DE2731069C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur Erfassung der beim Klop­ fen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß bei Otto-Motoren unter bestimmten Lastzuständen und Endgaszusammensetzungen ein sogenanntes Klopfen auftritt. Das sind gedämpfte tonfrequente Schwingungen des komprimierten Dampf- Luftgemisches, die durch eine Stoßwelle ausgelöst werden. Während dieser Schwingungen ist der Wärmeübergang an Kolben und Zylinderwand der Brennkraftmaschine stark erhöht. Dies bedingt eine schädliche thermische Überlastung dieser Flächen, so daß Klopfen grundsätzlich zu vermeiden ist. Da es jedoch erwünscht ist, den bestehenden Spiel­ raum der Betriebsweise möglichst weitgehend auszunutzen, besteht In­ teresse an einem Sensor, der das Klopfen frühzeitig und sicher an­ zeigt. Bekannte Sensoren zu diesem Zweck sind piezoelektrische Druck­ indikatoren, die in eine besondere Bohrung im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingeschraubt werden. Eine derartige Befestigungs­ art ist außerordentlich aufwendig und teuer. Außerdem sind piezoelek­ trische Drucksensoren in unerwünschter Weise stark temperaturabhän­ gig. Schließlich ist auch der Sensor selbst relativ teuer.

Ein Sensor gemäß dem Oberbegriff ist aus der DE-PS 7 46 666 bekannt. Dort wird ein ringförmiger, nach Art einer Unterlegscheibe ausgebil­ deter Körper als Sensor zur Bestimmung des Zylinderdrucks von Ver­ brennungsmotoren verwendet. Im Innern eines hohlringförmigen magne­ tischen Körpers ist eine Spule angeordnet, die aufgrund der Verände­ rung des Luftspalts elektrische Ausgangssignale liefert. Dieser Sen­ sor ist aber nur relativ schwer auf bestimmte Klopffrequenzen ein­ stellbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu schaffen, der sich das Prinzip der bekannten Sensoren zunutze macht, und des­ sen Empfindlichkeit besonders einfach auf ein Frequenzband abstimm­ bar ist, in dem die Klopfschwingungen zu erwarten sind.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß der Sensor relativ preiswert ist, einfach an der Brennkraftmaschine anzubringen ist und auch im rauhen Betrieb eines Kraftfahrzeugs sicher und zuverlässig arbeitet. Die Temperaturabhän­ gigkeit ist relativ gering und die Empfindlichkeit des Sensors kann auf ein Frequenzband abgestimmt sein, in dem die Klopfschwingungen zu erwarten sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich in Verbindung mit den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiele erläutet. Es zeigt

Fig. 1 in geschnittener Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drucksensors,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Drucksensors in Schnittdarstellung und

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Auswer­ tung des Ausgangssignals des Drucksensors.

Zur Ermittlung des Klopfens im Zylinder einer Brennkraft­ maschine werden die tonfrequenten Wechselkräfte ausgenützt, die beim Klopfen an einer dem klopfenden Zylinder möglichst nahegelegenen Kopfschraube wirksam sind. Hierzu wird unter den Kopf der Schraube eine Unterlegscheibe gelegt, die den Wechsel-Kraftfluß frequenzselektiv in ein elektrisches Signal verwandelt.

Diese Unterlegscheibe muß die von der Kopfschraube auszuübende mittlere Kraft vom Schraubenkopf auf den Zylinderkopf über­ tragen und einen mechanischen Resonator enthalten, der an den Wechsel-Kraftfluß angekoppelt ist und nur auf das inter­ essierende Frequenzband anspricht.

Die angeregte Schwingung des Resonators wird dann in ein zur Weiterverarbeitung geeignetes elektrisches Signal ver­ wandelt. Der in Fig. 1 dargestellte Drucksensor weist einen rohrförmigen Grundkörper 1 auf, der zwischen einem Schrauben­ kopf einer Kopfschraube 2 und einem bei 14 angedeuteten Zylinderkopf angeordnet ist und das kraftübertragende Element darstellt. Dieser Grundkörper 1 ist mit zwei Flanschen 3 und 4 versehen, die von innen nach außen zunächst verhältnis­ mäßig dünn gehalten sind und sich an den einander zugekehrten Flächen nach außen verdicken. So schließen sie zunächst einen Hohlraum 15, dann weiter außen einen engen Spalt 16 ein. Im Hohlraum befindet sich - in Isolierstoff eingebettet - eine den Grundkörper 1 umschließende Wicklung 5. Die Flansche 3, 4 gehen mit Rundungen in den Grundkörper 1 über. Wird nun auf den rohrförmigen Grundkörper 1 eine axiale Kraft ausge­ übt, so entsteht in ihm eine Spannungsverteilung, die zu einer gegenläufigen Verwölbung der beiden Flansche 3, 4 führt. Hierdurch ändert sich die Spaltweite. Infolge der Massenver­ teilung auf den Flanschen 3, 4 und deren Elastizität wird dabei eine hochsymmetrische periodische Verformung bestimm­ ter Frequenz so stark bevorzugt, bei der sich die Spaltweite auf dem ganzen Umfang gleichmäßig verengt und erweitert. Die Wicklung 5 im mittleren Hohlraum 15 des Sensors ist an eine Schaltung nach Fig. 3 angeschlossen. In dieser Schal­ tung treibt eine Konstantstromquelle 6 einen konstanten Gleichstrom durch die Wicklung 5 und erzeugt damit einen magnetischen Fluß in dem magnetischen Kreis, der durch den Grundkörper 1 die Flansche 3, 4 und den Luftspalt 16 gebildet wird. Bei Änderung der Luftspaltbreite durch die bereits erwähnten Schwingungen wird auch der Fluß periodisch geändert und hierdurch wird in der Wicklung 5 eine Wechsel­ spannung induziert. Diese wird über einen Kondensator 7 dem Eingang eines Verstärkers 8 zugeführt und erscheint an dem mit niedriger Impedanz ausgestatteten Ausgang. Dieses Aus­ gangssignal ist ein Signal für die in der Schraube auftreten­ den Wechselkräfte, und damit für die Klopf-Schwingungen.

Zur Selektivität hinsichtlich der Frequenz kommt noch die Selektivität hinsichtlich von Schwingungsmoden hinzu. Schwingt z. B. das System als Ganzes, so schwingen die beiden Flansche 3 und 4 im Gleichtakt und die Spaltweite und mithin auch der magnetische Fluß bleiben konstant, so daß kein Signal in der Wicklung 5 induziert wird.

Anstelle der Erregung durch einen Gleichstrom ist auch eine Vormagnetisierung mittels eines Permanentmagneten möglich.

Einen Drucksensor mit einer derartigen Vormagnetisierung zeigt Fig. 2. Ein ringförmiger Permanentmagnet 9 ist zwi­ schen die Flansche 10 und 12 durch den Druck der Kopf­ schraube 2 eingeklemmt. Infolge der im Magnet 9 auftretenden Spannungsverteilungen werden die Flansche 10 und 12 zu Schwingungen angeregt, wenn die Kopfschraube Wechselkräften ausgesetzt ist. Hierdurch wird ein überlagerter magnetischer Wechselfluß erzeugt, der in einer Wicklung 13 eine Signal­ spannung induziert.

Der magnetische Fluß in dem magnetischen Kreis des Sensors ist von der Luftspaltbreite abhängig. Der magnetische Fluß erzeugt eine Anziehungskraft zwischen den beiden Polflächen, die abstandsabhängig ist. Die Kraft nimmt zu, wenn sich der Abstand verringert. Dies entspricht einem negativen Richt­ vermögen, das vom Quadrat des Erregerstroms abhängig ist. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Eigenfrequenz des Schwingers in gewissen Grenzen willkürlich zu verändern, um den Sensor an die Klopffrequenz des Motors anzupassen. Hierbei ändert sich allerdings auch die Empfindlichkeit des Meßfühlers, indessen läßt sich dies durch den Verstärkungs­ faktor der angeschlossenen elektronischen Schaltung aus­ gleichen.

Der in Fig. 1 dargestellte Sensor kann besonders zweck­ mäßig dadurch hergestellt werden, daß der Grundkörper 1 in der zur Achse senkrechten Mittelebene geteilt wird. Die sich ergebenden Flächen müssen sehr gut plangeschliffen sein, wobei die Zentrierung durch einen die Wicklung 5 tragenden Spulenkörper aus Isoliermaterial erfolgen kann. Für die ferromagnetischen Teile soll zweckmäßigerweise ein Material hoher Permeabilität aber möglichst geringer elek­ trischer Leitfähigkeit verwendet werden. Eine weitere günstige Herstellungsmöglichkeit besteht darin, den Grund­ körper 1 und beide Flansche 3, 4 aus einem Stück zu fertigen und die Spaltbreite zwischen den Flanschen 3, 4 durch einge­ legte und mit den Flanschen 3, 4 verklebte Halbringe zu be­ stimmen.

Claims (7)

1. Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auf­ tretenden Schwingungen mit einer Unterlegscheibe für eine Kopfschraube (2), bei dem diese Unterlegscheibe einen magnetisch wirksamen Grund­ körper (1) mit einem darin ausgebildeten ringförmigen in Axialrichtung durch zwei Flansche begrenzten Hohlraum (15), eine elektrische Aus­ gangssignale liefernde Wicklung innerhalb des Hohlraums (15) und einen Luftspalt zwischen den peripheren Bereichen der Flansche aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flansche (3, 4) zwecks Ausbildung als Biegeschwinger jeweils in ihrem von der Kopfschraube (2) abgewandten peripheren Bereich je eine als seismische Masse dienende Verdickung derart aufweisen, daß sich der einzige Luftspalt (16) zwischen den Verdickungen befindet.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkör­ per (1) zwischen den Flanschen (3, 4; 10, 12) in einer zur Symmetrie­ achse senkrechten Ebene in zwei Hälften geteilt ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hälften aus einem Material hoher magnetischer Leitfähigkeit, vorzugsweise Kobalt-Samarium, gebildet sind.

4. Sensor nach Anspruch 2 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den beiden Hälften des geteilten Grundkörpers (1) ein axial ge­ polter Ringmagnet (9) angeordnet ist.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (5, 13) in Isolierstoff eingebettet ist.

6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor durch das Anzugsmoment der Kopfschraube (2) abgestimmt ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor durch einen durch die Wicklung (5, 13) fließenden Gleichstrom abgestimmt ist.