DE2829246C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Die Eignung eines einseitig eingespannten piezoelek­ trischen Biegeschwingers als Beschleunigungsfühler ist aus dem Buch:
"Technologie und Anwendungen von Ferroelektrika", A. Bauer et al, Akademische Verlagsgesellschaft Geest & Portig KG, Leipzig 1976, Seite 392, bekannt. In der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE-P 28 01 969.4 ist ein solcher piezoelektrischer Biegeschwinger zur Er­ fassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwin­ gungen beschrieben. Der Biegeschwinger ist an einem Ende fest mit der Brennkraftmaschine verbunden und durch konstruktive Maßnahmen auf die Frequenz der Klopfgeräusche abgestimmt, so daß die Klopfsignale selek­ tiv aufgenommen werden. Mit diesem auf Resonanz abgestimmten Biege­ schwinger wird eine große Empfindlichkeit in der Detektierung klopfen­ der Verbrennungszyklen erreicht. Die große Güte hat jedoch den Nach­ teil, daß der Biegeschwinger auch über das Ende der Anregung hinaus weiterschwingt. Dadurch läßt sich beispielsweise bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen keine genaue Aussage machen, ob in jedem einzelnen Zylinder der Brennkraftmaschine eine klopfende Verbrennung stattfand, oder ob die Klopfgeräusche nur von der Verbrennung in einem Zylinder der Brennkraftmaschine herrührten. Außerdem kann der auf Resonanz ab­ gestimmte Biegeschwinger auch durch Störungen, beispielsweise durch Schließen des Einlaßventiles, zum Schwingen angeregt werden.

Eine Aufteilung der Meßzeit in wenigstens zwei Zeitintervalle ist aus der DE-AS 24 45 067 bekannt. Es ist ein mit dem Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine beginnendes und mit dem Zeitpunkt des höchsten Druckes im Zylinderraum endendes Zeitintervall vorgesehen, in dem der Mittelwert des erfaßten Signals gebildet wird, der im darauffolgenden Zeitintervall, in dem Klopfen erwartet wird, vom Gesamtsignal subtra­ hiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine präzise Klopfsignaler­ fassung mit einem auf Resonanz abgestimmten piezoelektrischen Biege­ schwinger zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäße Einrichtung hat den Vorteil, daß die Klopfschwin­ gung nur innerhalb eines bestimmten Zeitfensters erfaßt wird, in dem normalerweise die Klopfschwingung zu erwarten ist, Störanregungen da­ gegen weitgehend ausgeschlossen sind. In den zwischen den Meß-Zeit­ fenstern liegenden Meßpausen erfolgt eine Bedämpfung des Biegeschwin­ gers, so daß Fehlmessungen ausgeschlossen sind und die Klopfschwingun­ gen genau einzelnen Zylindern einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine zugeordnet werden können. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß mit derselben Schaltung, die dem Biegeschwinger zugeordnet ist, während eines ersten Zeitintervalls eine Auswertung des Klopfsignales erfolgt und während eines zweiten Zeitintervalls, den Meßpausen, dieselbe Schaltung dazu benutzt werden kann, den Biegeschwinger elektrisch zu dämpfen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Es zeigt

Fig. 1 verschiedene Diagramme zur Er­ läuterung des Meßvorganges und der sich daran anschließen­ den Dämpfungsphase des Biegeschwingers und

Fig. 2 das Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Auswertung des Meß­ signales und zur Bedämpfung des Biegeschwingers.

In Fig. 1a ist der Druckverlauf in zwei Zylindern einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine über der Zeit t aufgetragen. Der Zündzeitpunkt des komprimierten Kraftstoff-Luft-Ge­ misches ist durch einen Pfeil bei 10 angedeutet. Danach wächst der Druck im Zylinder der Brennkraftmaschine an, erreicht ein Maximum und nach diesem Maximum treten die Klopfschwingungen auf.

Für die Ermittlung des Klopfens einer Brennkraftmaschine sind dabei die in Fig. 1b aufgetragenen Zeitfenster bei 11 und 12 interessant. Durch die beachtliche Güte von Biege­ schwingern, die zur Ermittlung von Klopfgeräuschen in Brenn­ kraftmaschinen eingesetzt werden, schwingen derartige Meß­ einrichtungen auch über das Ende der Anregung hinaus weiter. Dies ist in Fig. 1c dargestellt. Die Schwingung eines Biege­ schwingers wird durch das Klopfen angeregt, wobei nach Abklin­ gen der anregenden Schwingung nun eine außerordentlich geringe Dämpfung des Biegeschwingers eintritt. Dies ist unerwünscht, da sich bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen keine genaue Aussage darüber machen läßt, ob bei jedem einzelnen Zylinder eine klopfende Verbrennung stattfindet. Es kann sogar durch ungünstige Überlagerungen der erneuten Anregung vom klopfen­ den Betrieb des folgenden Verbrennungsauflaufs zum Auslöschen der Schwingung oder zu Schwebungen kommen. Um auch Störungen vom Schließen eines Einlaßventils der Brennkraftmaschine zu unterdrücken, wird, wie in Fig. 1b schon angedeutet, nur innerhalb eines bestimmten Meßfensters das Klopfen ermittelt. Dabei wird ein Ausgangssignal gewünscht, wie es in Fig. 1d aufgetragen ist. Ein derartiges Ausgangssignal wird mit einer Schaltungsanordnung nach Fig. 2 gewonnen.

In Fig. 2 ist ein Biegeschwinger 13 aus piezoelektrischem Material dargestellt. Der Biegeschwinger 13 ist einseitig mit Hilfe einer Spannvorrichtung 14 und 15 fest eingespannt und wird über die Spannvorrichtung beispielsweise mit dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine verbunden. Treten Klopf­ schwingungen in der Brennkraftmaschine auf, wird der Biege­ schwinger 13 zu Schwingungen auf seiner Resonanzfrequenz an­ geregt. Der Biegeschwinger hat drei Elektroden 16, 17 und 18 und kann beispielsweise als sogenannter Bimorph oder Multi­ morph ausgebildet sein. Die erste Elektrode 16 dient als Meß­ elektrode, die zweite Elektrode 17 dient als Dämpfungselek­ trode und die dritte Elektrode 18 ist auf ein Bezugspoten­ tial, beispielsweise auf Masse oder, wenn ein symmetrisches Signal gewünscht werden sollte, auf die halbe Betriebsspan­ nung der Schaltungsanordnung gelegt. Mit der Meßelektrode 16 ist ein Pulsbreitenmodulator 19 verbunden, der einen Operationsverstärker 20 und ein Rückkopplungsnetzwerk mit einem Widerstand 21 und einem Kondensator 22 aufweist. Die Meßelektrode 16 ist an den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 20 angeschlossen, während der Rück­ kopplungszweig mit dem invertierenden Eingang des Operations­ verstärkers 20 verbunden ist. Das RC-Glied 21, 22 bestimmt die Frequenz des Pulsbreitenmodulators. Der Ausgang des Ope­ rationsverstärkers 20 ist über einen Schalter 23 mit der zweiten Elektrode 17 verbunden. Der Schalter 23 wird von einer bei 24 angedeuteten Zündeinrichtung betätigt. Dies kann bei­ spielsweise bei einer digital gesteuerten Zündeinrichtung 24 mit einem Drehzahl-Impulsgeber dadurch geschehen, daß bei einer bestimmten Winkelstellung der Kurbelwelle der Brenn­ kraftmaschine, also ausgehend von einer Bezugsmarke bei einer bestimmten Impulszahl der Schalter 23 geschlossen wird und bei einer anderen Winkelstellung der Kurbelwelle also bei einer weiteren Bezugszahl wieder geöffnet wird. Durch diese Steuerung über die Zündanlage 24 kann das in Fig. 1b dar­ gestellte Meßfenster 11 bzw. 12 gebildet werden.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung ist folgende. Während des Meßintervalls, also innerhalb der Meß­ fenster 11, 12 ist der Schalter 23 geöffnet. Der Pulsbreiten­ modulator 19 arbeitet als Auswerteschaltung und an einer Aus­ gangsklemme 25 kann ein Ausgangssignal abgenommen werden, dessen Impulsbreite eindeutug von dem Signal des Biege­ schwingers 13 abhängt. Die Weiterverarbeitung dieses Aus­ gangssignales kann beispielsweise analog durch Mittelwert­ bildung oder digital durch ein Auszählverfahren erfolgen. Bei geeigneter Wahl der freien Parameter des Pulsbreiten­ modulators vereinfacht sich die Auswertung dadurch, daß die Schaltschwingung bei Überschreitung einer unzulässigen Klopfintensität aussetzt.

Außerhalb der Meßfenster 11 bzw. 12 soll der Biegeschwinger 13 bedämpft werden, so daß die bedämpften Schwingungen ge­ mäß Fig. 1d entstehen. Zu diesem Zweck wird, wie schon an­ gedeutet, über die Zündanlage 24 der Schalter 23 geschlos­ sen, so daß ein Lageregelkreis mit dem Sollwert 0 entsteht, der eine Schwingung des Biegeschwingers 13 verhindert. Die Stabilität dieses Lageregelkreises ist dadurch gewährleistet, daß der Pulsbreitenmodulator infolge der Rückkopplung 21, 22 PD-Verhalten besitzt.

Mit der beschriebenen Einrichtung ist mit geringem Aufwand eine digitale oder analoge Weiterverarbeitung des mit Hilfe des Biegeschwingers 13 ermittelten Klopfsignales möglich. Außerdem kann mit derselben Schaltung auf einfache Weise eine Dämpfung des Biegeschwingers in den Meßpausen erfolgen.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen mit Hilfe eines Elektroden aufweisenden so­ wie durch das Klopfen bei seiner Resonanzfrequenz anregbaren piezo­ elektrischen Biegeschwingers, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Elektrode (16) des piezoelektrischen Biegeschwingers (13) mit dem Ein­ gang eines Pulsbreitenmodulators (19) verbunden ist, an dessen Ausgang während eines ersten Zeitintervalls ein den Klopfvorgang kennzeichnen­ des elektrisches Signal abnehmbar ist und daß der Ausgang des Puls­ breitenmodulators in einem zweiten Zeitintervall mit einer zweiten Elektrode (17) des piezoelektrischen Biegeschwingers (13) zur Bedämp­ fung des Biegeschwingers (13) verbindbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ausgang des Pulsbreitenmodulators (19) und die zweite Elektrode (17) des Biegeschwingers (13) ein Schalter (23) geschaltet ist, der während des ersten Zeitintervalls geöffnet und während des zweiten Zeitintervalls geschlossen ist und der von einer Zündeinrichtung (24) der Brennkraftmaschine ansteuerbar ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulsbreitenmodulator (19) einen Operationsverstärker (20) aufweist, in dessen Rückkopplungszweig ein RC-Glied (21, 22) angeordnet ist.