DE19961299A1 - Sensor zur Erkennung des Klopfens bei einer Brennkratmaschine - Google Patents

Sensor zur Erkennung des Klopfens bei einer Brennkratmaschine

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Abstract

Es wird ein Sensor zur Erkennung des Klopfens einer Brennkraftmaschine angegeben, der als Oberflächen-Mikromechanik-Sensor ausgestaltet ist, mit zwei sich im Fall einer Beschleunigung gegensinnig ändernden Kapazitäten. Diese Kapazitätsänderungen werden mit Hilfe einer Auswerteschaltung in eine von der Kapazität abhängige Spannung gewandelt, die somit auch ein Maß für durch Klopfen verursachte Beschleunigungen ist. Durch Auswertung dieser Spannung wird auftretendes Klopfen erkannt.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Erkennung des Klopfens bei einer Brennkraftmaschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Stand der Technik
Das unter bestimmten Bedingungen auftretende, unerwünschte Klopfen einer Brennkraftmaschine wird üblicherweise mit Hilfe von Sensoren, die Schwingungen an Teilen des Motors registrieren, ermittelt. Als Sensoren werden dabei Druck-, Kraft- oder Beschleunigungsaufnehmer verwendet. Das vom Klopfsensor abgegebene Signal ist meistens mit einem Grundrauschen bzw. Hintergrundsignal, das durch den normalen Motorbetrieb entsteht, behaftet. Das Trennen des vom Klopfen verursachten Signales von dem vom Hintergrundgeräusch verursachten Signal ist oft problematisch und es sind üblicherweise aufwendige Maßnahmen zur Signalverarbeitung erforderlich, die eine zuverlässige Trennung von Klopfsignal und Hintergrundsignal ermöglichen.
Eine Vorrichtung zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen, bei der die vorstehend erwähnte Problematik angesprochen wird, ist beispielsweise aus der DE-PS 29 42 250 bekannt. Dabei werden als Sensoren, die die Schwingungen registrieren, Druck-, Kraft- oder Beschleunigungssensoren eingesetzt.
Mit weiteren derzeit im Einsatz befindlichen Klopfsensoren, die die Körperschallschwingungen mit Hilfe einer Piezokeramik und einer seismischen Masse erfassen und beispielsweise aus der DE-40 00 903 C1 bekannt sind, lassen sich die Körperschallschwingungen bereits sicher erkennen und erfassen. Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht jedoch darin, einen noch zuverlässigeren Sensor mit einer verbesserten Signalauswertung aufzuzeigen, mit dem bzw. der das Klopfen einer Brennkraftmaschine ermittelt werden kann.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor zur Erkennung des Klopfens bei einer Brennkraftmaschine hat gegenüber herkömmlichen Sensoren zur Klopferkennung den Vorteil, daß er kostengünstiger ist, daß er eine geringere Empfindlichkeitsstreuung aufweist, daß nur sehr geringe Alterungseffekte auftreten, daß keine Resonanzüberhöhung im Frequenzgang auftritt und nur ein sehr geringer Temperaturgang vorhanden ist. Dies führt in einer vorteilhaften Weise zu einer besseren Performance gegenüber herkömmlichen Klopfsensoren. Weiterhin ist die kleine Baugröße des Sensors von Vorteil und möglicherweise auftretende Feuchtigkeit im Kabel zwischen dem Sensor und dem Steuergerät sowie im Stecker sind unkritischer als bei den sehr hochohmigen Piezokeramiken. In vorteilhafter Weise können herkömmliche Standardkabel zur Verbindung des Sensors mit der Auswerteelektronik eingesetzt werden.
Erzielt werden diese Vorteile, indem als Sensorelement ein mikromechanisches Sensorelement für die Beschleunigungsmessung eingesetzt wird. Ein solches mikromechanisches Sensorelement, das auch Oberflächenmikromechanik-Sensorelement genannt wird, erfährt im Fall einer Beschleunigung eine kapazitive Änderung, die mit Hilfe einer Auswerteschaltung gemessen und zur Klopferkennung verwendet werden kann.
Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Besonders vorteilhaft ist dabei die Signalauswertung über einen speziellen Asic, der vorteilhafterweise einen Kapazitäts- Spannungswandler, einen Verstärker mit integriertem Hochpaßfilter und eine Schnittstelle für die Signalübertragung umfaßt. Die Signalübertragung kann in vorteilhafter Weise über eine Zweidrahtschnittstelle erfolgen, bei der die Spannungsversorgung und das elektrische analoge oder digitale Signal gemeinsam über zwei Leitungen übertragen wird. Alternativ kann in vorteilhafter Weise die Signalübertragung auch über eine konventionelle Dreidrahtschnittstelle erfolgen, mit je einer Leitung für die Spannungsversorgung, das Signal und Masse.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 den Aufbau eines Oberflächenmikromechanik-Sensors, Fig. 2 zeigt ein zugehöriges Schaltbild und in Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Auswerteschaltung für einen Oberflächenmikromechanik-Sensor aufgezeigt.
Beschreibung
Der in Fig. 1 dargestellte Sensor S. der bereits aus der DE 40 00 903 C1 bekannt ist, weist eine symmetrische Struktur mit festen Fingern (Elektroden) und beweglichen Fingern (Zungen) auf und besteht aus einem Träger 10 aus monokristallinem Material (Siliziumwafer), auf dem eine strukturierte leitende Schicht aufgebracht ist. Die obere Schicht, die auf den Träger aufgebracht ist, umfaßt somit mehrere leitende, elektrisch voneinander jedoch isolierte kammförmige Gebiete bzw. Zungen 11, 12, 13. Ein Zungensockel 14 mit zwei in der Trägerebene schwingungsfähigen Zungen 15, 16, die zum Zungensockel 14 senkrecht stehen, ist parallel zu einem gleichartig strukturierten Zungensockel 17 mit ebenfalls zwei in der Trägerebene schwingungsfähigen Zungen 18, 19 angeordnet, wobei die Anordnung so ist, daß die Zungen 15, 16 und 18, 19 einander gegenüberliegen. Dazwischen befinden sich parallel zu den beiden Zungensockeln 14 und 17 der Elektrodensockel 12, von dem vier unbewegliche Elektroden 20, 21, 22, 23 ausgehen. Die Zahl der Zungen und Elektroden ist dabei beliebig variierbar.
Die beiden Zungen 15 und 16 bilden mit den beiden zugehörigen Elektroden 20 und 21 zwei parallel geschaltete Kapazitäten, die den beiden ebenfalls parallel geschalteten Kapazitäten gegenüberliegen, die von den beiden Zungen 18 und 19 in Verbindung mit den beiden Elektroden 22 und 23 gebildet werden. Da die Anordnung der Zungen bezüglich der zugehörigen Elektroden entgegengesetzt ist, ergibt eine die Zungen auslenkende Beschleunigung entgegengesetzte Abstandsveränderungen zwischen Zungen und Elektrode. Für die zugehörigen Kapazitäten bedeutet dies, daß eine auftretende Beschleunigung entgegengesetzte Änderungen der Kapazitäten verursacht. Zur Ermittlung der Beschleunigung wird die Kapazitätsänderung ausgewertet (Differential-Kapazitäts- Auswertung).
Der vorstehend beschriebene Sensor 5 ist über drei Anschlüsse 24, 25, 26 mit einer Auswerteschaltung 27 verbunden, die als eigenständige Schaltung aufgebaut sein kann oder Bestandteil des Steuergerätes ist. In der Auswerteschaltung 27 werden die Kapazitätsänderungen in Beschleunigungswerte umgewandelt und diese Beschleunigungswerte werden dann zur Klopferkennung weiterverarbeitet.
Die auszuwertenden, sich im Beschleunigungsfall gegensinnig ändernden Kapazitäten C1 und C2 sind in Fig. 2 als elektrisches Schaltbild dargestellt. Weiterhin sind die zugehörigen Sensor-Anschlüsse 24, 25 und 26 und die eigentliche Auswerteschaltung 27 angegeben.
In Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel für die gesamte Auswerteschaltung 27 dargestellt, mit der die Kapazitäten C1 und C2 der Sensoranordnung in erfindungsgemäßer Form bestimmt werden. Die Auswerteschaltung 27, ist beispielsweise auf einem speziellen ASIC integriert.
Im einzelnen enthält dieser ASIC als wesentliche Komponenten einen C/U-Wandler (Kapazitäts-Spannungs-Wandler), einen Verstärker mit einem integrierten Hochpaßfilter und eine Schnittstelle für die Signalübertragung. Die Signalübertragung erfolgt hier über eine Zwei-Draht- Schnittstelle, bei der die Spannungsversorgung und das elektrische analoge oder digitale Signal gemeinsam über zwei Leitungen übertragen werden.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der C/U-Wandler (Kapazitäts-Spannungs-Wandler mit 28 bezeichnet, er umfaßt einen Operationsverstärker 29 mit hoher Slew-Rate und eine Sample- und Hold-Schaltung 30 mit einem Operationsverstärker 31 sowie einem gegen Masse liegenden Kondensator 32. Über Umschaltmittel Ul, U2a, U2b und U3 werden die für die Kpazitäts-/Spannungs-Wandlung erforderlichen Umschaltvorgänge ausgelöst. Die Ansteuerung der Umschaltmittel U1, U2a, U2b und U3 erfolgt mittels eines Oszillators 33. Dabei werden den Umschaltmitteln die Signale SU1, SU2 und SU3 in der dargestellten Zeitabfolge zugeführt. Bei geschlossenem Umschaltmittel liegt die Spannung V2 als Referenzspannung am Anschluß 24 des Kondensators C2. Der Kondensator C1 liegt über die Anschlüsse 25, 26 bei offenem Schalter U2b zwischen dem invertierenden Eingang des Verstärkers 29 und bei geschlossenem Schalter U2b sind die Anschlüsse 25 und 26 direkt miteinander verbunden.
Der Verstärker 34 mit integriertem Hochpaßfilter verstärkt das Ausgangssignal der Sample and Hold Schaltung 30. Der Verstärker setzt sich zusammen aus einem Operationsverstärker 35, den Widerständen 36, 37 und 38 sowie dem Tiefpaß 39, der beispielsweise in Switched- Capacitor-Technik realisiert ist. Dem Tiefpaß 39 werden die Ansteuersignale SU1 und SU2 zugeführt.
Die weitere Beschaltung umfaßt einen Kondensator 40, eine aktive Zenerdiode 41 sowie eine Spannungsversorgung 43, die sich aus der Konstantstromquelle 44, den Transistoren 45 und 46 sowie den Widerständen 47 und 48 zusammensetzt und mit der Versorgungsspannung VDDint in Verbindung steht.
Die aktive Zenerdiode hält das Potential am Knoten 49 fest. Damit wird erreicht, daß eine stabile interne Versorgung des Auswerteasics gewährt ist.
Die Signalübertragung erfolgt durch Aufmodulieren des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 35 über die beiden Widerstände 48 und 47 auf die externe Versorgungsleitung. Die Amplitudenhöhe des Signales kann dabei über die Widerstandsverhältnisse R48/R47 der beiden Widerstände 48 und 47 eingestellt werden.
Alternativ zur Ausführungsform nach Fig. 3 kann die Signalübertragung vom Sensor zum Steuergerät auch über eine konventionelle Drei-Draht-Schnittstelle (VDD, Signal, Masse) erfolgen.
Mit der in der Schaltung nach Fig. 3 erzeugten Spannung, die ein Maß für die infolge von durch Klopfen der Brennkraftmaschine ausgelösten, vom Sensor registrierten Beschleunigungen ist kann vom Steuergerät der Brennkraftmaschine als Klopfen erkannt werden und es können geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden.

Claims (7)

1. Sensor zur Erkennung des Klopfens bei einer Brennkraftmaschine, mit einem Sensorelement, das ein von auftretenden Beschleunigungen abhängiges Ausgangssignal abgibt, das zur Beschleunigungserkennung ausgewertet wird, wobei das Sensorelement ein Oberflächen-Mikromechanik- Sensorelement ist, mit zwei sich im Fall einer Beschleunigung gegensinnig ändernden Kapazitäten, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazitätsänderung zur Klopferkennung bei der Brennkraftmaschine ausgewertet wird.
2. Sensor zur Erkennung des Klopfens bei einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement eine vorgebbare Anzahl von Zungen aufweist, die zusammen mit gegenüberliegenden Zungen sowie zugehörigen feststehenden Elektroden die sich gegensinnig ändernden Kapazitäten bilden.
3. Sensor zur Erkennung des Klopfens bei einer Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Sensorelements einer Auswerteschaltung zugeführt wird, die wenigstens einen Kapazitäts-/Spannungs-Wandler, einen Verstärker mit ggf. integriertem Hochpaßfilter und eine Schnittstelle für die Signalübertragung umfaßt.
4. Sensor zur Erkennung des Klopfens bei einer Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalübertragung über eine Zwei-Draht-Schnittstelle, bei der die Spannungsversorgung und das elektrische analoge oder digitale Signal gemeinsam über zwei Leitungen übertragen werden oder daß die Signalübertragung über eine Drei-Draht-Schnittstelle für Versorgungsspannung, Signal und Masse erfolgt.
5. Sensor zur Erkennung des Klopfens bei einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung zusätzlich wenigstens einen Eingangskondensator und eine aktive Zenerdiode zur Spannungsstabilisierung aufweist.
6. Sensor zur Erkennung des Klopfens bei einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Filter in Switched-Capacitor-Technik aufgebaut ist.
7. Sensor zur Erkennung des Klopfens bei einer Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor über die Auswerteschaltung mit dem Steuergerät der Brennkraftmaschine verbunden ist.
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