用於感測流體介質至少一個特性的傳感器裝置和用於提供這種傳感器裝置的方法與流程
2023-11-05 06:21:57 1
本發明涉及一種用於感測流體介質至少一個特性的傳感器裝置和一種用於提供這種傳感器裝置的方法。
背景技術：
由現有技術公知用於感測流體介質、優選氣體的至少一個特性的傳感器裝置。具有至少一個傳感器元件的傳感器裝置屬於此類，該傳感器元件用於感測氣體的至少一個參數、尤其是內燃機廢氣的至少一個特性，例如廢氣組分的含量、尤其是氧氣含量、氮氧化物含量和/或氣態碳氫化合物含量。可以通過這種傳感器裝置來感測的其他特性例如為流體介質的微粒負荷、溫度和/或壓力。這種傳感器尤其可以是λ探測器。λ探測器優選被使用在內燃機的排氣管路中，主要是為了感測廢氣中的氧氣分壓力。λ探測器例如在Konrad Reif(編者)：機動車中的傳感器(Sensoren im Kraftfahrzeug)，2012年第2版，Springer出版社，第160-165頁中闡述。
這種傳感器裝置尤其在它的廢氣側的頂端具有保護殼體，該保護殼體伸入到廢氣流中。保護殼體自身可以單件式或多件式地實施，其中，多件式的實施大多數具有內殼體和圍繞內殼體的外殼體，在內殼體與外殼體之間構造有中間空間，必要時另外的保護管位於該中間空間中。具有兩個保護管(這兩個保護管也因此被稱為雙保護管)的保護殼體特別頻繁地被使用。保護殼體為了傳感器裝置內部的流體介質到位於傳感器裝置中的傳感器元件的針對性流動導向而用於防止在裝入時和通過排氣設備中出現的微粒所產生的機械載荷的影響，以及用於保護傳感器元件來防止來自廢氣的冷凝液和與此有關的傳感器元件的熱衝擊的影響。當冷凝液滴由廢氣流構成並且沉積到熱陶瓷傳感器元件上，由此在傳感器元件的表面上產生局部溫度差時，則尤其出現所謂的「熱衝擊」，該溫度差可能導致在傳感器元件中的高熱感應應力，該應力最終可能導致傳感器元件的損傷或甚至破壞。因此，保護殼體通常以一方式構型，以便將在排氣設備中出現的對傳感器裝置的液體負載儘可能降低到對於傳感器元件在很大程度上不造成損害的數量。
但是在許多情況下，對保護殼體的要求是相反的。在實際中，關於高熱衝擊保護而言的要求和關於傳感器裝置高動態性能而言的要求之間尤其存在著目標衝突。這尤其意味著，能夠通過流體導致傳感器元件的負載減小的、在保護殼體上的措施通常同時導致傳感器裝置的動態性能降低。這由此引起，即，傳感器元件附近的儘可能快的氣體交換通常促進傳感器裝置的動態性能，而由此同時提高傳感器元件的液體負載，由此通常削弱熱衝擊保護。這實際上意味著，在所選取的保護殼體中通常只能以在很大程度上令人滿意的方式滿足兩個要求中的一個要求，即高動態性能或高熱衝擊保護。
在內燃機中使用的傳感器裝置通常具有保護殼體的所謂非定向結構。保護殼體的「非定向結構」理解為這樣的結構，根據該結構，傳感器裝置與流體介質、尤其是廢氣的流動方向無關地被引入到測量氣體室中。相應地，傳感器裝置通常被引入到內燃機的廢氣管(Abgastrakt)中，而不在此考慮位於內燃機廢氣管中的廢氣的流動方向，例如關於用於使流體介質進入到保護殼體中的至少一個進入開口的布置。另一方面公知的是，傳感器裝置的動態性能與一整個系列的因素有關，尤其與傳感器裝置中的至少一個保護殼體的構型的細節有關，用於使流體介質進入到保護殼體中的進入開口的布置也屬於這些因素。
因此，期望提供一種用於感測流體介質、尤其是內燃機廢氣的至少一個特性的傳感器裝置，該傳感器裝置具有至少一個保護殼體的所謂「定向結構」。該「定向結構」理解為這樣的結構，在該結構中，傳感器裝置相對於內燃機的廢氣管中的廢氣的流動方向定向地取向，尤其為了以該方式改進傳感器裝置的動態性能。但是至今缺少這樣的傳感器裝置，該傳感器裝置具有儘可能簡單的結構並且能夠以儘可能簡單地實施的方法呈定向結構的形式相對於廢氣管中流體介質的流動方向來提供。
技術實現要素：
根據本發明，提出一種用於感測流體介質、尤其是內燃機廢氣的至少一個特性的傳感器裝置，以及一種用於提供這種傳感器裝置的方法，該傳感器裝置和方法至少在很大程度上克服公知的限制和缺點。這種傳感器裝置尤其用於感測流體介質的至少一個特性、優選內燃機廢氣的特性，例如廢氣中的氧氣含量、氮氧化物含量和/或氣態碳氫化合物含量。然而可以考慮感測流體介質的其他特性。本傳感器裝置由於它的構型而尤其適用於在高溫下使用、優選在600℃到1000℃的範圍中使用，但不局限於該範圍。
根據本發明的傳感器裝置包括至少一個保護殼體，該保護殼體設置用於接收至少一個傳感器元件並且為了該目的至少部分地圍繞傳感器元件。在此，保護殼體理解為這樣的裝置，該裝置設置用於至少針對通常在傳感器裝置裝入時和/或在傳感器裝置運行中出現的機械和/或化學的負載來保護傳感器元件。為此，保護殼體可以至少部分地由剛性的材料、尤其由金屬和/或合金和/或陶瓷製成，該材料尤其在固定保護殼體時在通常的力的情況下、例如在通常的擰緊力的情況下不發生變形。保護殼體尤其可以設置用於向外至少部分地圍繞傳感器裝置，並因此給予傳感器裝置的至少一部分外部構型。保護殼體尤其可以設置用於完全地或部分地被引入到流體介質中、例如被引入到內燃機的排氣管路中。
保護殼體可以單件式地、兩件式地、三件式地或更多件式地實施。根據本發明，保護殼體尤其兩件式地實施並且相應地具有單獨的內殼體，該內殼體可以至少部分地圍繞傳感器元件，其中，內殼體自身可以至少部分地由外殼體圍繞。內殼體和外殼體在該構型中可以如此相互布置，使得在內殼體與外殼體之間構造有能通過廢氣來加載的中間空間，該中間空間可以優選採用環狀間隙的形式。
能夠由流體介質流過的流動路徑可以位於保護殼體內部。流動路徑理解為這樣的行程，在流動介質隨後可以加載傳感器元件之前，流體介質從進入到保護殼體中到從保護殼體中排出可以經過該行程。在此，除了速度(流體介質以該速度進入到保護殼體中)以外，該行程主要通過保護殼體內部的中間空間的幾何構型來確定。然而，與流體介質中的各個微粒和/或分子的、以顯微鏡比例既可以呈現層流態也可以呈現紊流態的真實運動無關，流體介質在顯微鏡比例下也可以跟隨理想化的流動路徑，該流動路徑可以沿著保護殼體內部的內壁並且必要時沿著位於保護殼體中的裝入件(Einbauten)走向。因此，保護殼體內部的流動路徑的構型可以通過保護殼體構型的幾何結構，包括位於保護殼體中的用於讓流體介質進入到保護殼體的中間空間中的進入開口、位於保護殼體中的用於讓流體介質從中間空間中輸入到傳感器元件的輸入開口和必要時位於中間空間的附加的裝入件來確定。
根據本發明，藉助於擠壓配合、尤其藉助於輕輕的擠壓配合相對於內殼體來固定外殼體。「藉助於擠壓配合來固定」關於本發明而言尤其理解為，優選可以區段式地圓柱狀構型的外殼體至少在一區段中如此圍繞同樣優選可以區段式地圓柱狀構型的內殼體，使得在相關區段中(兩個部件之間的擠壓配合在該區段中起作用)基本上不再留有外殼體與內殼體之間的中間空間，從而外殼體內側的表面在擠壓配合的相關區段中固定地貼靠在內殼體外側的表面上，其中，藉助於擠壓配合相互固定的兩個部件在應用外壓力時還是能相互移動並且尤其也可相互旋轉地支承。擠壓配合、尤其是輕輕的擠壓配合則不導致兩個相關的部件相互完全固定，而是允許兩個部件相互間的相對位置有針對性地繼續改變、尤其是通過應用所選擇的外圧力來使兩個部件中的至少一個部件移動和/或旋轉，其中，擠壓配合的類型可以尤其通過為了設置擠壓配合而應用的外圧力的大小來表徵。
在特別優選的構型中，外殼體還具有至少一個固定元件，該固定元件可以例如呈突出的凸出部形式構型並且該固定元件尤其可以設置用於將外殼體引入到單獨的焊入式螺紋接套中，並且在特別優選的構型中，該外殼體相對於焊入式螺紋接套固定。焊入式螺紋接套可以為此尤其具有卡鎖位置，在外殼體接合在焊入式螺紋接套中之後固定元件將外殼體固定在該卡鎖位置中。「焊入式螺紋接套」理解為這樣的任意機械構件，該機械構件可以用於接收第一構件、在此是外殼體，以便將該第一構件如此施加到另一構件上、在此是下面描述的傳感器殼體，使得可以相對於第二構件藉助於焊入式螺紋接套來固定第一構件。
在另一優選構型中，傳感器元件還具有傳感器殼體，其中，根據本發明，傳感器殼體可以與內殼體優選藉助焊縫固定連接，該焊縫例如可以置於傳感器殼體與內保護殼體之間。在此，「傳感器殼體」尤其理解為這樣的用於傳感器元件的保護裝置，該保護裝置可以相對於內殼體附加地或替代地至少部分圍繞傳感器元件。
尤其在上述構型中，外殼體在該構型中還具有用於引入到焊入式螺紋接套中的至少一個固定元件，傳感器裝置可以優選如此構型，使得還可以藉助於焊入式螺紋接套相對於傳感器殼體來固定外殼體。因為傳感器殼體在該構型中與內殼體固定連接，所以可以以該方式實現外殼體相對於內殼體的進一步固定。
在另一優選構型中，傳感器殼體具有密封環，其中，密封環如此構型，使得由此實現可以相對於密封環來固定焊入式螺紋接套。以該方式尤其可以實現，至少部分地圍繞傳感器元件的傳感器殼體可以不從包括內殼體和外殼體的保護殼體中鬆脫，該外殼體可以藉助於至少一個固定元件關於焊入式螺紋接套來固定。以該方式可以尤其實現傳感器裝置的定向結構，即保護殼體關於在廢氣管中的流體介質的流動方向的取向。
在另一優選構型中，外殼體尤其可以在這樣的區域中(在該區域中藉助於擠壓配合相對於內殼體來固定外殼體)如此圍繞內殼體，使得可以構造在外殼體與內殼體之間的中間空間。尤其為了實現用於保護殼體內部的流體介質的上述流動路徑的構造，外殼體可以具有用於使流體介質進入到中間空間中的至少一個進入開口，並且內殼體可以具有用於使流體介質從中間空間到傳感器元件的至少一個輸入開口。
尤其為了實現傳感器裝置的上述定向結構，外殼體可以為此具有一周面，用於流體介質的進入開口位於外殼體的所述周面中，其中，內殼體在該構型中也可以具有一周面，用於使流體介質從中間空間到傳感器元件的輸入開口可以位於內殼體的所述周面中。以該方式尤其可以如此構型傳感器裝置的保護殼體中的流動路徑，使得該流動路徑可以在同時減小由出自流體介質的液體對傳感器元件造成的負載的情況下導致傳感器裝置的高動態性能。
在另一方面，本發明涉及一種用於感測流體介質、尤其是內燃機廢氣的至少一個特性的傳感器裝置的方法。在此，傳感器裝置包括用於將至少一個傳感器元件接收在內殼體中的至少一個保護殼體，其中，內殼體至少部分由外殼體圍繞。
根據本發明的方法尤其包括接下來所述的方法步驟a)到d)，這些方法步驟優選以該順序來實施：從a)開始、緊接著是b)、然後是c)、最後是d)，其中，所述方法步驟中的一個或多個方法步驟或另外的方法步驟可以至少部分地與前一或後一方法步驟一起實施。
根據步驟a)，將保護殼體的外殼體接合到焊入式螺紋接套中，其中，外殼體具有用於引入到焊入式螺紋接套中的至少一個固定元件。
根據步驟b)，藉助於擠壓配合將焊入式螺紋接套與接合到焊入式螺紋接套中的外殼體插接到內殼體上。
根據步驟c)，在保持擠壓配合的情況下推移插接到內殼體上的外殼體經過內殼體，直到存在於外殼體中的至少一個固定元件到達焊入式螺紋接套中的對應卡鎖位置。內殼體通過該裝入類型尤其可以如用於外殼體的承載件那樣起作用。
根據步驟d)，旋轉作為用於外殼體的承載件起作用的內殼體，直到存在於外殼體中的至少一個固定元件接合到焊入式螺紋接套中的上述卡鎖位置。以該方式，根據本發明相對於內殼體來固定外殼體。
在特別優選的構型中，可以藉助於密封環來固定焊入式螺紋接套，外殼體根據步驟a)接合在該焊入式螺紋接套中。在此，密封環優選施加到傳感器殼體上，其中，傳感器殼體可以與內殼體優選固定地、例如藉助焊縫連接。以該方式可以藉助於傳感器殼體在焊入式螺紋接套中固定外殼體，並且施加到傳感器殼體上的密封環可以防止傳感器殼體從保護殼體中鬆脫，傳感器元件可以位於傳感器殼體中，該保護殼體可以包括外殼體和藉助於擠壓配合與其固定的內殼體。以該方式，外殼體可以相對於廢氣的流動方向藉助於外殼體中的至少一個固定元件來取向，該外殼體可以接合在焊入式螺紋接套的至少一個卡鎖位置中。以該方式，能夠實現關於廢氣流動方向的根據本發明的傳感器裝置的取向，因為根據現有技術通常進行的外殼體到探測器殼體上的焊接不發生。
對於關於根據本發明的方法的其他細節參考在上面和/或在下面關於傳感器裝置的說明。
根據本發明的傳感器裝置和用於提供該傳感器裝置的對應方法尤其實現傳感器裝置的至少一個保護殼體關於廢氣的流動方向的定向，由此可改進傳感器裝置的上述動態特性，而同時尤其在合適地設計外殼體的構型的情況下可以減少水進入到傳感器殼體中。由於提高的動態性能和同時提高的抵抗水衝擊(Wasserschlag)的阻抗，根據本發明的傳感器裝置在發動機啟動後已可以較早地採用它的運行模式，這尤其可以用於減少廢氣排放。
附圖說明
本發明的實施例在附圖中示出並且在接下來的說明中詳細闡釋。附圖示出：
圖1：以剖面圖形式示出在根據本發明的用於提供傳感器裝置的方法期間的根據本發明傳感器裝置的示意性視圖；
圖2：以剖面圖形式示出根據本發明的用於提供傳感器裝置的方法的示意性視圖；
圖3：以剖面圖形式示出根據本發明的傳感器裝置的外殼體的示意性視圖，該外殼體具有用於固定到焊入式螺紋接套中的固定元件；
圖4：以根據本發明的傳感器裝置的俯視圖示出示意性視圖，其中，a)示出保護殼體的非定向結構(現有技術)，並且b)示出保護殼體的定向結構。
具體實施方式
在圖1中以剖面圖形式示出在根據本發明的用於提供傳感器裝置的方法期間的根據本發明的用於感測流體介質112的至少一個特性的傳感器裝置110。傳感器裝置110包括用於接收至少一個傳感器元件(未示出)的保護殼體114，該傳感器元件由保護殼體114圍繞。
在圖1中示出的優選實施例中，保護殼體114包括外殼體116，該外殼體具有呈拱頂形式構型的空心室118，內殼體120被引入到該空心室中。在此，外殼體116如此圍繞內殼體120，使得在外殼體116與內殼體120之間構造有中間空間122。然而可以考慮保護殼體114的用於保護傳感器裝置110的至少一個傳感器元件的其他實施方案。
傳感器裝置110的保護殼體114的外殼體116具有至少一個進入開口124，流體介質112可以從廢氣室穿過該進入開口進入到外殼體116與內殼體120之間的中間空間122中。流動路徑上的流體介質112在保護殼體114內部被引導直到通向內殼體120的內室128的輸入開口126，傳感器元件(未示出)位於該內殼體中。
根據本發明，在區段130上藉助於輕輕的擠壓配合132相對於內殼體120來固定外殼體116。在該優選實施例中，藉助於(圖1中未示出的)固定元件134相對於焊入式螺紋接套136來固定外殼體。
在圖1中示出的用於傳感器裝置110的優選實施例還具有傳感器殼體138，該傳感器殼體圍繞(未示出的)傳感器元件並且該傳感器殼體藉助於焊縫140與內殼體120固定連接。為了之後將焊入式螺紋接套136固定到傳感器殼體138上，在此傳感器殼體138還具有密封環142。
圖2以剖面圖形式示意性示出用於提供根據本發明的傳感器裝置110的根據本發明的方法的視圖。
在圖2a)中示意性示出方法步驟a)和b)。根據步驟a)，傳感器裝置110的外殼體116插接到焊入式螺紋接套136中。在此，外殼體116具有用於將外殼體116固定在焊入式螺紋接套136中的固定元件134。根據步驟b)，焊入式螺紋接套136與外殼體116藉助於區段130上的擠壓配合132插接到內殼體120上。
在圖2b)中示意性示出另外的方法步驟c)和d)。根據步驟c)，在保持區段130上的擠壓配合132的情況下，如此經過內殼體120推移外殼體116，直到外殼體116中的固定元件134到達焊入式螺紋接套136中的卡鎖位置144中。根據步驟d)，旋轉內殼體120，直到固定元件134接合到焊入式螺紋接套136中的卡鎖位置144中。
以該方式，如圖2c)所示，相對於內殼體120固定外殼體116。如圖2c)所示，在此傳感器殼體138具有密封環142，該密封環負責關於密封環142固定焊入式螺紋接套136。此外，焊入式螺紋接套136負責還相對於傳感器殼體138來固定外殼體116，該傳感器殼體藉助於焊縫140與內殼體120固定連接。以該方式，如圖2c)示意性示出，提供根據本發明的傳感器裝置110，該傳感器裝置藉助於密封環142附加地預緊。
圖3以剖面圖形式的示意性視圖示出根據本發明的傳感器裝置110的保護殼體114的外殼體116，該傳感器裝置具有用於將外殼體116固定在焊入式螺紋接套136中的固定元件134。固定元件134在本優選實施例中呈突出的凸出部形式地構型，該凸出部實現外殼體116在焊入式螺紋接套136中的卡鎖位置144中的卡鎖。這示例地從圖3a)到c)中得出，在這些圖中外殼體116的固定元件134在焊入式螺紋接套136中的相應卡鎖位置144中以逐漸放大的方式示出。
在圖4a)中以示意性視圖示出由現有技術公知的根據本發明的傳感器裝置，該傳感器裝置關於流體介質112的流動方向146具有非定向結構。在此，進入開口124位於外殼體116的肩部148上，由此只實現流體介質112從測量氣體室到傳感器裝置110中的無序的進入。
然而根據本發明，如在圖4b)中呈根據本發明的傳感器裝置110的俯視圖形式示意性示出，至少一個進入開口124位於在該優選實施例中圓柱狀構型的外殼體116的周面150上。保護殼體114的以該方式的可能的定向結構改進傳感器裝置110的動態特性，而同時在外殼體116的幾何結構的合適設計的情況下，可以使更少的水侵入到傳感器裝置110中。