专利名称：用于测量内燃机的排气段中废气流温度的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及 一 种用于测量内燃才几的排气4殳中废气流的温度的方法和装置。
背景技术：
在引入和执行欧IV标准期间，在汽油-和柴油内燃机的发动机制造商持续地在有效地改善废气后期处理上做工作。为此，用于测量在内燃机的排气段中的温度范围从大约20(TC到大约IIO(TC的废气 温度的温度传感器是必要的。在此，在大约1050。C的温度测量的精 度大于+/-5。C。
根据现有技术，用于温度测量的温度传感器是已知的，这些温 度传感器作为厚膜电路安装到作为载体的陶瓷材料上。在此，陶瓷材:扦同时也作为电绝纟彖体4吏用。然而，在此对于前述的温度范围，早在从大约65(TC开始的温度就出现一个问题，即陶瓷材料成为半 导电的。因此，这种传感器由于高温范围中故障电流的流动将^是供 被歪曲的测量结果。目前在市场上的温度传感器都会碰到这种问 题，其中这些温度传感器#4居两种4皮此基本上不同的测量原理来工 作。 一种测量方法是利用作为电阻材料的铂或铂基合金来工作，这 种电阻材料;波分别涂敷到陶瓷衬底上。另 一种测量方法是应用至少 一个热电偶，其也设置在具有连接的电子设备的绝缘陶瓷上。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种用于在前述的较大温度范围内以 提高的精度来非常准确地测量在内燃机的排气段中输送的废气的 温度的方法及装置。
该目的将通过独立权利要求的特征来实现。相应地，才艮据本发 明的温度测量装置具有设置在排气段外部的传感器，该传感器与废 气流的热辐射耦合。因此，与在现有技术中7>开的温度传感器不同 的是，根据本发明的装置不直接测量废气流的温度，而是间接地通 过废气流的热辐射来进行测量。在此，用于测量的废气流的热辐射 向外或者从排气段中传导出。
有利的设计方案在各个从属权利要求中给出。温度测量装置相 应地具有设置在排气段的排气弯管的外部的传感器。传感器特别设 置在端侧封闭的侧向通道中。端侧封闭的侧向通道通过凹槽与排气 弯管连接。在此，热辐射实际上作为辐射来耦合输出。
在本发明的实施例中，排气弯管的部分区域选为测量位置，该 排气弯管作为从发动机来看的排气段的第 一构件。在作为排气段的 第一组件的排气弯管上，废气具有最高的温度，由此可以获取用于 随后调整内燃机的最佳的测量值。在该第一实施例中，排气弯管在
预定的区域中近似地i殳计为抛物面镜。对辐射每丈感的传感器元件在 排气弯管的端侧封闭的侧向通道中设置在该部分区域的焦点中。根 据基本光学定律，通过该设置将来自于废气的发散的辐射作为平行 的射线束和/或平行对准射线的射束通过准抛物面4竟聚焦地定向到 在侧向通道中的传感器元件上。
也如随后的多个实施例一样，代替直接的测量，在本发明的该 第一实施例中，温度的测量也通过间接地测量废气流的向外传递出
来的辐射来实现。在此，传感器自身有利地并不处于废气流中，因 此，与现有技术中的装置相比，在传感器上实现了十分明显的温度
下降。通过这种在端侧封闭地固定到排气弯管上的侧向通道中的i殳 置，对于传感器相对于排气弯管材料的高温也起到进一步热脱耦的 作用。借此在根据本发明的设计方案中传感器不会达到在现有技术 中的传感器所受到的高温。此外，端侧封闭的侧向通道起到抵御传 感器的外部周围的辐射的作用，如特别是起到抵御EMV的作用。
在本发明的可选实施例中，传感器被安置在与排气弯管连接并 且端侧封闭的侧向通道中。传感器元件与封闭的端部间隔地设置， 其中侧向通道的封闭端被设计成抛物面镜。传感器自身以由抛物面 4竟的几何参数给出的间隔在抛物面4竟之前的侧向通道中大约i殳置 在该抛物面镜的焦点中，乂人而从排气弯管而出的热辐射直4妄作用到 几乎设置在该侧向通道的中轴线上的传感器上。需要补充说明的 是，由背侧聚焦的、来自于废气流的热辐射投射到传感器元件上。 这种来自于废气流的热辐射的加强和聚焦将提高传感器的测量精 度和灵每t度。
在本发明的优选实施例中，端侧封闭的侧向通道基本上沿着排 气弯管的法兰区域的中轴线或者平行于该中轴线错开地设置。
本发明的另一实施例如下示出了前述实施例的适当修改，即在 侧向通道的朝向排气弯管开放的端部上设置有细网眼的档4册结构 以用于聚焦来自废气流的热辐射，其中传感器本身设置在这样产生 书亍射图案的主波瓣极大值中。
对此，格冲册可以可选地由光阑或由至少在红外线区域透明地作 用的凸透4竟来代替。这个最后纟是及的实施例具有侧向通道与废气流 不透气的密封的优点。因此，尽管较低温度，在相比在运行中非常 高的温度的排气弯管而言保持相对冷却的侧向通道中也不需要考
虑那些最后可能会损害传感器的灵敏度的沉积物和/或冷凝物的积蓄。
在优选实施例中，传感器元件由半导体元件构成，例如半导体 二极管，该半导体二极管至少在红外线范围内是灵敏的。在此，温 度传感器可选地设计为热电偶。这种热电偶可以设计成涂黑的电阻，也就是从热力学上被视为"灰色体"。此外，涂黑的NTC-、 PTC-或铂电阻也都可以考虑作为热电偶。
一个传感器信号或多个传感器信号的评估都在一个电子设备 中进行，该电子设备在根据本发明的优选实施例中远离于实际的废 气管和/或侧向通道安装，乂人而冲是供进一步的热隔离。电子i殳备准备 好信号并且将该信号作为数字信号继续提供给上一级的电子设备。 在此，直接来自于燃烧室或气缸内室的辐射部分以及由排气弯管的 炙热的侧壁发射出来的辐射部分都可以通过数学的方法从测量结 果中分离出来。
总的来说，通过根据本发明的设置提出一种温度测量装置，该装置一方面能够在1000°实现大约+/-3℃:的测量准确度，另一方面 能够通过以数字n据的形式来传输废气流的确定温度来排除例如 在才莫拟信号传输中可能出现的额外的错误源，例如通过相应的信号转化来发现。另外，该装置也能以良好的精度来测量1100℃的温度甚至更高温度。
相比在目前仅仅在内燃机的废气流中测量温度的使用方式，如尤其使用在个人;机动车中的使用方式，根据本发明的测量装置也可以在各种高温测量中使用。
接下来，根据本发明的装置的其他优点将根据示出的实施例参
照附图来详细i兌明。附图示意性示出
图1:排气弯管的截面图，该排气弯管具有在封闭的侧向通道 中的传感器；
图2:本发明的第二实施例，该实施例具有以自身的抛物面4竟 设置在排气弯管的侧向通道中的传感器元件；
图3a:第三实施例，其中，在由图2公开的实施例的变体中， 在排气弯管的自由端设置用于在传感器元件上聚焦热辐射的格栅；
图3b:图2和3a的实施例的变体，该变体具有格栅的变化的
布置；
图3c:图2、 3a和3b的实施例的另一变体，其中在排气弯管 的侧向通道的入口设置红外线透镜，用于将废气流的热辐射聚焦到 传感器元件上。
具体实施例方式
在多个实施例的单个图示中，相同的部件和组4牛在附图中通常 配以相同的参考标识。
为了测量出在排气段中排导的内燃机的废气的温度，在所有随 后参照附图详细描述的实施例中，装置l设置在作为排气段的紧靠 发动机的局部区域的排气弯管2上。排气段的进一步的走向随后不 再图示地示出。排气弯管2构成排气段的第一部件。在排气弯管2 的这个被选定的测量区域中具有在整个排气段上来看温度最高的
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废气。在本发明的所有随后描述的实施例中，来自废气流的辐射从 该区域耦合输出并且从排气段向外引导并输送到传感器上。
在本发明的所有实施例中，根据本发明的温度测量装置1设置
在排气弯管2之外并且具有在废气流之外设置在内部半径r或外部 半径R上的传感器元件3。传感器元件3通过废气流的热辐射与废 气流耦合。为此，排气弯管2具有凹槽4，端侧封闭的侧向通道5 永久密封地连接在该凹槽上。因为侧向通道5设置在排气弯管2的 内部半径的区域中并且此外端侧也是封闭的，所以该侧向通道以仅 4又流入非常少量的未继续标注的废气流的热废气。对此，也有助于， 即对于一个气缸或一对气缸的排气弯管2具有直至大约40 mm的内 部直径，与之相反，侧向通道5仅具有小于大约10 mm的内部直径。 由此，侧向通道5实际上具有比排气弯管2高的流动阻力，这额外 地阻挡了热废气的流入。
额外地，传感器元件3靠近侧向通道5的封闭的端部区域6设 置，由于距离排气弯管2的强烈加热的壁材料的由长度L来指定的 最小间距，从而使传感器3也仅承受相对于在现有技术公开的传感 器元件大大减d、的热负荷。
进一步，在附图的所有实施例中，传感器元件3通过连接导线 7与插头或直接与自身的传感器电子设备8连接，由此传感器电子 i殳备8或插头的热负载进 一 步在区域中下降，该区域通过传统的配 件可以用来优化装置1的安装及连接状态。
在图1的实施例中，排气弯管2在外部半径R上的预定区域中 大致i殳计为抛物面4免，该抛物面4竟用于由热废气发出的热辐射。在 该局部区域9的焦点B中，传感器元件3设置在端侧封闭的侧向通 道5中。通过近似设计为抛物面形的排气弯管2的局部区域9，根据已知的基本光学定律发散的废气的热辐射(在图1的图示中以实线a示出)作为平行的射束穿过凹槽4反射到侧向通道5中的传感 器元件3上。此外，来自于废气流的热辐射也聚焦到传感器元件3 上，这通过图1中的虚线b示出。在间4妄测量废气流的温度以及使 传感器元件3和插头或传感器电子设备8与废气的高温在很大程度 上热脱耦时，通过前述的i殳置尤其聚焦在红外线区i或中的热废气流 的辐射作用。因此，在高温区域中以高的测量灵敏度实现以高精度
工作的温度测量。
传感器元件3本身可以由特别在红外线区域中灵敏的半导体元 件，例如半导体二^^及管构成。然而在本实施例中，传感器元件3i殳 计为热电偶，即以热力学上看为涂黑的NTC电阻形式的灰色体。 可选地，在本发明的其他实施例中，PTC电阻或铂电阻被用作传感 器元件3。
根据图2，装置1在本发明的第二实施例中设置在排气弯管2 的外部半径R上。在此，侧向通道5轴向地基本上平4于于排气弯管 2的法兰区域11或附加区域的中轴线M延伸，排气弯管2通过这 些区域在内燃机的排气门的区域中与未进一步示出的发动机组连 接。在本发明的该实施例中，侧向通道5具有设计为抛物面镜12 的封闭端部6。传感器元件3以通过该4旭物面4免12的几4可参lt预i殳 的、远离于封闭端部6的间距设置在侧向通道5中，从而使传感器 元件3在这种情况中大约处于焦点B中。因此，由热废气发出的热 辐射穿过凹槽4大致以废气的流动方向才更射到传感器元件3上，而 基本上平行地穿过孔4入射到传感器元件3上的辐射在抛物面4竟上 反射，并且大概从后面在传感器元件3上聚焦。由热废气发出的热 辐射的聚焦效应也再次实现了装置1的传感器元件3的测量精度和 灵敏度的提高。通过在焦点上的设置，传感器元件也降低了其尺寸。
基于图2的装置1的安装和基本设置，在图3a至3c的实施例 中描述装置1，该装置将来自热废气流的热辐射聚焦到传感器元件
3上。另外，传感器元件3设置在排气段外部的端侧封闭的侧向通 道5中。在才艮据图3a的实施例中，传感器元件i殳置在端侧封闭的 侧向通道5中，如该侧向通道原则上已参照图1的实施例进行了i兌 明。侧向通道5的封闭的端部6原则上也不必具有特别的几何形状。 然而，现在相对于上述的实施例，凹槽4在排气弯管2中有通过格 栅结构至少部分地封闭。在此，，格栅结构14基本上采用在外部半 径R中的排气弯管2的外壳的形状。由废气流发出的热辐射的聚焦 现在通过格栅结构4来实现，该格栅结构设计为细网眼的格栅。传 感器元件3在端侧封闭的侧向通道5中设置在所产生的格栅衍射的 主波瓣极大值或衍射中心图案中。为此，格栅结构14可以设计为 光阑，该光阑由至少在红外线区域中起透明作用的材料或由细丝制 成的档4册或交叉光4册构成。
图3b的实施例进一步示出了图3a的实施例的可选方案，即格 栅结构14不再采用在外部半径R区域中的排气弯管2的外部轮廓 (以实线在附图3b的图示中示出)。但是，格栅结构14基本上垂 直于侧向通道5的延长轴线。
在另一实施例中，作为对于图3b示出的装置1的直4妻可选方 案，大约在格栅结构14的位置上安装至少在红外线区域中起透明 作用的聚光透4竟15。该聚光透4竟15在该情况下由锗构成。图3c的 实施例相对于所有前述实施例还具有可以实^见相对于4非气弯管2的 气体持续密封侧向通道5的优点。可以看出，排气弯管2在运行时承受如此高的热，即不会带来固定的沉积物和/或冷凝物的堆积。然 而，侧向通道5自身相比在运行中受热非常高的排气弯管要相对较 冷。在图3c的实施例中4是出的解决方案最后有效地阻止在作为整 个装置1的最冷区域的传感器元件区域中的沉积物和/或冷凝物的 堆积，该堆积伴随着至少在传感器元件3灵壽文度方面的可预测的损 害。
权利要求
1.一种用于测量内燃机的排气段中的废气流的温度的方法，其特征在于，辐射从废气流耦合输出、从所述排气段向外导出并被输送到传感器(3)上。
2. 才艮据前述;^又利要求所述的方法，其特;f正在于，热辐射基本上作 为辐射来耦合输出。
3. 4艮据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述辐 射被聚焦在所述传感器(3)上。
4. 一种用于测量内燃机的排气段中的废气流的温度的装置，其特 征在于，温度测量装置(1)具有设置在所述排气段外部的对 辐射敏感的传感器(3)，所述传感器与废气流的热辐射耦合。
5. 才艮据前述4又利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述温 度测量装置(1 )具有设置在所述排气段的排气弯管(2 )外部 的传感器(3)。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述传 感器(3)设置在端侧封闭的侧向通道(5)中，为了传输热辐 射，所述侧向通道通过凹槽(4)与所述排气弯管(2)连接。
7. 4艮据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述排 气弯管(2)的局部区域(9)近似设计为抛物面镜，对辐射每文 感的所述传感器元件(3)在所述排气弯管(2)的端侧封闭的 所述侧向通道(5)中设置在所述抛物面镜的焦点(B)中。
8. 根据前述4又利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述传 感器(3)被安置在与所述排气弯管(2)连接并且端侧封闭的 所述侧向通道(5)中，其中所述侧向通道(5)的封闭端部(6) 被设计为抛物面镜。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，与所述 排气弯管(2 )连接并且端侧封闭的所述侧向通道(5 )基本上 平行于所述排气弯管(2)的法兰区域(11 )的中轴线(M)设置。
10. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在所述 侧向通道(5)的朝向所述排气弯管(2)开放的端部上设置有 细网眼的档4册结构(14),用于聚焦由废气流发出的热辐射。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述传 感器元件(3)本身设置在这样产生的所述衍射图案的主波瓣 极大值中。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在所述 侧向通道(5)的朝向所述排气弯管(2)开》文的端部上i殳置至 少在红外线区域中起透明作用的聚光透镜(15)，用于聚焦由 废气流发出的热辐射。
13. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述聚 光透镜(15 )由锗构成。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述传 感器元件(3 )本身设置在这样产生的所述衍射图案的焦点(B ) 中。
15. 根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述传 感器元件(3)由对红外线敏感的半导体元件制成，例如半导 体二极管。
16. 才艮据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述传 感器元件(3)设计为热电偶，特别是以涂黑的电阻的形式设计为从热力学上看的灰色体，或设计为涂黑的NTC-、 PTC-或名白电阻。
全文摘要
本发明涉及一种用于测量内燃机的排气段中废气流温度的方法及装置。为了提出一种用于在上述大的温度范围内以提高的精度来非常准确地在内燃机的排气段中的进行温度测量的方法及装置，温度测量装置(1)具有设置在排气段外部的传感器(3)，该传感器与废气流的热辐射耦合。
文档编号G01J5/04GK101360982SQ200680020374
公开日2009年2月4日 申请日期2006年5月4日 优先权日2005年6月10日
发明者斯特凡·海因里希, 曼弗雷德·格莱赫尔 申请人:西门子威迪欧汽车电子股份公司