DE3620733A1 - Verfahren zum erkennen und auswerten klopfender verbrennung und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erkennen und Auswerten klopfender Verbrennung während des Betriebes einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine, in deren Brenn­ raum eine sich bei klopfender Verbrennung ändernde physika­ lische Größe erfaßt und einer Verarbeitungseinrichtung zuge­ führt wird, und auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Verbrennung im Ottomotor beginnt zunächst mit normaler Flammengeschwindigkeit. Wenn (bei Vollast) der höchste Druck im Brennraum von etwa 60 bar erreicht ist, sind ca. 70 bis 90% des eingebrachten Kraftstoffes umgesetzt worden. Ge­ mischteile, die sich zu diesem Zeitpunkt noch unverbrannt in einiger Entfernung von der Zündkerze befinden, können bei entsprechend hohen Werten von Druck und Temperatur durch Selbstzündung verbrennen. Diese Selbstzündung ist mit der des Dieselmotors vergleichbar. Der Unterschied zum Diesel­ motor besteht darin, daß dort die Selbstzündung gewollt ist und die Verbrennung einleitet, während sie im Ottomotor un­ erwünscht ist und gegen Ende des normalen Verbrennungsvor­ ganges erfolgt.

Diese Selbstzündung gegen Ende der normalen Verbrennung wird als Klopfen bezeichnet. Dabei wird dem Spitzendruck, der zum Zeitpunkt der Selbstzündung bei etwa 60 bar liegt, ein schnel­ ler Drucksprung überlagert. Dieser Drucksprung hängt von der durch die Selbstzündung erfaßte Gemischmasse ab. Er kann bei sehr schwachem Klopfen wenige 1/10 bar und bei sehr star­ kem Klopfen mehr als 100 bar betragen. Durch diesen Druck­ sprung werden im Brennraum zwei Vorgänge ausgelöst. Der er­ ste Vorgang ist ein rein akustischer, weil jeder Brennraum ein akustisches, schwingungsfähiges Gebilde darstellt, das durch eine genügend schnelle Druckstörung in seinen Eigen­ resonanzen erregt werden kann. Bei der sich im Brennraum zum Zeitpunkt der Verbrennung einstellenden Schallgeschwin­ digkeit (knapp 1000 Meter in der Sekunde) liegen diese Ei­ genresonanzen im Bereich zwischen 7000 und 25 000 Hz, wobei die niedrigen Resonanzen bei etwa 7000 Hz am stärksten her­ vortreten. Dies sind die hörbaren Frequenzen, die man auch als "Klingeln" bezeichnet.

Es hat sich lange die Vorstellung gehalten, daß es unter­ schiedliche Arten von Klopfen gäbe, nämlich ein Klopfen bei niedrigen Drehzahlen, das beim Beschleunigen auftritt, und ein Klopfen bei hohen Drehzahlen und hohen Lasten, das bei Dauervollgas auftritt. Thermodynamisch gesehen sind jedoch beide Arten des Klopfens ein und dasselbe. Der Begriff des Hochgeschwindigkeitsklopfens sagt lediglich aus, daß das Klopfen bei hohen Geschwindigkeiten auftritt, so daß man es wegen der Fahrgeräusche nicht mehr hören kann. Infolgedessen besteht dann die Gefahr, daß bei länger anhaltendem Klopfen Motorschäden auftreten. Das Beschleunigungsklopfen tritt demgegenüber nur während weniger Sekunden beim Beschleuni­ gen auf und ist wegen der kurzen Dauer unschädlich.

Neben diesen niederfrequenten Vorgängen treten beim Klopfen, ausgelöst durch die Selbstzündung, auch hochfrequente Vor­ gänge auf, die bisher kaum erforscht worden sind. Schlieren­ aufnahmen aus dem Brennraum von Verbrennungsmotoren führen zu der Vermutung, daß Stoßwellen entstehen.

Eine Stoßwelle ist eine steile Druckwelle in geschlossenen Räumen, deren Steilheit dadurch zustande kommt, daß die Schallgeschwindigkeit bei der Stoßwelle nicht mehr überall konstant ist, und zwar im Gegensatz zu rein akustischen Vor­ gängen. Bei akustischen Vorgängen geht man davon aus, daß die Schallgeschwindigkeit zeitlich und örtlich konstant bleibt und sich durch die geringen Veränderungen des Druk­ kes nicht ändert. Diese Einschränkung entfällt bei der Stoß­ welle. Bei ihr gilt, daß die Schallgeschwindigkeit mit stei­ gendem Druck größer wird, d.h. in einem Gebiet hohen Druckes wird eine Druckwelle schneller laufen als in einem Gebiet niederen Druckes. Das führt dazu, daß aus einer ursprüng­ lich sinusförmigen Welle ein sehr steiler Drucksprung entsteht. Dieser enthält sehr hohe Frequenzanteile, und zwar im Gegensatz zur rein sinusförmigen Welle, in der nur die Frequenzen enthalten sind, die der Wellenlänge entsprechen. Bei dem steilen Drucksprung, der als sehr hochfrequenter Vorgang nicht mehr den klassischen akustischen Gesetzen ge­ horcht, kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit wesentlich größer als die Schallgeschwindigkeit werden. Dieser Vorgang wird als Stoßwelle bezeichnet.

Nach dem gegenwärtigen Stand des technischen Wissens ist lediglich bekannt, daß beim Klopfen Schäden an Motorenbau­ teilen auftreten und daß diese Schäden mit der Intensität des Klopfens zu tun haben. Es ist aber noch nicht mit Sicher­ heit bekannt, welche physikalischen Ereignisse im Brennraum für diese Schäden verantwortlich sind. Inzwischen gibt es viele Hinweise darauf, daß nicht die akustischen Klopf­ schwingungen, also die hörbaren niederfrequenten Klopf­ schwingungen, für die Beschädigungen verantwortlich sind, sondern ausschließlich die Stoßwellen und die von ihnen aus­ gehenden hochfrequenten Druckschwingungen.

Durch US-PS 24 14 457 ist eine Einrichtung zur Feststellung schneller Druckänderungen im Verbrennungsraum von Brennkraft­ maschinen mit innerer Verbrennung bekannt geworden, die die Messung einer Spannung gestattet, welche repräsentativ ist für die Höhe, die Änderungsgeschwindigkeit und andere charak­ teristische Eigenschaften von Druckänderungen. Die Messung erfolgt mit Hilfe einer Stange aus magnetostriktivem Materi­ al, das beispielsweise aus einer Legierung von etwa 52% Nickel, etwa 48% Eisen und geringen Mengen anderer Stoffe bestehen kann. Die in diesem Stab durch Druckänderungen her­ vorgerufenen Änderungen des magnetischen Flusses werden von einer Spule in Spannungssignale transformiert, die dann wei­ terverarbeitet werden können.

Diese Einrichtungen sind jedoch nicht geeignet, diejenige Art des Klopfens gezielt zu erfassen, die im Hochleistungs­ betrieb zu Motorschäden führt.

Eine wesentliche Ursache dürfte sein, daß magnetostriktive Aufnehmer bekannter Art gegenüber dem Brennraum eine ver­ hältnismäßig große Aufnehmerfläche haben. Hierdurch tritt bei Auftreffen hochfrequenter Druckänderungen bzw. bei Auf­ treffen von Stoßwellen auf der Aufnehmerfläche eine Integra­ tionswirkung ein, die keine genaue Kenntnis der Art, der Geschwindigkeit, der Frequenz, der Amplitude usw. der zu messenden Druckänderung zuläßt.

Auch haben magnetostriktive Aufnehmer bekannter Art eine verhältnismäßig geringe Länge, so daß das Verhältnis der Länge zum Durchmesser der Aufnehmer relativ gering ist. Bei der genannten US-PS 24 14 457 liegt dieses Verhältnis etwa bei dem Wert 30. Hierdurch sind zusätzliche Ungenauig­ keiten der Messung bedingt.

Demgemäß ist der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu­ grundegelegt, ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erken­ nen und Auswerten klopfender Verbrennung zu schaffen, durch die unmittelbar diejenigen Betriebszustände klopfender Ver­ brennung erfaßt werden, die bei hoher Leistung des Motors zu Schädigungen führen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeich­ neten Art dadurch gelöst, daß die beim Klopfen entstehenden Druckänderungen mit Frequenzen von mehr als 100 kHz messend verfolgt werden und über ein magnetostriktives Element mit einem maximalen Durchmesser von 2 mm und einem Länge-zu- Durchmesser-Verhältnis von mehr als 100 der Verarbeitungs­ einrichtung zugeführt werden.

Auch ist gemäß der Erfindung bei einem Verfahren der ein­ gangs bezeichneten Art vorgesehen, daß die beim Klopfen entstehenden Druckanstiege von mehr als 1 bar je Mikrose­ kunde messend verfolgt werden und über ein magnetostrikti­ ves Element mit einem maximalen Durchmesser von 2 mm und einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 100 der Verarbeitungseinrichtung zugeführt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das brennraumseitige Ende des magnetostriktiven Elements so in der Brennraumwandung angeordnet, daß es von dieser akustisch entkoppelt ist, also an deren Schwingungen nicht oder nur in geringem Umfang teilnimmt.

Hinsichtlich weiterer bevorzugter Ausführungsformen der Er­ findung wird auf die Unteransprüche Bezug genommen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Meßanordnung zur Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt Diagramme des Druckverlaufs und des Ausgangs­ signals der Meßeinrichtung bei einem klopfenden Arbeitsspiel.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Meßanordnung für einen Mehr­ zylindermotor.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, werden in einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit Zylinder 1, Kolben 2 und Zylinderkopf 3 die beim Auftreten von Klopferscheinungen entstehenden steilen Druckanstiege und/oder hochfrequenten Druckschwin­ gungen durch ein magnetostriktives Element 4 messend ver­ folgt. Das magnetostriktive Element kann ein Nickeldraht 4 sein, der im Zylinderkopf unmittelbar oder jedenfalls mittel­ bar den Druckschwingungen des Brennraums ausgesetzt ist. Der Nickeldraht 4 wird also derart an den Brennraum angekoppelt, daß Stoßwellen in ihn eingeleitet werden können. Diese ru­ fen in dem Nickeldraht 4 eine Dehnungswelle hervor, die sich mit Schallgeschwindigkeit in axialer Richtung ausbreitet. Da Nickel magnetostriktiv ist, erzeugt die Dehnungswelle in einer durch einen Permanentmagneten 5 magnetisch vorgespann­ ten Spule 6 eine elektrische Spannung und nach entsprechen­ der breitbandiger Verstärkung in einem Breitbandverstärker 7 ein Ausgangssignal von etwa 0,1 V.

Von wesentlicher Bedeutung ist dabei im Zusammenhang mit der Erfindung, daß die beim Klopfen entstehenden Druckände­ rungen mit Frequenzen von mehr als 100 kHz bzw. die beim Klopfen entstehenden Druckanstiege von mehr als 1 bar je Mikrosekunde dadurch gemessen werden können, daß das magne­ tostriktive Element insbesondere an der der Druckänderung ausgesetzten Stelle einen maximalen Durchmesser von 2 mm und ein Verhältnis der Länge zum Durchmesser von mehr als 100 hat. Das bedeutet, daß die Länge des magnetostriktiven Elements von der dem Brennrauminnendruck ausgesetzten Fläche bis zu der Spule 6 mindestens 200 mm beträgt. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser 0,5 mm und die Länge 2000 mm, so daß das Längen-Durchmesser-Verhältnis bei 4000 liegt.

Der dem Brennrauminnendruck ausgesetzte Querschnitt des mag­ netostriktiven Elements ist punktförmig. Auch ist es im Zu­ sammenhang mit der Erfindung vorteilhaft, diesen Querschnitt von der umgebenden Brennraumwand akustisch zu entkoppeln, also durch geeignete Mittel dafür zu sorgen, daß der genann­ te Querschnitt nicht an den Schwingungen der benachbarten Wandungsteile teilnimmt. Dies läßt sich durch entsprechende Trennung von umgebendem Material besonders vorteilhaft dann realisieren, wenn das magnetostriktive Element in oder an einer Zündkerze oder in oder an der Brennraumeinfassung der Zylinderkopfdichtung angeordnet ist. Es wird also zwischen dem Aufnahmeende des magnetostriktiven Elements und dem um­ gebenden Material ein akustischer Impedanzsprung hergestellt.

Das in Fig. 2 dargestellte Arbeitsspiel hat eine Druckschwin­ gungsamplitude von etwa ±20 bar, und die Nickeldrahtanord­ nung liefert eine Spannung von etwa ±0,1 V. Der Zylinder­ druck enthält deutlich erkennbare hochfrequente Anteile ober­ halb des Bereiches der Raumresonanzen. Die Frequenz des Mi­ krofonsignales liegt bei 800 kHz und enthält unterhalb von 100 kHz keine wesentlichen Anteile.

Hochfrequente Stoßwellen konnten bisher mit herkömmlichen Mitteln im Brennraum nicht erfaßt werden. Auch Druckaufneh­ mer, wie sie gegenwärtig in der Motorenmeßtechnik verwendet werden, sind für derartige hochfrequente Vorgänge ungeeignet. Quarzdruckaufnehmer mit hoher Eigenfrequenz sind trotz auf­ wendiger Schutzmaßnahmen zu empfindlich, um betriebsmäßig als Klopfsensoren brauchbar zu sein. Außerdem ist der Frequenz­ bereich dieser Aufnehmer nach oben mit etwa 250 kHz begrenzt. Es gibt bisher in der Motorenmeßtechnik noch kein Verfahren, mit dem man Stoßwellen hätte zufriedenstellend nachweisen können, außer mit den sehr aufwendigen Verfahren der schlie­ renfotografischen Untersuchungen, die einen speziellen Motor mit lichtdurchsichtigen Fenstern benötigen.

Die vorliegende Erfindung bietet die Möglichkeit, eindeutig das schädliche Klopfen, also die durch das Klopfen herrüh­ renden mechanischen Beschädigungen, zu vermeiden, indem man diese Art des Klopfens mißt und dementsprechend den Motor in seinen Eigenarten, in seinen Charakteristika, in seinem Betriebsverhalten so steuert bzw. regelt, daß dieses schäd­ liche Klopfen nicht mehr auftritt.

Die Funktion kann man sich folgendermaßen vorstellen: Es ist mit dem Brennraum der dünne Nickeldraht 4 verbunden, dessen Ende mit dem Brennraum abschließt. Dieser Nickeldraht 4 muß in seinem Durchmesser klein gegenüber den im Brennraum auf­ tretenden Wellenlängen sein, daher muß er also vorzugsweise einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,5 mm haben, jedenfalls weniger als 2 mm. Nickel wird deshalb verwendet, weil es sich um ein magnetostriktives Material handelt, das ermöglicht, Vorgänge dieser Art zu erfassen. Beim Auftreten einer Stoßwelle im Brennraum koppelt diese Stoßwelle in den Nickeldraht eine Dehnungswelle ein. Dieses Einkoppeln kann nur durch eine Stoßwelle und nicht durch ein niederfrequen­ tes Ereignis geschehen, weil die notwendige Energiedichte fehlt. Diese Dehnungswelle pflanzt sich im Draht mit der Schallgeschwindigkeit des Nickels fort. Es ist eine Longi­ tulinalwelle, jedoch keine Schwingung im eigentlichen Sinne, sondern eine einmalige Welle, die allerdings von hochfre­ quenten Oberschwingungen überlagert sein kann oder oft über­ lagert ist, weil dieses Einkoppeln auch wieder einen Schwin­ gungsvorgang darstellt. Diese Dehnungswelle erzeugt in dem magnetostriktiven Material eine Änderung der magnetischen Leitfähigkeit, und diese Änderung der magnetischen Leitfä­ higkeit kann durch eine Spule als Sensor festgestellt wer­ den.

Die Änderung der magnetischen Leitfähigkeit in dem Nickel­ draht wird durch den Dauermagneten 5 auf ein höheres mag­ netisches Niveau gehoben und kann durch die Spule 6 abge­ nommen werden. Wesentlich dabei ist, daß die Spule 6 so dimensioniert und angeordnet ist, daß sie in der Lage ist, die sehr schnellen Änderungen des Nickeldrahtes 4 aufzu­ nehmen. Es geht um Frequenzen von etwa 1 Mio. Schwingungen pro Sekunde. Der Nickeldraht 4 muß die gemäß der Erfindung vorgesehene Länge haben, weil am Ende dieses Drahtes die Dehnungswelle reflektiert wird und dann in abgeschwächter Form an der Spule wieder ankommt und dort ein zweites Sig­ nal ergibt. Ein Anspitzen des Nickeldrahtes am Ende kann bereits ausreichen, um das Reflektieren stark zu dämpfen; ein Einspannen zwischen zwei Kunststoffplatten oder das Ein­ gießen in einen weichen Kunststoff kann eine noch bessere Wirkung erbringen. Die Länge ist so zu dimensionieren, daß das reflektierte Signal das eigentliche Signal nicht stört. Auch kann der Draht in der Form einer kleinen Spule aufge­ wickelt werden.

Es ist möglich, für jeden Zylinder einen oder mehrere Nik­ keldrähte anzuordnen, wobei alle Nickeldrähte mit getrenn­ ten Aufnehmerspulen und mit getrennten elektronischen Schal­ tungen zusammenwirken. Es kann aber auch vorteilhaft sein, alle Drähte durch eine gemeinsame Spule zu führen, weil die Signale aufgrund der Zündfolge des Motors voneindander ge­ trennt werden können, da nur immer kurz nach der elektrischen Zündung, also während der eigentlichen Verbrennung, ein Klop­ fen auftreten und damit ein Nickeldrahtmikrofonsignal vor­ handen sein kann. Durch zeitliches Abtasten dieser Spule können die Signale von mehreren Zylindern getrennt werden.

Ein Beispiel für eine solche Ausbildung zeigt Fig. 3, die in vereinfachter Darstellung eine Meßanordnung gemäß der Er­ findung für einen Vierzylindermotor aufweist. Aus dem Zylin­ derkopf 11 sind je einem Zylinder zugeordnete magnetostrik­ tive Elemente 12, vorzugsweise Nickeldrähte, herausgeführt und durch einen mechanisch-elektrischen Umformer 13 hindurch­ geführt. In dem mechanisch-elektrischen Umformer 13 werden die Dehnungswellen in elektrische Werte, z.B. Spannungen oder Ströme, umgewandelt. Da das Klopfen der verschiedenen Zylin­ der zu unterschiedlichen Zeiten erfolgt (entsprechend der Zündfolge des Motors), kann für alle magnetostriktiven Sig­ nale der verschiedenen Zylinder ein einziger mechanisch-elek­ trischer Umformer 13 verwendet werden. Die so erhaltenen elektrischen Signale werden in einer elektronischen Schaltung 14 weiterverarbeitet und gegebenenfalls gespeichert. Die Aus­ gangssignale der elektronischen Schaltung 14 werden über Lei­ tungen 15 zu den Steuer- und Regeleinrichtungen des Motors (z.B. Zündung, Gemischbildung und Aufladung) weitergegeben.

Claims (17)

1. Verfahren zum Erkennen und Auswerten klopfender Verbren­ nung während des Betriebes einer fremdgezündeten Brennkraft­ maschine, in deren Brennraum eine sich bei klopfender Ver­ brennung ändernde physikalische Größe erfaßt und einer Ver­ arbeitungseinrichtung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Klopfen entstehenden Druckänderungen mit Fre­ quenzen von mehr als 100 kHz messend verfolgt werden und über ein magnetostriktives Element mit einem maximalen Durch­ messer von 2 mm und einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 100 der Verarbeitungseinrichtung zugeführt werden.

2. Verfahren zum Erkennen und Auswerten klopfender Verbren­ nung während des Betriebes einer fremdgezündeten Brennkraft­ maschine, in deren Brennraum eine sich bei klopfender Ver­ brennung ändernde physikalische Größe erfaßt und einer Ver­ arbeitungseinrichtung zugeführt wird, dadurch gekennzeich­ net, daß die beim Klopfen entstehenden Druckanstiege von mehr als 1 bar je Mikrosekunde messend verfolgt werden und über ein magnetostriktives Element mit einem maximalen Durchmesser von 2 mm und einem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 100 der Verarbeitungseinrichtung zugeführt werden.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein magnetostriktives Ele­ ment, dessen brennraumseitiges Ende so in der Brennraumwan­ dung angeordnet ist, daß es von dieser akustisch entkoppelt ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetostriktive Element einen Kreisquerschnitt hat und Zylinderform besitzt.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das magnetostriktive Element aus Nickel oder einer Nickellegierung besteht.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das magnetostriktive Element an dem dem Brennraum abgewandten Ende eine Querschnittsveränderung auf­ weist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3-6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das magnetostriktive Element an dem dem Brennraum abgewandten Ende angespitzt ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das magnetostriktive Element an dem dem Brennraum abgewandten Ende in plastisches und/oder elasti­ sches Material eingebettet ist.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das magnetostriktive Element in oder an einer Zündkerze angeordnet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3-8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das magnetostriktive Element an der Brenn­ raumeinfassung der Zylinderkopfdichtung angeordnet ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3-10, gekennzeich­ net durch eine Vorrichtung zur Umwandlung des in dem magne­ tostriktiven Element enthaltenen Signals in ein elektrisches Signal.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine mit dem magnetostriktiven Element zusammenwirkende Spule.

13. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch ein mit dem magnetostriktiven Element zusammenwirkendes Halb­ leiterelement, insbesondere ein Hall-Element.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule bzw. das Halbleiterelement vormagnetisiert ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3-14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mehreren Zylindern eines Verbrennungsmotors eigene magnetostriktive Elemente zugeordnet sind.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktiven Elemente mehrerer Zylinder mit ei­ ner gemeinsamen Vorrichtung zur Umwandlung der in den mag­ netostriktiven Elementen enthaltenen Signale zusammenwir­ ken.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 11-16, gekenn­ zeichnet durch einen Speicher zur Registrierung der rela­ tiven Anzahl von Signalen, die vorgegebene, insbesondere auf die Möglichkeit von Schädigungen hinweisende Krite­ rien erfüllen bzw. überschreiten.