DE4341120A1 - Press. sensor, esp. capacitive press. sensor for vehicle fuel system - has substrate and membrane carrying electrodes, separated by distance piece and held by elastic clamp - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckfühler und insbesondere einen kapazitiven Druckfühler.

Druckfühler mit beabstandeten Elektroden sind bekannt. Die US 4,227,419 offenbart einen kapazitiven Druckfühler mit zwei beabstandeten keramischen Platten mit gegenüberliegen­ den ebenen Flächen, an denen Elektroden vorgesehen sind. Zumindest eine der keramischen Platten ist ausreichend flexibel, um eine Membran zu bilden, die bei an ihr anlie­ genden Druckänderungen ausgelenkt wird, um die Kapazität des von den Elektroden gebildeten Kondensators zu ändern. Eine geeignete elektronische Schaltung verwendet die Kapazitäts­ änderung dazu, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das den an der Membran angreifenden Druck darstellt. Die keramischen Platten sind im Bereich ihres Umfangs durch eine Glasfritte miteinander verbunden, die zwischen ihnen angeordnet und miteinander verschmolzen ist. Üblicherweise ist der abge­ dichtete Raum zwischen den keramischen Platten entlüftet, und häufig wird er mit einer geregelten gasförmigen Atmosphäre gefüllt.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Druckfühler ge­ schaffen werden, bei dem die Membran, das Substrat und Elektroden in vorgegebener Funktionsbeziehung relativ zuein­ ander nachgiebig zusammengebaut sind, wobei Änderungen der Fertigungstoleranzen und die Akkumulation von Fertigungs­ toleranzen feiner Einzelteile ohne Schwierigkeiten ausge­ glichen werden können. Ferner soll die Anordnung aus Membran und Substrat so vorgespannt werden, daß die Elektroden parallel und mit Abstand zueinander verlaufen. Ferner sollen eine Verschmutzung und Beeinträchtigung der Elektroden, des Abstandshalters und des Substrates durch das abgefühlte Strömungsmittel vermieden werden. Außerdem soll der Druck­ fühler robust und dauerhaft sein, ein hochpräzises und wiederholbares Drucksignal erzeugen, einen vergleichsweise einfachen Aufbau haben und sich wirtschaftlich herstellen und zusammenbauen lassen. Schließlich soll er eine hohe Lebensdauer haben.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten kapazitiven Druck­ fühler sind ebene und parallele Elektroden an einem starren Substrat und einer flexiblen Membran vorgesehen, zwischen denen ein Abstandshalter angeordnet ist und die um ihren Umfang herum nachgiebig zusammengedrückt werden. Die Membran ist ausreichend flexibel, um in Abhängigkeit von Druckän­ derungen des auf sie einwirkenden Strömungsmittels ausge­ lenkt zu werden und somit den Abstand zwischen den Elektro­ den zu ändern, wodurch ein Signal erzeugt wird, das den Druck des an der Membran angreifenden Strömungsmittels dar­ stellt. Vorzugsweise ist entweder die Membran oder das Substrat nur mit einer Elektrode, vorzugsweise in Form einer kreisförmigen Scheibe, versehen, während das andere dieser Bauteile zwei Elektroden aufweist, und zwar eine Elektrode in Form einer kreisförmigen Scheibe und eine Elektrode in Form eines Rings, der die Scheibe umgibt. Gemeinsam bilden diese Elektroden einen ersten und einen zweiten Kondensator, deren Kapazitätsverhältnisse sich in Abhängigkeit von Änderungen des an der Membran angreifenden Drucks ändern.

Um den Druckfühler für ein Fahrzeugkraftstoffsystem geeignet zu machen, werden die Membran und das Substrat mit den daran vorgesehenen Elektroden von einer Feder nachgiebig in einem Gehäuse gehalten, das zusammen mit der Membran eine Kammer bildet, in der das Strömungsmittel an der Membran anliegt, ohne die Elektroden, den Abstandshalter oder das Substrat zu berühren. Vorzugsweise enthält das Gehäuse Ventile zum Entlasten des Auslaßdrucks, zum Halten eines Mindestkraft­ stoffdrucks und zum Ablassen des Auslaßkraftstoffdrucks.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeug-Kraft­ stoffmoduls mit einem erfindungsgemäß ausgebil­ deten Druckfühler, der in einem Kraftstofftank untergebracht und mit Einspritzvorrichtungen einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges verbunden ist;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Druckfühlers, der in einem Deckel des Kraftstoffmoduls eingekapselt ist;

Fig. 3 eine Expolosionsdarstellung der Einzelteile des Druckfühlers der Fig. 2;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Druckfühler zur Veran­ schaulichung einiger der Kraftstoffkanäle und -ventile;

Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie 5-5 in Fig. 2 zum veranschaulichen des Druckwandlers des Druckfühlers nach Fig. 2;

Fig. 6 eine Draufsicht auf ein starres Substrat mit einer Elektrode des Druckwandlers;

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine Membran mit Elektrode des Druckwandlers;

Fig. 8 eine Schnittansicht des Substrates der Fig. 6, der Membran der Fig. 7 und eines Abstandshalters im zusammengebauten Zustand;

Fig. 9 eine Draufsicht auf eine Membran und Elektrode eines abgewandelten Druckwandlers;

Fig. 10 eine fragmentarische Schnittansicht der Membran, des Abstandshalters und des Substrates im zusam­ mengebauten Zustandes des abgewandelten Druckwand­ lers.

Fig. 1 zeigt ein Kraftstoffmodul 20 mit einem erfindungs­ gemäß ausgebildeten Druckfühler 22, der durch eine Kraft­ stoffleitung 24 mit einem Kraftstoffverteiler 26 und Kraft­ stoffeinspritzvorrichtungen 28 einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) für ein Fahrzeug wie z. B. ein Kraftfahrzeug verbunden ist. Das Kraftstoffmodul ist in einem Kraftstoff­ tank 30 untergebracht und besitzt einen Kraftstoffniveau­ fühler 32 und eine Kraftstoffpumpe 34 mit einem mit dem Druckfühler verbundenen Auslaß und einem Einlaß, der mit dem Boden des Kraftstofftanks 30 über einen Kraftstoffilter 36 in Verbindung steht. Die Pumpe 34 wird von einem elektri­ schen Motor 38 angetrieben, dessen Drehzahl veränderlich ist, um den Druck des von der Pumpe an die Brennkraftma­ schine abgegebenen Kraftstoffs zu regeln. Das Kraftstoff­ system besitzt keine von der Brennkraftmaschine zum Kraft­ stofftank führende Kraftstoffrückführleitung und wird daher häufig als "No Return-System" bezeichnet.

Wie in den Fig. 2 und 3 zu sehen ist, besitzt der Druckfüh­ ler 20 ein Gehäuse 40, das vorzugsweise aus einem Kunstharz gegossen ist und in dem ein Druckwandler 42 und eine mit einer gedruckten Schaltung versehene Schaltungsplatine 44 angeordnet sind, die von einem äußeren Deckel 46 umschlossen sind. Die Schaltungsplatine 44 weist elektronische Schalt­ kreise auf, die die Drehzahl des elektrischen Motors 38 und somit die Förderleistung der Kraftstoffpumpe 34 in Abhängig­ keit von Signalen des Druckwandlers 42 und verschiedenen Signalen von einem Steuermodul der Brennkraftmaschine regeln, das typischerweise eine die Brennkraftmaschine regelnde zentrale Prozessoreinheit enthält. Die elektrischen Signale und die Betriebsleistung werden der Schaltplatine 44 durch eine Verbinderanordnung 48 zugeführt, die mit an der Schaltungsplatine angebrachten elektrischen Kontaktstiften 50 und einer von einem Schlitz 54 in dem Deckel 46 aufge­ nommenen Buchse 52 versehen ist. Elektrischer Strom wird dem Pumpenmotor zugeführt, und der Niveaufühler erhält ein Sig­ nal über eine elektrische Verbinderanordnung 56, die mit an der Schaltungsplatine angebrachten Kontaktstiften 58 und einer von einer Ausnehmung 62 in dem Deckel 46 aufgenommenen Buchse 60 versehen ist.

Wie in den Fig. 3 und 4 zu sehen ist, besitzt das Gehäuse 40 einen Kraftstoff-Einlaßkanal 64 und einen Anschluß 66, der im zusammengebauten Zustand mit dem Auslaß der Kraftstoff­ pumpe 34 verbunden ist. Der Druckfühler besitzt ferner einen Kraftstoff-Auslaßkanal 68, der mit dem Einlaßkanal 64 und einem Auslaß-Anschluß 70 in Verbindung steht, welcher im zusammengebauten Zustand mit der Kraftstoff Zuführleitung 24 verbunden ist. Wenn die Brennkraftmaschine und die Kraft­ stoffpumpe abgeschaltet sind, wird der Druck des Kraftstoffs im Auslaßkanal 68 und in der Kraftstoff Zuführleitung 24 durch ein normalerweise geschlossenes Rückschlagventil 72 gehalten, das öffnet, wenn die Kraftstoffpumpe erregt wird und Kraftstoff an den Auslaßkanal 68 abgibt. Das Rückschlag­ ventil 72 besitzt einen Ventilsitz 74, der vorzugsweise in das Gehäuse eingegossen ist, und ein komplementär ausgebil­ detes Ventilglied 76, das von einer Feder 78 in seine Schließstellung vorgespannt wird und einen Schaft 80 besitzt. Der Schaft ist in einem Haltekörper 82 gleitbar gelagert, welcher vorzugsweise mit Preßsitz im Auslaßkanal 68 angeordnet ist. Die von der Feder 78 erzeugte Kraft sowie deren Federkonstante werden so gewählt, daß das Ventilglied 76 bei einem Druck - beispielsweise von 0,14 bis 0,34 bar (2-5 psig) öffnet, der deutlich unterhalb des üblichen Betriebsdrucks liegt (welcher üblicherweise im Bereich von 2,07 bis 4,82 bar (30-70 psig) liegt).

Um das gesamte Kraftstoffsystem gegen Überdruck zu schützen, ist ein normalerweise geschlossenes Druckentlastungsventil 84 in einem Kanal 86 angeordnet, der mit dem Auslaßkanal 68 stromab des Rückschlagventils 72 und mit dem Kraftstofftank 30 außerhalb des Gehäuses 40 in Verbindung steht. Das Druck­ entlastungsventil 84 besitzt einen Ventilsitz 86, der vor­ zugsweise in das Gehäuse 40 eingegossen ist, und ein komple­ mentär ausgebildetes Ventilglied 88, das von einer Druck­ feder 90 elastisch so vorgespannt wird, daß es an dem Ven­ tilsitz 86 anliegt, wenn das Ventil geschlossen ist. Das andere Ende der Feder 90 befindet sich in einer Gegenbohrung einer Haltekappe 92, die von einer mit Gewinde versehenen Gegenbohrung im Gehäuse 40 aufgenommen wird. Zur Abgabe von Kraftstoff besitzt die Haltekappe 92 einen zentralen Durchgangskanal 96. Die von der Feder 90 erzeugte Kraft und ihre Federkonstante werden so gewählt, daß das Druckent­ lastungsventil 88 normalerweise geschlossen ist und bei einem vorgegebenen Druck öffnet, der üblicherweise 0,69 bis 1,03 bar (10-15 psi) größer als der maximale normale Betriebsdruck des Kraftstoffsystems ist. Das Druckent­ lastungsventil schützt das Kraftstoffsystem für den Fall einer Fehlfunktion, die bewirkt, daß die Pumpe kontinuier­ lich bei maximalem Druck oder während den sogenannten "Hot Soaking"-Perioden (entweder mit laufender oder abgeschal­ teter Brennkraftmaschine) arbeitet, bei denen die Temperatur des Kraftstoffs und somit sein Druck aufgrund der vom Kraft­ stoff aufgenommenen Wärme über den erwünschten maximalen Betriebsdruck ansteigt. Bei einigen Fahrzeugen ist das Steuermodul der Brennkraftmaschine für den Fall einer Fehl­ funktion des Kraftstoffsystems so programmiert, daß die Kraftstoffpumpe bei maximalem Druck arbeitet, so daß das Fahrzeug "nach Hause stottern" kann oder zu einer Reparatur­ werkstatt zum Beheben der Fehlfunktion gefahren werden kann.

Bei einigen Brennkraftmaschinen wird der Kraftstoffdruck an den Einspritzdüsen in Abhängigkeit von dem Saugrohrdruck der Brennkraftmaschine geändert, um an den Einspritzdüsen eine im wesentlichen konstante Druckdifferenz aufrecht zu erhal­ ten. Dies hat einen Kraftstoffleitungsdruck und einen Kraft­ stoffpumpendruck zur Folge, die sich relativ zum Atmos­ phärendruck ändern, wenn sich die Lastfaktoren der Brenn­ kraftmaschine ändern. Beispielsweise kann sich der Kraft­ stoffleitungsdruck von der vollen Drosselstellung zum Leerlauf zustand von 2,76 bis 2,07 bar (40-30 psig) ändern. Wenn solche Brennkraftmaschinen vom Volldrosselzustand sehr rasch zum Leerlauf zustand gebracht werden, sollte der Druck des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoffs sofort auf den niedrigsten normalen Kraftstoffdruck, d. h. 2,07 bar (30 psig) gebracht werden, um ein zu fettes Kraftstoff-Luftgemisch zu vermeiden. Dies kann durch ein Ablaßventil 98 erreicht werden, das in einem Kanal 100 angeordnet ist, welcher mit dem Kraftstoffauslaß stromab des Rückschlagven­ tils 72 und dem Kraftstoffeinlaß vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise stromab des Druckfühlers in Verbindung steht. Das Ablaßventil 98 besitzt einen Ventilsitz 102, der vorzugsweise in das Gehäuse eingegossen ist, und ein komple­ mentär ausgebildetes Ventilglied 104, das von einer Feder 106 in seine Schließstellung vorgespannt wird. Die Feder 106 wird von einer Kappe 108 aufgenommen, die mit Peßsitz in einer Gegenbohrung 110 des Gehäuses sitzt. Das Ventilglied 104 befindet sich normalerweise in seiner Schließstellung und wird zum Ablassen von Kraftstoff in seine Öffnungs­ stellung bewegt, wenn der von der Pumpe erzeugte Kraftstoff­ druck unter den Auslaßleitungsdruck abfällt. Wenn sich die Brennkraftmaschine im Leerlauf befindet, wird das Ventil typischerweise geöffnet, um den Druck des Kraftstoffes im Auslaß auf das untere Ende des normalen Kraftstoffdruckbe­ reichs im Leerlauf abzusenken. Wenn sich beispielsweise der Kraftstoffdruck bei normalem Betrieb der Brennkraftmaschine im Bereich von ungefähr 2,07 bis 2,76 bar (30-40 psig) befindet, kann das Ventil öffnen, wenn sich das Drossel­ ventil in der Leerlaufstellung befindet, um den Druck auf ungefähr 2,07 bis 2,13 bar (30-31 psig) abzusenken. Dies lädt sich dadurch erreichen, daß das Ventilglied 104 und die Feder 106 so ausgelegt werden, daß ihre Federkraft und -konstante ein Öffnen des Ventils bei einer Druckdifferenz von 2,07 bar (30 psi) erlaubt. Das Ablaßventil 98 vermeidet, wenn die Brennkraftmaschine unter Last arbeitet, parasitäre Verluste dadurch, daß es geschlossen bleibt, so daß kein Kraftstoff aus dem Auslaßkanal abgelassen wird.

Wie in Fig. 5 zu sehen ist, besitzt der Druckwandler 42 eine flexible Membran 110, einen Abstandshalter 112 und ein starres Substrat 114, die von einer rechteckigen Ausnehmung 116 im Gehäuse 40 aufgenommen werden und durch eine feder­ artige Klemme 118 nachgiebig zusammengehalten werden. Der Umfang der Membran 110 liegt an einer ebenen Fläche 120 einer Schulter bzw. eines Sitzes 122 im Gehäuse 40 an. Im Betrieb wird der zentrale Abschnitt der Membran 110 von unter Druck stehendem Kraftstoff in einer Kammer 124 ausge­ lenkt, die von der äußeren Fläche der Membran 110 und vorzugsweise einer kreisförmigen Ausnehmung 126 im Gehäuse 40 gebildet wird. Die Kammer 124 steht über einen nicht gezeigten Kanal kontinuierlich mit dem Einlaßkanal 64 in Verbindung. Eine strömungsmitteldichte Abdichtung wird von einem O-Ring 128 in einer Ausnehmung 130 gebildet, der an der Membran anliegt und von der Klemme 118 zusammengedrückt wird. Um eine Beschädigung der Membran für den Fall zu ver­ hindern, daß sie unter atmosphärischem Druck in der Kammer 124 ausgesetzt ist, wird ihre Auslenkung durch Anlage an der Seitenwand der Kammer 124 begrenzt, die relativ nahe an der Membran in ihrem entlasteten Zustand angeordnet ist, sowie eine ringförmige Rippe 132 angrenzend am Umfang des aktiven Bereichs der Membran, die die maximale Auslenkung der Membran in diesen Bereich weg vom Substrat weiter begrenzt.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist die Klemme 118 als ungefähr U-förmiger Blattfeder-Körper mit einem zentralen Abschnitt 134 und zwei beabstandeten Schenkeln 136 ausge­ bildet. Um die Teile des Druckwandlers elastisch zusammenzu­ drücken, besitzt der zentrale Abschnitt 134 eine Feder 138 in Form einer kegelstumpfförmigen Federscheibe, die vorzugs­ weise einstückig mit dem zentralen Abschnitt 134 ausgebildet ist. Im zusammengebauten Zustand liegt der Umfangsrand 140 der Federscheibe an dem Substrat 114 an und liegt über dem bzw. ist ausgerichtet zu dem Sitz 122, an dem die Membran anliegt. Im zusammengebauten Zustand wird die Klemme 118 von länglichen Rasten 142 auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses gehalten, die in Schlitze 144 der Schenkel der Klemme greifen. Vorzugsweise besitzt jede Raste 142 an ihrem vorderen Rand eine Rampe 146, die einen Schenkel der Klemme über ihre zugehörige Raste nockenartig bewegt, und einen relativ scharfen hinteren Rand 148, über den der vordere Rand des Schlitzes des zugehörigen Schenkels schnappt, um die Klemme am Gehäuse zu sichern. Vorzugsweise übt die Federscheibe 138 eine Kraft von mindestens 445 N (100 pound) auf das Substrat aus, um das Substrat, den Abstandshalter und die Membran im Bereich ihres Umfangs miteinander zu verspannen und die Membran in feste Anlage mit dem Sitz 122 im Gehäuse 40 zu drücken.

Wie in den Fig. 6 bis 8 gezeigt ist, besitzt der kapazitive Druckfühler Elektroden, die auf gegenüberliegenden Innen­ seiten der Membran und des Substrats angeordnet sind. Wie in den Fig. 6 und 8 zu sehen ist, sind an der Innenfläche des starren Substrats 114 sowohl eine zentrale Elektrode 152, vorzugsweise in Form einer Scheibe, mit einem Anschluß 154 und eine äußere Elektrode 156, vorzugsweise in Form eines die zentrale Elektrode umgebenden Rings, mit einem Anschluß 158 angebracht. Vorzugsweise umgibt ein Schutzring 160 die ringförmige Elektrode, wobei Anschlüsse 162 ebenfalls am Substrat angebracht sind. Die Elektroden sind gegeneinander und gegen den Schutzring durch ringförmige Zwischenräume bzw. Spalte 164 und 166 isoliert.

Wie in den Fig. 7 und 8 zu sehen ist, besitzt die Membran 110 eine Elektrode 168, vorzugsweise in Form einer kreisför­ migen Scheibe, mit einem Anschluß 170, die von der Innen­ fläche der Membran aufgenommen werden und an ihr angebracht sind. Vorzugsweise ist die Elektrode 168 von einem Schutz­ ring 172 mit Anschlüssen 174 umgeben, die ebenfalls von der Innenfläche aufgenommen werden und an ihr angebracht sind. Um die Elektrode und den Schutzring elektrisch zu isolieren, ist ein ringförmiger Zwischenraum bzw. Spalt 176 zwischen ihnen vorgesehen. Vorzugsweise ist der Oberflächenbereich der zentralen Elektrode 152 im wesentlichen gleich dem Oberflächenbereich der ringförmigen Elektrode 156, und die Membranelektrode 168 hat im wesentlichen den gleichen Durch­ messer wie der Außendurchmesser der ringförmigen Elektrode 156. Vorzugsweise kann der Abstandshalter 112 zwischen der Membran und dem Substrat ebenfalls eine Materialschicht sein, die über einem der Schutzringe angeordnet und an diesem angebracht ist, wie z. B. der Schutzring 160 an dem starren Substrat.

Vorzugsweise bestehen die Membran und das Substrat aus einem keramischen Material. Die Elektroden, Anschlüsse und Schutz­ ringe sind vorzugsweise relativ dünne Schichten aus einem elektrisch leitenden Metall wie z. B. Silber, Gold oder Platin und können als dicker Druckfarbfilm durch ein Sieb­ druckverfahren aufgebracht werden. Typischerweise ist der Druckfarbfilm ein Gemisch aus Metall- und Glaspartikeln in einem Trägermittel. Der abgelagerte Farbfilm wird dann auf dem Substrat und der Membran erhitzt und anschließend abge­ kühlt, um elektrisch leitende metallische Schichten auf dem keramischen Substrat und auf der keramischen Membran zu bilden. Ein relativ preisgünstiges starres keramisches Substrat mit einer Eigenwölbung auf seiner Innenfläche kann dadurch hergestellt werden, daß eine Metallschicht ausrei­ chender Dicke auf ihr aufgebracht wird, so daß ihre freilie­ gende Seite zum Erzielen der erforderlichen Ebenheit geläppt werden kann. Typischerweise ist die geläppte Außenfläche der Elektroden 152, 156 und des Schutzrings 160 des starren keramischen Substrats 114 innerhalb von plus oder minus 0,0002 Millimeter pro Millimeter Länge plan, obgleich die Innenfläche des Substrats eine Wölbung von ungefähr plus oder minus 0,001 mm pro mm Länge besitzt. Nach dem Läppen zur Herstellung von ebenen Elektroden können weitere Schichten aus Metall oder einem Polymer, wie z. B. Polyamid auf dem Schutzring 160 aufgebracht werden, um einen Ab­ standshalter 112 gewünschter Dicke herzustellen. Wenn der Abstandshalter 112 aus Metall hergestellt wird, kann er durch denselben Siebdruck und Erwärmungsprozeß aufgebracht werden, wie er zum Herstellen der Elektroden verwendet wird.

Typischerweise ist für einen Druckwandler, der eine Druck­ differenz im Bereich von 0 bis 5,17 bar (0-75 psig) in der Lage ist, eine relativ dünne keramische Membran einer Dicke von ungefähr 0,051 mm (0,020 inch) und ein relativ dickes und starres keramisches Substrat einer Dicke von mindestens 0,203 mm (0,080 inch) zufriedenstellend. Die metallischen Schichten der Elektroden und Schutzringe haben typischer­ weise eine Nenndicke von 0,0051 mm (0,02 inch). Der Abstand zwischen den Elektroden der Membran und des Substrates (und somit die Dicke des Abstandshalters 112) liegt üblicherweise im Bereich von ungefähr 0,0013 bis 0,051 mm (0,0005 bis 0,020 inch) und ist häufig kleiner als ungefähr 0,025 mm (0,010 inch) und ist für Elektroden mit einer aktiven Membranfläche von weniger als 6,45 cm² (1 inch²) üblicher­ weise kleiner als 0,0064 mm (0,0025 inch) und vorzugsweise ungefähr 0,0038 mm (0,0015 inch).

Die Elektroden 152, 156 und 168 sind elektrisch verbunden mit der gedruckten Schaltung der Schaltungsplatine, und zwar durch elektrisch leitende Kontakte 178, die jeweils mit einem Anschluß 154, 158 oder 170 einer der Elektroden verbunden sind. Um das von den Elektroden erzeugte Signal gegen elektromagnetische Streuinterferenz zu isolieren, werden vorzugsweise beide Schutzringe 160 und 172 durch einen der Kontakte 178 und ihre Anschlüsse 162 und 174 elektrisch geerdet.

Ein Druckfühler 42′ mit einer modifizierten flexiblen Membran 180 und einem modifizierten Substrat 182 ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Die Membran 180 ist eine flexible und elastische dünne Platte aus einem leitfähigen Metall wie z. B. rostfreiem Stahl, Kupfer oder dergleichen. Da die Membran selbst elektrisch leitend ist, dient sie gleichzei­ tig als Elektrode, und somit ist keine getrennte Metall­ schicht erforderlich. Im zusammengebauten Zustand arbeitet die Membran 180 in der gleichen Weise wie die Membran 110 und die Elektrode 168 des Druckwandlers 42. Das Substrat 182 besitzt eine starre Grundplatte 184 aus Stahl mit einer Schicht aus gebranntem Porzellanemaille 186, von der die Elektroden und der Schutzring aufgenommen werden. Die Membran ist gegenüber dem Substrat durch einen zwischen ihnen angeordneten Abstandshalter 188 beabstandet. Um die leitfähige Membran gegenüber dem Schutzring 160 des Sub­ strates elektrisch zu isolieren, besteht der Abstandshalter 188 aus einem nicht leitenden Kunstharz wie z. B. Polyamid. Falls erwünscht, kann der Abstandshalter an entweder der Membran oder dem Substrat angegossen sein. Im zusammenge­ bauten Zustand arbeitet der Druckwandler 42′ im wesentlichen in der gleichen Weise wie der Druckwandler 42.

Beim Zusammenbau des Druckfühlers 20 werden zunächst die Ventile 72, 84 und 98 zusammengefügt und in das Gehäuse 40 eingebaut. Der Druckwandler 42 bzw. 42′ wird zunächst in der Weise zusammengesetzt, daß die elektrischen Kontakte 178 beispielsweise durch Anlöten an den Anschlüssen 154, 158, 162, 170 und 174 der Elektroden und Schutzringe angebracht werden und das Substrat 114 oder 128, der Abstandshalter 112 oder 184 und die Membran 110 oder 180 einander gegenüberlie­ gend angeordnet werden. Der O-Ring 128 wird in die Ausneh­ mung 130 eingesetzt und der auf diese Weise zusammengesetzte Druckwandler 42 bzw. 42′ wird in die Ausnehmung 116 des Gehäuses eingesetzt. Um sie im Gehäuse zu halten, wird die Klemme 118 zusammen mit einer Dichtung 188 über das Substrat gelegt, und die Schenkel 136 der Klemme 118 werden über die Rasten 142 des Gehäuses geschnappt. Die konische Federschei­ be 138 der Klemme 118 klemmt das Substrat, den Abstandshal­ ter und die Membran um ihren Umfang herum elastisch zusammen und die Membran in Dichtungsanlage mit dem O-Ring 128 und in fester Anlage mit der Planenfläche 120 des Sitzes 122. Dies hat eine auskragende Lagerung der Membran an ihrem Umfang zur Folge, so daß nur der aktive zentrale Abschnitt der Membran durch den Strömungsmitteldruck in der Kammer 124 ausgelenkt wird. Diese Federlagerung des Druckwandlers sorgt für eine Kompensation von Herstellungstoleranzen der Klemme, des Substrates, des Abstandshalters, der Membran und der axialen Anordnung der Sitzfläche 128 relativ zu den Halte­ rändern 148 der Rasten 142 im Gehäuse.

Die Stifte 50 und 58 der elektrischen Verbinder 48 und 56 werden zunächst zusammengesetzt und mit der Schaltungspla­ tine 44 elektrisch verbunden, die dann im Gehäuse 40 ange­ ordnet, mit den Kontakten 178 verbunden und darin durch eine Wärmeverbindung festgelegt wird. Der Deckel 46 wird über das Gehäuse gesetzt und durch ein Befestigungsmittel 190 fest­ gelegt, und die Verbinderbuchsen 52 und 60 werden auf die Stifte 50 und 58 gesetzt und von dem Schlitz 54 und der Ausnehmung 62 im Gehäuse aufgenommen. Vorzugsweise wird der Druckfühler 20 dann eingekapselt, indem ein Deckel 192 (Fig. 2) des Kraftstoffmoduls aus Kunstharz wie z. B. Acetal um ihn herum spritzgegossen wird. Vorzugsweise wird der Druckfühler 20 von dem Deckel 192 vollständig umschlossen d hermetisch abgedichtet. Während des Gießvorganges verhindert die Dichtung 188, daß vergossenes Kunstharz in den Druckwandler 42 bzw. 42′ und die Kammer 124 eindringt.

Der Druckwandler kann relativ klein sein. Bei einem prakti­ schen Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse ungefähr 2,5 mm (1 inch) tief, 3,175 mm (1,25 inch) breit und 3,81 mm (1,5 inch) hoch, und zwar unter Ausschluß der aus dem Gehäuse vorstehenden Einlaß- und Auslaßleitungen, und die Membran, der Abstandshalter und das Substrat haben eine Abmessung von ungefähr 2,03×2,29 mm (0,8×0,9 inch).

Im Betrieb wird der Druck des Kraftstoffes im Einlaßkanal 64 und somit der Druck des von der Pumpe gelieferten Kraftstof­ fes durch den kapazitiven Druckwandler 42 bzw. 42′ abge­ fühlt, der ein Signal erzeugt, welches Kraftstoffdruckän­ derungen darstellt und sich mit ihnen ändert. Das Wandler­ signal wird von der Schaltung in der Schaltungsplatine 44 zusammen mit Signalen eines Steuermoduls der Brennkraftma­ schine verarbeitet und dazu benutzt, die Drehzahl des die Kraftstoffpumpe 34 antreibenden elektrischen Motors 38 und somit den durch den Druckfühler hindurch an die Brennkraft­ maschine abgegebenen Kraftstoffdruck in Abhängigkeit von der Last der Brennkraftmaschine und anderen Betriebsparametern zu steuern. Unter bestimmten Betriebsbedingungen, wenn der Druck des an die Brennkraftmaschine abgegebenen Kraftstoffs kurzfristig zu hoch ist wie z. B. bei einem raschen Übergang von voller Last auf Leerlauf, öffnet das Ablaßventil 98, um den Druck des der Brennkraftmaschine zugeführten Kraftstoffes auf einen vorgegebenen Wert abzusenken. Unter Betriebsbedingungen, bei denen im Kraftstoffsystem eine Fehlfunktion auftritt, die dazu führt, daß Kraftstoff unter extrem hohem Druck zur Brennkraftmaschine zurückgeführt wird, wie z. B. bei einer Fehlfunktion des Steuermoduls der Brennkraftmaschine, öffnet das Druckentlastungsventil 84, um überschüssigen Kraftstoff an den Kraftstofftank abzugeben. Dies stellt sicher, daß trotz der Fehlfunktion weiterhin Kraftstoff der Brennkraftmaschine (ohne das Kraftstoffsystem zu beschädigen) zugeführt wird, so daß das Fahrzeug zu einer Reparaturwerkstatt zum Beheben der Fehlfunktion gefahren werden kann. Auch kann bei einem sogenannten "Hot soak"- Zustand der Kraftstoff so stark erhitzt werden, daß ein zu hoher Druck erzeugt wird, der durch Öffnen des Druckent­ lastungsventil 84 entlastet würde. Dieser "Hot Soak"-Zustand kann auftreten entweder, wenn die Brennkraftmaschine arbei­ tet, wie z. B. bei Leerlauf über eine längere Zeitdauer bei hohen Temperaturen, oder wenn die Brennkraftmaschine abge­ schaltet ist wie z. B. dann, wenn der Kraftstoff Wärme aus den heilen Einspritzdüsen und dem Kraftstoffverteiler absor­ biert. Im Betriebszustand ist das Kraftstoffhalteventil 72 geöffnet, und wenn die Brennkraftmaschine abgeschaltet wird, schließt es, um Kraftstoff im Auslaßkanal 68 und im Kraft­ stoffsystem der Brennkraftmaschine unter normalem Betriebs­ druck für das nächste Anlassen der Brennkraftmaschine zu halten.

Claims (14)

1. Druckfühler mit einem Gehäuse (40), einer flexiblen Membran (110; 180), die von dem Gehäuse (40) auf­ genommen wird und im unbeanspruchten Zustand eine ebene Fläche besitzt, einem starren Substrat (114; 182), das von dem Gehäuse (40) aufgenommen wird und eine ebene Fläche aufweist, die der ebenen Fläche der Membran (110; 180) mit Abstand gegenüberliegt, mindestens einer Elektrode (152, 168) an jeder der gegenüberliegenden ebenen Flächen des Substrates (114; 182) und der Membran (110; 180), einem Abstandshalter (112; 184), der zwischen dem Substrat (114; 182) und der Membran (110; 180) im Bereich deren Umfang angeordnet ist, sich im wesentlichen kontinuierlich in Umfangsrichtung erstreckt und so angeordnet und ausgebildet ist, daß er im unbeanspruchten Zustand der Membran (110; 180) die Elektroden parallel beabstandet zueinander hält, einer Klemme (118), die das Substrat (114; 182), den Abstandhalter (112; 184) und die Membran (110; 180) im Bereich deren Umfang elastisch zusammenhält, so daß die Elektroden (152; 168) ein Signal erzeugen, das sich mit dem auf die Membran (110; 180) wirkenden Strömungsmitteldruck ändert.

2. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Klemme (180) eine Feder (138) aufweist, die von dem Gehäuse (44) getragen wird und das Substrat (114; 182), den Abstandshalter (112; 184) und die Membran (110; 180) im Bereich deren Umfang elastisch zusammendrückt.

3. Druckfühler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Klemme einen von dem Gehäuse (40) getra­ genen Sitz (122) und eine von dem Gehäuse (40) getragene Feder (138) aufweist, von denen der Sitz eine im wesent­ lichen ebene Fläche aufweist, die an der Membran (110; 180) oder dem Substrat (114; 182) im Bereich deren Umfang anliegt und sich im wesentlichen kontinuierlich um deren Umfang herum erstreckt, und von denen die Feder (138) an dem Substrat (114; 182) bzw. der Membran (110; 180) anliegt, um das Substrat (114; 182), den Abstandshalter (112; 184) und die Membran (110; 180) zusammenzudrücken und die Membran bzw. das Substrat in Anlage mit der ebenen Fläche des Sitzes (122) zu drücken.

4. Druckfühler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (138) als kegelstumpfförmige Federscheibe ausgebildet ist, die an dem Substrat (114; 182) bzw. der Membran (110; 180) im Bereich deren Umfang anliegt und sich im wesentlichen kontinuierlich um deren Umfang herum erstreckt.

5. Druckfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an zumindest dem zentralen Abschnitt der Membran (110; 180) auf deren von dem Substrat abgewandten Seite eine Kammer (124) vorgesehen ist, die das auf die Membran (110; 180) einwirkende Strömungs­ mittel enthält, so daß bei einer Druckänderung dieses Strömungsmittels der zentrale Abschnitt der Membran (110; 180) relativ zu dem Substrat (114, 182) ausgelenkt wird.

6. Druckfühler nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine ringförmige Dichtung (128; 188) zwischen der Membran (110; 180) und der Kammer (124).

7. Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (110) aus einer relativ dünnen und im wesentlichen ebenen Platte aus einem keramischen Material besteht.

8. Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (180) aus einer relativ dünnen und im wesentlichen ebenen Platte aus Metall besteht.

9. Druckfühler nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Platte aus rostfreiem Stahl besteht.

10. Druckfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (180) aus einer relativ dünnen und ebenen Platte aus einem elektrisch lei­ tenden Metall besteht und in seinem unbeanspruchten Zustand eine im wesentlichen ebene Innenfläche besitzt, die die auf der Membran vorgesehene Elektrode bildet.

11. Druckfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (114; 182) aus einer im wesentlichen ebenen Platte aus einem keramischen Material besteht und eine Dicke hat, die min­ destens viermal so grob wie die Dicke der Membran (110; 180) ist.

12. Druckfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (114; 182) eine im wesentlichen ebene Fläche aus einem nicht leitenden Material aufweist und die Elektrode (152) des Substrates (114; 182) aus einer Schicht eines elektrisch leitenden Materials, das auf der ebenen Fläche des Sub­ strates aufgebracht ist, besteht, wobei die freiliegende Fläche des leitenden Materials geläppt ist, um eine ebene aktive Fläche der Elektrode zu bilden.

13. Druckfühler nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß von dem Gehäuse (40) zwei beabstandete Rasten (142) getragen werden und daß die Klemme (118) aus einem U- förmigen Teil mit einem zentralen Abschnitt (134) und zwei beabstandeten Schenkeln (136) besteht, wobei die Schenkel (136) im zusammengebauten Zustand mit den Rasten (142) in Eingriff stehen, um das U-förmige Teil am Gehäuse (40) zu halten, wobei von dem zentralen Abschnitt (134) des U-för­ migen Teils eine kegelstumpfförmige Federscheibe (138) getragen wird, die an dem Substrat (114; 182) bzw. der Membran (110; 180) anliegt, um das Substrat (114, 182), den Abstandshalter (112; 184) und die Membran (110; 180) zusam­ menzudrücken sowie die Membran bzw. das Substrat in Anlage mit der ebenen Fläche des Sitzes zu drücken.

14. Druckfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen am Gehäuse (44) vorge­ sehenen Einlaßkanal (64), einem am Gehäuse (44) vorgesehenen Auslaßkanal (68), der mit dem Einlaßkanal (64) in Verbindung steht, einem in dem Auslaßkanal (68) angeordneten Rück­ schlagventil, das normalerweise geschlossen ist, wenn der Kraftstoffdruck im Auslaßkanal (68) größer als im Einlaß­ kanal (64) ist, einen am Gehäuse (44) vorgesehenen Ent­ lastungskanal (86), der mit dem Bereich außerhalb des Gehäu­ ses und mit dem Auslaßkanal (68) stromab des Rückschlagven­ tiles (72) in Verbindung steht, ein in dem Entlastungskanal (86) angeordnetes Druckentlastungsventil (84), das normaler­ weise geschlossen ist und geöffnet wird, wenn der Kraft­ stoffdruck im Auslaßkanal (68) einen vorgegebenen Wert überschreitet, der größer ist als der normale Betriebsdruck im Auslaßkanal (68), und einen Kanal, der die Kammer (124) mit dem Einlaßkanal (84) stromauf des Rückschlagventils (72) verbindet.