IT201800000948A1 - Dispositivo meccatronico per un motore a combustione interna provvisto di un sensore integrato di temperatura e pressione - Google Patents

Dispositivo meccatronico per un motore a combustione interna provvisto di un sensore integrato di temperatura e pressione Download PDF

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Piero Carbonaro
Alberto Pezzoli
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Description

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
“DISPOSITIVO MECCATRONICO PER UN MOTORE A COMBUSTIONE INTERNA PROVVISTO DI UN SENSORE INTEGRATO DI TEMPERATURA E PRESSIONE”
SETTORE DELLA TECNICA
La presente invenzione è relativa ad un dispositivo meccatronico per un motore a combustione interna provvisto di un sensore integrato di temperatura e pressione.
ARTE ANTERIORE
Come noto, un motore a combustione interna comprende un numero di cilindri, ciascuno dei quali alloggia un rispettivo pistone meccanicamente collegato mediante una biella ad un albero motore per trasmettere all’albero motore stesso la forza generata dalla combustione all’interno del cilindro.
Ciascun cilindro è collegato mediante almeno una valvola di aspirazione ad un collettore di aspirazione che riceve un flusso di aria fresca da un condotto di aspirazione regolato attraverso una valvola a farfalla oppure a cursore tra una posizione di chiusura ed una posizione di massima apertura, e mediante almeno una valvola di scarico ad un collettore di scarico che confluisce in un condotto di scarico per emettere i gas prodotti dalla combustione nell’atmosfera.
Per ciascun cilindro è poi previsto un corrispondente iniettore ed una rispettiva candela, la quale è disposta attraverso il cielo del cilindro in posizione centrale tra le valvole di aspirazione e le valvole di scarico e viene ciclicamente attivata per determinare l’accensione dei gas compressi all’interno del cilindro al termine di ciascuna fase di compressione.
Il motore a combustione interna comprende infine una unità di controllo, la quale sovraintende al funzionamento del motore a combustione e, tra le altre cose, è collegata alle candele, agli iniettori e alla valvola a controllo elettronico ed è configurata in modo da pilotare le candele per determinare l’accensione dei gas compressi all’interno di ciascun cilindro, per comandare l’iniezione di combustibile all’interno dei cilindri attraverso i rispettivi iniettori e per comandare l’apertura e la chiusura della valvola a controllo elettronico in funzione dei segnali trasmessi da una pluralità di sensori del motore a combustione interna.
In particolare, il motore a combustione interna comprende un sensore di pressione ed un sensore di temperatura disposti lungo il condotto di aspirazione e collegati alla unità di controllo. Vantaggiosamente, i detti sensori di pressione e temperatura sono alloggiati lungo una sezione del condotto di aspirazione compreso fra le valvole di aspirazione e la valvola a controllo elettronico.
In particolare, i detti sensori di temperatura e pressione sono direttamente collegati ad una parete laterale che definisce il condotto di aspirazione in modo che siano esposti alle fluttuazioni di pressione e temperatura che si generano per effetto della apertura periodica delle valvole di aspirazione e della variazione nella apertura della valvola a controllo elettronico.
Tuttavia, il montaggio dei sensori di temperatura all’interno del condotto di aspirazione comporta una complicazione nella fase di assemblaggio della valvola a farfalla oppure a cursore; i detti sensori di temperatura devono infatti essere disposti all’interno di un foro di alloggiamento dedicato evitando il contatto con le pareti per non subire danneggiamenti con un aggravio dei tempi di montaggio e dei costi di montaggio (causati dagli scarti dei sensori di temperatura danneggiati).
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
Scopo della presente invenzione è di fornire un dispositivo meccatronico per un motore a combustione interna provvisto di un sensore integrato di temperatura e pressione, il quale sia esente dagli inconvenienti dello stato della tecnica e sia, al contempo, di facile ed economica realizzazione.
Secondo la presente invenzione viene fornito un dispositivo meccatronico per un motore a combustione interna provvisto di un sensore integrato di temperatura e pressione secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui:
- la figura 1 è una vista schematica di un motore a combustione interna provvisto di un dispositivo meccatronico realizzato in accordo con la presente invenzione;
- la figura 2 è una vista di un dispositivo meccatronico provvisto di un sensore integrato di temperatura e pressione della figura 1;
- la figura 3 illustra un particolare della figura 2; - la figura 4 illustra schematicamente il sensore integrato di temperatura e pressione della figura 2; e - la figura 5 illustra la trasmissione dei dati rilevati dal sensore integrato della figura 4.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE
Nella figura 1, con il numero 1 è indicato nel suo complesso un motore a combustione interna ad accensione comandata comprendente quattro cilindri 2 (uno solo dei quali illustrato nella figura 1) disposti in linea. Ciascun cilindro 2 alloggia un rispettivo pistone 3 meccanicamente collegato mediante una biella ad un albero motore (non illustrato) per trasmettere all’albero motore stesso la forza generata dalla combustione all’interno del cilindro 2.
Il motore 1 a combustione interna comprende un collettore 5 di aspirazione che è collegato a ciascun cilindro 2 mediante due valvole 6 di aspirazione (solo una delle quali è illustrata nella figura 1) e riceve un flusso di aria fresca (cioè aria proveniente dall’ambiente esterno) da un condotto 17 di aspirazione regolato attraverso una valvola 7 a farfalla, preferibilmente a controllo elettronico mobile tra una posizione di chiusura ed una posizione di massima apertura.
Inoltre, il motore 1 a combustione interna comprende un collettore 8 di scarico che è collegato a ciascun cilindro 2 mediante due valvole 9 di scarico (solo una delle quali è illustrata nella figura 1) che confluisce in un condotto 18 di scarico per emettere i gas prodotti dalla combustione nell’atmosfera.
La posizione di ciascuna valvola 9 di scarico viene direttamente controllata da un albero 10 a camme che riceve il moto dell’albero motore; invece, la posizione delle valvole 6 di aspirazione viene controllata da un dispositivo 11 di controllo di apertura valvole che comanda le valvole 6 di aspirazione gestendone angolo di apertura ed alzata in modo da controllare la coppia erogata mediante le valvole 6 di aspirazione. Il dispositivo 11 di controllo di apertura valvole utilizza un tradizionale albero 12 a camme che riceve il moto dell’albero motore e per ciascuna valvola 6 di aspirazione comprende un attuatore 13 idraulico elettrocontrollato (cioè controllato mediante una elettrovalvola), il quale è interposto tra uno stelo della valvola 6 di aspirazione e l’albero 12 a camme. Pilotando opportunamente ciascun attuatore 13 idraulico è possibile regolare il moto trasmesso dall’albero 12 a camme allo stelo della valvola 6 di aspirazione e quindi è possibile regolare l’effettiva alzata della valvola 6 di aspirazione. Preferibilmente, secondo una variante, l’azione del dispositivo 11 di controllo permette di variare per ciascun cilindro 2 e ad ogni ciclo motore l’effettiva alzata di ciascuna valvola 6 di aspirazione in modo indipendente dalle altre valvole 6 di aspirazione.
Per ciascun cilindro 2 è previsto un corrispondente iniettore 14; secondo la forma di attuazione illustrata nella figura 1, l’iniezione è di tipo indiretto e quindi ciascun iniettore 14 è disposto a monte del cilindro 2 in un condotto di aspirazione che collega il collettore 5 di aspirazione al cilindro 2. Secondo una alternativa forma di attuazione non illustrata, l’iniezione è di tipo diretto e quindi ciascun iniettore 14 è parzialmente disposto all’interno del cilindro 2 attraverso il cielo del cilindro 2 stesso.
Inoltre, ciascun cilindro 2 comprende una candela 15, la quale è disposta attraverso il cielo del cilindro 2 in posizione centrale tra le valvole 5 di aspirazione e le valvole 9 di scarico e viene ciclicamente attivata per determinare l’accensione dei gas compressi all’interno del cilindro 2 al termine di ciascuna fase di compressione.
Il motore 1 comprende una unità 16 di controllo, la quale sovraintende al funzionamento del motore 1 a combustione e, tra le altre cose, è collegata alle candele 15, agli iniettori 14 e alla valvola 7 a farfalla a controllo elettronico (come meglio descritto nella trattazione che segue). L’unità 16 di controllo è configurata in modo da pilotare le candele 15 per determinare l’accensione dei gas compressi all’interno di ciascun cilindro 2, comandare l’iniezione di combustibile all’interno dei cilindri 2 attraverso i rispettivi iniettori 14 e comandare l’apertura e la chiusura della valvola 7 a farfalla a controllo elettronico in funzione, tra l’altro, dei segnali trasmessi da una pluralità di sensori del motore 1 a combustione interna.
Nella figura 2 è illustrata in maggior dettaglio la valvola 7 a farfalla a controllo elettronico comprendente un corpo 19 valvola alloggiante un dispositivo attuatore (non illustrato), un condotto 20 di alimentazione tubolare a sezione circolare attraverso cui fluisce l’aria aspirata dal motore 1 a combustione interna, ed un piattello 21 a farfalla, il quale è di forma circolare, impegna il condotto 20 di alimentazione ed è montato su un albero 22 girevole attorno ad un asse X di simmetria per portare in rotazione il detto piattello 21 a farfalla tra una posizione di apertura e una posizione di chiusura del condotto 20 di alimentazione per effetto dell’azione del dispositivo attuatore, e viceversa. Il condotto 20 di alimentazione è definito in una sezione del condotto 17 di aspirazione.
Secondo una variante non illustrata, la valvola 7 a farfalla può essere sostituita da una valvola a cursore che scorre tra una posizione di apertura e una posizione di chiusura del condotto di alimentazione per effetto dell’azione di un dispositivo attuatore, e viceversa. In particolare, il cursore è definito da un setto disposto trasversalmente al collettore 5 di aspirazione che è mantenuto in una posizione di chiusura del collettore 5 di aspirazione sotto l’azione di una molla di richiamo; il dispositivo attuatore trascina il setto per spostarlo dalla posizione di chiusura ad una posizione di apertura del collettore 5 di aspirazione, e viceversa. In entrambe le forme di attuazione descritte, è quindi previsto un elemento otturatore del collettore 5 di aspirazione definito alternativamente dal cursore oppure dal piattello 21 a farfalla.
La valvola 7 a farfalla a controllo elettronico è inoltre provvista di un sensore 23 integrato di temperatura e pressione, il quale è alloggiato lungo una sezione del condotto 17 di aspirazione compreso fra le valvole 6 di aspirazione e la valvola 7 a farfalla a controllo elettronico (vale a dire fra il piattello 21 a farfalla e le valvole 6 di aspirazione). Vantaggiosamente, il sensore 23 integrato di temperatura e pressione è alloggiato lungo una sezione del condotto 17 di aspirazione in prossimità della valvola 7 a farfalla a controllo elettronico (vale a dire in prossimità del piattello 21 a farfalla). Il sensore 23 integrato di temperatura e pressione è esposto alle fluttuazioni di pressione che si generano per effetto della apertura periodica delle valvole 6 di aspirazione e della variazione nella apertura della valvola 7 a farfalla a controllo elettronico.
Secondo quanto illustrato nella figura 3, in particolare, in una parete 24 laterale che definisce il condotto 17 di aspirazione è ricavata una apertura 25 passante la quale mette in comunicazione l’interno del condotto 17 di aspirazione con un vano che ospita il sensore 23 integrato di temperatura e pressione. In particolare, il sensore 23 integrato di temperatura e pressione è disposto in una posizione direttamente affacciata alla apertura 25 passante. Il sensore 23 integrato di temperatura e pressione comprende un circuito 26 stampato, una cui porzione è direttamente affacciata ed esposta al flusso di aria che scorre nel condotto 17 di aspirazione attraverso l’apertura 25 passante. E’ importante evidenziare che non si interpone nulla fra il sensore 23 integrato di temperatura e pressione e il condotto 17 di aspirazione.
Sul lato del circuito 26 stampato rivolto verso l’apertura 25 passante, è disposto un elemento 27 trasduttore di pressione collegato in modo noto mediante tecnologia a montaggio superficiale. L’elemento 27 trasduttore di pressione è direttamente affacciato alla apertura 25 passante con l’interposizione di una guarnizione 28 di tenuta, conformata a U e provvista anch’essa di una apertura 29 passante coassiale all’apertura passante 25, che si estende attorno all’elemento 27 trasduttore di pressione ed è collegata al lato del circuito 26 stampato rivolto verso l’apertura 25 passante.
L’apertura 25 passante è dimensionata in modo tale che l’elemento 27 trasduttore di pressione possa rilevare le variazioni di pressione che si verificano all’interno del condotto 17 di aspirazione con un ritardo e/o una attenuazione trascurabile.
L’elemento 27 trasduttore di pressione è tipicamente realizzato mediante un substrato flessibile che reagisce a una differenza di pressione tra il lato superiore e il lato inferiore del substrato stesso ed in cui sono sono stati impiantati degli elementi resistivi sensibili alle variazioni di pressione.
Secondo quanto illustrato nella figura 4, vantaggiosamente, l’elemento 27 trasduttore di pressione è realizzato mediante degli elementi piezoresistivi a resistenza variabile sensibili alla pressione. Gli elementi piezoresistivi a resistenza variabile sono montati in modo noto sul substrato sottoposto alla pressione di aspirazione nel condotto 17 di aspirazione; gli elementi piezoresistivi si deformano in risposta alle variazioni di pressione all’interno del condotto 17 di aspirazione con un corrispondente cambiamento di resistenza.
Secondo una variante, l’elemento 27 trasduttore di pressione è realizzato da un dispositivo resistivo a ponte avente un numero di elementi piezoresistivi a resistenza variabile (ad esempio quattro resistivi) e sensibili alla pressione. Gli elementi piezoresistivi sono disposti in modo che la resistenza attraverso due primi terminali di potenza opposti rimanga sostanzialmente costante in funzione della pressione mentre la resistenza tra i rimanenti due terminali di potenza varia proporzionalmente alla pressione.
Alternativamente, l’elemento 27 trasduttore di pressione può essere realizzato mediante altri dispositivi di rilevamento della pressione come, ad esempio, dei dispositivi capacitivi sensibili alla pressione.
L’elemento 27 trasduttore di pressione genera un segnale di uscita in tensione che è proporzionale alla pressione esercitata sullo stesso elemento 27 trasduttore di pressione.
Il segnale VP di uscita in tensione proporzionale alla pressione esercitata sull’elemento 27 trasduttore di pressione è trasmesso in ingresso ad un circuito MUX integrato selettore.
Unitamente al segnale VP di uscita proporzionale alla pressione esercitata sull’elemento 27 trasduttore di pressione (e quindi analogico), il circuito MUX integrato riceve in ingresso anche un segnale VT di temperatura in tensione proveniente da un sensore TS di temperatura. In particolare, il sensore TS di temperatura genera il segnale VT di temperatura in tensione, proporzionale alla temperatura rilevata da detto sensore TS di temperatura (e quindi analogico).
Secondo una preferita forma di realizzazione, il sensore TS di temperatura è realizzato da una sonda separata dall’elemento 27 trasduttore di pressione.
Secondo una ulteriore forma di realizzazione, il segnale VT di temperatura è ottenuto attraverso l’elemento 27 trasduttore di pressione evitando quindi di dover prevedere una sonda separata dall’elemento 27 trasduttore di pressione stesso. In particolare, secondo questa forma realizzativa, l’elemento 27 trasduttore di pressione è provvisto di un circuito che genera il segnale VT di temperatura in tensione in funzione delle variazioni della resistenza degli elementi resistivi dell’elemento 27 trasduttore.
Il circuito MUX integrato selettore è destinato a selezionare un singolo segnale elettrico fra i due segnali che riceve in ingresso, vale a dire il segnale VP di uscita analogico proporzionale alla pressione esercitata sull’elemento 27 trasduttore di pressione e il segnale VT di temperatura analogico.
Il circuito MUX integrato selettore è configurato in modo da inoltrare selettivamente come segnale S di uscita, un segnale scelto fra detti due segnali attraverso un singolo canale di comunicazione di uscita. In particolare, il circuito MUX integrato selettore è destinato a scegliere in modo alternato nel tempo il segnale VP di uscita proporzionale alla pressione esercitata sull’elemento 27 trasduttore di pressione oppure il segnale VT di temperatura.
Il segnale S di uscita dal circuito MUX integrato selettore è un segnale analogico che viene trasmesso ad un convertitore ADC analogico-digitale; il convertitore ADC analogico-digitale è un circuito elettronico predisposto per convertire il segnale S analogico con andamento continuo proveniente dal circuito MUX integrato selettore in un segnale SD digitale realizzato da una pluralità di valori discreti.
Il segnale SD digitale in uscita dal convertitore ADC analogico-digitale viene trasmesso in ingresso ad un processore DSP di segnali digitali (anche noto come digital signal processor). Il processore DSP di segnali digitali è configurato per elaborare il segnale SD digitale in ingresso.
Vantaggiosamente, il processore DSP di segnali digitali è configurato per eseguire diversi trattamenti del segnale SD digitale in ingresso quali ad esempio:
- un filtraggio del segnale SD digitale in ingresso; oppure
- una compensazione del segnale SD digitale in ingresso (in particolare, nel caso in cui il segnale S in uscita dal circuito MUX integrato selettore sia il segnale VT di temperatura); oppure
- una linearizzazione del segnale SD digitale in ingresso; oppure ancora
- una limitazione del segnale SD digitale in ingresso, per quei casi in cui il SD digitale in ingresso non debba superare e/oppure scendere al di sotto di un valore critico (in particolare, nel caso in cui il segnale S in uscita dal circuito MUX integrato selettore sia il segnale VP di uscita proporzionale alla pressione esercitata sull’elemento 27 trasduttore di pressione).
Il segnale SD digitale elaborato dal processore DSP di segnali digitali è inviato ad un modulo SD di trasmissione realizzato per trasmettere il segnale SOUT di uscita digitale alla unità 16 di controllo. L’unità 16 di controllo è predisposta per pilotare le candele 15 per determinare l’accensione dei gas compressi all’interno di ciascun cilindro 2 e per comandare l’iniezione di combustibile all’interno dei cilindri 2 attraverso i rispettivi iniettori 14 in funzione del detto segnale SOUT di uscita digitale.
Secondo quanto meglio illustrato nella figura 5, le informazioni relative alla pressione e alla temperatura del flusso di aria fresca nel condotto 17 di aspirazione sono rese disponibili alternativamente alla unità 16 di controllo attraverso il segnale SOUT di uscita digitale trasmesso su un singolo canale di comunicazione.
Vantaggiosamente, in un intervallo Pni di tempo, la cui durata è determinata in una fase preliminare di messa a punto (ed equivalente, ad esempio, a tre nibble), vengono trasmesse le informazioni relative alla pressione del flusso di aria fresca nel condotto 17 di aspirazione, mentre nell’intervallo Tni di tempo successivo, la cui durata è anch’essa determinata in una fase preliminare di messa a punto (ed equivalente, ad esempio, a tre nibble), vengono trasmesse le informazioni relative alla temperatura del flusso di aria fresca nel condotto 17 di aspirazione. Le informazioni sono trasmesse attraverso il segnale SOUT di uscita digitale su un singolo canale di comunicazione digitale e l’alternanza nella trasmissione di dette informazioni continua per tutto il tempo di funzionamento del motore 1 a combustione interna.
E’ altresì importante evidenziare che il sensore 23 integrato di pressione e temperatura descritto nella trattazione che precede è configurato per trasmettere mediante il segnale SOUT di uscita digitale selettivamente ed in modo alternato nel tempo attraverso un singolo canale di comunicazione digitale un segnale di uscita digitale della pressione esercitata sull’elemento 27 trasduttore di pressione oppure un segnale di uscita digitale di temperatura proveniente dalla sonda TS di temperatura.
Dalla trattazione che precede emergono in modo evidenti i vantaggi della valvola 7 a farfalla a controllo elettronico e del sensore 23 integrato di temperatura e pressione fin qui descritti. In particolare, il sensore 23 integrato di temperatura e pressione può essere assemblato in modo semplice ed economicamente conveniente ed inoltre, si è dimostrato sperimentalmente che consente misurazioni in tempo reale della temperatura e della pressione del flusso di aria fresca nel condotto 17 di aspirazione con ritardi e/o attenuazioni trascurabili.

Claims (1)

1.- Dispositivo (7) meccatronico per un motore (1) a combustione interna provvisto di un elemento (21) otturatore; in cui il motore (1) a combustione interna comprende un numero di cilindri (2) ed un collettore (5) di aspirazione che è collegato a ciascun cilindro (2) mediante almeno una rispettiva valvola (6) di aspirazione e riceve un flusso di aria fresca da un condotto (17) di aspirazione definito da una parete (24) laterale provvisto di una singola apertura (25) passante; in cui il detto elemento (21) otturatore è realizzato mobile tra una posizione di chiusura del condotto (17) di aspirazione ed una posizione di massima apertura del condotto (17) di aspirazione per regolare il flusso di aria fresca in ingresso al collettore (5) di aspirazione; il dispositivo (7) meccatronico comprende inoltre un sensore (23) integrato di pressione e temperatura alloggiato lungo una sezione del condotto (17) di aspirazione compreso fra la valvola (6) di aspirazione e l’elemento (21) otturatore; il dispositivo (7) meccatronico è caratterizzato dal fatto che il sensore (23) integrato di pressione e temperatura è alloggiato in un vano ricavato nella detta parete (24) laterale, in una posizione direttamente affacciata alla singola apertura (25) passante; e dal fatto che il sensore (23) integrato di pressione e temperatura comprende una sonda (TS) di temperatura ed un elemento (27) trasduttore di pressione configurato per rilevare le variazioni di pressione che si verificano all’interno del condotto (17) di aspirazione; in cui il sensore (23) integrato di pressione e temperatura è configurato per trasmettere un segnale (SOUT) di uscita digitale; in cui il detto segnale (SOUT) di uscita digitale è trasmesso attraverso un singolo canale di comunicazione digitale ed è definito in modo selettivo e alternato nel tempo da un segnale di uscita digitale della pressione esercitata sull’elemento (27) trasduttore di pressione oppure da un segnale di uscita digitale di temperatura proveniente dalla sonda (TS) di temperatura. 2.- Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la sonda (TS) di temperatura è distinta dall’elemento (27) trasduttore di pressione. 3.- Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui la sonda (TS) di temperatura coincide con l’elemento (27) trasduttore di pressione, il quale è provvisto di un circuito predisposto per generare il segnale di uscita digitale di temperatura. 4.- Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il sensore (23) integrato di pressione e temperatura comprende un circuito (26) stampato a cui è collegato l’elemento (27) trasduttore di pressione direttamente affacciato alla detta apertura (25) passante, preferibilmente con l’interposizione di una guarnizione (28) di tenuta che circonda l’elemento (27) trasduttore di pressione. 5.- Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elemento (27) trasduttore di pressione è realizzato mediante un substrato flessibile che reagisce a una differenza di pressione tra il lato superiore e il lato inferiore del substrato. 6.- Dispositivo secondo la rivendicazione 5, in cui l’elemento (27) trasduttore di pressione comprende degli elementi resistivi sensibili alle variazioni di pressione collegati al substrato flessibile. 7.- Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’elemento (21) otturatore è definito da un cursore oppure alternativamente da un piattello (21) a farfalla, di forma sostanzialmente circolare, che impegna il condotto (17) di aspirazione ed è montato su un albero (22) girevole attorno ad un asse (X) di simmetria per portare in rotazione il detto piattello (21) a farfalla.
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