DE2146361A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Klopfens bei Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

PROGEiPI-I S.p.A. Mailand / Italien

Verfahren und Vorrichtung zum Messen des Klopfens bei

Brennkraftmaschinen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Klopfens bei Brennkraftmaschinen und hat auch eine Vorrichtung, die geeignet ist, dieses Verfahren durchzuführen, zum Gegenstand«

Das Problem beim Messen dee Klopfens bei handelsüblichen Brennkraftmaschinen bei hohen Geschwindigkeiten ist in den vergangenen Jahren Gegenstand zahlreicher Untersuchungen gewesen; dabei wurden Versuchsanlagen erstellt, von denen einige eine quantitative Abschätzung dieser Verhältnisse erlauben.

Diese Vorrichtungen, die im allgemeinen auf der Überwachung des Druckes in der Brennkammer basierten, führten zu günstigen Ergebnlesen und ermöglichten eine beachtliche

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Weiterentwicklung der UnterBuchungen; sie stellen jedoch eine erhebliche Begrenzung dann dar, wenn die Messung an verschiedenen Kraftfahrzeugtypen vorgenommen werden soll.

Für eine korrekte Überwachung der Druckänderungen» welche das Klopfen charakterisieren, wird es notwendig, einen mit der Brennkammer verbundenen Wandler anzuordnen, da das Vorhandensein von Verbindungs- oder Ansehlußleitungen fast immer zu Resonanzerscheinungen führt, die das studierte Phänomen überdecken.

Es müssen daher spezielle Köpfe angebracht werden; diese Köpfe weisen ein Loch zur Anordnung des Wandlers auf.

Um Messungen an zahlreichen Kraftfahrzeugen vorzunehmen, wie es notwendig ist, um den Oktanbedarf der Kraftfahrzeuge im Betrieb zu untersuchen, oder für Messungen an Kraftfahrzeugen, wo es unmöglich ist, einen Wandler einzuführen, wurden seit langer Zeit andere Anordnungen.,, in die Untersuchungen einbezogen, wie beispielsweise die der Überwachung der Temperatur, des Verlaufsder Ionisation und insbesondere der Überwachung der mechanischen Schwingungen der Wandungen der Brennkammer. Dieses letztgenannte Verfahren ist sehr interessant, wenn man die Einfachheit der Anwendung der Beschleunigungsmesser beachtet, wie sie normalerweise zur Messung der Schwingungen verwendet werden.

Die durch solche Verfahren bisher erhaltenen Schätzwerte werden nicht durch einen auf einer Skala ablesbaren Wert quantifiziert, werden vielmehr durchgeführt, indem man die Unregelmäßigkeiten und die Spitzen abschätzt, die in einer Aufzeichnung des Schwingungsniveaus für eine bestimmte Frequenz vorhanden sind.

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Nach der wesentlichen Aufgabe der Erfindung soll die Möglichkeit geschaffen werden, unter Benutzung von Signal-Prob^nshweverfahren ein Verfahren Jsur Ermittlung des Klopfens in Brennkraftmaschinen vorzuschlagen, sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Einrichtung, die es bei einem gegebenen Motortyp möglich machen soll, eine direkte und quantitative Messung des Klopfens bzw, der Klopferscheinungen sowohl bei konstanter Geschwindigkeit wie bei Beschleunigung vorzunehmen,und zusätzlich beachtliche Vorteile hinsichtlich Genauigkeit una Einfachheit der Messung möglich machen soll. Din dieses Ergebnis zu erreichen, ist es notwendig, das Verhältnis zwischen Signal und Störung zu verbessern. Hierbei hat es sieh als nicht-adSquat herausgestellt, ein einziges Bandpaßfilter zu verwenden, dessen Frequenz zwischen 5 und 10 kHz verstellbar ist, wie es normalerweise Verwendung findet. Die jetzt vorgeschlagene Anordnung nach der Erfindung ermöglicht den Durchlaß der Signale nur in Zeitintervallen entsprechend dem Kurbelwinkel, während deren die auf das Klopfen folgenden Vibrationen vorhanden sind, wobei dieser Winkel zwischen 60° und 80°, vorzugweise bei etwa 70° liegt.

Dies ist möglich, da beobachtet werden konnte, daß der Winkel zwischen dem Zündfunken und dem höchsten Druckpunkt, wo normalerweise das Klopfen beginnt _f als Punktion der Geschwindigkeit und innerhalb vernünftiger Grenzen, des Vdrwinkels nicht variiert.

Auf diese Weise wird es bei einer geeigneten Verzögerung des Ztindfunkens möglich, eine elektronische Torschaltung zu betätigen* die entsprechend dem höchsten Druckpunkt triggert und deren Dauer dem Winkel des möglichen Klopfens entspricht» Die Torschaltung konditioniert die Ankunft der Signale, die so für den Rest des Zyklus blockiert sind, d.h. wenn nur Störungen vorhanden sind. Die Verbesserung

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des Verhältnisses zwischen Signal und Stb*rung„ wie sie nach,dem Verfahren nach der Erfindung erhalten wurden, macht .eine Vibrationsmessung mit einem Restgeräusch (Grundgeräusch) möglich, das nicht Böher als dasjenige ist, welches im Falle der Druckmessung vorhanden ist, Bei der erfindungsgemäßen Anordnung erfordert darüberhinaus die Anordnung des Filters Iceine "besonderen Einrichtungen; es hat sich herausgestellt, daß ein einziges Bandpaßfilter zwischen 5 und 10 kHa ausreichend ist. Das Verfahren nach der Erfindung Gesteht im wesentlichen aus den folgenden Schritten;

- Ermitteln tier Schwingungen der Brennkraftmaschine beispielsweise mittels eines Beschleunigungemessers der piezoelektrischen Bauart oder irgend einer anderen "bekannten Bauart, der an eine der zentralen Spannschrauben des Kopfes angebracht wird oder auf andere geeignete Weise mit der Brennkraftmaschine verbunden wird;

- Geben der durch das genannte Besehleunigungsmeßgerät ausgesandten Signale entsprechend der Vibration der Brennkraftmaschine an eine Verarbeitung??anordnung,, in der das Signal verstärkt und gefiltert wird;

- Geben des scm vorhergehenden Punkt erhaltenen Signals an eine Störunterdrtiekeranordnung, die mit der Zündung synchronisiert ist;

- Ermittein des erhaltenen Signals mittels eines geeigneten Detektors„ Aufzeichnen der erhaltenen Daten.

Die Schritte der Ermittlung der Schwingungen mittels eines piezoelektrischen BesehleunigungsmeßgeräteSv der Verstärkung und des Anlegens an das Filter kann mittels auf dem Fachgebiet bekannter Einrichtungen erfolgen/ Wesentlich ist erfindungagemäß der Schritt der Unterdrückung von Störungen» wodurch, wie oben erwähnt, eine direkte und quantitative Messung des Klopfens sowohl hinsichtlich der

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konstanten Geschwindigkeit wie hinsichtlich der Beschleunigung möglich wird.

Die Vorrichtung, die die Messung des Klopfens hei Brennkraftmaschinen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglicht macht, wird gebildet durch:

- einen durch einen Beschleunigungsmesser (Accelerometer) gebildeten Wandler, beispielsweise der piezo-elektrischen Bauart oder durch irgend eine andere Anordnung zur Ermittlung von Schwingungen;

- eine Anordnung zur Verarbeitung des durch den Beschleunigungsmesser gegebenen Signale mit einer Veretärker- und Filteranordnung, einer Anordnung zur Unterdrückung der Störung*, welche mit der Zündung und einem Signaldetektor synchronisiert sind;

- einer Anordnung zum Aufzeichnen der Baten.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung soll mit Bezug auf die mit 1 bezeichnete beiliegende einzige Figur näher erläutert werden. Hiernach ermittelt oder mißt ein an einer der zentralen Spannschrauben des Kopfes angebrachter piezo-elektrischer Beschleunigungsmesser 1 die Schwingungen der Brennkraftmaschine und gibt die entsprechenden Signale an eine Verstärker- und Filteranordnung 2; das die Anordnung 2 verlassende Signal wird an eine mit der Zündung synchronisierte Einrichtung zur Störunterdrückung an einen Signaldetektor und schließlich an eine Anordnung zum Aufzeichnen der Daten gegeben.

Die Teile 1 und 2 können in auf dem Fachgebiet bekannter Weise realisiert werden» Die Anordnung zur Störunterdrückung besteht aus einer Torschaltung, die den Durchgang dee aue dem Filter kommenden Signale nur für den Typ enteprechend äer Kurbelverechlebung zuläßt, während der die

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Schwingungen aufgrund des Klopfens vorhanden sind. Die Torsohai tung kann von elektrom echani scher Bauart sein, d.h. durch eine integral mit der Kurbelwelle ausgebildete. Scheibe mittels einer photoelektrischen Anordnung gesteuert werden oder kann von rein elektronischer Bauart sein.

Die elektronische Torschaltung weist äie folgenden Merkmale auf:

a) Die Torschaltung beginnt mit einer Phasenverschiebung bezüglich der Zündung zu öffnen, derart, daß Koinzidenz mit der Iffaximaldruckspitze sich ergibt;

b) Sie ist mit dem Zündimpuls synchronisiert;

c) Die Öffnungszeit der Torschaltung entspricht einem Winkel unabhängig von der Drehzahl, wobei dieser Winkel einer normalen Dauer der Schwingung aufgrund des Klopfens entspricht,

Dieser Winkel liegt zwischen 60 und 80°, vorzugsweise bei etwa 70°.

Vom Zündsystem wird mittels einer induktiven Sonde3 ein Impuls bei jeder Zündung aufgenommen» Der durch den PuIsfomner 4 regelmäßig gemachte Impuls wird veranlaßt, einen bistabilen Multivibrator (flip-flop) 5 zu steuern, der einen normalen sowie einen zusätzlichen Ausgang aufweist.

Von diesem wird sowohl ein Rechtecksignal 18 aufgenommen, welches sich bei jedem Zündimpuls ändert (1 oder O-Zustand), sowie ein Signal 19 von der gleichen Gestalt, jedoch mit umgekehrten Vorzeichen { 0 oder t-Zustand).

Es wird nun der Verlauf der dem Signal 18 folgenden Signale, sowie der dem Signal 19 folgenden Signale betrachtet, wobei letzteres gleich ist, nur um eine Zündphase, verschoben ist.

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Das Ausgangssignal 18 aus dem bistabilen Multivibrator (flip-flop) wird über eine Halbperiode mittels eines elektronischen Integrators 6 bei konstantem Strom integriert. Der Endspannungewert, welcher an flen Klemmen öler Kapazität des Integrators erreicht wird, ist umgekehrt proportional zur Geschwindigkeit.

2weiKondensatoren 16 und 17 werden auch bei der Klemmenspannung der Kapazität 6 des Integrators geladen.

In der folgenden Halbperiode werden diese Kondensatoren bei konstantem Strom entladen.

Die Entladung bei konstantem Strom erfolgt Über Transistoren 15 und 14, die mit gemeinsamen Kollektor geschaltet sind und durch eine Steuerung 7 (Hilfs) gesteuert sind. In dem Augenblick, in dem der Kondensator 16 einen Spannung«* wert praktisch gleich JTuIl erreicht, wird er benutet, um die elektronische Torschaltung 8 zu Öffnen, die im Augenblick der Entladung von 17 mittels feines logischen Kreises β geschlossen wird, wobei dieser durch zwei quadratische Verstärker gebildet wird_s deren Ausgang es eiütm CDER-Exklusivkreis gegeben wird,

Das Öffnen der Torschaltung wird um einen bestimmten Winkel auSerphasig und die Torschaltung hat konstante Amplitude. Die Einwirkung auf die Torschal tun?? erfolgt derart, daß sie mit rtem Teil der Periode kolnzifliert, in der die Klopfeffekte meßbar oder ermittelbar sind.

Für öfen übrigen Teil des Arbeitszyklus werden die aus dem Filter kommenden Signale, die auf Störungen aufgrund von verschiedenen Ursachen zurückzuführen sind; z.B. auf das öffnen der Ventile, typische Schwingungen der Kurbelwelle und andere mechanische Störungen, aufgehalten oder unterbrochen .

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Das am Ausgang der elektronischen Torschaltung 9 ermittelte oder gemessene Signal wird mittels eines RO-Glieäes gemittelt, deSvSen Zeitkonstante bei etlichen Millisekunden liegt und wird dann an ein Maximalspannungsgerät 11 gegeben»

Dieses wird durch einen Impuls von etwa einer Millisekunde rückgestellt, welcher mittels des Irapulsformerkreises 4 erhalten vniräe.

Man erhält ein Signal mit einem stufenförmigen Verlauf, dessen Wert proportional zum mittleren Wert ist, der durch den Beschleunigungsmesser während des öffnens der Torschaltung erhalten wurde.

Das Signal wirä daher in einem RC-Glled 12 gemittelt, dessen Zeitkonstante vorzugsweise "bei etwa 2 Sekunden liegt, und an einen Aufzeichner für die Klopfintensität als Funktion der Zfeit gegeben.

I¹Ur die Wahl der Zwei-Sekunden-Zeitkonstante . wurde es als notwendig angesehen_$ das Signal zu mitteln-, um eine Aufzeichnung mit einer gewissen Regelmäßigkeit zu erhalten und keine ttbertnäBige Zeitkonstante einzuführen, derart., daß keine unzulässigen Verzögerungen bei der Messung dee Phänomens während der Beschleunigung erhalten werden.

- Patentansprüche -

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Claims (1)

1. Case 416

   Patentansprüche

   Verfahren zum Messen des Klopfens bei Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß

   - die Vibrationen der Maschinen mittels eines Beschleunigungsmessers an sich bekannter Art, beispielsweise vom piezo-elektrisehen Typ, ermittelt werden, der an eine der zentralen Spannmuttern des Kopfes angebracht oder mit der Maschine in anderer geeigneter Weise verbunden ist;

   - die durch den Beschleunigungsmesser ausgesandten Signale, die den Vibrationen der Haschine entsprechen, an ein Verarbeitungssystem gegeben werden, in welchem das Signal verstärkt und gefiltert wird;

   - das in dieser Weise erhaltene Signal an eine Einrichtung Bur Unterdrückung der Störungen, das mit der Zyndung synchronisiert ist, gegeben wird;

   - das Signal ermittelt wird, welches durch einen geeigneten Detektor erhalten wurde; und

   - die erhaltenen Daten aufgezeichnet werden*

   2_a) Verfahren nach Anspruch 1), dadurch gekennzeichnet, daß die Geräusch- oder Störunterdrtickungseinrichtung gebildet wird durch eine elektronische Torschaltung mit einer Öffnungsdauer entsprechend einem Winkel unabhängig von der Zahl der Drehungen der Brennkraftmaschine, derart, daß das Signal/Geräusch-Verhältnis verbessert wird,

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   3.) Verfahren nach Anspruch 1) oder 2)_y daduroh gekennzeichnet, daß der konstante öffnungswinkel der elektronischen Torschaltung sswischen 60° und 80°, vorzugsweise mit etwa 70° gewählt wird.

   4.) Verfahren zum Messen des Klopfens hei Brennkraftmaschinen nach einem der Ansprüche 1), 2) oder 3), dadurch gekennzeichnet, daß die Torschaltung vom elektromechanischen Typ ist und durch eine Integral alt der Kurbelwelle ausgehildete Scheibe mittels eines photoelektrischen Systems gesteuert wird,bzw. daß die Torschaltung von elektronischer Bauart ist.

   5.) Verfahren zum Messen des Klopfens hei Brennkraftmaschinen nach einem der vorhergehenden Ansprüche* gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

   - Ermitteln der Schwingungen der Brennkraftmaschine, beispielsweise mittels eines Beschleunigungsmessers und liegen der entsprechenden Signale an eine Verstärker- und Filtereinrichtung;

   - legen der erhaltenen Signale an eine Torschaltung, beispielsweise der elektronischen Bauart;

   - Entnahme der Impulse entsprechend den Zündungen der Brennkraftmaschine mittels induktiver Sonden, Fühler oder dgl.;

   - Geben der entnommenen Impulse an einen Impulsformer, um sie regelmäßig zu gestalten;

   - (Hilfe) Steuern mittels der nunmehr gleichmäßig gemachten Impulse eines bistabilen Multivibrators (flip-flop), der einen normalen und einen komplementären Ausgang aufweist;

   - Integrieren,Über eine Halbperiode des aus dem Multivibrator austretenden Rechtecksignale in einem elektronischen Integrator bei konstantem Strom;

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   - laden der "beiden. Kondensatoren bei der an den Kiemen des Kondensators des Integrators erreichten Endspannung;

   - Entladen bei konstantem Strom der beiden Kondensatoren in der folgenden Halbperiode mittels zweier über einen gemeinsamen Kollektor geschalteter Transistoren, welche hilfsgesteuert werden;

   ~ öffnen der elektronischen Torschaltung in dem Augenblick, in dem der erste der beiden Kondensatoren einen Spannungewert von fast Null erreicht;

   - Schließen der Torschaltung mittels eines logischen Kreises, welcher aus Bwei Quadratverstärkern besteht» deren Ausgang an den ODER-Exklusivkreis im Augenblick der Entladung des zweiten Kondensators gegeben wird;

   - Legen des am Ausgang der Torschaltung ermittelten Signale an ein RC-Glieö, welches diesen Wert mittelt;

   - Legen des so erhaltenen Signals an ein liaxioUB-Voltmeter;

   - Rückstellen dieses Voltmeters mittels des oben genannten Pulsformerkreises;

   - Mitteln des erhaltenen Stufensignals in einem RC-Glied in einer Zeitkonstante von vorzugsweise 2 Sekunden; und

   - Legen des erhaltenen Signals an einen Gesohwindigkeitspotentiometer-Aufzeichner, der die Aufzeichnung der Klopfintensität als Punktion der Zeit liefert.

   6.) Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrene nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Beschleunigungsmesser der pieeo-elektrischen oder ähnlichen Bauart bzw. andere Einrichtungen zur Ermittlung

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   der Schwingungen; durch,

   - eine Verstärker- und Filtereinrichtung»

   - eine Torschaltung photoelektriecher oder elektromechanischer Art;

   - eine induktive Sonde oder andere geeignete Einrichtungen ;

   - einen Impulsformer;

   - einen "bistabilen Multivibrator vom Plip-^lop-Typ?

   - einen elektronischen Konstantstromintegrator»

   - zwei Kondensatoren;

   - zwei Transistoren;

   - einen logischen Kreis;

   - zwei RC-Glieder;

   - einen MaximuniBpannungsinesser und

   - einen G-eechwindigkeitspotentiometer-AufBeichnero

   7.) Verfahren und Vorrichtung im wesentlichen wie beschrieben und dargestellt.

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