DE2952580A1

DE2952580A1 - Klopfsensor zum nachweis des klopfens von kraftfahrzeugmotoren

Info

Publication number: DE2952580A1
Application number: DE19792952580
Authority: DE
Inventors: Tadayori Makino; Kenzo Miura; Daisaku Sawada; Juhei Takahashi
Original assignee: Toyota Motor Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1978-12-29
Filing date: 1979-12-28
Publication date: 1980-07-10
Also published as: US4307602A

Description

TOYOTA JIDOSHA KOGYO KABUSHIKI KAISHA, Toyota-shi/Japan Klopfsensor zum Nachweis des Klopfens von Kraftfahrzeugmotoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Klopfsensor zum genauai Nachweis des Klopfens von Kraftfahrzeugmotoren o.dgl.

Das Auftreten von Motorklopfen bei einem Kraftfahrzeug ist eine wichtige Größe, die für den gleichmäßig glatten Lauf des Kraftfahrzeuges, für die Lebensdauer der Maschine und für den Kraftstoffverbrauch abträglich ist. Dieses Klopfen kann durch Steuern des Zündzeitpunktes, des Luft/KraftstoffVerhältnisses usw. beseitigt werden.

Fig. 1a und 1b zeigen die mit einem eine flache Frequenzkennlinie aufweisenden Schwingungsaufnehmer aufgenommenen Wellenformen der Schwingungen eines Kraftfahrzeugmotors. Bei normalem Betrieb tritt, wie Fig. 1a zeigt, entsprechend jeder Zündung periodisch eine Amplitudenspitze A mit einer großen Amplitude auf. Klopft der Motor, tritt, wie in Fig. 1b gezeigt, zusätzlich

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zu der periodischen Amplitudenspitze A ein v/eiterer Wellenzug B mit hoher Amplitude und zwar zu einem anderen Zeitpunkt als dem Zündzeitpunkt auf.

Fig. 2a und 2b zeilen die Frequenzspektren der in Fig. 1a und 1b gezeigten Wellenformen. Fig. 2a zeigt das Freouenzspektrum bei normalem Betrieb und Fig. 2b das Frenuenzspektrum, wenn der Motor klopft. Obwohl bei normalem Betrieb einige Ungleichmäßigkeiten auftreten, hat das Frequenzspektrum keine spezifischen Merkmale. Tritt jedoch Klopfen auf, so zeigt das Frequenzspektrum eine charakteristische amplitude bei 7 bis 6 kHz. Diese Spitze im Frequenzspektrum hängt vom Typ und der Größe des Motors ab und liegt etwa zwischen 6 und 9 kliz. Folglich kann mittels der Höhe der Spitze in diesem Bandbereich nachgewiesen werden, ob der Motor klopft. Andererseits ist das bei Messungen an einem Motor sich ergebende Signal/Rauschverhältnis außerordentlich niedrig. Werden also die Wellenformen der Schwingungen einfach mit einem Schwingungsaufnehmer mit einer flachen Frequenzkennlinie aufgenommen, ist es folglich unmöglich, leistungsfähig die für Klopfen charakteristische Frequenz nachzuweisen.

Lie Erfindung geht von der Erkenntnis dieser Tatsache aus. Anders ausgedrückt, es sind verschiedene Arten von Schwingungsaufnehmer bekannt, beispielsweise (1) Schwingungsaufnehmer mit beweglichen Spulen, (2) Schwingungsaufnehmer mit beweglichen Magneten, (3) Schwingungsaufnehmer mit einer piezoelektrischen Keramik usw. Schwingungsaufnehmer mit piezoelektrischen Keramiken werden aufgrund ihrer hohen Resonanzfrequenz, ihres hohen Gütefaktors und .ihrer hohen mechanischen Festigkeit vorzugsweise in Betracht gezogen. Schwingungsaufnehmer mit piezoelektrischen Keramiken sine auch aufgrund ihrer Empfindlichkeit vorteilhaft, dn die piezoelektrische

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Keramik eine flache Frequenzkennlinie in Bezug auf eine bestimmte Beschleunigungszeit hat, während Schwingungsaufnehmer mit einer beweglichen Spule oder mit einem beweglichen Magneten in ihrer Empfindlichkeit um etwa 6 dB/oct. abnehmen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Klopfsensor mit einem Schwingungsaufnehmer vorzuschlagen, der eine piezoelektrische Keramik mit einer Resonanzfrequenz im Bereich von 6 bis 9 kHz und einem hohen Gütefaktor aufweist, so daß das Klopfen eines Motors mit einem verbesserten Signal/Rauschverhältnis nachgewiesen werden kann.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen leicht an einem Motor anzubringenden Klopfsensor vorzuschlagen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe sowie weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüglich der Offenbarung aller nicht erwähnten Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. 1a und 1b die Wellenformeri von Motorschwingungen,

Fig. 2a und 2b die Frequenzspektren der in Fig. 1a und 1b gezeigten Schwingungen,

Fig. 3a und 3b eine Aufsicht und einen Querschnitt eines Klopfsensors nach einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4a 4b und 4c Seitenansichten von wesentlichen

Teilen des in Fig. 3a und 3b gezeigten Klopfsensors,

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Fig. b eine Bandpaßkennlinie des Klopfsensors,

Fig. 6a und 6b gemessene Wellenformen von Motorschwingungen,

Fig. 7a und 7b die Frequenzspektren der in Fig. 6a und 6b gezeigten Schwingungen,

Fig. 8 die Bandpaßkennlinie einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine Aufsicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 10a und 10b eine Aufsicht und einen Querschnitt einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

und

Fig. 11 eine Aufsicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 3a und 3b zeigen einen Schwingkörper 1 vom piezoelektrischen Keramiktyp, ein mit einem isolierenden Kleber an der Spitze des Schwingkörpers 1 befestigtes Metallstück 2, das als Zusatzmasse wirkt, ein in etwa elliptisches Metallgehäuse 3 mit Löchern 3', in die Schrauben zum Anbringen an einem Teil eines Motors eingesetzt werden, eine aus einem Glas-Epoximaterial hergestellte Grundplatte 4, eine Metallplatte b, Befestigungsschrauben 6, eine geschirmte Leitung 7 und eine Kappe 30. In diesem Fall ist der mit Erde verbundene Draht der geschirmten Leitung 7 an die Metallplatte

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angelötet. Diese Metallplatte 5 ist über die Befestigungsschrauben 6 leitend mit dem Metallgehäuse 3 verbunden, so daß dieses auf Erdpotential liegt.

Fig. 4a, 4b und 4c zeigen den Aufbau des Schwingungskörpers 1 und der Grundplatte 4 im einzelnen.

Fig. 4a zeigt den Schwingkörper 1 mit Metallfolien 11, Keramiken 12, einem isolierenden Kleber 13, für den ein schnell trocknender Typ empfehlenswert ist, und einem als Zusatzmasse wirkenden Metallstück 14, das dem Metallstück 2 in Fig. 3b entspricht. In diesem Fall ist die Keramik 12 in zwei Schichten zwischen drei Schichten der Metallfolie 11 angeordnet, so daß die piezoelektrische Keramik als sogenannte Doppelplattenzelle ausgestaltet ist. Dieser Aufbau ergibt eine erhöhte Empfindlichkeit und ein verbessertes Signal/Rauschverhältnis. Das Metallstück 14 wirkt als Zusatzmasse, die um ein Mehrfaches größer als die Masse der piezoelektrischen Keramik sein muß (hierbei ist nur der sich bewegende Teil der piezoelektrischen Keramik von Bedeutung). Sonst nähert sich, wie Fig. 8 zeigt, die zweite Harmonische der Resonanzfrequenz fQ und der Nachweis von Klopfen wird unmöglich.

Folglich sollte die Zusatzmasse aus einem Metall hergestellt werden, das bei der kleinstmöglichen Größe so schwer wie möglich ist, also ein großes spezifisches Gewicht hat. Der Kleber 13 sollte, um eine leitende Verbindung zwischen den Metallfolien 11 zu verhindern, sowohl isolieren als auch kleben. Ein geeignetes Material ist beispielsweise Zyanolkleber.

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Fig. 4b und 4c zeigen eine Aufsicht und eine Vorderansicht der Grundplatte 4 mit einer Kupferfolie 15, einem Glas-Epoxistück 16 und Löchern 17, in die die in Fig. 3a und 5b gezeigten Befestigungsschrauben 6 eingesetzt werden. Lie Grundplatte 4 erfüllt einen doppelten Zweck: Sie dient sowohl der elektrischen Isolation als auch der Signalübertragung. Leshalb muß sie eine beträchtliche Härte aufweisen, um Schwingungsfrequenzen von/kHz aufnehmen zu können. Folglich ist eine aus einem Glas-Epoximaterial hergestellte Grundplatte- geeignet. Natürlich können aber auch Grandplatten aus anderen Materialien verwandt werden, sofern diese nur eine genügende Härte aufweisen. Ler entsprechend Fig. 4a ausgebildete Schwingkörper 1 wird mit einem Teil auf einem Teil der Kupferfolie Vj angebracht. Ler Signaldraht der geschirmten Leitung 7 ist am verbleibenden Teil der Kupferfolie 1'j) angelötet.

Fig. 5 zeigt die Frequenzkennlinie des in den Fig. 3a, 3b, 4a, 4b und 4c gezeigten Klopfsensors. Lie Frequenzkennlinie für Frequenzen kleiner als die Resonanzfrequenz fQ ist flach. Lies rührt daher, daß das Schwingungssystem eine bestimmte Steifigkeit hat.

Fig. 6a und 6b zeigen die mit einem Klopfsensor, der die in Fig. ^ gezeigte Frequenzkennlinie hat, aufgenommenen Wellenformen der Motorschwingung. Fig. 6a zeigt die bei normalen Betriebsbedingungen aufgenommene Wellenform und Fig. 6b die Wellenform bei Moturklopfen.

Fig. 7a und 7b zeiger, die Frecuenzspektren der in Fig. 6a und 6b gezeigten Wellcnformen der Motorschwingungen. Labei zeigt Fig. 7a dps Freouenzspektrum für normale Betriebsbedingungen und Fig. 7b das Frequenzspektrum bei Motorklopfen.

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Dabei sind, wie ein Vergleich zwischen den Fig. 7b und 2b zeigt, die Amplituden im Frequenzbereich zwischen 6 und 9 kHz vergleichsweise hoch mit den Amplituden in anderen Frequenzbereichen. Mit anderen Worten, das Signal/Rauschverhältnis ist verbessert.

Die Resonanzfrequenz des Klopfsensors wird durch die Länge, den Elastizitätsmodul, die Dichte und die Dicke des als Ausleger mit einer Zusatzmasse 14 ausgebildeten Schwingkörpers 1 bestimmt. Gewöhnlich wird die Resonanzfrequenz durch Veränderungen der Länge des Schwingkörpers 1 und der Zusatzmasse 14 eingestellt.

Andererseits soll die in Fig. 8 gezeigte zweite Resonanzfrequenz fp vorzugsweise höher als die Resonanzfrequenz f(-> sein. Der Grund hierfür ist, daß ausschließlich die Erfassung der Frequenzen im Bereich um die Resonanzfrequenz Iq gewünscht ist. Die zweite Resonanzfrequenz fo ist durch dieselben Größen wie die Resonanzfrequenz £q bestimmt. Ist einmal die Resonanzfrequenz frj festgestellt, so kann die zweite Resonanzfrequenz fp linear durch eine Zusatzmasse Mp bestimmt werden. Die zweite Resonanzfrequenz fp nähert sich mit Abnahme der Ziizplzmr:,^<: Γ_ο <\r ° .· or; frequenz f^.

Wird jedoch die Zusatzmasse Mp auf Null verringert, oder anders ausgedrückt, keine Zusatzmasse Mp angebracht, so ergibt sich als zweite Resonanzfrequenz fp ungefähr % kHz, wenn als Resonanzfrequenz fQ 0 kHz gewählt wird. Bei einer Resonanzfrequenz fp von ungefähr % kHz ist der Gütefaktor Q gewöhnlich hoch, während die Amplitude und die

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Zeitdauer von Motorschwingungen vergleichsweise sehr klein und kurz sind. Folglich wird in der Praxis diese Resonanzfrequenz nicht gemessen. Damit wird der Nachweis von Schwingungen im Frequenzbereich um 8 kHz nicht in irgend einer Weise gestört.

Fig. 9 zeigt den Aufbau einer anderen Ausführungsform ohne Zusatzmasse Mn. Bei dem früher beschriebenen Klopfsensor sind die Resonanzfrequenz iQ und der Gütefaktor Q miteinander verknüpft, so daß sie nicht unabhängig voneinander eingestellt werden können. Wird beispielsweise eine piezoelektrische Keramik mit einer Breite von 1,5 mm und einer Dicke von 0,6 mm verwendet, so kann die Resonanzfrequenz im Bereich von bis 9 kHz als Funktion der Länge zwischen der Spitze und Kante der Einklemmstelle bestimmt werden. Der Gütefaktor kann auch linear bestimmt werden. Natürlich kann jede beliebige Resonanzfrequenz mit einer verringerten Streuung durch Verwendung eines weiteren Unterstützungspunktes erhalten werden.

Auf diese Weise ist es durch einen einfachen Aufbau und eine einfache Einstellung möglich, einen Klopfsensor mit der in Fig. 5 gezeigten Frequenzcharakteristik mit einer Resonanzfrequenz von 6 bis 9 kHz und einem Gütefaktor von 10 bis 100 zu schaffen. Klopfen eines Kraftfahrzeugmotors kann damit mit einem verbesserten Signal/Rauschverhältnis nachgewiesen werden. Beim oben erläuterten Beispiel liegt die Resonanzfrequenz im Bereich von 6 bis 9 kHz. Im Fall bestimmter Motoren kann die festzustellende Frequenzspitze in dem Bereich von 11 bis 15 kHz liegen. Folglich muß je

die
nach dem Resonanzfrequenz so gewählt werden, daß sie in dem Bereich von 6 bis 9 kHz oder in dem Bereich von 11 bis 15 kHz oder in dem Gesamtbereich von 6 bis 16 kHz liegt.

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Andererseits muß der Klopfsensor mit dem oben beschriebenen Aufbau fest mit dem Aluminium- oder Graugußblock verbunden werden, der den Motorblock bildet. Mit anderen Worten, je höher die Frequenz ist, um so mehr wachsen der Einfluß der zweiten Resonanz der Aufnehmerteile und der Verlust an, so daß sie vermehrt dazu neigt, eine Verschlechterung der in Fig. 5 gezeigten Empfindlichkeit/Freauenzkennlinie (insbesondere bei der zweiten Resonanz) zu bewirken. Betrachtet man den den Motorblock bildenden Aluminium- oder Graugußblock als Befestigungsoberfläche für einen Klopfsensor, so ist es nahezu unmöglich, auf dieser Oberfläche einen ebenen Teil mit der erforderlichen genauen Ebenheit über einen Bereich von 40 mm im Durchmesser zu linden. Tatsächlich ist die Kontaktfläche zwischen dem Klopfsensor und dem Motorblock kleiner. Damit treten nachteilhafterweise komplizierte Resonanzen und Verluste bei der Übertragung der Motorschwingungen auf.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform, die die geschilderten Schwierigkeiten beseitigt. Bei dieser Ausführungsform hat das Metallgehäuse 3 eine sechseckige Form. In dem Metallgehäuse 3 sind der Schwingkörper 1, die Metallplatte 5 und die Schrauben 6 zur Befestigung der Metallplatte 3, des Schwingkörpers 1 und der Grundplatte 4 an dem Metallgehäuse 3 vorgesehen. Innerhalb des Gehäuses ist der Signaldraht 71 einer geschirmten Leitung 7 mit einem unterhalb des Schwingkörpers 1 angebrachten Leiter verbunden, während der mit dem Bezugspotential verbundene Draht 72 mit einem Leiter oberhalb des Schwingkörpers 1 über die Metallplatte 5 verbunden ist. Eine Kappe 18 weist eine Kabelklemme auf. Der Klopfsensor wird mittels eines Gewindes 19 an dem Motor befestigt.

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Durch diese Konstruktion weist der Klopfsensor seine längere Abmessung in einer zur Oberfläche des Moturblocks senkrechten Richtung auf. wird der Motorblock folglich mit dem erforderlichen Gewinde M8 versehen (Durchmesser 8 mm, die Schrauben an einem Motorblock hauen meistens MB Gewinde) und ist um dos Gewinde eint pl:;ne Fläche von ungefähr TO mm durchmesser vorgesehen, so i:;l es möglich, den Klopfsensor gut mit dem Motorblock zu verbinden. Die Tatsache, daß dss Metallgehäuse 3 einen sechseckigen Grundriß hat, erleichtert das Anbringen und Befestigen des Klopfsensors und sorgt auch für ein paßgerechtes Befestigen des Klopfsensors.

Fig. 11 zeigt, daß das Metallgehäuse 3 auch anders geformt werden kann und nicht auf die sechseckige Form festgelegt ist. F,s ist nur notwendig, daß das Gehäuse 3 so ausgebildet ist, daß die Verwendung eines Gabel- oder eines Ringschlüssels möglich ist.

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Claims

Patentansprüche

J.) Klopfsensor zum Nachweis des Klopfens von Kraftfahrzeugmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein keramischer Schwingkörper (1) innerhalb eines Metallgehäuses (3, 30) auf dessen Bodenplatte (3) angebracht ist, daß der Klopfsensor an dem Motor mittels einer Befestigungsvorrichtung angebracht ist, daß der Schwingkörper (1) für den Nachweis von Schwingungen des Motors senkrecht zu der Biestigungsvorrichtung eingerichtet ist, und daß die Schwingkörperlänge auf eine Klopfnachweis-Resonanzfrequenz abgestimmt ist.
2. Klopf sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Schwingkörper (1) als Ausleger ausgebildet ist.
3. Klopfsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Schwingkörper (1) aus zwei zueinander geschichteten Keramikstücken (12) zusammengesetzt ist.
4. Klopfsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Oberfläche des keramischen Schwingkörpers (1) elektrisch leitend mit einer ebenfalls leitenden Oberfläche (15) einer Grundplatte (4) Kontakt hat, die den keramischen Schwingkörper (1) von dem Metallgehäuse (3) isoliert.

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5. Klopfsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem keramischen Schwingkörper (1) eine Zusatzmasse (2, 14) angebracht ist.
6. Klopfsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der keramische Schwingkörper (1) eine Resonanzfrequenz im Vergleich von 6 bis 9 kHz/ oder t> bis Vo kHz und einen Gütefaktor Q von 10 bis 100 hat.

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