DE2829266C2 - Einrichtung zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen - Google Patents

Einrichtung zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen

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DE2829266C2
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Theodor Prof. Dr. 1000 Berlin Gast
Günter Dipl.-Ing. 7251 Ditzingen Hönig
Uwe Dr.-Ing. 7140 Ludwigsburg Kiencke
Rudolf 7144 Asperg Nagel
Alfred Dipl-Ing. 7141 Oberriexingen Schulz
Heinz Dr.-Ing. 3300 Braunschweig Theuerkauf
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Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung nach der Gattung des Hauptanspruches. Aus der DE-AS 24 45 067 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ermitteln der Klopfgeräusche eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem von einem dem Gesamtgeräusch des Motors entsprechenden Gesamtsignal zur Elimination des Hintergrundgeräusches während des Klopfens ein aus dem Gesamtsignal proportional zu dessen Intensität gebildetes Korrektursignal subrahiert wird. Das Korrektursignal wird gebildet als Mittelwert des Gesamtsignals jeweils eines Zeitintervalls unmittelbar vor Auftreten des Klopfens. Diese Festlegung des Zeitintervalls, in dem das Hintergrundgeräusch erfaßt wird, bringt den Nachteil mit sich, daß parasitäre Schwingungsbeiträge des Meßwertaufnehmers nicht vom unverfälschten Meßsignal getrennt werden können.
  • Parasitäre Schwingungsbeiträge entstehen hauptsächlich durch den Ausschwingvorgang eines mechanischen Schwingungsaufnehmers. Ein derartiger Aufnehmer ist in der Anmeldung älteren Zeitrangs gemäß der DE-OS 28 01 969 vorgeschlagen worden. Beschrieben ist dort ein Biegeschwinger aus piezoelektrischem Material, der auf die Klopffrequenz der Brennkraftmaschine abgestimmt ist. Mit diesem auf Resonanz abgestimmten Biegeschwinger wird eine große Detektions-Empfindlichkeit klopfender Verbrennungszyklen erreicht. Die hohe Güte solcher Schwinger hat jedoch den bereits genannten Nachteil, daß der Biegeschwinger auch über das Ende der Anregung hinaus weiterschwingt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß der Einfluß parasitärer Schwingungen des Biegeschwingers auf das Ausgangssignal minimiert wird.
  • Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß Maßnahmen zur Dämpfung des Ausschwingvorgangs des Biegeschwingers vorgesehen sind. Die Klopfschwingung wird in einem bestimmten ersten interessierenden Zeitfenster erfaßt, in dem normalerweise die Klopfschwingung zu erwarten ist, Störanregungen dagegen weitgehend ausgeschlossen sind. In einem zweiten Zeitfenster, das zwischen den Meßpausen liegt, erfolgt eine Bedämpfung des Biegeschwingers, so daß Fehlmessung weitgehend ausgeschlossen sind und beispielsweise die Klopfschwingungen genau einzelnen Zylindern einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine zugeordnet werden können.
  • Die vorgeschlagenen Einrichtungen sind außerordentlich einfach und daher auch kostengünstig in ihrem Aufbau. Sie sind infolge ihrer Einfachheit auch insbesondere für den rauhen Betrieb in einem Kraftfahrzeug ohne weiteres geeignet.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
  • Fig. 1 verschiedene Diagramme zur Erläuterung des Meßvorganges und der sich daran anschließenden Dämpfungsphase des Biegeschwingers,
  • Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Dämpfung des Biegeschwingers, bei der mit Hilfe eines Null-Durchgangs-Detektors in der Dämpfungsphase ein gegenphasiges Signal auf den Biegeschwinger geschaltet wird,
  • Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2,
  • Fig. 4 einen Biegeschwinger mit geteilten Elektroden, die in der Meßphase untereinander verbunden sind und in der Dämpfungsphase gegeneinander geschaltet werden, so daß ein Ladungsausgleich stattfindet,
  • Fig. 5 einen Biegeschwinger, bei dem mit Hilfe einer Regeleinrichtung während der Dämpfungsphase das Ausgangssignal des Biegeschwingers auf Null geregelt wird,
  • Fig. 6 eine detaillierte Darstellung der Regeleinrichtung gemäß Ausführungsbeispiel nach Fig. 5,
  • Fig. 7 einen Biegeschwinger dem zur Bedämpfung eine Einrichtung zur elektrischen Nachbildung des Biegeschwingers sowie ein Regler zugeordnet sind, und
  • Fig. 8 eine Einrichtung zur Bedämpfung eines nur zwei Elektroden aufweisenden Biegeschwingers.
  • In Fig. 1a ist der Druckverlauf in zwei Zylindern einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine über der Zeit t aufgetragen. Der Zündzeitpunkt des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches ist durch einen Pfeil bei 10 angedeutet. Danach wächst der Druck im Zylinder der Brennkraftmaschine an, erreicht ein Maximum und nach diesem Maximum treten die Klopfschwingungen auf.
  • Für die Ermittlung des Klopfens einer Brennkraftmaschine sind dabei die in Fig. 1b aufgetragenen Zeitfenster bei 22 und 23 interessant. Durch die beachtliche Güte von Biegeschwingern, die zur Ermittlung von Klopfgeräuschen in Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, schwingen derartige Biegeschwinger auch über das Ende der Anregung hinaus weiter. Dies ist in Fig. 1c dargestellt. Die Schwingung eines Biegeschwingers wird durch das Klopfen angeregt, wobei nach Abklingen der anregenden Schwingung nur eine außerordentlich geringe Dämpfung des Biegeschwingers wirksam ist. Dies ist unerwünscht, da sich bei mehrzylindrigen Brennkraftmaschinen keine genaue Aussage darüber machen läßt, ob bei jedem einzelnen Zylinder eine klopfende Verbrennung stattfindet. Es kann sogar durch ungünstige Überlagerungen der erneuten Anregung vom klopfenden Betrieb des folgenden Verbrennungsablaufs zum Auslöschen der Schwingung kommen. Um auch Störungen, z. B. vom Schließen eines Einlaßventils der Brennkraftmaschine zu unterdrücken, wird, wie in Fig. 1b schon angedeutet, nur innerhalb eines bestimmten Meßfensters das Klopfen ermittelt. Dabei wird ein Ausgangssignal gewünscht, wie es in Fig. 1d aufgetragen ist. Ein derartiges Ausgangssignal kann beispielsweise mit einer Einrichtung nach Fig. 2 gewonnen werden.
  • In Fig. 2 ist ein Biegeschwinger 11 dargestellt, der einseitig mit Hilfe einer Spannvorrichtung 12, 13 fest eingespannt ist, wobei die Spannvorrichtung 12, 13 beispielsweise mit dem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine verbunden ist. Der Biegeschwinger 11 wird durch das Klopfen der Brennkraftmaschine zum Schwingen angeregt. Unter Klopfen versteht man im allgemeinen 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 einer Brennkraftmaschine möglichst weitgehend auszunützen, sind Einrichtungen zur Ermittlung des Klopfens erforderlich, die das Klopfen frühzeitig und sicher anzeigen.
  • Der in Fig. 2 dargestellte Biegeschwinger 11 weist zwei Elektroden 14 und 15 auf. Die erste Elektrode 14, die sogenannte Meßelektrode, ist über einen ersten Schalter 16 mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 17 verbunden. Die zweite Elektrode 15 ist einseitig an Masse gelegt und gleichzeitig mit dem nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden. Der Ausgang des Operationsverstärkers 17 ist mit einer Einrichtung 18 zur Ermittlung des Nulldurchgangs der anstehenden Schwingung des Biegeschwingers 11 verbunden. Von dieser Einrichtung 18 führt über einen zweiten Schalter 19 eine Verbindungsleitung zurück zu der Messeelektrode 14.
  • Der erste Schalter 16 ist während der Meßphase geschlossen und während der Dämpfungsphase des Biegeschwingers 11 geöffnet. Entgegengesetzt dazu ist die Stellung des zweiten Schalters 19, der während der Meßphase geöffnet und während der Dämpfungsphase geschlossen ist. Mit der Einrichtung 18 zur Ermittlung des Nulldurchganges wird der Nulldurchgang der anstehenden Schwingung ermittelt, wie dies in dem Diagramm gemäß Fig. 3 dargestellt ist. Die Schwingung des Biegeschwingers 11, d. h. das entsprechende elektrische Signal ist durch den Kurvenzug 20 angedeutet.
  • Der Nulldurchgang 21 wird also durch die Einrichtung 18 ermittelt und in der darauffolgenden Halbperiode, die in Fig. 3 mit einer unterbrochenen Linie dargestellt ist, wird ein gegenphasiges Signal über den dann geschlossenen zweiten Schalter 19 auf die Elektrode 14 des Biegeschwingers 11 gegeben. Dadurch erfolgt eine Dämpfung zwischen den beiden in Fig. 1b bei 22 und 23 angedeuteten Meßintervallen. Durch diese zur momentanen Schwingung entgegengesetzte Anregung wird der Biegeschwinger 11 aktiv gedämpft.
  • Das zur Schwingung des Biegeschwingers 11 gegenphasige Signal, das von der Einrichtung 18 erzeugt wird, kann beispielsweise eine fest vorgegebene Amplitude und/oder eine fest vorgegebene Impulsbreite aufweisen. Ein derartiges Signal läßt sich beispielsweise mit Hilfe einer weiter nicht dargestellten monostabilen Kippstufe erzeugen.
  • Wesentlich vorteilhafter für die Dämpfung des Biegeschwingers 11 günstiger ist es, mit der Einrichtung 18 die Amplitude des Biegeschwingerausgangssignales zu ermitteln. Dies kann beispielsweise durch Spitzenwertgleichrichtung erfolgen. In Abhängigkeit von diesem Signal kann dann die Impulsbreite und/oder die Amplitude des zur Dämpfung an den Biegeschwinger anzulegenden gegenphasigen Spannungsimpuls bestimmt werden. Da dieser Impuls jeweils dem Energieinhalt des vorhergehenden Impulses des Biegeschwingers angepaßt ist, wird die Schwingung des Biegeschwingers besonders rasch abklingen.
  • Mit der anhand von Fig. 2 und 3 erläuterten Umschaltung des Biegeschwingers 11 vom generatorischen Betrieb auf den motorischen Betrieb ist eine besonders einfache und zweckmäßige Dämpfung des Schwingers zwischen den beiden Zeitfenstern 22 und 23 gemäß Fig. 1b möglich.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Bedämpfung eines Biegeschwingers zwischen den beiden Zeitfenstern 22 und 23 ist in Fig. 4 dargestellt. Ein Biegeschwinger 24 ist mit einer Spannvorrichtung 25 einseitig eingespannt. Die obere Elektrode des Biegeschwingers 24 ist in zwei Teilelektroden 25 und 27 aufgeteilt. Die untere Elektrode ist in ebenfalls zwei Teile 28 und 29 geteilt. Die Teilelektrode 26 ist über einen ersten Schalter 30 mit der Teilelektrode 27 verbindbar. Außerdem ist die Teilelektrode 26 über einen Schalter 31 mit der Teilelektrode 29 verbindbar. Die Teilelektrode 28 ist über einen dritten Schalter 32 mit der Teilelektrode 27 verbindbar und außerdem über einen vierten Schalter 33 mit der Teilelektrode 29. Mit einer Einrichtung 34 kann das Meßsignal des Biegeschwingers abgenommen und ausgewertet werden.
  • Während der Meßphase liegt die in Fig. 4 dargestellte Schalterstellung vor. Das heißt der erste Schalter 30 und der vierte Schalter 33 sind geschlossen, so daß die Teilelektroden 27 und 26 miteinander verbunden sind und ebenfalls die Teilelektroden 28 und 29 miteinander verbunden sind. Der Biegeschwinger arbeitet im generatorischen Betrieb und mit Hilfe der Auswerteschalteinrichtung 34 kann das gewünschte Meßsignal abgenommen werden und weiterverarbeitet werden.
  • In der Dämpfungsphase werden die Schalter 30, 31, 32 und 33 umgeschaltet, so daß der erste Schalter 30 geöffnet, der zweite Schalter 31 geschlossen, der dritte Schalter 32 geschlossen und der vierte Schalter 33 geöffnet ist. Dadurch ist die Teilelektrode 26 mit der Teilelektrode 29 und die Teilelektrode 27 mit der Teilelektrode 28 verbunden. Auf diese Weise findet ein Ladungsausgleich statt, der den Schwinger zur Ruhe bringt. Vielfach kann es zweckmäßig sein, in der Dämpfungsphase das Ausgangssignal des Biegeschwingers, das auf der entgegengesetzten Elektrode aufgegeben wird, zu verstärken. Zu diesem Zweck sind zwischen die Teilelektrode 28 und 27 sowie zwischen die Teilelektrode 26 und 29 jeweils Operationsverstärker 35 und 36 geschaltet. Dadurch ist sichergestellt, daß die Anregungsenergie für den Biegeschwinger 24 durch die erzeugte elektrische Energie voll kompensiert werden kann und dadurch eine rasche Dämpfung des Biegeschwingers eintritt.
  • Die Umsteuerung der Schalter 30, 31, 32 und 33 zu Beginn der Dämpfungs- bzw. der Meßphase kann beispielsweise mit Hilfe einer Zündeinrichtung 37 erfolgen. Wird beispielsweise ein digital gesteuerte Zündeinrichtung 37 mit einem Drehzahl-Impulsgeber verwendet, kann bei einer bestimmten Winkelstellung der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, also ausgehend von einer Bezugsmarke bei einer bestimmten Impulszahl eines Zählers die Umschaltung der Schalter 30, 31, 32 und 33 erfolgen. Dies bedeutet, daß also beispielsweise kurz vor Beginn des Zeitfensters 22 die Schalter 30 und 33 geschlossen und die Schalter 31 und 32 geöffnet werden und daß mit dem Ende des Zeitfensters 22 die Schalter 30 und 33 geöffnet, und die Schalter 31 und 32 geschlossen werden. In gleicher Weise kann auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die Meß- und die Dämpfungsphase festgelegt werden.
  • In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Einrichtung zur Ermittlung des Klopfens und zur Dämpfung eines Biegeschwingers in den Meßpausen dargestellt. Ein Biegeschwinger 38 ist so ausgestaltet, daß die auf einer seiner beiden Seiten angebrachte Elektrode zweigeteilt ist. Dadurch entstehen die beiden Teilelektroden 39 und 40. Diesen beiden Teilelektroden 39 und 40 liegt die Elektrode 41 gegenüber, die auf ein Bezugspotential, insbesondere auf Masse gelegt ist. Die Teilelektrode 39 ist an einen Regler 42 angelegt, wobei der Ausgang des Reglers 42 über einen ersten Schalter 43 mit der zweiten Teilelektrode 40 verbindbar ist. Die beiden Teilelektroden 39 und 40 sind über einen zweiten Schalter 44 untereinander verbindbar. Der Schalter 44 ist dabei während der Meßphase geschlossen, der erste Schalter 43 ist dagegen während der Meßphase geöffnet. Umgekehrt ist der erste Schalter 43 während der Dämpfungsphase geschlossen und der zweite Schalter 44 geöffnet. Während der Meßphase laufen beide Elektroden 39 und 40 im generatorischen Betrieb und mit Hilfe einer Auswerteschalteinrichtung 45 kann das elektrische Signal des Biegeschwingers abgenommen und ausgewertet werden. Während der Dämpfungsphase dient das an der Elektrode 39 abnehmbare Signal als Ist-Wert für den Regler 42, der als Sollwert die Spannung Null erhält. Dadurch liefert der Regler an die Teilelektrode 40 die für den Stillstand des Biegeschwinges 38 erforderliche Ladung.
  • Mit dieser Anordnung ist eine besonders gute und rasche Dämpfung des Biegeschwingers 38 zu erhalten. Die Umschaltung des ersten Schalters 43 und des zweiten Schalters 44 kann mit Hilfe der Zündeinrichtung 37 erfolgen, wobei diese Umschaltung wie bei der Anordnung nach Fig. 4 erfolgt.
  • In Fig. 6 ist der Regelkreis gemäß Fig. 5 detailliert dargestellt. Als Biegeschwinger 38 ist ein piezoelektrischer Biegeschwinger mit zwei entgegengesetzt polarisierten Hälften 46 und 47 gewählt. Die zur Polarisation dienenden und normalerweise danach nicht mehr benützen metallisch ausgekleideten Längskanäle des Biegeschwingers werden als Teilelektrode 39 zur Auskopplung des elektrischen Signales benützt. Die Spannung zwischen dieser Teilelektrode 39 und/ oder mehreren parallelgeschalteten Kanälen und der Bezugselektrode 41 wird einem Impedanzwandler 48 zugeführt, der Bestandteil des Reglers 42 ist. Das Ausgangssignal dieses Impedanzwandlers 48 ist über einen Widerstand 49 an den Eingang eines P-D-Verhalten aufweisenden Reglers 50 angelegt, dessen Ausgangssignal über den ersten Schalter 43 auf die Teilelektrode 40 gegeben wird. In dem geschlossenen Regelkreis gelangt ein voreilendes Signal vom Reglerausgang auf den als Regelstrecke fungierenden Biegeschwinger, dessen Verformung dem Signal proportional ist und ein ebenfalls proportionales Ausgangssignal an der Elektrode 39 erzeugt, das seinerseits dem Regler zugeführt wird. Aufgrund des verwendeten P-D-Reglers 50 und der Regelstrecke zweiter Ordung mit schwingendem Verhalten ergibt sich im Regelkreis eine Störübergangsfunktion mit einer von den Regelparametern abhängigen Dämpfung. Der D-Anteil des P-D-Reglers stabilisiert dabei den Regelkreis. Wird dieser D-Anteil des Reglers mit Hilfe eines Schalters 51 ausgeschaltet, so ergibt sich im Regelkreis ein schwingungsfähiges Verhalten mit einer vom Verstärkungsfaktor des Reglers abhängigen Eigenfrequenz. Auf diese Weise läßt sich der Biegeschwinger 38 in seiner Eigenfrequenz künstlich abstimmen.
  • Eine Verbesserung des Dämpfungsverhaltens durch den Regler 42 läßt sich insbesondere bei Vorliegen eines Untergrundrauschens dadurch erzielen, daß die direkte kapazitive Kopplung zwischen der Elektrode 40 und der Elektrode 39 mittels einer geeigneten Schalteinrichtung neutralisiert wird. Hierzu ist eine positive Rückkopplung einer geeigneten Größe am Regler 50 vorzusehen, die beispielsweise mit Hilfe der mit unterbrochenen Linien gezeichneten Widerstände 52 und 53 zwischen dem Ausgang des Reglers 50 und dem nicht invertierenden Eingang des Reglers 50 erfolgen kann.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 dargestellt. Ein Biegeschwinger 54 ist über einen ersten Schalter mit einem Regler 55 verbunden. Dem Regler 55 ist eine Einrichtung 56 zur elektrischen Nachbildung des Biegeschwingers nachgeschaltet. Diese Einrichtung zur elektrischen Nachbildung des Biegeschwingers 54 kann beispielsweise aus zwei rückgekoppelten Integratoren mit beeinflußbarer Frequenz und Dämpfung bestehen. Der Ausgang der Einrichtung 56 zur Nachbildung des elektrischen Biegeschwingers ist auf den Eingang des Reglers 55 zurückgeführt. Der Biegeschwinger 54 ist über einen zweiten Schalter 58 mit dem Ausgang des Reglers 55 sowie mit dem Eingang der Einrichtung 56 verbunden. In der Meßphase ist der erste Schalter 57 geschlossen, während der zweite Schalter 58 geöffnet ist. In dieser Meßphase dient das Ausgangssignal des Biegeschwingers 54 als Sollwert für den Regelkreis mit dem Regler 55 und der Einrichtung 56 zur elektrischen Nachbildung des Biegeschwingers. Diese Einrichtung 56 wird auf die Frequenz und Amplitude des Biegeschwingerausgangssignals eingestellt. Kurz vor dem Meßzeitfenster wird dem Regelkreis 55, 56 durch Umschaltung des ersten Schalters in den geöffneten Zustand der Sollwert Null aufgeschaltet und gleichzeitig der Reglerausgang des Reglers 55 über den während der Meßphase geschlossenen zweiten Schalter 58 auf den Biegeschwinger geschaltet. Bei einem Sollwert Null gibt der Regler nunmehr ein Ausgangssignal an die Einrichtung 56 zur elektrischen Nachbildung des Biegeschwingers, die diese Einrichtung bedämpft, d. h. zur Ruhe bringt. Da die Einrichtung 56 eine Nachbildung des Biegeschwingers 54 ist, ist dieses Signal ebenfalls geeignet, den Biegeschwinger 54 zu dämpfen, d. h. zur Ruhe zu bringen. Während der Dämpfungsphase erhalten also die Einrichtung 56 zur Nachbildung des Biegeschwingers und der Biegeschwinger 54 selbst ein Eingangssignal, das für die Dämpfung der Schwingung erforderlich ist.
  • Die Umschaltung des ersten Schalters 57 und des zweiten Schaltes 58 kann entsprechend den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 4 und 5 mit der Zündeinrichtung 37 erfolgen, die Umschaltung in Abhängigkeit von der Kurbelwellenstellung der Brennkraftmaschine auslöst.
  • Eine weitere vorteilhafte Einrichtung eines Biegeschwingers 60 gilt mit nur zwei Elektroden 61 und 62 in Verbindung mit einem Differenzverstärker ist in Fig. 8 dargestellt. Es wird bei der Einrichtung nach Fig. 8 davon ausgegangen, daß eine besonders wirksame Dämpfung erzielt wird, wenn die auf einen Biegeschwinger 60 zurückwirkende Spannung gegenüber der Verformung um 90° voreilt. Eine solche voreilende Spannung läßt sich an einem insbesondere niederohmigen ohmschen Widerstand 63 in einem Stromkreis gewinnen, der außerdem noch den Biegeschwinger 60 mit seinen Elektroden 61 und 62 als Kapazität C s und einen bei 64 angedeuteten Ausgangswiderstand 68 eines Operationsverstärkers 66 enthält. Bei mechanischer Erregung des Biegeschwingers fließt ein Strom, der praktisch der Schwinggeschwindigkeit proportional ist. Er erzeugt am Widerstand 63 die Spannung
    U R 63 = j ω · C s U pi R 63 .
  • Hierin ist U pi die am Schwinger piezoelektrisch erzeugte Spannung. Die Spannung U R 63 wird nach angemessener Verstärkung in den Kreis eingekoppelt. Sie tritt am Ausgangswiderstand 65 auf und liegt damit als Urspannung im Kreis. Allerdings erzeugt diese rückgekoppelte Spannung nicht nur unmittelbar über die piezoelektrische Anregung, sondern auch direkt über eine reine dielektrische Kapazität C sel des Biegeschwingers einen Strom durch den Widerstand 63. Hierdurch entsteht eine zusätzliche Komponente der Rückkopplungsspannung, die groß gegenüber der an sich erwünschten Spannung ist. Zur Kompensation dieser Komponente wird positive Rückkopplung über einen die Elektrode 61, einen Kondensator 65 und einen Widerstand 67 enthaltenden Zweig der Einrichtung erzeugt, wobei das Kapazitätsverhältnis °=c:30&udf54;&udf53;vu10&udf54;&udf53;vz2&udf54; &udf53;vu10&udf54;ist.
  • Im Operationsverstärker 66 heben sich die beiden rein kapazitiv gebildeten Spannungen auf und es gelangt ausschließlich die piezoelektrisch erzeugte und verstärkte, dabei um 90° voreilende Spannung rückwirkend zum Biegeschwinger 60.
  • Ein Öffnen von zwei Schaltern 68, 69 macht das System meßbereit, durch Schließen tritt Dämpfung des Biegeschwingers 60 ein.

Claims (17)

1. Einrichtung zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen mit Hilfe eines ein Ausgangssignal für eine Auswertung liefernden und auf die Frequenz des Klopfens abgestimmten piezoelektrischen Biegeschwingers, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Zeitintervall (22, 23), nämlich einer Meßphase, die Auswertung des Ausgangssignales des Biegschwingers (11 bzw. 24 bzw. 38 bzw. 54 bzw. 60)und in einem zweiten Zeitintervall, nämlich eine Dämpfungsphase, eine Dämpfung der Schwingung des Biegeschwingers (11 bzw. 24 bzw. 38 bzw. 54 bzw. 60) erfolgt, indem durch Ändern der elektrischen Ladungsverteilung auf den Biegeschwinger (11 bzw. 24 bzw. 38 bzw. 54 bzw. 60) eine zur momentanen Schwingung entgegengesetzte Anregung erzeugt wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (18) zur Ermittlung des Nulldurchganges der Schwingung des Biegeschwingers (11) vorgesehen ist, und daß über diese Einrichtung (18) während der anschließenden Halbperiode eine Spannung mit zum Ausgangssignal des Biegeschwingers (11) umgekehrter Polarität an die Elektroden (14, 15) des Biegeschwingers (11) angelegt ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Operationsverstärker (17) vorgesehen ist, der über einen während der Meßphase geschlossenen und während der Dämpfungsphase geöffneten ersten Schalter (16) mit einer Elektrode (14) des Biegeschwingers (11) verbunden ist, daß der Ausgang des Operationsverstärkers (17) mit der Einrichtung (18) zur Ermittlung des Nulldurchganges in Wirkverbindung steht und daß diese Einrichtung (18) über einen während der Meßphase geöffneten und während der Dämpfungsphase geschlossenen Schalter (19) mit einer Elektrode (14), insbesondere der Meßelektrode, des Biegeschwingers (11) verbunden ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Dämpfung an den Biegeschwinger (11) angelegten Spannungsimpulse eine fest vorgegebene Amplitude und/oder Impulsbreite aufweisen.
5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Ermittlung der Amplitude des Biegeschwingerausgangssignales vorgesehen ist, die die Impulsbreite und/oder die Amplitude der zur Dämpfung an den Biegeschwinger (11) angelegten Spannungsimpulse bestimmt.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden des Biegeschwingers (24) geteilt und derart an Schalter angeschlossen sind, daß während der Meßphase die jeweils zusammengehörenden Teilelektroden (26, 27 bzw. 28, 29) über erste Schalter (30, 33) untereinander verbunden sind und während der Dämpfungsphasen die einander diagonal gegenüberliegenden Elektroden (26, 29 bzw. 27, 28) über zweite Schalter (31, 32) miteinander verbunden sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die während der Dämpfungsphase miteinander verbundenen Teilelektroden (26, 29 bzw. 27, 28) derart zusammengeschaltet sind, daß das an der einen Teilelektrode (28, 26) abgenommene Ausgangssignal des Biegeschwingers (24) über einen Verstärker (35, 36) an die diagonal gegenüberliegende Teilelektrode (27, 29) angelegt ist.
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Biegeschwinger (38) mit wenigstens drei Elektroden versehen ist, von denen wenigstens zwei (39, 41) zum Abgriff des elektrischen Ausgangssignales des Biegeschwingers (38) dienen und von denen eine (41) zusammen mit der dritten Elektrode (40) zur Zuführung eines von einer elektronischen Schalteinrichtung (42) erzeugten elektrischen Signales zur willkürlichen Änderung der Eigenfrequenz und zur Dämpfung des Biegeschwingers (38) vorgesehen ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Dämpfung des Biegeschwingers (38) dienende elektronische Schalteinrichtung einen mit der Meßelektrode (39) verbundenen Impedanzwandler (48) aufweist, der mit einem PD-Verhalten aufweisenden Regler (50) verbunden ist, dessen Ausgang mit der Rückführungselektrode (40) des Biegeschwingers (38) verbunden ist.
10. Einrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung eines vollständigen Abklingens der Schwingung des Biegeschwingers (38) die kapazitive Kopplung zwischen der Rückführelektrode und der Meßelektrode durch ein gegenphasiges Hilfssignal kompensierbar ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Biegeschwinger Verwendung findet, dessen üblicherweise auf einer Seite des piezoelektrischen Elements befindliche, zur Signalauskopplung dienende Elektrode geteilt ist, wobei ein erster Teil als Meßelektrode (39) und ein zweiter Teil als Rückführungselektrode (40) dient.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Biegeschwinger Verwendung findet, bei dem die Auskleidung der zur Polarisation des piezoelektrischen Elements dienenden Längskanäle als Meßelektrode dient.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die willkürliche Änderung der Eigenfrequenz des Biegeschwingers (38) durch Änderung des Verstärkungsfaktors der elektronischen Schaltungseinrichtung (42) erzielt ist.
14. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (56) zur elektrischen Nachbildung des Biegeschwingers (54) vorgesehen ist, der ein Regler (55) zugeordnet ist, der mit seinem Eingang über einen ersten Schalter (57) und mit seinem Ausgang über einen zweiten Schalter (58) mit dem Biegeschwinger (54) verbindbar ist, wobei während der Meßphase der erste Schalter (57) geschlossen und der zweite Schalter (58) geöffnet ist und das Ausgangssignal des Biegeschwingers (54) als Sollwert für den Regelkreis (55, 56) dient und wobei während der Dämpfungsphase der erste Schalter (57) geöffnet und der zweite Schalter (58) geschlossen ist und der Sollwert für den Regelkreis (55, 56) Null ist.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter (30, 31, 32, 33, 43, 44, 57, 58) von einer Zündeinrichtung (37) für die Brennkraftmaschine steuerbar sind.
16. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufschaltung des Dämpfungssignals auf die gleiche Elektrode (62) erfolgt, die auch zur Erzeugung des Meßsignals als Spannungsabfall an einem Widerstand (63) dient und ein entsprechender R-C-Zweig (65, 67) den rein kapazitiv erzeugten, nicht zur Dämpfung beitragenden Signal-Anteil kompensiert.
17. Einrichtung nach Anspruch 1, 10 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode (62) des Biegeschwingers (60) mit dem invertierenden Eingang und die andere Elektrode (61) des Biegeschwingers (60) über einen Kondensator (65) mit dem nicht invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (66) verbunden ist und daß der invertierende Eingang des Operationsverstärkers (66) über einen Schalter (68) und einen Widerstand (63) sowie der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers (66) über einen weiteren Schalter (69) und einen weiteren Widerstand (67) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (66) verbindbar sind.
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