ГАЗОВЫЙ ДАТЧИК СО СНАБЖЕННЫМ ГИГРОСКОПИЧНЫМ ПОКРЫТИЕМ ЗАЩИТНЫМ УСТРОЙСТВОМ
GAS SENSOR WITH PROTECTIVE DEVICE WITH HYGROSCOPIC COATING

Настоящее изобретение относится к газовому датчику, прежде всего к кислородному датчику, называемому также лямбда-зондом, для анализа отработавших газов (ОГ), образующихся при работе нестационарного (мобильного) двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Подобные газовые датчики обычно имеют чувствительную деталь (чувствительный элемент), который может использоваться для анализа газов, прежде всего отработавших газов в системах выпуска ОГ, образующихся при работе ДВС. В таких газовых датчиках их чувствительный элемент для его защиты от возможных механических и тепловых повреждений обычно размещают в окружающей его защитной трубке с соответствующими отверстиями, через которые обеспечивается доступ анализируемого газа к находящемуся внутри защитной трубки чувствительному элементу газового датчика. Эта защитная трубка предназначена в первую очередь для исключения повреждений нагреваемой чувствительной детали газового датчика при перевозке и монтаже, а также для исключения ее нагружения термоударами вследствие контакта с водяными каплями, образующимися из содержащегося в газовом потоке водяного пара.
Учитывая тот факт, что газовый датчик обычно контактирует с проходящим мимо него горячим потоком ОГ, у известных газовых датчиков наблюдалось осаждение на защитной трубке конденсата содержащегося в ОГ водяного пара. Водяной пар, конденсируясь на поверхности газового датчика, образует водяные капли, которые представляют опасность для чувствительного элемента.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать газовый датчик, который обладал бы повышенной по сравнению с известными газовыми датчиками надежностью, обеспечиваемой за счет предотвращения контакта чувствительного элемента с водяными каплями. Помимо этого такой газовый датчик должен иметь простую конструкцию и должен допускать возможность его рентабельного серийного изготовления без высоких затрат. Кроме того, должна быть по меньшей мере уменьшена острота известных технических проблем, присущих доступным в настоящее время газовым датчикам.
Указанные задачи решаются с помощью газового датчика, отличительные признаки которого представлены в соответствующем независимом пункте формулы изобретения на "устройство", а также с помощью способа изготовления газового датчика, заявленного в соответствующем независимом пункте формулы изобретения на "способ". Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения. Следует отметить, что возможны и другие предпочтительные варианты осуществления изобретения, которые можно получить за счет использования отличительных признаков изобретения не только в их указанной в формуле изобретения комбинации, но и в любой иной технически целесообразной комбинации, в некоторых случаях в сочетании с представленными в описании отличительными особенностями изобретения.
Предлагаемый в изобретении газовый датчик, прежде всего кислородный датчик для анализа ОГ, образующихся при работе нестационарного ДВС, имеет по меньшей мере одно защитное устройство, которое по меньшей мере частично окружает контактирующую с газом чувствительную деталь (чувствительный элемент) газового датчика. Такой газовый датчик отличается тем, что по меньшей мере одно защитное устройство имеет контактирующий с газом участок, который по меньшей мере частично имеет гигроскопичную поверхность.
По меньшей мере одно защитное устройство газового датчика, который при определенных условиях может иметь два или три подобных защитных устройства (которые в некоторых случаях могут располагаться одно в другом коаксиально друг другу), с одной стороны, обеспечивает защиту чувствительного элемента от возможных повреждений при перевозке и/или монтаже, т.е. выполнено относительно устойчивым (жестким). С другой стороны, защитное устройство предотвращает контакт содержащихся в газовом потоке загрязнений (твердых частиц, сажи и т.д.) и/или водяных капель с чувствительным элементом. Однако одновременно с этим защитное устройство обеспечивает возможность доступа анализируемого газа к чувствительному элементу. Подобное защитное устройство обычно представляет собой своего рода кожух, крышку, колпачок, сетку или иное аналогичное приспособление с отверстиями, через которые газ может поступать внутрь защитного устройства в те его зоны, где расположен чувствительный элемент.
Согласно изобретению защитное устройство, а при наличии нескольких защитных устройств - все они по меньшей мере на участках, с которыми контактирует поток анализируемого газа, имеет/имеют гигроскопичную поверхность. Под "гигроскопичной" подразумевается прежде всего поверхность, которая способна поглощать водяной пар из газового потока, соответственно предотвращать образование водяных капель на контактирующем с газом участке защитного устройства. Для этого гигроскопичность можно придать самому контактирующему с газом участку, например, за счет придания особой шероховатости его поверхности и/или за счет придания ему пористости. Однако контактирующий с газом участок можно также покрывать дополнительным слоем другого материала, отличного от материала, из которого выполнено защитное устройство.
В этом отношении в наиболее предпочтительном варианте гигроскопичная поверхность по меньшей мере частично образована покрытием, предпочтительно содержащим стойкий к действию высоких температур осушитель. В качестве подобного осушителя можно использовать, например, различные соли или же органические вещества. Такое покрытие предпочтительно должно также обладать стойкостью к водяным (гидравлическим) ударам, а также прежде всего должно обладать стойкостью к эрозии и коррозии.
В следующем варианте выполнения газового датчика указанное покрытие предлагается выполнять толщиной от 10 до 50 мкм. Более предпочтительно выполнять покрытие толщиной от 15 до 25 мкм. Учитывая наличие высоких термических нагрузок, характерных, например, для автомобильной системы выпуска ОГ, покрытие должно обладать особо высокой прочностью сцепления с защитным устройством. Покрытие для обеспечения длительного его сохранения на поверхности защитного устройства должно во избежание его отслаивания иметь сравнительно небольшую толщину.
В следующем варианте выполнения предлагаемого в изобретении газового датчика покрытие является пористым и соответственно имеет поры, объем которых в пересчете на единицу объема покрытия составляет от 30 до 90%. Иными словами, образованный порами объем занимает (в статистическом среднем) в пересчете на заданную единицу объема покрытия от 30 до 90%, предпочтительно 50%.
Помимо этого в следующем варианте выполнения предлагаемого в изобретении газового датчика покрытие содержит оксид, прежде всего по меньшей мере один оксид, выбранный из группы, включающей диоксид титана, диоксид циркония и оксид алюминия. Подобные стойкие к действию высоких температур (жаропрочные) оксиды усиливают гигроскопичное действие покрытия.
Именно при размещении подобного газового датчика в автомобильной системе выпуска ОГ предпочтительно наличие в покрытии каталитически активных компонентов, прежде всего благородного металла (например, платины, родия и т.д.). Сказанное означает, что контактирующую с ОГ поверхность одновременно используют для каталитического превращения содержащихся в ОГ вредных веществ в безвредные. Однако во избежание существенного отрицательного влияния на состав анализируемого газового потока покрытие в целом не должно также оказывать никакого действия на компоненты газового потока, определяемые путем измерений с помощью газового датчика, например на кислород (например, не должно обладать способностью аккумулировать такие компоненты газового потока).
В следующем варианте выполнения газового датчика другие контактирующие с газом компоненты, прежде всего корпус газового датчика, предпочтительно также должны по меньшей мере частично иметь гигроскопичную поверхность. Корпус газового датчика служит для размещения в нем чувствительной детали и обычно имеет наружную резьбу для закрепления газового датчика на трубопроводе, по которому движется поток анализируемого газа. Во избежание образования водяных капель и на корпусе газового датчика корпус также снабжен гигроскопичной поверхностью. Альтернативно этому или в дополнение к этому такая гигроскопичная поверхность может быть образована поверхностью по меньшей мере одного отдельного формованного изделия, которое по меньшей мере частично закрывает, соответственно охватывает, соответствующий компонент. Подобное формованное изделие можно скреплять с компонентом, соответственно с несколькими компонентами, соединением присадочным материалом и/или соединением с геометрическим замыканием, прежде всего соединением, исключающим возможность самопроизвольного отсоединения формованного изделия.
max
0max
1
max
0max
1
Для обеспечения экономичного изготовления подобного газового датчика по меньшей мере одно защитное устройство предлагается выполнять в виде крышки из стойкого к действию высоких температур, способного к глубокой вытяжке материала. Подобную крышку можно с высокой точностью изготавливать крупными партиями при серийном производстве. Под способным к глубокой вытяжке материалом в данном случае прежде всего подразумевается материал, у которого предельный коэффициент вытяжки (β) должен лежать в пределах от 1,6 до 2,0. Предельный коэффициент вытяжки определяют испытанием на глубокую вытяжку (например, по Свифту), при котором из круглых листовых заготовок со ступенчато увеличивающимся диаметром (d) пуансоном постоянного диаметра (d) вытягивают цилиндрические полые колпачки. За предельный коэффициент вытяжки при этом принимается значение, при котором способность металлического листа к вытяжке достигает предела, при котором в дне вытягиваемого колпачка все еще не образуется трещина (β=d/d).
У газового датчика, имеющего по меньшей мере одно защитное устройство и корпус, по меньшей мере один из указанных компонентов выполнен с образующей оксид поверхностью. Сказанное означает, что защитное устройство и/или корпус газового датчика можно по меньшей мере частично подвергнуть термической обработке, в результате которой на их поверхности образуется оксид, прежде всего оксид алюминия. Такой оксид позволяет повысить долговечность наносимого в последующем на поверхность покрытия даже при воздействии на него высоких термических и динамических нагрузках.
В следующем предпочтительном варианте выполнения газового датчика его по меньшей мере одно защитное устройство выполнено электронагреваемым. Нагрев защитного устройства для испарения задержанной покрытием воды может носить, в частности, кратковременный и периодический характер. При этом защитное устройство предпочтительно нагревать в тех случаях, когда ОГ имеют относительно низкую температуру, например до или непосредственно после пуска двигателя, соответственно при работе двигателя на холостом ходу.
Еще одним объектом настоящего изобретения является предлагаемый в нем способ изготовления газового датчика, прежде всего кислородного датчика для анализа отработавших газов, образующихся при работе нестационарного двигателя внутреннего сгорания. Подобный газовый датчик имеет по меньшей мере одно защитное устройство, которое по меньшей мере частично окружает контактирующую с газом чувствительную деталь (чувствительный элемент) газового датчика, а также имеет корпус. При изготовлении такого газового датчика предлагается по меньшей мере частично снабжать по меньшей мере одно защитное устройство или корпус гигроскопичным покрытием. Таким путем можно прежде всего изготовить предлагаемый в изобретении газовый датчик, который подробно описан выше.
При этом в некоторых случаях предусмотрены свободные участки, прежде всего в тех местах, где поверхность расположена вблизи других функциональных участков. Такие функциональные участки имеют первостепенную функцию, например служат в качестве участков соединения компонентов между собой, (электрических) контактных участков, участков для нанесения маркировки и т.д. Так, например, корпус и/или защитное устройство предпочтительно не должны иметь покрытия в тех местах, где предусмотрено их соединение (обжимом) с геометрическим замыканием и/или неразъемное соединение (сварное, паяное или иное аналогичное соединение) друг с другом, соответственно с другими компонентами газового датчика.
При этом снабжаемые покрытием поверхности наиболее предпочтительно подвергать предварительной обработке, состоящей прежде всего в образовании оксида. При наличии соответствующих компонентов в материале по меньшей мере одного защитного устройства, соответственно корпуса, образовать оксид на поверхности можно путем термической обработки. Однако в другом варианте такой материал можно также на дополнительной технологической стадии сначала нанести на поверхность, а затем легировать его.
При определенных условиях может оказаться предпочтительным подвергать алюминированию по меньшей мере одно защитное устройство или корпус перед нанесением покрытия. Сказанное означает, что на поверхность наносят, например, деформируемый алюминиевый сплав и фиксируют его на поверхности путем последующей термической обработки. Присутствие алюминия на поверхности обеспечивает последующее образование его оксида, который наиболее пригоден в качестве слоя-подложки для последующего нанесения на него гигроскопичного покрытия.
В этом отношении в наиболее предпочтительном варианте по меньшей мере одно защитное устройство представляет собой изготовленную обработкой давлением, прежде всего глубокой вытяжкой, деталь, процесс алюминирования которой проводят перед ее обработкой давлением, после которой предпочтительно проводят диффузионный отжиг.
В другом предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа покрытие наносят по меньшей мере одним из следующих методов: напылением, окунанием, распылением, термическим напылением.
При нанесении покрытия напылением, соответственно распылением, соответствующий материал наносят на покрываемую поверхность с использованием среды-носителя, например воздуха. При нанесении покрытия окунанием покрываемую деталь погружают в жидкость с материалом покрытия. Для получения долговечного покрытия при его нанесении тремя указанными выше методами предпочтительно предварительное образование оксидного покрытия. При нанесении же покрытия термическим напылением можно отказаться от подобного предварительного образования оксида, поскольку используемые при термическом напылении температуры обеспечивают образование достаточно прочных связей между материалом покрытия и материалом поверхности, соответственно достаточно прочное сцепление покрытия с поверхностью. Термическое напыление предполагает нанесение покрытия при температуре, которая обычно превышает 500°С, предпочтительно превышает 900°С (плазменное напыление), и позволяет при необходимости наносить покрытия меньшей толщины (например, менее 40 мкм).
Для обеспечения равномерного распределения покрытия, соответственно для обеспечения преимущественно одинаковой толщины слоя покрытия, может потребоваться выполнение дополнительных стадий обработки, например приведение детали во вращение (использование центробежных сил), обстукивание (использование импульсного воздействия), продувка (использование газового потока с избыточным давлением) и т.д. При выполнении всех таких операций необходимо прежде всего исключить чрезмерное закрытие проходного сечения газовпускных, соответственно газовыпускных отверстий защитного устройства.
Предлагаемый в изобретении газовый датчик особенно предпочтительно использовать в сочетании с компонентом для нейтрализации или снижения токсичности ОГ. Понятие "компонент для обработки ОГ" должно трактоваться как родовое понятие для обозначения всех пригодных для обработки ОГ компонентов и охватывает прежде всего каталитические нейтрализаторы, смесители потоков, фильтры, адсорберы, улавливатели углеводородов или сажи.
Предлагаемый в изобретении газовый датчик наиболее предпочтительно применять в системе выпуска ОГ на транспортном средстве, прежде всего автомобиле.
Ниже изобретение, а также необходимые для его реализации технические средства более подробно рассмотрены со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Следует отметить, что на этих чертежах представлены наиболее предпочтительные, но не ограничивающие объем изобретения варианты его осуществления. На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - схематичный увеличенный вид газового датчика и
на фиг.2 - вид изображенного на фиг.1 газового датчика в поперечном разрезе.
На фиг.1 схематично показана конструкция газового датчика 1 с корпусом 10 и защитным устройством 2. Газовый датчик 1 вставлен в корпус 12 (например, в корпус выпускного трубопровода или компонента для нейтрализации или снижения токсичности ОГ) и закреплен на нем. При этом газовый датчик 1 своей содержащей защитное устройство 2 частью контактирует с анализируемым газовым потоком. Защитное устройство 2 и корпус 10 газового датчика имеют один или несколько контактирующих с газом участков 4, т.е. поверхностей, с которыми контактирует анализируемый газ. При этом в потоке анализируемого газа по меньшей мере периодически присутствует водяной пар, который при определенных условиях может конденсироваться на контактирующих с газом участках 4. Внутри защитного устройства 2 расположен чувствительный элемент 3 (на фиг.1 не показан). Контакт потока анализируемого газа с чувствительной деталью (чувствительным элементом 3) обеспечивается через отверстия 11 в защитном устройстве 2.
На фиг.2 изображенный на фиг.1 газовый датчик 1 показан в поперечном разрезе плоскостью II-II, проходящей через его защитное устройство 2. На чертежах защитное устройство 2 показано в виде в основном цилиндрической детали, которая закрыта и с ее торца. По периметру защитного устройства 2 предусмотрено несколько отверстий 11 в виде прорезей, обеспечивающих возможность газообмена с внутренним пространством защитного устройства. Изнутри и снаружи защитное устройство 2 снабжено покрытием 5, которое схематично показано на увеличенном фрагменте слева внизу на фиг.2.
Покрытие 5 предусмотрено на контактирующих с газом участках 4 защитного устройства 2 изнутри и снаружи него. Толщина 7 покрытия 5 составляет от 10 до 50 мкм. На долю пор 8 в покрытии 5 приходится в пересчете на единицу его объема около 50%. Покрытие 5 содержит осушитель 6 для поглощения водяного пара из газового потока, а также благородные металлы 9 для каталитического превращения содержащихся в ОГ вредных веществ.
Предлагаемый в изобретении газовый датчик обладает повышенной эксплуатационной надежностью именно при его применении в автомобильных системах выпуска ОГ. Помимо этого такой газовый датчик прост в изготовлении и при его серийном производстве.