann. Dies liefert eine erhöhte Effektivität im Verhindern einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit und im Verbessern der Erfassungsempfindlichkeit.
In der inneren Abdeckung 11 ist es für die kegelförmige Oberfläche zum Ausbilden des ersten zylindrischen Abschnitts 113 nicht notwendig, einen konstanten Kegelwinkel aufzuweisen und sie könnte beispielsweise eine Form aufweisen, bei welcher eine Vielzahl von Kegeloberflächen mit jeweils unterschiedlichen Kegelwinkeln entlang der axialen Richtung X verbunden sind.
Wie vorher beschrieben, kann die Form der inneren Abdeckung 11 oder der äußeren Abdeckung 12 zum Ausbilden des Strömungspfades 3 geeignet verändert werden, solange die Änderung innerhalb eines Bereichs liegt, in welchem der Effekt zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases G erreicht und die Gasströmung nicht maßgeblich beeinträchtigt wird.
In jeder der vorherigen Ausführungsformen wurde ein PM Sensor S mit einem beschichteten Sensorelement 2 als Beispiel beschrieben, jedoch wäre es für das Sensorelement 2 gleichermaßen möglich, ein Typ eines bedruckten Elements zu sein, bei welchem die Elektroden 23 und 24 durch Drucken auf eine Oberfläche, die als Erfassungssektion 21 dient, ausgebildet zu sein. In diesem Fall würden die Elektroden 23 und 24 in einer Wabenform auf die Oberfläche eines Isoliersubstrats 22 mit einer ebenen Plattenform gedruckt und mit den Anschlusselektroden 25 und 26 über die Zuleitungsabschnitte 23a und 24a, die gleichermaßen durch Ducken auf die Oberfläche des Isoliersubstrats 22 ausgebildet sind, verbunden werden.
Jede der vorherigen Ausführungsformen wurden hauptsächlich für den Fall beschrieben, bei welchem die Sensorvorrichtung ein PM Sensor S ist, wobei jedoch die Sensorvorrichtung nicht darauf beschränkt ist, ein PM Sensor zu sein und es wäre für die Sensorvorrichtung gleichermaßen möglich, ein Gassensor zu sein, der eine spezifische gasförmige Komponente, die im Abgas G enthalten ist, zu erfassen. Spezifische Beispiele hierfür sind Abgassensoren wie etwa ein Sauerstoffsensor, der Sauerstoff im Abgas G erfasst, ein Luft-Kraftstoff-Verhältnis-Sensor, der das Luft-Kraftstoff-Verhältnis erfasst und ein NOx Sensor, der NOx erfasst. Das Sensorelement 2, das für diese Gassensoren verwendet wird, kann eine bekannte Konfiguration aufweisen und beispielsweise eine Konfiguration aufweisen, bei welcher eine Erfassungssektion 21 mit Erfassungselektroden am Spitzenende eines Cup-Typ- oder Mehrschicht-Typ-Elements vorgesehen ist.
In diesem Fall kann das Sensorelement ebenso wie mit den vorherig beschriebenen Ausführungsformen im Gehäuse H eingesetzt und gehalten werden, sodass die Erfassungssektion 21 hinsichtlich der axialen Richtung X am Spitzenende angeordnet ist, wobei es durch die Elementabdeckung 1 geschützt wird. Das Abgas G, das in den Innenraum der Elementabdeckung 1 eingeleitet wird, kann dann zum Strömungspfad 3 zwischen der inneren Abdeckung 11 und der äußeren Abdeckung 12 geführt, die Strömungsgeschwindigkeit, wenn das Gas von der Sektion mit großen Zwischenraum 31 zur Sektion mit kleinem Zwischenraum 32 läuft, erhöht und dann zur Erfassungssektion 21 geführt werden, wobei dadurch die Ausgabereaktion der Erfassungssektion 21 des Sensorelements 2 verbessert wird.
Auf diese Weise kann ein Gassensor vorgesehen werden, welcher eine gute Erfassungsleistung aufweist, selbst unter Betriebsbedingungen, bei welchen das Abgas G eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit aufweist. Durch Ermitteln des Zustands des Verbrennungsmotors basierend auf den Erfassungsergebnissen des Gassensors und entsprechendem Steuern des Abgasreinigungssystems, kann die Abgasreinigungsleistung verbessert werden.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorherigen Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Ausführungsformen angewandt werden, ohne vom Kern der Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel wurde jede der vorherigen Ausführungsformen für den Fall beschrieben, bei welchem eine Sensorvorrichtung in einem Abgasreinigungssystem eines Automobilmotors angewandt wird. Jedoch ist die Erfindung nicht auf die Anwendung bei einem Verbrennungsmotor eines Automobils beschränkt und kann verwendet werden, um das Abgas von verschiedenen Vorrichtungstypen zu messen. Darüber hinaus ist das Gas, das gemessen werden soll, nicht darauf beschränkt, Abgas von einem Verbrennungsmotor zu sein und die Erfindung kann für Sensorvorrichtungen zum Erfassen spezifischer Komponenten, die in verschiedenen Gasen enthalten sind, angewandt werden.

Claims

Sensorvorrichtung (S) aufweisend: ein Sensorelement (2), das mit einer Erfassungssektion (21) zum Erfassen einer spezifischen Komponente in einem Gas, das gemessen wird, vorgesehen ist; ein Gehäuse (H) mit dem Sensorelement, das in einen Innenraum hiervon eingesetzt ist, sodass die Erfassungssektion am Spitzenende des Sensorelements hinsichtlich einer axialen Richtung (X) positioniert ist; und eine Elementabdeckung (1), die am Spitzenende des Gehäuses angeordnet ist, wobei die Elementabdeckung eine innere Abdeckung (11), die angeordnet ist, um das Spitzenende des Sensorelements abzudecken und eine äußere Abdeckung (12), die mit einem Raum zwischen sich und einem äußeren Umfang der inneren Abdeckung angeordnet ist, aufweist; die innere Abdeckung eine Seite (111) und eine Spitzenfläche (112) aufweist, die jeweils mit innerseitigen Löchern (11a) und einem Loch in der inneren Spitzenfläche (11b) vorgesehen sind, durch welche das Gas, das gemessen wird, strömt; die äußere Abdeckung (12) mit außenseitigen Löchern (12a) in einer Seite (121) vorgesehen ist, durch welche das Gas, das gemessen wird, strömt und wobei die Spitzenposition der außenseitigen Löcher näher am Spitzenende ist als die Spitzenposition der inneren Abdeckung; ein Strömungspfad (3), der zwischen der äußeren Oberfläche des inneren Abdeckung und der inneren Oberfläche der äußeren Abdeckung vorgesehen ist, eine Sektion (31) mit großen Zwischenraum, die eine maximale Zwischenraumgröße aufweist, an der Außenseite des Spitzenendes des inneren Abdeckung und eine Sektion (32) mit kleinem Zwischenraum, die eine minimale Zwischenraumgröße aufweist, die näher am Basisende ist, als die Sektion mit großen Zwischenraum, aufweist und wobei der Strömungspfad eine Form aufweist, wodurch die Sektion mit großen Zwischenraum und die Sektion mit kleinem Zwischenraum ohne Stufe an einer Position, die näher an dem Spitzenende des Sensorelements liegt, verbunden sind, wobei das Zwischenraumverhältnis d1/d2 größer als 2,45 ist, wenn die Zwischenraumgröße der Sektion mit großem Zwischenraum in einer Richtung rechtwinklig zur axialen Richtung mit d1 bezeichnet wird und die Zwischenraumgröße der Sektion mit kleinem Zwischenraum in einer Richtung rechtwinklig zur axialen Richtung mit d2 bezeichnet, und wobei die Seite (111) der inneren Abdeckung hinsichtlich der axialen Richtung von einer am weitesten am Spitzenende in der Sektion mit kleinem Zwischenraum liegenden Seite bis zu der Spitzenfläche der inneren Abdeckung linear kegelförmig ist.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die innerseitigen Löcher, die in der Seite der inneren Abdeckung vorgesehen sind, der Sektion mit kleinem Zwischenraum zugewandt sind.
Sensorvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Basisposition der äußeren Seitenlöcher in der äußeren Abdeckung identisch mit der Spitzenposition der inneren Abdeckung ist oder näher am Spitzenende liegt als die Spitzenposition der inneren Abdeckung, und wobei die Spitzenfläche (122) der äußeren Abdeckung kein Gasströmungsloch aufweist.
Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Erfassungssektion an der Spitzenfläche des Sensorelements angeordnet ist.
Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Erfassungssektion an einer Seite des Sensorelements, am Spitzenende davon, angeordnet ist, und wobei ein Vorsprung der Erfassungssektion auf der Seite der inneren Abdeckung hinsichtlich der axialen Richtung mit den innerseitigen Löchern überlappt.
Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Seite der inneren Abdeckung eine erste zylindrische Sektion (113), welche sich vom Spitzenende bis zum Basisende im Durchmesser ausdehnt und eine zweite zylindrische Sektion (114) mit einem konstanten Durchmesser, die mit dem Basisende der ersten zylindrischen Sektion verbunden ist, aufweist.
Sensorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gas, das gemessen wird, Abgas von einem Verbrennungsmotor ist und wobei die spezifische Komponente Feinstaub oder eine spezifische gasförmige Komponente ist.