DE2801969C2

DE2801969C2 - Sensor für Schwingungen

Info

Publication number: DE2801969C2
Application number: DE2801969A
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr. 7000 Stuttgart Binder; Theodor Prof. Dr. 1000 Berlin Gast
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-01-18
Filing date: 1978-01-18
Publication date: 1982-11-04
Also published as: FR2415293A1; FR2415293B1; GB1599727A; IT1110028B; JPS54110882A; DE2801969A1; US4275586A; NL7900384A; SE7900414L; IT7919370A0

Description

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.

Aus der DE-PS 8 70 041 ist eine Vorrichtung zur Messung mechanischer Verformungen bekannt, bei der einseitig eingespannte piezoelektrische Biegeschwinger verwendet werden. Die bekannten Biegeschwinger sind jedoch lediglich für hochempfindliche Messungen, beispielsweise für kardiographische Messungen am menschlichen Körper geeignet und scheiden daher für den rauhen Betrieb an Bord eines Kraftfahrzeuges aus.

Weiterhin ist aus der DE-PS 7 46 666 ein Indikator für

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das Klopfverhalten von Verbrennungsmotoren bekannt, Beläge auf den Flachseiten der Stäbe als Gegenelektro-

bei dem in einer Unterlegscheibe für eine Zündkerze ein de dienen. So entsteht die gewünschte gegenläufige

piezoelektrischer Ring vorgesehen ist. Mit einem Polarisation, die dem piezoelektrischen Element 10 die

derartigen Indikator sind jedoch nur Breitbandmessun- Empfindlichkeit gegenüber Biegungen verleiht Das gen, nicht jedoch selektive Messungen möglich, so daß 5 piezoelektrische Element wird zwischen zwei Metallflä-

sich bei dem relativ hohen Störpegel und dem breiten chen eingespannt, wobei die eine Metallfläche als

Frequenzband von Geräuschen in Brennkraftmaschinen Unterlage 16 und die andere Metallfläche als Spannplat-

Nachteile ergeben können. te 17 ausgebildet ist, die mit Spannschrauben 18 und 19

Schließlich ist aus der DE-AS 16 73 919 noch eine gegen die Unterlage 16 gepreßt werden kann. Zwischen Vorrichtung zum Bestimmen des mechanischen Zustcn- io der Spannplatte 17 und der Unterlage 16 ist ein Ende

des von Maschinen bekanntgeworden, bei der Filteror- des piezoelektrischen Elementes 10 eingespannt Zur

gane mit einem der Resonanzfrequenz des Meßfühlers Isolation des einen Belages des piezoelektrischen

entsprechenden Durchlaßbereich vorgesehen sind. Elements 10 ist zwischen die Spannplatte 17 und das

Hierzu sind jedoch lediglich Ausführungen zu den eingespannte Ende des piezoelektrischen Elements 10

Auswerteschaltungcn gemacht Angaben zur konstruk- is eine Isolationsscheibe 20 aus Glimmer oder einem

tiven Gestaltung des verwendeten Meßfühlers sind entsprechend hochtemperaturbeständigen Kunststoff

nicht angegeben. eingelegt Die gesamte Anordnung des Sensors kann als

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Zylinder ausgebildet werden, der in einer Bohrung des

Sensor der durch den Oberbegriff des Anspruches 1 die Schwingung übertragenden Maschinenelements

bestimmten Art anzugeben, der einfach an der 20 eingeschoben werden kann.

Brennkraftmaschine anzubringen ist auch im rauhen In Fig.3 ist ein piezoelektrisches Element 10 Betrieb eines Kraftfahrzeuges sicher und zuverlässig dargestellt das in einer klammerförmigen Spannvorarbeitet und die Möglichkeit eröffnet durch entspre- richtung 21 eingespannt ist wobei die Innenflächen der chende konstruktive Gestaltung bzw. Dimensionierung Schenkel der klammerförmigen Spannvorrichtung 21 selektiv die Klopfgeräusche zu ermitteln, um dadurch 2s ballig ausgebildet sind. Zwischen den beiden ballig Störsignale bereits bei der Aufnahme unterdrücken zu ausgebildeten Schenkeln der klammerförmigen Spannkönnen, vorrichtung 21 wird ein Ende des piezoelektrischen Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich bei einem Elementes 10 fest eingespannt wobei die beiden solchen Sensor durch die im Kennzeichen des Schenkel mit Hilfe von Spannschrauben 22 und 23 Anspruches 1 genannten Maßnahmen. 30 gegeneinander gepreßt werden. Durch unterschiedli-Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten ches Anziehen der Spannschrauben 22 und 23 kann Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und erreicht werden, daß der Einspannpunkt d. h. der Punkt Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen an welchem die Schenkel auf dem piezoelektrischen Sensor möglich. Element aufliegen, in Längsrichtung des piezoeiektri-Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der 35 sehen Elementes 10 wandert, so daß die wirksame Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Länge des piezoelektrischen Elementes 10 variiert Beschreibung näher erläutert. Es zeigen werden kann. Dadurch ist eine besondere einfache F i g. 1 bis 3 verschiedene Spannarten von piezoelek- Anpassung der Resonanzfrequenz des piezoelektritrischen Elementen und sehen Elementes 10 an die Frequenz des Klopfgeräu-

F ig. 4 den gesamten Aufbau eines Sensors in *o sches der Brennkraftmaschine möglich, schematischerDarstellung. In Fig.4 ist die Anordnung eines Sensors in einer In F i g. 1 ist ein als Biegeschwinger ausgebildetes zylindrischen Aufnahmebohrung 24 dargestellt. Diese piezoelektrisches Element 10 dargestellt das einseitig Aufnahmebohrung wird in einem das Klopfgeräusch der mit einer Spannvorrichtung U eingespannt ist Das Brennkraftmaschine übertragenden Maschinenelement piezoelektrische Element 10 weist zwei gegensinnig "5 angeordnet. Dabei ist darauf zu achten, daß das als polarisierte Streifen 12 und 13 auf, die miteinander Biegeschwinger ausgebildete piezoelektrische Element verklebt sind, wobei an zwei äußeren Elektroden 14 und 10 stets möglichst quer zur Schwingungsrichtung dieses 15 ein elektrisches Signal abgegriffen werden kann, Teils der Brennkraftmaschine ausgerichtet ist. Besonwenn das piezoelektrische Element 10 im Wechsel Zug- ders zweckmäßig ist es, als übertragenes Maschinenele- und Druckspannungen in den beiden miteinander ⁵⁰ ment eine Zylinderkopf-Schraube zu verwenden und verklebten Streifen 12 und 13 ausgesetzt ist. Wegen der den Sensor in einer Querbohrung im Schraubenkopf gegensinnigen Polarisation dieser beiden Streifen 12 einer Zylinderkopfschraube anzuordnen. Da die Zy- und 13 entstehen an den Elektroden 14 und 15 linderkopfschraube beim Klopfen der Brennkraftmagleichsinnige und sich daher addierende Spannungssig- schine mittelbar über den Zylinderkopf dem Wechselnale. Die Spannvorrichtung 11, die U-förmig ausgebildet 55 druck der Klopfschwingung ausgesetzt ist, wird der ist und in die das piezoelektrische Element 10 eingeklebt Sensor bei den dabei erzwungenen Längsschwingungen ist, wird starr mit einem die Klopfgeräusche in der der Schraube besonders gut angeregt. Brennkraftmaschine übertragenden Teil verbunden, Eine andere Anbringungsmöglichkeit für den Sensor wobei das piezoelektrische Element 10 quer zur besteht darin, diesen in einer Querbohrung einer Schwingungsrichtung dieses Teiles der Brennkraftma- ⁶⁰ Unterlegscheibe anzubringen und die Unterlegscheibe schine ausgerichtet ist mit einer Schraube an der Brennkraftmaschine zu

In F i g. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines befestigen.

piezoelektrischen Elementes und der dazugehörigen Der Sensor kann auch direkt in einer Bohrung der Spannvorrichtung dargestellt. Das piezoelektrische Brennkraftmaschine angebracht sein. Element 10 ist ein flacher Stab mit verrundeten ^b5 Eine weitere Möglichkeit zur Befestigung des Seitenflächen und Längskanälen. Die Wände dieser piezoelektrischen Elementes besteht darin, dieses in Kanäle sind metallisiert und werden zusammen als einer Querbohrung in einem zylindrischen Schrauben-Elektrode zur Polarisation benutzt, während die beiden kopf 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 Fig. 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 Beschädigung im unmontierten Zustand des Sensors geschützt. Mit m 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 24 angeordnete piezoelektrische Element starr mit der |-, Brennkraftmaschine verbunden.

Bei Einbau des Sensors in eine zylindrische Bohrung gemäß F i g. 4 besteht die Möglichkeit, daß schwingende piezoelektrische Element 10 durch eine viskose Flüssigkeit zu dämpfen. In diesem Fall muß die Aufnahmebohrung 24 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 28 ist die Anschlußhülse 27 mit einem Spannring 29 verbunden, 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 zweckmäßigerweise eine Luftblase belassen, die als Puffer bei Temperaturänderungen dient. Sie verändert den Dämpfungsgrad des Sensors nur unwesentlich, der hauptsächlich von der Breite und Weite des Spaltes zwischen dem piezoelektrischen Element und der gegenüberliegenden ebenen Fläche der Herstellung 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 zu vermeiden, kann die zylinderförmige Halterung des Sensors an beiden Enden abgerundet und in konischen Aufnahmen gehalten sein. Dadurch sind nur transversale Bewegungen möglich.

Für 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 Fig.4 durch einen tangential angeordneten Kegelstift erfolgen, der dann bei dem mittleren Spannring etwa in Nähe der Schraubenachse der Zylinderkopfschraube angebracht sein muß.

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen mit Hilfe eines piezoelektrischen "Elementes, das über eine Spannvorrichtung mit einem die Klopfgeräusche übertragenden Teil der Brennkraftmaschine verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (10) als Biegeschwinger ausgebildet ist, der an einem Ende mit Hilfe der Spannvorrichtung fest eingespannt und über die Spannvorrichtung (11 bzw. 16,17 bzw. 21) starr mit dem die Klopfgeräusche übertragenden Teil der Brennkraftmaschine verbunden und quer zur Schwingungsrichtung dieses Teils der Brennkraftmaschine ausgerichtet ist

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Biegeschwingers durch konstruktive Gestaltung bzw. durch Dimensionierung auf die Frequenz des Klopfgeräusches abgestimmt ist

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (11 bzw. 16, 17 bzw. 21) ein Einstellglied aufweist, mit welchem die wirksame Länge des Biegeschwingers zur Abstimmung der Resonanzfrequenz des Biegeschwingers auf die Frequenz des Klopfgeräusches einstellbar ist

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Spannvorrichtung (21) klammerförmig ausgebildet ist wobei der Biegeschwinger 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 durch unterschiedliches Anziehen der Spannschrauben (22, 23) der Auflagepunkt am Biegeschwinger und damit dessen Einspannstelle veränderbar ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung eine mit Spannschrauben (18, 19) gegen eine Unterlage (16) drückbare Spannplatte (17) aufweist, wobei zwischen der Spannplatte (17) und der Unterlage (16) ein Ende des Biegeschwingers einspannbar ist

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung (11) U-förmig ausgebildet ist und der Biegeschwinger zwischen die Schenkel der U-förmigen Spann- so vorrichtung (11) geklebt ist

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Anordnung in einer zylindrischen Bohrung (24) des die Klopfgeräusche übertragenden Teiles der Brennkraftmaschine.

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 Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung eine Querbohrung einer mit einer Schraube an der Brennkraftmaschine befestigten Unterlegscheibe darstellt

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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.

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

12. Sensor nach Anspruch 10, 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. deien Aufnahmebohrung vorgesehene Aufnahme (31) einsteckbar ist

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

14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung mit mehreren stufenförmig aufeinander abgestimmten Sensoren zur Erzielung eines breiten Spektrums der aufzunehmenden Frequenzen.