DE102007051784B4

DE102007051784B4 - Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102007051784B4
Application number: DE102007051784.1A
Authority: DE
Inventors: Kimihiko Tanaya; Takahiko Inada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-05-11
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2017-03-30
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: US20080276689A1; JP4475675B2; US7624619B2; DE102007051784A1; JP2008280948A

Abstract

Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Signalverarbeitungsmodul (4) zum Verarbeiten eines Signals, das ein Referenzsignal zum Detektieren eines Klopfens ist, das bei einem Betrieb eines Verbrennungsmotors auftritt, zum Bestimmen einer Klopfauftrittsintensität und zum Ausgeben eines Bestimmungsergebnisses, um eine Zeitgabe, zu welcher eine Zündspule (3) aktiviert wird, basierend auf der durch das Signalverarbeitungsmodul bestimmten Klopfauftrittsintensität zu steuern, um dadurch eine Zündzeitgabe zu steuern, zu welcher eine Kraftstoff/Luft-Mischung innerhalb einer Verbrennungskammer (1) gezündet wird, um das Auftreten eines Klopfens zu unterdrücken, wobei das Signalverarbeitungsmodul (4) Folgendes aufweist: eine Signaldetektionseinrichtung (S21) zum Detektieren eines Signals, das das Referenzsignal zum Detektieren des Klopfens ist, das beim Betrieb des Verbrennungsmotors auftritt; eine Frequenzintensitäts-Berechnungseinrichtung (S22) zum Auswählen einer Vielzahl von Frequenzen, die aus einer Ausgabe der Signaldetektionseinrichtung extrahiert sind, um eine Frequenzintensität zu berechnen; und eine Klopfintensitäts-Bestimmungseinrichtung (S23) zum schließlichen Bestimmen, dass ein Klopfen auftritt, in einem Fall, in welchem bestimmt wird, dass wenigstens zwei primäre Bestimmungsergebnisse unter einer Vielzahl von basierend auf den Ausgaben der Frequenzintensitäts-Berechnungseinrichtung jeweils in den Frequenzbändern erhaltenen primären Klopf-Bestimmungsergebnissen eine Möglichkeit eines Auftretens eines Klopfens anzeigen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, die ein Klopfen detektiert, bei welchem eine anormale Verbrennung in dem Verbrennungsmotor aufgetreten ist, und, genauer gesagt, eine Verbesserung bezüglich der Klopf-Detektionsgenauigkeit zum weiteren Verbessern der Betriebseffizienz des Verbrennungsmotors.
In der Automobilindustrie, insbesondere auf dem Gebiet einer Verwendung von Verbrennungsmotoren, werden Forderungen von Anwendern nach Hochleistungsmotoren größer, während es unter Umweltgesichtspunkten Forderungen nach einer Reduzierung von Abgasen (Emissionen) gibt. In den letzten Jahren wächst eine Erwartung zum Entwickeln einer Technik schnell, die beide Forderungen erfüllen kann.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind verschiedene Technologien entwickelt worden, wobei es Tendenzen dafür gibt, dass die Verbrennungseffizienz auf das Maximum erhöht wird, um dadurch eine gemeinsame Lösung für beide konkurrierenden Erfordernisse zur Verfügung zu stellen.
Jedoch wird die Möglichkeit, dass die anormale Verbrennung, die ”Klopfen” genannt wird, auftritt, höher, wenn die Verbrennungseffizienz höher gemacht wird. Das Klopfen wird als Phänomen einer anormalen Selbstzündung angesehen, die in Zylindern des Motors auftritt, und das Auftreten des Klopfens kann dazu führen, dass der Motor beschädigt wird, was zu vermeiden ist.
Demgemäß ist zum Erhöhen der Verbrennungseffizienz eine Technologie zum Vermeiden des Klopfens erforderlich und ist eine Entwicklung einer Klopf-Detektionstechnologie mit höherer Genauigkeit erforderlich geworden.
Bis heute ist eine große Anzahl von Klopf-Detektionsverfahren vorgeschlagen worden, und als repräsentatives Verfahren ist eine Vorrichtung zum Detektieren eines Klopfens unter Verwendung einer Schwingungsfrequenz des Motors vorgeschlagen (siehe beispielsweise das japanische Patent JP 2 684 611 B2 ). Die Klopf-Detektionsvorrichtung detektiert Resonanzfrequenzen innerhalb von zwei oder mehreren Zylindern, um einen Klopfindikator basierend auf der Summe von diesen Resonanzfrequenzkomponenten zu erhalten.
DE 10 2006 035 877 A1 beschreibt eine DSP-basierte Motorklopfdetektion mit einer Klopfsensor- und Schaltungsdiagnostik, wobei das Klopfdetektionssystem für einen fremdgezündeten Motor einen Klopfsensor umfasst, der auf eine Vibration des Motors anspricht und ein Klopfsignal erzeugt. Ein erstes Modul berechnet eine Klopfenergie auf der Grundlage des Klopfsignals und ein zweites Modul berechnet eine Klopfintensität auf der Grundlage der Klopfenergie. Ein drittes Modul reguliert eine Zündzeitpunkteinstellung des Motors auf der Grundlage der Klopfintensität.
DE 103 17 377 A1 lehrt eine Klopferfassungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, die Klopfen von Rauschen genau unterscheidet, selbst wenn Rauschen mit einer Frequenzkomponente, die identisch einer Klopffrequenzkomponente ist, einem Ionenstromsignal überlagert ist.
Jedoch treten einige Resonanzfrequenzen auf, ohne zu dem Auftreten eines Klopfens beizutragen. Ein repräsentatives Beispiel dafür ist eine ”ρ₁₀-Mode-Resonanzfrequenzkomponente”, die in dem japanischen Patent JP 2 684 611 B2 und DE 690 17 063 T2 beschrieben ist.
In einem Fall, in welchem das Ausmaß einer durch ein Klopfen induzierten Störung innerhalb einer Verbrennungskammer als die Intensität eines Klopfens definiert ist, kann gesagt werden, dass die Größe der ρ₁₀-Mode-Resonanzfrequenzkomponente die Klopfintensität genau ausdrückt. Im Gegensatz dazu entsteht ein derartiges Problem, dass die ρ₁₀-Mode-Resonanzfrequenzkomponente der niedrigste Resonanzschwingungs-Mode innerhalb der Motorverbrennungskammer ist und durch ledigliches Vorgeben einer geringen Energiemenge schnell auftritt.
Das bedeutet, dass die Schwingung nicht durch Klopfen, sondern durch irgendeine Störung einer Verbrennung, verursacht wird und es unmöglich ist, gemäß der Resonanzschwingung zu unterscheiden, ob ein Klopfen auftritt oder nicht. Beispielsweise ist es bekannt gewesen, dass die ρ₁₀-Mode-Resonanzfrequenzkomponente häufig in einem exzessiven reichen Zustand eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses oder zu der Zeit einer Zündung bei einer exzessiven Funken- bzw. Entladungsverzögerungsposition auftritt. Ebenso gibt es viele Beispiele, bei welchen eine solche ρ₁₀-Mode-Resonanzfrequenzkomponente immer auftritt.
Unter den oben angegebenen Gesichtspunkten entsteht ein derartiges Problem, dass es schwierig ist, die ρ₁₀-Mode-Resonanzfrequenzkomponenten von einem Rauschen in dem Klopfindikator zu trennen, in dem die Summe einschließlich der ρ₁₀-Mode-Resonanzfrequenzkomponenten gebildet wird.
Gegensätzlich dazu ist eine große Energie erforderlich, um Resonanzschwingungen höherer Ordnung als die ρ₁₀-Mode-Resonanzfrequenzkomponenten innerhalb der Verbrennungskammer zu erzeugen. Daher ist es deshalb, weil die Resonanzschwingungen höherer Ordnung nicht einfach auftreten, bekannt gewesen, dass die Resonanzschwingungen höherer Ordnung genau anzeigen, ob ein Klopfen auftritt oder nicht. Als Ergebnis gibt es viele Klopf-Detektionsvorrichtungen, die hauptsächlich die Resonanzschwingungen höherer Ordnung verwenden.
Jedoch deshalb, weil die Frequenzen der Resonanzschwingungen höherer Ordnung nahe den Resonanzschwingungsfrequenzen eines Motorblocks sind, leiden diese Klopf-Detektionsvorrichtungen an einer großen Anzahl von Problemen. Das bedeutet, dass es schwierig ist, die Resonanzschwingungen höherer Ordnung von der Resonanzschwingungsfrequenz des Motorblocks und von einem Impulsrauschen zu trennen und die Dämpfung eines Signals aufgrund instabiler Resonanzschwingungen schnell erfolgt. Ebenso ist die Größe einer Frequenzverschiebung aufgrund einer Änderung bezüglich einer Temperatur oder eines Zustands innerhalb der Verbrennungskammer groß und ist es schwierig, den Signalpegel sicherzustellen. Diese Probleme induzieren Barrieren zum Erreichen der erforderlichen Klopf-Detektionsgenauigkeit.
Die vorliegende Erfindung ist gemacht worden, um die oben angegebenen Probleme zu lösen, und daher besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung im Bereitstellen einer Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, die das Auftreten eines Klopfens mit hoher Genauigkeit unterscheiden kann.
Um die oben angegebenen Probleme zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 zur Verfügung gestellt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 definiert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in einem Fall, in welchem die Frequenzintensitäten einer Vielzahl von Klopf-Frequenzbändern berechnet werden, und bestimmt wird, dass wenigstens zwei primäre Bestimmungsergebnisse aus einer Vielzahl von durch die jeweiligen Frequenzbänder erhaltenen primären Klopf-Bestimmungsergebnissen die Möglichkeit eines Auftretens eines Klopfens haben, anschließend bestimmt, dass ein Klopfen auftritt, so dass das Auftreten eines Klopfens mit hoher Genauigkeit unterschieden werden kann.
Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen, wobei:
1 ein Blockdiagramm ist, das schematisch eine Gesamtkonfiguration einer Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Ablaufdiagramm ist, das eine Hauptverarbeitung eines Klopf-Detektionsprozesses gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt, welches einen Ablauf zum Erhalten einer Klopfauftrittsintensität aus einem Ionenstrom in einem in 1 gezeigten Signalverarbeitungsmodul zeigt;
3 ein Ablaufdiagramm zum Erklären eines Verfahrens zum Bestimmen der Klopfintensität (eines in 2 gezeigten Verfahrens zum Bestimmen der Klopfintensität) gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
4 ein Ablaufdiagramm zum Erklären eines Verfahrens zum Berechnen eines Hintergrundpegels BGL ist, der für eine Klopfbestimmung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
5 ein Ablaufdiagramm zum Erklären eines Verfahrens zum Berechnen eines BGL-Koeffizienten gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
6 ein Ablaufdiagramm zum Erklären eines Verfahrens zum Berechnen einer Signalausgabe von Hochfrequenzbändern gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
7 ein Ablaufdiagramm zum Erklären eines Verfahrens zum Berechnen einer Signalausgabe von Niederfrequenzbändern gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
8A und 8B Diagramme sind, die einen besonderen Fall eines Vorliegens von Fourierintensitätsspektren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen;
9 eine Tabelle zum Erklären eines Fourierintensitäts-Berechnungskoeffizienten gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
10 eine Tabelle zum Erklären der Daten ist, die zusammen beim Berechnen der Fourierintensität gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung berechnet werden können; und
11 ein Blockdiagramm ist, das eine Konfiguration einer Klopf-Detektionsvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
Es folgt eine detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Gesamtkonfiguration einer Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Nimmt man Bezug auf 1, wird eine Kraftstoff/Luft-Mischung eines Kraftstoffs zu einer Verbrennungskammer 1 zugeführt und wird gleichzeitig eine hohe Spannung durch eine Zündspule 3 entwickelt und wird eine Funkenentladung zwischen Elektroden einer Zündkerze 2 erzeugt, um es dadurch möglich zu machen, eine Verbrennung innerhalb der Verbrennungskammer 1 zu erzeugen und eine Leistung in dem Verbrennungsmotor zu erzeugen.
Mit der Verbrennung innerhalb der Verbrennungskammer 1 werden Ionen erzeugt. Die Zündspule 3 führt eine hohe Spannung zum Erzeugen einer Funkenentladung zwischen den Elektroden der Zündkerze 2 zu. Nach der Beendigung einer Zufuhr der hohen Spannung führt die Zündspule 3 weiterhin eine Vorspannung zum Detektieren der Ionen zwischen Elektroden zu. Wenn eine Vorspannung zwischen Elektroden der Zündkerze 2 angelegt wird, können die bei der Verbrennung erzeugten Ionen als Strom behandelt werden, der ”Ionenstrom” genannt wird.
Der Ionenstrom fließt von einer Vorspannungsquelle innerhalb der Zündspule 3 über die Zündkerze 2 mit Ionen innerhalb der Verbrennungskammer 1 als Medium in einen Motorblock. Ein Ionenstrom, der äquivalent zu dem oben beschriebenen Ionenstrom ist, fließt von einem Signalverarbeitungsmodul 4 durch eine Stromspiegelschaltung (nicht gezeigt) in Richtung zu der Zündspule 3. Der Ionenstrom, der in diesem Abschnitt fließt, kann auf das Ausmaß an Strom eingestellt werden, das um ein konstantes Vielfaches größer als das Ionenstromausmaß ist, das tatsächlich auftritt, um eine Toleranz gegenüber Rauschen und ähnlichem zu erhöhen. Der Ionenstrom wird über einen A/D-Wandler, nachdem er in eine Spannung umgewandelt ist, mittels einer Schnittstelle innerhalb des Signalverarbeitungsmoduls 4 in einen Mikroprozessor hereingenommen.
Das Signalverarbeitungsmodul 4 verarbeitet das hereingenommene Ionenstromsignal, um die Klopfauftrittsintensität zu bestimmen, und sendet das Bestimmungsergebnis zu einer Motorsteuereinheit (ECU) 5. Die ECU 5 hat eine Systemkonfiguration, um eine Zeitgabe, zu welcher die Zündspule 3 arbeitet, gemäß der erhaltenen Klopfauftrittsintensität zu steuern, um eine Zündzeitgabe zu steuern, zu welcher die Kraftstoff/Luft-Mischung innerhalb der Verbrennungskammer 1 gesteuert wird, um das Auftreten eines Klopfens zu steuern und um das Auftreten eines Klopfens zu unterdrücken.
Nachfolgend wird ein Ablauf zum Erhalten der Klopfauftrittsintensität aus dem Ionenstrom im Inneren des Signalverarbeitungsmoduls 4 unter Bezugnahme auf ein in 2 gezeigtes Ablaufdiagramm beschrieben werden. In dem in 2 gezeigten Ablaufdiagramm stellt das Signalverarbeitungsmodul 4 zuerst ein Detektionsfenster zum Analysieren einer Frequenz bei der Wellenform des hereingenommenen Ionenstroms in einem Schritt S21 ein. Darauffolgend analysiert das Signalverarbeitungsmodul 4 die Frequenz innerhalb des Detektionsfensters in einem Schritt S22 und bestimmt die Klopfintensität auf der Basis der Frequenzanalyse in einem Schritt S23.
Bei diesem Beispiel wird im Schritt S21 ein Signal, das ein Referenzsignal zum Detektieren eines Klopfens ist, das während des Betriebs des Verbrennungsmotors auftritt, detektiert. Es ist die Zündspule 3 vorgesehen, die den Ionenstrom, der zusammen mit der Verbrennung innerhalb der Verbrennungskammer 1 erzeugt wird, indem eine Vorspannung zwischen den Elektroden der Zündkerze 2 angelegt wird, ohne ein Vorsehen einer Signaldetektionseinrichtung zum Einstellen des Detektionsfensters in dieser Situation detektiert. Der Ionenstrom wird als Signal angesehen, das ein Referenzsignal zum Detektieren eines Klopfens ist. Ebenso wählt im Schritt S22 eine Frequenzintensitäts-Berechnungseinrichtung eine Vielzahl von Frequenzen aus, die aus der Detektionsausgabe des Signals, das ein Referenzsignal zum Detektieren eines Klopfens ist, extrahiert sind, um die Frequenzintensität der ausgewählten Frequenz zu berechnen. Ebenso bestimmt im Schritt S23 eine Klopfintensitäts-Bestimmungseinrichtung schließlich das Auftreten eines Klopfens in dem Fall, in welchem auf der Basis des Frequenzintensitäts-Berechnungsergebnisses bestimmt wird, dass wenigstens zwei primäre Bestimmungsergebnisse aus der bei den jeweiligen Frequenzen jeweils erhaltenen Vielzahl primärer Klopf-Bestimmungsergebnisse die Möglichkeit des Auftretens eines Klopfens haben.
Im Weiteren wird ein Verfahren zum Bestimmen der Klopfintensität im Schritt S23 unter Bezugnahme auf ein in 3 gezeigtes Ablaufdiagramm beschrieben werden. In 3 wird bestätigt, ob eine Signalausgabe HF eines Hochfrequenzbands bei einem Pegel, der als klopfend bestimmt werden kann, auftritt oder nicht. In dem Fall, in welchem die Signalausgabe HF bei diesem Pegel auftritt, wird die schließliche Bestimmung des Auftretens eines Klopfens einer Signalausgabe LF eines Niederfrequenzbands anvertraut, was bedeutet, dass die Klopfbestimmung nur dann durchgeführt wird, wenn Bestimmungen von sowohl dem Hochfrequenzband als auch dem Niederfrequenzband wahr sind.
Spezifischer wird in einem Schritt S31 bestimmt, ob die Signalausgabe HF des Hochfrequenzbands einen Hintergrundpegel BGL übersteigt oder nicht, und wenn das Ergebnis Ja ist, wird die Verarbeitung zu einem Schritt S32 weitergeschaltet, um LF als die Klopfintensität auszuwählen. Wenn andererseits das Ergebnis im Schritt S31 Nein ist, wird die Verarbeitung zu einem Schritt S33 weitergeschaltet und wird die Klopfintensität 0. Bei diesem Beispiel ist die Klopfintensität im Schritt S33 0. Es ist jedoch unnötig, dass die Klopfintensität 0 ist, und der Klopfintensität kann ein gegebener Wert des Ausmaßes zugeteilt werden, das als nicht klopfend bestimmt wird, oder HF kann als die Klopfintensität ausgewählt werden.
Wie es in einem Ablaufdiagramm der 4 gezeigt ist, kann der Hintergrundpegel BGL durch einen nachfolgenden Ausdruck (1) mithilfe eines Koeffizienten α, der als Koordinatennetzwert (MAP) einer Umdrehungsgeschwindigkeit ”rev” und einer Last ”load” eingestellt ist, bei einem Durchschnittswert ”ave”(HF) der Signalausgabe HF des Hochfrequenzbands, und gleichermaßen eines Offsetbetrags β, der als Koordinatennetzwert (MAP) der Umdrehungsgeschwindigkeit ”rev” und der Last ”load” eingestellt ist, ausgedrückt werden (Schritte S41 bis S43). BGL = α × ave(HF) + β (1)
Ebenso stellt ave(HF) den Durchschnittspegel der Signale des Hochfrequenzbands dar und kann durch nachfolgenden Ausdruck (2) auf der Basis einer Beziehung zwischen einem Durchschnittswert ave_t(HF) zur gegenwärtigen Zeit und einem Durchschnittswert ave_t-1(HF) zur vorherigen Zeit mithilfe eines Koeffizienten γ, der durch 0 ≤ γ ≤ 1 ausgedrückt werden kann, dargestellt werden. ave_t(HF) = ave_t-1(HF) × γ + HF × (1 – γ) (2)
In einem Fall, in welchem der Durchschnittspegel ave(HF) der Signale des Hochfrequenzbands größer wird, das heißt in einem Fall, in welchem die Signalausgabe HF des Hochfrequenzbands größer als der Durchschnittswert ave_t-1(HF) zur vorherigen Zeit (HF > ave_t-1(HF)) in Bezug auf den Koeffizienten γ ist, wie es in einem Ablaufdiagramm der 5 gezeigt ist, wird die Verarbeitung zu einem Schritt S52 weitergeschaltet und wird ein Koeffizient γu genommen. Gegensätzlich dazu wird in einem Fall, in welchem der Durchschnittspegel ave(HF) beibehalten wird oder kleiner wird, ein Koeffizient γd genommen (Schritte S51 bis S53). Beim ersten Ausführungsbeispiel haben diese Koeffizienten die folgende Beziehung, wie sie durch nachfolgenden Ausdruck (3) dargestellt ist, und unterdrücken sie die unnötige Verschlechterung des Hintergrundpegels BGL. γu > γd (3)
Nimmt man wieder Bezug auf 4, wird ebenso ein unterer Grenzwert LM, der als der Koordinatennetzwert der Umdrehungsgeschwindigkeit ”rev” und der Last ”load” definiert ist, auf einen Hintergrundpegel BGL eingestellt, der durch den obigen Ausdruck (1) dargestellt ist. In einem Fall, in welchem der Hintergrundpegel BGL nicht größer als der untere Grenzwert LM ist, wird BGL = LM eingestellt (Schritte S44 bis S46).
Nachfolgend wird ein Verfahren zum Erhalten der Signalausgabe HF des Hochfrequenzbands und der Signalausgabe LF des Niederfrequenzbands unter Bezugnahme auf in den 6 und 7 gezeigte Ablaufdiagramme beschrieben werden. In dem in 6 gezeigten Ablaufdiagramm werden Frequenzintensitäten P(f) der jeweiligen Frequenzen in einem Schritt S61 erhalten. Bei diesem Beispiel ist die Frequenzintensität als die Intensität einer Frequenz definiert, die einer Fouriertransformation unterzogen worden ist. Die zu erhaltende Frequenz ist f = 11 kHz bis 14 kHz und die Frequenz nimmt den maximalen Wert SIGH der jeweiligen Frequenzintensitäten P(f) der Frequenzen 11 kHz bis 14 kHz an (Schritt S61).
Weiterhin wird ein minimaler Wert CMPH als der Vergleichspegel des maximalen Werts SIGH erhalten. Der minimale Wert CMPH wird als der Durchschnittswert ave(CMPH1, CMPH2) des minimalen Werts CMPH1 der Frequenzintensität P(f) von f = 10 kHz bis 12,5 kHz und des minimalen Werts CMPH2 der Frequenzintensität P(f) von f = 12,5 kHz bis 16 kHz erhalten (Schritte S62 bis S64). Die Signalausgabe HF des Hochfrequenzbands wird durch Subtrahieren des minimalen Werts CMPH von dem maximalen Wert SIGH durch Kombinieren dieser Werte erhalten.
Eine Prozedur zum Erhalten der Signalausgabe LF des Niederfrequenzbands ist gleich derjenigen der Signalausgabe HF des oben angegebenen Hochfrequenzbands und ist nur bezüglich der Gegenstandsfrequenz unterschiedlich, wie es in einem Ablaufdiagramm der 7 gezeigt ist. In dem in 7 gezeigten Ablaufdiagramm ist SIGL der maximale Wert der Frequenzintensität P(f) von f = 6 kHz bis 8 kHz und ist der minimale Wert CMPL als der Vergleichspegel der Durchschnittswert ave(CMPL1, CMPL2) des minimalen Werts CMPL1 der Frequenzintensität P(f) von f = 4 kHz bis 7 kHz und des minimalen Wert CMPL2 der Frequenzintensität P(f) von f = 7 kHz bis 10 kHz. Ebenso wird die Signalausgabe LF des Niederfrequenzbands aus einem Subtrahieren des minimalen Werts CMPL von dem maximalen Wert SIGL erhalten (Schritte S71 bis S75).
Übrigens wird in dem Fall, in welchem die Schwingungskomponente, die der Ionenstromwellenform überlagert wird, keine normale Sinuswellenkonfiguration ist, sondern eine Konfiguration, bei welcher beispielsweise nur der obere Bereich der Amplitude existiert, wie es in 8A gezeigt ist, herausgefunden, dass das Fourierspektrum eine Spitze bei 12 kHz erzeugt, die genau das Zweifache der Sinuswelle in dem Fall ist, in welchem die Sinuswelle 6 kHz ist, wie es in 8B gezeigt ist.
Demgemäß kann in dem Fall, in welchem der oben angegebene Zustand auftritt, um die fehlerhafte Bestimmung zu verhindern, die durch den oben angegebenen Zustand verursacht wird, ein Frequenzband entsprechend dem Zweifachen der Frequenz, bei welcher die maximale Frequenzintensität erzeugt wird, wenn die Signalausgabe LF des Niederfrequenzbands erhalten wird, von der Berechnung des maximalen Werts SIGH entfernt werden, wenn die Signalsausgabe HF des Hochfrequenzbands erhalten wird.
Wie es oben beschrieben ist, wird gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung nur der Fall, in welchem die Wahrheitsbestimmung bezüglich sowohl des Schwingungspegels des Hochfrequenzbands als auch des Schwingungspegels des Niederfrequenzbands erhalten wird, als klopfend bestimmt wird, das heißt in dem Fall, in welchem auf der Basis der Frequenzintensitäts-Berechnungsergebnisse bestimmt wird, dass wenigstens zwei primäre Bestimmungsergebnisse aus der Vielzahl von in den jeweiligen Frequenzbändern erhaltenen primären Klopf-Bestimmungsergebnissen die Möglichkeit des Auftretens eines Klopfens haben, schließlich als das Auftreten eines Klopfens bestimmt, um es dadurch möglich zu machen, ein Klopfen hoher Genauigkeit zu detektieren. Als Ergebnis ist es möglich, die Verbrennung mit hoher Effizienz zu erhalten.
Zweites Ausführungsbeispiel
Bei dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist die berechnete Frequenz nicht speziell beschränkt. Es ist jedoch wohlbekannt, dass die Frequenz, die berechnet werden kann, gemäß der Abtastperiode des A/D-Wandlers im Inneren des Signalverarbeitungsmoduls 4 und der Anzahl einer Fouriertransformation eindeutig bestimmt wird. Die zu berechnende Frequenz wird weiterhin unter diesen Frequenzen ausgewählt, um dadurch zu ermöglichen, das Frequenzband über den weiten Bereich schnell zu erhalten. Dieses Verfahren wird nachfolgend beschrieben werden. Beim zweiten Ausführungsbeispiel wird ein spezifischer numerischer Wert zur Beschreibung verwendet, aber es ist keine Notwendigkeit, so dass die tatsächliche Verwendung nicht auf den folgenden numerischen Wert beschränkt ist.
Es wird zuerst angenommen, dass als Beispiele die Abtastperiode des A/D-Wandlers im Inneren des Signalverarbeitungsmoduls 4 25 μs (40 kHz) ist und die Zahl bzw. Nummer eines Fouriertransformationsbereichs 64 ist. In diesem Zustand ist das Frequenzband, das einer Fouriertransformation unterzogen werden kann, auf die Frequenzen von 33 Stellen insgesamt, von 0 Hz bis 20 kHz alle 625 Hz, beschränkt ist.
Die Fouriertransformation wird durch nachfolgenden Ausdruck (4) dargestellt, wie es wohlbekannt ist.
wobei t eine Zeit ist, k die Wellenzahl ist, D(t) Daten zu einer Zeit t sind, T eine Abschnittslänge ist, die einer Fouriertransformation unterzogen wird, und F die Fouriertransformation von D(t) ist.
Wie es im oben angegebenen Ausdruck gezeigt ist, werden zu analysierende Daten mit einem Wert einer trigonometrischen Funktion, wie beispielsweise sin oder cos, multipliziert, der gemäß der Zeit t und der Wellenzahl k erhalten wird, und werden Multiplikationsergebnisse sequentiell miteinander integriert. Hier kann es in Abhängigkeit von einem zu analysierenden Frequenzband bemerkt werden, dass es einen Fall gibt, in welchem der Wert einer trigonometrischen Funktion, spezifisch derselbe Absolutwert, genommen wird.
9 stellt Werte von sin und cos dar, wenn die Frequenzintensität in einem Fall erhalten wird, in welchem k = 12 gebildet ist (entsprechend einer Frequenz von 7500 Hz bei diesem Ausführungsbeispiel). Als Ergebnis wird es verstanden, dass derselbe Absolutwert in acht Fällen erhalten wird. Beispielsweise gibt es insgesamt acht Fälle, in welchen ein Absolutwert von cos 1 ist, das heißt die Datenzahlen bzw. -nummern 0, 8, 16, 24, 32, 40, 48 und 56.
Wie es oben beschrieben ist, wird die Zahl von durch die zu analysierende Frequenz gesammelten Daten bestimmt, und ein Fall, in welchem die Abtastperiode 40 kHz ist und die Zahl einer Fouriertransformation 64 ist, ist in 10 angeordnet. Es wird herausgefunden, dass die Zahl einer Fouriertransformation regelmäßig ist und die Zahl bzw. Nummer von Daten, die bei der Frequenz angeordnet sind, wo die Wellenzahl k ein gerader Wert ist, groß ist.
Bei einer Implementierung der Frequenzanalyse wird sie daher auf die Frequenzen beschränkt, bei welchen die Wellenzahl k ein gerader Wert ist, um dadurch zu ermöglichen, dass die Analyse des Spektrums in dem weiten Frequenzband effizient und mit hoher Geschwindigkeit implementiert wird. In der Frequenzintensitäts-Berechnungseinrichtung ist es in dem in 2 gezeigten Schritt S22 dann, wenn die Frequenz ausgewählt wird und die Frequenzintensität berechnet wird, möglich, eine beliebige Frequenz von etwa 3 kHz bis 20 kHz als die zu berechnende Frequenz auszuwählen. Beispielsweise ist es unter der Annahme des Frequenzbereichs des ersten Ausführungsbeispiels möglich, 11 Frequenzen von 3,75 kHz, 5 kHz, 6,25 kHz, 7,5 kHz, 8,75 kHz, 10 kHz, 11,25 kHz, 12,5 kHz, 13,75 kHz, 15 kHz und 16,25 kHz als die zu berechnenden Frequenzen auszuwählen.
In dem Fall, in welchem die Frequenzen des weiten Bereichs, wie es oben beschrieben ist, folgerichtig berechnet werden, ist es einfach, sich vorzustellen, dass das Ausmaß an Berechnung erforderlich ist, das das 11-fache eines Falls ist, in welchem eine einzige Frequenz erhalten wird. Jedoch ist es bei diesem System möglich, das Berechnungsausmaß nach unten auf etwa das 4,4-fache zu reduzieren. Das heißt, dass es möglich ist, die Ergebnisse mit dem Berechnungsausmaß zu erhalten, das gleich oder niedriger als die Hälfte des standardmäßigen Berechnungsausmaßes ist.
Wie es oben beschrieben ist, ist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dann, wenn die Frequenz ausgewählt wird und die Frequenzintensität berechnet wird, die auszuwählende Frequenz auf eine Frequenz beschränkt, deren Wellenzahl k ein gerader Wert ist, um es dadurch einfach zu machen, die Frequenz des weiten Bereichs zu berechnen. Demgemäß ist es möglich, ein Klopfen mit mehr Einfachheit und mit hoher Genauigkeit zu detektieren, um dadurch zu ermöglichen, dass die Verbrennung mit hoher Effizienz erhalten wird.
Drittes Ausführungsbeispiel
Bei dem obigen ersten Ausführungsbeispiel sind zwei Bänder mit f = 11 kHz bis 14 kHz und f = 6 kHz bis 8 kHz als die Frequenzintensität eines Klopfens bezeichnet. Jedoch gibt es einen Fall, in welchem eine charakteristische Frequenz, die zu der Zeit eines Erzeugens eines Klopfens auftritt, sich in Abhängigkeit vom Betriebszustand ändert. Beispielsweise gibt es ein Verfahren, bei welchem nur f = 6 kHz bis 8 kHz als die Klopffrequenz zu der Zeit einer niedrigen Drehgeschwindigkeit bestimmt werden und f = 11 kHz bis 14 kHz und f = 6 kHz bis 8 kHz zu der Zeit einer hohen Drehgeschwindigkeit bestimmt werden. Alternativ dazu ist es möglich, dass f = 6 kHz bis 8 kHz und f = 11 kHz bis 14 kHz als die Klopffrequenz zu der Zeit einer niedrigen Drehgeschwindigkeit bestimmt werden und f = 6 kHz bis 8 kHz, f = 11 kHz bis 14 kHz und f = 17 kHz bis 19 kHz zu der Zeit einer hohen Drehgeschwindigkeit bestimmt werden. Weiterhin gibt es ein Verfahren, bei welchem die Klopffrequenz zu der Zeit einer niedrigen Last gemäß der Last zu f = 5 kHz bis 7 kHz, f = 10 kHz bis 13 kHz und f = 16 kHz bis 18 kHz ausgewählt wird. Die Vergleichsfrequenz kann auch gemäß dem Betriebszustand geändert werden.
Das bedeutet, dass dann, wenn eine Vielzahl von Frequenzen durch die Frequenzintensitäts-Berechnungseinrichtung in dem in 2 gezeigten Schritt S22 ausgewählt wird und die Frequenzintensität der ausgewählten Frequenz berechnet wird, die Klopffrequenz, die charakteristischerweise zu der Zeit des Auftretens eines Klopfens auftritt, gemäß den Betriebszuständen ausgewählt wird und eine Vergleichsfrequenz zum Vergleichen mit der Klopffrequenz ausgewählt wird, um dadurch zu ermöglichen, dass das Klopfen mit höherer Genauigkeit detektiert wird.
Wie es oben beschrieben ist, wird gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel die zu berechnende Frequenz gemäß dem Betriebszustand ausgewählt, um dadurch zu ermöglichen, das Klopfen mit hoher Genauigkeit zu detektieren. Als Ergebnis ist es möglich, die Verbrennung mit hoher Effizienz zu erhalten.
Viertes Ausführungsbeispiel
Bei dem obigen ersten Ausführungsbeispiel wird der Ionenstrom als Referenzsignal zum Detektieren eines Klopfens verwendet. Jedoch kann, wie es in 11 gezeigt ist, der Ionenstrom durch ein Signal eines Schwingungssensors 7 ersetzt werden, der an dem Motorblock 6 angebracht ist. Es ist zu beachten, dass es deshalb, weil der Schwingungssensor 7 ein Rauschen enthält, das eindeutig für den Motorblock ist, wie beispielsweise einen Ventilsitz oder eine Klappe des Kolbens, nötig ist, die Frequenzkomponentenintensität entsprechend der natürlichen Frequenz des Motorblocks 6 aus der Berechnung der Signalausgabe HF des Hochfrequenzbands oder der Signalausgabe LF des Niederfrequenzbands zu entfernen. Beispielsweise wird in dem Fall, in welchem die natürliche Schwingungsfrequenz des Motorblocks 6 nahe 16 kHz ist, die Frequenzintensität zwischen 15,5 kHz und 16,5 kHz aus der Berechnung des maximalen Werts SIGH und der minimalen Werte CMPH1 und CMPH2 weggelassen, um die Signalausgabe HF des Hochfrequenzbands zu erhalten.
Wie es oben beschrieben ist, ist es gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel selbst in dem Fall eines Verwendens der Ausgabe des Schwingungssensors 7, der an dem Motorblock 6 angebracht ist, möglich, das Klopfen mit hoher Genauigkeit zu detektieren. Als Ergebnis ist es möglich, die Verbrennung mit hoher Effizienz zu erhalten.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Bei dem obigen ersten Ausführungsbeispiel wird der Ionenstrom als Referenzsignal zum Detektieren eines Klopfens verwendet. Alternativ dazu können dieselben Effekte selbst dann erhalten werden, wenn der Ionenstrom durch ein Signal eines Drucksensors im Zylinder (nicht gezeigt) ersetzt ist.
Wie es oben beschrieben ist, kann gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel selbst in dem Fall, in welchem die Ausgabe des Druckzylinders im Zylinder verwendet wird, ein Klopfen mit hoher Genauigkeit detektiert werden. Demgemäß ist es möglich, die Verbrennung mit hoher Effizienz zu erhalten.
Die Klopf-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist an einem Automobil, einem Zweiradfahrzeug, einem Außenbordmotor oder anderen spezifischen Maschinen, bei welchen der Verbrennungsmotor verwendet wird, montiert, um eine Verbesserung bezüglich der Ausgabe des Motors und eine Verbesserung bezüglich der Betriebseffizienz zu realisieren. Ebenso ist die Klopf-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufgrund der Emissionsreduzierung für den Umweltschutz nützlich.

Claims

Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, mit einem Signalverarbeitungsmodul (4) zum Verarbeiten eines Signals, das ein Referenzsignal zum Detektieren eines Klopfens ist, das bei einem Betrieb eines Verbrennungsmotors auftritt, zum Bestimmen einer Klopfauftrittsintensität und zum Ausgeben eines Bestimmungsergebnisses, um eine Zeitgabe, zu welcher eine Zündspule (3) aktiviert wird, basierend auf der durch das Signalverarbeitungsmodul bestimmten Klopfauftrittsintensität zu steuern, um dadurch eine Zündzeitgabe zu steuern, zu welcher eine Kraftstoff/Luft-Mischung innerhalb einer Verbrennungskammer (1) gezündet wird, um das Auftreten eines Klopfens zu unterdrücken, wobei das Signalverarbeitungsmodul (4) Folgendes aufweist: eine Signaldetektionseinrichtung (S21) zum Detektieren eines Signals, das das Referenzsignal zum Detektieren des Klopfens ist, das beim Betrieb des Verbrennungsmotors auftritt; eine Frequenzintensitäts-Berechnungseinrichtung (S22) zum Auswählen einer Vielzahl von Frequenzen, die aus einer Ausgabe der Signaldetektionseinrichtung extrahiert sind, um eine Frequenzintensität zu berechnen; und eine Klopfintensitäts-Bestimmungseinrichtung (S23) zum schließlichen Bestimmen, dass ein Klopfen auftritt, in einem Fall, in welchem bestimmt wird, dass wenigstens zwei primäre Bestimmungsergebnisse unter einer Vielzahl von basierend auf den Ausgaben der Frequenzintensitäts-Berechnungseinrichtung jeweils in den Frequenzbändern erhaltenen primären Klopf-Bestimmungsergebnissen eine Möglichkeit eines Auftretens eines Klopfens anzeigen.
Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Frequenzintensitäts-Berechnungseinrichtung für die Berechnung der Frequenzintensität (S22) mittels Fouriertransformation eine Frequenz auswählt, bei der die Wellenzahl k ein gerader Wert ist.
Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, wobei die Frequenzintensitäts-Berechnungseinrichtung (S22) eine beliebige Frequenz von etwa 3 kHz bis etwa 20 kHz auswählt.
Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Frequenzintensitäts-Berechnungseinrichtung (S22) eine Klopffrequenz, die charakteristischerweise zu der Zeit eines Auftretens eines Klopfens auftritt, und eine Vergleichsfrequenz zum Vergleichen mit der Klopffrequenz auswählt.
Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 4, wobei die Frequenzintensitäts-Berechnungseinrichtung (S22) die Klopffrequenz gemäß dem Betriebszustand auswählt.
Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Signaldetektionseinrichtung (S21) eine Ionenstrom-Detektionseinrichtung (3) zum Zuführen einer Vorspannung zwischen Elektroden einer Zündkerze enthält, um einen Ionenstrom, der mit einer Verbrennung innerhalb einer Verbrennungskammer auftritt, zu detektieren, und den durch die Ionenstrom-Detektionseinrichtung erhaltenen Ionenstrom als das Signal einstellt, das das Referenzsignal zum Detektieren des Klopfens ist.
Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Signaldetektionseinrichtung (S21) eine Schwingungs-Detektionseinrichtung zum Detektieren von Schwingungen des Motors enthält und ein durch die Schwingungs-Detektionseinrichtung erhaltenes Schwingungssignal als das Signal einstellt, das das Referenzsignal zum Detektieren des Klopfens ist.
Klopf-Detektionsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, wobei die Signaldetektionseinrichtung (S21) eine Druckdetektionseinrichtung zum Detektieren eines Drucks innerhalb eines Zylinders enthält und ein durch die Druckdetektionseinrichtung erhaltenes Drucksignal als das Signal einstellt, das das Referenzsignal zum Detektieren des Klopfens ist.