DE3813932C2

DE3813932C2 -

Info

Publication number: DE3813932C2
Application number: DE3813932A
Authority: DE
Inventors: Satosi Himeji Hyogo Jp Komurasaki
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1987-04-30
Filing date: 1988-04-25
Publication date: 1991-08-22
Also published as: DE3813932A1; JPH01159467A; US4840158A; KR910009753B1; JPH07113353B2; KR880012906A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Über wachung des Zündzeitpunktes in Verbrennungsmotoren, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE-OS 30 18 553).

Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art (DE-OS 30 18 553) ist ein Ausblenden von Rauschen, das die Klopfsignalerfassung stört, nicht vorgesehen. Ein solches Ausblenden findet bei einer Klopfregelungs- Vorrichtung anderer Gattung statt (DE-OS 34 16 358).

Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild einer anderen herkömmlichen Vorrichtung zur Klopfüberwachung von Verbrennungsmotoren.

Bezugszahl 1 bezeichnet einen an dem Verbrennungs motor befestigen Beschleunigungssensor zum Erfassen der Vibrationsbeschleunigung in dem Motor, Bezugs zeichen 2 ein Frequenzfilter, das nur solche Kom ponenten des Ausgangssignals des Beschleunigungs sensors 1 passieren läßt, welche überwiegend auf das Klopfen zurückzuführen sind, und Bezugszeichen 3 ein analoges Tor zum Ausblenden von Rauschen, welches das Erfassen von Klopfsignalen in dem Ausgang des Frequenzfilters 2 stört.

Das analoge Tor 3 wird mittels eines Torzeitüberwachers 4 geöffnet und geschlossen.

Das Ausgangssignal des Frequenzfilters 2 gelangt durch das analoge Tor 3 und wird einem Rausch pegeldetektor 5 und einem Komparator 6 zugeführt, welcher ebenfalls den Ausgang des Rauschpegel detektors 5 empfängt.

Der Rauschpegeldetektor 5 erfaßt den Pegel von mechanischem Vibrationsrauschen des Motors mit Ausnahme der Klopfsignale.

Der Komparator 6 vergleicht die Ausgangsspannung des analogen Tors 3 mit der Ausgangsspannung des Rauschpegeldetektors 5 und erzeugt einen Klopf erfassungspuls.

Ein Integrator 7 empfängt den Klopferfassungspuls des Komparators 6 und integriert diesen, wodurch er eine von der Größe des Klopfsignals abhängige integrierte Spannung erzeugt. Die integrierte Spannung wird einem Phasenschieber 8 zugeführt, welcher die Phase eines Referenzzündsignals in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung des Integrators 7 verschiebt.

Auf der anderen Seite erzeugt ein Rotationssignal generator 9 ein Zündsignal entsprechend einer vorbe stimmten Charakteristik des Zündvoreilwinkels und gibt dieses Signal an einen Wellenformkreis 10.

Der Wellenformkreis 10 formt das Zündsignal aus dem Rotationssignalgenerator 9 und überwacht gleich zeitig den Schließwinkel der Stromleitung in einer Zündspule 12. Bezugszahl 11 bezeichnet einen Schalt kreis zum Unterbrechen oder Aufrechterhalten des Stroms der Zündspule 12 in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal des Phasenschiebers 8.

Fig. 10 zeigt den Frequenzgang der Amplitude des Ausgangssignales des Beschleunigungssensors 1. Kurve A zeigt die Abhängigkeit für den Fall ohne Klopfen, während Kurve B die Abhängigkeit für den Fall zeigt, daß ein Klopfen auftritt.

In dem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors 1 sind ein Klopfsignal und andere Signale enthalten, welche erzeugt werden, wenn das Klopfen auftritt, wie mechanisches Rauschen des Motors, das nicht das Klopfen ist, und verschiedenste bei der Signalüber tragung auftretende Rauschkomponenten, wie beispiels weise Zündrauschen usw.

Ein Vergleich der Kurven A und B miteinander zeigt, daß das Klopfsignal eine eigentümliche Frequenz abhängigkeit hat. Obwohl der Frequenzgang von dem verwendeten Motor und von der Lage des an dem Motor anzubringenden Beschleunigungssensors 1 abhängt, besteht doch ein klarer Unterschied zwischen den beiden Fällen, daß ein Klopfen auftritt oder nicht. Demzufolge werden durch Herausfiltern einer Frequenz komponente (die Bandkomponente der Zentralfrequenz f₀) des Klopfsignals das Rauschen mit anderen Frequenz komponenten unterdrückt und das Klopfsignal kann erfaßt werden.

In den Fig. 11 und 12 sind Betriebswellenformen für verschiedene Elemente aus Fig. 9 gezeigt. Dabei betrifft Fig. 11 den Fall, daß kein Klopfen in dem Motor auftritt, während Fig. 12 den Fall betrifft, daß Motorklopfen in Erscheinung tritt.

Im folgenden wird die Betriebsweise der Vorrichtung zur Überwachung des Zündzeitpunktes nach Fig. 9 beschrieben.

Wenn der Verbrennungsmotor betrieben wird, erzeugt der Rotationssignalgenerator 9 ein Zündsignal in Abhängigkeit von einer Zündzeitpunktcharakteristik, die vorher festgelegt worden ist. Das Zündsignal wird dann mittels des Wellenformkreises 10 der Wellenformung unterzogen, um in einen Öffnungs- und Schließpuls mit gegebenem Schließwinkel gewandelt zu werden. Das geformte Zündsignal betreibt den Schaltkreis 11 über den Phasenschieber 8, um so die Stromversorgung der Zündspule 12 ein- und auszu schalten. Wenn der Strom unterbrochen wird, wird der Motor durch eine in der Zündspule 12 erzeugte Zündspannung gezündet. Während des Betriebs erzeugte Vibrationen in dem Motor werden von dem Beschleuni gungssensor 1 erfaßt.

Wenn kein Klopfen auftritt, treten in dem Motor keine Vibrationen aufgrund des Klopfens auf. Jedoch werden auf der Signalübertragungsleitung mechanisches und das Zündrauschen zum Zeitpunkt F der Zündung geführt. Diese sind in dem Ausgangssignal des Beschleunigungssensors 1 enthalten (Fig. 11a). Wenn das Ausgangssignal das Frequenzfilter 2 passiert, werden die mechanischen Rauschkomponenten weitestgehend unterdrückt (Fig. 11b). Jedoch wird manchmal das Ausgangssignal mit einer starken Zündrauschkomponente ausgegeben, auch wenn es das Frequenzfilter 2 passiert hat, weil die Zündrauschkomponente groß ist. In diesem Fall wird das Zündrauschen als Klopfsignale erkannt. Daher wird das analoge Tor 3 verwandt, um das Zündrauschen durch Schließen des Tores während einer Zeit vom Zündzeitpunkt an mittels des Ausgangs des Torzeitüberwachers 4 auszublenden, welcher von dem Ausgang des Phasenschiebers 8 getriggert wird (Fig. 11c). Deshalb ist nur noch mechanisches Rauschen mit geringem Pegel in dem Ausgang des analogen Tors 3 vorhanden (A in Fig. 11d).

Auf der anderen Seite reagiert der Rauschpegeldetektor 5 auf Änderungen in den Spitzenwerten des Ausgangs signals des analogen Tors 3. In dieser Beziehung hat der Rauschpegeldetektor 5 eine Charakteristik, mit Hilfe derer er auf relativ langsame Veränderungen der Spitzenwerte von mechanischem Rauschen reagieren und eine Gleichspannung erzeugen kann, die etwas größer ist als der Spitzenwert des mechanischen Rauschens (B in Fig. 11d).

Da der Ausgang des Rauschpegeldetektors 5 somit größer als der durchschnittliche Spitzenwert des Ausgangssignals von dem analogen Tor 3 ist (Fig. 11d), wird kein Ausgangssignal von dem Komparator 6 zum Vergleichen beider Signale erzeugt (Fig. 11e), wodurch das Rauschsignal vollständig eliminiert ist. Da somit kein Ausgang aus dem Integrator 7 auftritt (Fig. 11f), ist der von dem Phasenschieber 8 gegebene Phasenwinkel (Phasenbeziehung zwischen den Eingangs- und Ausgangssignalen in den Fig. 11g und h) ebenfalls gleich Null. Somit ist die Phase des Öffnens und Schließens des von dem Ausgangs signal des Phasenschiebers 8 betriebenen Schalt kreises, das heißt die Phase des intermittierend von der Zündspule 12 erzeugten Stroms die gleiche wie diejenige des Referenzzündsignals des Ausgangs des Wellenformkreises 10, so daß der Zündzeitpunkt dem Referenzzündzeitpunkt entspricht.

Wenn Klopfen auftritt, enthält der Ausgang des Beschleunigungssensors 1 das Klopfsignal mit einer Zeitverzögerung bezüglich des Zündzeitpunkts (Fig. 12a) und das Signal entspricht, nachdem es das Frequenzfilter 2 und das analoge Tor 3 passiert hat, dem, daß das Klopfsignal von mechanischem Rauschen überlagert ist (A in Fig. 12d). Wenn das Signal das analoge Tor 3 passiert hat, wird die Antwort auf die Ausgangsspannung des Rauschpegel detektors 5 bezüglich des Klopfsignals verzögert, weil die Anstiegsflanke des Klopfsignals steil ist. Deshalb nehmen die Eingangssignale zu dem Komparator 6 entsprechend die mit A und B in Fig. 12d bezeichneten Formen an, so daß in dem Ausgang des Komparators 6 Pulse erzeugt werden, wie sie in Fig. 12e gezeigt sind.

Der Integrator 7 integriert die Pulse und erzeugt so eine integrierte Spannung (Fig. 12f). Da der Phasenschieber 8 das Ausgangssignal (das Referenz zündsignal entsprechend Fig. 12b) des Wellenform kreises 10 in Richtung von Zeitverzögerung in Abhängig keit von der Ausgangsspannung des Integrators 7 verschiebt, ist die Phase des Ausgangssignals des Phasenschiebers 8 bezüglich der Phase des Referenz zündsignals des Wellenformkreises 10 zeitverzögert. Mit solcher Phasenverzögerung des Ausgangs des Phasenschiebers 8 wird erreicht, daß der Schaltkreis 11 mit der in Fig. 12h gezeigten Phase angesteuert wird. Demzufolge wird der Zündzeitpunkt mit dem Ergebnis verzögert, daß das Klopfen unterdrückt wird. Daher wird durch Erhalten des Zustands gemäß den Fig. 11 und 12 die optimale Zündzeitpunkts überwachung ausgeführt.

In den bisherigen Ausführungen bestand ein klarer Unterschied in der Verteilung des Ausgangssignals aus dem Beschleunigungssensor 1 abhängig davon, ob das Klopfen innerhalb eines Frequenzbands unterhalb von 10 kHz auftrat oder nicht. Dementsprechend wurde die Mittenfrequenz f₀ des Frequenzfilters 2 in Fig. 10 zu 6 bis 9 kHz gewählt.

In herkömmlichen Vorrichtungen zur Überwachung des Zündzeitpunkts besteht jedoch das Problem, daß mechanisches Rauschen des Motors oder Rauschen infolge von Klopfen zu unterscheidender, abnormer Explosionen in dem Bereich von 6 bis 10 kHz auftrat, abhängig von der Charakteristik des zu verwendenden Motors, so daß dieses Rauschen das erfaßte Klopfsignal überlagern, wodurch es schwierig ist, ein Klopfsignal zu erhalten, dessen Spannung klar durch den Ausgang des Frequenzfilters 2 von solchen Rauschsignalen unterschieden werden kann.

Fig. 13 zeigt ein Beispiel von Daten, welche durch Analyse des Erfassungssignals des Beschleunigungs sensors 1 mittels eines Frequenzanalysegeräts erhalten worden sind.

Fig. 13A zeigt den Fall, daß kein Klopfen in dem Motor auftritt, während Fig. 13B den Fall zeigt, daß Motorklopfen auftritt. In Fig. 13A zeigen sich ausgeprägte Werte des Rauschens, während das Rauschen in Fig. 13B einen geringeren Pegel hat.

In Fig. 13A findet sich eine Rauschverteilung in dem Bereich zwischen 5,5 und 8,5 kHz und keinerlei Rauschen in dem Bereich von 10 kHz und mehr. Auf der anderen Seite finden sich in Fig. 13B Klopf signale in den Bereichen von 6 bis 8 kHz, 11 bis 13 kHz und 15 bis 17 kHz, wo das erwähnte Rauschen auftritt. Da die Klopfsignale und das Rauschen in denselben Frequenzbereichen unterhalb von 10 kHz auftreten, können die Klopfsignale nicht erfaßt werden. Jedoch treten in dem Bereich oberhalb von 10 kHz kein Rauschen sondern nur die Klopfsignale auf, weshalb dieser Bereich dazu geeignet ist, zum Erfassen der Klopfsignale verwandt zu werden, weil die Differenz zwischen dem Auftreten und Nichtauf treten der Klopfsignale ausreichend ist.

Bei dem herkömmlichen Beschleunigungssensor ist es äußerst schwierig, sicherzustellen, daß er genau die Klopfsignale in dem Bereich von 10 kHz oder mehr erfaßt, oder ein solcher herkömmlicher Be schleunigungssensor ist schwierig herzustellen.

Fig. 14A zeigt eine Vorderansicht eines Beschleuni gungssensors 20 vom Resonanztyp mit einem Schraubenab schnitt, welcher von einer metrischen Schraube (nachstehend als M-Schraube oder metrische Schraube bezeichnet) gebildet wird, welche zur Anbringung des Sensors 20 an dem Motor dient. Durch Befestigen des metrischen Schraubenabschnitts 21 an der ent sprechenden Mutter-M-Schraube an dem Motor, kommt die Oberfläche 22 eines Befestigungssitzes des Sensors 20 in unmittelbaren Kontakt mit der Oberfläche des Motors.

Fig. 15 zeigt die Kennlinie des Beschleunigungssensors 20. Fig. 15A verdeutlicht die Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Erregungsfrequenz, Fig. 15B zeigt den Zusammenhang zwischen der Erregungs kraft und der Resonanzfrequenz f_r und Fig. 15C zeigt die Abhängigkeit der Frequenzbandbreite f_BW von der Erregungskraft.

Fig. 15A zeigt die Spannung, welche von dem Be schleunigungssensor 20 erzeugt wird, wenn die Er regungsfrequenz geändert wird, während der Beschleuni gungszustand gleich bleibt. In Fig. 15A wird die Maximalfrequenz mit Resonanzfrequenz f_r und die Breite des Frequenzbereichs, in dem der Spannungspegel 3dB geringer als die Spannung der Resonanzfrequenz f_r ist, als Bandbreite f_BW bezeichnet.

Bei dem Beschleunigungssensor 20 vom Resonanztyp ist das piezo-elektrische Element als freier Arm ausgebildet, weshalb es schwierig ist, die Resonanz frequenz f_r zu justieren. Insbesondere war es nötig, die Justierung der Resonanzfrequenz zu präzisieren und dem Sensor 20 für den Bereich oberhalb von 10 kHz genau zu konstruieren. Beispielsweise muß die Ausdehnung der strukturellen Elemente klein sein, wodurch das Herstellen und Bearbeiten dieser Elemente schwierig wird. Die Anzahl der Arbeitsschritte, um die Resonanzfrequenz zu erreichen, wird erhöht, weil die Frequenz der Klopfsignale in Abhängigkeit von dem verwendeten Motor variiert.

Da die Bandbreite f_BW schmal ist, ist der Quotient Q=f_r/f_BW groß. Demzufolge tritt eine große Empfind lichkeit gegenüber dem Klopfsignal auf und das Klopfsignal kann nicht genau erfaßt werden. Ins besondere tritt ein großer Einfluß dann auf, wenn der Motor mit hoher Geschwindigkeit betrieben wird, und die Verminderung der Überwachungsmöglichkeit kann nicht außer acht gelassen werden.

Es ist ermittelt worden, daß Q bei der Überwachung mit Hilfe eines solchen Gerätes bei 10 oder weniger liegen sollte. Jedoch beträgt Q in dem herkömmlichen Sensor vom Resonanztyp 15 oder mehr.

Fig. 14B zeigt eine Darstellung eines piezo- elektrischen Elements mit freiem Arm, während Fig. 14C die Arbeitsweise des Elements verdeutlicht. In Fig. 14B trägt eine Fixierbasis 23 ein Ende des vibrationserfassenden Elements 24 von Freiarm-Typ, das von einem piezo-elektrischen Element gebildet wird. Das vibrationserfassende Element 24 wird durch Verbindung zweier piezo-elektrischen Elemente mit Polarisation in der Richtung ihrer Dicke (Bezugs zeichen 1 bezeichnet die Längsrichtung) gebildet, wobei die piezo-elektrischen Elemente miteinander mit derselben Polarität in Kontakt stehen und ein Ende des verbundenen Elements so befestigt ist, daß es einen freien Arm bildet (Fig. 14C).

Gemäß Fig. 14C wird der Vibrator aufwärts ausgelenkt, wenn die feste Basis 23 nach unten schwingt, wobei das obere piezo-elektrische Element 24 komprimiert wird, wodurch es eine negative elektrische Ladung erzeugt, während das untere piezo-elektrische Element 24 gestreckt wird, wodurch dieses eine positive elektrische Ladung erzeugt.

Wenn die feste Basis 23 aufwärts schwingt (Fig. 14C), wirken dehnende und komprimierende Kräfte auf die beiden piezo-elektrischen Elemente 24 ent gegengesetzt dem vorstehend beschriebenen Fall, wobei wiederum elektrische Ladungen in den verschie denen Elementen erzeugt werden.

Gemäß dem beschriebenen Prinzip liegt die Resonanz frequenz der piezo-elektrischen Elemente 24 bei der Frequenz f_r, weshalb sie auf die Oszillation mit der Resonanzfrequenz f_r reagieren, indem sie elektrische Ladungen erzeugen.

Fig. 15B zeigt die Veränderung der Resonanzfrequenz f_r für den Fall, daß die Erregungsfrequenz konstant ist und sich nur die Beschleunigung ändert. Fig. 15B zeigt, daß sich die Resonanzfrequenz f_r infolge einer Veränderung der Beschleunigung ebenfalls verändert. Das beeinflußt die Erfassung des Klopf signals.

Fig. 15C zeigt die Veränderung der Bandbreite f_BW für den Fall, daß die Resonanzfrequenz konstant ist und sich nur die Beschleunigung ändert.

Fig. 15C zeigt, daß die Bandbreite sich in Abhängig keit von der Veränderung der Beschleunigung ändert. Das beeinflußt die Erfassung des Klopfsignals.

Fig. 16 zeigt einen resonanzfreien Beschleunigungs sensor 25 mit einem abgeschrägten Schraubenabschnitt, welcher für die Befestigung an dem Motor verwandt wird. Der resonanzfreie Beschleunigungssensor 25 wird durch Befestigung des abgeschrägten Schraubenab schnitts 26 an einem entsprechenden Mutterschraubenab schnitt an dem Motor befestigt, wobei der abgeschrägte Schraubenabschnitt 26 von seinem freien Ende bis zu der mit 27 bezeichneten Linie in den Mutter schraubenabschnitt eingeführt wird. Es besteht also ein schmaler Spalt zwischen dem Schulterabschnitt des Rumpfes des Sensors 25 und der Oberfläche des Motors. Der beschriebene Beschleunigungssensor 25 ist beispielsweise in dem ungeprüften japanischen Gebrauchsmuster Nr. 13 673/1983 beschrieben.

Fig. 17 zeigt die Kennlinie des Beschleunigungs sensors 25, wobei die Abszisse die Erregungsfrequenz und die Ordinate die Größe des Ausgangssignals darstellen. Wenn die Frequenz steigt, steigt die Größe des Ausgangssignals, obwohl der resonanzfreie Sensor keine Änderung des Ausgangssignals bezüglich der Erregungsfrequenz zeigt. Solch ein Beschleunigungs sensor ist auf die Verwendung in Bereichen von maximal 10 kHz beschränkt. Ist die Frequenz 10 kHz oder größer, kann er praktisch nicht mehr ver wendet werden. Der Grund dafür liegt darin, daß die Resonanzcharakteristik stärker wird, je höher die Frequenz ist, weil der Beschleunigungssensor 25 an dem Motor in einem Zustand befestigt ist, in dem er an der Befestigungsposition 27 angebracht ist und zwischen der Schulter des Rumpfes des Sensors 25 und der Oberfläche des Motors ein Spalt verbleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Überwachung des Zündzeitpunktes in Verbrennungsmotoren zu liefern, mit der Rauschen derart ausgeblendet werden kann, daß zur Klopfüberwa chung Klopfsignale mit einer Frequenz von 10 kHz oder mehr erfaßt werden können.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mittels einer Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführung des Beschleunigungssensors für die Ausführung der Erfindung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Gestalt des Befestigungssitzabschnitts des Beschleunigungssensors, der an dem Motor zu befestigen ist;

Fig. 4 ein Diagramm eines Beispiels von Daten der Beziehung zwischen der Frequenz und dem Signalpegel in einer Erfassungs kennlinie des Beschleunigungssensors;

Fig. 5A, 5B verschiedene Ausführungen des Befesti gungssitzabschnitts des Beschleunigungs sensors;

Fig. 6 der Frequenzgang eines Frequenzfilters für die erfindungsgemäße Vorrichtung;

Fig. 7A, 7B Ausgänge des Frequenzfilters;

Fig. 8 die Temperaturabhängigkeit des Frequenz filters;

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen gattungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 10 der Frequenzgang eines Ausgangssignals eines herkömmlichen Beschleunigungs sensors;

Fig. 11a-11h Betriebswellenformen der Elemente in der herkömmlichen Vorrichtung, wenn kein Klopfen im Motor auftritt;

Fig. 12a-12h Betriebswellenformen der Elemente in der herkömmlichen Vorrichtung, wenn Klopfen in dem Motor auftritt;

Fig. 13A Daten des Erfassungssignals des Be schleunigungssensors in der herkömmlichen Vorrichtung, die mittels eines Frequenz analysegeräts ermittelt worden sind, für den Fall, daß kein Klopfen in dem Motor auftritt;

Fig. 13B Daten des Erfassungssignals des Be schleunigungssensors in der herkömmlichen Vorrichtung, die mittels des Frequenz analysegeräts ermittelt wurden, für den Fall, daß Klopfen in dem Motor auftritt;

Fig. 14A eine Frontansicht eines Beschleunigungs sensors für die herkömmliche Vorrichtung, wobei der Sensor zum Anbringen an den Motor mit einem metrischen Schrauben abschnitt versehen ist;

Fig. 14B eine perspektivische Ansicht des piezo elektrischen Elements als Frei-Arm, das den Beschleunigungssensor für die herkömmliche Vorrichtung bildet;

Fig. 14C eine Darstellung der prinzipiellen Arbeitsweise der piezo-elektrischen Elemente;

Fig. 15A den Frequenzgang des Beschleunigungs sensors in Fig. 14A;

Fig. 15B die Beziehung zwischen der Beschleunigung des Beschleunigungssensors und der Resonanzfrequenz;

Fig. 15C die Veränderung der Bandbreite in Abhängigkeit von der Beschleunigung des Beschleunigungssensors;

Fig. 16 eine Frontansicht eines weiteren Be schleunigungssensors mit einem abge schrägten Schraubenabschnitt, der zur Verwendung in der herkömmlichen Vorrichtung an dem Motor zu befestigen ist; und

Fig. 17 der Frequenzgang des Beschleunigungs sensors in Fig. 16.

In den Zeichnungen sind dieselben Bezugszahlen verwendet, sofern gleiche oder entsprechende Teile bezeichnet sind.

In Fig. 1, wo ein Blockschaltbild einer Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt ist, bezeichnet Bezugszahl 31 einen Beschleunigungssensor der resonanzfreien Art (dessen Frequenzgang der Ausgangsspannung flach verläuft) mit einer von einer M-Schraube gebildeten Befestigungsschraube. Der Beschleunigungssensor 31 funktioniert in einem hohen Frequenzbereich von 10 bis 20 kHz zufrieden stellend.

Bezugszahl 32 bezeichnet ein Bandpaßfilter, das von einem sogenannten aktiven Filter gebildet wird und sich beispielsweise aus einem Operationsver stärker, einem Widerstand und einem Kondensator zusammensetzt.

Fig. 2 zeigt detailliert die Konstruktion des Beschleunigungssensors 31. Der Beschleunigungssensor 31 umfaßt ein Gehäuse 41 zum Aufnehmen der den Sensor bildenden Elemente, einen Schraubenabschnitt 42, der von einer M-Schraube zum Befestigen am Motor gebildet wird, einen Befestigungssitzabschnitt 48 an der Schulter des Gehäuses 41 und zwei ringförmige piezo-elektrische Elemente, welche Vibrationen in Spannungssignale wandeln.

Eine Elektrode 44 ist zwischen die beiden piezo- elektrischen Elemente 43 gesetzt, um ein Spannungs signal auszugeben, das in den piezo-elektrischen Elementen 43 erzeugt wird, wobei das Spannungssignal über eine Leitung 45 nach außerhalb des Sensors übermittelt wird.

Um auf die piezo-elektrischen Elemente ein Trägheits moment auszuüben, ist eine Masse 46 in dem Gehäuse vorgesehen. Die Masse 46, die piezo-elektrischen Elemente 43 und die Elektrode 44 sind mittels einer Schraube 47 an dem Gehäuse 41 befestigt. Das mittels des Schraubenabschnitts 42 an dem Motor befestigte Gehäuse 41 wird entsprechend den auf den festen Teil wirkenden Vibrationen in Schwingungen versetzt. In diesem Fall wirkt das Trägheitsmoment aufgrund der Masse 46 auf die piezo-elektrischen Elemente 43, wobei eine von der Größe der Trägheit abhängige Spannung in den Elementen 43 erzeugt wird. Die Spannung wird über die Elektrode 44 und die Leitung 45 aus dem Sensor herausgeführt.

Bei dem Beschleunigungssensor 31 vom Nicht-Resonanz typ entsprechend dieser Ausführung ist es wichtig, den Befestigungssitzabschnitt 48 des Gehäuses 41 wie in Fig. 3 gezeigt auszuführen, um die Detektor übertragungsfunktion des Sensors 31 auch in hohen Frequenzbereichen von 10 bis 20 kHz flach zu gestalten.

In Fig. 3 bezeichnet Bezugszahl 51 eine Referenz linie, welche im rechten Winkel die Mittellinie des Schraubenabschnitts 42 des Gehäuses 41 schneidet, und Bezugszahl 52 bezeichnet den Schnittpunkt der Referenzlinie 51 mit der Außenkante des Befestigungs sitzabschnitts 48 des Gehäuses 41.

Somit entspricht der Befestigungssitzabschnitt 48 des Beschleunigungssensors 31 in Richtung des Motors der Referenzlinie 51.

Daher wird, wenn der Beschleunigungssensor 31 an dem Motor mittels des Schraubenabschnitts 42 befestigt ist, der Sitzabschnitt 48 des Beschleunigungssensors 31, der mit dem Befestigungssitzabschnitt des Motors in Kontakt steht, von dem Schnittpunkt 52 auf der Außenkante gebildet.

Wenn der entsprechende Befestigungssitzabschnitt an dem Motor kleiner ist als der Befestigungssitz abschnitt 48 des Beschleunigungssensors 31, steht der Sitzabschnitt des Motors in Kontakt mit dem Sitzabschnitt 48 am Punkt 53, wobei dieser Punkt innerhalb der Außenkante des Befestigungssitzabschnitts 48 liegt. In diesem Fall ist derselbe Effekt erzielbar.

Durch Ausbilden des Befestigungssitzabschnitts 48 in abgeschrägter Form, nämlich so, daß die Außen kante nahe an den Schraubenabschnitt 42 kommt, ist die Detektorkennlinie des Beschleunigungssensors 31 auch in dem Bereich von 10 bis 20 kHz flach.

In Fig. 4, die gemessene Daten wiedergibt, ist die Ausgangsspannung (Ordinate) über der Frequenz (Abszisse) aufgetragen. Wie Fig. 4 deutlich zeigt, ist auch in den Bereichen von 10 bis 20 kHz eine flache Frequenzcharakteristik erreichbar.

Wenn der Befestigungssitzabschnitt 48 mit dem ent sprechenden Befestigungssitzabschnitt des Motors an der dem Außendurchmesser des Schraubenabschnitts entsprechenden Position in Kontakt gebracht wird, kann die flache Frequenzkennlinie gemäß Fig. 4 nicht erreicht werden.

Fig. 5A zeigt die Gestalt des Befestigungssitzab schnitts 48, wobei die Referenzlinie 51 am Punkt 54 schneidet, der dem Durchmesser des Schraubenab schnitts 42 entspricht.

Fig. 5B zeigt einen Ansatz 55 auf dem Befestigungs sitzabschnitt 48 an einer Position außerhalb des Durchmessers des Schraubenabschnitts 42, aber innerhalb der Außenkante des Sitzabschnitts 48.

In diesem Fall kann eine flache Frequenzcharakteristik gemäß Fig. 4 nicht erreicht werden.

Im folgenden wird die Charakteristik des Frequenz filters 32 beschrieben. Das Frequenzfilter 32 ist ein Bandpaßfilter mit einer Mittenfrequenz f_o die so gewählt werden kann, daß sie unter Berück sichtigung der Frequenz eines erwarteten Klopfsignals in einem Bereich von 10 bis 20 kHz liegt.

Fig. 6 zeigt den Frequenzgang des Filters. Die Mittenfrequenz f_o ist für den Motor, wie in Fig. 13B gezeigt, in einem Bereich von 11 bis 13 kHz oder 15 bis 17 kHz gewählt.

In diesem Fall ist die Bandbreite f_BW (das heißt die Breite der Frequenzen, die eine Ausgangsspannung erzeugen, welche 3 dB kleiner ist als die Ausgangs spannung bei der Mittenfrequenz f_o) ein wichtiger Faktor und beträgt vorzugsweise 1 kHz oder mehr.

Wenn Q (=f_o/f_BW) zu groß ist, kann die Ausgangsspannung der Beschleunigung des Motors nicht korrekt folgen, wie unter Bezugnahme auf den Sensor vom Resonanz typ in Fig. 14 beschrieben. Wenn beispielsweise das Beschleunigungssignal des Motors eine Form wie in Fig. 7A annimmt, nimmt das Ausgangssignal des Frequenzfilters 32, welches die Beschleunigung empfängt, die Form gemäß Fig. 7B an, in welcher der Beschleunigungspegel entlang der Zeitachse gedehnt ist. Dementsprechend kann er nicht korrekt dem Originalsignal folgen und das Klopfsignal kann nicht korrekt erfaßt werden.

Da das Rauschen in dem Bereich hoher Frequenzen von 10 kHz oder mehr geringer ist als in dem Gebiet unterhalb von 10 kHz, können Klopfsignalkomponenten durch Verbreiterung der Bandbreite f_BW auf 11 bis 17 kHz erfaßt werden. Diese Maßnahme ist bei der Auslegung bevorzugt, zusätzlich zu der Beschränkung auf kleine Q′s.

Wenn das als Frequenzfilter 32 verwendete Filter von einem Operationsverstärker, einem Widerstand und einem Kondensator gebildet wird, stellen die Verstärkung und der Durchgriff des Operationsver stärkers in dem Frequenzbereich von 10 bis 20 kHz und der tan δ des Kondensators praktisch wichtige Faktoren dar. Jedoch können die Charakteristika des Operationsverstärkers mehr oder weniger durch Verwendung eines PPS-Film-Kondensators kompensiert werden, der exzellente tan δ -Werte und eine kleine elektrostatische Kapazität sowie Hitzebeständigkeit aufweist.

Das aktive Filter der beschriebenen Konstruktion arbeitet verläßlich, weil es gleichbleibende Eigen schaften auch unter schlechten Bedingungen, wie im Motorraum eines Automobils garantiert.

Ferner ist ein PPS-Film-Kondensator in seinen Eigen schaften einem herkömmlich verwendeten Polyester- Film-Kondensator oder einem Polypropylen-Film- Kondensator weit überlegen.

Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Kennlinie (Kurve A) des Frequenzfilters mit dem PPS-Film-Kondensator und die Kennlinie (Kurve B) eines Filters mit einem Polyester-Film-Kondensator zeigt. Wie Fig. 8 zu entnehmen ist, ist die Änderung der Kennlinie (Kurve B) im Hinblick auf die Temperatur groß, wenn ein herkömmlicher Polyester-Film-Kondensator verwandt wird, was schädlichen Einfluß auf die Erfassung des Klopfsignals haben kann. Demgegenüber ist die Kennlinie (Kurve A) bei Verwendung des PPS-Film- Kondensators stabil. Beispielsweise beträgt die Veränderung der Kennlinie (Kurve A) 1% oder weniger bei 100°C und 2% oder weniger bei 150°C wenn 25°C als Referenztemperatur genommen werden. Demgegenüber liegt die Änderung der Kennlinie (Kurve B) bei 7% oder weniger bei 100°C und 19% bei 150°C.

Im Hinblick auf die Hitzebeständigkeit ist ein Polypropylen-Film besser als ein Polyester-Film. Jedoch kann, wie allgemein bekannt, ein Polypropylen- Film-Kondensator nicht verwendet werden, weil er bei 100°C oder mehr versagt.

Daher kann durch Verwendung des PPS-Film-Kondensators in dem Filterkreis eine exzellente Temperatur charakteristik der Mittenfrequenz erreicht werden. Ferner kann die Flexibilität bei der Auslegung der Bandbreite f_BW erhöht werden und es kann ohne weiteres eine Bandbreite f_BW erreicht werden, die schmaler als diejenige des Polyester-Film-Kondensators ist. Um eine große Bandbreite durch Verwendung des Polyester-Film-Kondensators zu erreichen, ist es nötig, mittels der Charakteristik des Operationsver stärkers zu kompensieren. Jedoch ist die Auslegung des Polyester-Film-Kondensators schwierig.

Bei der beschriebenen Ausführung der Erfindung können Klopfsignale in den Frequenzbereichen von 11 bis 13 kHz und 15 bis 17 kHz, wie in Fig. 13B gezeigt, korrekt durch den Beschleunigungssensor 31 erfaßt werden, der auch in dem hohen Frequenz bereich von 10 bis 20 kHz einen flachen Frequenzgang aufweist.

Das Frequenzfilter 32 gibt selektiv die Bandkom ponenten von 11 bis 13 kHz, 15 bis 17 kHz oder 11 bis 17 kHz aus dem erfaßten Ausgang des Be schleunigungssensors 31 aus. Demzufolge kann ein Signal, das auf einfache Weise die Klopfsignale mit hohem Signalpegel abhängig vom Auftreten oder Nichtauftreten des Klopfens wie in Fig. 11d und 12d gezeigt erfaßt, erhalten werden.

Bei dem Sensor vom Resonanztyp gemäß Fig. 14A ist es nötig, die Resonanzfrequenz für einen zu verwendenden Motor einzustellen, weil alle Motoren ihre eigenen Klopfsignalfrequenzen haben. Obwohl es schwierig ist, den Sensor für hohe Frequenzen von 10 kHz oder mehr herzustellen, kann die Festlegung der Mittelfrequenz f_o auf 10 kHz oder weniger bei Verwendung des Frequenzfilters 32 erlaubt werden. Bei der Herstellung tritt dann das Problem nicht mehr auf, daß die Mittelfrequenz 10 kHz oder höher sein muß.

Da die Bandbreite f_BW in dem Sensor vom Resonanztyp wie in Fig. 14A gezeigt nicht verbreitert werden kann, besteht das Problem, daß das Klopfsignal nicht in dem Frequenzbereich von 10 kHz oder mehr erfaßt werden kann, wo wenig Rauschen auftritt und die Klopfsignale weit verteilt sind. Das be schriebene Frequenzfilter 32 erlaubt jedoch einfache Erfassung.

Da zwei Arten von Eingangssignalen, wie in den Fig. 11d und 12d gezeigt, in dem Komparator 6 empfangen werden, kann das Klopfsignal korrekt erfaßt werden.

Gemäß der Erfindung wird der Beschleunigungssensor vom Nicht-Resonanztyp mit einer flachen Erfassungs charakteristik in einem Bereich hoher Frequenzen von 10 bis 20 kHz mittels des an dem Sensor vorge sehenen M-Schrauben-Abschnitts an dem Motor befestigt und das von dem Beschleunigungssensor erfaßte Klopf signal des Motors wird von dem Bandpaßfilter so verarbeitet, daß die Frequenzkomponenten von 10 bis 20 kHz herausgefiltert werden. Demzufolge kann ein Erfassungssignal mit großen Pegeldifferenzen in Abhängigkeit von dem Klopfen des Motors erzeugt werden, während Signale in dem Frequenzbereich von 10 kHz oder weniger, bei denen Klopfsignale schwer auszumachen sind, ausgeblendet werden, wodurch das Klopfen des Motors korrekt und einfach erfaßt werden kann, um somit eine geeignete Vorrichtung zur Überwachung des Zündzeitpunkts zu liefern.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombi nationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

1. Vorrichtung zur Überwachung des Zündzeitpunkts in Verbrennungsmotoren mit

- einem Beschleunigungssensor (31) für den Motor;
- einem Frequenzfilter (32), dessen Mittenfrequenz in dem Bereich von 10 bis 20 kHz liegt und dessen Bandbreite 1 kHz oder mehr beträgt, wobei das Filter Klopfsignalanteile in dem Ausgang des Sensors (31) selektiv erfaßt;
- einer Schaltvorrichtung (3);
- einem Rauschpegeldetektor (5) zum Erfassen des Pegels mechanischen Vibrationsrauschens des Motors, welches keine Klopfsignale darstellt, im Ausgang der Schaltvorrichtung (3);
- einem Vergleicher (6) und einem Integrierer (7) zum Integrieren eines Pulssignals, das durch Vergleichen der Ausgangsspannung des Rauschpegeldetektors (5) mit der Ausgangsspannung der Schaltvorrichtung (3) erhalten ist;
- einem Rotationssignalgenerator (9) zum Erzeugen eines Zündsignals in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Charakteristik des Zündvoreil winkels;
- einem Wellenformkreis (10) zum Formen der Ausgangsswelle des Rotationssignalgenerators (9) und zum Überwachen des Schließwinkels einer Zündspule (12);
- einen Phasenschieber (8) zum Verzögern des Ausgangssignals des Wellenformkreises (10) in Abhängigkeit von den Ausgängen des Vergleichers (6) und des Integrierers (7), wobei ein Schaltkreis (11) zum Ein- und Aus schalten der Zündspule (12) angesteuert wird;

dadurch gekennzeichnet,
daß die Schaltvorrichtung eine Torschaltung (3) zum Ausblenden von Rauschen ist, welches das Erfassen von Klopfsignalen in dem Ausgang des Frequenzfilters (32) stört,
daß ein Torzeitüberwacher (4) von dem Ausgang des Phasenschiebers (8) so getriggert wird, daß Zündrauschen durch Sperren der Torschal tung (3) für eine vorbestimmte Zeitspanne ab dem Zündzeitpunkt unterbrochen wird,
daß der Beschleunigungssensor (31) ein resonanzfreies piezo-elektrisches Element (43) und ein mit metrischem Gewinde versehenes Befestigungsteil (42) zum Anbringen am Motor sowie einen Be festigungssitzabschnitt (48) aufweist, welcher so gestaltet ist, daß die Detektorüber tragungsfunktion auch in hohen Frequenzbereichen (10-20 kHz) der Motorschwingung flach gehalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß der Beschleunigungs sensor (31) ein Gehäuse (41) mit einem abge schrägten Befestigungssitzabschnitt (48) an einer Schulter nahe dem metrischen Schraubenab schnitt (42) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Außenkante des abgeschrägten Befestigungssitzabschnitts (48) eine Kontaktfläche mit der Oberfläche des Motors bildet.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzfilter (32) einen PPS-Film-Kondensator umfaßt.