DE2731069A1 - Knocking IC engine oscillations sensor - has washer with two flanges whose vibrations generate AC signal in winding - Google Patents

Knocking IC engine oscillations sensor - has washer with two flanges whose vibrations generate AC signal in winding

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Abstract

The sensor is in the form of a washer for a cap-screw and a base (1), and it is designed to receive the force transmitted by the cap-screw. It has further two flanges (3, 4) with an annular gap (15) between them, with a narrower area (16) between the thickened parts of flanges (3, 4). Variations of the narrow gap (16) thickness, synchronous with the engine knocking frequency, generate an AC signal in a winding in the wider gap (15) between flanges. The vibrations of the flanges are excited by a sharp mechanical shock, such as is produced by detonating combustion in the engine cylinders.

Description

Sensor für SchwingungenSensor for vibrations

Zusammenfassung Es wird ein Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden tonfrequenten Schwingungen vorgeschlagen, der in Form einer Unterlegscheibe unter dem Schraubenkopf einer Kopfschraube anbringbar ist und der zwei einen Hohlraum und einen Spalt bildende Flansche aufweist. In dem Hohlraum ist eine Spule angeordnet, in der eine Spannung induziert wird. Die Induktion der Spannung wird durch Änderung der Spaltbreite zwischen den beiden Flanschen hervorgerufen, welche im Takt der Klopffrequenz Biegeschwingungen ausführen.Summary There will be a sensor to detect when you knock Acoustic frequency vibrations occurring in an internal combustion engine are proposed, which can be attached in the form of a washer under the screw head of a cap screw and which has two flanges forming a cavity and a gap. By doing A coil is arranged in the cavity, in which a voltage is induced. The induction the tension is caused by changing the gap width between the two flanges, which execute flexural vibrations in time with the knocking frequency.

Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Sensor nach der Gattung des Hauptanspruches. Es ist bekannt, daß bei Otto-Motoren unter bestimmten Last zuständen 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 das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden ist. Da es jedoch erwünscht ist, den bestehenden Spielraum der Betriebsweise möglichst weitgehend auszunützen, besteht Interesse an einem Sensor, der das Klopfen frühzeitig und sicher anzeigt.PRIOR ART The invention is based on a sensor according to FIG Genre of the main claim. It is known that in Otto engines under certain Load conditions and tail gas compositions a so-called knocking occurs. That are damped sound-frequency vibrations of the compressed steam-air mixture, triggered by a shock wave. The heat transfer occurs during these oscillations greatly increased on the piston and cylinder wall of the internal combustion engine. This requires a harmful thermal overloading of these surfaces, so that the knocking in principle is to be avoided. However, since it is desirable, the existing latitude of the operating mode As much as possible, there is interest in a sensor that detects knocking indicates early and safely.

Bekannte Sensoren zu diesem Zweck sind piezoelektrische Druckindikatoren, die in eine besondere Bohrung im Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine eingeschraubt werden. Eine derartige Befestigungsart ist außerordentlich aufwendig und teuer. Außerdem sind piezoelektrische Drucksensoren in unerwünschter Weise stark temperaturabhängig. Schließlich ist auch der Sensor selbst relativ teuer.Known sensors for this purpose are piezoelectric pressure indicators, which is screwed into a special hole in the cylinder head of an internal combustion engine will. Such a type of fastening is extremely complex and expensive. In addition, piezoelectric pressure sensors are undesirably highly temperature-dependent. Finally, the sensor itself is also relatively expensive.

Vorteile der Erfindung Der erfindungsgemäße Sensor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß er relativ preiswert ist, einfach an der Brennkraftmaschine anzubringen ist und auch im rauhen Betrieb eines Kraftfahrzeuges sicher und zuverlässig arbeitet. Die Temperaturabhängigkeit ist relativ gering und die Empfindlichkeit des Sensors kann auf ein Frequenzband abgestimmt sein, in dem die Klopfschwingungen zu erwarten sind.Advantages of the Invention The sensor according to the invention with the characterizing Features of the main claim has the advantage that it is relatively inexpensive is easy to attach to the internal combustion engine and also in rough operation of a motor vehicle works safely and reliably. The temperature dependence is relatively low and the sensitivity of the sensor can be applied to a frequency band be matched in which the knocking vibrations are to be expected.

Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 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 Auswertung des Ausgangssignales des Drucksensors.Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. It shows Fig. 1 shows a first exemplary embodiment of a pressure sensor in a sectional view, 2 shows a second exemplary embodiment of a pressure sensor in a sectional illustration and FIG. 3 shows a circuit arrangement for evaluating the output signal of the pressure sensor.

Beschreibung der Erfindung Zur Ermittlung des Klopfens im Zylinder einer Brennkraftmaschine 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.Description of the Invention To determine knock in the cylinder an internal combustion engine, the audio-frequency alternating forces are used when knocking on a cap screw as close as possible to the knocking cylinder are effective. To do this, a washer is placed under the head of the screw, which converts the alternating flow of power into an electrical signal in a frequency-selective manner.

Diese Unterlegscheibe muß die von der Kopfschraube auszuübende mittlere Kraft vom Schraubenkopf auf den Zylinderkopf übertragen und einen mechanischen Resonator enthalten, der an den Wechsel-Kraftfluß angekoppelt ist und nur auf das interessierende Frequenzband anspricht.This washer must be the middle one to be exercised by the cap screw Force transmitted from the screw head to the cylinder head and a mechanical resonator included, which is coupled to the alternating power flow and only to the interesting Frequency band responds.

Die angeregte Schwingung des Resonators wird dann in ein zur Weiterverarbeitung geeignetes elektrisches Signal verwandelt. Der in Fig. 1 dargestellte Drucksensor weist einen rohrförmigen Grundkörper 1 auf, der zwischen einem Schraubenkopf einer Kopfschraube2und 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 verhEltnismäßig 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 ausgeübt, so entsteht in ihm eine Spannungsverteilung, die zu einer gegenläufigen Verwölbung der beiden Flansche 3, 4 führt.The excited oscillation of the resonator is then used for further processing transformed into a suitable electrical signal. The pressure sensor shown in FIG. 1 has a tubular base body 1, which between a screw head a Head screw 2 and a cylinder head indicated at 14 is arranged and the force-transmitting Element represents. This base body 1 is provided with two flanges 3 and 4, which are initially relatively thin from the inside to the outside and adhere to Thicken the facing surfaces outwards. So close them first a cavity 15, then a narrow gap 16 further outside. Located in the cavity - embedded in insulating material - a the base body 1 enclosing Winding 5. The flanges 3, 4 merge into the base body 1 with curves. Will if an axial force is now exerted on the tubular base body 1, in him a stress distribution that leads to opposing curvature of the two flanges 3, 4 leads.

Hierdurch ändert sich die Spaltweite. Infolge der Massenverteilung auf den Flanschen 3, 4 und deren Elastizität wird dabei eine hochsymmetrische periodische Verformung bestimmter Frequenz stark bevorzugt, bei der sich die Spaltweite auf dem ganzen Umfang gleichmäßig verengt und erweitert.This changes the gap width. As a result of the mass distribution on the flanges 3, 4 and their elasticity is a highly symmetrical periodic Deformation of certain frequency strongly preferred, at which the gap width is on evenly narrowed and expanded over the entire circumference.

Die Wicklung 5 im mittleren Hohlraum 15 des Sensors ist an eine Schaltung nach Fig. 3 angeschlossen. In dieser Schaltung 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 Flansche3, 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 Wechselspannung induziert. Diese wird über einen Kondensator 7 dem Eingang eines Verstärkers 8 zugeführt und erscheint an dem mit niedriger Impedanz ausgestatteten Ausgang. Dieses Ausgangssignal ist ein Signal für die in der Schraube auftretenden Wechselkräfte, und damit für die Klopf-Schwingungen.The winding 5 in the central cavity 15 of the sensor is connected to a circuit connected according to Fig. 3. In this circuit, a constant current source 6 drives a constant direct current through the winding 5 and thus generates a magnetic one Flux in the magnetic circuit through the base body 1, the flanges 3, 4 and the air gap 16 is formed. When changing the air gap width by the already mentioned vibrations, the flux is also changed periodically and is thereby an alternating voltage is induced in the winding 5. This is via a capacitor 7 is fed to the input of an amplifier 8 and appears at the low impedance one equipped output. This output signal is a signal for those in the screw occurring alternating forces, and thus for the knocking vibrations.

Zur Selektivität hinsichtlich der Frequenz kommt noch die Selektivität hinsichtlich von Schwingungsmoden hinzu.In addition to the selectivity in terms of frequency, there is also selectivity with regard to vibration modes.

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.If, for example, the system vibrates as a whole, the two flanges vibrate 3 and 4 in the same mode and the gap width and therefore also the magnetic flux remain constant, so that no signal is induced in the winding 5.

Anstelle der Erregung durch einen Gleichstrom ist auch eine Vormagnetisierung mittels eines Permanentmagneten möglich.Instead of excitation by a direct current, there is also a premagnetization possible by means of a permanent magnet.

Einen Drucksensor mit einer derartigen Vormagnetisierung zeigt Fig. 2. Ein ringförmiger Permanentmagnet 9 ist zwischen die Flansche 10 und 12 durch den Druck der Kopfschraube 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 Signalspannung induziert.A pressure sensor with such a premagnetization is shown in FIG. 2. An annular permanent magnet 9 is between the flanges 10 and 12 through pinched the pressure of the head screw 2. As a result of the voltage distributions occurring in the magnet 9 the flanges 10 and 12 are excited to vibrate when the head screw alternating forces is exposed. This creates a superimposed alternating magnetic flux, which induces a signal voltage in a winding 13.

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 Richtvermögen, das vom Quadrat des Erregerstroms abhängig ist.The magnetic flux in the magnetic circuit of the sensor is from depending on the air gap width. The magnetic flux creates an attraction between the two pole faces, which depends on the distance. The strength increases when the distance decreases. This corresponds to a negative directivity that depends on the square of the excitation current.

Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, die Eigenfrquenz des Schwingers in gewissen Grenzen willkürlich zu verändern, um den Sensor an die Klopffrequenz des Motors anzupassen.This makes it possible to control the natural frequency of the oscillator to change arbitrarily within certain limits in order to adjust the sensor to the knock frequency of the engine.

Hierbei ändert sich allerdings auch die Empfindlichkeit des Meßfühlers, indessen läßt sich dies durch den Verstärkungsfaktor der angeschlossenen elektronischen Schaltung ausgleichen.However, this also changes the sensitivity of the sensor, however, this can be done by the amplification factor of the connected electronic Compensate circuit.

Der in Fig. 1 dargestellte Sensor kann besonders zweckmäßig 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 Spulenk3rper aus Isoliermaterial erfolgen kann.The sensor shown in Fig. 1 can be particularly useful be produced that the base body 1 in the central plane perpendicular to the axis is shared. The resulting surfaces must be very well ground, the centering being carried out by a coil former made of insulating material and carrying the winding 5 can be done.

Für die ferromagnetischen Teile soll zweckmäßigerweise ein Material hoher Permeabilität aber möglichst geringer elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden. Eine weitere günstige Herstellungsmöglichkeit besteht darin, den Grundkörper 1 und beide Flansche 3, 4 aus einem Stück zu fertigen und die Spaltbreite zwischen den Flanschen 3, 4 durch eingelegte und mit den Flanschen 3, 4 verklebte Halbringe zu bestimmen.A material should expediently be used for the ferromagnetic parts high permeability but the lowest possible electrical conductivity is used will. Another favorable manufacturing option is to use the base body 1 and both flanges 3, 4 to be made from one piece and the gap width between the flanges 3, 4 by inserted half rings that are glued to the flanges 3, 4 to determine.

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Claims (7)

Ansprüche Sensor zur Erfassung der beim Klopfen einer Brennkraftmaschine auftretenden Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Unterlegscheibe für eine Kopfschraube ausgebildet ist und einen Grundkörper (1) zur Aufnahme der von der Kopfschraube zu übertragenden Kraft, sowie zwei Flansche (3, 4 bzw. 10, 12) aufweist, wobei die Flansche (3, 4 bzw. 10, 12) einen ringförmigen Hohlraum (15) einschließen und außen durch einander zugewandte Verdickungen einen Spalt (16) bilden, dessen Variation infolge von Biegeschwingungen der Flansche (3, 4 bzw. 10, 12) im Takt der Klopffrequenz in einer im Hohlraum (15) angeordneten Wicklung ein Wechselsignal erzeugt.Claims sensor for detecting the knocking of an internal combustion engine occurring vibrations, characterized in that the sensor as a washer is designed for a head screw and a base body (1) for receiving the force to be transmitted by the head screw, as well as two flanges (3, 4 or 10, 12), the flanges (3, 4 or 10, 12) having an annular cavity Enclose (15) and on the outside by facing thickenings a gap (16) form, the variation of which as a result of bending vibrations of the flanges (3, 4 or 10, 12) in time with the knock frequency in a winding arranged in the cavity (15) Alternating signal generated. 2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus ferromagnetischem Material bestehende Grundkörper (1) ein Drehteil mit zentralem Rohr und zwei mit diesem verbundene glatte Flansche (3, 4) aufweist, auf deren einander zugewandten Flächen je zwei Ringhälften angeordnet sind, die den inneren Hohlraum (15) und einen äußeren ringspalt (16) bilden.2. Sensor according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic Material existing base body (1) a turned part with a central tube and two with this connected smooth flanges (3, 4), on their facing each other Areas each two ring halves are arranged, the inner cavity (15) and one form outer annular gap (16). 3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper längs der zur Achse senkrechten Mittelebene geteilt ist. 3. Sensor according to claim 1, characterized in that the ferromagnetic Body is divided along the central plane perpendicular to the axis. 4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Körper auf die zu erwartende Klopffrequenz abgestimmt ist, so daß der äußere Ringspalt bei Auftreten des Klopfens periodisch erweitert und verengt wird, dagegen bei Vibrationen anderer Frequenzen nur wenig variiert. 4. Sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that that the ferromagnetic body is matched to the expected knock frequency, so that the outer annular gap expands periodically when knocking occurs and is narrowed, but varies only slightly with vibrations at other frequencies. 5. Sensor nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstimmung durch die Größe der Verengung der Wicklung (5) mit Gleichstrom mittelbar über das an den Begrenzungsflächen des Spaltes infolge der mit der Spaltweite variierenden Anziehungskraft entstehende negative Richtvermögen vorgesehen ist. 5. Sensor according to claims 1, 2 or 3 and 4, characterized in that that a vote by the size of the narrowing of the winding (5) with direct current indirectly via that at the boundary surfaces of the gap due to the gap width negative directivity resulting from varying attraction. 6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Abschnitt des Grundkörpers (1) durch einen ringförmigen, axial gepolten Ringmagneten gebildet ist, der die zur Meßgrößenumformung erforderliche magnetische Spannung erzeugt. 6. Sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that that the central portion of the base body (1) by an annular, axially poled ring magnet is formed, which is required for the measurement of the measured variables magnetic tension generated. 7. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Ringspalt bildenden Ringhälften aus magnetischem Material von hohem Energieprodukt, insbesondere aus Kobalt-Samarium-Magnetmaterial bestehen. 7. Sensor according to claim 2, characterized in that the the annular gap forming ring halves made of magnetic material of high energy product, in particular consist of cobalt samarium magnet material.
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