JP2008506133A - 測定センサ - Google Patents

Abstract

測定センサ、殊に測定ガスの物理的な特性を突き止めるガスセンサ、殊に内燃機関の排気ガスにおいて、温度またはガス組成の濃度を突き止めるガスセンサを提示する。この測定センサは、センサエレメント（１１）を有しており、当該センサエレメントは、センサハウジング（１２）から突出しているガス側終端部分（１１１）を伴う。この測定センサはさらに、前記ガス側終端部分（１１１）を取り囲んでいる二重保護管（１４）を有しており、当該二重保護管は、外側管（１５）と内側管（１６）から成る。温度ショックからセンサエレメント（１１）をより良好に保護するため、センサエレメント（１１）に対する加熱パワーを低減させるため、および測定センサの充分に高い動的特性を得るために、ガス側終端部分（１１１）上にグラス状の中央保護管（２１）がかぶせられ、当該中央保護管は管外被（２１１）内にガス流出穴（２２）が設けられており、当該ガス流出穴は、前記内側管（１６）内に設けられているガス流出穴（１８）と異なるように、前記管底部（２１２）に対してずらして配置されている。

Description

従来技術
本発明は測定センサから出発し、殊に測定ガスの物理的な特性を突き止めるガスセンサ、殊に請求項の上位概念に記載された、内燃機関の排気ガス中の温度またはガス組成の濃度を突き止めるガスセンサから出発する。

このような測定センサは例えばいわゆるラムダゾンデとして、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度を求めるために使用される。この測定センサには、電気的な固有加熱部が設けられている。これによって、ガスに反応するセンサエレメントはできるだけ迅速に、詳細にはエンジンのアイドリングフェーズ時に、自身の動作温度まで加熱される。このセンサエレメントは、セラミック材料から製造されている。しかしこのようなセラミックは強い温度変動に対して非常に敏感であり、このような温度変動はセラミック内の亀裂、ひいては機能エラーから、測定センサの完全な故障まで引き起こす。極度の温度変動（いわゆるサーモショックとも称される）はセンサエレメントの表面で、例えば内燃機関のスタート時およびアイドリングフェーズ中に、既に加熱されたセンサエレメントに冷たい水滴が衝突したときに生じる。このような水滴は次のことによって形成される。すなわち、アイドリングフェーズ中に、エンジン燃焼によって生じる水蒸気が、排気ガス装置と測定センサの冷たい表面で凝縮され、水滴が凝縮膜から離れることによって生じる。この水滴はその後、ガスフローによって引きはがされ、さらにガスフローによってセンサエレメントまで導かれる。

排ガスセンサとして使用されている公知の測定センサ（ＤＥ１９９２４３１９Ｃ２）では、排気ガスフローにおいて一緒に案内される水滴との衝突からセンサエレメントを保護するために、内側管および外側管から成る二重保護管が設けられている。この二重保護管は、排気ガスにさらされるセンサエレメント区間をとり囲む。ここでこの内側管および外側管にはそれぞれ、ガス侵入用開口部および流出用開口部が設けられている。
内側管の少なくとも１つの侵入用開口部および／または外側管の少なくとも１つの侵入用開口部に、フローエレメントが配置されている。これは、内側管および外側管によって取り囲まれている隙間および／または内側管の内部空間に侵入する排ガスフローを、内側管および／または外側管の各内部套面の方向に偏向させる。これによって水が内側管套面に保持され、結果として、内燃機関のアイドリング運転が増大するとともに上昇する排ガスの温度が徐々に水を蒸発させる。

発明の利点
請求項１の特徴部分の構成を有する本発明の測定センサは次の利点を有している。すなわち、二重保護管内に中央保護管を設けることによって、センサエレメントがより良好に保護されるという利点を有している。しかも、測定ガス中の温度変動に関する測定センサの動的特性が損なわれることはない。直接的に、センサエレメントの測定ガス側終端区間上にかぶせられる付加的な中央保護管は、一方では水衝突によるサーモショックに対する付加的な保護を提供し、他方では熱放出および測定ガスに対する対流によって生じる熱損失を、加熱されたセンサエレメントにおいて低減させる。従って測定センサは、スイッチオン後に非常に迅速に自身の動作温度に達することができ、この温度を全ての動作条件のもとで確実に保持する。熱損失の低減は付加的に、測定センサの加熱パワーの需要を低減させる。中央保護管によって所期のように得られる、二重保護管内の、および内側管と中央保護管の間の隙間内の測定ガスフローによって、およびガス流出穴によって中央保護管内に構成される中断縁部によって、測定ガスの良好な渦化が、センサエレメントの測定ガス側区間周辺で生じる。これは、通常、内燃機関の排気ガス内で生じる測定ガスの脈動とともに、中央保護管の内部で、測定ガスの迅速な交換を生じさせる。中央保護管によって得られる、改良されたセンサエレメントの保護の結果、二重保護管内のガス流出穴をより大きくすることができる。従って、これらの穴の機能が、堆積する粒子（例えばすす）によって弱められることはない。二重保護管内のガス流出穴を通って流出する粒子は、中央保護管の高温の管外被で燃焼される。なぜなら、管外被は加熱されたセンサエレメントと近く、その非常に薄い壁部の強度によって、迅速に、このような粒子の燃焼プロセスに充分な温度まで加熱されるからである。これによって、全体的に測定センサの静止時間および動的特性が改善される。これは（例えば単独シリンダ調整時に生じるような）困難な動作条件のもとでも得られる。

本発明の測定センサは、利点を有するラムダゾンデとして、内燃機関のもとでも使用可能である。ここではアイドル運転と全負荷の間の大きな温度差が排気ガス中に生じ、測定センサは過度加熱の理由から、高温の排ガスフローから離れて、排気ガス管内に組み込まれなければならない。これと結びついている、コールドスタート後の測定センサハウジングのより長い加熱時間にもかかわらず、およびこれと結びついて、アイドリングフフェーズが長い場合および外部温度が低い場合に部分的に長時間、ハウジング質量体で露点温度を超えないにもかかわらず、センサエレメントは効果的に保護される。

別の請求項に記載した手段によって、請求項１に記載した測定センサの有利な発展形態および改良形が可能になる。

本発明の有利な実施形態では、二重保護管の内側管の突出部分は、円錐台様式に円錐状に先細り、管底部によって閉成されている。また外側管は、環状の底部分を介してこの内側管に対して支えられている。内側管の管底部には端面穴および環状の底部分ないし底部リングが設けられる。これらには複数の、円周方向において相互にずらして配置されたガス流出穴が設けられている。このような構造的な措置によって、格段に改善された測定ガスの流れが、二重保護管内および二重保護管の内側管と中央保護管の間で得られる。これは、中央保護管内で測定ガスを最適に渦化する。

本発明の有利な実施形態では、中央保護管の壁は非常に薄く構成されている。従って中央保護管は僅かな熱容量しか有していない。これは測定センサの動的特性を損なわせない。

図面
本発明を、図面に示された実施例に基づいて、以下の明細書においてより詳細に説明する。ここで図面は部分的に、内燃機関用、殊に車両の内燃機関に対するラムダゾンデの縦断面図を示している。

実施例の説明
車両内の内燃機関からの汚染物質排出を低減するために、ラムダ調整部を有する三元触媒が使用される。図１において部分的に縦断面図で示されているラムダゾンデは、ここでは空気燃料混合気を制御するために用いられ、排気ガス中の酸素含有物の濃度の測定を用いて、できるだけ化学量論的な混合気を調節することを可能にする。従って、最適な燃焼によって汚染物質排出が低減される。このようなラムダゾンデを以降で、ガスセンサとして使用される一般的な測定センサに対する実施例として記載する。これによって、測定ガスの物理的な特性、例えば測定ガスの温度または測定ガス中のガス組成の濃度が測定される。

このラムダゾンデは、セラミックから製造されたセンサエレメント１１を有する。このセンサエレメントは、排気ガスにさらされた、ガス側終端部分１１１および、ここには図示されていない、接続側終端部分を伴う。この終端部内では、制御および評価装置との接続のためのセンサエレメント１１の電気的接触接続が行われる。センサエレメント１１はセンサハウジング１２内に収容されている。このうち、図１では、ガス側の終端領域のみが示されている。ここではセンサハウジング１２内に、センサハウジング１２の内のりの直径を低減させることによって、ハウジングショルダー１２１が形成される。センサエレメント１１は、センサエレメント１１を隙間無く取り囲むセラミック密閉部１３によって、センサハウジング１２内に気密性に嵌め込まれ、ガス側終端部分によって、センサハウジング１２から突出している。センサハウジング１２には、外側ねじ山部分１２２が設けられている。この外側ねじ山部分によってラムダゾンデは組み込み箇所で、内燃機関の排ガス管に保持された接続区間内に回してはめ込まれ、測定ガス側終端区間１１１が、排ガス管内に供給された排ガスフロー内に浸る。

センサエレメント１１のガス側終端部分１１１は、二重保護管１４によって取り囲まれている。この二重保護管は、センサハウジング１２に構成されたハウジング結合部１２３上に載せられ、これと気密性に溶接される。二重保護管１４は外側管１５と内側管１６から成る。内側管は外側管１５によって、半径方向距離を伴って、同心状に取り囲まれており、外側管１５の自由端部を超えて張り出している。この張り出し部分は円錐状に先細りしており、内側管１６と一体である管底部１６１で終端を成している。管底部１６１内には中央の端面穴１７が組み込まれており、この管底部１６１から背を向けている内側管１６の終端部の近傍において、管壁部内にガス流出穴１８が設けられている。このガス流出穴１８は円周線上で、有利には相互に同じ距離で配置されている。従って、取り囲んでいるガス流出穴１８の輪が生じる。外側管１５は、外側管と一体である底部リング１５１を介して内側管１６に対して支えられており、これによって端面側で覆われている。従って、外側管１５と、内側管１６の間には環状の隙間１９が形成される。この環状の隙間１９は、底部リング１５１内に設けられているガス流出穴２０を介して排気ガスフローと接続されている。このガス流出穴２０は、円周方向において有利には等間隔で配置されている。

センサエレメント１１のガス側終端部１１１上には、管外被２１１および管底部２１２を有する中央保護管２１がかぶせられる。これはセンサハウジング１２内で固定され、終端部分１１１に対する半径間隔も、内側管１６に対する半径間隔も含んでいる。センサハウジング１2内に固定するために、中央保護管２１は、管底部２１２から背いている自身の終端部２１３で、台形状に拡張されており、実質的に一体成形でハウジングショルダー１２１上に載置されている。ここでこれは密閉部１３によって軸方向に移動しないように固定される。中央保護管２１の管外被２１１内にはガス流出穴２２が設けられている。このガス流出穴は、内側管１６内のガス流出穴１８と異なるように、管底部２１２に対してずらして配置されている。ここでこの配置は、次のように行われる。すなわち、内側管１６でのように、ガス流出穴２２が円周線上で有利には等間隔で配置され、従って周囲を囲む一連の穴が形成されるように行われる。内側管１６および中央保護管２１の一連の穴は、相互に軸方向に間隔が空けられている。ガス流出穴２２の位置も、数、形状および大きさも、排気ガスによって与えられる技術的な状況に応じて変えられる。保護管２１の壁は、次のような意図のもとに薄く構成されている。すなわち、その壁強度が、二重保護管１４の内側管１６または外側管１５の壁強度よりも低く、いかなる場合にも大きくないようにする意図のもとに薄く構成されている。

排気ガス管内に測定センサが嵌め込まれている場合、排気ガス管内に突出している測定センサ１１の終端領域によって、排気ガス管内で横断面が狭くなる。このように横断面が狭くなることによって、排気ガスは、内側管１６内の端面穴１７の領域内で加速され、この領域ないで低圧が生じる。同時に、排気ガスの流れ方向（矢印２３）で見て内側管１６の張り出し前に、ガス流出穴２０を介して、外側管１５の底部リング１５１内で高圧が形成される。このようにして生じる圧力降下によって、排気ガスの圧力脈動とともに、保護管内で排ガスフローが生じる。このような排ガスフローは、ガス流出穴２０の一部分を介して、外側管１５の底部リング１５１内に流入し、外側管１５と内側管１６の間の環状の隙間１９を通って流れ、内側管１６内のガス流出穴１８を介して、内側管１６と中央保護管２１の間の環状隙間２４内に流入する。この環状隙間２４内では、排気ガスは環状隙間１９内の流れ方向に対して反対に流れ、中央保護管２１内のガス流出穴２２を介して中央保護管２１の内部空間内に流入する。中央保護管２１内のガス流出穴２２によって構成された中断縁部によって、排気ガスの脈動による流れとともに、排気ガスの強い渦化がガス室内で、センサエレメント１１の終端区間１１１周辺で生じる。これによって排気ガスは充分に迅速に交換される。中央保護管２１の内部空間からの排ガスの排出は、ガス流出穴２２の他の部分および内側管１６の端面穴１７を介して行われる。ここで中央保護管２１によって、センサエレメント１１の対流および放射によって生じる熱損失が次のように低減される。すなわち、センサエレメント１１の上述された動作温度が全ての動作条件のもとで保持されるように低減される。内側管１６内のガス流出穴１８および外側管１５の底部リング１５１内のガス流出穴２０は次のような大きさに設計される。すなわちこれが、煤等の堆積粒子によって、ふさがれないような大きさに設計される。このような比較的大きいガス流出穴１８、２０を通って、排ガスとともに流出する粒子は、中央保護管２１の外壁で燃焼される。なぜなら中央保護管２１は、加熱されたセンサエレメント１１に非常に近く、かつ中央保護管の壁は薄くされているので、センサエレメント１１の加熱によって、この粒子が燃焼する温度に加熱されるからである。

内燃機関用、殊に車両の内燃機関に対するラムダゾンデの部分的な縦断面図

Claims (10)

1. 測定センサ、殊に測定ガスの物理的な特性を突き止めるガスセンサ、殊に内燃機関の排気ガス中の温度またはガス組成の濃度を突き止めるガスセンサであって、
   センサエレメント（１１）を有しており、
   当該センサエレメントは前記測定ガスにさらされるガス側終端部分（１１１）をもってセンサハウジング（１２）から突出しており、
   前記ガス側終端部分（１１１）を取り囲んでいる二重保護管（１４）を有しており、
   当該二重保護管は、外側管（１５）と、ガス流出穴（１８）が設けられている内側管（１６）から構成されており、
   当該内側管は前記外側管（１５）によって半径間隔を伴って取り囲まれており、前記外側管（１５）の自由端部を超えて突出している形式のものにおいて、
   前記センサエレメント（１１）のガス側終端部分（１１１）上に、管外被（２１１）および管底部（２１２）を有する、グラス状の中央保護管（２１）がかぶせられており、
   当該中央保護管は、ガス側終端部分（１１１）および内側管（１６）から半径間隔を伴って配置されており、
   前記管外被（２１１）内にガス流出穴（２２）が設けられており、
   当該ガス流出穴は、前記内側管（１６）内に設けられた前記ガス流出穴（１８）と異なるように、前記管底部（２１２）に対してずらして配置されている、
   ことを特徴とする測定センサ。
2. 前記二重保護管（１４）の内側管（１６）の突出部は円錐状に先細りしている、請求項１記載の測定センサ。
3. 前記内側管（１６）の突出部は有利には当該内側管（１６）と一体の管底部（１６１）によって終端を成しており、当該管底部（１６１）内には少なくとも１つの端面穴（１７）が配置されている、請求項１または２記載の測定センサ。
4. 前記外側管（１５）は、有利には当該外側管（１５）と一体である底部リング（１５１）を介して、外側で前記内側管（１６）に対して支えられており、
   前記底部リング（１５１）には、円周方向において相互にずらされて配置されたガス流出穴（２０）が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の測定センサ。
5. 前記二重保護管（１４）の内側管（１６）内のガス流出穴（１８）および前記中央保護管（２１）の管外被（２１１）内のガス流出穴（２２）は、それぞれ輪状に、有利には等間隔の距離を伴って、管円周にわたって分配されており、
   前記内側管（１６）および中央保護管（２１）内の一連の穴は相互に軸方向に間隔が空けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の測定センサ。
6. 前記中央保護管（２１）の壁は薄く構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の測定センサ。
7. 前記中央保護管（２１）の壁強度は前記二重保護管（１４）の壁強度よりも低く、最大で二重保護管の壁強度と同じである、請求項６記載の測定センサ。
8. 前記中央保護管（２１）は、センサハウジング（１２）に、有利には形状接続的に固定されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の測定センサ。
9. 前記管底部（２１２）の方を向いていない、前記中央保護管（２１）の終端部（２１３）は円すい状に拡張されており、前記センサハウジング（１２）内に構成されているハウジングショルダー（１２１）上に載置されている、請求項８記載の測定センサ。
10. 前記センサエレメント（１１）は、隙間無く取り囲んでいる密閉部（１３）を介して前記センサハウジング（１２）の内壁に対して支えられており、円すい状に拡張された終端部（２１３）を備えている前記中央保護管（２１）は、前記密閉部（１３）によって、前記ハウジングショルダー（１２１）上に軸方向に、移動しないように固定されている、請求項９記載の測定センサ。

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