DE3014115A1 - Piezoelektrischer koerperschall-sensor zur ermittlung von klopfgeraeuschen bei verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

• Piezoelektrischer Körperschall-Sensor zur Ermittlung von Elopf-
• geräuschen bei Verbrennungsmutoren I)ie Erfindung betrifft einen Körperschall-Sensor, der aus einem piezoelektrischen Verbundwandler besteht, der in ein Gehäuse eingespannt ist und der speziell für die Ermittlung von Elopfgeräuschen bei Verbrennungsmotoren geeignet ist. Mit einem solchen Sensor soll der Körperschall erfaßt werden, der beim unregelmäßigen Lauf des Motors, dem sogenannten Klopfen, entsteht.
• Durch eine nachgeschaltete Elektronik und durch den Sensor ermittelten elektrischen Signale wird die Zündeinstellung des Motors so beeinflußt, daß ein Klopfen vermieden ird.
• Zur technischen Druckmessung wurde bisher haup-tsächlich die elastische Verformung von Metallegierungen, z. B. Membranen, genutzt. Solche Meßverfahren erfordern in der Regel mindestens zwei in Reihe geschaltete Meßelemente, da bei dem Ausschlagverfahren zunächst der Druck in einem Weg umgeformt werden muß.
• Das zweite Meßelement, der Wegaufnehmer, wandelt den Weg in ein elektrisches Signal um. Solche Bauelemente sind wegen ihrer Größe nicht für den Automobilbau geeignet. Ferner führen solcbe Meßgeräte wegen ihrer geringen Empfindlichkeit zwangsläufig in den nachgeschalteten Verstärkern zu einem größeren elektronischen Aufwand.
• Piezoelektrische Verbundwandler sind zmn Beispiel aus der DE-OS 27 18 289 bekannt. Sie bestehen vorzugsweise aus einer Metall-bzw. Kunststoffelie, die mit einer piezoelektrischen Folie verklebt oder verlötet ist. Wirkt eine geringe Kraft auf einen Verbnndwandler, so wird durch die Durehbiegung eine elektrische Spannung erzeugt, die an den Elektroden abgenommen werden kann und zur Ansteuerung eines Schaltkreises verwendbar ist. Der beschriebene Verbundwandler eignet sich besonders für weg- und kontaktlose Schalter.
• Ein Verbundwandler kann aber auch als Beschleunigungs- bzw. Druckaufnehmer betrieben werden, wie aus der DE-OS 28 03 168 hervorgeht.
• Dabei besteht der Wandler aus einer dünnen kreisrunden Scheibe, auf deren Oberfläche eine piezoelektrische Folie aufgeklebt und die auf die Öffnung eines Rohrstückes aufmontiert ist0 Die Folie ist weiterhin mit Elektroden versehen. Die Scheibe selbst hat etwa den Durchmesser des Rohrstückes und liegt mit ihrem Umfang bündig auf. Beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden der Folie führt diese eine Längenänderung aus. Umgekehrt erzeugt der Druck einer Schallwelle eine periodische Längenänderung der Folie, wodurch eine elektrische Spannung zwischen den Oberflächen der Folie entsteht. Diese Ansführungsform erweist sich für den genannten Anwendungszweck nicht als optimal, da die elektrische Signalausbeute zu gering ist.
• In der Literatur findet man auch Hinweise zur Erhöhung der Empfindlichkeit von piezokeramischen Beschleunigungs-Sensoren auf der Basis von Scherwandlern, wie zum Beispiel bei Jaffe und Cook: "Piezoelectric Ceramics" Seite 274, Academic Press, London and New York 1971. Doch durch die Anordming und durch die alleinige Benutzung des Schereffektes von piezokeramischen Rohren beschränkt sich die Anwendung eines solchen Beschleunigungs-Sensors in Resonanz auf Frequenzen von ca. 80 kllz. Für das hier betrachtete Ailwendungsgebiet, d. h. zur Ermittlung der Klopfgeräusche bei Verbrennungsmotoren benötigt man aber einen Frequenzbereich um die 8 indiz. Somit muß man aus der Vielzahl der bekannten piezoelektrischen Wandler nicht nur einen speziellen Typ herausfinden, sondern er muß auch noch wegen des geringen Platzbedarfes eine hohe Empfiidlichkeit aufweisen. Dem Temperaüuvorhalt;en der Resonanzfrequenz bei heißem Motor bzw. den Rüttelvorgängen beim Fahren muß ebenfalls Rechnung getragen werden.
• Ausgehend von diesen Erkenntnissen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verbundwandler der eingangs beschriebenen Gattung als Körperschall-Sensor zu verwenden und so auszubilden, daß die Empfindlichkeit der Membran erhöht wird und eine solche Halterung vorzunehmen, die eine größtmögliche Durchbiegung und Schwingung erlaubt. Ferner soll der Körperschall-Sensor zur Druckaufnahme von 0,5 bis 50 kllz, insbesondere 8 ]dlz geeignet seine Das elektronische Bauelement muß auch möglichst kleine Abmessungen aufweisen, da ein wesentlicher Platzbedarf im Motorraum nicht vorhanden ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die piezoelektrische-passive und die piezoelektrische-aktive Folie miteinander zu einem Verbundkörper laminiert sind und eine solche Membran zur Verbesserung der Empfindlichkeit mit einer seismischen Masse beschwert ist, wobei die Halterung am Gehäuserand oder an der Knotenlinie des Verbundkörpers erfolgt. Durch den Körperschall des Motors wird nunmehr der piezoelektrische Sensor zu Schwingungen angeregt, die sich in Durchbiegungen des Verbundkörpers und damit in einer Abgabe von elektrischen Spannungen äußern. Durch eine nachgeschaltete Elektronik wird die Einstellung des Zündfunkens so beeinflußt, daß ein Klopfen des Motors nicht mehr auftritt.
• Weiterhin wird erfindungsgemäß die Auslenkung des Verbundkörpers und damit auch die Höhe der abgegebenen Spannung durch das Anbringen einer seismischen Masse verstärkt. Ferner ist darauf zu achten, daß die angebrachte seismische Masse nicht zu einer Vcrsteifung des Verbundkörpers führt und damit zu einer Berabsetzung der abgegebenen Spannung. Dies wird erfindungsgemäß durch eine möglichst geringe Auflagefläche der seismischen Masse erweicht, die entweder in der Mitte des Verbundkörpers angebracht ist oder als Ring am Rand des Gehäuses vorliegt. Damit erhält man die gewiinschte Frequenz bei wesentlich geringerer Durchmeserabmessung.
• Der erfinderische Gedanke ist auch dadurch charakterisiert, daß die piezoelektrische-passive Folie aus Metall, Keramik oder Kunststoff besteht. Die Erfiiilung sieht weiterhin vor, daß die piezoelektrischeaktive Folie aus Piezokeramik oder aus einem piezoelektrischen Kunststoff gefertigt ist.
• Ferner ist erfindungsgemäß die Verwendung des Sensors zur Ermittlung von Körperschallwellen zwischen 0,5 bis 50 IçEz bei Verbrennungsmotoren vorgesehen.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgende Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen. Die Abbildungen zeigen: Fig. 1: Schnitt durch Deckel und Unterteil des Gehäuses mit eingelegtem Verbundkörper; Figo 2: Schnitt und Aufsicht des piezoelektrischen Verbundkörpers; Fig. 3: Anbringen der seismischen Masse bei Halterung am Rand (A) bzw. Halterung in der Knotenlinie (B) Gemäß Fig. 1 besteht der piezoelektrische Körperschall-Sensor aus einem Gehäuse 1 und einem Unterteil 2, der mit einem Deckel 7 versehen ist Alle Teile bestehe vorzugsweise aus Metall. Das Gehäuse-Unterteil 2 kann Jiierbei mit einem Schraubgewinde 4 versehen werden, um eine direkte Befestigung am Motorblock zu ermöglichen. Die Kontaktierung erfolgt einerseits über das Gehäuse l und andererseits über einen isolierten Drahtanschluß 10, der auf der metallisierten Fläche 9 der piezoelektrischen-aktiven Folie 7 aufgelötet ist Der isolierte Drahtanschluß wird durch die Öffnimg 11 im Deckel 3 nach außen geführt0 Wird eine elektrische nichtleitende piezoelektrische-passive Folie 6 verwendet, zum Beispiel Keramik oder Kunststoff, so kann eine um den Rand der piezoelektrischenaktiven Folie 7 herumgezogene Metallisierung verwendet werden, so daß die Kontaktierung der beiden piezoelektrischen Pole von einer Seite durch zwei angelötete Drähte erfolgen kann. Der piezoelektrische Verbundkörper 5 wird im Unterteil 2 des Gehäuses 1 entweder am Rand bzw in der Knotenlinie gehaltert Dabei wird zum Beispiel der Deckel 3 auf das Unterteil 2 aufgeschraubt, so daß der Verbundkörper 5 am Rand zwischen Ausbuchtungen des Oberteils 3 und dem Unterteil 2 fest eingespannt ist. Bei einer Halterung am Rand ist es ferner möglich, den Verbundkörper 5 mit dem Unterteil 2 durch Bördeln zu verbinden, so daß das Oberteil 3 entfallen kann.
• Der piezoelektrische Verbundkörper 5 kann, wie in Fig. 2 afiedergegeben ist, auch aus einer metallischen piezoelektrischen-passiven Folie 6 zinn Beispiel aus Messing oder rostfreiem Stahl, mit einer Schichtdicke von ca. 0>3 mm bestehen und einer aufgeklebten piezoelektrischen aktiven Folie 7, die beidseitig metallisiert ist. Zur Klebung eignen sich beliebige Epexidharze oder ähnliches Material.
• Es gibt aber auch die Möglichkeit des Auflötens dieser Folien trotz ihrer unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Diese Technik ist an sich zuverlässiger, da sie den unterschiedlichen Betriebsbedingungen bei kaltem und heißem Motor Rechnung trägt. Der piezoelektrische Verbundkörper 5 ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet, wobei die piezoelektrische-passive Folie 6 einen Durchmesser von 20 mm und eine Dicke von 0,35 mm hat und die piezoelektrische-aktive Folie 7 einen Durchmesser von 16 mm und eine Dicke von 0,25 imn aufweist.
• Wirkt auf diesen Sensor Körperschall ein, so wird der piezoelektrische Verbundkörper 5 aufgrund seiner Trägheit zu Schwingungen angeregte die zu einer Spannrmgsabgabe im Rhytmus der Erregerfrequenz führt. Dabei erreicht man Spannungen von 620 mV bei einem Resonanzwiderstand von etwa 100 ii, einer elektrostatischen Kapazität von 17 pF und bei einer Beschleunigung mit 1 g in Resonanzfrequenz, wobei die oben angeführten Abmessungen und eine Piezokeramik mit einem k vom 0,5 und einem d33 vom -12 p 500 x 10 D/N zugrunde gelegt wurden. Diese Spannungsabgabe des Verbundkörpers 5 wird um ca. 75 % auf 835 mV erhöht, wenn man ihm mit der seismischen Masse 8 (ein aufgeklebter l g schwerer Messingzylinder nach Fig. 3 A) beschwert. Die seismische Masse bewirkt dabei eine Erhöhung der Trägheit des Verbundkörpers 5 und damit zu einer größeren Durchbiegung. Dadurch wird die Empfindlichkeit des Körperschall-Sensors verbessert und man hat bei gleicher Energie des Körperschallsignales mehr Spannung zur Weiterverarbeitung in der nachgeschalteten Elektronik zur Verfügung, S t ü c k l i s t e Gehäuse 1 Unterteil des Gehäuses 2 Deckel des Gehäuses 3 Schraubgewinde 4 Verbundkörper 5 piezoelektrischer-passiver Folie 6 piezoelektrischer-aktiver Folie 7 seismische Masse 8 Metallisierte Fläche 9 Drahtanschluß 10 Öffnung im Deckel 11

Claims (1)

1. P a t e n t a a n n s 5 r ü c ii e 1. Piezoelektrischer Körperschall-Sensor, bestehend aus einem piezoelektrischen Verbundwandler, der in ein Gehäuse eingespannt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i e h n e t, daß die piezoelektrische-passive (6) und die piezoelektrische-aktive (7) Folie miteinander zu einem Vcrbundkörper (5) laminiert sind und eine solche Membran zur Verbesserung der Empfindlichkeit zusätzlich mit einer seismiscllen Masse (8) beschwert ist, wobei die Halterung am Gehänserand oder an der Knotenlinie des Verbundkörpers (5) erfolgt 2. Körperschall-Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i ch n e t, dnß die piezoelektrische-passive Folie (6) aus Metall bestell-t 3. Körperschall-Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die piezoelelitrische-passive Folie (6) aus Keramik hergestellt ist.

   4. Körperschall-Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die piezoelektrische-passive Folie (6) aus Kunststoff gefertigt ist.

   5. Körperschall-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g c k e n n z e i c h n e -t, dal3 die piezoelektrischeaktive Folie (7) aus Piezokeramik besteht.

   Körperschall-Sensor nach einem der Alisprüche 1 bis 4, d a -d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die piezoelektrische-aktive Folie (7) einen piezoelektrischen Kunststoff darstellt.

   7. Körperschall-Sensor nach einem der Ansprüche l bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die seismische Masse (8) in der Mitte angebracht ist.

   8. Körperschall-Sensor nach einem der Ansprüche 1. bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die seismische Masse (8) als Ring ni Rand des Gehäuses (i) liegt.

   9. Verwendung eines Körperschall-Sensors nach Anspruch l - 8, zur Ermittlung von Körperschall-Wellen zwischen 0,5 bis 50 kflz bei Verbrennungsmotoren.