DE4111533A1 - Klopfsensorvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klopfsensorvorrichtung, und insbesondere auf eine Klopfsensorvorrichtung zum De­ tektieren von Klopfschwingungen einer Mehrzylinder-Brenn­ kraftmaschine.

Die Fig. 9A und 9B zeigen eine Klopfsensorvorrichtung nach dem Stand der Technik, die in der japanischen veröffent­ lichten, ungeprüften Patentanmeldung No. 60-4824 beispielswei­ se angegeben ist. Nach der Zeichnung ist ein Zylinderblock 1 mit einem Zylinder 2 versehen, und ein Kolben 3 ist gleitbe­ weglich im Zylinder 2 angeordnet. Auf der Oberseite des Zy­ linderblocks 1 ist ein Zylinderkopf 4 derart angeordnet, daß sich eine Brennkammer 5 im Zusammenwirken mit dem Zylinder­ block 1, dem Kolben 3 und dem Zylinderkopf 4 bildet. Der Zy­ linderkopf 4 ist mit einer Einlaßleitung 7 versehen, die mit der Brennkammer 5 über ein Einlaßventil 6 in Verbindung steht. Eine Zündkerze 8 ist am Zylinderkopf 4 angebracht, um ein Gemisch in der Brennkammer 5 einer Mehrzylinder-Brennkraftma­ schine beispielsweise zu zünden. Ferner ist ein Klopfsensor 9 an dem Zylinderblock 1 angebracht, um Klopfschwingungen zu erfassen, die in der jeweiligen Brennkammer 5 erzeugt werden. Der Klopfsensor 9 ist mit einer Klopfdetektierschaltung 9A verbunden, die einen Bandpaßfilter 10, einen Komparator 11, einen Gleichrichter 12, eine Glättungsschaltung 13 und einen Integrator 14 umfaßt. Der Klopfsensor 9 wandelt die Brenn­ kraftmaschinenklopfschwingung in ein elektrisches Klopfsignal um, das diesem entspricht. Der Bandpaßfilter 10 läßt nur das Klopfkomponentensignal von etwa 15 kHz durch. Der Gleichrich­ ter 12 richtet das durch den Bandpaßfilter gegangene Klopf­ signal zu einem pulsierenden Signal in gleiche Richtung gleich. Die Glättungsschaltung 13 glättet das gleichgerich­ tete, pulsierende Signal zu einem Gleichstrom-Signal. Der Ausgang des Bandpaßfilters 10 ist direkt mit einem ersten Eingangsanschluß des Komparators 11, aber auch mit einem zweiten Eingangsanschluß des Komparators 11 über den Gleich­ richter und die Glättungsschaltung 13 verbunden. Wenn daher keine Klopfschwingung durch den Klopfsensor 9 festgestellt wird, gibt der Komparator 11 kein Signal aus, da die Signal­ pegel der beiden Eingangsanschlüsse des Komparators 11 nahe­ zu gleich sind. Wenn jedoch eine Klopfschwingung festge­ stellt wird, gibt der Komparator 11 ein Klopfsignal mit ei­ nem vorbestimmten Spannungspegel ab, da eine Differenz hin­ sichtlich der Signalpegel zwischen den ersten und zweiten Ein­ gangsanschlüssen des Komparators 11 vorhanden ist. Das Klopf­ signal wird mittels des Integrators 14 integriert, so daß ein Klopfsignal, dessen Spannungspegel nach Maßgabe der Fre­ quenz der Klopfschwingung sich ändert, an eine Zündschaltung 15 angelegt wird. Die Zündschaltung 15 steuert den Zündzeit­ punkt einer Zündkerze 8 nach Maßgabe des Spannungspegels des Klopfsignals, das man durch den Integrator 14 erhalten hat, und zwar in einer solchen Weise, daß der Zündzeitpunkt immer dann verzögert wird, wenn eine Klopfschwingung erzeugt wird.

Die Auslegung des Klopfsensors 9 ist detailliert beispiels­ weise in der japanischen, veröffentlichten, ungeprüften Gebrauchsmusteranmeldung No. 1-1 34 229 angegeben, wie dies in Fig. 9(C) gezeigt ist. In der Zeichnung ist ein Gehäuse 16 des Klopfsensors 9 mit einem konischen, mit Gewinde ver­ sehenen Abschnitt 16a versehen, so daß er in eine Gewinde­ öffnung des Zylinderblocks 1 eingeschraubt werden kann. An­ dererseits ist ein Paar von piezoelektrischen Elementen 17 in dem Gehäuse 16 untergebracht und fest mit dem Gehäuse 16 über ein Gewichtsteil 18 mit einer Schraube 19 verbunden.

Da die piezoelektrischen Elemente 17 mechanische Energie (Klopfschwingung) in elektrische Energie (Klopfsignal) um­ wandeln können, kann man das umgewandelte Klopfsignal über einen Anschluß 120 erhalten, der mit den piezoelektrischen Elementen 17 verbunden ist.

Da jedoch bei der an sich bekannten Klopfsensorvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art der Zylinderblock, durch den die Klopfschwingung übertragen und festgestellt wird, aus Gußeisen oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist und diesem eine komplizierte Gestalt verliehen wird, um die Brennkraftmaschinenschwingungsgeräusche herabzusetzen (da Gußeisen oder eine Aluminiumlegierung ein schwaches Schwingungsdurchlaßvermögen haben) ergibt sich eine Schwie­ rigkeit dahingehen, daß die in jeder Zylinderbrennkammer 5 erzeugte Klopfschwingung während der Ausbreitung durch den Zylinderblock 1 gedämpft wird und daher die Klopfschwingung nicht effektiv auf den Klopfsensor 9 übertragen wird, so daß es unmöglich ist, das Auftreten einer Klopfschwingung eines Zylinders von dem Klopfsensor entfernt zuverlässig, insbeson­ dere im Falle einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, zu er­ fassen.

Unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Schwierigkei­ ten zielt die Erfindung darauf ab, eine Klopfsensorvorrich­ tung bereitzustellen, die zuverlässig eine Klopfschwingung feststellen und erfassen kann, die in allen Zylindern einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine erzeugt werden, und zwar un­ abhängig von der Anordnung oder Auslegung der Zylinder.

Hierzu wird nach der Erfindung eine Klopfsensorvorrichtung zum Detektieren einer Klopfschwingung einer Brennkraftma­ schine angegeben, die einen Zylinderblock (20) und einen Zy­ linderkopf (4) umfaßt, und welche sich durch folgendes aus­ zeichnet: (a) eine metallische Kopfdichtung (21, 24, 50, 100), die ein hohes Schwingungsdurchlaßvermögen hat, und eng an­ liegend zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf an­ geordnet ist; (b) eine Klopfsensoreinrichtung (22, 24), die fest mit der metallischen Kopfdichtung zum Erfassen einer Klopfschwingung der Brennkraftmaschine verbunden ist; und (c) eine Klopfdetektierschaltung (9A), die mit der Klopf­ sensoreinrichtung zum Detektieren des Vorhandenseins oder Fehlens einer Brennkraftmaschinenklopfschwingung in Abhängig­ keit von einem Ausgangssignal der Klopfsensoreinrichtung verbunden ist.

Die metallische Kopfdichtung ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt, da dieser ein hohes Schwingungsdurchlaß­ vermögen, eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Wärmebestän­ digkeitstemperatur hat. Die metallische Kopfdichtung hat vor­ zugsweise ein elastisches Verhalten dadurch, daß innere Um­ fangsabschnitte derselben gebogen oder gefaltet sind, oder daß wenigstens eine Kautschukplatte auf einer Fläche der metallischen Kopfdichtung vorgesehen ist.

Die Klopfsensoreinrichtung ist etwa in der Mitte des Zylin­ derblocks angebracht, um in effektiver Weise die Klopfschwin­ gung von der Mehrzahl von Zylindern einer Mehrzylinder-Brenn­ kraftmaschine mit nahezu der gleichen Schwingungsstärke, vor­ zugsweise in Form einer Längsschwingungswelle, zu erfassen, die durch die metallische Kopfdichtung längs der flachebenen Richtung übertragen wird.

Wenn von der Brennkraftmaschinenbrennkammer ein Klopfen kommt, wird das Klopfen über die metallische Kopfdichtung, die zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf ange­ ordnet ist, übertragen und dann mit Hilfe der Klopfsensor­ einrichtung erfaßt. Die erfaßte Klopfschwingung wird in ein Klopfsignal umgewandelt und an die Klopfdetektierschaltung angelegt, um spezifische Schwingungsfrequenzkomponenten als ein Signal für das Vorhandensein eines Brennkraftmaschinen­ klopfens festzustellen. Das detektierte Signal für das Vor­ handensein eines Klopfens wird an eine Zündschaltung weiter­ gegeben, um den Zündzeitpunkt einzustellen.

Da bei der Klopfsensorvorrichtung nach der Erfindung die Kopfdichtung aus einem metallischen Material mit einem ho­ hen Schwingungsdurchlaßvermögen hergestellt ist, und ferner die Klopfsensoreinrichtung in der Mitte des Zylinderblocks angeordnet ist, wird erreicht, daß man das Vorhandensein eines Brennkraftmaschinenklopfgeräusches effektiver fest­ stellen kann, das durch die Kopfdichtung übertragen wird, und zwar im Vergleich zu dem Fall, wenn das Klopfen der Brennkraftmaschine über den Zylinderblock übertragen wird, der aus einem Material mit einem geringen Schwingungsdurch­ laßvermögen hergestellt ist, wobei insbesondere der unter­ schiedliche Abstand zwischen den Klopfsensoreinrichtungen und den Brennkraftmaschinenzylindern keinen Einfluß hat.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevor­ zugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beige­ fügte Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1A eine Schnittansicht zur Verdeutlichung einer Klopfsensorvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 1B ein schematisches Blockdiagramm zur Verdeut­ lichung einer Klopfdetektierschaltung nach der Erfindung,

Fig. 2A eine Draufsicht zur Verdeutlichung eines Zy­ linderblocks, an dem eine erste bevorzugte Ausführungsform der Klopfsensorvorrichtung nach der Erfindung über eine metallische Kopf­ dichtung fest angebracht ist,

Fig. 2B eine vergrößerte Schnittansicht zur Verdeut­ lichung des Klopfsensors, der in Fig. 2A ge­ zeigt ist,

Fig. 3A eine Draufsicht zur Verdeutlichung eines Zy­ linderblocks, an dem eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Klopfsensorvorrichtung nach der Erfindung über eine metallische Kopf­ dichtung fest angebracht ist,

Fig. 3B eine vergrößerte Schnittansicht zur Verdeut­ lichung des in Fig. 3A gezeigten Klopfsen­ sors,

Fig. 4A, 4B und 4C perspektivische, vergrößerte Ausschnitts­ ansichten zur Verdeutlichung von drei Beispie­ len einer metallischen Kopfdichtung, die für die Vorrichtung nach der Erfindung bestimmt ist,

Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen der Zugfestigkeit und dem Schwingungssicherungskoeffizienten (Kehrwert zum Schwingungsdurchlaßvermögen) bei verschiedenen metallischen Materialien,

Fig. 6 eine Tabelle, in der die Wärmebeständigkeits­ temperatur der verschiedenen metallischen Materialien aufgelistet ist,

Fig. 7A eine Draufsicht zur Verdeutlichung eines Zy­ linderblocks, an dem eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Klopfsensorvorrichtung nach der Erfindung über eine metallische Kopfdichtung fest angebracht ist,

Fig. 7B eine vergrößerte Schnittansicht zur Verdeut­ lichung des Klopfsensors in Fig. 3A,

Fig. 7C eine vergrößerte Seitenansicht zur Verdeut­ lichung des in Fig. 3A gezeigten Klopfsen­ sors,

Fig. 8A eine Schnittansicht zur Verdeutlichung einer vierten bevorzugten Ausführungsform einer Klopfsensorvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 8B eine Draufsicht zur Verdeutlichung eines Zy­ linderblocks, an dem die vierte bevorzugte Ausführungsform der Klopfsensorvorrichtung nach der Erfindung über eine metallische Dichtung fest angebracht ist,

Fig. 8C eine Seitenansicht zur Verdeutlichung des glei­ chen und in Fig. 8B gezeigten Zylinderblocks,

Fig. 8D eine vergrößerte Schnittansicht zur Ver­ deutlichung des in Fig. 8A gezeigten Klopf­ sensors,

Fig. 8E eine vergrößerte Seitenansicht zur Verdeut­ lichung des in Fig. 8A gezeigten Klopfsen­ sors,

Fig. 9A eine Teilansicht zur Verdeutlichung einer an sich bekannten Klopfsensorvorrich­ tung,

Fig. 9B ein schematisches Blockdiagramm zur Ver­ deutlichung einer an sich bekannten Klopf­ detektierschaltung, und

Fig. 9C eine vergrößerte Schnittansicht zur Ver­ deutlichung eines an sich bekannten Klopfsen­ sors.

Bevorzugte Ausführungsformen der Klopfsensorvorrichtung nach der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung sind gleiche oder ähnliche Teile, welche die gleiche Funktion oder die gleiche Auslegung wie bei der in den Fig. 9(A), 9(B) und 9(C) gezeigten üblichen Vor­ richtung haben, mit denselben Bezugszeichen versehen. Eine nähere Beschreibung derselben kann daher entfallen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1A ist der Zylinderblock 20 mit einer Mehrzahl von hohlzylindrischen Teilen 2 (in Fig. 1A ist nur eines gezeigt) und einem überhängenden Teil 20a im Mittelteil der Oberfläche desselben versehen, so daß eine Erweiterung in Querrichtung des Zylinderblocks 20 vorhan­ den ist. Ein Zylinderkopf 4 ist auf der Oberseite des Zy­ linderblocks 20 angeordnet, wobei eine Kopfdichtung 21 zwi­ schen den beiden Teilen angeordnet ist. Diese Kopfdichtung 21 ist aus einem flachen, metallischen Material mit hohem Schwingungsdurchlaßvermögen, beispielsweise einem 18-8 rost­ freien Stahl (SUS 304 nach der japanischen Industrienorm) hergestellt.

Ein Klopfsensor 22 ist am Zylinderblock über die metallische Kopfdichtung 21 in der Mitte des überhängenden Teils 20a des Zylinderblocks 20 angebracht, wie dies in Fig. 2A gezeigt ist. Wie in Fig. 2B gezeigt ist, ist ein Klopfsensor 22 mit einem Gewindeabschnitt 23 und einem Schulterabschnitt 23b versehen, welche sich gegenüber dem üblichen Klopfsensor 9 unterscheiden, der in Fig. 9C gezeigt ist. Der Gewindeab­ schnitt 23a ist in eine Gewindeöffnung eingeschraubt, die im Mittelteil des überhängenden Teils 20a ausgebildet ist, und der Schulterabschnitt 23b wird in Druckkontakt mit der obe­ ren Fläche des überhängenden Teils 20a über die Kopfdich­ tung 21 gebracht, um eine Klopfschwingung zu detektieren, die in jeder Zylinderkammer 5 einer Mehrzylinder-Brennkraftma­ schine erzeugt wird, welche vier Zylinder hat und beispiels­ weise in Fig. 2A gezeigt ist.

Auf die gleiche Weise wie bei der üblichen Vorrichtung ist der Klopfsensor 22 mit einer Klopfdetektierschaltung 9A ver­ bunden, die einen Bandpaßfilter 10, einen Gleichrichter 12, eine Glättungsschaltung 13, einen Komparator 11 und einen In­ tegrator 14 hat, wie dies in Fig. 1B gezeigt ist. Ferner ist der Integrator 14 mit einer Zündschaltung 15 verbunden, die zur Zündung der vier Zündkerzen 8 dient.

Fig. 2A zeigt eine Draufsicht auf einen Vierzylinder-Block 20, bei dem ein Zylinderkopf 4 abgenommen ist. Da wie gezeigt der Klopfsensor 22 fest in der Mitte des Zylinderblocks ange­ bracht ist, und da ferner die Breite der Kopfdichtung 21 so groß wie möglich bemessen ist, wird erreicht, daß die Klopf­ schwingungen K sich gleichmäßig erfassen lassen, die von den vier Zylindern 2 zu dem Klopfsensor 22 übertragen werden.

Nachstehend wird die Arbeitsweise der Klopfsensorvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung näher erläutert.

Wenn ein Klopfen in jeder Brennkammer 5 jedes Zylinders 2 erzeugt wird, wird die erzeugte Klopfschwingung radial von der Innenumfangsseitenfläche jeder Öffnung, die in der me­ tallischen Kopfdichtung 21 ausgebildet ist, zu der Außen­ seitenfläche derselben übertragen. Somit wird die über­ tragene Klopfschwingung K erfaßt und in ein elektrisches Signal mittels des Klopfsensors 22 umgewandelt, der auf der oberen Fläche der Klopfdichtung 21 angebracht ist. Dieses Signal wird dann an die Klopfdetektierschaltung A angelegt.

Da bei dieser bevorzugten Ausführungsform die Kopfdichtung 21 in Form einer metallischen Platte mit einem hohen Schwin­ gungsdurchlaßvermögen ausgelegt ist, kann der Klopfsensor 22 eine Klopfschwingung K von jedem Zylinder gleichmäßig erfas­ sen, ohne daß eine Beeinflußung infolge eines Unterschieds hinsichtlich des Abstandes zwischen dem Klopfsensor 22 und dem jeweiligen Zylinder 2 vorhanden ist. Ferner sollte noch erwähnt werden, daß aufgrund der Anordnung der Kopfdichtung 21 zwischen dem Zylinderblock 20 und dem Zylinderkopf 4, welche beide aus einem Material mit geringem Schwingungsdurch­ laßvermögen ausgelegt sind, verschiedene mechanische Schwin­ gungen, die auf die Einlaß/Auslaßventile und die Kurbelwelle zurückgehen, nicht auf die Kopfdichtung 21 übertragen werden, so daß der Geräuschpegel herabgesetzt werden kann, und da­ her das SN-Verhältnis der Klopfschwingung verbessert werden kann.

Die Fig. 3A und 3B zeigen eine zweite bevorzugte Ausführungs­ form nach der Erfindung. Fig. 3A zeigt eine Draufsicht ei­ nes Vierzylinder-Blocks 20, bei dem ein Zylinderkopf abgenom­ men ist, und Fig. 3B zeigt einen Klopfsensor, der an einem überhängenden Teil 20a des Zylinderblocks 20 befestigt ist. Das Wesentliche dieser bevorzugten Ausführungsform ist darin zu sehen, daß der Klopfsensor 24 derart ausgebildet ist, daß er in effektiver Weise die Horizontalschwingung längs der oberen Fläche des Zylinderblocks erfassen kann. Dies bedeu­ tet, daß die Schwingungserfassungsrichtung in Vorwärts-Rück­ wärts-Richtung (F-R-Richtung) der Brennkraftmaschine be­ stimmt ist (siehe Fig. 3A). Bei dieser bevorzugten Ausfüh­ rungsform ist der Klopfsensor 24 fest an dem überhängenden Teil 20a des Zylinderblocks 20 mit Hilfe von zwei Schrauben 25 über eine Grundplatte 27 und die Kopfdichtung 21 ange­ bracht, wobei beide aus rostfreiem Stahl (beispielsweise SUS 304) hergestellt sind.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3B umfaßt der Klopfsensor 24 als nähere Einzelheiten ein piezoelektrisches Element 28, das mit oberen und unteren Elektoden 28a versehen ist und in hori­ zontaler (F-R Richtung) polarisiert ist, ferner ein Gewichts­ teil 29, das an dem piezoelektrischen Elmement 28 angebracht ist, eine Elektrodenplatte 30, die einen Anschluß 30a hat und in engen Kontakt mit der oberen Fläche des Gewichtsteils 29 gebracht wird, eine elastische Buchse 31 (beispielsweise eine Silikonkautschukbuchse), die fest mit der Elektrodenplatte 30 verbunden ist und ein zylindrisches Sensorgehäuse 32 zum fe­ sten Verbinden der elastischen Buchse 31 mit der Grundplatte 27 derart, daß die untere Elektrode 28a des Klopfsensors 24 in Druckkontakt mit der oberen Fläche der Grundplatte 27 ge­ bracht wird. Das obere Teil des Sensorgehäuses 32 ist fest mit der äußeren Umfangsfläche der elastischen Buchse 31 verbun­ den und das untere Teil ist an der Grundplatte 27 angeschweißt. Ferner ist der so ausgelegte Klopfsensor 24 an dem überhängen­ den Teil 20a des Zylinderblocks 20 mit Hilfe von zwei Schrau­ ben 25 angebracht, wobei die Grundplatte 27 auf der Kopfdich­ tung 21 aufliegt.

Da bei dieser bevorzugten Ausführungsform die Kopfdichtung 21 zwischen dem Zylinderkopf 4 und dem Zylinderblock 20 festge­ legt ist und ferner das piezoelektrische Element 28 derart polarisiert ist, daß es die Horizontalkomponente der Klopf­ schwingung erfaßt, erfaßt der Klopfsensor 24 eine Klopschwin­ gung K, die über die Kopfdichtung 21 übertragen wird, und zwar in Form von Längsschwingungswellen (keine Querschwingungswel­ len). Um die Klopfschwingung K, die auf das piezoelektrische Element 28 über die Grundplatte 27 übertragen wird, in effek­ tiver Weise zu erfassen, wird in bevorzugter Weise das Gewicht des Klopfsensors 24 soweit wie möglich herabgesetzt. Da bei dieser bevorzugten Ausführungsform das piezoelektrische Ele­ ment 28 dünn ausgelegt ist und in Längsrichtung verlaufend (in Richtung von vorne nach hinten), bezogen auf den Zylinder­ block 10, angeordnet ist, kann in effektiver Weise eine Klopf­ schwingung festgestellt werden, die in horizontaler Richtung (F-R-Richtung) des Zylinderblocks über die Kopfdichtung 21 übertragen wird, wobei diese Klopfschwingung insbesondere von den Zylindern Nr. 1 und Nr. 4 übertragen wird, die von dem Klopfsensor 24 am weitesten entfernt liegen, wobei man dennoch grob gesehen eine gleichmäßige Empfindlichkeit erhält. Da ferner in Fig. 3B die untere Fläche des piezoelektrischen Elements 28 in Druckkontakt mit der oberen Fläche der Grund­ platte 27 steht, und ferner die Grundplatte 27 ebenfalls in Druckkontakt mit der oberen Fläche der Kopfdichtung 21 ist, wer­ den die Ringschwingungswellen effektiv von dem Zylinderblock 20 auf das piezoelektrische Element 28 übertragen, das zwi­ schen dem Gewichtsteil 29 und der Basisplatte 27 unter Zwi­ schenschaltung der Kopfdichtung 21 angeordnet ist. Wenn daher das piezoelektrische Element 28 über die Kopfdichtung 21 in horizontaler (Vorwärts- und Rückwärts-) Richtung beschleunigt wird, wird eine Schwerkraft zwischen den oberen und unteren Elektroden 28a in Vorwärts-Rückwärts-Richtung erzeugt. Daher wird eine Spannung zwischen den beiden Elektroden 28a infolge der piezoelektrischen Wirkung des Elements 28 erzeugt, und die erzeugte piezoelektrische Spannung wird über die Elektro­ denplatte 30 und den Anschluß 30a erfaßt. Die detektierte Span­ nung wird an die Klopfdetektierschaltung 9A angelegt.

Da ferner die elastische Buchse 31 aus Silikonkautschuk mit einer vorbestimmten geringen Elastizität im Vergleich zu je­ ner des Gewichtsteils 29 oder des piezoelektrischen Elements 28 hergestellt ist, wird die Schwingungsbewegung des Gewichts­ teils 29 und des piezoelektrischen Elements 28 nicht durch die elastische Buchse 31 eingeschränkt, wenn die Buchse 31 in engen Kontakt mit dem Gewichtsteil 29 gebracht wird.

Fig. 4A zeigt eine erste Ausführungsvariante der Kopfdich­ tung 34 nach der Erfindung, bei der ein inneres Ende 35a einer rostfreien Stahlplatte (beispielsweise aus SUS 304) längs der inneren Biegelinie 40 auf der Seite der Brennkam­ mer 5 gebogen und gefaltet ist, wie dies mit gebrochenen Li­ nien in Fig. 3A verdeutlicht ist, und zusätzlich ist die restliche obere Fläche der Kopfdichtung 34 durch ein metal­ lisches Zusatzteil in Form einer Platte 36 (die beispiels­ weise aus Messing besteht) verstärkt. Da der gefaltete Teil elastisch verformt werden kann, so daß er bündig mit der me­ tallischen Zusatzplatte 36 übereinstimmt, wenn diese Teile eng anliegend zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinder­ kopf angeordnet werden, kann man einen zuverlässigen Dich­ tungseffekt erzielen, wenn die Kopfdichtung 34 zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf unter einem relativ ge­ ringen Dichtungsdruck angeordnet ist.

Fig. 4B zeigt eine zweite Ausführungsvariante der Kopfdich­ tung 34, bei der ein zu äußerst liegendes Ende 35b des ge­ bogenen, inneren Endes 35a des gefalteten Abschnitts der rost­ freien Stahlplatte weiter nach innen gebogen ist, so daß der gehaltene Teil in zwei elastischen Verformungsstufen verformt werden kann. Da bei dieser Ausführungsvariante die Anzugs­ kraft auf die beiden gebogenen Abschnitte 35a und 35b aufge­ bracht oder auf diese verteilt werden kann, kann auf effekti­ vere Weise eine Dichtungswirkung erzielt werden, und ferner kann die Standzeit der Kopfdichtung 34 erhöht werden, wenn eine höhere Anzugskraft gegen die Kopfdichtung 34 zur Ein­ wirkung kommt.

Fig. 4C zeigt eine dritte Ausführungsvariante der Kopfdich­ tung 34, bei der zwei nichtmetallische (beispielsweise Sili­ konkautschuk) Dichtplatten 37 haftend auf den beiden Flä­ chen der Kopfdichtung 34 aufgebracht sind, die von einer rostfreien Stahlplatte 35 und einer metallischen Hilfsplat­ te 36 gebildet wird. Da bei dieser Ausführungsvariante die Dichtungseigenschaften sich weiter verbessern lassen, und da die Klopfschwingung effektiver zu dem Klopfsensor 24 übertragen werden kann, ohne daß eine Übertragung auf den Zylinderkopf 4 und den Zylinderkopf 20 über die nichtmetal­ lischen Dichtungsplatten 37 erfolgt, läßt sich die Empfind­ lichkeit des Klopfsensors 24 weiter steigern.

Das Material der Kopfdichtung wird nachstehend näher beschrie­ ben.

Fig. 5 ist ein Diagramm zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen der Zugfestigkeit (kgf. mm^-2) und dem Schwingungs­ sicherheitskoeffizienten (%) ( Kehrwert zu dem Schwingungs­ durchlaßvermögen) der verschiedenen metallischen Materialien, wobei diese Größen in dem japanischen Metallhandbuch angege­ ben sind. Für die Kopfdichtung wird in bevorzugter Weise ein Metall mit einem niedrigen Schwingungssicherungskoeffizien­ ten, d. h. einem hohen Schwingungsdurchlaßvermögen) und einer hohen Zugfestigkeit eingesetzt, wobei es sich beispielsweise um den rostfreien Stahl 18-8, eine Aluminiumlegierung, eine Titanlegierung oder einen Stahl mit niedrigem Kohlenstoff­ gehalt (welcher etwa 0,7 Gew.-% Kohlenstoff enthält) handeln kann.

Fig. 6 ist eine Tabelle, in der die Wärmebeständigkeitstem­ peratur von verschiedenen metallischen Materialien aufge­ listet ist, die als Kopfdichtung nach der Erfindung zur An­ wendung kommen können. Die Angaben sind einem Buch "Dichtun­ gen" 3. Auflage, Machine Design, am 9. März 1967 veröffent­ licht, entnommen. In dieser Tabelle ist jede obere Grenztem­ peratur, welcher das jeweilige Material standhält, bei hohen Temperaturen über viele Stunden hinweg unter Berücksichti­ gung der Oxidationstemperatur, der Kriechtemperatur, usw. erfaßt. Da in diesem Zusammenhang eine große Anzugskraft für eine flache, metallische Kopfdichtung, insbesondere für eine rostfreie Stahlkopfdichtung erforderlich ist, ist eine rela­ tiv hohe Zugfestigkeit für die Kopfdichtung zusätzlich zu einem kleinen Schwingungssicherungskoeffizienten (d. h. ei­ nem hohen Schwingungsdurchlaßvermögen) erforderlich. Daher sind als Erfordernisse für die Kopfdichtung nach der Erfin­ dung ein niedrigerer Schwingungssicherungskoeffizient (d. h. ein großes Schwingungsdurchlaßvermögen), eine hohe Zug­ festigkeit (da ein großer effektiver Anzugsdruck erforderlich ist) und eine hohe Wärmebeständigkeit anzusehen (da die Dichtung in der Nähe der Brennkraftmaschinenbrennkammer ange­ ordnet ist). Unter Berücksichtigung der vorstehend genannten Umstände ist es insbesondere zweckmäßig, rostfreien Stahl (beispielsweise SUS 304) für die Kopfdichtung zu nehmen. Wenn jedoch eine metallische Hilfsplatte 36 zum Einsatz kommt, und hierbei das Material nicht direkt der hohen Temperatur der Verbrennungsgase ausgesetzt ist, kann in zweckmäßiger Wei­ se Messing mit einem niedrigen Schwingungssicherungskoeffi­ zienten, d. h. einem hohen Schwingungsdurchlaßvermögen) trotz einer niedrigen Wärmebeständigkeitstemperatur aus wirtschaft­ lichen Gründen eingesetzt werden.

Die Fig. 7A bis 7C zeigen eine dritte bevorzugte Ausführungs­ form nach der Erfindung. Diese bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, daß das Sensorgehäuse 51 direkt an dem überhängenden Teil 20a des Zylinderblocks 20 mit Hilfe von Schrauben 25 derart befestigt ist, daß ein metallisches Druckkontaktteil 52 des Klopfsensors 50 von oben her gegen einen in der Mitte liegenden schmalen Verlängerungsabschnitt 21a der metallischen Dichtung 21 gedrückt wird. Wie in Fig. 7B gezeigt ist, umfaßt der Klopfsensor 50 ein metallisches Druck­ kontaktelement 52, ein piezoelektrisches Element 28, das mit zwei Elektroden 28a versehen und in horizontaler Richtung (F-R-Richtung) polarisiert ist, ein Gewichtsteil 29, eine Elektrodenplatte 30, die mit einem Anschluß 30a versehen ist, und eine elastische Buchse 31, welche in der angegebenen Reihenfolge stapelförmig zueinander angeordnet sind. Die ela­ stische Buchse 31 ist auf einem Sensorgehäuse 51 abgestützt, und diese stapelförmig angeordneten Elemente 52, 28, 29, 30 und 31 sind alle aus einem gießfähigen Material 53 (bei­ spielsweise Silikonkautschuk) in dem Sensorgehäuse 51 herge­ stellt, um die Sensorelemente abzustützen und wasserdicht unterzubringen.

Das Sensorgehäuse 51 ist ferner mit zwei Flanschabschnitten 51a versehen, an denen das Sensorgehäuse 51 an dem überhän­ genden Abschnitt 20a des Zylinderblocks 20 mit Hilfe von Schrauben 25 befestigt ist.

Fig. 7C zeigt eine Seitenansicht des Sensors 50. Unter Bezug­ nahme auf die Fig. 7B und 7C ist der Abstand h zwischen der Endfläche des Druckkontaktelements 20 und jener der Flansch­ abschnitte 51a geringfügig kleiner als die Dicke t des mitt­ leren Verlängerungsteils 21a der metallischen Dichtung 21 bemessen, so daß das Druckkontaktelement 52 des Klopfsensors 50 direkt in Druckkontakt mit dem mittleren Verlängerungsteil 21a der metallischen Dichtung 21 mit einem vorbestimmten Druck gebracht werden kann, ohne daß sich eine Schwingungsdämpfung ergibt.

Wenn eine Klopfschwingung K in der Brennkammer 5 erzeugt wird, wird die erzeugte Klopfschwingung K über das mittlere Verlän­ gerungsteil 21a der Dichtung 21 mit hohem Schwingungsdurchlaß­ vermögen übertragen. Da der Klopfsensor 50 über dem mittleren Verlängerungsteil 21a der Dichtung 21 derart angeordnet ist, daß nur das Druckkontaktteil 52 des Sensors 52 in Druckkon­ takt mit dem Verlängerungsteil 21 ist, kann eine effektive Er­ fassung der Klopfschwingung über das Druckkontaktteil 52 des Klopfsensors 50 erreicht werden. Da ferner die Flansch­ abschnitte 51a des Sensorgehäuses 51 nicht in Kontakt mit der Dichtung 21 sind, hat die Masse des Sensorgehäuses 51 keinen schädlichen Einfluß auf die Frequenzcharakteristik der Schwingungsübertragung durch die metallische Dichtung 21.

Die Fig. 8A bis 8E zeigen eine vierte bevorzugte Ausführungs­ form nach der Erfindung. Bei dieser Auslegung ist die Anord­ nung derart getroffen, daß die Schwingungsempfindungsrichtung in Richtung von rechts nach links (RH-LH) in Fig. 8B bestimmt ist. Somit ist der Klopfsensor 100 in der Richtung senkrecht zur Oberfläche der metallischen Dichtung 21 festgelegt, wie dies in Fig. 8A gezeigt ist. Die metallische Dichtung 21 ist mit einem mittleren, schmalen Verlängerungsabschnitt 21b und zwei seitlichen, vertikalen Flanschabschnitten 21c und 21d versehen, welche beide auf den Seiten des Verlängerungsteils 21b liegen. Ferner wird das metallische Druckkontaktteil 102 des Klopfsensors 100 nach Fig. 8E in Druckkontakt mit dem mittleren Verlängerungsteil 21b und der Dichtung 21 dadurch gebracht, daß das Sensorgehäuse 51 auf den beiden seitlichen, vertikalen Flanschabschnitten 21c und 21d der Dichtung 21 mit Hilfe von Schrauben 25 befestigt wird, wie dies in Fig. 8D gezeigt ist.

Wie in Fig. 8C gezeigt ist, ist der Flanschabschnitt 21c auf der vorberen Seite nach oben gebogen, und der Flanschabschnitt 21d ist auf der Rückseite des Brennkraftmaschinenzylinder­ blocks nach unten gebogen.

Wie ferner in Fig. 8D gezeigt ist, umfaßt der Klopfsensor 100 ein metallisches Druckkontaktelement 102, ein piezoelektri­ sches Element 104, welches mit zwei Elektroden 104a versehen ist und in vertikaler Richtung (RH-LH) polarisiert ist, ein Gewichtsteil 29, eine Elektrodenplatte 30, die mit einem Anschluß 30a versehen ist, und eine elastische Buchse 31, wobei alle diese Teile in der angegebenen Reihenfolge sta­ pelförmig angeordnet sind. Die elastische Buchse 31 ist an einem Sensorgehäuse 51 abgestützt, und diese stapelförmig angeordneten Elemente 102, 104, 29, 30 und 31 sind alle aus einem gießfähigen Material 53 in dem Sensorgehäuse 51 ausge­ formt, so daß dieses die Sensorelemente trägt und diese wasserdicht in demselben untergebracht sind.

Ferner ist das Sensorgehäuse 51 mit zwei Flanschabschnitten 51a versehen, mittels denen das Sensorgehäuse 51 an den bei­ den vertikalen, seitlichen Flanschteilen 21c und 21d der me­ tallischen Dichtung 21 mit Hilfe von Schrauben 25 festgelegt ist.

Fig. 8E zeigt eine Seitenansicht des Sensors 100. Unter Be­ zugnahme auf die Fig. 8D und 8E ist der Abstand h zwischen der Endfläche des Druckkontaktelements 102 und jener der Flanschabschnitte 51a des Sensors 100 geringfügig kleiner als der Abstand (e-t) bemessen, den man durch Subtraktion einer Dicke t, einer Unterlagscheibe 105, einem Abstand e zwischen der Oberfläche 21e des mittleren Verlängerungsteils 21b und jener der Flanschabschnitte 21c und 21d erhält, so daß das Druckkontaktteil 102 des Klopfsensors 100 direkt in Druckkontakt mit der Kontaktfläche 21e des mittleren Verlänge­ rungsteils 21b der metallischen Dichtung 21 unter Erzielung eines vorbestimmten Anpreßdruckes gebracht werden kann. Wenn ferner die Kontaktfläche 21e des Verlängerungsteils 21b mit einer feinen Glanzfläche poliert ist, kann die Klopfschwin­ gung K effektiver auf den Klopfsensor 100 über die metallische Dichtung 21 übertragen werden. Wenn die Klopfschwingung K in der Brennkammer 5 erzeugt wird, wird die erzeugte Klopf­ schwingung K über das mittlere Verlängerungsteil 21b der me­ tallischen Dichtung 21 mit hohem Schwingungsdurchlaßvermögen übertragen, um das piezoelektrische Element 104 in der po­ larisierten Richtung 104b über das Druckkontaktteil 102 in Schwingung zu versetzen, so daß eine Sensorspannung über den Anschluß 30a ausgegeben werden kann. Ferner ist der an­ dere Anschluß des Klopfsensors 100 über den Brennkraftmaschi­ nenkörper und die Dichtung 21 an Masse gelegt. Da ferner bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Klopfsensor 100 fest mit der Dichtung 21 mit Hilfe von zwei Unterlagscheiben 105 und 106 verbunden ist, welche ein geringes Schwingungs­ durchlaßvermögen haben, und die zwischen den Flanschabschnit­ ten 51a des Sensorgehäuses 51 und den vertikalen Flanschab­ schnitten 21c und 21d der Dichtung angeordnet sind, kann eine effektivere Erfassung der Klopfschwingung mit Hilfe des Sen­ sors 100 über die Dichtung 21 erzielt werden, ohne daß Schwin­ gungen des Klopfsensors hierauf einen Einfluß haben.

Da entsprechend den voranstehenden Ausführungen die Klopfsen­ soreinrichtung nach der Erfindung eine metallische Kopfdich­ tung mit einem hohen Schwingungsdurchlaßvermögen hat und die­ se zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf angeordnet ist, und da ferner der Klopfsensor an der metallischen Kopf­ dichtung festgelegt ist, kann das Klopfen mit einer hohen Empfindlichkeit festgestellt werden, da die Klopfschwingung des Zylinderblocks effektiv von einer Mehrzahl von Brennkam­ mern auf den Klopfsensor über die metallische Kopfdichtung vorzugsweise in Form von Längsschwingungswellen übertragen werden kann, ohne daß eine Schwingungsdämpfung auftritt, und ohne daß ein Einfluß im Hinblick auf die Unterschiede des Abstandes zwischen dem Klopfsensor und dem jeweiligen Brenn­ kraftmaschinenzylinder einer Mehrzylinder-Brennkraftmaschine vorhanden ist.

Claims (17)

1. Klopfsensorvorrichtung zum Detektieren einer Klopf­ schwingung einer Brennkraftmaschine, die einen Zylinder­ block (20) und einen Zylinderkopf (4) umfaßt, gekennzeichnet durch:

• a) eine metallische Kopfdichtung (21, 34), die ein hohes Schwingungsdurchlaßvermögen hat und eng anliegend zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf angeordnet ist,
• b) eine Klopfsensoreinrichtung (22, 24, 50, 100), die fest mit der metallischen Kopfdichtung verbunden ist und zur Erfassung der Klopfschwingung der Brennkraftmaschine dient, und
• c) eine Klopfdetektierschaltung (9A), die mit der Klopfsensoreinrichtung verbunden ist und das Vorhandensein oder das Fehlen einer Brennkraftmaschinen-Klopfschwingung in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal der Klopfsensor­ einrichtung feststellt.

2. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Kopfdichtung aus rost­ freiem Stahl hergestellt ist.

3. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Kopfdichtung eine ela­ stische Funktion hat.

4. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Kopfdichtung (34) mit einem ebenen Abschnitt (35) und einem nach innen gefalte­ ten Abschnitt (35a) ausgebildet ist, um der metallischen Kopfdichtung eine elastische Funktion zu verleihen.

5. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Kopfdichtung (34) ferner eine metallische Hilfsplatte (36) aufweist, die aus einem Metall mit höherem Durchlaßvermögen als rostfreier Stahl hergestellt ist und auf dem flachen Abschnitt (35) der metallischen Kopfdichtung auf den anderen Bereichen als den inneren, gefalteten Abschnitt (35a) vorgesehen ist, so daß sie bündig mit dem inneren gefalteten Abschnitt ab­ schließt, wenn sie eng sitzend zwischen dem Zylinderblock und dem Zylinderkopf angeordnet ist.

6. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Kopfdichtung (34) ferner eine erste, nichtmetallische, elastische Platte (37) auf­ weist, die auf der metallischen Hilfsplatte (36) vorgesehen ist.

7. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Kopfdichtung (34) ferner eine zweite, nichtmetallische, elastische Platte (37) auf­ weist, welche derart angeordnet ist, daß sie zwischen dem ebenen Abschnitt (35) der metallischen Kopfdichtung (34) und der metallischen Hilfsplatte (36) zwischen den ersten und zweiten, nichtmetallischen, elastischen Platten (37) angeordnet ist.

8. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Hilfsplatte (36) aus Messing hergestellt ist.

9. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtmetallischen, elastischen Platten (37) aus Silikonkautschuk hergestellt sind.

10. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klopfsensoreinrichtung (22, 24) in einer im wesentlichen mittigen Position des Zylinder­ blocks angebracht ist, um gleichmäßig die Klopfschwingung von einer Mehrzahl von Zylindern zu erfassen, die im Zy­ linderblock vorgesehen sind.

11. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klopfsensoreinrichtung (24) eine Längswelle der Klopfschwingung erfaßt, die längs einer ebenen Richtung der metallischen Kopfdichtung übertragen wird.

12. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klopfsensoreinrichtung (24) aufweist:

• a) eine Basisplatte (27), die auf der metallischen Kopfdichtung (21) angeordnet ist,
• b) ein piezoelektrisches Element (28), das auf der Basisplatte zum Erfassen der Klopfschwingung vorgesehen ist, die durch die metallische Kopfdichtung übertragen wird,
• c) ein Gewichtsteil (29), das auf dem piezoelektri­ schen Element vorgesehen ist,
• d) eine Elektrode (30), die am piezoelektrischen Element vorgesehen ist,
• e) eine elastische Buchse (31), die auf der Elek­ trode vorgesehen ist, und
• f) ein Gehäuse (32) zum Fixieren der Basisplatte, des piezoelektrischen Elements, des Gewichtsteils und der elastischen Buchse sowie der metallischen Kopfdichtung der­ art, daß das piezoelektrische Element in Druckkontakt mit der Grundplatte gebracht wird.

13. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klopfsensoreinrichtung (50, 100) aufweist:

• a) ein Druckkontaktteil (52, 102), das in Druck­ kontakt mit der metallischen Kopfdichtung (21) gebracht wird,
• b) ein piezoelektrisches Element (28), das auf dem Druckkontaktelement zum Erfassen der Klopfschwingung vorgesehen ist, die durch die metallische Kopfdichtung übertragen wird,
• c) ein Gewichtsteil (29), das auf dem piezoelek­ trischen Element vorgesehen ist,
• d) eine Elektrode (30), die auf dem piezoelektri­ schen Element vorgesehen ist,
• e) eine elastische Buchse (31), die auf der Elek­ trode vorgesehen ist, und
• f) ein Gehäuse (51) zum Fixieren des Druckkontakt­ elements, des piezoelektrischen Elements, des Gewichtsteils und der elastischen Buchse an der metallischen Kopfdichtung derart, daß das piezoelektrische Element in Druckkontakt mit dem Druckkontaktteil gebracht wird.

14. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckkontaktteil (52, 102), das piezoelektrische Element (28), das Gewichtsteil (29), die Elektrode (30) und die elastische Buchse (31) alle zusam­ men aus einem gießfähigen Material in dem Gehäuse (51) ge­ gossen sind.

15. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießmaterial ein Silikonkautschuk ist.

16. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klopfsensoreinrichtung (24, 50) effektiv die Klopfschwingung erfaßt, die in Vorwärts/Rück­ wärtsrichtung der Brennkraftmaschine erzeugt wird.

17. Klopfsensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klopfsensoreinrichtung (100) ef­ fektiv die Klopfschwingung erfaßt, die in der Brennkraftma­ schine von rechts nach links erzeugt wird.