DE2801969A1

DE2801969A1 - Sensor fuer schwingungen

Info

Publication number: DE2801969A1
Application number: DE19782801969
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr Binder; Theodor Prof Dr Gast
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-01-18
Filing date: 1978-01-18
Publication date: 1979-07-19
Also published as: DE2801969C2; GB1599727A; IT7919370A0; SE7900414L; FR2415293B1; US4275586A; NL7900384A; FR2415293A1; IT1110028B; JPS54110882A

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des Hauptanspruches. Es ist bekannt, daß bei Otto-Motoren unter bestimmten Arbeitsbedingungen ein sogenanntes Klopfen auftritt. Das sind tonfrequente Schwingungen des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches, die durch eine Stoßwelle ausgelöst werden. Während dieser Schwingungen ist der Wärmeübergang an Kolben- und Zylinderwänden der Brennkraftmaschine stark erhöht. Dies bedingt eine schädliche thermische Überlastung dieser Flächen, so:.daß das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden ist. Da es jedoch erwünscht ist, den bestehenden Spielraum der Betriebsweise möglichst weitgehend auszunützen, besteht Interesse an einem Sensor, der das Klopfen frühzeitig und sicher anzeigt. Bekannte Sensoren zu diesem Zweck sind piezoelektrische Druckindikatoren, die in eine besondere Bohrung im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingeschraubt werden und mit dem Innenraum des Zylinders der Brennkraftmaschine in Verbindung stehen. Eine derartige Befestigungsart ist außerordentlich aufwendig und teuer. Außerdem sind die bekannten Sensoren derart gestaltet, daß sie breitbandig Schwingungen aufnehmen und entsprechende elektrische Signale abgeben. Dies hat zur Folge, daß außer dem interessierenden schmalbandigen Signal des Klopfens auch eine Vielzahl von Störgeräuschen aufgenommen wird, wobei sich diese Störgeräusche als breitbandiges Untergrundrauschen bemerkbar machen. Um Ausgangssignale derartiger Sensoren auswerten zu können, ist daher entweder eine Differenzbildung von Intensitäten zu verschiedenen Zeitpunkten oder eine Filterung der Signale erforderlich. Beide Maßnahmen sind aber aufwendig und teuer und erhöhen zudem die Störanfälligkeit der gesamten Einrichtung zur Ermittlung der Klopfgeräusche.

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Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß er einfach an der Brennkraftmaschine anzubringen ist und auch im rauhen Betrieb eines Kraftfahrzeuges sicher und zuverlässig arbeitet. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß durch entsprechende konstruktive Gestaltung bzw. Dimensionierung der Sensor selektiv die Klopfgeräusche ermittelt und dadurch Störsignale bereits bei der Aufnahme unterdrückt bzw. nicht mehr von dem Sensor erfaßt werden.

Durch die in den Unteransprüchen angeführten Maßnahmen ist eine vorteilhafte Weiterbildung und Verbesserung des im Haupanspruch 1 gegebenen Sensors möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig.l bis 3 verschiedene Spannarten von piezoelektrischen Elementen und Fig. 4 den gesamten Aufbau eines Sensors in schematischer Darstellung.

Beschreibung der Erfindung

In Figur 1 ist ein als Biegeschwinger ausgebildetes piezoelektrisches Element 10 dargestellt, das einseitig mit einer Spannvorrichtung 11 eingespannt ist. Das piezoelektrische Element 10 weist zwei gegensinnig polarisierte Streifen 12 und 13 auf, die miteinander verklebt sind, wobei an zwei äußeren Elektroden 14. und 15 ein elektrisches Signal abgegriffen werden kann, wenn das piezoelektrische Element 10 im Wechsel Zug- und Druckspannungen in den beiden miteinander verklebten Streifen 12 und 13 ausgesetzt ist. Wegen der gegensihnigen Polarisation

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dieser beiden Streifen 12 und 13 entstehen an den Elektroden l4 und 15 gleichsinnige und sich daher addierende Spannungssignale. Die Spannvorrichtung 11, die U-förmig ausgebildet ist und in. die das piezoelektrische Element 10 eingeklebt ist, wird starr mit einem die Klopfgeräusche in der Brennkraftmaschine übertragenden Teil verbunden, wobei das piezoelektrische Element 10 quer zur Schwingungsrichtung dieses Teiles der Brennkraftmaschine ausgerichtet ist.

In Figur 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Elementes und der dazugehörigen Spannvorrichtung dargestellt. Das piezoelektrische Element 10 ist ein flacher Stab mit verrundeten Seitenflächen und Längskanälen. Die Wände dieser Kanäle sind metallisiert und werden zusammen als Elektrode zur Polarisation benutzt, während die beiden Beläge auf den Flachseiten der Stäbe als Gegenelektrode dienen. So entsteht die gewünschte gegenläufige Polarisation, die dem piezoelektrischen Element 10 die Empfindlichkeit gegenüber Biegungen verleiht. Das piezoelektrische Element wird zwischen zwei Metallflächen eingespannt, wobei die eine Metallfläche als Unterlage 16 und die andere Metallfläche als Spannplatte 17 ausgebildet ist, die mit Spannschrauben 18 und 19 gegen die Unterlage 16 gepreßt werden kann. Zwischen der Spannplatte 17 und der Unterlage 16 ist ein Ende des piezoelektrischen Elementes 10 eingespannt. Zur Isolation des einen Belages des piezoelektrischen Elements 10 ist zwischen die Spannplatte 17 und das eingespannte Ende des piezoelektrischen Elements 10 eine Isolationsscheibe 20 aus Glimmer oder einem entsprechend hochtemperaturbeständigen Kunststoff eingelegt. Die gesamte Anordnug des Sensors kann als Zylinder ausgebildet werden, der in einer Bohrung des die Schwingung übertragenden Maschinenelementes eingeschoben werden kann.

In Figur 3 ist ein piezoelektrisches Element 10 dargestellt, das in einer klammerförmigen Spannvorrichtung 21

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eingespannt ist, wobei die Innenflächen der Schenkel der klammerförmigen Spannvorrichtung 21 ballig ausgebildet sind. Zwischen den beiden ballig ausgebildeten Schenkeln der klammerförmigen Spannvorrichtung 21 wird ein Ende des piezoelektrischen Elementes 10 fest eingespannt, wobei die beiden Schenkel mit Hilfe von Spannschrauben 22 und 23 gegeneinander gepreßt werden. Durch unterschiedliches Anziehen der Spannschrauben 22 und 23 kann erreicht werden, daß der Einspannpunkt, d.h. der Punkt an welchem die Schenkel auf dem piezoelektrischen Element aufliegen,in Längsrichtung des piezoelektrischen Elementes 10 wandert, so daß die wirksame Länge des piezoelekrischen Elementes 10 variiert werden kann. Dadurch ist eine besonders einfache Anpassung der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elementes 10 an die Frequenz des Klopfgeräusches der Brennkraftmaschine möglich.

In Figur 4 ist die Anordnug eines Sensors in einer zylindrischen Aufnahmebohrung 2h dargestellt. Diese Aufnahmebohrung wird in einem das Klopfgeräusch der Brennkraftmaschine übertragenden Maschinenelement angeordnet. Dabei ist darauf zu achten, daß das als Biegeschwinger ausgebildete piezoelektrische Element 10 stets möglichst quer zur Schv/ingungsrichtung dieses Teils der Brennkraftmaschine ausgerichtet ist. Besonders zweckmäßig ist es, als übertragendes Maschinenelement eine Zylinderkopf-Schraube zu verwenden und den Sensor in einer Querbohrung im Schraubenkopf einer Zylinderkopfschraube anzuordnen. Da die Zylinderkopfschraube beim Klopfen der Brennkraftmaschine mittelbar über den Zylinderkopf dem Wechseldruck der Klopfschwingung ausgesetzt ist, wird der Sensor bei den dabei erzwungenen Längsschwingungen der Schraube besonders gut angeregt.

Eine andere besonders vorteilhafte Anbringungsmöglichkeit für den Sensor besteht darin, diesen in einer Querbohrung

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einer Unterlegscheibe anzubringen und die Unterlegscheibe mit einer Schraube an der Brennkraftmaschine zu befestigen.

Der Sensor kann auch direkt in einer Bohrung der Brennkraftmaschine angebracht sein.

Eine weitere Möglichkeit zur Befestigung des piezoelektrischen Elementes besteht darin, dieses in einer Querbohrung in einem zylindrischen Schraubenkopf einer Schraube anzubringen und die Schraube in eine Bohrung in der Brennkraftmaschine einzudrehen.

Das piezoelektrische Element ist mit der Spannplatte 17 gegen die Unterlage 16, wie in Figur 2 erkennbar, gepreßt. Die gesamte Halterung ist dabei als Zylinder ausgebildet, der insbesondere in eine Querbohrung in einem Schraubenkopf einer Zylinderkopfschraube eingeschoben werden kann. Dabei kann das piezoelektrische Element in einem eingefrästen Streifen 25 des Zylinders frei schwingen, wird aber gegen Besc ädigung im unmontierten Zustand des Sensors geschützt. Mit den Spannschraubenpaaren 18 und 19 wird das piezoelektrische Element 10 über die Spannplatte fest eingespannt. Durch die zylindrische Ausgestaltung des Sensors ist damit das in der Aufnahmebohrung 2k angeordnete piezoelektrische Element starr mit der Brennkraftmaschine verbunden.

Bei Einbau des Sensors in eine zylindrische Bohrung gemäß Figur k besteht die Möglichkeit, daß schwingende piezoelektrische Element 10 durch eine viskose Flüssigkeit zu dämpfen. In diesen Fall muß die Aufnahmebohrung 2'[ mit einem Dichtungselement 26 abgeschlossen werden. Außerdem ist eine Anschlußröhre 27 vorgesehen, durch die eine nicht dargestellte elektrische Anschlußleitung zu dem piezoelektrischen Element 10 geführt ist. Über einen Kunststoffzwischenring ist die Anschlußhülse 27 mit einem Spannring 29 verbunden,

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der etwa den Durchmesser der Aufnahmebohrung 24 hat. Dieser Spannring 29 wird in der Aufnahmebohrung 24 mit Hilfe eines Kegelstiftes 30 arretiert, der in eine Aufnahme 31 eingepreßt werden kann.

In der mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllten Aufnahmebohrung 24 ist zwckmäßigerweise eine Luftblase belassen,
die als Puffer bei Temperaturänderungen dient. Sie verändert den Dämpfungsgrad des Sensors nur unwesentlieh, der hauptsächlich von der Breite und Weite des Spaltes zwischen dem
piezoelektrischen Element und der gegenüberliegenden ebenen Fläche der Halterung abhängt.

Bei der Belastung der Zylinderkopfschrauben durch den Druck im Verbrennungsraum wird der Schraubenkopf der Zylinderkopfschrauben derart verformt, daß seine Oberfläche eine Krümmung erfährt. Bei einer zylindrischen Halterung des Sensors in
der Aufnahmebohrung 24, bei der die Halterung überall fest
anliegt, kann eine Durchbiegung der zylinderförmigen Halterung eintreten. Bei einer derartigen Durchbiegung wird aber das eingespannte Ende des piezoelektrischen Elements geschwenkt. Hierdurch tritt eine weitere Anregung ein, die
allerdings derjenigen durch Heben der Einspannung entgegenwirkt. Um diese Einwirkung suvvermeiden, kann die sylinderförmige Halterung des Sensors an beiden Enden abgerundet und in konischen Aufnahmen gehalten sein. Dadurch sind nur transversale Bewegungen möglich.

Pur besondere Anwendungsfälle ist es auch denkbar, die zylinderförmige Halterung mit einem genau in die Aufnahmebohrung 24 passenden mittleren Haltering zu versehen, der nur die Schwingung der zentralen Kopfpartie der Zylinderkopfschraube auf
den Sensor überträgt. Die Befestigung kann dann ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 durch einen tangential angeordneten Kegelstift erfolgen, der dann bei dem
mittleren Spannring etwa in Nähe der Schraubenachse der Zylinderkopfs chraube angebracht sein muß.

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Wenn bei bestimmten Anwendungsfällen ein etwas breitbandigeres Signal ermittelt werden soll, können mehrere stufenförmig angeordnete und aufeinander abgestimmte Seonscren Verwendung finden.

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Claims

16.1.1973 Ka/Kö

Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1

Ansprüche

1.) Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen mit Hilfe eines piezoelektrischen Elementes, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (10) als Biegeschwinger ausgebildet ist, der an enem Ende mit Hilfe einer Spannvorrichtung fest eingespannt und über die Spannvorrichtung (11 bzw. l6, 17 bzw. 21) starr mit dem einem die Klpofgeräusche übertragenden Teil der brennkraftmaschine verbunden und quer zur Schwingungsrichtung dieses Teils der Brennkraftmaschine ausgerichtet ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (10) durch konstruktive Gestaltung bzw. durch Dimensionierung auf die Frequenz des Klopfgeräusches abgestimmt ist und das Klopfsignal selektiv empfängt .

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ORIGINAL INSPECTED

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3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (11 bzw. lö, 17 bzw. 21) ein Einstellglied aufweist, mit welchem die wirksame Länge des Biegeschwingers (10) zur Abstimmung der Resonanzfrequenz des Biegeschwingers (10) auf die Frequenz des Klopfgeräusches einstellbar ist.

l\. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet , daß die Spannvorrichtung (21) klammerförmig ausgebildet ist, wobei das piezoelektrische Element (10) zwischen den Schenkeln der klammerförmigen Spannvorrichtung (21) mit Hilfe von Spannschrauben (22, 23) eingespannt ist, und daß die Innenflächen der Schenkel ballig ausgebildet sind, wobei duch unterschiedliches Anziehen der Spannschrauben (22, 23) der Auflagepunkt an dem piezoelektrischen Element (10) und damit dessen Einspannstelle veränderbar ist

5· Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung eine mit Spannschrauben (l8j 19) gegen eine Unterlage (16) drückbare Spannplatte (17) aufweist, wobei zwischen der Spannplatte (17) und der Unterlage (l6) ein Ende des piezoelektrischen Elementes (10) einspannbar ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (11) U-förmig ausgebildet ist und des piezoelektrische Element (10) zwischen die

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Schenkel der U-förmigen Spannvorrichtung (11) geklebt ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Anordnung in einer zylindrischen Bohrung (24) eines mit der Brennkraftmaschine verbundenen Maschinenelementes .

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Anordnung in einer Querbohrung (24) in einem Schraubenkopf einer Zylinderkopfschraube der Brennkraftmaschine.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit einer Halterung (16, 27, 28, 29) versehen ist, welche in eine zylindrische Aufnahmebohrung (24) einsteckbar und in dieser arretierbar ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Sensor aufnehmende Aufnahmebohrung (24) mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist.

11. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Arretierung der Halterung (16, 27, 28, 29) ein Kegelstift (30) vorgesehen ist, der zur verbiegungsfreien Festklemmung der Halterung (16, 27, 28, 29) in eine quer zur Achse der Halterung bzw. deren Aufnahmebohrung vorgesehene Aufnahme (31) einsteckbar ist.

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12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die Halterung (16, 27, 28, 29) mit einem Dichtungselement (26) zur Abdichtung des Innrenraumes der Aufnahmebohrung (24) versehen ist.

13· Sensor nsch einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Verwendung mit mehreren stufenförmig aufeinder abgestimmten Sensoren zur Erzielung eines breiten
Sprektrums der aufnehmenden Frequenzen.

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