ES2327138T3 - Sonda de gas con un dispositivo de proteccion revestido higroscopicamente. - Google Patents

Abstract

Sonda de gas (1), en particular sonda lambda para el análisis de los gases de escape de un motor de combustión interna móvil, que tiene por lo menos una disposición protectora (2), que rodea al menos en algunas zonas a un elemento sensor (3) sensible, que entra en contacto con un gas, de la sonda de gas (1), caracterizada porque la por lo menos una disposición protectora (2) tiene una superficie (4) en contacto con un gas, la cual tiene al menos parcialmente una superficie higroscópica, estando formada la superficie higroscópica al menos parcialmente con un revestimiento (5), que comprende ventajosamente un agente de desecación (6) resistente a las altas temperaturas.

Description

Sonda de gas con un dispositivo de protección revestido higroscópicamente.

El invento se refiere a una sonda de gas, en particular a una sonda lambda para el análisis de los gases de escape de un motor de combustión interna móvil.

Tales sondas de gas tienen usualmente una pieza componente sensible (elemento sensor), que se puede emplear para el análisis de gases, en particular de los gases de escape en sistemas de gases de escape de motores de combustión. El elemento sensor, para la protección contra daños producidos como consecuencia de una acción mecánica y térmica, está rodeado usualmente por un tubo protector, que permite a través de orificios apropiados la entrada del gas que se ha de analizar al elemento sensor de la sonda lambda, que está dispuesto dentro del tubo protector. Este tubo protector sirve en primer término para la evitación de daños producidos durante el transporte y de daños producidos durante el montaje, así como para la evitación de una carga por choque térmico de la pieza componente sensible calentada de la sonda lambda mediante un contacto con gotas de agua, que se forman a partir del vapor de agua de la corriente gaseosa.

Así, por ejemplo, a partir del documento de patente de los EE.UU. US 5.762.771 se conoce un sensor para el registro de una relación de mezcladura entre aire y un material combustible, el cual está provisto, en una forma de realización, de una disposición protectora, que contiene un material higroscópico.

Además, a partir del documento DE 101 59 858 A1 se conoce un elemento miembro medidor de gases y un sensor de gases. En este caso se pone a disposición un electrodo de medición sobre una superficie de un substrato electrolítico sólido, de tal manera que éste sea sometido a un gas que se ha de medir. El cuerpo de base del sensor está provisto de un revestimiento higroscópico.

Es misión del presente invento, proporcionar una sonda de gas, que tenga una seguridad, aumentada con relación a las sondas de gas conocidas, contra el hecho de que el elemento sensor entre en contacto con gotas de agua. Además de esto, la sonda de gas debe de estar constituida de una manera sencilla y se debe de poder producir en el marco de una producción en serie sin ningún gran gasto y de una manera efectiva en cuanto a los costos (barata). También se deben por lo menos suavizar los conocidos problemas técnicos que aparecen con las sondas actualmente disponibles.

Los problemas planteados por estas misiones se resuelven con una sonda de gas conforme con las características de la reivindicación de dispositivo, formulada independientemente, así como con un procedimiento para la producción de una sonda de gas conforme con la reivindicación de procedimiento formulada independientemente. Otras formas de realización ventajosas se describen en las reivindicaciones de esta patente, en cada caso formuladas de modo dependiente. Se ha de hacer mención a que cada una de las combinaciones, convenientes tecnológicamente, de las características mencionadas en las reivindicaciones de esta patente, puede conducir, eventualmente mediando inclusión de características de la memoria descriptiva, a otras formas ventajosas de realización del invento.

La sonda de gas conforme al invento, en particular una sonda lambda para el análisis de los gases de escape de un motor de combustión interna móvil, tiene por lo menos una disposición protectora, que rodea al menos en algunas zonas a una pieza componente sensible (elemento sensor) de la sonda de gas, que entra en contacto con un gas. La sonda de gas está caracterizada por el hecho de que la por lo menos una disposición protectora tiene una superficie de contacto con un gas, que presenta al menos parcialmente una superficie higroscópica. En este caso la superficie higroscópica está formada por lo menos parcialmente con un revestimiento, que comprende ventajosamente un agente de desecación resistente a las altas temperaturas. Como agente de desecación se pueden emplear por ejemplo diferentes sales o también sustancias orgánicas. El revestimiento es de manera ventajosa también resistente al golpe de ariete, así como en particular capaz de resistir frente a la erosión y la corrosión.

La por lo menos una disposición protectora, en ciertos casos pueden estar previstas aquí dos o tres de tales disposiciones protectoras (eventualmente dispuestas concéntricamente cubriéndose unas a otras), constituye, por una parte, una protección contra daños durante el transporte y/o durante el montaje, y está por lo tanto realizada de una manera relativamente estable. Además, la disposición protectora cuida de que el elemento sensor no entre en contacto con impurezas (partículas, hollín, etc.) y/o gotas de agua, contenidas en la corriente gaseosa. Al mismo tiempo la disposición protectora hace posible, sin embargo, el acceso del gas que se ha de analizar en dirección al elemento sensor. Usualmente, tal disposición protectora constituye una especie de alojamiento, caperuza, tubo, rejilla, etc, estando previstos unos orificios, a través de los cuales el gas puede circular hacía dentro de zonas situadas en el interior con el elemento sensor.

Se propone ahora que la disposición protectora, en particular todas las disposiciones protectoras, tenga(n) al menos parcialmente, una superficie higroscópica junto a las superficies que entran en contacto con la corriente gaseosa que se ha de analizar. Con el concepto de "higroscópica" se entiende en particular que la superficie está en situación de absorber vapor de agua a partir de la corriente gaseosa o respectivamente de impedir la formación de gotas de agua sobre la superficie en contacto con un gas. Para esta finalidad la propia superficie de contacto con un gas puede ser higroscópica, por ejemplo mediante una estructuración especial de la aspereza superficial y/o de la porosidad. Sin embargo, también es posible que la superficie en contacto con un gas esté cubierta con una capa adicional a base de otro material, que es diferente del material de la disposición protectora.

Además, se propone que la sonda de gas tenga un revestimiento con un espesor de capa situado en el intervalo de 10 \mum (micrómetros) hasta 50 \mum. De manera preferida el espesor de capa es de 15 \mum a 25 \mum. A causa de la fuerte carga térmica, por ejemplo en el sistema de gases de escape de un automóvil, es necesaria una especial resistencia adhesiva del revestimiento situado sobre la disposición protectora. Con el fin de garantizar una permanencia duradera del revestimiento sobre la disposición protectora, el espesor de capa está realizado relativamente pequeño, de manera tal que se evita un desconchamiento.

De acuerdo con una forma de realización adicional de la sonda de gas, el revestimiento tiene una cierta porosidad, de manera tal que el volumen de poros por unidad de volumen del revestimiento está situada en un intervalo de 30% a 90%. Esto quiere decir, con otras palabras, que, referido a una unidad de volumen previamente establecida, el volumen formado por los poros (promediado estadísticamente), constituye de 30% a 90% y preferiblemente está situado en torno a 50%.

También se propone que la sonda de gas tenga un revestimiento de óxidos, en particular que el revestimiento comprenda por lo menos un óxido tomado entre óxido de titanio, óxido de zirconio y óxido de aluminio. Estos óxidos resistentes a las altas temperaturas favorecen al efecto higroscópico del revestimiento.

Precisamente en el caso de la disposición de una de tales sondas de gas en el sistema de gases de escape de un automóvil, es ventajoso que el revestimiento tenga unos componentes que actúen catalíticamente, en particular un metal noble (p. ej. platino, rodio,....). Esto significa que la superficie que se encuentra en contacto con el gas de escape se utiliza al mismo tiempo para la conversión química de sustancias dañinas contenidas en el gas de escape. Con el fin, sin embargo, de no perjudicar en un grado relevante la composición de la corriente gaseosa que se ha de analizar, generalmente se propone también que el revestimiento no tenga ningún efecto (p. ej. ninguna capacidad de almacenamiento) sobre los componentes de la corriente gaseosa, que son determinados mediante técnicas de medición por la sonda de gas, por ejemplo oxígeno.

De acuerdo con un perfeccionamiento de la sonda de gas, también los otros componentes que entran en contacto con un gas tienen, por lo menos parcialmente, una superficie higroscópica, en particular un cuerpo de base de la sonda de gas. El cuerpo de base constituye la recepción de la pieza componente sensible y tiene usualmente junto a la periferia exterior una rosca, con el fin de fijar a la sonda de gas en un alojamiento. Con el fin de impedir que junto a este cuerpo de base se formen gotas de agua, también éste está provisto de una superficie higroscópica. Alternativamente, o en combinación con ello, esta superficie higroscópica puede estar formada mediante por lo menos un cuerpo moldeado separado, que cubre o respectivamente rodea al menos parcialmente al componente implicado. Este cuerpo moldeado puede estar estructurado con continuidad de material y/o con continuidad de forma, en particular de manera imperdible, con respecto al componente o respectivamente a varios componentes.

Tomando en consideración la producción barata de una de tales sondas de gas, se propone adicionalmente que la por lo menos una disposición protectora sea una caperuza, que comprende un material resistente a las altas temperaturas, moldeable por embutición profunda. De esta manera la caperuza puede ser fabricada con mucha exactitud, precisamente para la producción en serie en unos altos números de unidades. Como característica para un material moldeable por embutición profunda se exige aquí en particular que éste tenga una relación de embutición límite (\beta_{max}) situada en el intervalo de 1,6 a 2,0. La relación de embutición límite se determina mediante un ensayo de embutición profunda (p. ej. de acuerdo con Swift), realizándose que a partir de unas rodajas de chapa que tienen un diámetro aumentado escalonadamente (d_{0max}), mientras que permanece constante el diámetro de la estampa (d_{1}), se embuten unas cubetas cilíndricas. El valor característico es la relación de embutición límite, con la cual el límite de la capacidad de embutición de la chapa se alcanza por una grieta en el fondo que justamente todavía no se ha iniciado todavía (\beta_{max} = d_{0max}/d_{1}).

La sonda de gas, que comprende por lo menos una disposición protectora y un cuerpo de base, pone a punto por lo menos una superficie, que forma óxidos, de los componentes. Esto quiere decir que la disposición protectora y/o el cuerpo de base se pueden tratar térmicamente por lo menos parcialmente, de tal manera que sobre su superficie se forme un óxido, en particular óxido de aluminio. Este óxido hace posible que el subsiguiente revestimiento se pueda aplicar sobre su superficie de una manera duradera, incluso en bajo unas altas cargas térmicas y dinámicas.

Es ventajosa también la forma de realización de una sonda de gas, en la que la por lo menos una disposición protectora es calentable por medios eléctricos. Esto se puede efectuar en particular durante breve tiempo y de una manera discontinua, con el fin de evaporar el agua que ha sido retenida en el revestimiento. En este caso es ventajoso realizar esto en unas situaciones, en las cuales el gas de escape tiene una temperatura relativamente baja, por ejemplo antes o inmediatamente después del arranque del motor o respectivamente en fases de marcha en vacío del motor.

De acuerdo con un aspecto adicional del presente invento, se propone un procedimiento para la producción de una sonda de gas, en particular de una sonda lambda para el análisis de los gases de escape de un motor de combustión interna móvil. La sonda de gas tiene por lo menos una disposición protectora, que rodea al menos en algunas zonas a una pieza componente sensible (elemento sensor) que entra en contacto con un gas, de la sonda de gas, así como un cuerpo de base. Se propone ahora que la por lo menos una disposición protectora o el cuerpo de base se provea al menos parcialmente de un revestimiento higroscópico. De esta manera se puede producir en particular una sonda de gas conforme al invento, tal como se ha descrito precedentemente.

En tal contexto hay que prever eventualmente unas zonas libres, en particular allí donde la superficie está dispuesta cerca de otras superficies funcionales. Las superficies funcionales tienen una función destacada, por ejemplo ellas sirven como superficies de unión de los componentes unos con otros, como superficies de contacto (eléctrico), como caracterización, etc. Así, por ejemplo, es ventajoso que el cuerpo de base y/o la disposición protectora no tengan ningún revestimiento en los sitios donde está prevista una unión (por aplastamiento) con cierre de forma y/o una unión por técnicas de juntura (por soldadura, soldadura con aporte, etc.) o con otros componentes del sensor de gas.

En tal caso es especialmente ventajoso que las superficies, que han de ser provistas del revestimiento, sean tratadas previamente, en particular que sobre la superficie se forme un óxido. La formación de un óxido sobre la superficie puede efectuarse mediante un tratamiento térmico, cuando se presentan unos correspondientes componentes del material de la por lo menos una disposición protectora o respectivamente del cuerpo de base. Sin embargo, también es posible aplicar el material, en una etapa de producción adicional, primeramente sobre la superficie y a continuación realizar una aleación del material.

En ciertas circunstancias es ventajoso en que la por lo menos una disposición protectora o el cuerpo de base se aluminicen antes de realizar el revestimiento. Esto significa que por ejemplo se aplica sobre la superficie una aleación dúctil de aluminio y se fija sobre la superficie mediante un tratamiento térmico subsiguiente. La puesta a disposición de aluminio hace posible la formación posterior de un óxido de aluminio, que es especialmente bien apropiado como capa de soporte para el subsiguiente revestimiento higroscópico.

En este contexto, es especialmente ventajoso que la por lo menos una disposición protectora sea una pieza conformada, en particular embutida profundamente, en la que el proceso de aluminización haya tenido lugar antes de la conformación, y que ventajosamente después de la etapa de conformación se lleve a cabo un recocido por difusión.

De acuerdo con una forma de realización ventajosa adicional del procedimiento, la aplicación del revestimiento comprende una de las siguientes etapas de producción: proyección, inmersión, atomización o proyección térmica.

En el caso de la proyección o respectivamente la atomización, el revestimiento es aplicado sobre la superficie que se ha de revestir, mediando empleo de un medio portador de soporte, por ejemplo aire. En el caso de la inmersión, la pieza que se ha de revestir es sumergida en un baño a base del revestimiento. Para la puesta a punto de un revestimiento duradero, en el caso de los tres procedimientos precedentemente mencionados es ventajosa previamente la formación de un revestimiento de óxidos. Se puede prescindir de una tal medida técnica, al aplicar el revestimiento mediante la proyección térmica, puesto que los intervalos de temperatura empleados en este caso garantizan un suficiente cierre de material o respectivamente unas suficientes fuerzas de adhesión entre la superficie y el revestimiento. En el caso de la proyección térmica se emplean usualmente al realizar la aplicación unas temperaturas situadas por encima de 500ºC, de manera preferida por encima de 900ºC (proyección en plasma), pudiendo preverse eventualmente unos más pequeños espesores de capa (p. ej. menores que 40 \mum).

Con el fin de garantizar una distribución uniforme del revestimiento, o respectivamente un espesor de capa predominantemente igual, pueden ser necesarias otras etapas de tratamiento, por ejemplo una rotación de la pieza (aprovechamiento de fuerzas centrífugas), un golpeo (aprovechamiento de un efecto de impulsos), un soplado (empleo de una corriente gaseosa que está bajo una sobrepresión), etc. En particular, hay que garantizar que los orificios para la entrada de gas o respectivamente los orificios para la salida de gas de la disposición protectora no sean cerrados por encima del grado previsto.

Es especialmente ventajosa la sonda de gas en combinación con un componente de purificación del gas de escape. El concepto de "componente de purificación del gas de escape" debe presentarse como concepto general para todos los componentes apropiados para el tratamiento de los gases de escape, en particular para convertidores catalíticos, mezcladores en circulación, filtros, elementos adsorbentes, trampas de hidrocarburos o de hollín.

Es especialmente ventajosa la puesta a punto de una sonda de gas en el sistema de gas de escape de un vehículo, en particular de un automóvil.

El invento, así como el entorno técnico, se explican seguidamente con mayor detalle con ayuda de las figuras. En tal contexto, hay que hacer mención a que se representan unos ejemplos de realización especialmente preferidos del invento, a los cuales sin embargo no está limitado el invento. Muestran:

la Fig. 1 esquemáticamente una vista en alzado de detalle de una sonda de gas, y

la Fig. 2 una sección transversal a través de la sonda de gas de acuerdo con la Fig. 1.

La Fig. 1 muestra esquemáticamente la estructura de una sonda de gas 1, con un cuerpo de base 10 y una disposición protectora 2. La sonda de gas 1 está colocada a través de un alojamiento 12 (por ejemplo el alojamiento de una conducción para el gas de escape o de un componente de purificación del gas de escape) y está fijada con éste. En este caso una parte de la sonda de gas 1, que comprende la disposición protectora 2, está en contacto con la corriente gaseosa que se ha de analizar. Tanto la disposición protectora 2 como también el cuerpo de base 10 tienen una o varias superficie(s) 4 de contacto con un gas, es decir unas superficies que entran en contacto con un gas que se ha de analizar. En tal contexto la corriente gaseosa que se ha de analizar contiene por lo menos provisionalmente vapor de agua, que en ciertas circunstancias se puede condensar junto a las superficies 4 en contacto con un gas. En el interior de la disposición protectora 2 está dispuesto el elemento sensor 3 (no representado en la Fig. 1). El contacto de la corriente gaseosa que se ha de analizar con la pieza componente sensible (elemento sensor 3) se hace posible a través de unos orificios 11 existentes en la disposición protectora 2.

Tal como se señala esto en la Fig. 1, la Fig. 2 muestra una sección transversal a través de la disposición protectora 2 de la sonda de gas 1. La disposición protectora 2 se representa aquí como una pieza con una forma esencialmente cilíndrica, que está también cerrada en su lado frontal. Junto a la periferia de la disposición protectora 2 están previstos varios orificios 11 en forma de rendijas, que hacen posible un intercambio del gas con las zonas situadas en el interior. La disposición protectora 2 tiene por dentro y por fuera un revestimiento 5, que se representa esquemáticamente abajo a la izquierda en la Fig. 2, en la zona parcial ampliada de tamaño.

El revestimiento 5 está previsto sobre las superficies 4 en contacto con un gas, situadas en el interior y en el exterior de la disposición protectora 2. El revestimiento 5 tiene un espesor de capa 7 comprendido en el intervalo de 10 \mum a 50 \mum. La proporción de los poros 8 del revestimiento 5 por unidad de volumen del revestimiento 5 es de aproximadamente 50%. El revestimiento 5 contiene un agente de desecación 6 para la recogida de vapor de agua a partir de la corriente gaseosa, así como unos metales nobles 9 para la conversión catalítica de sustancias dañinas y contaminantes en el gas de escape.

La sonda de gas aquí propuesta aumenta de una manera considerable la seguridad en funcionamiento precisamente en instalaciones de gases de escape de automóviles. Además de ello la sonda de gas se puede producir de una manera sencilla también en el marco de una producción en serie.

Lista de signos de referencia

1

sonda de gas

2

disposición protectora

3

pieza componente

4

superficie en contacto con un gas

5

revestimiento

6

agente de desecación

7

espesor de capa

8

poro

9

metal noble

10

cuerpo de base

11

orificio

12

alojamiento

Claims (16)

1. Sonda de gas (1), en particular sonda lambda para el análisis de los gases de escape de un motor de combustión interna móvil, que tiene por lo menos una disposición protectora (2), que rodea al menos en algunas zonas a un elemento sensor (3) sensible, que entra en contacto con un gas, de la sonda de gas (1), caracterizada porque la por lo menos una disposición protectora (2) tiene una superficie (4) en contacto con un gas, la cual tiene al menos parcialmente una superficie higroscópica, estando formada la superficie higroscópica al menos parcialmente con un revestimiento (5), que comprende ventajosamente un agente de desecación (6) resistente a las altas temperaturas.

2. Sonda de gas (1) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el revestimiento (5) tiene un espesor de capa (7) situado en el intervalo de 10 \mum a 50 \mum.

3. Sonda de gas (1) de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque el revestimiento (5) tiene una cierta porosidad, de manera tal que el volumen de poros por unidad de volumen del revestimiento (5) está situado en un intervalo de 30% a 90%.

4. Sonda de gas (1) de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque el revestimiento (5) comprende un óxido, en particular por lo menos uno tomado entre óxido de titanio, óxido de zirconio u óxido de aluminio.

5. Sonda de gas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el revestimiento (5) tiene unos componentes que actúan catalíticamente, en particular un metal noble (9).

6. Sonda de gas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizada porque también los componentes adicionales, que entran en contacto con un gas, tienen por lo menos parcialmente una superficie higroscópica, en particular un cuerpo de base (10) de la sonda de gas (1).

7. Sonda de gas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizada porque la por lo menos una disposición protectora (2) es una caperuza, que comprende un material moldeable por embutición profunda, resistente a las altas temperaturas.

8. Sonda de gas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 7, comprendiendo la sonda de gas (1) por lo menos los siguientes componentes: por lo menos una disposición protectora (2) y un cuerpo de base (10), caracterizado porque al menos un componente está hecho a base de un material, que pone a punto una superficie que forma
óxidos.

9. Sonda de gas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la por lo menos una disposición protectora (2) es calentable por medios eléctricos.

10. Procedimiento para la producción de una sonda de gas (1) de acuerdo con una de las precedentes reivindicaciones, en particular una sonda lambda para el análisis de los gases del escape de un motor de combustión interna móvil, con por lo menos una disposición protectora (2), que rodea al menos en algunas zonas a un elemento sensor (3) sensible, que entra en contacto con un gas, de la sonda de gas (1), así como con un cuerpo de base (10), en el que la por lo menos una disposición protectora (2) es provista al menos parcialmente de un revestimiento
higroscópico (5).

11. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10, en el cual las superficies que se han de proveer del revestimiento (5) son tratadas previamente, en particular se forma un óxido.

12. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 10 u 11, en el que al menos la por lo menos una disposición protectora (2) o el cuerpo de base (10) se aluminizan antes de realizar el revestimiento.

13. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 12, en el que por lo menos una disposición protectora (2) es una pieza conformada, en particular moldeada por embutición profunda, y en el que el proceso de aluminización tiene lugar antes de la conformación, y ventajosamente después de la etapa de conformación se lleva a cabo un recocido por difusión.

14. Procedimiento de acuerdo con por lo menos una de las reivindicaciones 10 a 13, en el que por la aplicación del revestimiento (5) comprende por lo menos una de las siguientes etapas de producción:

-

proyección,

-

inmersión,

-

atomización,

-

proyección térmica.

15. Componente de purificación del gas de escape, que comprende por lo menos una sonda de gas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9.

16. Vehículo con un sistema de gas de escape, que comprende por lo menos una sonda de gas (1) de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9.