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Schaltung zur Klopferkennung für Ottomotoren
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Beschreibung Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Klopferkennung
für Ottomotoren, bei denen der Brennraum jedes Zylinders eine an die Sekundärspule
eines Ziindtransformators angeschlossene Zündkerze aufweist.
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Bei nichtklopfender Verbrennung verbrennt das zündfhige Gasgemisch
nach Anlegen des Zindfunkens im wesentlichen gleichmaßig. Der Druck innerhalb des
Brennraumes erreicht kurz nach dem oberen Totpunkt der Kurbelwelle ein Maximun und
sinkt dann gleichmäßig ab. Im Brennraum treten infolge von Turbolenzen geringe Druckschwankungen
auf, die niederfrequent sind und kleine Amplituden aufweisen.
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Eine klopfende Verbrennung tritt auf, wenn das Kraftstoffgemisch
nach der Zündung durch den Zündfunken nicht gleichm0Big verbrennt.
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Insbesondere treten lokale unkontrollierte Verbrennungen auf. Diese
führen zu Stoßwellen und regen Schwingungen in dem Brennraum an. Derartige klopfende
Verbrennungszustande sind zu vermeiden.
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Zur Erfassung des Klopfens ist es bekannt, wShrend des Verbrennungsvorganges
besondere Hilfszundfunken an die Zündkerze anzulegen.
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Damit läßt sich zwar für einen einzelnen Motor der Klopfzustand Uber
den Druckverlauf befriedigend erfassen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß innerhalb
der Exemplare einer Motorserie erhebliche Schwankungen des Druckverlaufs auftreten,
so daß eine solche Anordnung für einen serienmaßigen Einsatz nicht brauchbar ist.
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Die US-PS 32 86 164 beschreibt eine Anordnung, bei der die Zündkerze
als Ionenstromsonde benutzt wird. Jedoch ist dort nicht die Einkopplung einer besonderen
Meßspannung vorgesehen.
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Aus der DE-OS 30 06 665 ist eine Schaltung bekannt, die mit einer
positiven Meßspannung an der Hoch spannungselekt rode der Zündker-Ze arbeitet und
Schwankungen des lonenstromes mißt. Zwar liefert eine positive Meßspannung ein hohes
Nutzsignal. Jedoch kann die positive Meßspannung auf der Hochspannungsseite nicht
unmittelbar in den Zündstromkreis eingekoppelt werden. Vielmehr sind hochohmige
Widerstände erforerlich, die den nutzbaren Signalpegel wieder herabsetzen.
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Aufgabe der Erfindung ist eine solche Ausbildung der Schaltung, daß
ohne besondere Maßnahmen eine positive Meßspannung anwendbar ist und daß eine hohe
Empfindlichkeit gewährleistet wird.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die die
positive Spannung des Ziindimpulses fÜhrende Seite der SekundErspule über eine Vorfunkenstrecke
mit der Hoclispannungselektrode der Zündkerze verbunden ist, daß ein Hochspannungsgenerator
zur Erzeugung einer positiven Cleichhochspannung, die wesentlich kleiner als die
Zündspannung ist, über eine Meßleitung mit einem Meßwiderstand und einer Hochspannungsdiode
an mindestens eine Zündkerze angeschlossen ist, daß an die Meßleitung ein auf die
akustische Eigenfrequenz des betreffenden Brennraumes abgestimmtes Bandpaßfilter
angeschlossen ist und daß dem Bandpaßfilter eine Gleichrichterschaltung sowie eine
Schwellenwertschaltung, die ein Klopfsignal abgibt, nachgeschaltet sind.
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Die Erfindung unterscheidet sich dadurch in nicht naheliegender Weise
vom Stand der Technik, daß sowohl eine positive Zündspannung als auch eine positive
Gleichhochspannung als Meßspannung an die spannungführende Elektrode der Zündkerze
angelegt werden. Die positive Gleichhochspannung ist wesentlich kleiner als die
Zündspannung; dieses bedeutet, daß die Gleichhochspannung nicht zur Zündung der
Funkenstrecke im Zylinder oder der Vorfunkenstrecke ausreicht. }Ur den Zündvorgang
selbst treten keine Schwierigkeiten auf, da die Zündspannung von dem Meßstromkreis
abgetrennt werden kann. Da die Neßspannung nicht auf der Hochspannungsseite zugeführt
wird, sind keine Hochspannungwiderstände erforderlich. Die Meßspannung ergibt infolge
der Geometrie der Zündkerze ein etwa zehnmal größeres Nutzsignal gegenüber einer
negativen Meßspannung. Dieses hÖhere Nutzsignal läßt sich an einem angepaßten Widerstand
leicht in ein Nutzsignal ausreichender Größe umwandeln. Insbesondere ist der Störabstand
größer. Dieses ist besonders an einem Motorprüfstand sowie in Testfahrzeugen von
Nutzen, da dort oft ein besonders hoher Störpegel vorhanden ist.
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Die durch klopfende Verbrennung bedingten Druckschwankungen bedingen
entsprechende Schwankungen der Ionisation des Verbrennungsgases innerhalb des Brennraumes,
so daß der durch das Gemisch fließende Ionisationsstrom entsprechende Schwingungen
oder Schwankungen aufweist. Die Schaltung nach der Erfindung legt über die Zündkerze
eine positive Gleichspannung an das Gasgemisch in dem Brennraum an, so daß entsprechend
der Ionisation ein Strom fließt. Wenn die Ionisation aufgrund von klopfender Verbrennung
schwankt, ao ist der lonisationsstrom entsprechend moduliert. Diese Modulation wird
an dem Meßwiderstand abgenommen und in einem Bandpaßfilter ausgefiltert. Da an dem
Meßwiderstand keine Hochspannung anliegt, kann derselbe niederohmig sein. Änderungen
des Ionisationsstromes bewirken daher ein hohes Nutzsignal.
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Die Erfindung erfaßt die Klopfachwingungen also unmittelbar im Brennraum,
indem durch die Klopfachwingungen verursachte physikalische Verdnderungen im Brennraum
durch Anlegen einer positiven Neßspannung erfaßt werden.
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Die akustischen Eigenfrequenzen der Brennraum von Verbrennungsmotoren
liegen bekanntlich zwischen 6,5 und 15 kHz. Der genaue Wert hängt selbstverständlich
von den Konstruktionsdaten des betreffenden Motors ab. Nach der Erfindung ist das
Bandpaßfilter auf die akustische Eigenfrequenz des jeweiligen Motors abgestimmt.
Es hat sich gezeigt, daß die einzelnen Motoren einer Motorserie keine merklichen
Abweichungen der akustischen Eigenfrequenz zeigen, so daß das Bandpaßfilter auf
die Eigenfrequenz eines Prototyps einer Motorserie abgestimmt werden kann. Es ist
also nicht erforderlich, das Bandpaßfilter jeweils an den einzelnen Motor anzupassen.
Die akustischen Eigenschwingungen des Brennraumes hängen im wesentlichen von Druck,
Temperatur und Brennraumvolumen ab. Im interessierenden Bereich in der Nähe des
oberen Totpunkt ändert sich das Brennraumvolumen kaum, so daß auch in dieser Hinsicht
eine feste Abstimmung des Bandpaßfilters möglich ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Hochspannungsgenerator
eine Spannung zwischen 100 und 500 V abgibt. Mit dieser Spannung erhält man IQnisationsströme,
die ohne weiteres eine Messung erlauben.
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Da der ZUndfunke selbst auch die akustischen Eigenschwingungen des
Brennraumes anregt, muß man dafür Sorge tragen, daß diese Schwingungen unterdrückt
werden. Deshalb sieht die Erfindung vor, daß dem
Bandpaßfiiter ein
von dem Zündimpuls ausgelöster Zeitfensterkreis vorgeschaltet ist. Das Zeitfenster
wird so gelegt, daß die Messung der Klopffrequenzen erst nach Abklingen des eigentlichen
Zündstromes etwa im Bereich des oberen Druckpunktes beginnt.
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Da Störimpulse eine Drebzahlabhhngigkeit oder eine Abhängigkeit von
anderen Parametern wie Temperatur oder dergleichen aufweisen können, sieht die Erfindung
vor, daß die Schwellenspannung der Schwellenwertschaltung drehzahl- und/oder parameterabhängig
verstellbar ist.
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Eine Ausfuhrungsform der Erfindung wird em folgenden unter Bezugnahme
auf die anliegenden Zeichnungen erläutert, in denen darstellen: Fig. 1 eine Schaltung
nach der Erfindung im Blockschaltbild, Fig. 2 einen Kurvenverlauf für nichtklopfende
Verbrennung und Fig. 3 einen Kurvenverlauf für klopfende Verbrennung.
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Fig. 1 zeigt schematisch eine Zündstrecke 1 einer Zündkerze 2 eines
Verbrennungsmotors. Die Zündstrecke 1 befindet sich innerhalb eines nichtdargestellten
Brennraumes eines Zylinders. Der Zündimpuls wird in bekannter Weise über eine Sekundarspule
31 eines Zündtansformators 3 und eine Vorfunkenstrecke 4 zugefUhrt. Die Polung der
Sekundärspule 31 ist so vorgenommen, daß die die negative Spannung des Zündimpulses
fiihrende Seite mit Masse verbunden ist. Die positive Spannung des Zündimpulses
beaufschlagt aleo die spannungfiihrende Elektrode der Zündkerze 2. Die PrimErspule
32 des Zündtransformators 3 wird über einen Zündstromkrets 5 geschaltet, der in
der Zeichnung schematisch durch einen Schalter dargestellt ist. Der Zündimpuls des
Zündstromkreises 5 liegt auch an einer Eingangssleitung 6 eines Zeitfensterkreises
7 an, was noch im einzelnen erläutert wird.
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Ein liochspannungsgenerator 8 erzeugt aus dem Bordnetz 9 eine positive
Gleichhochspannung von etwa 100 bis 500 V, die also wesentlich kleiner als die Zündspannung
ist und zur Zündung der Vorfunkenstrecke oder der Ziindstrecke nicht ausreicht.
Die Vorfunkenstrecke sperrt diese als Meßspannung dienende Gleichhochspannung ab,
so daß dieselbe voll in der Funkenstrecke zur Messung des Ionisationsstromes wirksam
ist. Die Gleichhochspannung liegt über einem Meßwiderstand 10 einer Meßleitung 20
und eine Mochspannungsdiode 11 an der Zündkerze 2 an, so daß diese Gleichhochspannung
durch die leitende Zündstrecke 1 bzw. den Brennraum einen Ionisatiosnstrom bewirkt,
der von dem Ionisationsgrad der Zündstrecke 1 bzw. des Verbrennungsgases abhängt.
Dieser Strom erzeugt in dem Meßwiderstand 1Q einen Spannungsabfall, der über einen
Trennkondensator 12 abgegriffen wird. Die Spannung auf der
Ausgangsseite
der Trennkondensators 12 gelangt über den Zeitfensterkries 7, dessen Funktion noch
im einzelnon erltert wird, in ein Bandpaßlllter 13. Dieses Bandpaßfflter ist auf
die akustische Eigenfrequenz des Brebbraumes abgestimmt.- Diese aknstische Eigenfrequenz
liegt erfabrungsgemäß zwischen 6,5 und 15 khz. Die Ausgungsspannung des Banopaßilters
wird in einem Glelchrichter 14 gleichgerichtet und beaufschlagt eine Schwellenwertschaltung
15, deren Schwellenwert von der Spannung auf der Eingangsleitung 16 abbängt. Wenn
das Gleichspannungssignal am Ausgangsglelchrichter 14 die Schwellenwertspannung
übersteigt. erscheint am Ausgang det Schwellenwertschaltung ein Klopfsignal 17,
das in einer Regelschaltung oder Rechenschaltung weiterverarbeitel werden kann.
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Das Signal auf der Eingargsleitung 16 wird von einem Frequenzspannungswandler
18 bereitgestellt, an dessen Eingang auf der Leitung 19 ein Drehzahlsingnal anliegt.
Das Signal auf der Fingaugsleitung 16 kann auch in Abhängigkeit von anderen Paramete
wie Temperatur oder Ansaugdruck verändert werch n. was im einzelnen nicht dargestellt
ist.
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Fig. 2 zeigt für einen Verbrennungstakt eines Zylinders den Verlauf
des gasdrucks p im Zylinder und des Spannugsverlaufs am Ausgang des Bandpaßfilters
13. Der Druck tnnerhalb des Brennraumes wird mit einer rblichen Drucksonde gemessen,
die über einen Verbindungskanel an den brennsaum angeschlossen ist. Die Zeitshale
beginnt mit dem zündfunden. Man erkennt den üblichen Verlauf des Zöndltnkens. Durch
die Verbrennung steigt der Druck bis über den oberen Tolpunkt hinaus an und föllt
dann ab. Die Spannungskurve zeigt nach Ablsui der Zöndfunkens in Zeilpunkt L1 kaum
noch Schwankungen,so daß die Ausgangsspannung des Gleichrichlets 14 unbeachtlich
ist. Der Zeitfensterkreis 7 wird durch das Zündssignal auf der Eingangsleitung 6
angestlfen und läßt die Zeßsspannung des Trennkondensators 12 zwischon dem Zeitpunkcen
t1 und t2 durch, so daß die entsprechenden linien das Meßienster bezeichnen.
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Fig. 3 zeigt ein Beisspiel einer kloplenden Verbronnung. Der Druckverlsuf
im Brenoraum zeigt Druckschwankungen, die einerseits auf den Eigenschalten des Druckmeßsystems
den sog.pfetfenschwingungen beruhen, denen jedoch anderer seits auch die Frequenzen
egtsprechend den akustischen Figenschwingnngen des Breneraumes überlageil sind.
Durch ungleichmäßige Verbrennung, durch bruckspitzen und durch Stoßwellen werden
diese akustischen Eigenschwingungen angeregt. Innerhalb des M ßlenstets zwischen
t1 end t2 treten Schwingen mit erheblicher.
Amplitude auf der akustischen
Eigentrequenz des Brennraumms auf. Diese änderungen der lonisatlon ergeben bei Anlegen
einer positiven Feßspannnung eit eiwn zchmml höheres Nutzsignnl als bei Aulegen
einer negativen Medspannung. Vermutlich bernht dies auf der Geomelrie der Zändkerze.
Mese Nutzspannungen geben am Ausgang des Gleichrichters 14 ein Signal oberbals Bes
Schwelfenwerts der Schwellenwortschaltwns 15 at, so daß am Ausgang der Schwellenwertschaltung
15 ein Kloplsfgnal 17 erzeugt wird, das weltere Stenmr- bzw. Regelovorgörende Restimpulse
Die Schwellonwertschaltund 15 unlerdrdckt störende Restimpulse.
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Da solche hestimpulso nnter Cmsthnden drehzahlabhängig oder abhängig
von anderon Betriebsparametern sien können, ist der Frenquenz- Spannungswandler
18 vorgeschen, der auf der Eingaogsleitung 16 ein Grehzahlabhängiges Stellsignal
zur Knderung der Schwelle der Schwellonwertspannung 15 abgibt. Man kann den Schwellenwert
auch in Abhängigkeit von anderen Detriebsparjamelern wie Ausaugdruck und dergleichen
Kndern.
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Es hat sich gezeigt, daß bei einor Gleichhochspannung von elwa 160
V und einem M ßwider stand 10 von etwa 10 Fohm ein mittleter Spannungsabfall vot
etwa 6 V durch den lonisationsstrom enzengt wird. Man hat also gige hohe Megemplindlichkeit.
Biesem Spannungsabfall sind im klopfzustand Spannungsschwankungen von 50 lOU bei
der Klopffrquen überlagert, verglelche Fig. 3.
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Die Schaltung uach der Erffinddung ermöglicht die Auswertung dieser
Klopfspannungen. Die Schaltung ermöglicht einen elektrischen Abgriff an der Zöndkerze.
so daß keine besonderen Maßnahmen oder Meßfühler innerhalb der Brennraumes. erfotderlich
sind. Das Anlegen einer possitiven Meßgleichspannung ist ehenialls in einfacher
keise und mit geringem schalsungstechnischem Aufwand auf der Miederspannungsseite
möglich. Die Es findung erlaubt übei die Hesssung des lonisationsstromes eine sichere
Ertassung des Klorfzustandes. Man ist von zeitlichen Znderungen des Klopfens während
des Verbrennungstaktes und von efwaigen Druckschwankungun unabblngig. Die Erlindung
mißt relative Schwankongen des Ionisationsgrades. Diese Schwankingen des lonisationsgrades
sind unmittelbar mit den Klopfschwlingungen bei der akustlschen Eigenfrequenz des
Bronnraumes lorreliert.Die Absolutwerte des Druckes, die eine erbebliche Exemplarstrenung
lnnerhalb der Motoren einer Serie aufweisen können, spielon für die klopfmessung
nach der Erfindung keine Roile.