DE3008780C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung der beim Klopfen ei­ ner Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen mit Hilfe mindestens eines piezoelektrischen Elements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß bei Otto-Motoren unter bestimmten Arbeitsbedingun­ gen ein sogenanntes Klopfen auftritt. Das sind tonfrequente Schwingun­ gen des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches, die durch eine Stoß­ welle ausgelöst werden. Während dieser Schwingungen ist der Wärmeüber­ gang an Kolben und Zylinderwänden der Brennkraftmaschine stark über­ höht. Dies bedingt eine schädliche thermische Überlastung dieser Flächen, so daß das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden ist. Um den be­ stehenden Spielraum der Betriebsweise möglichst weitgehend auszunutzen, muß ein Sensor das Klopfen frühzeitig und sicher anzeigen. Aus der Schrift DE-OS 28 01 969 ist bereits bekannt, Biegeschwinger zum Messen des Klopfens eines Otto-Motors einzusetzen. Als Biegeschwinger wird da­ bei ein piezoelektrisches Element vorgeschlagen. Piezoelektrische Ele­ mente sind jedoch spröde, so daß sie sowohl bei der Bearbeitung als auch bei starken Belastungen leicht brechen. Dies hat den Nachteil, daß bei der Fertigung so beschaffener Klopfsensoren die Ausfallquote recht hoch ist und weiter die Sensoren bei starker Belastung im Betrieb, bei­ spielsweise harten Schlägen, die bei Unebenheiten der Fahrbahn auf den Motor einwirken, durch Brechen des Biegeschwingers funktionsunfähig werden.

Ferner ist in der Druckschrift DE-OS 29 17 213 ein Schwingungsaufnehmer zum Ermitteln des Klopfens einer Brennkraftmaschine beschrieben. Am freien Ende des Biegeschwingers ist ein Aufnehmer angeordnet, der im wesentlichen aus Piezoelementen und einer seismischen Masse besteht. Die Schwingungen werden dabei zuerst auf die seismische Masse übertra­ gen, die dann aufgrund der Auslenkungen im Piezoelement Spannungssigna­ le hervorrufen. Um einen bestimmten Klopffrequenzbereich aufnehmen zu können, sind mehrere Teile aufwendig aufeinander abzustimmen. Dadurch baut der Aufnehmer kompliziert und störanfällig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bekannten Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen so zu verbessern, daß er bei möglichst einfacher Ausge­ staltung leicht speziellen Belastungen angepaßt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß man in der Wahl des Biegeschwingermaterials frei ist, um es bei­ spielsweise speziellen Belastungen besser anpassen zu können. Dadurch läßt sich der Ausschuß in der Fertigung minimieren und die Zuverlässig­ keit des fertigen Sensors erhöhen. Der Biegeschwinger kann mit einem Stanzvorgang hergestellt werden. Die Wahl der Geometrie des piezokera­ mischen Wandlers ist nicht durch Resonanzbedingungen eingeschränkt. Die Forderungen nach hoher Stabilität und einfacher Herstellung lassen sich dabei besser erfüllen. Durch einfachen, schnellen Austausch des Biege­ schwingers oder durch eine Längenänderung kann der Sensor der gewünsch­ ten Frequenz angepaßt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteil­ hafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angege­ benen Sensors möglich. Um besonders einfache Geber zu erhalten, ist es günstig, die Biegeschwinger zusammen mit den piezoelektrischen Elemen­ ten in eine gemeinsame Halterung einzuspannen, wobei der Biegeschwinger zusammen mit piezoelektrischen Platten zwischen Spannbacken eingespannt ist. Wird auf jeder Seite des Biegeschwingers je eine von zwei piezo­ elektrischen Platten angebracht, die entgegengesetzt polarisiert sind, so kompensieren sich die nur in der Einspannung ausgelösten Schwingun­ gen in ihrer Auswirkung weitgehend.

Ist es notwendig, in den Meßpausen den Biegeschwinger durch Gegenkop­ plung zu dämpfen, so ist es vorteilhaft, die vom Schwinger auf die Piezokeramik übertragenen Kräfte nicht auf die Kanten zu konzentrie­ ren, sondern auf die Flächen der Keramikplättchen. Der Biegeschwinger wird in dem Falle mit seinem Ankopplungsteil mit eigener oder äußerer Federkraft gegen die Keramikplatte gedrückt und kann daher leicht aus­ gewechselt werden. Bei einer solchen Anordnung läßt sich der Sensor dann besonders einfach herstellen, wenn das piezoelektrische Element rohrförmig ausgebildet ist. Damit der Spanndruck nicht zu hoch gemacht werden muß, ist es weiterhin günstig, die Spannvorrichtung formschlüs­ sig auszuführen.

Als elastisches Material eignet sich aufgrund seiner Preisgünstigkeit und seinen mechanischen Eigenschaften besonders Federstahl. Um die Sen­ soren schlüssig mit der Brennkraftmaschine zu verbinden, hat sich eine Anordnung einer zylindrischen Bohrung eines mit der Brennkraftmaschine verbundenen Maschinenelements als vorteilhaft erwiesen. Konstruktiv er­ wies sich die Anordnung in der Querbohrung des Schraubenkopfs einer Zy­ linderkopfmaschine als besonders einfach und vorteilhaft. Zur Vermei­ dung von Schmutz und zur Dämpfung der Feder und des Biegeschwingers ist es günstig, zylindrische Bohrungen mit einer Dämpfungsflüssigkeit zu füllen und dicht abzuschließen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen

Fig. 1 und 2 schematisch verschiedene Anordnungen des Sensors,

Fig. 3 den gesamten Aufbau eines zweiten Sensors in schematischer Darstellung und

Fig. 4 das piezoelektrische Element eines Sensors nach Fig. 3 von der Vorderseite.

Ein Biegeschwinger aus Federstahl 1 ist zusammen mit einem piezokeramischen Plättchen 2 in einer Spannvor­ richtung geklammert. Die Spannvorrichtung setzt sich aus zwei Isolierplättchen 3 und 4 als Spannbacken und zwei Schrauben 5 und 6 zusammen, die die Biegefeder 1 und das piezoelektrische Element 2 gegen das schematisch dar­ gestellte Maschinenteil 7 pressen. Das Maschinenteil 7, mit dem der Sensor starr verbunden ist, muß die Klopfge­ räusche in der Brennkraftmaschine übertragen, wobei der Biegeschwinger 1 quer zur Schwingungsrichtung dieses Teiles der Brennkraftmaschine ausgerichtet ist. Durch die Schwin­ gungen des Biegeschwingers 1 wird das piezoelektrische Ele­ ment 3 in seiner Einspannung, insbesondere im Bereich seiner Kante 8 elastisch deformiert, so daß an den Zu­ leitungen 9 ein der Querkraft proportionales elektrisches Signal abnehmbar ist. Die Abnahme der Spannung erfolgt dadurch, daß das piezoelektrische Element an seinen Längs­ seiten 10 und 11 elektrisch leitend ausgebildet ist, indem beispielsweise Leiter aufgedampft sind oder metal­ lische Flächen vorgesehen sind. Als metallische Fläche für die Seite 11 kann insbesondere auch der Biegeschwinger 1 selbst verwendet werden.

In Fig. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines Klopfsensors mit piezoelektrischen Elementen darge­ stellt. Auf beiden Seiten des Biegeschwingers 1 sind piezoelektrische Elemente 2 a und 2 b angebracht, deren Polarisationsrichtungen P entgegengesetzt sind. Der Biege­ schwinger 1 und die piezoelektrischen Elemente 2 a und 2 b sind wiederum zwischen zwei Isolierplatten 3 und 4 mit den Schrauben 5 und 6 an dem schematisch dargestellten Maschinen­ teil 7 befestigt. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist dieselbe wie in Fig. 1 beschrieben. Über die Zuleitungen wird die Summe der an den beiden piezoelektrischen Platten erzeugten Spannungen gemessen. Eine Spannung tritt nur auf, wenn die mechanischen Belastungen in den beiden Platten entgegengesetzt sind, z. B. bei einer angeregten Biege­ schwingung. Störschwingungen der Einspannung, die beide Platten gleichsinnig belasten, führen zu keinem Signal.

In Fig. 3 ist ein weiterer Sensor dargestellt, der in einer Querbohrung eines Schraubenkopfes einer Zy­ linderkopfschraube 12 einer Brennkraftmaschine einge­ bracht ist. Die Zylinderkopfschruabe 12 weist eine Querbohrung 13 auf, die im ersten Drittel abgesetzt ist. Gegen diesen Absatz 14 ist eine kreisförmige Isolierplatte 15 als erste Spannbacke angelegt, der ein rohrförmig ausge­ bildetes piezoelektrisches Element 16 folgt. Das rohr­ förmige Element 16 hat einen etwas kleineren Durchmesser als die Querbohrung an dieser Stelle. Gegen das rohr­ förmige piezoelektrische Element 16 ist mittels einer Feder 17 ein Biegschwinger 18 gepreßt, der an seinem Fuß verbreitert ist und als zweite Spannbacke dient. Als Widerlager der Feder 17 dient eine in ein Gewinde der Querbohrung eingebrachte Schraube 19. Die rückwärtige Seite der Querbohrung ist ebenfalls durch eine in ein Gewinde eingebrachte Schraube 20 abgeschlossen. An den piezoelektrischen Elementen sind zwei Drähtchen befestigt, die beide durch eine Bohrung in der Schraube isoliert herausgeführt werden. Auch hier wird die Summe von zwei piezoelektrisch erzeugten Spannungen gemessen. Die Biege­ schwingungen liefern ein dem Biegemoment proportionales Signal. Statt des rohrförmigen Biegeelements 16 sind auch zwei getrennte Keramikstäbe verwendbar. In Fig. 4 ist das piezoelektrische Element 16, das in einem Sensor nach Fig. 3 Verwendung findet, von vorne dargestellt. An der Innenseite des rohrförmigen Elements 16 sind Kontaktierungen 23 und 24 angebracht, an die die Drähtchen 21 und 22 befe­ stigt sind. Die Gegenelektrode 25 erstreckt sich ungeteilt über den ganzen Außenmantel.

Der Biegeschwinger 18 ist einfach durch Lösen der Schraube 19 auswechselbar, so daß Biegeschwinger un­ terschiedlicher Frequenz und Abmessung verwendet werden können. Die Übertragung des Biegemoments des Biegeschwingers 18 an der Einspannstelle auf die piezokeramischen Elemente 16 erfolgt so, daß diese in Längsrichtung durch Druck bzw. Entlastung periodisch belastet werden. Die piezoelektrische Meßspannung ist an den Leitern 21 und 22 abgreifbar. Zur Dämpfung des Systems ist es günstig, vor dem Schließen der Schraube 19 oder 20 den verbleibenden Hohlraum der Querbohrung mit einem Dämpfungsmittel, beispiels­ weise Öl, zu füllen.

Durch Verschieben der Biegeschwinger in der Einspannung bei einem Sensor nach Fig. 1 oder 2, kann die Resonanzfre­ quenz des Sensors optimiert werden. Bei einer Anordnung nach Fig. 3 ist die Optimierung der Resonanzfrequenz durch ein Auswechseln des Schwingers 18 möglich. Eine andere Möglichkeit zum Abstimmen auf die Resonanz­ frequenz ist durch das Anbringen von Bohrungen oder das Anbringen von Gewichten auf den Biegeschwingern möglich. Durch eine entsprechende Dimensionierung des Sensors können auf diese Weise die Klopfgeräusche selektiv ermittelt werden, so daß Störsignale außerhalb des Frequenzbereichs der Klopfgeräusche bereits bei der Aufnahme unterdrückt bzw. nicht mehr vom Sensor erfaßt werden.

Claims (12)

1. Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auf­ tretenden Schwingungen mit Hilfe mindestens eines piezoelektrischen Elements, sowie mit einem damit gekoppelten Biegeschwinger (1, 18) aus elastischem Material, der an der Einspannstelle mit Hilfe einer Spann­ vorrichtung einseitig fest eingespannt ist und mit einem die Klopfgeräusche über­ tragenden Teil der Brennkraftmaschine derart verbunden ist, daß er sich quer zur Schwingungsrichtung dieses Teils der Brennkraftmaschine (7, 12) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einspannstelle des Biegeschwingers (1, 18) das mit dem Biegeschwinger gekoppelte piezo­ elektrische Element (2, 2 a, 2 b, 16) zwischen Spannbacken angebracht ist, von denen mindestens eine starr mit dem die Klopfgeräusche über­ tragenden Teil der Brennkraftmaschine (7, 12) verbunden ist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannvor­ richtung die Spannbacken dienen.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Spannbacke und dem Biegeschwinger (1) eine das piezoelektrische Ele­ ment bildende piezoelektrische Platte (2) angebracht ist.

4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen beiden Spannbacken und dem Biegeschwinger (1) je eine piezoelektrische Platte (2 a, 2 b) als jeweiliges piezoelektrisches Element angebracht ist, die untereinander entgegengesetzt polarisiert sind.

5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Spannvor­ richtung eine Feder (17) dient, die den Biegeschwinger (16) gegen in Spannbacken gelagerte piezoelektrische Elemente (16) drückt.

6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die piezoelek­ trischen Elemente (16) rohrförmig ausgebildet sind.

7. Sensor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Spannvorrichtung Nuten (14) angebracht sind, in denen die piezoelek­ trischen Elemente (16) gelagert sind.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als elastisches Material Federstahl Verwendung findet.

9. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung in einer zylindrischen Bohrung (13) eines mit der Brenn­ kraftmaschine verbundenen Maschinenelements.

10. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung in einer Querbohrung (13) in einem Schraubenkopf einer Zylinderkopfschraube (12) der Brennkraftmaschine.

11. Sensor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Sensor aufnehmende Aufnahmebohrung (13) mit einer Dämpfungsflüssigkeit gefüllt ist.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Bohrung dicht abgeschlossen ist.