(57)【要約】  ガス混合物中に含まれるさまざまなガスを決定するための、ケース内に配置される接続側と測定側とを有するセンサ素子を内蔵したセンサ用の、センサ素子の測定側を保護するために、少なくとも一つの流出口を有するセンサ素子室と、前記センサ素子室と流れが連絡し合う、少なくとも一つの流入口を有する前室とを限定している保護キャップにおいて、前記前室に凝縮液分離器が、前記センサ素子室と前室間に流れを転向させるための装置が、さらに前記センサ素子室の流出側に配置される流れを加速させるための装置が備えられる、保護キャップ、ならびに、そのような保護キャップを有するガスセンサ。
2010523989.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス混合物中に含まれるさまざまなガスを決定するための、ケース（２０４，３０４，４０４）内に配置され接続側（２０８，３０８，４０８）と測定側（２１０，３１０，４１０）とを有するセンサ素子（２０２，３０２，４０２）を内蔵したセンサ（１０８）用の保護キャップ（２００，３００，４００）であって、前記センサ素子（２０２，３０２，４０２）の測定側を保護するために、センサ素子室（２１８，３１８，４１８）と前室（２１４，３１４，４１４）とを限定している保護キャップ（２００，３００，４００）において、
前記前室（２１４，３１４，４１４）の内部の凝縮液分離器（２３０）を特徴とする、保護キャップ（２００，３００，４００）。
【請求項２】
ガス混合物中に含まれるさまざまなガスを決定するための、ケース（２０４，３０４，４０４）内に配置され接続側（２０８，３０８，４０８）と測定側（２１０，３１０，４１０）とを有するセンサ素子（２０２，３０２，４０２）を内蔵したセンサ（１０８）用の保護キャップ（２００，３００，４００）であって、前記センサ素子（２０２，３０２，４０２）の測定側を保護するために、センサ素子室（２１８，３１８，４１８）と、このセンサ素子室とガス流れ的につながった前室（２１４，３１４，４１４）とを限定している保護キャップ（２００，３００，４００）において、
前記センサ素子室（２１８，３１８，４１８）と前室（２１４，３１４，４１４）間の流れを転向させるための装置（２２２，３２２，４２２）を特徴とする、保護キャップ（２００，３００，４００）。
【請求項３】
ガス混合物中に含まれるさまざまなガスを決定するための、ケース（２０４，３０４，４０４）内に配置され接続側（２０８，３０８，４０８）と測定側（２１０，３１０，４１０）とを有するセンサ素子（２０２，３０２，４０２）を内蔵したセンサ（１０８）用の保護キャップ（２００，３００，４００）であって、前記センサ素子（２０２，３０２，４０２）の測定側を保護するために、少なくとも一つの流出穴（２２６，３２６，４２６）を有するセンサ素子室（２１８，３１８，４１８）と、少なくとも一つの流入穴（２２０，３２０，４２０）を有する前室（２１４，３１４，４１４）とを限定している保護キャップ（２００，３００，４００）において、
前記センサ素子室（２１８，３１８，４１８）の流出側に配置される、流れを加速させるための装置（２２４，３２４，４２４）を特徴とする、保護キャップ（２００，３００，４００）。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の保護キャップ（２００，３００，４００）において、
前記少なくとも一つの流入穴（２２０，３２０，４２０）が、前記前室（２１４，３１４，４１４）の測定側の端部に配置されていることを特徴とする、保護キャップ（２００，３００，４００）。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の保護キャップ（２００，３００，４００）において、
前記凝縮液分離器（２３０）が、軸方向に前記前室（２１４，３１４，４１４）の前記少なくとも一つの流入穴（２２０，３２０，４２０）に向かって開口し環状に一巡するリムとして構成され、前記前室（２１４，３１４，４１４）の半径方向内側の壁面（２１６，３１６，４１６）に配置されていることを特徴とする、保護キャップ（２００，３００，４００）。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の保護キャップ（２００，３００，４００）において、
前記センサ素子室（２１８，３１８，４１８）と前室（２１４，３１４，４１４）間の流れの連絡部（２２２，３２２，４２２）が、軸方向で前記凝縮液分離器（２３０）のセンサ接続側に配置されていることを特徴とする、保護キャップ（２００，３００，４００）。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の保護キャップ（２００，３００，４００）において、
前記流れを転向させるための装置（２２２，３２２，４２２）が、流れ誘導手段を備えた少なくとも一つの開口部を有することを特徴とする、保護キャップ（２００，３００，４００）。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の保護キャップ（２００，３００，４００）において、
前記流れを加速させるための装置（２２４，３２４，４２４）が、楔形のノズルとして構成されることを特徴とする、保護キャップ（２００，３００，４００）。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の保護キャップ（２００，３００，４００）において、
前記前室（２１４，３１４，４１４）が、前記少なくとも一つの流入穴（２２０，３２０，４２０）のほかにも、少なくとも一つの流出穴（２２８，３２８，４２８）を有し、その際に、流れ込むガス流から部分流を、前記前室（２１４，３１４，４１４）から、前記前室（２１４，３１４，４１４）とセンサ素子室（２１８，３１８，４１７）間の前記流れの連絡部（２２２，３２２，４２２）を通って前記センサ素子室（２１８，３１８，４１７）の内部へ分流可能であることを特徴とする、保護キャップ（２００，３００，４００）。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の保護キャップ（２００，３００，４００）において、
前記流れを加速させるための装置（２２４，３２４，４２４）の上流側に、バッフル板（３３４）が前置されていることを特徴とする、保護キャップ（２００，３００，４００）。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の保護キャップ（２００，３００，４００）において、
前記流れを加速させるための装置（２２４，３２４，４２４）の下流側に、少なくとも一つの流出穴（４４０）を有する補助キャップ（４３６）が後置されていることを特徴とする、保護キャップ（２００，３００，４００）。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の保護キャップ（２００，３００，４００）を有するガスセンサ（１０８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス混合物中に含まれるさまざまなガスを決定するための、ケース内に配置される接続側と測定側とを有するセンサ素子を内蔵したセンサ用の保護キャップであって、センサ素子の測定側を保護するために、センサ素子室と前室とを限定している保護キャップに関する。本発明はほかにも、保護キャップ付きガスセンサにも関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサは、たとえばガス流中に配置されることにより、ガス流の一部がセンサ素子を通過して流れることによって、ガス混合物中に含まれるさまざまなガスを決定するために使用される。その際には、センサ素子をガス混合物の望ましくない成分から保護するために、および／または、センサ素子に押し寄せる流れが最適となることを保証するために、冒頭で説明した保護キャップが使用されるようになっている。
【０００３】
保護キャップ付きガスセンサは、特許文献１および２の対象となっている。しかしながら公知であるこれらの保護キャップでは、保護が不十分であると同時に、センサ素子に到達する明確に定義された流れが保証されないことが判明している。たとえば自動車において内燃機関の排出ガスを分析するために使用されるＮＯｘセンサでは、特に冷間始動時および暖機運転期にセンサ素子に凝縮液が当たり、その結果有害物質の堆積によりセンサ素子に損傷を来たすことがある。そのように損傷したセンサ素子からは、誤った信号が送られるか、または信号が一切送られないために、内燃機関の運転に著しい支障を生じることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ドイツ特許出願公開第１０２００４０５０２２２号明細書
【特許文献２】ドイツ特許出願公開第１０２００５０１２４４９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって本発明の課題は、ガス混合物の望ましくない成分が入り込むことが実効的に回避されると同時に、センサ素子に明確に定義された流れが押し寄せることが保証される、冒頭に記載した保護キャップならびにガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、本発明により、請求項１に記載の各特徴を具備した保護キャップによって解決されるが、その根底にあるのは、前室に凝集液分離器を配置するという考え方である。同様にこの課題は、請求項２に記載の各特徴を具備した保護キャップによっても解決されるが、そこでは、根底にある考え方にしたがって、センサ素子室と前室との間に、流れを転向させる装置が配置されるようにしている。さらに請求項３に記載の各特徴を具備した保護キャップも、センサ素子室の流出穴側に、流れを加速させるための装置が配置されることによって、本発明が解決しようとする課題を解決する。
【０００７】
本発明の特に優先されるべき実施例、ならびに本発明にしたがった保護キャップを有するガスセンサは、従属クレームの対象となっている。
前室の測定側端部に少なくとも一つの流入穴が配置されると非常に好適である。それにより、粒子または液体成分が堆積しかねないデッドスペースが回避されることになる。
【０００８】
凝縮液分離器は、軸方向に前室のこの少なくとも一つの流入穴に向かって開口した、環状に一巡するリムとして構成されて、前室の半径方向で内側の壁面に配置されることが好ましい。この配置方式により、前室に流れ込むガス流が転向され、その際にガス流の粒子および／または液体成分がガス流から分離されるようになる。センサ素子室と前室間の流れの連絡部は、凝縮液分離器のセンサ接続側に軸方向に配置されると非常に有利である。この配置方式は、その結果として流れの再循環ゾーンが生じるために、ガス流の粒子および／または液体成分の極めて良好な分離に寄与することになる。
【０００９】
この流れを転向させるための装置は、流れ誘導手段が備えられた少なくとも一つの開口部を有していると好適である。それにより、センサ素子に直接押し寄せる流れが効果的に防止されて、センサ素子の不均等な冷却が回避されることになる。
【００１０】
流れを加速させるための装置が、楔形のノズルとして構成されると非常に有利であることが判明している。この楔形のノズルの相応の設計構成により、センサ素子を通過するガス流を、特に流れの体積および流速に関して、非常に簡単に調整することができる。
【００１１】
本発明の非常に好ましい実施例においては、前室が、上述の少なくとも一つの流入穴のほかにも、少なくとも一つの流出穴を有しているが、そこでは流れ込むガス流から、一つの部分流を、前室から前室とセンサ素子室間の流れの連絡部を通りセンサ素子室の内部へと分流できるようにしている。それにより明確に定義された部分流がガス流から分流されて、センサ素子を通過できるようになる。
【００１２】
同様に好ましい実施例によると、流れを加速させるための装置の上流側にバッフル板が前置されるようになっているが、それにより、センサ素子が流出穴の直前に位置しないようにする以外にも、流れが絞られるようにしている。
【００１３】
さらにもう一つの同様に好ましい実施例によると、流れを加速させるための装置の下流側に、少なくとも一つの流出穴を有する補助キャップが後置されるようになっている。この補助キャップにより特に、ガス流の望ましくない粒子および／または液体成分が流出穴を通りセンサ素子に向かって入り込むことが回避されるようにしている。
【００１４】
本発明にしたがった保護キャップを有するガスセンサにより、特段の長所がもたらされることになる。
以下では、図面を参照しながら本発明の特に優先されるべき実施例について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】排出ガス混合物中のさまざまなガスを決定するためのガスセンサが備えられている、内燃機関の排気系統の切片を示す概略図である。
【図２】保護キャップ付きガスセンサを示す概略図である。
【図３】保護キャップおよびバッフル板が備えられたガスセンサを示す概略図である。
【図４】保護キャップおよび補助キャップが備えられたガスセンサを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１には、ここには詳細には図示されていない内燃機関の排気系統の切片が示されているが、そこでは排気流が、矢印ａの向きに沿って流入口１０４から流出口１０６まで、排気管１０２を通り抜けて流れるようになっている。排気管１０２には、測定側１１０と接続側１１２とを有するガスセンサ１０８が、測定側１１０が排気流の中に突出するように取り付けられている。そこには複数の入口開口部１０９が備えられており、これらを通り排気流の一部はセンサ素子に向かって流れることができるが、この部分流は、出口開口部１１１を通り再び外に流れ出るようになっている。たとえばガスセンサ１０８は、接続のためにねじ切り部と接続フランジ１１４とを有しており、外側から排気管１０２の中にフランジが当たるまでねじ込まれているが、その際にガスセンサ１０８の接続フランジ１１４と排気管１０２の間には、シールが備えられている。
【００１７】
センサ１０８は、ここでは排出ガス中のＮＯｘ濃度を測定するために利用されるＮＯｘセンサである。そのようなセンサは、特にＮＯｘ貯蔵触媒と組み合わせて使用されることにより、触媒の貯蔵状態ないしは再生状態を検出する。しかしながら本発明は、それとは別の、たとえば排出ガス中の残留酸素含有率に基づき空燃比を決定するために利用されるラムダセンサなどのガスセンサと組み合わせて適用することも可能である。
【００１８】
次に、いずれも保護キャップ２００、３００、４００付きガスセンサの細部が示されている図２、３および４を参照する。ガスセンサのケース２０４、３０４、４０４の内部には、センサ素子２０２、３０２、４０２が固定されているが、その際にセンサ素子２０２、３０２、４０２は、接続側端部２０８、３０８、４０８ならびに測定側端部２１０、３１０、４１０を有しており、シール２０６、３０６、４０６を利用してケース２０４、３０４、４０４内に気密式に配置されている。
【００１９】
ケース２０４、３０４、４０４には、センサ素子側に、センサ素子２０２、３０２、４０２を取り囲んで保護する保護キャップ２００、３００、４００が接続されている。保護キャップ２００、３００、４００は、外側の保護管２１２、３１２、４１２と、内側の保護管２１６、３１６、４１６とを有している。内側の保護管２１６、３１６、４１６は、センサ素子２０２、３０２、４０２の測定側端部２１０、３１０、４１０を取り囲んでいる。一方外側の保護管２１２、３１２、４１２は、内側の保護管２１６、３１６、４１６を取り囲んでいる。内側の保護管２１６、３１６、４１６は、センサ素子室２１８、３１８、４１８を限定しており、また外側の保護管２１２、３１２、４１２は、内側の保護管２１６、３１６、４１６と一緒に前室２１４、３１４、４１４を限定している。外側の保護管２１２、３１２、４１２は―流れが矢印ｂの向きに押し寄せると想定して―前室２１４、３１４、４１４の測定側端部に複数の流入穴２２０、３２０、４１０を有している。
【００２０】
前室２１４、３１４、４１４の内部には凝縮液分離器２３０、３３０、４３０が配置されるが、これは、軸方向に前室２１４、３１４、４１４の流入穴２２０、３２０、４２０に向かって開口した、環状に一巡するリムとして構成されて、前室２１４、３１４、４１４の半径方向で内側の壁面、すなわち内側の保護管２１６、３１６、４１６に配置されている。「凝縮液分離器」という名称にかかわらず、これは主に、感知対象であるガス流から液体、特に凝縮液、および／または粒子を分離するために利用されるようになっている。
【００２１】
前室２１４、３１４、４１４とセンサ室２１８、３１８、４１８との間には流れの連絡部が備えられるが、ここではこれに、流れ誘導手段が備えられた少なくとも一つの開口部を有している、流れを転向させるための装置２２２、３２２、４２２が含まれている。この流れの連絡部は、内管２１６、３１６、４１６をところどころ舌状に内向きに曲げ加工することにより形成されるが、その際には同時に流れ誘導手段が構成されるようにしている。しかしながらこれらの開口部は、別の実施例にしたがって、流れ誘導手段を備えずに、またはこれとは仕様が異なる流れ誘導手段を備えて、構成されてもよいが、その場合は、センサ素子２０２、３０２、４０２に直接押し寄せる流れが回避されなければならない。
【００２２】
内側の保護管２１６、３１６、４１６の測定側端部には、流れを加速させるための装置２２４、３２４、４２４が配置されるが、これは、一つの排出穴２２６、３２６、４２６を有する楔形のノズルとして構成されている。この装置２２４、３２４、４２４により、内側の保護管２１６、３１６、４１６の内部の流れが加速されるようになっており、その結果センサ素子室２１８、３１８、４１８の領域内に達した液体、特に凝縮液、および／または粒子が、この出口穴２２６、３２６、４２６に向かう加速された流れにより、そこから排出されるようにしている。
【００２３】
内燃機関の運転時、すなわち排出ガスが排気管１０２の内部を流れるときには、流入穴２２０、３２０、４２０を通り流れ込むガス流の一部だけが、前室２１４、３１４、４１４からさらにセンサ室２１８、３１８、４１８の内部へと流れ込み、別の部分流が、前室２１４、３１４、４１４からさらに、流れの向きとは反対側に位置する孔２２８、３２８、４２８を通り、再び流れ出るようになっている。出口２２６、３２６、４２６を有する流れを加速させるための装置２２４、３２４、４２４を利用して、この出口２２６、３２６、４２６のところに、相応の設計構成により、前もって定められた定義済みの負圧を発生できるようにすることで、センサ室２１８、３１８、４１８を通り流れる体積が決定されるようにしている。
【００２４】
センサ室２１８、３１８、４１８の出口２２６、３２６、４２６のところに負圧を発生させるこのガス流と、サンプルガスが取り出される外側の保護管２１２、３１２、４１２の内部のガス流は、切り離されている。流れをこのように案内することによって、前室２１４、３１４、４１４内の急速なガス交換を保証することで、この外側の室の内部に侵入する液体、特に凝縮液、および／または粒子が、流れの向きとは反対側に位置する孔２２８、３２８、４２８を通り再び外に排出されるようにしている。
【００２５】
流れを転向させるための装置２２２、３２２、４２２の流れ誘導手段は、センサ素子２０２、３０２、４０２に流れが直接押し寄せることを阻止し、それによりセンサ素子２０２、３０２、４０２の不均等な冷却を回避し、またそれに伴い熱応力による破壊の怖れを回避している。この流れ誘導手段により、スワール流が発生される。
【００２６】
流れを転向させるための装置２２３、３２２、４２２の開口部を通りセンサ素子室２１８、３１８、４１８の内部に流れ込むために利用に供されている合計面積は、センサ素子室２１８、３１８、４１８の排出孔２２６、３２６、４２６の面積と比較して大きくなっている。それにより、センサ素子２０２、３０２、４０２の周囲にスワール流を発生させるために、脈圧が利用されることがないようにしている。あるいはその代わりに、開口部が軸方向に流れの向きに配置されるようにしてもよい。しかしながらガスセンサの別の用途では、センサ素子２０２、３０２、４０２の周囲にスワール流が発生されることが重要となることがある。
【００２７】
凝縮液分離器２３０、３３０、４３０により、前室２１４、３１４、４１４の内部に再循環ゾーンが発生されることになる。これは、内側の保護管２１６、３１６、４１６の外側に付着した液滴および固体粒子を分離するために利用される。凝縮液分離器２３０、３３０、４３０は、それに加えてさらに、壁面に堆積した滴が、流れ自体によるほか、排気系統の起振の結果としての構成部品の振動によっても、流れを転向させるための装置２２２、３２２、４２２の開口部に向かって運ばれるのを阻止するようになっている。凝縮液分離器２３０、３３０、４３０のこの作用は、構成部品がなおも冷間状態にあるときには、非常に有利である。この高温のセラミックス要素により、センサ素子２０２、３０２、４０２のこの危険な利用時間帯の間には、排出ガス中に含まれる水蒸気の実質的な部分が狙い通りにセンサにとり危険のない地点で分離されることになる。
【００２８】
ここでは、このような流れの案内方式が選択されることで、外側の保護管２１２、３１２、４１２の空隙率の最小限化を実現している。それにより一方では外側の保護管２１２、３１２、４１２の内部の急速なガス交換が支援され、他方ではシステム全体の急速加熱がもたらされることになる。
【００２９】
楔形のノズルとして構成される流れを加速するための装置２２４、３２４、４２４により、補助キャップ４３６の内部に侵入する液体、特に凝縮液、および／または粒子が、センサ室２１８、３１８、４１８の排出開口部２２６、３２６、４２６を通り抜けてセンサ素子２０２、３０２、４０２に達し得ないことを保証している。それに加えてさらに、排出ガスが流れる向きに関係なく、センサ室２１８、３１８、４１８から出るガス流が常に同じ向きになるという効果によっても、これを支援している。
【００３０】
排出ガスの中心となる流れの領域の補助キャップ４３６のサイズを最小限化することにより、良好な熱結合と抱き合わされて、内側の保護管２１６、３１６、４１６の急速加熱、ひいてはセンサ室２１８、３１８、４１８の乾燥状態がもたらされるようにしている。
【符号の説明】
【００３１】
１０２  排気管
１０４  流入口
１０６  流出口
１０８  ガスセンサ
１０９  入口開口部
１１０  測定側
１１１  出口開口部
１１２  接続側
１１４  接続フランジ
２００  保護キャップ
２０２  センサ素子
２０４  ケース
２０６  シール
２０８  接続側端部
２１０  測定側端部
２１２  外側保護管
２１４  前室
２１６  内側保護管／前室の半径方向内側の壁面
２１８  センサ素子室
２２０  流入穴
２２２  流れを転向させるための装置／流れの連絡部
２２４  流れを加速するための装置
２２６  排出穴
２２８  流出穴
２３０  凝縮液分離器
３００  保護キャップ
３０２  センサ素子
３０４  ケース
３０６  シール
３０８  接続側端部
３１０  測定側端部
３１２  外側保護管
３１４  前室
３１６  内側保護管／前室の半径方向内側の壁面
３１８  センサ素子室
３２０  流入穴
３２２  流れを転向させるための装置／流れの連絡部
３２４  流れを加速するための装置
３２６  流出穴
３２８  流出穴
３３０  凝縮液分離器
３３４  バッフル板
４００  保護キャップ
４０２  センサ素子
４０４  ケース
４０６  シール
４０８  接続側端部
４１０  測定側端部
４１２  外側保護管
４１４  前室
４１６  内側保護管／前室の半径方向内側の壁面
４１８  センサ素子室
４２０  流入穴
４２２  流れを転向させるための装置／流れの連絡部
４２４  流れを加速するための装置
４２６  流出穴
４２８  流出穴
４３０  凝縮液分離器
４３６  補助キャップ
４４０  流出穴
ａ  排気流
ｂ  排気流
【図１】
2010523989.tif 000003
【図２】
2010523989.tif 000004
【図３】
2010523989.tif 000005
【図４】
2010523989.tif 000006
【国際調査報告】
2010523989.tif 000007
2010523989.tif 000008
2010523989.tif 000009
2010523989.tif 000010
2010523989.tif 000011
2010523989.tif 000012