ITTO940763A1

ITTO940763A1 - Dispositivo sensore multifunzione.

Info

Publication number: ITTO940763A1
Application number: IT94TO000763A
Authority: IT
Inventors: Adnan Farhat; Gian Maria Timossi
Original assignee: Marelli Autronica
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 1996-03-30
Also published as: DE69501995T2; ITTO940763A0; ES2114715T3; DE69501995D1; EP0704687A1; EP0704687B1; IT1268604B1

Abstract

Sensore multifunzione (SM) per un sistema di alimentazione, a controllo elettronico, di un motore a combustione interna. Il sensore multifunzione (SM) congloba in un unico dispositivo, realizzato su sopporto ceramico mediante tecnologia a film spesso, tre sensori: un sensore di temperatura dell'aria (1A), un sensore di pressione dell'aria (SPA), un sensore di pressione del carburante (SPC), permettendo in tal modo di realizzare una notevole riduzione di costo e di complessità del sistema di alimentazione.(Figura 7).

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivo sensore multifunzione"

DESCRIZIONE

La presente invenzione fa riferimento in generale ai sensori destinati ad essere impiegati in associazione a motori a combustione interna. Più specificamente la presente invenzione fa riferimento ad un dispositivo sensore multifunzione suscettibile di essere impiegato in associazione a sistemi di iniezione/accensione a controllo elettronico per motori a combustione interna.

E' noto come gli attuali sistemi elettronici per il controllo dell'iniezione/accensione dei motori a combustione interna necessitino di sensori in grado di rilevare una pluralità di grandezze relative al funzionamento del motore stesso. Tipicamente sono necessari sensori atti a misurare le seguenti grandezze:

pressione assoluta aria aspirata,

pressione carburante,

temperatura aria aspirata.

Negli attuali sistemi di iniezione del tipo denominato "speed density", vengono rilevate la pressione e la temperatura dell'aria aspirata al fine di calcolare la quantità di aria aspirata, e quindi la corretta quantità di carburante da iniet-tare. La pressione del carburante invece viene regolata in modo totalmente meccanico.

Per una migliore comprensione verrà ora descritto, con riferimento alla figura 1, un sistema di alimentazione di tipo convenzionale. In un siste-ma di tale tipo, una pompa del carburante PC, elet-trica, invia carburante in eccesso da un serbatoio del carburante SER ad iniettori IN tramite una tubazione di mandata A. Un regolatore di pressione REG, tipicamente a diaframma, posto sulla tubazione di mandata A del carburante mantiene costante la pressione sugli iniettori IN rimandando indietro 1'eccesso di carburante, inviato dalla pompa PC, nel serbatoio SER tramite una tubazione di ritorno R.

Il sistema è naturalmente controllato da una centralina elettronica ECU collegata, come già accennato, a due sensori di pressione SPA e di temperatura STA dell'aria aspirata. Dato che la pressione del carburante sugli iniettori IN è mantenuta costante dal regolatore di pressione REG la centralina elettronica ECU controlla la quantità di carburante iniettata agendo sui tempi di apertura degli iniettori IN.

In un prossimo futuro tale sistema di regola-zione della pressione del carburante sarà abbandona-to per i seguenti motivi:

elevata emissione di vapori di carburante, a causa soprattutto della temperatura raggiunta dal carburante stesso quando giunge in prossimità del motore (con conseguenti problemi di inquinamento), costo di installazione della tubazione di ritorno R.

Entrambe questi problemi possono essere risolti facendo sì che la pompa del carburante PC invii il carburante agli iniettori IN già alla giusta pressione, senza inviare eccessi che devono essere conseguentemente rimandati indietro. Per raggiungere tale obiettivo è però necessario che la pompa del carburante PC venga controllata dalla centralina ECU in funzione del carburante da inviare.

E’ quindi necessario che la centralina ECU conosca la pressione del carburante stesso, riferita alla pressione esistente nel collettore d'aspirazione. Più specificamente è necessario che la centralina ECU sia a conoscenza della misura differen-ziale tra le due pressioni.

E' quindi necessaria l'adozione di un ulteriore sensore, e cioè di un sensore della pressione del carburante rispetto alla pressione nel collettore. Tale sensore permette quindi l'eliminazione del tradizionale regolatore di pressione meccanico REG oltre che della tubazione di ritorno R del carburante.

Tale situazione è rappresentata in figura 2 in cui a parti ed elementi già descritti con riferimento alla figura 1 sono stati attribuiti nuovamente gli stessi riferimenti letterali. Come si può vedere dalla figura 2 in questo caso è presente solo la tubazione di mandata del carburante A mentre sono assenti il regolatore di pressione REG e la tubazione di ritorno R.

E' inoltre presente un collegamento tra la centralina elettronica ECU e la pompa del.carburante PC che in questo caso opera sotto controllo elettronico in modo da inviare esattamente la quantità di carburante necessaria agli iniettori IN. In figura sono visibili anche i sensori di pressione assoluta SPA, temperatura dell'aria STA e di pressione del carburante SPC. Tali sensori SPA, STA, SPC sono naturalmente connessi alla centralina elettronica ECU in modo da fornirle le informazioni necessarie alla gestione del motore.

Il controllo della pompa del carburante PC permette inoltre di accrescere le prestazioni dell’in-tero sistema di alimentazione, consentendo alla centralina di controllo ECU di intervenire non solo sul tempo di apertura degli iniettori IN, ma anche sulla pressione del carburante.

I sistemi di iniezione/accensione di prossima produzione saranno quindi dotati di un ulteriore sensore SPC in aggiunta a quelli attualmente impiegati. Tale ulteriore sensore SPC è destinato ad essere sottoposto a pressioni modeste, di pochi bar, ma deve operare in un ambiente particolarmente aggressivo dal punto di vista chimico. Può quindi essere conveniente l'impiego della tecnologia a film spesso su ceramica.

Tale tecnologia è stata invece pressoché abbandonata, per motivi di tipo economico, per la realizzazione dei sensori destinati all'impiego in collettore di aspirazione. Tali sensori vengono attualmente realizzati secondo la tecnologia del silicio microlavorato .

La tecnologia a film spesso su ceramica presenta tuttavia un ulteriore grande vantaggio rispetto alla tecnologia in silicio. E' infatti possibile realizzare su un unico substrato ceramico, mediante serigrafia, più ponti di misura consentendo in tal modo la realizzazione di più elementi sensori a costi paragonabili a quello della realizzazione di un solo sensore.

Lo scopo della presente invenzione è quello di realizzare un sensore multifunzione che integri le funzioni sopra esposte in un unico dispositivo con conseguenti riduzioni di costo e di complessità.

Secondo la presente invenzione tale scopo viene raggiunto grazie ad un sensore multifunzione avente le caratteristiche indicate nelle rivendicazioni che seguono la presente descrizione.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente dettagliata descrizione, effettuata con l'ausilio degli annessi disegni, forniti a titolo di esempio non limitativo, in cui:

le figure 1 e 2 rappresentano schematicamente due sistemi di alimentazione secondo la tecnica nota e sono già state descritte,

la figura 3 rappresenta schematicamente un sistema di alimentazione impiegante il dispositivo secondo la presente invenzione,

la figura 4 rappresenta schematicamente, in esploso, alcuni componenti del dispositivo secondo la presente invenzione,

le figure 5 e 6 rappresentano schematicamente un sottogruppo del dispositivo secondo l'invenzione in due diversi stadi di assemblaggio,

la figura 7 rappresenta il dispositivo secondo l'invenzione assemblato,

le figure 8 e 9 rappresentano due particolari del dispositivo di figura 7, visti da due angolazioni differenti,

la figura 10 illustra schematicamente lo schema elettrico funzionale del dispositivo secondo l’invenzione .

In figura 3 è illustrato, per una migliore comprensione un sistema di alimentazione, analogo al sistema di figura 2 impiegante un sensore multifunzione SM secondo l'invenzione. Come si può notare tale sistema è notevolmente semplificato in quanto i tre sensori, precedentemente impiegati, sono ora sostituiti da un unico sensore SM collegato al collettore di aspirazione ed alla tubazione di mandata del carburante A.

Il sensore SM è quindi in grado di fornire la centralina di controllo ECU, mediante un'unica linea di comunicazione, tutte le informazioni di cui necessita. Il sensore SM verrà ora descritto più in dettaglio con riferimento alle figure 4, 5 e 6.

Il sensore multifunzione SM secondo la presente invenzione è costituito essenzialmente dai seguenti elementi .

Un involucro plastico 1 in cui sono ricavate due prese di pressione, una per l'aria aspirata AR ed una seconda per il carburante CARB. In tale involucro plastico 1 sono inoltre costampati un sensore di temperatura 1A, ad esempio del tipo NTC, situato in prossimità della presa per l'aria AR, ed un gruppo di terminali 11B per le connessioni elettriche .

Tali terminali 11B possono variare da 3 a 5. Nel primo caso si hanno due terminali di alimentazione, . massa e 5V ed un terzo terminale su cui vengono inviate, ad esempio codificate in modo seriale, le informazioni relative alle tre grandezze misurate: pressione carburante, pressione aria e temperatura aria. Nel secondo caso (5 terminali) oltre ai due terminali di alimentazione vi sono tre terminali ognuno dei quali dedicato ad una delle grandezze misurate.

All'interno di tale involucro plastico 1 è sua volta disposto un gruppo preassemblato 2B, visibile in figura 6, costituito a sua volta da uno schermo metallico di protezione contro le radiofrequenze 3 e dal sensore di pressione vero e proprio 5.

Quest'ultimo è costituito da un sopporto cera-mico 5B su cui è incollato, tramite serigrafia di vetro, un secondo, substrato ceramico di forma rettangolare 5A. I suddetti due substrati ceramici 5B, 5A sono conformati in modo tale che durante l'incol-laggio si formino due camere a tenuta di pressione 5C. Tali camere 5C fanno sì che entrambe le pres-sioni misurate, dell'aria e del carburante, siano assolute .

Le zone del substrato ceramico 5A corrispondenti alle camere 5C costituiscono gli elementi sensibili del sensore SM. In corrispondenza di tali zone vengono serigrafati due ponti di Wheatstone i quali effettuano la trasduzione della deformazione della membrana ceramica 5A in segnale elettrico secondo il principio, ampiamente noto nella tecnica, dell'effetto piezoresistivo.

Sul substrato ceramico 5A è inoltre montata una circuiteria elettronica a microprocessore, responsabile del trattamento del segnale di entrambi gli elementi sensibili e, nel caso sia richiesta una codifica seriale dei segnali, anche del segnale di temperatura aria.

Sul substrato 5A sono inoltre provvisti termi-nali 4B per la connessione con il complesso dei terminali 11B, e due cilindrici 4A a tenuta dotati di rispettive guarnizioni del tipo O-ring. Tale assieme forma il gruppo 2A, visibile in figura 5.

Il gruppo preassemblato 2B, formato dal gruppo 2A più lo schermo 3, una volta inserito nell'involu-cro plastico 1, è racchiuso da un coperchio inferiore 6 in metallo, ad esempio acciaio, il quale ha anche la funzione di completare lo schermo 3 di prote-zione contro le radiofrequenze.

In figura 7 è rappresentato il dispositivo SM completo ed assemblato in cui è visibile anche un connettore CARB per la connessione al tubo di mandata A del carburante. L'apertura AR, per la rile-vazione della pressione dell'aria, e della temperatura dell'aria tramite il sensore di temperatura 1A, è invece destinata ad essere collegata al collettore di aspirazione del motore.

In figura 8 è rappresentata invece una vista del sensore 5 in cui sono visibili le aree circolari della membrana ceramica 5A per la misura della pressione dell'aria AR e del carburante CARB, corrispondenti alle camere 5C, ed i connettori elettrici 11B.

In figura 9 è rappresentata una vista di dettaglio del dispositivo di figura 7 rappresentante un connettore CONN per il collegamento di una linea di connessione con la centralina di controllo ECU.

In figura 10 è invece rappresentato uno schema elettrico funzionale del sensore SM. Come si può notare in esso sono illustrati i due sensori di pressione del carburante SPC e dell'aria SPA ed il sensore di temperatura dell’aria STA, realizzato me-diante il sensore 1A. E' inoltre visibile un circuito di elaborazione ELAB destinato al trattamento dei segnali provenienti dai due sensori di pressione SPC ed SPA. Tale circuito di elaborazione ELAB ricava un segnale PD indicativo della pressione differenziale tra aria e carburante.

Tale segnale PD viene ottenuto sostanzialmente mediante un circuito sottrattore DIFF operante sui segnali emessi da due sensori di pressione SPC ed SPA. In sostanza i segnali uscenti dal sensore SM, nel caso specifico, sono quindi il segnale di pressione differenziale PD, un segnale di pressione dell'aria PA ed un segnale di temperatura dell'aria TA.

Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno essere ampiamente variati rispetto a quanto descritto ed illustrato, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione .

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo sensore (SM), per un sistema di alimentazione associato ad un motore termico, caratterizzato dal fatto di comprendente un involucro (1) contenente: mezzi sensori di temperatura (1A), primi mezzi sensori di pressione (SPA) e secondi mezzi sensori di pressione (SPC) realizzati su di un supporto ceramico (5B), detti primi (SPA) e secondi (SPC) mezzi sensori di pressione essendo connessi, mediante rispettive aperture (AR, CARE) provviste in detto involucro (1) ad un primo e ad un secondo ambiente, tra loro distinti, in vista di rilevare la pressione in detti primo e secondo ambiente rispettivamente.
2. Dispositivo (SM) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detti primi e secondi mezzi sensori di pressione comprendono un primo (SPA) ed un secondo (SPC) sensore di pressione di tipo piezoresistivo realizzato mediante tecnologia del tipo a film spesso.
3. Dispositivo (SM) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti primo (SPA) e secondo (SPC) sensore di pressione sono sensori a ponte.
4. Dispositivo (SM) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che comprende mezzi di elaborazione (ELAB), operativa-mente connessi a detti primi (SPA) e secondi (SPC) mezzi sensori di pressione, configurati in modo da emettere in uscita un segnale (PD) indicativo della differenza di pressione tra detto primo e detto secondo ambiente.
5. Dispositivo (SM) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elabora-zione (ELAB) sono configurati in modo da emettere in uscita un segnale (TA) indicativo della temperatura rilevata da detti mezzi sensori di temperatura (1A).
6. Dispositivo (SM) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fato che detti mezzi di elabora-zione (ELAB) sono configurati in modo da trasmettere detto segnale indicativo della temperatura (TA) e detto segnale indicativo della differenza di pres-sione (PD) in forma digitale mediante una linea di comunicazione seriale.
7. Dispositivo (SM) secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione comprendono un circuito elettronico a microprocessore (ELAB).
8. Dispositivo (SM) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 7, caratterizzato dal fatto che detti mezzi sensori di temperatura comprendono un sensore resistivo (1A) .
9. Dispositivo (SM) secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto sensore di temperatura resistivo (1A) è un sensore del tipo NTC .
10. Dispositivo (SM) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 9, in cui detto primo ambiente è un collettore di aspirazione di un motore a combu-stione intera e detto secondo ambiente è una tubazione di alimentazione di carburante a detto motore termico, caratterizzato dal fatto che una prima (AR) di dette aperture è conformata in modo da essere collegata, a tenuta, a detto collettore di aspirazione, ed una seconda (CARB) di dette aperture è conformata in modo da essere collegata, a tenuta, a detta tubazione di alimentazione di carburante, detti mezzi sensori di temperatura (1A) essendo configurati in modo da rilevare la temperatura dell'aria di detto collettore di aspirazione. Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.