JP4903714B2 - 測定プローブ用保護素子および対応する測定プローブおよびハニカム素子 - Google Patents

Description

本発明の主題は、詳細には測定プローブ上の水衝撃を防止するために内燃機関の排気システムに使用する保護素子、ならびにかかる保護素子を有する測定プローブ、ならびにハニカム素子、詳細にはかかる測定プローブを備える触媒コンバータ運搬素子および／またはフィルタ素子、ならびに対応するモータビークルである。適用の好適な分野は、モータビークル、例えば自動車または原動機付き自転車の排気システムである。

測定プローブ、詳細には内燃機関の排気システム、例えばハニカム素子において使用されるラムダプローブはしばしば水衝撃により動作不能となる。水衝撃とは、流水での測定プローブの表面の湿潤またはそうでなければ測定プローブの表面上の水蒸気の凝縮の過程であると理解される。

水衝撃は概ね測定プローブの回復不可能な損傷または少なくとも故障に繋がるので、本発明は測定プローブ上への水衝撃を確実に防止する手段を明確にするという目的に基づき、対応する測定プローブおよびハニカム素子ならびに対応するモータビークルを明確にすることである。

この目的は、請求項１の特徴を有する保護素子、請求項１５の特徴を有する測定プローブ、請求項２１の特徴を有するハニカム素子、および請求項２３の特徴を有するモータビークルにより達成される。有利な発展は各従属項の主題である。

測定プローブ用の本発明による保護素子においては、保護素子は第１の動作状態において化学的および／または物理的に水を拘束し、第２の動作状態において拘束された水を解放する、少なくとも１つの一時的水拘束層を含む。本発明による保護素子は、詳細にはモータビークルの排気システムに使用する測定プローブに適している。保護素子は好適には、内面が少なくとも部分的に測定プローブの外面に適用可能なように構成される。

測定プローブが、例えば触媒コンバータ運搬素子および／またはフィルタ素子などのハニカム素子に取り付けられる場合、特に発熱触媒反応による内燃機関の常温始動段階において測定プローブのベースに温度極小がまた存在するが、前記ベースはハニカム素子の外面、詳細には形成される外側ケーシングパイプ上にある。これは、そこに存在する比較的ゆっくりとした加熱をもたらす最大熱容量のためである。その時、触媒反応がハニカム素子の一部において開始すれば、反応の発熱特性のために水蒸気がハニカム素子の内部において形成することがあり得る。その時、前記水蒸気が測定プローブ、詳細にはラムダプローブに接触すると、ここで、最冷却ポイントにおいて、詳細にはハニカム素子の外面および／または外側ケーシングパイプに対する測定プローブベアリングのベース上において、水は凝縮し、すなわち水衝撃が発生するが、ベースはこのポイントにおいて外側ケーシングパイプの比較的高い熱容量の結果、ゆっくりと徐々に熱くなっていく。本発明による保護素子がそのときここに形成され、詳細には測定プローブ上にぴったりと簡単に嵌合するか、またはその上に一体的に形成される追加構成要素として形成されると、第１の動作状態において、水拘束層により水は前記層上または層内において化学吸着または物理吸着により化学的および／または物理的に一時的に拘束される。詳細には、加熱されたラムダプ
ローブの場合、保護素子はまた、少なくとも一定領域において、保護素子の内面と測定プローブの外面との間に間隙を形成するように具現化され得る。測定プローブが、例えば、詳細には測定センサへの機械的および／または熱による影響に対して保護を提供する保護キャップにより囲まれる対応半導体構成要素である測定センサを含む場合は、保護素子はまた、好適には測定センサと保護キャップとの間に形成されるように具現化され得る。

本化学的および／または物理的結合は、第２の動作状態への変化により元に戻ることができる。第２の動作状態への変化は例えば温度を高めることにより実行され得、例えば水は制限温度を下回る温度において水拘束層上および／または同層内に吸着し、制限温度を超えた後再び脱着する。保護素子はまた、好適には一時的水拘束層が全保護素子を形成するように一時的水拘束材より全体的に形成される。

従って、水拘束層は水衝撃を引き起こす水が少なくとも部分的に、一時拘束される一種のスポンジとして作用する。制限温度を超えることなく次から次へと何回も常温始動が実行されると、これにより水拘束層の水吸収容量が特定時間に使い尽くされてしまう。この理由から、詳細には自動車の内燃機関のエンジン制御システムの範囲内において、内燃機関のエンジン管理システムは特に有利であるが、同システムでは、第２の動作状態への変化をもたらさない複数回の常温始動の実行が検知され、水拘束層の水吸収容量が使い尽くされる前の丁度良い時間に燃料の配合および／または量が変更され、その結果、例えば、未燃炭化水素がハニカム素子に到達してそこで燃焼され、第２の動作状態が確実にもたらされる。

モータビークルの排気システムに使用する測定プローブ用保護素子の適合性は、詳細には、保護素子は排気システムの状態、詳細にはそこに存在する温度、そこで発生する温度過渡および／または温度傾度、対応する気圧および／または高反応物質ならびに機械的負荷および変動またはインパクトに耐え得るという結果をもたらす。保護素子の設計に依存して、保護素子は、詳細には一定領域において、測定プローブおよび／または測定センサを完全に、またはその他その円周の一部のみを囲むのに適し得る。後者の場合、保護素子は例えば円環断片として具現化され得る。また、詳細には軸領域において、円周の一部の回りに延び、その全円周回りの測定プローブを共に取り囲む複数の対応する保護素子を形成することも可能であり、本発明による。本発明の１つの有利な発展によれば、保護素子は内面と外面を備える本質的に閉鎖形状を有し、詳細には保護素子は環状および／または円環状の形態である。

保護素子は詳細には保護リングとして輪状で具現化されてもよい。リングは、この場合詳細には測定プローブ、保護キャップおよび／または測定センサの幾何学形状に合う、かつ／またはその幾何学形状において合わせられ得る閉鎖構造を示す。リングはその結果、円環状形幾何学を有するだけでなく、例えば多角形、好適には六角形もしくは四角形、詳細には正方形もしくは長方形、またはその他楕円形の基本形状も有する。外面および内面を有する任意の閉鎖輪状構造は、本発明の意味内のリングと見なされるべきである。

本発明による固定リングの１つの有利な実施形態によると、保護素子は少なくとも部分的に圧縮性であるか、または弾性である。

保護素子が測定プローブから分離した構成要素として具現化される場合、これは、例えば単に測定プローブ上に簡単にぴったり嵌合させることにより、測定プローブへの保護素子の装着を有利に容易にする。

本発明による固定リングのさらなる有利な実施形態によると、少なくとも一時的水拘束層は多孔性であり、詳細には少なくとも４０％、好適には７０％を超える気孔率を有する
。

少なくとも一時的水拘束層の多孔構造としての形成は、水の化学的および／または物理的拘束に有用な表面を有利に増加させる。

本発明による保護素子のさらなる有利な実施形態によると、後者、詳細には水拘束層は、
ａ）マイカ
ｂ）酸化アルミニウム、詳細には□酸化アルミニウム、または
ｃ）ゼオライト、詳細にはＡ型、Ｘ型および／もしくはＹ型ならびに／またはフォージャサイト型ゼオライト
の材料のうちの少なくとも１つを含む。

マイカは詳細には、単斜層に結晶化するケイ酸塩材料、例えば白雲母、鱗雲母、黒雲母またはソーダ雲母であると理解される。詳細には、マイカは、以下の式により表され得る材料であると理解される。

ここで、括弧内の原子は任意の所望の組み合わせで表され得る。用語ゼオライトは、自然的に発生する、および合成的に製造されるアルミノケイ酸塩の両方、詳細には少なくとも部分的に陽イオン交換が行われたものも意味すると理解される。但し、基本的には、これらの材料により水が第１の動作状態において拘束され、第２に動作状態において再び解放され得るのであれば、他の材料を使用して水拘束層を構成することも可能であり、本発明による。複数の材料からの水拘束層または複数の水拘束層の形成も可能であり、本発明による。

本発明による保護素子のさらなる有利な実施形態によると、前記保護素子は、５００℃、好適には７５０℃、特に好適には１０００℃までの温度において耐熱性を有する。

かかる耐熱性は、自動車の排気システムにおける使用を有利に可能とする。
本発明による保護素子のさらなる有利な実施形態によると、第１の動作状態および第２の動作状態は動作温度が異なる。

従って動作温度、すなわち保護素子において存在する温度を変化させることにより、一方の動作状態から他方の動作状態への変化がもたされ得る。

本発明による保護素子のさらなる有利な実施形態によると、第１の動作状態は本質的に制限温度、詳細には脱着温度を下回る温度で存在し、第２の動作状態は本質的に制限温度を上回る温度で存在する。

これは、詳細には吸着による水の一時的拘束を区別する。制限温度はここでは、水拘束層でまたは同層内において、吸着と脱着との比率の変化が発生する、制限温度範囲としても理解すべきである。

本発明による保護素子のさらなる有利な実施形態によると、制限温度は水の沸騰温度よりも高い。

これにより、水が水拘束層により解放され、再び直接凝縮されるのを効果的に防止する。詳細には、制限温度は１００℃より高い。

本発明による保護素子のさらなる有利な実施形態によると、水拘束層は、少なくとも部分的に保護素子の表面上に位置付けられる。

本発明による保護素子のさらなる有利な実施形態によると、水拘束層は測定プローブに対して、および／または測定センサに対して少なくとも部分的に外側にある保護素子の表面上に少なくとも部分的に形成される。

従って水拘束層は、保護素子の内面に少なくとも単独ではなく形成され、また、測定センサが後に取り付けられる場合は、詳細には測定プローブ壁の内面に対して寄りかかる保護素子の外面上に単独ではなく形成される。これは、水拘束層は好適には、前記保護素子が例えばハニカム素子において使用される場合には、排気ガスと接触する保護素子の表面の領域に形成されることを意味する。

本発明による保護素子のさらなる有利な実施形態によると、保護素子は、測定プローブおよび／または測定センサの外面への本質的気密当接に適する。

本発明による保護素子のさらなる有利な実施形態によると、保護素子は、測定プルーブボアの内面への本質的気密当接に適する。

測定プローブの外面および／または測定プローブボアの内面への実質的気密当接への適合性のおかげで、保護素子はまた封止機能も実行し得、例えば、封止リングとして具現され得る。

本発明による保護素子のさらなる有利な実施形態によると、保護素子は加熱手段を含む。

保護素子はこれらの加熱手段により加熱され得る。保護素子を加熱することは、さらにに、効果的に水衝撃の可能性を低減する。加熱手段は、例えば、保護素子の内部において形成される簡単な加熱ワイヤを含み得る。

発明的考案のさらなる態様によると、測定プローブは、内燃機関の排気システム、詳細には本発明による少なくとも１つの保護素子を含むラムダプローブ、温度センサおよび／またはガス濃度センサにおいて使用するために提案される。

本発明による測定プローブの１つの有利な実施形態によると、測定プローブは測定センサを含み、保護素子は、測定プローブおよび／または測定センサの外面に少なくとも部分的に当接し、かつ／または測定プローブおよび／または測定センサの外面と少なくとも部分的に対向して形成される、少なくとも内面を含む。間隙が少なくとも一定の領域において測定プローブおよび／または測定センサの外面と保護素子の内面との間で形成されることが、ここでは特に好適である。

保護素子は、好適には測定プローブおよび／または測定センサ上に一体的に形成され、かつ／またはその上に物質的に接合するように接続され得、詳細には溶接される。能動的係止および／または摩擦的係止接続も可能であり、本発明による。

本発明による測定プローブのさらなる有利な実施形態によると、前記測定プローブは保
護キャップを含み、保護素子は保護キャップと測定センサとの間に形成される。

保護キャップは概ね、詳細にはラムダプローブ上に形成される。この場合、保護キャップは、ガスが分析されて保護キャップ内にあるラムダプローブの測定センサを通過することを可能とする適切な開口を備えて測定センサを囲む。この保護キャップは主として運搬損傷および取り付け損傷を回避するように機能する。かかる保護キャップはまた水衝撃、すなわち、例えば水滴との接触を介する概ね加熱された測定センサに対する熱衝撃を防止するためでもあるが、詳細にはモータビークルが大部分は短距離、すなわち概ね常温始動段階において運転される場合、かかる保護キャップにも関わらず、水衝撃による損傷が比較的しばしば発生する。このような場合、保護キャップおよび実際の測定センサとの間に本発明による保護素子を追加的に形成することは、詳細にはラムダプローブの場合、さらに水衝撃のリスクを著しく低減し得る。

発明的考案のさらなる態様によると、ハニカム素子、詳細には流体が流れ得る空洞を有する触媒コンバータ運搬素子および／またはフィルタ素子であって、本発明による少なくとも１つの保護素子および／または本発明による少なくとも１つの測定プローブを含む、ハニカム素子が提案される。

本発明によるハニカム素子は、金属および／またはセラミック材料から構成され得、詳細には、巻き付けられる、または層状にされて撚られる、またはその他少なくとも部分的にテクスチャード加工された金属および／またはセラミック層、該当する場合は本質的に滑らかな金属および／またはセラミック層から押出成形され得る。

本発明によるハニカム素子のさらなる有利な実施形態によると、水拘束層は、空洞との流体機械的接触状態で設置され得る保護素子の表面を少なくとも部分的に含む。

この場合、流体機械的接触とは、詳細には流体、詳細には排気ガスが。ハニカム素子を流れると、測定センサおよび／または保護素子に接触するかその回りを流れ得ることを意味する。この場合、保護素子は、詳細には、例えば測定プローブとハニカム素子の外側ケーシングパイプとの間の接合部におけるベースなど、最も熱容量が大きい測定プローブ上の位置に形成された場合、水衝撃を効果的に防止する。

発明的考案のさらなる態様によると、モータビークル、詳細には自動車、原動機付き自転車、飛行機またはボートであって、本発明による少なくとも１つのハニカム素子、本発明による１つの測定プローブおよび／または本発明による１つの保護素子を含む、モータビークルが提案される。

本発明による保護素子に対して開示される詳細および利点は、本発明による測定プローブ、本発明によるハニカム素子および／または本発明によるモータビークルに対して同じように移行し、適用し得る。本発明のさらなる利点および例示的実施形態は本発明を制限することなく、図面を参照して説明される。

図１は、ハニカム構造２および外側ケーシングパイプ３を含むハニカム素子１を示す。ハニカム構造２は、本例では本質的に滑らかな層４と少なくとも部分的にテクスチャード加工された層５とを積み重ねて撚ることにより構成されるが、層４と層５は明確にするために部分的にしか示されていない。層４および層５は、金属および／またはセラミック材料、詳細にはフィルタ材料からも構成され得る。層４および層５は、流体が流れ得る空洞６、本例においてはハニカム素子１の一方の端から他方の端に延在するダクトを形成する。

外側ケーシングパイプ３は、測定プローブ８が設置される測定プローブボア７を含む。測定プローブボア７において測定プローブ８を固定するために、接続手段９、例えばネジ山が形成され、これは測定プローブ８の適合する接続手段（図示せず）に対応する。

保護素子１０は、測定プローブボア７と測定プローブ８との間に形成される。前記保護素子１０は、排気ガスがハニカム素子１を流れると、保護素子１０は排気ガスと接触するように、保護素子１０の表面上に形成される水拘束層１１を有する。この場合、水拘束層１１は測定プローブ８に対して外側に形成され、すなわち詳細には測定プローブ８の外面１４と直接接触する保護素子１０の内面１３上ではない。運搬層１２が水拘束層１１の下に形成され、例えば弾性で、または圧縮性であり得る。但し、水拘束層１１として保護素子１０全体を形成することも可能であり、本発明による。上述のように、一時的な化学的および／または物理的な水の拘束を可能とする水拘束層１１を形成することにより、排気ガスに含まれる水蒸気、詳細にはエンジンの常温始動段階において、ハニカム素子１が水の沸点を上回る温度に達する前に凝縮した水が原因の水衝撃を効果的に防止し得る。この場合、水拘束層１１は一時的に水を貯めて再びそれを解放する一種のスポンジとして作用する。吸収を介して水を拘束する水拘束層１１の場合において、もしハニカム素子１、従って保護素子１０および水拘束層１１が排気ガスを介した加熱および発生する発熱反応のために熱くなってきたら、脱着温度を超えた後、水は脱着を介して解放され得る。

図２は本発明による保護素子１０の第２の例示的実施形態を備えた測定プローブ８を断面において示す。保護素子１０はここでは、測定プローブ８の円周を完全に囲む保護リングとして具現化される。保護素子１０の内面１３は測定プローブ８の外面１４に本質的に気密状態で当接する。測定プローブボア７の内面（図示せず）に対する保護素子の外面１５の本質的気密当接がある場合は、保護素子１０は同時に、ハニカム素子１から出現する排気ガスを効果的に防止するために密封機能を実行する。さらに、本例示的実施形態では、加熱コイルで構成される加熱手段１６が設けられる。他の加熱手段１６が可能であり、本発明による。

図３は、測定プローブボア７の接続手段９に対応するネジ山１７を有する、本発明による測定プローブ８の概略図である。測定値の実際の記録は、ここでは、例えば半導体構成要素として矩形の幾何学形状で具現化される測定センサ１８により実施される。測定センサ１８は、例えば機械的影響に対して測定センサ１８を保護する保護キャップ１９により囲まれる。本発明による保護素子１０は、間隙２０が保護素子１０の内面１３と測定センサ１８の外面との間に形成されるように、保護キャップ１９の内部に形成される。これは、とりわけ、測定プローブ８が、詳細には測定センサ１８の領域において加熱されるように設計される場合に、有利である。かかる測定センサ１８において、保護素子１０は起こり得る水衝撃に対してさらなる保護として機能する。

図４は、測定センサ１８、保護キャップ１９および本発明による保護素子１０を含む、本発明による測定プローブ８の概略断面図である。保護素子１０は、保護素子１０の内面１３が間隙２０により測定センサ１８の外面から分離するように具現化され、この場合、間隙２０の形状および大きさは例示的実施形態に依存して変化し得る。

本発明による保護素子１０は、詳細には常温始動段階において最大熱容量を有する測定プローブ８上のポイントで水蒸気からの凝縮する水が防止されるので、水拘束層１１の形成により測定プローブ８上への水衝撃を効果的に防止する。水拘束層１１は、別の動作状態において水を再び解放するために、１つの動作状態において水を一時的に拘束する。

本発明による保護素子の第１の例示的実施形態を備えた、断面における発明によるハニカム素子の概略図である。 断面における本発明の保護素子の第２の例示的実施形態の概略図である。 本発明による測定プローブの概略斜視図である。 断面における本発明による測定プローブの概略図である。

符号の説明

１ ハニカム素子
２ ハニカム構造
３ 外側ケーシングパイプ
４ 実質的に滑らかな層
５ 少なくとも部分的にテクスチャード加工された層
６ 空洞
７ 測定プローブボア
８ 測定プローブ
９ 接続手段
１０ 保護素子
１１ 水拘束層
１２ 運搬層
１３ 保護素子の内面
１４ 測定プローブの外面
１５ 保護素子の外面
１６ 加熱手段
１７ ネジ山
１８ 測定センサ
１９ 保護キャップ
２０ 間隙

Claims (23)

1. モータビークルの排気システムに使用する測定プローブ（８）用保護素子（１０）であって、保護素子（１０）は、第１の動作状態において化学的または物理的に水を拘束し、第２の動作状態において拘束された水を解放する、少なくとも１つの一時的水拘束層（１１）を含み、保護素子（１０）は測定プローブ（８）の外面（１４）に少なくとも部分的に配置され、保護素子（１０）は円環状形態を有し、保護素子（１０）は測定プローブボア（７）の密封機能を少なくとも部分的に有することを特徴とする、保護素子（１０）。
2. 保護素子（１０）は内面（１３）と外面（１５）とを備えた閉鎖形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の保護素子（１０）。
3. 保護素子（１０）の表面の、水拘束層（１１）の下には、圧縮性または弾性がある層が形成されていることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の保護素子（１０）。
4. 少なくとも一時的水拘束層（１１）は多孔性であることを特徴とする、前記１〜３のいずれか１項に記載の保護素子（１０）。
5. 保護素子（１０）は、
   ａ）マイカ、
   ｂ）酸化アルミニウム、または
   ｃ）ゼオライト、
   の材料のうちの少なくとも１つを含む、前記１〜４のいずれか１項に記載される保護素子（１０）。
6. 前記素子（１０）は５００℃までの温度において耐熱性を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の保護素子（１０）。
7. 第１の動作状態および第２の動作状態は動作温度が異なることを特徴とする、前記１〜６のいずれか１項に記載の保護素子（１０）。
8. 第１の動作状態は制限温度を下回る温度で存在し、第２の動作状態は制限温度を上回る温度で存在することを特徴とする、請求項７に記載の保護素子（１０）。
9. 制限温度は水の沸騰温度よりも高いことを特徴とする、請求項８に記載の保護素子（１０）。
10. 水拘束層（１１）は、少なくとも部分的に保護素子（１０）の表面上に位置付けられることを特徴とする、前記１〜９のいずれか１項に記載の保護素子（１０）。
11. 水拘束層（１１）は測定プローブ（８）に対して、または測定センサ（１８）に対して、少なくとも部分的に外側にある保護素子（１０）の表面上に少なくとも部分的に形成されることを特徴とする、請求項１０に記載の保護素子（１０）。
12. 保護素子（１０）は、測定プローブ（８）または測定センサ（１８）の外面（１４）への気密当接に適することを特徴とする、前記１〜１１のいずれか１項に記載の保護
    素子（１０）。
13. 保護素子（１０）は、測定プローブボア（７）の内面への気密当接に適することを特徴とする、前記１〜１２のいずれか１項に記載の保護素子（１０）。
14. 保護素子（１０）は加熱手段（１６）を含むことを特徴とする、前記１〜３のいずれか１項に記載の保護素子（１０）。
15. 内燃機関の排気システムに使用する測定プローブ（８）であって、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の保護素子（１０）を少なくとも含む、測定プローブ（８）。
16. 測定センサ（１８）を含む測定プローブ（８）であって、保護素子（１０）は、測定プローブ（８）または測定センサ（１８）の外面（１４）に少なくとも部分的に当接し、または測定プローブ（８）または測定センサ（１８）の外面（１４）と少なくとも部分的に対向して形成される、少なくとも内面（１３）を含むことを特徴とする、請求項１５に記載の測定プローブ（８）。
17. 間隙（２０）が少なくとも一定の領域において測定プローブ（８）または測定センサ（１８）の外面（１４）と保護素子（１０）の内面（１３）との間で形成されることを特徴とする、請求項１５に記載の測定プローブ（８）。
18. 保護素子（１０）は、測定プローブ（８）または測定センサ（１８）上に一体的に形成される、またはその上に物質的に接合するように接続されることを特徴とする、請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の測定プローブ（８）。
19. 保護素子（１０）は、測定プローブ（８）または測定センサ（１８）に摩擦的または能動的に係止するように接続されることを特徴とする、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の測定プローブ（８）。
20. 保護キャップ（１９）を含む測定プローブ（８）であって、保護素子（１０）は保護キャップ（１９）と測定センサ（１８）との間に形成されることを特徴とする、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の測定プローブ（８）。
21. 流体が流れ得る空洞（６）を有するハニカム素子（１）であって、請求項１から請求項１４の１つに記載の少なくとも１つの保護素子（１０）、または請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の少なくとも１つの測定プローブ（８）を含む、ハニカム素子（１）。
22. 水拘束層（１１）は、空洞（６）との流体機械的接触状態で設置され得る保護素子（１０）の表面を少なくとも部分的に含むことを特徴とする、請求項２１に記載のハニカム素子（１）。
23. 請求項２１または請求項２２に記載の少なくとも１つのハニカム素子、請求項１５〜２０のいずれか１項に記載の測定プローブ、または請求項１〜１４のいずれか１項に記載の保護素子を含む、モータビークル、モータサイクル、飛行機またはボート。

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