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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft einen Klopfdetektor zur Verwendung bei einer
Zündeinstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Funkenzündung, bei dem insbesondere
das Ausgangssignal eines Schwingungssensors, der die Schwingungen der Maschine aufnimmt,
mit einem Untergrundrauschvergleichssignal verglichen wird, um ein Klopfsignal zu
erzeugen, wenn das Ausgangssignal des Sensors eine grössere Amplitude als das Vergleichssignal
hat, wobei verhindert wird, dass das Klopfsignal einen Einfluss auf das Vergleichssignal
hat und dass das Zündrauschen einen Einfluss auf die Aufnahme des Klopfens hat.
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Durch die Erfindung wird ein Klopfdetektor geschaffen, der die Schwingungen
der Maschine aufnimmt, um ein Schwingungssignal zu erzeugen, das diese Schwingungen
wiedergibt.
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Das Signal wird anschliessend durch einen Gleichrichter gleichgerichtet,
um ein gleichgerichtetes Signal zu erzeugen, das über eine Mittelungsschaltung geglättet
wird, so dass sich ein geglättetes Untergrundrauschvergleichssignal ergibt. Das
Signal vom Sensor wird entweder bevor oder nachdem es gleichgerichtet ist, mit dem
Vergleichssignal durch einen Komparator verglichen, der ein Klopfsignal erzeugt,
das das Auftreten und die Stärke des Klopfens wiedergibt, wenn immer das Signal
vom Sensor grösser als das Vergleichssignal ist. Es ist eine erste Unterbrechungseinrichtung
vorgesehen, die auf jede Funkenzündung anspricht, indem sie das Anlegen des Schwingungssignales
an den Komparator für ein festes Zeitintervall unmittelbar nach jeder Zündung unterbricht,
um zu verhindern, dass das Zündrauschen die Aufnahme des Klopfens beeinflusst. Es
ist eine zweite Unterbrechungseinrichtung vorgesehen, die auf das Klopfsignal vom
Komparator
anspricht, indem sie das Anlegen des gleichgerichteten Signales wenigstens an die
Mittelungsschaltung unterbricht, um einen Einfluss des Klopfens auf das Vergleichssignal
auszuschliessen. Die Stärke des Klopfens wird daher mit hoher Genauigkeit aufgenommen,und
es werden nur Schwingungen aufgrund des Klopfens in der richtigen Weise als vom
Klopfen stammend bestimmt.
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Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung näher beschrieben: Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer Zündeinstelleinrichtung
für eine Brennkraftmaschine mit Funkenzündung, bei der ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemässen Klopfdetektors vorgesehen ist.
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Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild des Klopfdetektors.
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Fig. 3 zeigt das Zeitdiagramm der in den Fig. 1 und 2 dargestellten
Vorrichtungen.
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Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild der Phasensteuerschaltung und des
Zündreglers in Fig. 1.
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Fig. 5 zeigt das Schaltbild der Lade- und Entladeschaltung der Phasensteuerschaltung.
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Fig. 6 zeigt das Zeitdiagramm der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung.
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Fig. 7 zeigt in einer grafischen Darstellung die Beziehung zwischen
dem Vorstellwinkel des Zündzeitpunktes und der Stärke des Klopfens.
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Fig. 8 zeigt eine andere Anordnung des den Einfluss des Zündrauschens
verhindernden Gatters bei dem in Fig. 2 dargestellten Detektor.
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Fig. 9 zeigt eine weitere Anordnung des den Einfluss des Zündrauschens
verhindernden Gatters.
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Fig. 10 zeigt eine andere Anordnung des den Einfluss des Klopfsignales
verhindernden Gatters bei dem in Fig. 2 dargestellten Klopfdetektor.
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Fig. 11 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Klopfdetektors.
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In den Fig. 1 und 2 ist eine Zündeinstellvorrichtung 10 für eine Brennkraftmaschine
mit Funkenzündung dargestellt, bei der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen
Klopfdetektors vorgesehen ist. Der Klopfdetektor 12 weist einen Schwingungssensor
120 auf, der beispielsweise am Zylinderblock, am Zylinderkopf oder am Ansaugkrümmer
der Maschine angebracht ist, die alle nicht dargestellt sind. Der Sensor kann beispielsweise
ein magnetostriktiver oder piezoelektrischer Sensor sein.
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Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, erzeugt der Sensor ein Signal S,
das über ein den Einfluss des Zündrauschens verhinderndes Gatter 122 aus einem Widerstand
R1 und einem Transistor Tr1 an einem Bandpassfilter 124 liege, das im typischen
Fall eine mittlere Passfrequenz f0 von 7 Hz und einen Q Wert ( = f0/2 f) von 10
hat, so dass es ein Signal s mit einer Bandbreite von a im wesentlichen 5 bis 10
kHz durchlässt, das das typische Klopfsignal ist. Genauer gesagt, hängt der Frequenzbereich
des Klopfsignales hauptsächlich von der Form und der Temperatur jeder Brennkammer
der Maschine ab. Das Filter 124 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass der Grundpegel
des Passignales S a von 0 auf +V Volt verschoben wird, was jedoch nicht notwendigerweise
der Fall sein muss.
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Das Signal Sa wird durch einen Gleichrichter 126, der beispielsweise
ein Halbwellengleichrichter sein kann, gleichgerichtet und mit einem geeigneten
Verstärkungsfaktor in ein gleichgerichtetes Signal 5b verstärkt, das in Fig. 3 dargestellt
ist und über ein den Einfluss des Klopfssignales verhinderndes Gatter 128 an eine
Mittelungsschaltung 130 liegt, wo es geglättet wird. Die Mittelungsschaltung 130
kann ein Tiefpassfilter oder eine integrierende Schaltung mit einer relativ grossen
Entladezeitkonstante enthalten, um ein im wesentlichen konstantes Untergrundrauschvergleichssignal
5r zu liefern, wie es in Fig. 3 dargestellt ist.
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Das Signal 5a vom Filter 124 wird gleichzeitig durch einen Verstärker
132 zu einem Signal Sa, verstärkt, wie es in Fig.
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3 dargestellt ist, das anschliessend mit dem Untergrundrauschsignal
5r durch einen Komparator 134 verglichen wird.
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Wenn das Signal Sa, eine grössere Amplitude als das Signal 5r hat,
erzeugt der Komparator ein entsprechendes Impulssignal Sp mit hohem Pegel, wie es
in Fig. 3 dargestellt ist, das das Vorliegen und die Stärke des Klopfens während
dieser Zeit wiedergibt.
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Das Impulssignal 5 steuert dann eine integrierende Schaltung p 140
einer Einstellschaltung 14 für den Zündzeitpunkt derart, dass die Schaltung 140
eine Integration nach der Zeit mit einer ersten Zeitkonstante durchführt, während
das Klopfsignal 5 vorliegt und beim Fehlen des Klopfsignales 5 sich mit p p einer
zweiten anderen Zeitkonstante entlädt, so dass das Signal S in ein Spannungssignal
Va umgewandelt wird, das p der Stärke des Klopfens entspricht. Eine Phasensteuerschaltung
142 der Einstellschaltung 14 spricht auf das Signal Va an und verzögert entsprechend
das Zündzeitsignal St, das ein Verteiler 16 nach Massgabe der Arbeitsverhältnisse
der Maschine berechnet hat, um ein nachjustiertes Signal St
an
einen Zündregler 18 zu legen. Dieser Regler berechnet auf der Grundlage des Signales
St, ein Schliesswinkelimpulssignal um um die elektrische Stromversorgung einer Zündspule
20 so zu steuern, dass eine Funkenentladung an einer nicht dargestellten Zündkerze
jedes Zylinders über den Verteiler 16 zeitlich an der vorderen Flanke jedes Impulses
des Schliesswinkelimpussignales Sf auftritt, so dass das Klopfen unterdrückt wird
oder ein weiteres Klopfen vermieden wird. Einzelzeiten des Aufbaues und der Arbeitsweise
der Phasensteuerschaltung 142 und des Zündreglers 18 sind in den Fig. 4, 5 und 6
dargestellt. Das Kurbelwellenwinkelvergleichssignal das das ein Grundsignal ist,
das durch die Regler und Saugluftwinkel bestimmt ist, wird einmal pro Umdrehung
von 1800 der Kurbelwelle bei einer Vierzylindermaschine oder einmal pro Umdrehung
von 120° der Kurbelwelle bei einer Sechszylindermaschine erzeugt. Das Winkelvergleichssignal
St wird durch einen Wellenformer 144 in ein Signal geformt, das regelmässige Rechteckimpulse
hat, deren Impulsbreite durch eine Steuerschaltung 146 für das Tastverhältnis in
der in Fig. 6 F dargestellten Weise in Abhängigkeit von der Drehzahl der Kurbelwelle
und der Spannung der Energiequelle eingestellt wird.
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Die Impulse des Signales F haben eine konstante Breite und ihre in
die negative Richtung gehenden Flanken F2 treten an den in negative Richtung gehenden
Nulldurchgängen 0 des Signales St auf. Das Ausgangssignal F der Steuerschaltung
146 für das Tastverhältnis liegt an zwei Hilfsschaltungen 148a und 148b, die eine
Lade- und ntladeschaltung 148 bilden.
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D.h. im einzelnen, dass in der Hilfsschaltung 148a der Ausgang F der
Steuerschaltung 146 für das Tastverhältnis den Eingang einer Reihenschaltung aus
einer Diode D1 und einem Kondensator C2 bildet, der zum Setzeingang einer Flip-Flop-Schaltung
PF1 der Hilfsschaltung 148a führt. Die Flip-Flop-Schaltung FF1 wird durch die in
die negative Richtung gehende Flanke F2 des Signales F gesetzt und durch das Signal
von einem Komparator OP1 rückgesetzt, um das in Fig. 6 mit CO1 bezeichnete Signal
zu erzeugen. Wenn das Signal CO1 einen niedrigen Pegel hat,
wird
ein Transistor Tr3 über einen Widerstand R3 gesperrt und wird ein Transistor Tr
über Widerstände R4 und R5 durch die Energiequelle +V durchgeschaltet. Ein Kondensator
C1 wird daher über einen Widerstand R6 und den Transistor Tr4 auf geladen, wobei
die Ladespannung über dem Kondensator C1 durch die Steigung m1 in Fig. 6 dargestellt
ist. Wenn das Ausgangssignal Q der Flip-Flop-Schaltung FF1 einen hohen Pegel hat,
wird der Transistor Tr3 durchgeschaltet und wird der Transistor Tr4 gesperrt. Der
Kondensator C1 wird nicht weiter aufgeladen und beginnt sich über einen Widerstand
R7 zu entladen, wobei die Entladekurve durch die Steigung n in Fig. 6 dargestellt
ist. Das Ausgangssignal des Komparators OP1 kommt auf einen hohen Pegel, wenn das
Potential über dem Kondensator C1, das durch die Wellenform CD in Fig. 6 dargestellt
ist, und über einen Widerstand R12 am invertierenden Eingang des Komparators OP1
liegt, unter den Spannungspegel des Eingangssignales des Komparators OP1 fällt,
der durch die Widerstände R8 und Rg bestimmt ist, und die Flip-Flop-Schaltung FF1
rückge--setzt wird.
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Normalerweise wird der obige Arbeitsvorgang wiederholt, wenn jedoch
ein Klopfen auftritt, nimmt die Ausgangsspannung Va der integrierenden Schaltung
140 zum Zeitpunkt z 0, beispielsweise um Va in Fig. 6 zu. Die Wellenform von Va
in Fig. 6 ist der Einfachheit halber gegenüber der tatsächlichen Wellenform etwas
vereinfacht dargestellt. Ein Transistor Tr5 in Fig. 5, der den Puffer 150 in Fig.
4 bildet, wird daher über einen Widerstand R10 durchgeschaltet. Der Kondensator
C1 wird über einen Widerstand R11 und den Transistor Tr5 mit einem elektrischen
Strom proportional zur Ausgangsspannung Va aufgeladen und gleichfalls über den Transistor
Tr4 und den Widerstand R6 durch die Energiequelle +V aufgeladen, wobei die Ladewellenform
durch die Steigung m2 in Fig. 6 dargestellt ist. Wenn die Spannung über den Kondensator
C1 zunimmt, nimmt auch die Zeit zu, die erforderlich ist, um den Kondensator C1
auf irgendeinen gewünschten Wert zu entladen, was aus einem Vergleich der Entladezeiten
A t1 und
t2 in Fig. 6 ersichtlich ist. Diese Entladezeiten entsprechen
den Verzögerungen von den Nulldurchgängen des Kurbelwellenwinkelvergleichssignales
St. Die Verzögerungen variieren in Abhängigkeit von den Ladegradienten oder Steigungen
m1 und m2 und der Unterschied zwischen den Entladezeiten #t1 und #t2 gibt den Unterschied
zwischen den entsprechenden Zündzeitpunkten wieder.
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D.h. im einzelnen, dass der Ladegradient mi der Wellenform CD in Fig.
6 dann, wenn das Ausgangssignal V der intea grierenden Schaltung 140 grösser als
Null ist, durch das Ausgangssignal Va der integrierenden Schaltung 140 gesteuert
wird, während der Entladegradient n konstant ist.
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Dabei gilt mi ( T - bti) = n x Ati ti (1) 1 1 wobei i gleich m1 ist,
wenn v gleich Null ist, und gleich a m2 ist, wenn Va positiv ist, T die Periode
des Signales F bezeichnet und # ti die Entladezeit ist, die dem Entladegradienten
n entspricht, wobei A t gleich At1 ist, wenn Va gleich Null ist, und gleich # t2
ist, wenn Va positiv ist.
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Eine Umwandlung des Ausdruckes (1) ergibt: # ti = mi ..... (2) 1 -
1 T mi+n Da der Verzögerungswinkel #1 = #ti x α ... (3), T wobei d gleich
1200 bei einer Sechszylindermaschine und gleich 1800 bei einer Vierzylindermaschine
ist, ergibt ein Einsetzendes Ausdruckes (2) in die Gleichung (3):
m.
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= = x i m.+n Der Ausdruck (4) zeigt, dass der Verzögerungswinkel
ei eine Funktion des Ladegradienten mi ist.
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Die zweite Hilfsschaltung 148b hat denselben Aufbau und dieselbe Funktion
wie die Hilf sschaltung 148a mit der Ausnahme, dass die Diode D2 der Hilfsschaltung
148b mit gegenüber der Diode D1 der Hilfsschaltung 148a entgegengesetzter Polung
über einen Kondensator C3 am Setzeingang S einer Flip-Flop-Schaltung FF2 der Schaltung
148b liegt, so dass die Flip-Flop-Schaltung FF2 durch die in positive Richtung gehende
Flanke F1 des Signales F von der Steuerschaltung 146 für das Tastverhältnis gesetzt
wird. Die vorderen Flanken der Ausgangsimpulse CO1 und CO2 der Schaltungen 148a
und 148b liegen somit über Dioden-und Kondensatorenpaare D31 C4 und D4, C5 am Rücksetzeingang
R und am Setzeingang S jeweils einer Flip-Flop-Schaltung 180 des Zündreglers 18,
um ein Schliesswinkelsignal St, in Fig. 6 zu erzeugen, das um einen Phasenwinkel
e2 gegenüber dem Ausgangssignal F von der Steuerschaltung für das Tastverhältnis
verzögert ist. Dieses Signal St, liegt über einen Verstärker 182 und einen Leistungstransistor
184 des Zündreglers 18 an der Zündspule 20. Ein Stromsensor 186 nimmt den Strom
wahr, der in Fig. 6 mit Sf dargestellt ist und durch den Leistungstransistor 184
fliesst, um den Verstärkungsfaktor des Verstärkers 182 zu steuern und somit den
durch den Leistungstransistor 184 fliessenden Strom zu steuern. Der durch den Leistungstransistor
184 und die Zündspule 20 fliessende Strom erzeugt einen Zündfunken an der nicht
dargestellten Zündkerze des entsprechenden ebenfalls nicht dargestellten Maschinenzylinders
und zwar über den Verteiler 16 an der Vorderflanke jedes Stromimpulses Sf.
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Der Zündzeitpunkt und die Stärke des Klopfens stehen in der in Fig.
7 dargestellten Weise in Beziehung derart miteinander, dass bei einer Verzögerung
des Zündzeitpunktes ein weiteres Klopfen unterdrückt oder vermieden wird.
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Der Multivibrator 136 wird durch die ansteigende Flanke jedes Impulses
des Zündsignales Sf betätigt, das in Fig.
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3 dargestellt ist, und vom Zündregler 18 ausgegeben wird, um ein Signal
G1 zu erzeugen, das für ein festes Zeitintervall 1 1 von beispielsweise 0,8ms einen
hohen Pegel bekommt. Dieses Signal G1 schaltet den Transistor Tr1 des Gatters 122
für das feste Zeitintervall t 1 unmittelbar nach jeder Zündung durch, um den Ausgang
S vom Schwingungssensor 120 an Masse zu legen und somit das Anlegen des Ausgangssignales
S an der Filter 134 zu unterbrechen, wodurch verhindert wird, dass ein Zündrauschen
N, wie es in Fig.
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3 dargestellt ist, zusammen mit dem Signal S vom Sensor 120 in das
Bandpassfilter 124 eintritt. Das Zündrauschen N ist daher im Ausgangssignal 5a vom
Verstärker 132 nicht vorhanden , so dass keine Gefahr besteht, dass das Zündrauschen
irrtümlicherweise als ein Signal interpretiert wird, das auf dem Klopfen beruht.
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Das Gatter 122 kann am Ausgang des Bandpassfilters 124 oder des Verstärkers
132 vorgesehen sein, wie es in Fig. 8 und 9 dargestellt ist. Wenn diesbezüglich
das Gatter 122 am Ausgang des Bandpassfilters 124 vorgesehen ist, ist es wünschenswert,
dass der Emitter des Transistors Tr1 mit einer Energiequelle +V5 verbunden ist und
dass der Ausgang des Transistors Tr1 am Eingang des Gleichrichters 126 liegt, so
dass das Zündrauschen dem Gleichrichter nicht zugeführt wird. Wenn das Gatter 122
am Ausgang des Verstärkers 132 vorgesehen ist, sollte der Emitter des Transistors
Tr1 vorzugsweise an der Energiequelle +V5 liegen.
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Da das Gatter 122 dazu dient, auf der Basis des Zündsignales das Anlegen
des Ausgangssignales S des Sensors 120 wenigstens an den Komparator 134 zu unterbrechen,
liegt das Zündrauschen nicht am Komparator 134. Statt des Signales Sa, kann das
gleichgerichtete Signal Sb vom Gleichrichter 126 dem Komparator 134 eingegeben werden,
wie es durch eine unterbrochene Linie bl in Fig. 2 dargestellt ist.
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Der Transistor Tr2 des den Einfluss des Klopfsignales verhindernden
Gatters 128 wird durch das Ausgangssignal G2 eines monostabilen Multivibrators 138
durchgeschaltet, um das Eingangssignal der Mittelungsschaltung 130 auf einen Spannungspegel
+V zu bringen. Der Multivibrator 138 wird durch die ansteigende Flanke eines Impulses
eines Signales Sp betätigt, das vom Komparator 134 ausgegeben wird, wenn ein Klopfen
auftritt, um das Signal G2 zu erzeugern, das in Fig. 3 dargestellt ist, und das
für ein festes Zeitintervall 2 von beispielsweise 3 ms auf einen hohen Pegel komst,
sowie den Transistor Tr2 des Gatters 128 für das feste Zeitintervall z 2 unmittelbar
auf das Auftreten eines Klopfens durchschaltet, um dadurch das Ausgangssignal Sb
des Gleichrichters 126, das in Fig. 3 dargestellt ist, für dieses Zeitintervall
auf +V herabzusetzen, wodurch das Zuführen des Signales Sb und dadurch des Klopfsignales
zur Mittelungsschaltung 130 unterbrochen wird.
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Die Mittelungsschaltung 130 enthält ein Tiefpassfilter 124 mit einer
relativ grossen Entladezeitkonstanten, so dass sie während des Klopfens ihr Ausgangssignal
im wesentlichen auf dem Pegel des Signales Sb unmittelbar vor der Unterbrechung
des Signales Sb hält. Das Untergrundrauschvergleichssignal 5r von der Mittelungsschaltung
130 wird daher während des Klopfens auf dem Pegel des Eingangssignales Sb unmittelbar
vor dem Auftreten des Klopfens, d.h. auf einem im wesentlichen konstanten Pegel
gehalten. Es besteht daher keine Gefahr,
dass ein Klopfen irrtümlich
wahrgenommen wird, da das Untergrundrauschvergleichssignal fälscherlicherweise zunimmt.
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Wenn das durch das Filter 124 hindurchgehende Signal nicht um +V5
durch das Filter 124 verschoben wird, sollte der Emitter des Transistors Tr2 des
Gatters 128 an Masse liegen.
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Das Gatter 128 kann vor dem Gleichrichter 126 vorgesehen sein, um
einen ähnlichen Effekt zu erzielen, wie es in Fig.
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10 dargestellt ist. Der Klopfdetektor kann auch so abgewandelt werden,
dass das Gatter 128 fehlt und nur das Gatter 122 verwandt wird, wobei die Ausgangssignale
G1 und G2 der monostatilen Multivibratoren 136 und 138 über ein ODER-Glied 140 an
der Basis des Transistors Tr1 des Gatters 122 liegen, wobei in diesem Fall das Gatter
122 entweder zwischen dem Schwingungssensor 120 und dem Bandpassfilter 124 oder
direkt hinter dem Filter 124 vorgesehen sein kann, wie es in Fig. 11 dargestellt
ist.
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Da das Gatter 128 die Zuleitung des gleichgerichteten Signales Sb
wenigstens zur Mittelungsschaltung 130 auf der Grundlage des Ausgangssignales Sp
vom Komparator 134 beim Auftreten eines Klopfens unterbricht, nimmt das Untergrundrauschvergleichssignal
5r durch das Auftreten des Klopfens nicht zu, wie es in Fig. 2 dargestellt ist,
wobei Sr1 4 Sr2 < Sr3 ist, so dass die Anzahl der Impulse des Impulssignales
Sp vom Komparator 134 die Höhe oder Stärke des Klopfens mit sehr hoher Genauigkeit
wiedergibt. Die Verwendung des Impulssignales Sp, das exakt der Amplitude des Signales
vom Komparator 134 entspricht, das dann erhalten wird, wenn das Gatter 122 oder
beide Gatter 122 und 128 verwandt werden, stellt eine richtige Zündung, bei der
ein weiteres Klopfen unterdrückt oder vermieden wird, über die Einstellschaltung
14 für den Zündzeitpunkt, den Zündregler 18, die Zündspule 20, den Verteiler 16
an den jeweils nicht dargestellten Zündkerzen sicher.
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Zusammenfassung Klopfdetektor, der die Schwingungen einer Maschine
wahrnimmt, um ein diese Schwingungen wiedergebendes Schwingungssignal zu erzeugen.
Das Signal wird durch eine Mittelungsschaltung gleichgerichtet und geglättet, um
ein geglättetes Untergrundrauschvergleichssignal zu erzeugen. Das Signal vom Sensor
wird entweder vor der Gleichrichtung oder nach der Gleichrichtung mit dem Untergrundrauschvergleichssignal
in einem Komparator verglichen, der ein Klopfsignal, das das Auftreten und die Stärke
des Klopfens wiedergibt, immer dann erzeugt, wenn das Signal vom Sensor grösser
als das Untergrundrauschvergleichssignal ist. Eine erste Unterbrechungsschaltung
spricht auf jede Zündung an, indem sie die Zuleitung des Schwingungssignales zum
Komparator für ein festes Zeitintervall unmittelbar nach jeder Zündung unterbricht,
um zu verhindern, dass das Zündrauschen die Wahrnehmung des Klopfens beeinflusst.
Eine zweite Unterbrechungsschaltung spricht auf das Klopfsignal vom Komparator an,
indem sie die Zuleitung des gleichgerichteten Signales wenigstens zur Mittelungsschaltung
unterbricht, um einen Einfluss des Klopfens auf das Vergleichssignal aufzuschliessen.
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Ein Ausführungsbeispiel eines derartigen Klopfdetektors ist in Fig.
2 dargestellt.