DE19632490A1 - Drehzahlmessung durch Ultraschallerfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 14 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.

Die meisten heute in der Praxis verwendeten Brennkraftmaschinen weisen in ihrem von der Brennkraftmaschine entfernt angeordneten Fahrstand eine Anzeigevor­ richtung zum Anzeigen der aktuellen Drehzahl der Brennkraftmaschine auf. Diese Anzeigevorrichtung dient zur Information der sich im Fahrstand aufhaltenden Bedie­ nungsperson der Brennkraftmaschine. Anhand dieser und ggf. weiterer Informatio­ nen kann die Bedienungsperson die Brennkraftmaschine steuern.

Neben den reinen Steuervorgängen müssen bei derartigen Brennkraftmaschinen in regelmäßigen Abständen Wartungs- und/oder Reparatur- und/oder Einstellarbeiten vorgenommen werden. Insbesondere bei Einstell- und/oder Wartungsarbeiten ist es hierbei notwendig, die Drehzahl der Brennkraftmaschine zu kennen. Da einerseits die Einstell- und/oder Wartungsarbeiten an der Brennkraftmaschine selbst vorgenommen werden müssen und andererseits der Fahrstand von der Brennkraft­ maschine aus in der überwiegenden Zahl der Fälle nicht einsehbar ist, kann die im Fahrstand vorhandene Drehzahlanzeigevorrichtung für diese Arbeiten nicht verwendet werden.

Es wäre nun denkbar, hierfür die Signalleitung von der Brennkraftmaschine zu der im Fahrstand angeordneten Drehzahlanzeigevorrichtung "anzuzapfen". Dies hätte jedoch den Nachteil, daß entweder die Signalleitung beschädigt oder aber herstellerseitig bereits eine entsprechende Kontaktvorrichtung in der Signalleitung vorgesehen werden müßte. Dies hätte wiederum zur Folge, daß im Falle beispiels­ weise einer Werkstatt, die Brennkraftmaschinen unterschiedlicher Hersteller wartet und einstellt, die von Hersteller zu Hersteller verschiedenen Kontakteinrichtungen bereitgehalten werden müssen. Auch kann es in diesem Fall schwierig sein, an die jeweilige Kontakteinrichtung selbst auf Grund des kompakten Aufbaus der Brennkraftmaschine heranzukommen. Gleiches gilt für einen Abgriff der Drehzahl über die bei vielen modernen Brennkraftmaschinen bereits vorhandene Motorelek­ tronik, da diese von Hersteller zu Hersteller ganz unterschiedlich eingebaut sowie mit ebenfalls verschiedenen Kontakteinrichtungen versehen sind.

Aus dem US-Patent 5,181,232 geht eine Vorrichtung der eingangs genannten Art hervor, bei der der Ultraschallsensor bei an der Kraftstoffleitung der Brenn­ kraftmaschine angeklemmter Klemmeinrichtung unmittelbar an der Kraftstoffleitung in einer die Längsachse der Kraftstoffleitung enthaltenden Ebene anliegt. In der praktischen Verwendung dieser bekannten Vorrichtung hat es sich gezeigt daß eine präzise Drehzahlerfassung der Brennkraftmaschine nur innerhalb eines sehr schmalen Drehzahlbereiches möglich ist.

Aus dem FR-Patent 1.505.521 geht weiterhin eine Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl mittels Schallaufnahme hervor, bei der ein Mikrophon über einen flexiblen Schlauch mit einer Klemmeinrichtung verbunden ist. Durch die Übertragung des Schallimpulses durch die im Schlauch befindliche Luft erfährt dieser bei dieser bekannten Vorrichtung eine unkontrollierbare Dämpfung, die eine präzise Aussage über die gerade erfaßte Drehzahl nicht ermöglicht.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, ein System sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine präzise Erfassung der Drehzahl der Brennkraftmaschine über einen weiten Drehzahlbereich ermöglichen.

Die vorstehende Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß durch den vorbestimmten Abstand zwischen dem Ultraschallsensor, der an der Klemm­ einrichtung angebracht ist, und der Kraftstoffleitung in der die Längsachse der Kraftstoffleitung zumindest annähernd senkrecht schneidenden Querschnittsebene der Kraftstoffleitung eine präzise Erfassung der Drehzahl der Brennkraftmaschine über einen weiten Drehzahlbereich möglich ist. Der Abstand kann dabei vor der ersten Durchführung einer Meßung durch empirische Bestimmung an einem Brenn­ kraftmaschinentyp bzw. an einer Brennkraftmaschine eines Herstellers für sämtliche weitere Brennkraftmaschinen des gleichen Typs bzw. des gleichen Herstellers oder durch analytische Bestimmung ermittelt werden.

Grundsätzlich kann der Ultraschallsensor mit dem vorbestimmten Abstand in einer beliebigen Lage an der Klemmeinrichtung angebracht sein. Es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Ultraschallsensor mit seiner Ultraschall­ aufnahmefläche in der zumindest annähernd senkrecht zur Längsachse der Kraftstoffleitung verlaufenden Querschnittsebene der Kraftstoffleitung so angeordnet ist, daß diese Ultraschallaufnahmefläche in eine Richtung senkrecht zur Längsachse der Kraftstoffleitung verläuft. Mit anderen Worten ist der Ultraschall­ sensor bei einer an der Kraftstoffleitung in üblicherweise angebrachten Klemm­ einrichtung mit seiner Ultraschallaufnahmefläche vertikal nach unten weisend angeordnet.

Zweckmäßigerweise kann der Ultraschallsensor lösbar an der Klemmeinrichtung angebracht sein, damit er zum Beispiel bei einer Beschädigung oder ggf. für besondere Aufgaben gegen einen anderen Ultraschallsensor austauschbar ist.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß die Erfassung des die Drehzahl der Brennkraftmaschine kennzeichnenden Ultraschalls besonders dann günstig ist, wenn die Ultraschallaufnahmefläche des Ultraschallsensors einen zumindest annähernden Punktkontakt mit der Klemmeinrichtung aufweist. Hierzu kann der kegelstumpfförmige Ultraschallsensor an einer mit der Klemmeinrichtung vorzugsweise lösbar verbindbaren Anpreßschräge anliegen.

Damit der Ultraschallsensor während des Einsatzes nicht beschädigt und gleichzeitig sicher an der Klemmeinrichtung gehalten wird, kann weiterhin vorgesehen sein, daß der Ultraschallsensor in einem topfförmigen Gehäuse aufgenommen ist, welches mittels eines vorzugsweise lösbaren Kontaktteils verschlossen und mittels des Kontaktteils an der Klemmeinrichtung insbesondere lösbar anbringbar ist. Hierbei kann das Kontaktteil die vorstehend erwähnte Anpreßschräge sein, so daß der Ultraschallsensor über die Anpreßschräge, die beispielsweise an der Klemmeinrichtung lösbar angeschraubt bzw. eingeschraubt sein kann, in Körperschallkontakt mit der Klemmeinrichtung steht.

Damit der Ultraschallsensor bei an der Kraftstoffleitung angeklemmter Klemm­ einrichtung keine Beschädigung innerhalb des Fahrzeuges infolge der Erschütterung der Brennkraftmaschine während deren Lauf hervorruft, kann er vorteilhafterweise mit einem weichen Schutzmaterial, insbesondere mit einem Kunststoff oder Gummiüberzug versehen sein.

Die Klemmeinrichtung kann wiederum auf ganz unterschiedliche Art und Weise ausgestaltet sein. So besteht beispielsweise die Möglichkeit, daß die Klemm­ einrichtung Klemmbacken aufweist, die vorzugsweise in Klemmstellung vor­ gespannt sind. Diese Klemmbacken können beispielsweise in Form einer Grippzange funktionieren, so daß die, die Messung jeweils durchführende Bedienungsperson die Klemmeinrichtung lediglich ähnlich einer Zange aufspannen und dann beispielsweise an der Kraftstoffzuführleitung zu einem Zylinder der Brennkraftmaschine festlegen muß.

Es kann hierbei weiterhin vorgesehen sein, daß die Klemmeinrichtung im Bereich zwischen Anlagefläche an der Brennkraftmaschine und dem Ultraschallsensor bzw. Schallaufnehmer aus gut schalleitendem Material ist. Dabei kann weiterhin vorgesehen sein, daß die Klemmeinrichtungen im Bereich ihrer Berührungsfläche mit der Brennkraftmaschine mit einem Schalldämpfungsmaterial, vorzugsweise aus Gummi, Textilmaterial, Kunststoff oder dgl. versehen sind. Die Stärke des Schall­ dämpfungsmaterials, die Auswahl und die Art und Weise der Anbringung ist an die jeweiligen Gegebenheiten anzupassen. Es ist aber ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, für die Klemmeinrichtung nur eine einfache Klemmeinrichtung verwenden zu können, die beispielsweise aus dem Stand der Technik entnommen wird, und die bei guter Drehzahlerfassung ohne Schalldämpfungsmaterial auskommt.

Zum Auswerten der von dem Ultraschallsensor erfaßten Impulse ist die Auswerte­ einheit bzw. Auswerteschaltung vorgesehen. Diese kann grundsätzlich so aufgebaut sein, daß das von dem Ultraschallsensor erfaßte Signal an einen Vorverstärker weitergegeben wird. Vom Ausgang des Vorverstärkers gelangt das Signal zu einem Demodulator, der das Signal an einen Verstärker und an einen an den Verstärker sich anschließenden Ausgangsverstärker weitergibt. An den Ausgangsverstärker schließt sich ein Filter an, der von einer Schaltung für eine Periodenmessung gefolgt wird. An die Schaltung kann sich eine serielle Schnittstel­ le und/oder ein Display anschließen. Zu bemerken ist noch, daß an den Ausgangs­ verstärker auch noch ein Lautsprecher oder ein Kopfhörerpaar angeschlossen werden kann.

Eine besonders gute Auswertung des erfaßten Ultraschallsignals für die Drehzahlbe­ stimmung kann dadurch erreicht werden, daß das aus einem Ultraschallsensor bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung stammende Signal sowohl einer Einrichtung zum insbesondere fortlaufenden Bilden eines Mittelwerts aus allen durch den Ultraschallsensor erfaßten Signalen als auch einer Einrichtung zum insbesondere fortlaufenden Bilden eines Mittelwertes aus den durch den Ultraschallsensor erfaßten Spitzenwerten zugeführt wird und daß die so gebildeten beiden Mittel­ werte zur Bildung eines Schwellwertes für die Bestimmung der die Drehzahl der Brennkraftmaschine kennzeichnenden Ultraschallsignalwerte herangezogen werden. Dabei kann der Schwellwert mit den durch den Ultraschallsensor erfaßten Ultraschallsignalen zum Bestimmen der die Drehzahl der Brennkraftmaschine kennzeichnenden Ultraschallsignalwerten in einem Komparator verglichen werden. Anschließend kann noch das Ausgangssignal aus dem Komparator mittels einer Einrichtung zur Impulsaufbereitung normiert werden. Hierbei kann die Einrichtung zum Bilden des Mittelwerts aus allen durch den Ultraschallsensor erfaßten Signale ein Integrator, vorzugsweise ein Tiefpaß mit einer hohen Zeitkonstanten und die Einrichtung zum Bilden des Mittelwerts aus den durch den Ultraschallsensor erfaßten Spitzenwertsignalen ein Differentiator, vorzugsweise ein Hochpaß sein.

Mit anderen Worten kann das aus einem Ultraschallsensor bzw. der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung stammende Signal wiederum einem Vorverstärker zugeführt werden. Das aus dem Vorverstärker kommende Signal wird zum einen einer Einrichtung zum Bilden eines Mittelwertes aus allen durch den Ultraschallsensor erfaßten Ultraschallimpulsen bzw. Signalwerten sowie zum anderen einer Einrichtung zum Bilden eines Mittelwertes aus den durch den Ultraschallsensor erfaßten Spitzenimpulswerten bzw. Spitzensignalwerten zugeführt. Die durch die beiden Einrichtungen für die Mittelwerte bestimmten Werte werden anschließend einer Einrichtung zur Bildung eines Grenz- bzw. eines Schwellwertes, insbesondere einer Triggerschwelle zugeführt. Dabei wird eine dynamische Triggerschwelle erzeugt, d. h., daß sich bei steigender und fallender Drehzahl die Triggerschwelle verändert. Weiterhin werden die Signale des Vorverstärkers und der ermittelte, dynamische Schwellwert einer Einrichtung zum Vergleichen von Werten, insbesondere einem Komparator zugeführt. Mittels des Schwellwertes werden aus den durch den Ultraschallsensor erfaßten Ultraschallsignalen die die Drehzahl der Brennkraftmaschine, d. h., die den Einspritzvorgang in dem betrachteten Zylinder kennzeichnenden Ultraschallimpulse "herausgefiltert". Das aus dem Komparator kommende Signal kann weiterhin einer Einrichtung zur Impulsaufbereitung, beispielsweise zur Normierung der Signale für eine weitere Verarbeitung zugeführt werden. Daraufhin kann dann die bestimmte Drehzahl hör- und/oder sichtbar gemacht werden.

Ebenso besteht die Möglichkeit, daß die Amplitudenwerte der Ultraschallsignale erfaßt, einem Schieberegister, vorzugsweise einem First-In/Last-Out-Register zugeführt werden und die Abstände der in das Schieberegister eingelesenen Spitzenwerte der Amplitudenwerte die Basis für die Drehzahlbestimmung bilden. Dabei können die in das Schieberegister eingelesenen Amplitudenwerte zur Ermittlung der Spitzenwerte bewertet werden, um so beispielsweise die Anlauf­ phase der Brennkraftmaschine von der eigentlichen Untersuchungsphase bei annähernd konstanter Drehzahl unterscheiden zu können.

Vorzugsweise können die Amplitudenwerte durch Abtastung der Kurve der Ultraschallsignale mittels eines A/D-Wandlers bestimmt werden. Die Abtastung der Amplitudenwerte kann in einstellbaren, konstanten Zeitabständen, vorzugsweise mittels eines Taktgebers erfolgen.

Um die Bandbreite der Eingangssignale, d. h. der von dem Ultraschallsensor erfaßten Signale zu verringern, kann vor der Erfassung der Amplitudenwerte und der Abstände die Ultraschallsignale einer Einrichtung zur Spitzenwertgleichrichtung zugeführt werden.

Zweckmäßigerweise werden die durch vorzugsweise einen A/D-Wandler abgetaste­ ten Amplitudenwerte mittels eines Microcontrollers in einstellbaren konstanten Zeitabständen dem Schieberegister zugeführt und die sich in dem Schieberegister befindlichen, als Spitzenwerte der eingelesenen Amplitudenwerte bewerteten Werte unter Berücksichtigung des Zeitabstandes die Basis für die Drehzahlbestimmung bilden.

Mit anderen Worten können die durch einen Ultraschallsensor bzw. durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erfaßten Ultraschallimpulse einer Einrichtung zur Spitzenwertgleichrichtung zugeführt werden. Anschließend werden die so bearbeiteten Eingangssignale einem A/D-Wandler zugeführt, der die Amplituden der Signale erfaßt. Die Amplitudenwerte sowie die zugehörigen Abstände dieser Meßwerte werden in einem schieberegisterartigen First-In/Last-Out-Speicher gespeichert und statistisch bewertet. Wird die Schaltung zum Beispiel bei einem Vierzylindermotor verwendet, so folgt zyklisch drei kleinen Impulsen aus zu dem betrachteten Zylinder benachbarten Zylindern ein großer Impuls. Mit Hilfe dieser Aussage und den gemessenen Impulsabständen kann eine Prädikation durchgeführt werden, ob es sich beim nächsten Spitzenwert um ein Signal eines Nachbarzylin­ ders oder um ein Signal des betrachteten Zylinders handelt. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, daß die durch Eigenresonanzen bedingten Amplitudenschwankun­ gen des Sensorsignals groß sein können. Darüber hinaus ist ein Dynamikbereich gegeben, wenn vor der Spitzenwertgleichrichtung keine Verstärkung erfolgt.

Aus dem Vorstehenden ergibt sich, daß erfindungsgemäß der durch den Stoß beim Einspritzen von Kraftstoff in die Brennkraftmaschine entstehende Schallimpuls über die Kraftstoffleitung an die Klemmeinrichtung und von dieser an den Ultraschall­ sensor als Körperschall weitergegeben wird.

Wie vorstehend dargelegt worden ist, kann die Schallerfassungseinrichtung beispielsweise durch eine Klemmeinrichtung an der Kraftstoffzuführleitung einer Brennkraftmaschine anbringbar sein. In einem Fall, bei dem die Kraftstoffzuführ­ leitung selbst durch andere Bauteile bzw. Baugruppen der Brennkraftmaschine verdeckt ist, kann sich dies jedoch als schwierig erweisen. Um auch in solchen oder vergleichbaren Fällen die Drehzahlmessung mittels Schallerfassung durchführen zu können, wird weiterhin ein System zum Erfassen der Drehzahl einer Brenn­ kraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welches eine Schallerfassungseinrichtung und eine in die Kraftstoffzuführleitung der Brennkraftmaschine einsetzbare Bypass-Leitung aufweist, in der ein Drosselventil oder dgl. angeordnet ist, welches zum Erfassen des Schalls in Abhängigkeit der Drehzahl durch die Schallerfassungseinrichtung dient. Die Schallerfassungsein­ richtung kann im Falle der Notwendigkeit der Erfassung der Drehzahl dann im Bereich des Drosselventils der Bypass-Leitung angeordnet werden. Mit anderen Worten wird also durch die Bypass-Leitung, die ständig in der Kraftstoffzuführ­ leitung verbleibt, die Drehzahlerfassung mittels der Schallerfassungseinrichtung vorbereitet.

Die Bypass-Leitung kann wiederum ganz unterschiedlich gestaltet sein. Vorzugs­ weise weist die Bypass-Leitung zwei T-Stücke auf, mittels denen die Bypass- Leitung in die Kraftstoffzuführleitung einsetzbar ist. Die Schallerfassungseinrichtung kann hierbei den vorstehend beschriebenen Aufbau aufweisen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die vorstehende Aufgabe durch die Merkmale der Ansprüche 16 und 21 gelöst. Hierbei treten die gleichen Vorteile auf, wie sie vorstehend zusammen mit der Vorrichtung bzw. dem System erläutert worden sind.

Es ist noch zu bemerken, daß neben dem Ultraschallsensor bzw. Schallaufnehmer auch eine Auswerteeinheit vorgesehen werden kann, die das erfaßte Schallsignal in ein die Drehzahl der Brennkraftmaschine auf Grund des erfaßten Schallsignals wiedergebendes Signal umsetzen kann. Diese Auswerteschaltung kann entweder separat vorgesehen werden oder Bestandteil einer weitere Charakteristika der Brennkraftmaschine erfassenden Einrichtung, wie beispielsweise Abgaswerte oder dgl. sein. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Vorrichtung zum Einstellen der Abgaswerte der Brennkraftmaschine handeln. Die Auswerteschaltung kann dabei einen Aufbau entsprechend der vorstehend erläuterten Schaltungen aufweisen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer Brennkraftmaschine zum Darstellen der An­ bringung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer an einer Kraftstoffzuführleitung einer Brennkraftmaschine angebrachten Schallerfassungseinrichtung;

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild für eine Auswerteschaltung;

Fig. 4 ein Beispiel für eine durchgeführte Messung;

Fig. 5 ein schematisches Blockschaltbild für eine weitere Ausführungsform einer Auswerteschaltung;

Fig. 6 ein Beispiel für eine mit der in Fig. 5 gezeigten Auswerteschaltung durchgeführten Messung;

Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild für eine weitere Ausführungsform einer Auswerteschaltung; und

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

In Fig. 1 ist eine Brennkraftmaschine B und ihre der Kraftstoffzuführung dienenden Bestandteile schematisch dargestellt. Bei der Brennkraftmaschine B handelt es sich um eine, vier Zylinder aufweisende Brennkraftmaschine, die nach dem Diesel-Prinzip arbeitet. Selbstverständlich kann aber die Brennkraftmaschine weniger oder mehr Zylinder aufweisen und auch nach dem Otto-Prinzip arbeiten.

Der in einem Tank T aufgenommene Kraftstoff - hier Diesel - wird über eine den Tank T mit einer Kraftstoffpumpe P verbindenen Leitung LPT der Kraftstoffpumpe P zuführt. Von dort aus wird der Kraftstoff über für jeden Zylinder separat angeordnete Kraftstoffleitungen L1-L4 zu den an jedem Zylinder vorgesehenen Einspritzdüsen E1-E4 geführt. Die Arbeitsweise der Kraftstoffpumpe P und der jeweiligen Einspritzdüse E1-E4 braucht hier nicht näher erläutert werden, da dies als bekannt vorausgesetzt werden kann.

Zum Erfassen der Drehzahl der Brennkraftmaschine B ist nun die Schallerfassungs­ einrichtung 10 vorgesehen. Diese weist einen Schallsensor bzw. Ultraschallsensor 12, wenigstens eine Signalleitung 14 sowie eine Auswerte- und/oder Anzei­ geeinheit 16 auf, die mit dem Ultraschallsensor 12 über die Signalleitung 14 verbunden ist und eine Schaltung zum Auswerten des mittels des Ultraschall­ sensors 12 erfaßten Ultraschall- bzw. Schallsignals sowie zum Anzeigen eines auf Grund dieses erfaßten Ultraschallsignals ermittelten Drehzahlwertes der Brennkraft­ maschine B aufweisen kann. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Ultraschallsensor 12 an der Einspritzdüse E1 des ersten Zylinders der Brennkraftmaschine B angeordnet. Selbstverständlich kann der Ultraschallsensor 12 auch an jeder anderen Einspritzdüse E2-E4 angeordnet werden. Ebenso besteht die Möglichkeit, daß der Ultraschallsensor 12 an einer der Einspritzleitungen L1-L4, möglichst in der Nähe der jeweiligen Einspritzdüse E1-E4 angeordnet wird. Schließlich kann der Ultraschallsensor 12, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, an der Einspritzdüse E1 anliegen, oder aber auch einen Abstand zu dieser aufweisen.

Zum Bestimmen der Drehzahl wird nun der während des Einspritzvorganges in dem jeweiligen Zylinder auftretende, insbesondere der infolge des Druckstoßes während des Einspritzvorganges in Erscheinung tretende Schall erfaßt. Hierbei wird der Schall im Bereich des Ultraschalles erfaßt, da hierdurch eine besonders scharfe Signalerfassung möglich ist.

n Fig. 2 ist im Querschnitt die Anbringung des Ultraschallsensors 12 an einer Kraftstoffleitung, beispielsweise der Kraftstoffleitung L1 dargestellt, wobei hier in unmittelbarer Nähe der Einspritzdüse E1 der Schallaufnehmer 12 vorgesehen ist. Zur Anbringung des Ultraschallsensors 12 an der Kraftstoffleitung L1 ist die Schal­ lerfassungseinrichtung 10 mit einer Klemmeinrichtung 20 versehen, die im vorliegenden Fall ähnlich einer Zange mit in Klemmstellung vorgespannten Klemmbacken 22, 24 ausgestattet ist. Der Ultraschallsensor 12 weist einen Abstand zur Kraftstoffleitung L1 auf. In diesem Bereich ist zumindest die den Ultra­ schallsensor 12 tragende Klemmbacke 22 aus gut schalleitendem Material gefertigt. Wie aus Fig. 2 ebenfalls hervorgeht, kann die Klemmbacke 22 und/oder die Klemmbacke 24 im Bereich ihrer jeweiligen Anlagefläche 22a, 24a an der Kraftstoffleitung L1 mit einem Schalldämpfungsmaterial 30 versehen sein. Die vorliegende Erfindung zeichnet sich aber dadurch aus, daß ein derartiges Schall­ dämpfungsmaterial nicht mehr notwendig ist und dennoch eine ausgezeichnete Drehzahlerfassung realisiert wird.

In Fig. 3 ist ein erstes Beispiel für den Aufbau der Schaltung der Auswerte- und/oder Anzeigeeinheit 16 dargestellt. Hierbei wird das von dem Ultraschallsensor 12 erfaßte Signal an einen Vorverstärker 40 weitergegeben. Vom Ausgang des Vorverstärkers 40 gelangt das Signal zu einem Demodulator 42, der das Signal an einen Verstärker 44 und an einen an den Verstärker 44 sich anschließenden Ausgangsverstärker 46 weitergibt. An den Ausgangsverstärker 46 schließt sich ein Filter 48 an, der von einer Schaltung 50 für eine Periodenmessung gefolgt wird. An die Schaltung 50 kann sich eine serielle Schnittstelle 52 und/oder ein Display 54 anschließen. Zu bemerken ist noch, daß an den Ausgangsverstärker 46 auch ein Lautsprecher oder ein Kopfhörerpaar 56 angeschlossen werden kann.

In Fig. 4 ist ein Meßdiagramm als Beispiel für eine durchgeführte Messung gezeigt. Hierbei wurde die Drehzahl einer Brennkraftmaschine B erfaßt, die nach dem Dieselprinzip arbeitet und vier Zylinder aufweist. Der Ultraschallsensor 12 wurde hierbei an die Einspritzdüse E1 des ersten Zylinders der Brennkraftmaschine B angeklemmt. In dem Meßdiagramm der Fig. 4 sind zwei Spitzen bzw. steile Impulse S zu erkennen, die über die übrigen Spitzen der Aufzeichnungskurve deutlich hervortreten und den jeweiligen Einspritzvorgang am ersten Zylinder repräsentieren. Die übrigen weniger ausgeprägten Spitzen des Meßdiagramms der Fig. 4 geben die Einspritzvorgänge der übrigen Zylinder der Brennkraftmaschine B wieder. Die einzelnen Zylinder lassen sich also sowohl durch die Amplitude als auch durch die Steilheit des Anstiegs der Impulse unterscheiden. Aus den ermittelten Spitzen und der Zeit kann dann die Drehzahl der Brennkraftmaschine B berechnet werden. Mit einer nachfolgenden Pulsumformung und Periodenmessung läßt sich dann die Drehzahl der Brennkraftmaschine B ermitteln. Das erfindungs­ gemäße Meßprinzip basiert auf der Transformierung und Verstärkung von Ultraschallsignalen im 40 kHz-Bereich.

In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Auswerteschaltung gezeigt die ergänzend oder alternativ zu der in Fig. 3 gezeigten Auswerteschaltung eingesetzt werden kann. Wie aus Fig. 5 und 6 hervorgeht, wird das aus dem Ultraschallsensor 12 stammende Signal wiederum einem Vorverstärker zugeführt. Das aus dem Vorverstärker kommende Signal wird einmal einer Einrichtung zum fortlaufenden Bilden eines Mittelwertes aus allen durch den Ultraschallsensor 12 erfaßten Ultraschallimpulsen bzw. Signalwerten sowie einer Einrichtung zum fortlaufenden Bilden eines Mittelwertes aus den durch den Ultraschallsensor 12 erfaßten Spitzenimpulswerten bzw. Spitzensignalwerten zugeführt. Hierbei kann die Einrichtung zum Bilden eines Mittelwertes aus allen erfaßten Ultraschallimpulsen durch einen Integrator, insbesondere durch einen Tiefpaß mit einer hohen Zeitkonstanten und die Einrichtung zum Bilden eines Mittelwertes aus den erfaßten Spitzwerten durch einen Differentiator, insbesondere durch einen Hochpaß gebildet sein. Die durch die beiden Einrichtungen für die Mittelwerte bestimmten Werte werden anschließend einer Einrichtung zur Bildung eines Grenz- bzw. eines Schwellwertes, insbesondere einer Triggerschwelle zugeführt. Dabei wird eine dynamische Triggerschwelle erzeugt, d. h., daß sich bei steigender oder fallender Drehzahl die Triggerschwelle verändert (vgl. hierzu auch Fig. 6). Weiterhin werden die Signale des Vorverstärkers und der ermittelte, dynamische Schwellwert einer Einrichtung zum Vergleichen von Werten, insbesondere einem Komparator zugeführt. Mittels des Schwellwertes werden aus den durch den Ultraschallsensor 12 erfaßten Ultraschallsignalen die die Drehzahl der Brennkraftmaschine, d. h. die den Einspritzvorgang in dem betrachteten Zylinder kennzeichnenden Ultraschall­ impulse "herausgefiltert". Das aus dem Komparator kommende Signal wird wiederum einer Einrichtung zur Impulsaufbereitung, beispielsweise zur Normierung der Signale für eine weitere Verarbeitung zugeführt. Daraufhin kann dann die bestimmte Drehzahl hör- und/oder sichtbar gemacht werden.

Die Arbeitsweise der im Zusammenhang mit der Fig. 5 erläuterten Schaltung geht auch aus dem in Fig. 6 gezeigten Schaubild hervor. Die in Fig. 5 gezeigte Schaltung bildet zum einen den Mittelwert aus allen erfaßten Impulsen (also auch inklusive den Störimpulsen) und zum anderen den Mittelwert aus allen erfaßten Spitzenwerten. Hieraus resultiert eine Triggerschwelle, die sich mit der Drehzahl verändert, also dynamisch ist. Diese Schwelle kann dann zur Bestimmung der eigentlichen, die Drehzahl der Brennkraftmaschine kennzeichnenden Ultraschall­ impulse verwendet werden. Die Elektronik bildet also den Mittelwert der Einspritz­ impulse und den Mittelwert am Ausgang des Vorverstärkers. Daraus wird eine Triggerschwelle gebildet, die sich dynamisch dem Lautstärkepegel der Sonde bzw. des Ultraschallsensors anpaßt. Mit anderen Worten verändert sich die Trigger­ schwelle bei steigender und fallender Drehzahl. Es ist daher ein sehr großer Dynamikbereich vorhanden, so daß die Schaltung sowohl bei sehr leisen Ein­ spritzgeräuschen, als auch bei sehr lauten Einspritzgeräuschen Drehzahlimpulse liefert.

In Fig. 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Auswerte­ schaltung gezeigt. Hierbei werden die durch den Ultraschallsensor 12, insbesondere durch die erfindungsgemäße Vorrichtung entsprechend den Fig. 2 und 8 erfaßten Ultraschallimpulse einer Einrichtung zur Spitzenwertgleichrichtung zugeführt. Anschließend werden die so bearbeiteten Eingangssignale einem A/D-Wandler zugeführt, der die Amplituden der Signale erfaßt. Die Amplitudenwerte werden in einem schieberegisterartigen First-In/Last-Out-Speicher gespeichert und statistisch bewertet. Hierbei heißt statistisch bewerten, daß bei einer Verwendung der Schaltung bei zum Beispiel einem 4-Zylindermotor zyklisch drei kleinen Impulsen aus den zu dem betrachteten Zylinder benachbarten Zylindern ein großer Impuls folgt. Mit Hilfe dieser Aussage kann eine Prädikation durchgeführt werden, ob es sich beim nächsten Spitzenwert um ein Signal eines Nachbarzylinders oder um ein Signal des betrachteten Zylinders handelt. Die Zeitabstände der Amplitudenwerte werden durch die Übernahme eines durch den A/D-Wandler erfaßten Amplituden­ werts in frei einstellbaren, konstanten Zeitintervallen, die durch einen Interrupt mittels eines Timers innerhalb des Microcontrollers, vorzugsweise einer 8-bit-CPU definiert werden, bestimmt, so daß auf Basis der in dem Schieberegister befindli­ chen Spitzenwerten und ihrem zeitlichen Abstand beim Einlesen in das Schieberegi­ ster die Drehzahl der Brennkraftmaschine bestimmt werden kann. Diese Vorgehens­ weise hat den Vorteil, daß die durch Eigenresonanzen bedingten Amplituden­ schwankungen des Sensorsignals groß sein können. Darüber hinaus ist ein Dynamikbereich gegeben, wenn vor der Spitzenwertgleichrichtung keine Ver­ stärkung erfolgt.

Mit anderen Worten wird durch die Spitzenwertgleichrichtung zunächst die Bandbreite des Eingangssignals begrenzt, so daß die Abtastrate des A/D-Wandlers groß genug ist, um die maximale Amplitude des Ultraschallsignals (das ein 40 kHz-Ul­ traschallsignal sein kann) zu erfassen. Diese stellt die eigentliche Information dar. Die Amplitudenwerte sowie die zugehörigen Abstände dieser Meßwerte werden in einem schieberegisterartigen First-In/Last-Out-Speicher gespeichert und statistisch bewertet. Dabei stellt sich beispielsweise bei einem Vierzylinder-Dieselmotor heraus, daß zyklisch drei kleine Impulse (z. B. Zündimpulse) aus zu dem betrachte­ ten Zylinder benachbarten Zylindern und ein großer Impuls (z. B. Zündimpuls) gemessen werden. Mit Hilfe dieser Aussage und den gemessenen Impulsabständen kann eine Prädikation durchgeführt werden, ob es sich beim nächsten Spitzenwert um ein Signal eines Nachbarzylinders oder um ein Signal des betrachteten Zylinders handelt, an dessen Einspritzleitung der Ultraschallsensor 12 bzw. die erfindungs­ gemäße Vorrichtung fixiert ist. Diese Art der Auswertung hat den Vorteil, daß die durch Eigenresonanzen bedingten Amplitudenschwankungen des Sensorsignals größer sein können, als bei einer Bewertung auf Grund beispielsweise einer Triggerschwelle. Auch der geforderte Dynamikbereich ist gegeben, wenn vor der Spitzenwertgleichrichtung keine Verstärkung erfolgt.

In Fig. 8 ist ein konkretes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt. Hierbei ist der Ultraschallsensor 12 an einer die Klemm­ einrichtung 20 bildenden Grippzange angebracht. Der Ultraschallsensor 12 ist in einem Gehäuse 34 untergebracht, welches an seiner Außenseite mit einer Kunststoffummantelung 34a versehen sein kann. Wie aus Fig. 8 hervorgeht, ist das Gehäuse 34 im wesentlichen topfförmig ausgebildet, wobei am "Topfboden" eine Durchbrechung 34b vorgesehen ist, durch die Anschlußleitungen von dem Ultraschallsensor 12 zu der Auswerteschaltung 16 herausgeführt werden. Im Inneren des Gehäuses 34 ist der Ultraschallsensor 12 aufgenommen, der selber wiederum zylindrisch bzw. an seiner zur Klemmeinrichtung 20 weisenden Seite kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Damit die Lötstellen für die Anschlußleitungen nicht beim Einschieben des Sensors 12 verbogen werden, ist weiterhin im Inneren des Gehäuses ein Ring 36 vorgesehen, der bei der Montage zunächst in das Innere des Gehäuses 34 eingeschoben wird, worauf anschließend der Ultraschallsensor 12 mit den Anschlußleitungen voraus, die durch die Durchbrechung 34b durch­ gefädelt werden, in das Gehäuse 34 eingeschoben wird. An der offenen Seite des Gehäuses 34 ist ein Abschluß- bzw. Kontaktteil 32 in das Gehäuse 34 einge­ schraubt, das an seiner nach außen weisenden, d. h. zu der Klemmeinrichtung 20 weisenden Seite einen Gewindezapfen 32a besitzt mit dem das Gehäuse 34 an der Klemmeinrichtung 20 lösbar festschraubbar ist. Weiterhin ist das Kontaktteil 32 an seiner nach innen weisenden Seite mit einer Anpreßschräge mit einem Winkel von vorzugsweise 20° versehen. Hierdurch kommt es zu einem Punktkontakt zwischen der Ultraschallaufnahmefläche 12a des Ultraschallsensors 12 und dem Kontaktteil 32.

Abschließend ist noch zu bemerken, daß die im Zusammenhang mit den Fig. 1, 3 bis 7 erläuterten Schaltungen nicht nur zusammen mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den Fig. 2 und 8, sondern auch mit jeder anderen Schallerfassungseinrichtung verwendet werden können. Auch können diese Schaltungen bzw. die im Zusammenhang mit diesen Schaltungen erläuterten Vorgehensweisen auch bei der Bestimmung der Drehzahl einer Brennkraftmaschine auf Basis eines durch einen anderen Vorgang als dem Einspritzvorgang erzeugten Ultraschallimpuls eingesetzt werden.

Claims (26)

1. Vorrichtung zum Erfassen der Drehzahl einer Brennkraftmaschine, mit einem Ultraschallsensor (12), der mittels einer Klemmeinrichtung (20) an einer Kraftstoffzuführleitung (L1-L4) der Brennkraftmaschine (B) in der Weise anklemmbar ist, daß er in Körperschallkontakt mit der Kraftstoffleitung (L1-L4) steht, und der mit einer Auswerteschaltung (16) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsensor (12) an der Klemm­ einrichtung (20) in der Weise angeordnet ist, daß er bei an der Kraftstoff­ leitung (L1-L4) angeklemmter Klemmeinrichtung (20) einen vorbestimmten Abstand zu der Kraftstoffleitung (L1-L4) in einer Querschnittsebene der Kraftstoffleitung (L1-L4) zumindest annähernd senkrecht zur Längsachse der Kraftstoffleitung (L1-L4) aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsensor (12) mit seiner Ultraschall­ aufnahmefläche (12a) in der Weise an der Klemmeinrichtung (20) angeordnet ist, daß er bei an der Kraftstoffleitung (L1-L4) angeklemmter Klemmeinrich­ tung (20) in einer die Längsachse der Kraftstoffleitung (L1-L4) zumindest annähernd senkrecht schneidenden Querschnittsebene der Kraftstoffleitung (L1-L4) liegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsensor (12) lösbar an der Klemm­ einrichtung (20) anbringbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultraschallaufnahmefläche (12a) des Ultraschallsensors (12) einen zumindest annähernden Punktkontakt mit der Klemmeinrichtung (20) aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelstumpfförmige Ultraschallsensor (12) an einer mit der Klemmeinrichtung (20) vorzugsweise lösbar verbindbaren Anpreßschräge anliegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsensor (12) in einem topfförmigen Gehäuse (34) aufgenommen ist, welches mittels eines vorzugsweise lösbaren Kontaktteils (32) verschlossen und mittels des Kontaktteils (32) an der Klemmeinrichtung (20) insbesondere lösbar anbringbar ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktteil (32) die Anpreßschräge ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (34) mit einem weichen Schutz­ material (34a), vorzugsweise Kunststoff oder Gummi umgeben ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung (20) vorzugsweise in Klemmstellung vorgespannte Klemmbacken (22, 24) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung (20) im Bereich zwischen ihrer Anlagefläche (22a, 24a) an der Brennkraftmaschine (B) und dem Ultraschallsensor (12) aus gut schalleitendem Material ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (16) eine Einrichtung zum Bilden des Mittelwertes aller Einspritzimpulse, eine Einrichtung zum Bilden des Mittelwerts der Spitzenwerte der Einspritzimpulse sowie eine Einrichtung zur Bildung einer vorzugsweise dynamischen Schwelle, insbesondere Triggerschwelle aus den beiden Mittelwerten aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (16) weiterhin einen zwischen den beiden Einrichtungen zur Bildung der Mittelwerte und dem Ultraschallsensor (12) vorgesehenen Vorverstärker aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die Einrichtung zur Bildung der Schwelle ein Komparator anschließt, der das Signal der Einrichtung zur Bildung der Schwelle sowie das aus dem Vorverstärker kommende Signal erhält.

14. System zum Erfassen der Drehzahl einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Ultraschallerfassungseinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 und eine in die Kraftstoffzuführleitung (L1-L4) der Brennkraftmaschine (B) einsetzbare Bypass-Leitung, in der ein Drosselventil oder dgl. angeordnet ist, welches zum Erfassen des Schalls in Abhängigkeit der Drehzahl der Brennkraftmaschine (B) durch die Ultraschallerfassungsein­ richtung (10) dient.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypass-Leitung zwei T-Stücke aufweist, mittels denen die Bypass-Leitung in die Kraftstoffzuführleitung (L1-L4) der Brennkraftmaschine (B) einsetzbar ist.

16. Verfahren zum Bestimmen der Drehzahl einer Brennkraftmaschine, ins­ besondere einer Diesel-Brennkraftmaschine durch Erfassen eines die Drehzahl der Brennkraftmaschine kennzeichnenden Ultraschalls, vorzugsweise durch Erfassen des durch einen Einspritzvorgang in einen Zylinder der Brenn­ kraftmaschine entstehenden Ultraschalls, wobei der Ultraschall durch eine mindestens einen Ultraschallsensor aufweisenden Vorrichtung zum Bestimmen der Drehzahl der Brennkraftmaschine mittels Ultraschall, insbesondere einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 erfaßt und als elektrisches Signal einer Auswerteschaltung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal sowohl einer Einrichtung zum Bilden eines Mittelwerts aus allen durch den Ultraschallsensor erfaßten Signalen als auch einer Einrichtung zum Bilden eines Mittelwertes aus den durch den Ultraschallsensor erfaßten Spitzenwerten zugeführt wird und daß die so gebildeten beiden Mittelwerte zur Bildung eines Schwellwertes für die Bestim­ mung der die Drehzahl der Brennkraftmaschine kennzeichnenden Ultraschall­ signalwerte herangezogen werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert mit den durch den Ultraschall­ sensor erfaßten Ultraschallsignalen zum Bestimmen der die Drehzahl der Brennkraftmaschine kennzeichnenden Ultraschallsignalwerte in einem Komparator verglichen wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal aus dem Komparator mittels einer Einrichtung zur Impulsaufbereitung normiert wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum fortlaufenden Bilden des Mittelwerts aus allen durch den Ultraschallsensor erfaßten Signalen ein Integrator, vorzugsweise ein Tiefpaß mit einer hohen Zeitkonstanten ist.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum fortlaufenden Bilden des Mittelwerts aus den durch den Ultraschallsensor erfaßten Spitzenwertsignalen ein Differentiator, vorzugsweise ein Hochpaß ist.

21. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenwerte der Ultraschallsignale erfaßt, einem Schieberegister, vorzugsweise einem First-In/Last-Out-Register zugeführt werden und die Abstände der in das Schieberegister eingelesenen Spitzenwerte der Amplitudenwerte die Basis für die Drehzahlbestimmung bilden.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die in das Schieberegister eingelesenen Amplitudenwerte zur Ermittlung der Spitzenwerte bewertet werden.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitudenwerte durch Abtastung der Kurve der Ultraschallsignale mittels eines A/D-Wandlers bestimmt werden.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung der Amplitudenwerte in einstellbaren, konstanten Zeitabständen, vorzugsweise mittels eines Taktgebers erfolgt.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Erfassung der Amplitudenwerte und der Abstände die Ultraschallsignale einer Einrichtung zur Spitzenwertgleichrich­ tung zugeführt werden.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die durch vorzugsweise einen A/D-Wandler abgetasteten Amplitudenwerte mittels eines Microcontrollers in einstellbaren konstanten Zeitabständen dem Schieberegister zugeführt werden und die sich in dem Schieberegister befindlichen, als Spitzenwerte der eingelesenen Amplitudenwerte bewerteten Werte unter Berücksichtigung des Zeitabstandes die Basis für die Drehzahlbestimmung bilden.