DE60102976T2

DE60102976T2 - Signalverarbeitung für einen piezoelektrischen Sensor mit Differenzierer und Integrierer

Info

Publication number: DE60102976T2
Application number: DE60102976T
Authority: DE
Inventors: Toshiyuki Kariya-city Suzuki; Eiichi Kariya-city Kurokawa; Hiroyuki Kariya-city Murai
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2021-06-08
Also published as: DE60102976D1; EP1162442B1; US20010052337A1; JP2002062211A; US6439030B2; EP1162442A1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG UND IN BETRACHT GEZOGENER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Signalverarbeitungseinrichtung für ein Kraftmesssystem, das zur Messung einer einwirkenden physischen Kraft wie eines Druckes oder einer Vibration unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements ausgestaltet ist, das bei einer Verbrennungsdruck-Messeinrichtung zur Messung des Verbrennungsdrucks bzw. Brennraumdrucks einer Brennkraftmaschine Verwendung finden kann.
Bei typischen Verbrennungsdruck-Messeinrichtungen für Brennkraftmaschinen wird ein als Signalverarbeitungsschaltung ausgestalteter Ladungsverstärker zur Verarbeitung des Ausgangssignals eines Verbrennungsdrucksensors verwendet. Der Ladungsverstärker dient hierbei zur Überwachung eines von dem Verbrennungsdrucksensor in Abhängigkeit vom einwirkenden Druck abgegebenen Stroms und Integration dieses Stroms zur Bildung eines den Verbrennungsdruck bzw. Brennraumdruck angebenden Spannungssignals. Ein Beispiel für eine Verbrennungsdruck-Messeinrichtung dieser Art ist in 11 veranschaulicht.
Gemäß 11 ist ein Verbrennungsdrucksensor 61 mit einem von einem Ladungsverstärker gebildeten Integrierglied 62 verbunden, dessen Ausgangssignal über ein Hochpassfilter (HPF) 63, einen Verstärker 64 und ein Tiefpassfilter (TPF) 65 einem externen Gerät zugeführt wird. Das Integrierglied 62 wird von einem Operationsverstärker 66, einem Widerstand 67 und einem Kondensator 68 gebildet und dient zur Integration einer in dem Verbrennungsdrucksensor 61 erzeugten Ladung zur Bildung eines Spannungssignals.
Im einzelnen integriert das Integrierglied 62 hierbei ein schwaches Stromsignal. Zur Verhinderung einer Aufladung des Kondensators 68 durch den Ruhestrom des Operationsverstärkers 66 wird daher zur Speicherung der Ladungen im Kondensator 68 ein Operationsverstärker 66 mit hochohmigem Eingang bzw. hoher Eingangsimpedanz verwendet. Die Zeitkonstante der Integration hängt vom Kondensator 68 und dem Widerstand 67 ab. Das Integrierglied 62 besitzt eine relativ niedrige Grenzfrequenz, sodass der Widerstandswert des Widerstands 67 einige MΩ bis einige zehn MΩ beträgt. Wenn z.B. das Integrierglied 62 eine Grenzfrequenz von 0,8 Hz und der Kondensator 68 eine Kapazität von 0,1 μF aufweisen, beträgt der Widerstandswert des Widerstands 67 annähernd 2 MΩ.
Der Widerstandswert des Widerstands 67 kann in der nachstehend näher beschriebenen Weise unter Einbeziehung des Verbrennungszyklus bzw. der Verbrennungstaktfrequenz der Brennkraftmaschine ausgedrückt werden. Die Verbrennungstaktfrequenz f der Brennkraftmaschine im Leerlauf beträgt: f = 750 min–1/(60 × 2 Zyklen (Takte)) = 6,25 Hz
Unter Berücksichtigung des Umstands, dass es zur Gewährleistung eines zuverlässigen Integrationsvorgangs erforderlich ist, dass die Grenzfrequenz des Integrierglieds 62 ein Zehntel (1/10) der Frequenz eines Messsignals (d.h., der Verbrennungstaktfrequenz f) beträgt, lässt sich der Widerstandswert Rin des Widerstands 67 folgendermaßen ausdrücken: Rin ≥ 1/(2π × 0,1 × f × Cin) wobei Cin 0,1 μF beträgt. Der Widerstandswert Rin des Widerstands 67 ergibt sich somit zu 2,5 MΩ.
Die Eingangsimpedanz des Integrierglieds 62 entspricht dem Widerstand 67 und besitzt somit einen höheren Wert. Das Integrierglied 62 wird daher leicht durch Leckströme vom Verbrennungsdrucksensor 61 oder einem externen Gerät nachteilig beeinflusst, die auf Grund von Feuchtigkeit auftreten. Auf dieses Problem wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Signalverläufe gemäß den 12(a) bis 12(d) näher eingegangen.
Üblicherweise steigt der Verbrennungsdruck der Brennkraftmaschine bei jedem Verbrennungsvorgang in jedem Zylinder in der in 12(a) dargestellten Weise an. Wenn kein Leckstrom auftritt, ändert sich das Ausgangssignal des Integrierglieds 62 in der in 12(b) dargestellten Weise innerhalb eines Spannungsbereichs (von z.B. 0 bis 12 V), der von der Versorgungsspannung des Operationsverstärkers 66 bestimmt wird, d.h., das Ausgangssignal des Integrierglieds 62 ändert sich in Abhängigkeit von den jeweiligen Änderungen des Verbrennungsdruckwerts. Da das Ausgangssignal des Verbrennungsdrucksensors 61 einem invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers 66 zugeführt wird, ist der Pegel des Ausgangssignals des Integrierglieds 62 im Vergleich zum Eingangssignal invertiert. Der Operationsverstärker 66 muss hierbei mit ± 12 V betrieben werden, d.h., es muss eine negative (–) Versorgungsspannung zur Verfügung gestellt werden, sodass sich ein solches System für Kraftfahrzeuge nicht eignet.
Beim Auftreten eines Leckstroms verschiebt sich dagegen das Ausgangssignal des Integriergliedes 62 in der in 12(c) dargestellten Weise zur negativen Seite, was dann zu einer unerwünschten Änderung des Ausgangssignals der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung führt, obwohl der Gleichstromanteil von dem Hochpassfilter 63 unterdrückt wird.
Wenn der Leckstrom stark ansteigt, führt dies in der in 12(d) veranschaulichten Weise zu derart starken Abweichungen des Ausgangssignalverlaufs des Integrierglieds 62, dass das den Verbrennungsdruck angebende Ausgangssignal bei einer minimalen Ausgangsspannung VL des Operationsverstärkers 66 (d.h., der dem Operationsverstärker 66 zugeführten negativen Spannung) in die Sättigung gelangt. Ein großer Leckstrom führt somit zu einer erheblichen Abweichung in dem zu erzeugenden Ausgangssignal der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung.
Wenn außerdem bei Ansteuerschaltungen von Kraftstoffinjektoren der Brennkraftmaschine elektrische Störsignale auftreten, führt dies zu Veränderungen des Ausgangssignals des Integrierglieds 62, die eine verringerte Messgenauigkeit bei der Messung des Verbrennungsdrucks zur Folge haben.
Aus der japanischen Patentschrift 4–97 614 ist eine Signalverarbeitungsschaltung für einen mit einem piezoelektrischen Element ausgestatteten Berührungs- oder Tastsensor bekannt. Die Signalverarbeitungsschaltung besteht hierbei aus einem Differenzierglied, einer Diode, einem Integrierglied und einem Vergleicher. Dem Differenzierglied wird die von dem piezoelektrischen Element erzeugte Quellenspannung (EMK) zugeführt, wobei die Diode das Ausgangssignal des Differenzierglieds gleichrichtet und das Ausgangssignal der Diode dem Integrierglied zugeführt wird. Der Vergleicher vergleicht dann das Ausgangssignal des Integrierglieds mit einer Bezugsspannung. Hierbei leitet das Differenzierglied lediglich eine Änderung der von dem piezoelektrischen Element erzeugten Quellenspannung ab, während das Integrierglied die Änderung der Quellenspannung zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Ausgangssignals des Sensors stabilisiert.
Dieses System ist für die Ermittlung ausgestaltet, ob ein Summenwert von auf das piezoelektrische Element einwirkenden Belastungen bzw. Kräften einen Bezugswert überschreitet oder nicht, was beinhaltet, dass das Ausgangssignal der Diode lediglich einen Anstieg der auf das piezoelektrische Element einwirkenden Belastung angibt, sodass sich ein solches System nicht zur Verarbeitung eines Sensorsignals eignet, das einen einen Vibrationsanteil enthaltenden Druck wie den Verbrennungsdruck einer Brennkraftmaschine angibt.
Weiterhin ist aus der JP-A-58-11 824 eine Schaltungsanordnung zur Erfassung eines Kurzschlusses eines piezoelektrischen Klopfsensors bekannt, die ebenfalls ein Differenzierglied und ein Integrierglied aufweist. Dieser Stand der Technik bezieht sich im einzelnen auf ein System, bei dem einem Sensor zur Ermittlung eines Kurzschlusses über einen hohen Widerstand eine Gleichstrom-Vorspannung zugeführt wird, wobei eine Wechselspannungs-Koppelschaltung (d.h., das Differenzierglied) zur Unterdrückung des Gleichstromanteils vorgesehen ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts dieser Nachteile des Standes der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zu Grunde, eine Signalverarbeitungseinrichtung anzugeben, mit deren Hilfe das Ausgangssignal eines piezoelektrischen Elements ohne durch Leckströme und/oder elektrische Störungen bzw. Störsignale hervorgerufene Abweichungen verarbeitet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebene Signalverarbeitungseinrichtung gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, die lediglich zur Erläuterung dienen und keinen einschränkenden Charakter haben, in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1(a) eine Längsschnittansicht eines Verbrennungsdrucksensors, der an einer im Zylinderkopf einer Diesel-Brennkraftmaschine installierten Glühkerze angebracht ist,
1(b) eine teilweise vergrößerte Ansicht von 1(a) ,
2 ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung einer Verbrennungsdruck-Messeinrichtung, die den Verbrennungsdrucksensor gemäß den 1(a) und 1(b) aufweist,
3 ein Blockschaltbild der Schaltungsanordnung eines Integriergliedes gemäß 2,
4 ein Blockschaltbild eines modifizierten Ausführungsbeispiels des Integriergliedes gemäß 3,
5 ein Blockschaltbild eines modifizierten Ausführungsbeispiels der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung gemäß 2,
6(a) eine Änderung des Verbrennungsdrucks,
6(b) eine Beziehung zwischen dem Ausgangssignal eines Bezugs-Verbrennungsdrucksensors und dem Ausgangssignal eines Differenziergliedes,
7(a) die Verschiebung des Ausgangssignals eines Differenziergliedes nach seiner Integration durch ein ideales Integrierglied in Bezug auf das Ausgangssignal eines Bezugs-Verbrennungsdrucksensors,
7(b) das Ausgangssignal des Differenziergliedes gemäß 7(a) in Form eines Lissajous-Verlaufs,
7(c) einen Fall, bei dem keine Verschiebung zwischen dem Ausgangssignal des Differenziergliedes nach seiner Integration und dem Ausgangssignal eines Bezugs-Verbrennungsdrucksensors auftritt,
7(d) das Ausgangssignal des Differenziergliedes gemäß 7(c) in Form eines Lissajous-Verlaufs,
8(a) eine Verteilung von Leistungsspektren des Verbrennungsdrucks einer Diesel-Brennkraftmaschine in Betriebsbereichen mit Leerlaufdrehzahl, geringer/mittlerer Drehzahl und hoher Drehzahl (vollständig geöffneter Drosselklappe),
8(b) die Verstärkung eines Differenziergliedes und eines Integriergliedes sowie des Ausgangssignals des Integriergliedes,
8(c) den Ausgangssignal-Phasengang eines Differenziergliedes und eines Integriergliedes sowie das Ausgangssignal des Integriergliedes,
9 ein Blockschaltbild des Schaltungsaufbaus einer Verbrennungsdruck-Messeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
10 ein Blockschaltbild des Schaltungsaufbaus einer Verbrennungsdruck-Messeinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 ein Blockschaltbild des Schaltungsaufbaus einer Verbrennungsdruck-Messeinrichtung des Standes der Technik,
12(a) ein Beispiel für Änderungen des Verbrennungsdrucks,
12(b) das Ausgangssignal eines Integriergliedes der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung des Standes der Technik gemäß 11,
12(c) das Ausgangssignal eines Integriergliedes der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung des Standes der Technik gemäß 11 bei Auftreten eines Leckstroms bei der Verbrennungsdruckmessung, und
12(d) das Ausgangssignal eines Integriergliedes der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung des Standes der Technik gemäß 11 bei Auftreten eines unerwünscht großen Leckstroms bei der Verbrennungsdruckmessung.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Bauelemente in verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist insbesondere in den 1(a) und 1(b) ein erfindungsgemäßer Verbrennungsdrucksensor 5 veranschaulicht, der in der nachstehend beschriebenen Weise dahingehend ausgestaltet sein kann, dass er in die Diesel-Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zur Messung des Verbrennungsdrucks in einem Zylinder einbaubar ist.
Gemäß 1(a) ist eine Glühkerze 2 im Zylinderkopf 1 der Diesel-Brennkraftmaschine angeordnet, wobei ein Keramik-Heizelement 3 einem Brennraum 4 ausgesetzt ist. Der Verbrennungsdrucksensor 5 ist hierbei an einer Montagefläche für die Glühkerze 2 befestigt.
Wie in 1(b) im einzelnen veranschaulicht ist, umfasst der Verbrennungsdrucksensor 5 zwei ringförmige piezoelektrische Elemente 6a und 6b, eine zwischen den piezoelektrischen Elementen 6a und 6b angeordnete Elektrodenplatte 7, einen Montagesockel 8, eine Befestigungsschraubenmutter 9 sowie eine Signalausgangsleitung 10. Die piezoelektrischen Elemente 6a und 6b bestehen jeweils aus einem bekannten piezoelektrischen Material wie Bleititanat und sind parallel geschaltet, um zur Verstärkung des Ausgangssignals des Verbrennungsdrucksensors 5 die doppelte Leistung eines der beiden piezoelektrischen Elemente 6a und 6b zu erbringen. Der Verbrennungsdrucksensor 5 dient zur Umsetzung einer auf die piezoelektrischen Elemente 6a und 6b einwirkenden und auf einer durch den Verbrennungsdruck im Brennraum 4 hervorgerufenen Verlagerung oder Vibration der Glühkerze 2 beruhenden Belastung bzw. Kraft in ein elektrisches Signal. Alternativ kann der Verbrennungsdrucksensor 5 auch aus drei oder mehr piezoelektrischen Elementen bestehen und in einem anderen Bereich des Zylinderkopfs 1 als an der Montagefläche für die Glühkerze 2 angebracht werden.
2 zeigt den Schaltungsaufbau einer Verbrennungsdruck-Messeinrichtung, die mit dem vorstehend beschriebenen Verbrennungsdrucksensor 5 ausgestattet ist.
Die Verbrennungsdruck-Messeinrichtung umfasst ein Differenzierglied 11, ein Integrierglied 12 und ein Filter 13. Das Differenzierglied 11 ist mit dem Ausgang des Verbrennungsdrucksensors 5 verbunden, während das Integrierglied 12 mit dem Ausgang des Differenzierglieds 11 verbunden ist. Das Ausgangssignal des Integrierglieds 12 wird über das Filter 13 einem externen Gerät wie einem (nicht dargestellten) Mikrocomputer im Steuer- bzw. Regelsystem der Brennkraftmaschine zugeführt. Das Filter 13 dient zur Unterdrückung unerwünschter Anteile bei einem den Verbrennungsdruck im Brennraum 4 angebenden Eingangssignal sowie zur Einstellung des Eingangssignals auf ein Frequenzband in einem gegebenen Messfrequenzbereich.
Wenn sich der Verbrennungsdruck im Brennraum 4 verändert, hat dies zur Folge, dass die piezoelektrischen Elemente 6a und 6b des Verbrennungsdrucksensors 5 Ladungen erzeugen und der Verbrennungsdrucksensor 5 diese Ladungen als Funktion der Druckänderung im Brennraum 4 in Form eines Verbrennungsdruck-Sensorsignals dem Differenzierglied 11 zuführt. Das Differenzierglied 11 differenziert dann dieses Ausgangssignal des Verbrennungsdrucksensors 5 zur Erzeugung eines Stromsignals, während das Integrierglied 12 das von dem Differenzierglied 11 zugeführte Stromsignal zur Bildung eines Spannungssignals integriert, dessen Pegel sich in Abhängigkeit von der Änderung des Verbrennungsdrucks verändert.
Das Ausgangssignal des Differenzierglieds 11 kann alternativ auch direkt über ein Tiefpassfilter geführt werden. In diesem Fall kann der Integriervorgang bei dem Ausgangssignal des Differenziergliedes 11 in dem externen Gerät vorgenommen werden. Darüber hinaus kann das Filter 13 alternativ in dem externen Gerät angeordnet sein.
Das Differenzierglied 11 gemäß 3 besteht aus einem Ersatz- bzw. Äquivalentkondensator 15 und einem Widerstand 16. Der Ersatz- oder Äquivalentkondensator 15 ist tatsächlich im Verbrennungsdrucksensor 5 angeordnet. Das Ausgangssignal des Differenzierglieds 11 wird hierbei über einen Verstärker 17 dem Integrierglied 12 zugeführt.
4 zeigt ein modifiziertes Ausführungsbeispiel der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung.
Zwischen dem Differenzierglied 11 und dem Integrierglied 12 ist hierbei ein Vorverstärker 21 angeordnet, der aus einem Operationsverstärker 22 und Widerständen 23 und 24 besteht. Das Differenzierglied 11 besteht aus einem in den Verbrennungsdrucksensor 5 eingebauten Kondensator 15 und dem im Vorverstärker 21 enthaltenen Widerstand 23. Dem nichtinvertierenden Eingang (+) des Operationsverstärkers 22 wird eine gegebene Bezugsspannung Vr zugeführt, um das elektrische Potential am nichtinvertierenden Eingang auf die positive Seite zu verschieben und dadurch das elektrische Potential am invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers 22 auf das Potential an dessen nichtinvertierenden Eingang zu erhöhen, sodass das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 22 um dieses Potential (d.h., die Bezugsspannung Vr) herum oszilliert. Die Bezugsspannung Vr kann hierbei von einem Bruchteil einer Konstantspannung (von z.B. 5 V) gebildet werden.
Außerdem kann dem Widerstand 24 ein Kondensator zur Unterdrückung von Störsignalanteilen parallel geschaltet werden, die vom Ansteuersystem der Kraftstoffinjektoren der Diesel-Brennkraftmaschine erzeugt werden.
5 zeigt ein zweites modifiziertes Ausführungsbeispiel der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung.
Hierbei besteht das Differenzierglied 11 aus dem im Verbrennungsdrucksensor 5 angeordneten Kondensator 15 sowie einem Widerstand 33, der über einen Endanschluss an Masse gelegt ist. Mit dem Integrierglied 12 sind ein Bandpassfilter 31 und ein Tiefpassfilter 32 verbunden, die die gleiche Funktion wie das Filter 13 besitzen. Das Bandpassfilter 31 kann alternativ auch durch ein Hochpassfilter ersetzt werden.
Operationsverstärker 35, 36 und 37 des Integriergliedes 12, des Bandpassfilters 31 und des Tiefpassfilters 32 liegen jeweils über ihre nichtinvertierenden Eingänge (+) an der Bezugsspannung Vr, sodass das elektrische Potential an ihren nichtinvertierenden Eingängen im positiven Bereich gehalten wird und dadurch das elektrische Potential an den invertierenden Eingängen (–) der Operationsverstärker 35, 36 und 37 auf das gleiche Potential wie an ihren nichtinvertierenden Eingängen erhöht wird. Auf diese Weise geben die Operationsverstärker 35, 36 und 37 jeweils ein Ausgangssignal ab, dessen Amplitude sich im Bereich der Bezugsspannung Vr verändert.
Die Anhebung des elektrischen Potentials am invertierenden Eingang (–) des Operationsverstärkers 35 könnte dazu führen, dass ein Gleichstrom vom Integrierglied 12 zum Verbrennungsdrucksensor 5 fließt, jedoch wird dies durch den Kondensator 34 verhindert. Der Kondensator 34 dient außerdem dazu, nachteilige Auswirkungen auf Grund eines Leckstroms minimal zu halten.
Die aus dem Kondensator 34 und dem Widerstand 38 bestehende Schaltungsanordnung dient als Hochpassfilter. Die Grenzfrequenz dieses Hochpassfilters ist auf annähernd 0,8 Hz eingestellt. Die Kapazität des Kondensators 34 liegt daher im Bereich von mehreren μF. Hierbei wird üblicherweise ein Elektrolytkondensator verwendet, was eine Schaltungsanordnung mit geringem Leckstrom erfordert. Die Schaltungsanordnung gemäß 4 ist daher der Schaltungsanordnung gemäß 5 vorzuziehen.
Nachstehend wird die Bestimmung der jeweiligen Zeitkonstanten (d.h. der Grenzfrequenz) des Differenziergliedes 11 und des Integriergliedes 12 näher beschrieben.
Zunächst wird die Zeitkonstante des Differenziergliedes 11 durch vorherige Überwachung des Ausgangssignals eines Referenz-Verbrennungsdrucksensors bestimmt, mit dessen Hilfe der Verbrennungsdruck mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann, um entsprechende Ausgangssignaldaten abzuleiten und sodann den Verlauf und die Phase des Ausgangssignals des Differenziergliedes 11 auf die von dem Referenz-Verbrennungsdrucksensor erhaltenen Ausgangssignaldaten einzustellen. Wenn sich z.B. der Verbrennungsdruck in der in 6(a) dargestellten Weise und der durch Differenzieren des Ausgangssignals des Referenz-Verbrennungsdrucksensors erhaltene Wert in der in 6(b) durch eine durchgezogene Kennlinie A dargestellten Weise ändern, wird die Zeitkonstante des Differenziergliedes 11 derart festgelegt, dass der Verlauf des Ausgangssignals des Differenziergliedes 11 mit dem Verlauf des Differenzierwertes A übereinstimmt.
Bei der Schaltungsanordnung gemäß 3, bei der das Differenzierglied 11 aus dem Kondensator 15 und dem Widerstand 16 besteht, ist die Kapazität des Kondensators 15 konstant. In diesem Fall wird die Zeitkonstante des Differenziergliedes 11 durch Änderung des Widerstandswertes des Widerstands 16 eingestellt. Die Signalgröße des Ausgangssignals des Differenziergliedes 11 wird über den Verstärker 17 eingestellt. Der in 6(b) durch eine gestrichelte Kennlinie B dargestellte Signalverlauf gibt das Ausgangssignal des Differenziergliedes 11 für den Fall an, dass der Widerstandswert des Widerstands 16 in der Größenordnung von mehreren MΩ liegt. Dieser Widerstandswert ist jedoch zu groß, sodass sich eine Verschiebung des Signalverlaufs B in Bezug auf den Signalverlauf A ergibt. Im Rahmen der Erfindung konnte festgestellt werden, dass sich eine Übereinstimmung des Signalverlaufs B mit dem Signalverlauf A erzielen lässt, wenn der Widerstandswert des Widerstands 16 unter 100 kΩ verringert wird.
7(a) veranschaulicht die hier gestrichelt dargestellte Verschiebung des Ausgangssignals des Differenziergliedes 11 nach seiner Integration durch ein ideales Integrierglied in Bezug auf das durch eine durchgezogene Kennlinie dargestellte Ausgangssignal des Verbrennungsdrucksensors. Der gestrichelt dargestellte Signalverlauf kann alternativ auch erhalten werden, indem das Ausgangssignal des Differenziergliedes 11 bei Verwendung einer Messeinrichtung einem vorgegebenen mathematischen Integrationsvorgang unterzogen wird. Die in 7(a) dargestellte Verschiebung wird durch die beim Differenziervorgang und Integriervorgang entstehende Signalverzögerung verursacht. Das integrierte Ausgangssignal des Differenziergliedes 11 ist hierbei in der in 7(b) dargestellten Weise in Form eines Lissajous-Verlaufs ausgedrückt. 7(c) veranschaulicht einen Fall, bei dem keine Verschiebung zwischen dem integrierten Ausgangssignal des Differenziergliedes 11 und dem Ausgangssignal des Referenz-Verbrennungsdrucksensors auftritt. Das integrierte Ausgangssignal des Differenziergliedes 11 ist hierbei in der in 7(d) dargestellten Weise ebenfalls in Form eines Lissajous-Verlaufs veranschaulicht. Die Zeitkonstante des Differenziergliedes 11 ist derart eingestellt, dass der Signalverlauf gemäß 7(d) erhalten wird.
Der Widerstandswert des Widerstands 16 des Differenziergliedes 11 wird bei den vorstehend unter Bezugnahme auf die 6(a) bis 7(d) beschriebenen Einstellungen der Zeitkonstanten bei diesem Ausführungsbeispiel auf 25 kΩ eingestellt. In diesem Fall weist der Verbrennungsdrucksensor 5 eine Kapazität von 720 pF auf. Die Zeitkonstante des Differenziergliedes 11 ist durch das Produkt von 25 kΩ und 720 pF gegeben, sodass das Differenzierglied 11 eine Grenzfrequenz von 8,8kHz aufweist.
Die Zeitkonstante des Integriergliedes 12 wird unter Verwendung des Ausgangssignals des Referenz-Verbrennungsdrucksensors in der gleichen Weise eingestellt. Bei der Schaltungsanordnung gemäß 5 wird z.B. die Zeitkonstante des Integriergliedes 12 durch Einstellung des Widerstandswertes des dem Operationsverstärker 35 parallel geschalteten Widerstands auf 1 MΩ und der Kapazität des dem Operationsverstärker 35 parallel geschalteten Kondensators auf 0,2 μF festgelegt, sodass das Integrierglied 12 in diesem Fall eine Grenzfrequenz von 0,8 Hz aufweist.
Nachstehend wird die Frequenzcharakteristik bzw. der Frequenzgang der vorstehend beschriebenen Verbrennungsdruck-Messeinrichtung unter Bezugnahme auf die 8(a), 8(b) und 8(c) näher beschrieben.
8(a) zeigt eine Verteilung von Leistungsspektren des Verbrennungsdrucks einer Diesel-Brennkraftmaschine in einem Leerlauf-Betriebsbereich, einem Teillast-Betriebsbereich mit niedriger/mittlerer Drehzahl sowie einem Vollast-Betriebsbereich mit hoher Drehzahl (vollständig geöffnetem Drosselventil). 8(b) zeigt die jeweilige Verstärkung des Differenziergliedes 11 und des Integriergliedes 12, während 8(c) den Phasengang der Ausgangssignale des Differenziergliedes 11 und des Integriergliedes 12 veranschaulicht.
Die Leistungsspektren des Verbrennungsdrucks sind in der in 8(a) veranschaulichten Weise über einen relativ niedrigen Frequenzbereich von annähernd 6,26 Hz bis 1 kHz verteilt. Der Messfrequenzbereich der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung wird daher auf diesen Bereich eingestellt, der im wesentlichen mit dem zur Verfügung stehenden Bereich der Motordrehzahl identisch ist, da der Verbrennungszyklus von der Motordrehzahl abhängt.
In 8(b) sind die Verstärkung des Differenziergliedes 11 und die Verstärkung des Integriergliedes 12 jeweils durch strichpunktierte Kennlinien dargestellt, während die Verstärkung des Ausgangssignals des Integriergliedes 12 durch eine durchgezogene Kennlinie veranschaulicht ist. Wie vorstehend beschrieben, besitzt das Differenzierglied 11 eine Grenzfrequenz von 8,8 kHz, die etwa das Achtfache des oberen Grenzwertes des Messfrequenzbereichs des Verbrennungsdrucks beträgt, während das Integrierglied 12 eine Grenzfrequenz von 0,8 Hz aufweist, die ungefähr 1/8 des unteren Grenzwertes des Messfrequenzbereichs des Verbrennungsdrucks beträgt, sodass die Verstärkung des Ausgangssignals des Integriergliedes 12 innerhalb des Messfrequenzbereichs konstant gehalten wird. Die Grenzfrequenz des Differenziergliedes 11 beträgt vorzugsweise ungefähr das Zehnfache des oberen Grenzwertes des Messfrequenzbereichs, kann jedoch in der vorstehend beschriebenen Weise auch in Abhängigkeit vom jeweiligen Verwendungszweck unter dem zehnfachen Wert liegen. In ähnlicher Weise beträgt die Grenzfrequenz des Integriergliedes 12 vorzugsweise ungefähr 1/10 des unteren Grenzwertes des Messfrequenzbereichs, kann jedoch in der vorstehend beschriebenen Weise in Abhängigkeit vom jeweiligen Verwendungszweck auch mehr als ein Zehntel betragen.
In 8(c) ist der Phasengang von Ausgangssignalen des Differenziergliedes 11 und des Integriergliedes 12 jeweils durch eine strichpunktierte Kennlinie veranschaulicht, während das Ausgangssignal des Integriergliedes 12 durch eine durchgezogene Kennlinie dargestellt ist. Die Phase des Ausgangssignals des Integriergliedes wird hierbei durch die Beziehung der Grenzfrequenzen zwischen dem Differenzierglied 11 und dem Integrierglied 12 konstant gehalten (0°).
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist dieses Ausführungsbeispiel der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung somit dahingehend ausgestaltet, dass das Integrierglied 12 ein Ausgangssignal abgibt, dessen Verstärkung konstant gehalten wird und dessen Phase im Messfrequenzbereich nicht verschoben ist, wodurch ein Ausgangssignal der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung erhalten wird, das den Verbrennungsdruck genau angibt.
Die vorstehend genannten numerischen Werte stellen lediglich Beispiele dar und können in Abhängigkeit vom Aufbau des Verbrennungsdrucksensors 5 und dem Typ der Diesel-Brennkraftmaschine verändert werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung wird somit das Ausgangssignal des Verbrennungsdrucksensors 5 differenziert, um ein Signal als Funktion einer Änderung des Verbrennungsdrucks zu erzeugen. Auch wenn daher ein konstanter Leckstrom in dem Verbrennungsdrucksensor 5 auf Grund einer Änderung der Umgebungstemperatur auftritt, gibt die Verbrennungsdruck-Messeinrichtung ein Ausgangssignal ab, das den Verbrennungsdruck ohne Beeinträchtigung durch die Auswirkungen des Leckstroms wiedergibt. Da das Ausgangssignal des Verbrennungsdrucksensors 5 dem Differenzierglied 11 zugeführt wird, werden auch nachteilige Auswirkungen von elektrischen Störungen im Vergleich zu der üblichen Schaltungsanordnung gemäß 11 minimal gehalten, bei der das Ausgangssignal des Verbrennungsdrucksensors 61 dem Ladungsverstärker 62 zugeführt wird. Wie vorstehend beschrieben, ist die Eingangsimpedanz der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung gering (25 kΩ bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel), was ebenfalls dazu beiträgt, dass das Ausgangssignal der Verbrennungsdruck-Messeinrichtung durch den im Ausgangssignal des Verbrennungsdrucksensors 5 enthaltenen Leckstrom nicht nachteilig beeinflusst wird.
Das Ausgangssignal des Differenziergliedes 11 wird von dem Integrierglied 12 zur Erzeugung eines Spannungssignals integriert, dessen Verlauf dem Oszillieren des auf den Verbrennungsdrucksensor 5 einwirkenden Verbrennungsdrucks folgt. Der Frequenzbereich des Ausgangssignals des Integriergliedes 12 wird in der vorstehend beschriebenen Weise auf der Basis des Messfrequenzbereichs des Verbrennungsdrucks festgelegt, wodurch eine genaue Bestimmung des Verbrennungsdrucks gewährleistet ist.
Dem nichtinvertierenden Eingang der jeweiligen Operationsverstärker 22 und 35 bis 37 wird hierbei die positive Bezugsspannung Vr zugeführt, sodass der Verbrennungsdruck auch dann genau bestimmt werden kann, wenn die Verbrennungsdruck-Messeinrichtung mit einer positiven Versorgungsspannung betrieben wird. Die erfindungsgemäße Verbrennungsdruck-Messeinrichtung eignet sich somit für eine Verwendung bei Kraftfahrzeugen.
9 zeigt eine Verbrennungsdruck-Messeinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Kondensator 41 dem Widerstand 24 des Vorverstärkers 21 parallel geschaltet, um dem Vorverstärker 21 die Integrationsfunktion des Integriergliedes 12 zu verleihen. Der weitere Schaltungsaufbau ist mit der Schaltungsanordnung gemäß 4 identisch, sodass sich eine erneute Beschreibung dieser Elemente erübrigt.
10 zeigt eine Verbrennungsdruck-Messeinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Widerstand 23 der Schaltungsanordnung gemäß 4 entfallen, wodurch ein Integrierglied unter Verwendung des Kondensators 15 und des Widerstands 24 gebildet wird. Der weitere Schaltungsaufbau ist mit der Schaltungsanordnung gemäß 4 identisch, sodass sich erneute Beschreibung dieser Elemente erübrigt.

Claims

Signalverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung des Ausgangssignals eines piezoelektrischen Sensors (5) zur Erzeugung eines eine auf den piezoelektrischen Sensor einwirkende Belastung angebenden Signals, mit: einem Differenzierglied (11) zum Differenzieren des Ausgangssignals des piezoelektrischen Sensors (5), das eine über dem oberen Grenzwert eines Frequenzbereichs der auf den piezoelektrischen Sensor einwirkenden Belastung liegende Grenzfrequenz aufweist, und einem Integrierglied (12) zur Integration der Ausgangsgröße des Differenziergliedes (11) zur Erzeugung eines Ausgangssignals als Funktion des Ausgangssignals des piezoelektrischen Sensors (5), das eine unter einem unteren Grenzwert des Frequenzbereiches der Belastung liegende Grenzfrequenz aufweist, wobei ein Frequenzbereich des Ausgangssignals auf der Basis des Frequenzbereiches der auf den piezoelektrischen Sensor einwirkenden Belastung bestimmt wird.
Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, bei der der piezoelektrische Sensor (5) ein piezoelektrisches Element (6a, 6b) aufweist, dessen Ausgangssignal sich in Abhängigkeit von Änderungen eines auf das piezoelektrische Element einwirkenden Druckes verändert.
Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, bei der der piezoelektrische Sensor (5) in einer Brennkraftmaschine zur Erzeugung des Ausgangssignals in Abhängigkeit von Änderungen des Verbrennungsdrucks in einem Zylinder der Brennkraftmaschine angeordnet ist und das Differenzierglied (11) aus dem Ausgangssignal des piezoelektrischen Sensors (5) eine die Änderungen des Verbrennungsdrucks angebende Signalkomponente bildet.
Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 3, bei der die Grenzfrequenzen des Differenziergliedes (11) und des Integriergliedes (12) auf der Basis eines zur Verfügung stehenden Drehzahlbereiches der Brennkraftmaschine bestimmt werden.
Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, bei der das Differenzierglied (11) aus einem Kondensatorelement (15) des piezoelektrischen Sensors und einem Widerstand (33) besteht.
Signalverarbeitungseinrichtung nach Anspruch 1, bei der ein Operationsverstärker (22) vorgesehen ist, dem über einen ersten Eingang das Ausgangssignal des piezoelektrischen Sensors und über einen zweiten Eingang eine positive Bezugsspannung zugeführt werden.