ЗАЩИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ДАТЧИКА, СООТВЕТСТВУЮЩИЙ ДАТЧИК И СОТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
PROTECTING ELEMENT FOR SENSOR, CORRESPONDING SENSOR WITH CELLULAR ELEMENT AND VECHICLE

Настоящее изобретение относится к защитному элементу, прежде всего для применения в системе выпуска отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя внутреннего сгорания (ДВС), для защиты датчиков от гидравлического удара, а также относится к датчику с таким защитным элементом и к сотовому элементу, прежде всего к носителю каталитического нейтрализатора и/или фильтру, с таким датчиком и к соответствующему транспортному средству. Предпочтительной областью применения изобретения является система выпуска ОГ, которой оснащается транспортное средство с двигателем, например автомобиль или двухколесное транспортное средство с двигателем.
Датчики, прежде всего так называемые лямбда-зонды (кислородные датчики), используемые в системах выпуска ОГ, образующихся при работе ДВС, например, используемые в сотовых элементах, часто выходят из строя из-за гидравлического удара. Под гидравлическим ударом при этом имеется в виду процесс увлажнения поверхности датчика водой или же конденсация водяного пара на поверхности датчика, соответственно его чувствительного элемента.
Поскольку гидравлический удар обычно приводит к полному разрушению датчика или по меньшей мере к появлению сбоев в его работе, в основу настоящего изобретения была положена задача предложить меры, направленные на надежное предотвращение воздействия гидравлического удара на датчик, а также разработать соответствующий датчик, сотовый элемент и соответствующее транспортное средство с двигателем.
Указанная задача решается с помощью защитного элемента с отличительными признаками, представленными в п.1 формулы изобретения, с помощью датчика, заявленного в п.15 формулы изобретения, с помощью сотового элемента, заявленного в п.21 формулы изобретения, и с помощью транспортного средства с двигателем, заявленного в п.23 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Предлагаемый в изобретении защитный элемент для датчика имеет по меньшей мере один временно связывающий воду слой, который в первом рабочем режиме химически и/или физически связывает воду, а во втором рабочем режиме выделяет связанную воду. Предлагаемый в изобретении защитный элемент пригоден прежде всего для защиты датчика, используемого в системе выпуска ОГ, которой оснащено транспортное средство с двигателем. В предпочтительном варианте защитный элемент имеет конструкцию, обеспечивающую возможность по меньшей мере частичного прилегания его внутренней поверхности к наружной поверхности датчика.
При встраивании датчика в сотовый элемент, например в носитель каталитического нейтрализатора и/или фильтр, вследствие протекающей экзотермической каталитической реакции именно также в период пуска холодного двигателя основание датчика, прилегающее к наружной поверхности сотового элемента и прежде всего к расположенному в этом месте трубчатому кожуху, имеет минимальную температуру. Обусловлено это тем, что в данном месте вся конструкция обладает наибольшей теплоемкостью, из-за которой основание датчика нагревается сравнительно медленно. Когда же в отдельных частях сотового элемента начинает протекать каталитическая реакция, ее экзотермическим характером может быть обусловлено образование водяного пара внутри сотового элемента. При контакте с датчиком, прежде всего с лямбда-зондом, водяной пар конденсируется в наиболее холодном месте, прежде всего на наружной поверхности сотового элемента и/или на прилегающем к трубчатому кожуху основании датчика, которое медленно нагревается из-за сравнительно высокой теплоемкости трубчатого кожуха в этом месте, т.е. имеет место гидравлический удар. Благодаря же размещению в этом месте предлагаемого в изобретении защитного элемента, прежде всего в виде дополнительной детали, которую просто надевают на датчик поверх него или которую выполняют на датчике за одно целое с ним, связывающий воду слой в первом рабочем режиме химически и/или физически, например, за счет хемосорбции или физической сорбции, временно связывает воду на своей поверхности и/или внутри себя. Защитный элемент прежде всего при его использовании для защиты подогреваемых лямбда-зондов можно также выполнять таким образом, чтобы между его внутренней поверхностью и наружной поверхностью датчика по меньшей мере на отдельных участках имелся зазор. У датчика, чувствительный элемент которого, например соответствующий полупроводниковый элемент, закрыт защитным колпачком, защищающим чувствительный элемент прежде всего от механических и/или термических воздействий, защитный элемент в предпочтительном варианте можно также располагать между чувствительным элементом и защитным колпачком.
Указанное химическое и/или физическое связывание воды носит обратимый характер, наблюдаемый при переходе во второй рабочий режим. Переход во второй рабочий режим может происходить, например, путем повышения температуры, в результате чего вода, сорбированная, например, при температурах ниже некоторой граничной температуры на связывающем воду слое и/или в нем, вновь десорбируется после подъема температуры выше этой граничной температуры. Предпочтительно также выполнение защитного элемента целиком из временно связывающего воду материала, и в этом случае весь защитный элемент будет образован временно связывающим воду слоем.
Связывающий воду слой действует, таким образом, по типу губки, которая по меньшей мере частично временно связывает вызывающую гидравлический удар воду. После нескольких последовательных пусков холодного двигателя без нагрева связывающего воду слоя до температуры выше граничной температуры влагоемкость связывающего воду слоя может в некоторый момент полностью исчерпаться. Поэтому для управления двигателем внутреннего сгорания наиболее предпочтительно использовать способ, реализуемый прежде всего системой управления ДВС автомобиля, позволяющий распознавать несколько последовательных пусков холодного двигателя, не сопровождавшихся переходом во второй рабочий режим, и своевременно, еще до исчерпания связывающим воду слоем своей влагоемкости изменять состав и/или количество подаваемой в ДВС рабочей смеси таким образом, чтобы, например, в сотовый элемент попадали и сгорали в нем не сгоревшие в ДВС углеводороды, что гарантированно обеспечивает переход во второй рабочий режим.
Необходимым условием, которым определяется возможность применения защитного элемента для датчика, используемого в системе выпуска ОГ, которой оснащается транспортное средство с двигателем, является прежде всего способность защитного элемента выдерживать характерные для системы выпуска ОГ нагрузки, главным образом преобладающие в ней высокие температуры и возникающие в ней тепловые переходные процессы и/или температурные градиенты, соответствующее высокое давление газов и/или воздействие обладающих высокой реакционной способностью веществ, а также механические нагрузки, такие как вибрация или сотрясения. В зависимости от своего исполнения защитный элемент может охватывать датчик и/или его чувствительный элемент полностью или же только частично, прежде всего на отдельных участках. В последнем случае защитный элемент может быть выполнен, например, в виде кольцевого сегмента. Согласно изобретению возможно также использование нескольких соответствующих друг другу защитных элементов, каждый из которых частично охватывает датчик и которые все вместе полностью охватывают датчик, прежде всего на части его осевой протяженности.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения защитный элемент имеет в основном замкнутую форму с внутренней и наружной поверхностями, прежде всего выполнен в форме кольца и/или кругового кольца (цилиндра).
Защитный элемент прежде всего кольцевой формы можно выполнять в виде защитного кольца. Под "кольцом" в данном случае подразумевается прежде всего замкнутая структура, которая по своей геометрической форме согласована и/или согласуема с геометрической формой датчика, защитного колпачка и/или чувствительного элемента. Следовательно, подобное "кольцо" не только может иметь форму кругового кольца (цилиндра), но и, например, может иметь в поперечном сечении форму многоугольника, предпочтительно шестиугольника или четырехугольника, прежде всего квадрата или прямоугольника, или же эллипса. Согласно настоящему изобретению "кольцом" можно считать любую замкнутую кольцевую структуру, имеющую наружную и внутреннюю поверхности.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента он по меньшей мере частично является сжимаемым или упругим.
Преимущество этого варианта состоит в том, что при выполнении защитного элемента в виде отдельной от датчика детали облегчается помещение защитного элемента на датчик, например, путем простого насаживания на него.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента по меньшей мере временно связывающий воду слой выполнен пористым, прежде всего с пористостью по меньшей мере 40%, предпочтительно более 70%.
Преимущество, связанное с выполнением по меньшей мере временно связывающего воду слоя в виде пористой структуры, состоит в увеличении доступной для химического и/или физического связывания воды поверхности.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента он и прежде всего его связывающий воду слой содержит по меньшей мере одно из следующих веществ:
а) слюду,
б) оксид алюминия, прежде всего γ-оксид алюминия, или
в) цеолит, прежде всего цеолит А, Х и/или Y и/или фожазит.
Под слюдой подразумеваются, прежде всего, кристаллизующиеся в моноклинной сингонии силикатные минералы, такие, например, как мусковит, лепидолит, биотит или парагонит. Под слюдой имеются в виду прежде всего вещества, которые можно представить следующей формулой:
2-3
2
4-5
10
(K, Na, Ca)(Al, Mg, Fe, Li)(OH)(Si, Al)O,
где указанные в скобках атомы могут присутствовать в любой их смеси. Под цеолитом подразумеваются и природные, и синтетические алюмосиликаты, в том числе, в частности, и те, которые были подвергнуты по меньшей мере частичному катионному обмену. Однако согласно изобретению для получения связывающего воду слоя в принципе можно использовать и иные вещества, при условии, что они способны связывать воду в первом рабочем режиме и вновь выделять ее во втором рабочем режиме. Связывающий воду слой согласно изобретению можно также формировать из нескольких материалов или из нескольких связывающих воду слоев.
В другом предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента он обладает температуроустойчивостью при температурах до 500°С, предпочтительно до 750°С, наиболее предпочтительно до 1000°С.
Преимущество, связанное с наличием у защитного элемента подобной температуроустойчивости (нагревостойкости), состоит в возможности его беспроблемного применения в автомобильной системе выпуска ОГ.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента его первый и второй рабочие режимы различаются между собой величиной рабочей температуры.
В соответствии с этим переход из одного рабочего режима в другой может осуществляться путем изменения рабочей температуры, т.е. путем изменения действующей на защитный элемент температуры.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента в первом рабочем режиме температура находится в основном ниже граничной температуры, прежде всего ниже температуры начала десорбции, а во втором рабочем режиме температура находится в основном выше указанной граничной температуры.
Отличительная особенность этого варианта состоит прежде всего в том, что временное связывание воды происходит в результате ее адсорбции. Под граничной температурой при этом подразумевается также некоторый граничный температурный интервал, в пределах которого происходит изменение соотношения между адсорбцией и десорбцией на, соответственно в связывающем воду слое.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента граничная температура превышает температуру кипения воды.
Задание граничной температуры выше температуры кипения воды позволяет эффективно предотвратить выделение воды связывающим ее слоем и непосредственное последующее выделение ее конденсата. Граничная температура должна прежде всего превышать 100°С.
В другом предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента связывающий воду слой по меньшей мере частично расположен на поверхности самого защитного элемента.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента связывающий воду слой по меньшей мере частично выполнен на поверхности защитного элемента, которая по меньшей мере частично является наружной по отношению к датчику и/или его чувствительному элементу.
Тем самым связывающий воду слой выполнен по меньшей мере не исключительно на внутренней поверхности защитного элемента, а также не исключительно на его наружной поверхности, которая при последующей установке датчика на место прилегает в первую очередь к внутренней поверхности установочного отверстия под датчик. Сказанное означает, что связывающий воду слой выполнен предпочтительно на тех участках поверхности защитного элемента, которые при его применении, например, в сотовом элементе, контактируют с ОГ.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента он выполнен с возможностью плотного, в основном газонепроницаемого прилегания к наружной поверхности датчика и/или его чувствительного элемента.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента он выполнен с возможностью плотного, в основном газонепроницаемого прилегания к внутренней поверхности установочного отверстия под датчик.
Защитный элемент благодаря его выполнению с возможностью в основном газонепроницаемого прилегания к наружной поверхности датчика и/или к внутренней поверхности установочного отверстия под датчик может также выполнять функцию уплотнения, например может быть выполнен в виде уплотнительного кольца.
В другом предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента он оснащен нагревательными средствами.
Такие нагревательные средства обеспечивают возможность обогрева защитного элемента. Обогрев же защитного элемента в свою очередь дополнительно эффективно снижает вероятность гидравлического удара. Нагревательные средства могут представлять собой, например, простую нагревательную проволоку, размещенную внутри защитного элемента.
Еще одним объектом изобретения является датчик для применения в системе выпуска ОГ, образующихся при работе ДВС, прежде всего лямбда-зонд, датчик температуры и/или датчик концентрации газов, с по меньшей мере одним предлагаемым в изобретении защитным элементом.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении датчика он имеет чувствительный элемент, а защитный элемент имеет по меньшей мере одну внутреннюю поверхность, которая по меньшей мере частично прилегает к наружной поверхности датчика и/или его чувствительного элемента и/или по меньшей мере частично расположена против наружной поверхности датчика и/или его чувствительного элемента. При этом в наиболее предпочтительном варианте между наружной поверхностью датчика и/или его чувствительного элемента и внутренней поверхностью защитного элемента по меньшей мере на отдельных участках образован зазор.
Защитный элемент в предпочтительном варианте может быть сформирован на датчике и/или его чувствительном элементе и/или может быть неразъемно соединен с ним/ними, соответственно соединен с ним/ними присадочным материалом, прежде всего приварен к ним. Согласно изобретению защитный элемент можно также соединять с датчиком и/или его чувствительным элементом с геометрическим и/или силовым замыканием.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении датчика он имеет защитный колпачок, между которым и чувствительным элементом расположен защитный элемент.
Обычно защитным колпачком снабжают главным образом лямбда-зонды. При этом защитный колпачок охватывает чувствительный элемент лямбда-зонда и имеет отверстия, через которые обеспечивается доступ анализируемого газа к расположенному внутри защитного колпачка чувствительному элементу лямбда-зонда. Такой защитный колпачок предназначен в первую очередь для защиты чувствительного элемента лямбда-зонда от повреждений при его транспортировке и монтаже. Хотя подобный защитный колпачок в принципе должен защищать чувствительный элемент от гидравлического удара, т.е., например, должен защищать обычно выполняемый обогреваемым чувствительный элемент от воздействия термоударных нагрузок в результате его контакта с водяными каплями, тем не менее чувствительные элементы несмотря на наличие подобных защитных колпачков сравнительно часто повреждаются из-за гидравлического удара, прежде всего в тех случаях, когда транспортное средство используется для поездок на короткие расстояния, т.е. часто имеет место пуск холодного двигателя. В данном случае размещение предлагаемого в изобретении защитного элемента дополнительно между защитным колпачком и собственно чувствительным элементом позволяет дополнительно существенно уменьшить риск воздействия гидравлического удара прежде всего на лямбда-зонды.
Следующим объектом изобретения является сотовый элемент, прежде всего носитель каталитического нейтрализатора и/или фильтр, с проточными для текучей среды полостями и с по меньшей мере одним предлагаемым в изобретении защитным элементом и/или по меньшей мере одним предлагаемым в изобретении датчиком.
Предлагаемый в изобретении сотовый элемент может быть выполнен из металлических и/или керамических материалов, прежде всего может быть образован свернутыми в рулон либо набранными в пакет и скрученными в рулон, или же экструдированными по меньшей мере частично профилированными металлическими и/или керамическими слоями и в некоторых случаях в основном гладкими металлическими и/или керамическими слоями.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента связывающий воду слой по меньшей мере частично закрывает или охватывает поверхность защитного элемента, приводимую в аэродинамический контакт с проточными полостями.
Под "приведением в аэродинамический контакт" в данном контексте подразумевается прежде всего контактирование датчика и/или защитного элемента с потоком текучей среды, прежде всего с потоком ОГ, при его прохождении через сотовый элемент, соответственно обтекание датчика и/или защитного элемента потоком текучей среды, прежде всего потоком ОГ, при его прохождении через сотовый элемент. В данном случае защитный элемент эффективно предотвращает гидравлический удар, прежде всего при его расположении в том месте датчика, где теплоемкость достигает наивысшей величины, например у основания датчика в месте перехода между ним и трубчатым кожухом сотового элемента.
Еще одним объектом изобретения является транспортное средство с двигателем, прежде всего автомобиль, двухколесное транспортное средство с двигателем, летательный аппарат или малое судно, с по меньшей мере одним предлагаемым в изобретении сотовым элементом, предлагаемым в изобретении датчиком и/или предлагаемым в изобретении защитным элементом.
Описанные выше частные варианты выполнения предлагаемого в изобретении защитного элемента и его преимущества равным образом относятся и к предлагаемому в изобретении датчику, предлагаемому в изобретении сотовому элементу и/или предлагаемому в изобретении транспортному средству с двигателем и распространяются на них. Другие преимущества и варианты осуществления изобретения, которые, однако, не ограничивают его объем, более подробно рассмотрены ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематичный вид в поперечном разрезе фрагмента предлагаемого в изобретении сотового элемента с выполненным по первому варианту предлагаемым в изобретении защитным элементом,
на фиг.2 - схематичный вид в поперечном разрезе выполненного по второму варианту предлагаемого в изобретении защитного элемента,
на фиг.3 - схематичный вид в аксонометрии предлагаемого в изобретении датчика и
на фиг.4 - схематичный вид в поперечном разрезе предлагаемого в изобретении датчика.
На фиг.1 схематично показан фрагмент сотового элемента 1, состоящего из сотовой структуры 2 и трубчатого кожуха 3. В рассматриваемом примере сотовая структура 2 образована путем набора в пакет и свертывания в рулон в основном гладких слоев 4 и по меньшей мере частично профилированных слоев 5, которые для наглядности чертежа показаны на нем лишь частично. Слои 4, 5 могут быть выполнены из металлического и/или керамического материала, а также, в частности, из фильтрующего материала. Слои 4, 5 образуют проточные для текучей среды полости 6, которые в рассматриваемом примере представляют собой каналы, проходящие от одного конца сотового элемента 1 до другого его конца.
В трубчатом кожухе 3 предусмотрено установочное отверстие 7 под вставляемый в него датчик 8. Датчик 8 фиксируется в установочном отверстии 7 соединительным средством 9, например резьбой, которое взаимодействует с соответствующими не показанными на чертеже соединительными средствами датчика 8.
Между стенкой установочного отверстия 7 и датчиком 8 предусмотрен защитный элемент 10. Такой защитный элемент 10 имеет на своей поверхности связывающий воду слой 11, который при прохождении ОГ через сотовый элемент 1 контактирует с ними. В данном случае связывающий воду слой 11 расположен снаружи относительно датчика 8, т.е., в частности, не расположен на внутренней поверхности 13 защитного элемента 10, непосредственно контактирующей с наружной поверхностью 14 датчика 8. Под связывающим воду слоем 11 выполнен несущий слой 12, который может быть, например, упругим или сжимаемым. Согласно изобретению можно также выполнять весь защитный элемент 10 в виде связывающего воду слоя 11. Наличие связывающего воду слоя 11, который, как указано выше, обеспечивает временное химическое и/или физическое связывание воды, позволяет эффективно предотвращать гидравлический удар вследствие конденсации содержащегося в ОГ водяного пара, прежде всего в период пуска холодного двигателя, т.е. до нагрева сотового элемента 1 до температуры, превышающей температуру кипения воды. Связывающий воду слой 11 действует в данном случае по типу губки, которая накапливает воду и затем вновь выделяет ее. Выделение воды слоем 11, связывающим воду, например, путем адсорбции, может начинаться после его нагрева до температуры выше температуры начала десорбции, когда сотовый элемент 1, а вместе с ним и защитный элемент 10 и связывающий воду слой 11 нагреваются отработавшими газами и теплом протекающей экзотермической реакции.
На фиг.2 в поперечном разрезе показан датчик 8 с выполненным по второму варианту предлагаемым в изобретении защитным элементом 10. В этом варианте защитный элемент 10 выполнен в виде защитного кольца, которое по всей окружности охватывает датчик 8. При этом внутренняя поверхность 13 защитного элемента 10 в основном газонепроницаемо прилегает к наружной поверхности 14 датчика 8. Защитный элемент 10 при в основном газонепроницаемом прилегании его наружной поверхности 15 к не показанной на чертеже внутренней поверхности (стенке) установочного отверстия 7 одновременно выполняет функцию уплотнения, которое эффективно предотвращает выход ОГ из сотового элемента 1. Помимо этого предусмотрены нагревательные средства 16, которые в рассматриваемом примере представляют собой нагревательную спираль. Согласно изобретению возможно применение и других нагревательных средств 16.
На фиг.3 схематично показан предлагаемый в изобретении датчик 8, имеющий резьбу 17, взаимодействующую с соответствующим соединительным средством 9 в установочном отверстии 7, в которое вставлен датчик. Собственно измерения выполняется чувствительным элементом 18, который выполнен, например, в виде полупроводникового элемента прямоугольной формы. Чувствительный элемент 18 окружен защитным колпачком 19, защищающим его, например, от механического воздействия. В данном варианте предлагаемый в изобретении защитный элемент 10 расположен внутри защитного колпачка 19, и поэтому между внутренней поверхностью 13 защитного элемента 10 и наружной поверхностью чувствительного элемента 18 образуется зазор 20. Наличие такого зазора предпочтительно прежде всего в том случае, когда датчик 8 выполнен обогреваемым в первую очередь в зоне его чувствительного элемента 18. В подобном датчике защитный колпачок 19 дополнительно обеспечивает защиту чувствительного элемента от возможного гидравлического удара.
На фиг.4 схематично в поперечном разрезе показан предлагаемый в изобретении датчик 8 с чувствительным элементом 18, защитным колпачком 19 и предлагаемым в изобретении защитным элементом 10. Защитный элемент 10 имеет такое исполнение, что его внутренняя поверхность 13 отделена от наружной поверхности чувствительного элемента 18 зазором 20, форма и размеры которого могут варьироваться в зависимости от конкретного исполнения датчика.
Предлагаемый в изобретении защитный элемент 10 благодаря наличию у него связывающего воду слоя 11 эффективно защищает датчик 8 от гидравлического удара, поскольку предотвращает конденсацию водяного пара, прежде всего в период пуска холодного двигателя, в том месте датчика 8, где он обладает наибольшей теплоемкостью. Связывающий воду слой 11 временно связывает воду в одном рабочем режиме и вновь выделяет ее в другом рабочем режиме.