DE1648382A1

DE1648382A1 - Verfahren zur Feststellung des Klopfens einer Brennkraftmaschine mit Funkenzuendung

Info

Publication number: DE1648382A1
Application number: DE19671648382
Authority: DE
Inventors: Arnold Ronald John Kendal; Green Robert Leonard; Smith Howard Michael
Original assignee: BP PLC
Current assignee: BP PLC
Priority date: 1966-08-26
Filing date: 1967-08-25
Publication date: 1971-03-25
Also published as: GB1125991A; US3576526A

Description

PATENTANWÄLTE

DR.-ING. VON KREISLER DR.-ING. SCHÖNWALD 1648382 DR.-ING. TH. MEYER DR. FUES

KÖLN 1, DEICHMANNHAUS

24. 8. 1967 Soh-Eb/cg

THE BRITISH PETROLEUM COMPANY LIMITED,

Britannic House, Finsbury Circus, London, E.C. 2., England.

Verfahren zur Feststellung des "Klopfens" einer Brennkraftmaschine mit Funkenzündung.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung des "Klopfens" einer Brennkraftmaschine· mit Funkenzündung, bei dem der im Brennraum auftretende Expansionsdruck durch elektrische Druckindikatoren überwacht und dessen zeitliche Minderung als Anzeigekriterium ausgewertet wird. Zu diesem Zweck liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Erscheinung des Klopfens im Brennraum bzw. in den Brennräumen der Maschine mit Sicherheit festzustellen und gegenüber allen elektrischen Impulsstörungen der Zündanlage ebenso eindeutig zu unterscheiden, wie gegenüber den Druckänderungen bei normalem Verbrennungsablauf.

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Die Ursache des Klopfens ist bekanntlich die adiabatische Erhitzung des Brennstoffgemisches als Folge der kurzzeitigen Kompression. Im Gegensatz zur Gleichdruckmaschine, die nach dem Diesel-Prinzip arbeitet und nach hoher Kompression und Erhitzung den Brennstoff einspritzt, tritt bei den mit Funkenzündungen arbeitenden Brennkraftmaschinen, deren Brennräume schon bei Beginn des Arbeitstaktes die gesamte Brennstoffmenge enthalten, ein anderes Arbeitsprinzip. Hier wird der Zündvorgang in einem definierten Zeitpunkt, und zwar kurz vor Erreichen der oberen Totpunktlage des Kolbens durch den Zündfunken eingeleitet und dieser Zeitpunkt auch den Drehzahl- und Leistungsverhältnissen der Maschine in Betrieb veränderlich angepaßt. Diese Anpassung erfolgt bekanntlich unter Berücksichtigung einer großen Anzahl verschiedener Parameter. Die Betriebstemperaturen der Zündkerzen, die Verbrennungseigenschaften des verwendeten Brennstoffgemisches und die Konstruktion der betreffenden Maschine und deren Betriebsweise wirken dabei aufs Engste zusammen. Der weite Bereich, über den bekanntlich die Betriebsbedingungen von Brennkraftmaschinen in Fahrzeugen veränderlich sind, macht die Auswahl und Einstellung aller beteiligten Parameter auf das optimale Zusammenspiel zur Erreichung des günstigsten Wirkungsgrades bekanntlich sehr schwierig. Dabei ist es besonders wichtig, die thermischen Betriebsverhältnisse nach oben zu begrenzen, um Fehlzündungen oder gar Glühzündungen auszuschließen, welche die Leistung herabsetzen und den Verschleiß der Brennkraftmaschine ganz erheblich vergrößern. Die elektronische Messung der Zündvorgänge in den einzelnen Brennräumen und deren Beobachtung durch Bildröhren ist sowohl für den Betrieb einzelner Maschinen als auch zur Vergleichsmessung von Zündkerzen im Grenzgebiet der thermischen Überlastung bekannt, wozu man geeichte Vergleichsmotoren bis zum Auftreten von Zündstörungen belastet.

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I b 4 8 3 8 2

Mit den bisher bekannten Meßeinrichtungen dieser Art lassen sich zwar die elektrischen Zündvorgänge in einem oder in mehreren Brennräuraen der Maschine sehr genau überwachen, das sogenannte "Klopfen" der Maschine geht jedoch in diese Messungen nicht ein, weil dieses auch bei ordnungsgemäßer Arbeitsweise der Zündanlage und im allgemeinen auch erst nach der elektrischen Zündung des Brennkraftgemisches auftritt und den Verbrennungsablauf stört. Diese Störung besteht bekanntlich darin, daß die normale Zündgeschwindigkeit des Brennstoffgemisches in der Größenordnung.von 20 m/sek. kurzzeitig und in einzelnen Teilzonen des Brennraumes durch Explosionen unterbrochen wird, die durch den Druckanstieg infolge der bereits eingeleiteten Verbrennung zu örtlichen Selbstzündungen führen und Ausbreitungsgeschwindigkeiten bis 1000 m/äek. erreichen. Infolgedessen entstehen entsprechend kurzzeitige Druckstöße im Druckverlauf, die zwar vom Gesamtvolumen des betreffenden Brennraumes teilweise gedämpft werden, aber noch als erhebliche Druckstöße auf die Kurbelvielle einwirken und den Verschleiß der Brennkraftmaschine erhöhen.

Das bekannte Klopfen ist die hörbare Folge der genannten örtlichen SelbstZündungen bei thermischer Überlastung einer Maschine oder bei Verwendung von Kraftstoffen zu gp?inger Oktanzahl und läßt sich umso deutlicher wahrnehmen, je geringer der übrige Geräuschpegel ist. Infolgedessen besteht bei Fahrzeugmotoren mit einer größeren Anzahl von Brennräumen, insbesondere im Voll-Lastbereich und beim Hinzukommen von Wind- und Rejfengerauschen die Gefahr, daß auch ein aufmerksamer Sachverständiger ein Klopfen der Maschine nicht mehr feststellen kann und diese einem erhöhten Verschleiß unterliegt.

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Um diesen Nachteil zu vermeiden und ein vom Geräuschpegel ebenso vd.e von der subjektiven Beobachtungsfähigkeit unabhängiges Verfahren zur Peststellung des Klopfens einer Brennkraftmaschine unter beliebigen Betriebsbedingungen zu schaffen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die dem Druckverlauf eines Brennraumes entsprechende Indikatorspannung über einen Wählschalter eingeschaltet, gegebenenfalls über TrennVerstärker mit den Indikatorsignalen anderer Brennräume einer Mischstufe zugeführt, und die Ausgangsspannung eines nachgeschalteten Meßverstärkers als Punktion der Zeit ausgesiebt und durch diese ein Signalgeber bzw. unmittelbar eine Bildröhre ausgesteuert wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich eindeutige Meßreihen unter beliebigen Betriebsbedingungen aufnehmen und auswerten für die Neuentwicklung von Brennkraftmaschinen, wozu in vorteilhafter Weise die als Druckgeber bekannten Indikatoren Verwendung finden können, mit denen man Drücke in piezoelektrische Ladungen umwandeln kann. Das vorgeschlagene Verfahren ist frei von methodischen Meßfehlern und die elektrischen Schaltungen zur Ausführung des Verfahrens sind in einfacher Weise den geforderten Schwellwertbedingungen anpaßbar. Auf diese Weise gelingt es, statt der bekannten Erfassung des Maximaldruckes die kurzzeitigen Druckänderungen im abfallenden Zweig der Druckkurve eindeutig zu erfassen und gegenüber dem normalen Maximaldruck auch ohne Einfluß zündelektrischer Störungen zu unterscheiden.

Eine elektronische Schaltung zur Ausführung des Erfindungsverfahrens für die Erzeugung von Meldesignalen läßt sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch erreichen, daß zur zeitlichen Aussiebung der Klopfsignale gegebenenfalls die Trennverstärker differenzierte Signale übertragen, der Meßverstärker als Richtverstärker ausgebildet ist und dessen Ausgangs-

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signale über einen selekt—iven Resonanzverstärker mit nachgeschaltetem Bandpaß als zeitlich gesiebte Klopfsignale auf ein Amplitudensieb treffen, dem ein Meldesignalgeber nachgeschaltet ist. Zweckmäßig ist es, die Bemessung so zu treffen, daß der Resonanzverstärker auf eine Frequenz abgestimmt ist, die bei J> kHz liegt, der Bandpaß sowohl höherfrequente Signalkomponenten als auch Gleichstromanteile unterdrückt und der Meldesignalgeber als monostabiler Kippschalter Rechteckimpulse erzeugt, die ein nachgeschalteter elektroakustischer Transformator, beispielsweise ein Kopfhörer in eine hörbare Signalfolge von Tick-Gerauschen umwandelt.

Ein anderes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine optische Anzeige besteht darin, daß zur unmittelbaren Aussteuerung einer Bildröhre am Ausgang des Meßverstärkers sowohl die Vertikalablenkung der Bildröhre als auch eine Triggerstufe angeschaltet ist, welche diQÖorizontalablenkung der Bildröhre im Zeitverhältnis 1 : 2 austastet. Bei Anwendung dieses Verfahrens kann gleichzeitig die Betriebsweise der Maschine dadurch mit in die Überwachung einbezogen werden, daß die Drehzahl der Brennkraftmaschine den Amplitudenwert der Zeitablenkung der Bildröhre in der Weise steuert, daß ein Wechselstrom-Tachometer eine Gleichrichterstufe und diese die Zeitablenkung mit einer drehzahlabhängigen Steuerspannung versorgt, welche mit einem Kontrollschalter wahlweise gegen einen vorgegebenen Eiehspannungswert austauschbar ist.

Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäßen Schaltungen zur akustischen bzw. optischen Peststellung des Klopfens einer Brennkraftmaschine sind in der Zeichnung dargestellt.

Es zeigen:

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Pig. 1 das Blockschema einer akustischen Signalschaltung mit den dazugehörigen Impulsformen und

Fig. 2 das Schaltbild zu Pig. I, sowie

Fig. 5 das Blockschema einer elektronischen Schaltung zur optischen Anzeige,

Fig. 4 die Schaltung des dazugehörigen Empfangsverstärkers,

Fig. 5 die Schaltung der Triggerstufe für die Bildröhre und

Fig. β die Schaltung zu deren drehzahlabhängiger Aussteuerung.

Fig. 1 zeigt die vier Anschlüsse 1, 2, 3 und 4 eines Wählschalters 10 zum Anschluß der nicht dargestellten Übertragungsleitungen zu einer entsprechenden Anzahl von Druckindikatoren, deren von den Brennräumen einer Vierzylindermaschine druckabhängig erzeugte piezoelektrische Ladungsänderungen im Arbeitstakt der Maschine den mi« a bezeichneten Verlauf haben und wie folgt ausgewertet werden. Über je einen Trennverstärker 12 werden wahlweise einzelne oder alle Signale a der Anschlüsse 1 bis 4 übertragen und bei der Übertragung differenziert, wobei in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise eine Differentiation der Signale erzielt, die Eingangsimpedanz der Stufen 12 herabgesetzt und damit der Störsignalpegel vermindert wird und andererseits die zu messenden Störspannungsspitzen auch im neg^iven Zweig des differenzierten Signales b erscheinen. Über eine nachgeschaltete Mischstufe 14 gelangt entweder eines oder die durch den Arbeitstakt der betreffenden Brennkraftmaschine geordnete Folge aller vier Drucksigriale b an den Eingang des Meßverstärkers 16, 18, dessen erste Stufe mit dem Transistor

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Tl als Trennverstärker ausgebildet ist und dessen zweite Stufe l3 mit dem Transistor T2 die dann wieder negative und für die Messung interessierende Signalfolge überträgt, deren Kurvenforni mit c bezeichnet ist.

Ein Resonanzverstärker 20 mit dem Transistor TJ und einem Bandfilter 23 im Ausgangsstromkreis ist auf den Übertragungsbereich um j5 ^Hz abgestimmt und überträgt deshalb vorzugsweise die infolge der nresentlich höheren Zündgeschwindlgkeiten beim Klopfen der Maschine erzeugten Druckstöße, während noch höherfrequente Störungen, die gegebenenfalls von der Zündanlage her in die Schaltung eindringen könnten, ebenso ausgesiebt werden, wie die Gleichstromkomponenten des Druckverlaufes aus dem Signal c. Dem gleichen Zweck dient ein Bandpaßfilter 22, das einen Transistor T4 als Tremiverstärker enthält, mit einem Parallelkondensator C4 zum Kurzschluß der· hohen Frequenzen, an !^eichen an zweiter Transistor T5 kapazitiv angekoppelt ist, der somit die Gleichstromkomponente unterdrückt. Das auf diese Weise erzeugte Ausgangssignal ist mit d bezeichnet und wird über .einen Elektrolytkondensator C5 großer Kapazität auf ein Amplitudensieb 24 übertragen, dessen Ausgangssignal e einen Meldesignalgeber 26 steuert. Dieser erzeugt Rechteckimpulse der Signalform f, die zwar von der Signalform der vom Klopfen herrührenden Druckschwankungen unabhängig sind, die festzustellende Erscheinung jedoch in sehr anschaulicher Weise als eine Signalfolge von Tickgeräuschen in einem elektroakustischen Transformator TRA in Form eines Kopfhörers wahrnehmbar machen.

Fig. 2 zeigt den Sehaltungsaufbau im einzelnen, wobei die für die Funktionsweise des Blockschemas nach Fig. 1 wesentlichen Sehaltelemente näher bezeichnet sind. Wie man sieht, ist der Wählschalter 10 vierstufig ausgebildet, entsprechend

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i b 4 β 3 8 2

der Brennraumzahl der zu prüfenden Maschine, und erlaubt somit sowohl die Einzelprüfung jedes Brennraumes als auch die gleichzeitige Erfassung aller Brennräume. Zur Unterdrückung von Fremdstörungen sind die Zuleitungen zum Wählschalter 10 und die nachgeschalteten Zuleitungen zu den Trennverstärkern 12 abgeschirmt ausgeführt. Die betreffenden Eingangswiderstände Rl sind hochohmig und mit 4,7 M Ώ. bemessen. Auf diese Weise werden die piezoelektrischen Ladungswerte unverfälscht übertragen, wobei die Differentia- ^ tion dieser Signale durch die Arbeitsweise der mit D und S bezeichneten Transistorelektroden den Störpegel vermindert und auch außerhalb des Arbeitstaktes unterdrückt. Zwischen den nachgeschalteten Kopplungskondensatoren Cl und dem gemeinsamen Ankopplungskondensator C2 der Mischstufe l4 sind zum Abgleich jeweils ein fester Widerstand R2 und ein veränderlicher Widerstand Rj5 eingeschaltet. Auch die Übertragungseigenschaft des Transistors T2 des Meßverstärkers l8 ist mit einem Potentiometer im Emitterkreis einregelbar.

Ein Uberbrückungskondensator Cj5 zwischen der Stromversorgung für die Betriebsspannung von -12 V einerseits und der auf fc Massepotential liegenden Stromanschlußschiene 32 mit dem Potential 0 V andererseits schließt die von außen her eindringenden elektrischen Storspannungen kurz. Symmetrisch zu diesem Kurzschluß ist das in Pig. 2 dargestellte Übertragungsnetzwerk zwischen den Transistoren T2 und TJ.

Aus dem unteren Teil des Schaltbildes in Pig. 2 ist der Schaltplan des Amplitudensiebes 24 und des nachgeschalteten Impulsgenerators 26 ersichtlich. Ein Potentiometer R5 dient zur Einregelung der negativen Vorspannung einer Diode Dl, die in Durchlaßrichtung betrieben ist und damit eine Potentialschwelle festlegt, unterhalb deren keine Signale übertragen werden. Kontrollanschlüsse 34 zum Anschluß eines

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nicht dargestellten Voltmeters sind vorgesehen. Übersteigt die Amplitude des Signales d die vorgegebene Schwelle, dann wird der Stromfluß durch die Diode Dl gesperrt und der als monostabiler Kippschwinger mit den beiden Transistoren T6 und T7 wird über den Eingangstransistor 8 erregt, sowie der erzeugte Rechteckimpuls über den Ausgangstransistor T9 zum elektro-akustischen Transformator TIlA. übertragen.

Pig. J5 zeigt die elektronische Schaltung für die optische Anzeige des Klopfens einer Brennkraftmaschine mit sechs Zylindern. Zu diesem Zweck hat der Wählschalter 42 sechs Schaltstufen und da sich ohnehin die sechs Arbeitstakte der Maschine zeitlich teilweise überschneiden, ist eine Mischstufe entbehrlich. Auch die übrige Schaltungsanordnung dieses Ausführungsbeispieles ist entsprechend vereinfacht, weil die optische Kontrolle ohne weiteres die Unterscheidung der vom Klopfen herrührenden Druckimpulse gegenüber dem normalen Druckverlauf und auch gegenüber elektrischen Fremdspannungseinflüssen gestattet. Dementsprechend ist der Meßverstärker 44 nach Pig. J5 als Röhrenverstärker breitbandig ausgeführt, wie Pig. 4 zeigt. Seine Ausgangsspannung liegt einerseits unmittelbar an der Vertikalablenkung Y einer Bildröhre 40 und andererseits über die Leitung 56 an einer Triggerstufe 46 mit den aus Pig. 5 ersichtlichen Schaltelementen. Die Triggerstufe 46 hat die Aufgabe, über die Leitung 58 die Horizontalablenkung X der Bildröhre 40 im Zeitverhältnis 1 : 2 auszutasten und wird unmittelbar vom normalen Hauptdruckimpuls beim Beginn des Arbeitstaktes des zu prüfenden Brennraumes gesteuert. Zu diesem Zweck wird das über die Leitung 56 übertragene Ausgangssignal des Meßverstärkers 44 über drei nacheinander geschaltete Transistoren T8, T9 und TlO, zwischen den beiden ersten Stufen regelbar, verstärkt und an einen symmetrischen, mit zwei Transistoren TIl und T12 bestückten Multivibratorschwingkreis angelegt, der die

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Zeitsteuerung der Horizontalablenkung X der Bildröhre 40 entsprechend tastet. Die Transistoren TIl und T12 sind in bekannter Weise gegenseitig mit ihren Kollektor- und Basiselektroden aneinander geschaltet und mit ihren Emitter-Elektroden auf gleichem Potential. Zwei Dioden D2 und Dj5 vervollständigen die Triggerschaltung.

Aus Fig. 6 sind diejenigen Schaltelemente ersichtlich ₃ mit denen der Wechselstromtachometer 48 nach Fig. j5 eine von ·

^ der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängige Amplitude der Zeitablenkung bewirkt. Die Gleichrichterstufe 52 hat gegenüber der Eingangswicklung 50 eine symmetrische Sekundärwicklung Go, deren Mittelanzapfung an Masse liegt, während die entgegensetzten Enden der Sekundärwicklung 60 über ein Diodenpaar D4 in der gemeinsamen Übertragungsleitung 62 eine der Wechselstromamplitude proportionale Gleichspannung erzeugen, unter Verwendung bekannter Siebschaltglieder a η dem mit C bezeichneten Kontakt eines Kontrollschalters 54, der über die Leitung 64 am Anschluß TBder Bildröhre 40 angeschlossen ist. Auf diese Weise können die vom Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine in bekannter Weise stark abhängigen Verbrennungsverhältnisse, insbesondere das Auf-

™ treten des Klopfens, eindeutig der vom Wechselstromtacho meter gemessenen Drehzahl zugeordnet werden. Der Kontrollschalter 54 hat den Zweck, daß wahlweise eine am Schalterkontakt N anliegende Eichspannung von 155 V anschaltbar ist. Diese wird zweckmäßig so bemessen, daß sie der höchsten Betriebsdrehzahl von beispielsweise 6OOO U/Min, entspricht, in diesem Falle einer Frequenz von 100 Hz und damit die zum Ausführungsbeispiel nach Pig. I genannte Schwerpunktfrequenz von J5 kHz für den Übertragungsbereich der Störungssignale des Klopfens immer noch dem 30-fachen Wert. An der Bildröhre 40 ist das Auftreten solcher Klopfsignale je nach dem eingestellten Helligkeitswert als deutliche Unscharfe bzw. unterbrechung des normalen Kurvenzuges für den Druckverlauf sichtbar.

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Die beschriebene optische Anzeige ist besonders einfach und rasch durchführbar sowie in keiner Weise durch Geräuschstörungen behindert. Die zu Pig. I beschriebene akustische Signalerzeugung kann anstelle der Schallübertragmig auch entsprechende Blinkzeichen auslösen oder durch Verwendung entsprechender Verzögerungs- und Zählschaltungen im Bedarfsfalle auch dahin ergänzt werden, daß ausreichend kurzzeitige Meldesignale eindeutig zählbar sind bzxY. die Summe aller Klopferscheinungen in Brennräumen einer Kraftmaschine über einen vorgegebenen Zeitraum als Zahlenwert erfaßbar und für statistische Beurteilungen des 3etriebsverhaltens der Maschine im thermischen Grenzbereich auswertbar ist.

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Claims

Ansprüche

Verfahren zur Feststellung des "Klopfens" einer Brennkraftmaschine mit Funkenzündung, bei dem der im Brennraum auftretende Expansionsdruck durch elektrische Druckindikatoren überwacht und dessen zeitliche Änderung als Anzeigekriterium ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Druckverlauf eines Brennraumes entsprechende Indikatorspannung über einen Wählschalter (10, 4-2) eingeschaltet, gegebenenfalls über Trennverstärker (12) mit den Indikatorsignalen anderer Brennräume einer Mischstufe (l4) zugeführt, und die Ausgangsspannung eines naohgeschalteten Meßverstärkers (l6, l8 bzw 44·) als Funktion der Zeit ausgesiebt und durch diese ein Signalgeber (26) bzw. unmittelbar eine Bildrühre (4-0) ausgesteuert wird.

Elektronische Schaltung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, für die Erzeugung von Meldesignalen, dadurch gekennzeichnet, daß zur zeitlichen Aussiebung der Klopfsignale (a) gegebenenfalls die Trennverstärker (12) differenzierte Signale (b) übertragen, der Meßverstärker (l6, 18) als Richtverstärker ausgebildet ist und dessen Ausgangssignale (c) über einen selektiven Resonanzverstärker (20) mit nachgeschaltetem Bandpaß (22) als zeitlich gesiebte Klopfsignale (d) auf ein Amplitudensieb (24-) treffen, dem ein Meldesignälgeber (26) nachgeschaltet ist.

Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzverstärker (20) auf eine Frequenz abgestimmt ist, die bei 3 kHz liegt, der Bandpaß (22) sowohl höherfrequente Signalkomponenten als auch Gleichstromanteile unterdrückt und der MeldeSignalgeber (26) als monostabiler Kippschwinger (Τ6, T7) Rechteckimpulse erzeugt, die ein nachgeschalteter elektro-akustischer Transformator (TRA), beispielsweise ein Kopfhörer in eine hörbare Signalfolge von Tick-Gerauschen

umwandelt. 1098 13/0386

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Elektronische Schaltung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, für die akustische Anzeige, dadurch gekennzeichnet, daß zur unmittelbaren Aussteuerung einer Bildröhre (40) am Ausgang des Meßverstärkers (44) sowohl die Vertikalablenkung (Y) der Bildröhre (40) als auch eine Triggerstufe (46) angeschaltet ist, welche die Horizontalablenkung (X) der Bildröhre (40) im Zeitverhältnis 1 ; 2 austastet.

Schaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Brennkraftmaschine den Amplitudenwert der Zeitablenkung (X) der Bildröhre (40) in der Weise steuert, daß ein Wechselstrom-Tachometer (48) eine Gleichrichterstufe (52) und diese die Zeitablenkung (ΐ!Β) mit einer drehzahlabhängigen Steuerspannung versorgt, welche mit einem Kontrollschalter (54) wahlweise gegen einen vorgegebenen Eichspannungswert (155 V) austauschbar ist.

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