ES2344231T3 - Sensor de gases de escape y metodo de fabricacion. - Google Patents
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Abstract
Método de fabricación de un sensor de gases de escape (10) que tiene un subconjunto (14) que incluye una carcasa (22), un elemento sensor (30) y un anillo de soldadura (38), el método comprende: colocar al menos una parte de la carcasa (22) y al menos una parte del elemento sensor (30) en una cavidad (98) de una pieza de moldeado (102); colocar el anillo de soldadura (38) en la cavidad de moldeado (98) separado de la carcasa (22); inyectar un material cerámico (26) en la cavidad de moldeado (98) para el sobremoldeado de al menos una parte de la carcasa (22) y al menos una parte del elemento sensor (30) y para el moldeado del material cerámico (26) al anillo de soldadura (38); y eliminar el subconjunto sobremoldeado (14) de la pieza de moldeado (102).
Description
Sensor de gases de escape y método de
fabricación.
La presente invención hace referencia a sensores
de gases de escape.
Los sensores de gases de escape ayudan a
asegurar que se mantenga una proporción óptima entre aire y
combustible en los motores de combustión. Normalmente, los sensores
de gases de escape se encuentran en automóviles para comparar el
contenido de oxígeno del escape con el contenido de oxígeno del aire
del entorno. La respuesta del sensor controla la cantidad de
combustible inyectado al motor. Los sensores tipo planar y los
sensores tipo dedal son dos tipos comunes de sensores de gases de
escape. Los sensores tipo planar incluyen un elemento de sensor de
cerámica plano. Los sensores tipo dedal incluye un elemento de
sensor con forma de dedal. La memoria US 4,283,261 A revela cómo
medir la presión de oxígeno parcial en gases, en particular gases de
escape de motores de combustión tipo automotriz, donde los
elementos de sensor a base de electrolitos sólidos se fijan en una
estructura de sujeción de cerámica moldeada por inyección. Otro
documento, la memoria US 2004/040843 A1, hace referencia a un
sensor de gases que determina al menos una cantidad física de gas,
por ejemplo, el gas de escape de un motor de combustión interna, y
el sensor de gases tiene un elemento sensor que está fijo en una
carcasa del sensor de gases mediante un montaje hermético. La
memoria DE 10 2005 020 792 A1 describe un sensor que tiene un
elemento sensor que porta una superficie de contacto que se
encuentra en contacto con una pieza de contacto para su conexión
con una línea de conexión eléctrica; la pieza de contacto se
encuentra en un portacontactos fabricado de un material aislante
eléctricamente. Otro documento, la memoria WO 98/38505 A1 hace
referencia a un detector, en especial uno que determina el contenido
de oxígeno en gases de escape de motores de combustión interna, y a
un método para la producción del mismo. La publicación WO 01/34951
A2 revela un conjunto conector terminal que comprende un soporte de
terminal, un terminal, dispuesto al menos parcialmente dentro del
soporte terminal y un primer aislante que tiene un pasaje con una
hendidura adyacente al terminal y un soporte de terminal. También
se reivindica un sensor de gases y un método de producción de un
sensor de gases. Finalmente, la memoria EP 0 520 528 A1 describe un
medio de sellado mejorado que se proporciona para la hermetización
de un cuerpo cerámico de electrolitos sólidos dentro de una carcasa
de metal para su utilización en un dispositivo sensor de oxígeno
que es adecuado para detectar la concentración de oxígeno en los
gases de escape automotrices emitidos por un motor de combustión
interna.
La presente invención proporciona un método de
fabricación de un sensor de gases de escape tal como se define en la
reivindicación 1 y un sensor de gases de escape tal como se define
en la reivindicación 11.
La figura 1 es una vista en perspectiva de un
sensor de gases de escape que es una realización de la presente
invención.
La figura 2 es una vista transversal de un
sensor de gases de escape que se muestra en la figura 1 tomado a lo
largo de la línea 2-2 de la figura 1.
La figura 3 es una vista transversal de un
subconjunto del sensor de gases de escape que se muestra en la
figura 1 situado dentro de una pieza de moldeado.
La figura 4 es una vista en perspectiva con
despiece parcial de los componentes del sensor de gases de escape
que se muestra en la figura 1.
La figura 1 ilustra un sensor de gases de escape
10 de la presente invención. El sensor 10 incluye un subconjunto
sensor 14 y un cable de salida o un subconjunto de cableado de
salida 18. El subconjunto sensor 14 que se muestra, o un conjunto
de sensor corto, incluye una carcasa metálica generalmente
cilíndrica 22 configurada para poder conectarse a rosca con una
apertura roscada de un tubo de escape (no se muestra) u otro
componente del motor de combustión interna utilizado para
aplicaciones automotrices o no automotrices, tales como
motocicletas, motonieves, vehículos todo terreno, cortadoras de
césped y similares.
Con referencia a la figura 2, el subconjunto de
sensor 14 que se muestra también incluye un material cerámico 26,
un elemento sensor 30, un espaciador 34 y un anillo de soldadura 38.
El material cerámico 26 está moldeado a la carcasa 22 para
encapsular una parte media del elemento sensor 30 y llenar
parcialmente una cavidad 42 en la carcasa 22. Durante el moldeado,
el material cerámico 26 se une a la carcasa 22 y la parte media del
elemento sensor 30. En la construcción que se ilustra, el material
cerámico 26 es un material de mica MICAVER® HT de
Saint-Gobain Quartz S.A.S. de Francia. El material
cerámico 26 limita con el espaciador 34, el cual en la realización
que se ilustra es un casquillo de esteatita sinterizada situado en
la carcasa 22 para actuar como barrera térmica entre los gases de
escape calientes (por ejemplo de más de 700 grados Celsius) y el
material cerámico 26. En la realización que se ilustra, el
espaciador 34 evita que el material cerámico 26 llene completamente
la cavidad 42 de la carcasa 22. En algunas aplicaciones de baja
temperatura, el espaciador 34 puede eliminarse, y el material
cerámico 26 puede llenar una mayor parte de la cavidad 42. El
material cerámico 26 también se une al anillo de soldadura 38 para
soportar el anillo de soldadura 38 separado de la carcasa 22. El
anillo de soldadura 38 ofrece un área de acoplamiento para el
subconjunto de cableado 18 como se describirá a continuación.
En la construcción ilustrada, el elemento sensor
30 es un sensor tipo planar. Se hace referencia a la patente
estadounidense Nº 6,164,120 para la discusión de características y
operaciones adicionales del sensor tipo planar que no se describen
en la presente memoria. El elemento sensor 30 tiene un primer
extremo 46 que se extiende hacia afuera desde un extremo del
material cerámico 26 y un segundo extremo 50 que se extiende hacia
afuera desde el extremo opuesto del material cerámico 26. En la
realización ilustrada, el primer extremo 46 del elemento sensor 30
está rodeado de un tubo de protección interno 54 y un tubo de
protección externo 58. El lado de escape 46 del elemento sensor 30
está expuesto a gases de escape generados por el motor de combustión
interna.
El segundo extremo o lado de referencia 50 del
elemento sensor 30 está rodeado de un subconjunto de cableado 18 y
está expuesto al aire de referencia del entorno. Sin embargo, en
otras construcciones (no se muestran), el material cerámico 26
también puede encapsular el lado de referencia 50 del elemento
sensor 30 y un canal de aire se moldea o forma (por ejemplo
mediante perforación) en el material cerámico 26 para permitir la
comunicación del elemento sensor 30 con el aire de referencia.
En la realización ilustrada, cuatro terminales
de conexión o terminales de soldadura 62 se acoplan eléctricamente
al elemento sensor 30 mediante, por ejemplo, soldadura por
resistencia eléctrica. El material cerámico 26 encapsula
parcialmente los terminales de conexión 62 de modo tal que un
extremo de cada terminal de conexión 62 se extiende desde el
material cerámico 26. Los terminales de conexión 62 facilitan el
contacto eléctrico entre el subconjunto de cableado 18 y el
elemento sensor 30. En otras realizaciones pueden utilizarse más o
menos terminales de conexión.
El subconjunto de cableado 18 incluye cables de
señal 66, cables térmicos 70, un capuchón 74, un pasacables
hermético 78 y un manguito 82. Los terminales de soldadura 86 se
encuentran en cada cable 66, 70 y se acoplan eléctricamente con los
terminales de conexión 62 correspondientes del subconjunto sensor 14
mediante soldadura de resistencia u otras alternativas adecuadas.
El subconjunto de cableado 18 ilustrado incluye cuatro cables 66,
70 y terminales de soldadura 86. Sin embargo, será evidente para un
experto en el arte que el subconjunto de cableado 18 puede
modificarse para incluir más o menos cables 66, 70 y terminales de
soldadura 86 para coincidir con el número de terminales de conexión
62 del subconjunto sensor 14.
El pasacables hermético 78 se encuentra situado
parcialmente dentro de un primer extremo 90 del manguito 82 para
proteger los cables 66, 70. El capuchón 74 asegura el pasacables
hermético 78 en su lugar y se acopla con el primer extremo 90 del
manguito 82 mediante engastado u otras operaciones de sujeción
adecuadas (por ejemplo soldadura, adhesivos, etc.). El subconjunto
de cableado 18 se acopla con el anillo de soldadura 38 del
subconjunto sensor 14 en un segundo extremo 94 del manguito mediante
ajuste a presión y soldadura láser. Por supuesto, pueden utilizarse
otras operaciones de fijación adecuadas.
El sensor de gases de escape 10 se fabrica
mediante el posicionamiento del subconjunto sensor 14, menos el
material cerámico 26, dentro de una cavidad de moldeado 98 de una
pieza de moldeado 102, como se muestra en la figura 3. El material
cerámico licuado o fluido se inyecta (por ejemplo mediante forzado a
presión) en la cavidad de moldeado 98, sobremoldeando una parte de
la carcasa 22 y llenando parcialmente la cavidad 42 de la carcasa
22. El material cerámico inyectado también se sobremoldea y rodea
parcialmente la parte media del elemento sensor 30 y partes de los
terminales de conexión 62. Mientras el material cerámico inyectado
se enfría, el material cerámico 26 se endurece, por lo tanto, se une
con la carcasa 22. También durante el endurecimiento, el material
cerámico 26 se une a y encapsula la parte media del elemento sensor
30 y partes de los terminales de conexión 62, formando un sello
hermético alrededor de la parte media del elemento sensor 30 y los
terminales de conexión 62. El anillo de soldadura 38 se encuentra
situado en la cavidad de moldeado 98 separado de la carcasa 22 de
modo tal que mientras el material cerámico inyectado se enfría, el
material cerámico 26 también se une con el anillo de soldadura 38.
Una vez que el material cerámico 26 se endurece, el subconjunto
sensor 14 sobremoldeado se elimina de la cavidad de moldeado 98. La
unión del material cerámico 26 a la carcasa 22, el elemento sensor
30, los terminales de conexión 62 y el anillo de soldadura 38
integra el subconjunto sensor 14 en una sola pieza inseparable.
La figura 4 ilustra el subconjunto sensor 14
sobremoldeado separado del subconjunto de cableado 18. Después de
eliminar el subconjunto sensor 14 sobremoldeado de la pieza de
moldeado 102, el tubo de protección interno 54 y el tubo de
protección externo 58 se acoplan a la carcasa 22 adyacente al lado
de escape 46 del elemento sensor 30 mediante engastado, soldadura u
otros métodos adecuados. Los componentes del subconjunto de cableado
18 se ensamblan separados del subconjunto sensor 14, y después de
acoplan al subconjunto sensor 14 mediante la realización en primer
lugar de una soldadura por resistencia eléctrica de los terminales
de soldadura 86 a los terminales de conexión 62 y después mediante
la fijación a presión y soldadura láser del manguito 82 al anillo de
soldadura 38.
El sensor de gases de escape 10 ilustrado reduce
el número total de componentes requeridos para su construcción. Por
ejemplo, los sensores de gases de escape del arte previo utilizan
empaquetadura de esteatita y empaquetadura de nitrito de boro
situado en la parte media del elemento sensor para hermetizar el
lado de referencia desde el lado de escape. Estas empaquetaduras
son susceptibles a problemas de cambio del intervalo de tensión
característica a la baja (characteristic shift downward, CSD, por
sus siglas en inglés) debido a la contaminación de vapor de
combustible. En el sensor de gases de escape 10 ilustrado, tanto la
empaquetadura de esteatita como la empaquetadura de nitrito de boro
se reemplazan por material cerámico 26, que actúa como sello
hermético y es menos susceptible a los problemas de CSD.
Además, el sensor de gases de escape 10
ilustrado reduce la complejidad y tamaño del proceso de fabricación
requerido. No sólo se reduce la cantidad de componentes requeridos
sino que también es posible reducir la longitud del elemento sensor
en comparación con los sensores de gases de escape utilizados
actualmente.
El sensor de gases de escape 10 ilustrado
también provee una barrera aislante entre los componentes metálicos
(por ejemplo, la carcasa 22 y el manguito 82) para evitar la
conducción de calor excesiva a los componentes sensibles, tales
como el pasacables hermético 78 y los cables 66, 70. El material
cerámico 26 es una gran barrera aislante que evita la transferencia
de calor desde el lado de escape 46 del elemento sensor 30 al lado
de referencia 50. El material cerámico 26 mejora las características
operativas térmicas del sensor de gases de escape 10 mediante el
corte del contacto entre metal y metal y con una conductividad
térmica baja (alrededor de 0,8 W/m.K) en comparación con los
casquillos de esteatita (alrededor de 1,6 W/m.K) o acero inoxidable
(alrededor de 1,4 W/m.K).
Además, el material cerámico 26 retiene y aísla
los terminales de conexión 62 para soportar las fuerzas de tracción
y vibraciones altas. En otras palabras, las fuerzas de tracción y
vibraciones que de otro modo producirían la separación entre el
elemento sensor 30 y los terminales de conexión 62 no causan tal
separación en el sensor de gases de escape 10 ilustrado debido al
material cerámico 26 sobremoldeado.
Claims (22)
1. Método de fabricación de un sensor de gases
de escape (10) que tiene un subconjunto (14) que incluye una carcasa
(22), un elemento sensor (30) y un anillo de soldadura (38), el
método comprende:
- colocar al menos una parte de la carcasa (22) y al menos una parte del elemento sensor (30) en una cavidad (98) de una pieza de moldeado (102);
- colocar el anillo de soldadura (38) en la cavidad de moldeado (98) separado de la carcasa (22);
- inyectar un material cerámico (26) en la cavidad de moldeado (98) para el sobremoldeado de al menos una parte de la carcasa (22) y al menos una parte del elemento sensor (30) y para el moldeado del material cerámico (26) al anillo de soldadura (38); y
- eliminar el subconjunto sobremoldeado (14) de la pieza de moldeado (102).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Método según la reivindicación 1, en donde
inyectar el material cerámico (26) encapsula al menos parcialmente
el elemento sensor (30).
3. Método según la reivindicación 2, en donde el
subconjunto (14) incluye un terminal de conexión (62) eléctricamente
acoplado al elemento sensor (30), y el método comprende
adicionalmente acoplar un cable (66, 70) al terminal de conexión
(62).
4. Método según la reivindicación 3, en donde
inyectar el material cerámico (26) al menos parcialmente encapsula
el terminal de conexión (62).
5. Método según la reivindicación 1, en donde
inyectar el material cerámico (26) resulta en la unión del material
cerámico (26) con la carcasa (22).
6. Método según la reivindicación 5, en donde la
carcasa (22) incluye una cavidad (42), y en donde la inyección
resulta en que el material cerámico (26) llena al menos parcialmente
la cavidad (42).
7. Método según la reivindicación 1, que además
comprende acoplar un manguito de cableado (82) al anillo de
soldadura (38).
8. Método según la reivindicación 7, en donde
acoplar el manguito de cableado (82) al anillo de soldadura (38)
incluye soldar el manguito de cableado (82) al anillo de soldadura
(38).
9. Método según la reivindicación 7, en donde el
material cerámico (26) proporciona una barrera aislante entre la
carcasa (22) y el manguito de cableado (82).
10. Método según la reivindicación 9, en donde
el material cerámico (26) es material de mica.
11. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
que comprende:
- una carcasa (22);
- un elemento sensor (30) parcialmente recibido en la carcasa (22);
- un material cerámico (26) moldeado a la carcasa (22) para encapsular una parte del elemento sensor (30); y
- un anillo de soldadura (38) moldeado de acuerdo al material cerámico (26) y situado separado de la carcasa (22).
\vskip1.000000\baselineskip
12. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
según la reivindicación 11, en donde el material cerámico (26)
encapsula una parte central del elemento sensor (30), dejando al
menos un extremo del elemento sensor (30) sin encapsular.
13. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
según la reivindicación 11, en donde el material cerámico (26) está
moldeado al menos parcialmente en una cavidad (42) en la carcasa
(22).
14. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
según la reivindicación 11, que además comprende un espaciador (34)
situado en la carcasa (22), donde el material cerámico (26) limita
con el espaciador (34).
\newpage
15. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
según la reivindicación 11, que además comprende un subconjunto de
cableado (18), donde el subconjunto de cableado (18) incluye un
cable (66, 70) y un manguito (82).
16. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
según la reivindicación 15, en donde el manguito (82) del
subconjunto de cableado (18) está acoplada al anillo de soldadura
(38).
17. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
según la reivindicación 15, que además comprende un terminal de
conexión (62) que tiene un primer extremo acoplado eléctricamente al
elemento sensor (30), en donde el terminal de conexión (62) está
encapsulado al menos parcialmente por el material cerámico (26) de
modo tal que un segundo extremo del terminal de conexión (62) se
extiende desde el material cerámico (26) y se acopla con el cable
(66, 70) del subconjunto de cableado (18).
18. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
según la reivindicación 11, en donde el elemento sensor (30) es un
elemento sensor planar.
19. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
según la reivindicación 11, en donde el material cerámico (26) es un
material de mica.
20. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
según la reivindicación 16, en donde el manguito (82) del
subconjunto de cableado (18) está soldada al anillo de soldadura
(38).
21. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
según la reivindicación 16, en donde el material cerámico (26)
proporciona una barrera aislante entre la carcasa (22) y el manguito
del subconjunto de cableado (18).
22. Conjunto de sensor de gases de escape (10)
según la reivindicación 21, en donde el material cerámico (26) es un
material de mica.
Applications Claiming Priority (2)
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