DE3010324C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Anspruchs 1 bzw. des hierzu nebengeordneten Anspruchs 2.

In der Anmeldung älteren Zeitrangs gemäß der nicht vorveröffentlichten DE-OS 29 18 420 wird eine Vorrich­ tung zum Erkennen des Klopfens bei Brennkraftmaschinen vorgeschla­ gen. Dabei erzeugt ein Klopfsensor ein Signal, das Klopfschwingungen und Grundrauschen enthält. Dieses Signal wird einer Demodulator­ schaltung zugeleitet, die über einen Hintergrundsignalzweig und ei­ nen Klopfsignalzweig mit einer Vergleichseinrichtung verbunden ist. Dabei wird das Hintergrundsignal durch einen Tiefpaß erzeugt. Der Vergleich des Hintergrundsignals mit dem Kopfsignal in der Ver­ gleicheinrichtung liefert ein Signal, wenn das Klopfsignal höher ist als das Hintergrundsignal. Bei der dort beschriebenen Schaltungsan­ ordnung kann es nunmehr auftreten, daß aufgrund der Alterung der Brennkraftmaschine bzw. aufgrund sonstiger Störgeräusche die vom Klopfgeber aufgenommenen Signale sehr stark sind, oder daß bei empfindlich eingestellten Klopfregelschaltungen bereits schwache Störimpulse als Klopfen erkannt werden, obwohl ein Klopfen nicht vorliegt, weil beispielsweise der Arbeitsbereich der Schaltung ver­ lassen wird. Weiterhin ist aus der US-PS 41 53 020 eine Schaltungs­ anordnung zum Erkennen von Klopfen bekanntgeworden, bei der ein steuerbarer Verstärker vorgesehen ist. Bei dieser Schaltungsan­ ordnung erfolgt jedoch kein Vergleich zwischen dem Hintergrundsignal und dem Klopfsignal, sondern das Signal des Verstärkers wird ledig­ lich in Abhängigkeit vom Hintergrundgeräusch geregelt. Hierbei muß jedoch die Regelung sehr genau vorgenommen werden, da bei Regelab­ weichungen die Gefahr besteht, daß der fest eingestellte Klopf­ schwellwert andauernd überschritten ist und dann ein ordnungsgemäßer Betrieb der Brennkraftmaschine nicht mehr möglich ist, weil an­ dauernd Klopfen erkannt wird, obwohl Klopfen nicht auftritt.

Die US-PS 41 11 035 zeigt und beschreibt ebenfalls eine Schaltungs­ anordnung mittels der Klopfen erkannt wird. Das Sensorsignal wird über einen Bandpaß geleitet und einerseits direkt und andererseits über einen Integrierer einem Komparator zugeführt. Zur Verhinderung einer fehlerhaften Integration für das Hintergrundgeräusch ist hier eine Subtrahierstufe vorgesehen, die dann, wenn Klopfen erkannt wor­ den ist, eine Signalreduzierung für das Hintergrundgeräusch bewirkt. Hierdurch soll erreicht werden, daß Klopfsignale bei der Hinter­ grundgeräuschbildung nicht zu einer Verfälschung dieses Signals bei­ tragen. Die DE-OS 29 17 213 beschreibt und zeigt eine Klopfauswerte­ schaltung, bei der in einem Komparator das Klopfsignal mit einem Drehzahlsignal verglichen wird. Bei dieser Maßnahme bleibt unberück­ sichtigt, daß aufgrund von Alterungserscheinungen des Motors das Hintergrundgeräusch ansteigen kann, so daß vom Klopfregelkompa­ rator insbesondere bei älteren Motoren ein beständiges Klopfen er­ kannt wird, obwohl dies lediglich durch das erhöhte Hintergrundge­ räusch bewirkt wird. Schließlich ist aus der DE-AS 24 45 067 eine Schaltungsanordnung zum Erkennen von Klopfen bekanntgeworden, bei der der Integrierer für das Hintergrundgeräusch dann außer Betrieb genommen wird, wenn Klopfen zu erwarten ist. Diese Schaltungsanord­ nung hat die Aufgabe, eine Verfälschung des Hintergrundsignals durch das Auftreten von Klopfsignalen zu verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend vom Stand der Technik die Klopfauswertung sicherer zu machen, so daß die Vorrichtung nur dann anspricht, wenn auch tatsächlich Klopfen aufgetreten ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 2 gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs sowie des nebengeordneten Anspruchs 2 hat den Vorteil, daß Driftprobleme im Gleichstromteil der Vorrichtung bei der Verstärkung von Gleichspannung dadurch vermindert werden, daß durch eine Steuerung/Regelung für den gesamten interessierenden Drehzahlbereich der Mittelwert der als Wechselspannung vorliegenden Klopfsignale vor der Gleichrichtung wenigstens näherungsweise kon­ stant gehalten wird. Weiterhin wird durch diese Maßnahme vermie­ den, daß die Integratoren bei extremen Betriebsbedingungen entweder nicht mehr integrieren oder bis zu ihrer Sättigung integrieren, was die somit gewonnenen Meßwerte verfälschen würde.

Als Vorteil ist ebenfalls anzusehen, daß durch den Vergleich und die Regelung des Verstärkers neben stabilen Arbeitspunkten erreicht wird, daß auch bei alternden Brennkraftmaschinen oder geänderten Be­ triebsbedingungen eine Art selbstadaptierendes Verhalten erreicht wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 2 und 3 hat darüber hinaus den Vor­ teil, daß durch Integration des Klopfsignales während eines Meßfen­ sters sowohl Signalhöhe wie auch Signaldauer berücksichtigt werden. Hierdurch ist es möglich, durch Ausblenden sehr hoher Amplitudenan­ teile für eine bestimmte Zeitdauer Störgeräusche mit hoher Amplitude jedoch vergleichsweise kurzer Dauer zu unterdrücken.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen aufgeführt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Stromlaufplan eines Ausführungsbeispieles einer Vorrichtung nach der älteren Patentanmeldung gemäß DE-OS 29 18 420;

Fig. 2 bis 4 Stromlaufpläne entsprechend Fig. 1 jedoch mit unterschiedlicher Ausführung einer Ver­ stärkungsregelung;

Fig. 5 einen Stromlaufplan einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung mit Integration des Klopfsignales.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung ist ein Klopfsensor 1 über einen Hochpaß 2 und einen Verstärker 3 an eine Demodulatorschaltung 4 angeschlossen. Von dieser Demodulatorschaltung 4 führt einmal ein Hintergrundsignal- Zweig, bestehend aus einem Tiefpaß 5, einem Verstärker 6 und Mitteln zur Verschiebung des Referenzpegels 7 a, sowie zum andern ein Klopfsignal-Zweig, bestehend aus einem Tief­ paß 9 und Mitteln zur Verschiebung des Signalpegels 7, zu einer Vergleichseinrichtung 8. Dabei wird aus dem gleich­ gerichteten Klopfsignal, das am Ausgang der Demodulatorschal­ tung 4 vorliegt, im Tiefpaß 5, der eine große Zeitkonstante aufweist, das Hintergrundsignal gewonnen und in der Vergleichs­ einrichtung 8 mit dem Klopfsignal verglichen. Das Ausgangs­ signal der Vergleichseinrichtung 8 liefert bei geeigneter Abstimmung ein digitales Ausgangssignal "Klopfen ja/nein". Die Schaltmittel 10 bis 20 dienen zur Herstellung eines Meßfensters in Abhängigkeit von der Stellung der Kurbel­ welle, beispielsweise derart, daß das Klopfsignal nur während eines bestimmten Winkelbereichs der Kurbelwelle gemessen wird, um auf diese Weise den Einfluß von Störgrößen möglichst niedrig zu halten. Die Funktion der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist im übrigen im einzelnen in der DE-OS 29 18 420 beschrieben.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsanordnung ist zusätzlich zu den vorstehend geschilderten Elementen ein Drehzahlgeber 21 vorgesehen, der über eine Kennlinienstufe 22 mit einem Steuereingang des Verstärkers 3 in Wirkungs­ verbindung steht. Der Drehzahlgeber 21 erfaßt dabei eine Antriebsdrehzahl, vorzugsweise die Motordrehzahl. Statt des Drehzahlgebers 21 kann auch die Geberanordnung 10 ver­ wendet werden. Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 3 ist über seinen Steuereingang in der Weise einstellbar, daß bei hohem Steuersignal die Verstärkung hoch und bei niedri­ gem Steuersignal die Verstärkung niedrig eingestellt wird. Durch eine abfallende Kennlinie der Kennlinienstufe 22 wird dabei bewirkt, daß die Verstärkung des Verstärkers 3 bei niedrigen Motordrehzahlen hoch und bei hohen Motordrehzahlen niedrig ist. Durch diese Steuerung des Verstärkungsfaktors wird erreicht, daß das Ausgangssignal des Verstärkers 3 bzw. der Demodulatorschaltung 4 weitgehend konstant und unabhängig von der Motordrehzahl ist, da die Signalamplitude des Klopf­ sensors 1 mit der Motordrehzahl zunimmt. Dies hat den Vorteil, daß bei nahezu konstantem Signalpegel Driftprobleme in den nachfolgenden Gleichstromzweigen minimiert werden.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird gleichfalls der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 3 in Abhängigkeit von der Drehzahl eingestellt, diesmal jedoch in Form eines geschlossenen Regelkreises. Hierzu ist zusätz­ lich zu den in Fig. 1 dargestellten und eingangs erläuterten Schaltelementen eine zweite Kennlinienstufe 22 a vorgesehen, deren Eingang an den Ausgang des Tiefpaßfilters 5 im Hinter­ grundsignal-Zweig und deren Ausgang an den Steuereingang des Verstärkers 3 angeschlossen ist. Durch den geschlossenen Regelkreis der Elemente 3, 4, 5, 22 a wird auch hier bewirkt, daß der Mittelwert der Amplitude des Ausgangssignals des Verstärkers 3 bzw. der Demodulatorschaltung 4 weitgehend konstant, insbesondere unabhängig von der Drehzahl wird.

Eine weitere schaltungstechnische Möglichkeit zur Konstant­ haltung des Signalpegels ist bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 dargestellt, bei der zusätzlich zu den in Fig. 1 dar­ gestellten Schaltelementen ein Tiefpaßfilter 23 und eine dritte Kennlinienstufe 22 b vorgesehen sind, die in Reihe geschaltet sind und ein Rückkopplungszweig vom Ausgang der Demodulatorschaltung 4 zum Steuereingang des Verstärkers 3 bilden. Auch die dritte Kennlinienstufe 22 b hat eine ab­ fallende Kennlinie. Wie bereits zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 erläutert, hat die Rückkopplung des Ausgangs­ signales der Demodulatorschaltung 4 über einen Tiefpaß und eine Kennlinienstufe mit abfallender Kennlinie zum Steuer­ eingang des Verstärkers 3 die Wirkung, daß der Mittelwert der Amplitude des Ausgangssignals der Demodulatorschaltung 4 konstant gehalten wird, insbesondere bei veränderlicher Motordrehzahl. Die Schaltung entsprechend Fig. 4 hat jedoch gegenüber der gemäß Fig. 3 den Vorteil, daß durch Verwendung zweier Tiefpässe 5, 23 die jeweils optimale Zeitkonstante, einmal für den Hintergrundsignal-Zweig (Tiefpaß 5) und ein­ mal für den Amplitudenregelkreis (Tiefpaß 23) eingestellt werden kann.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zunächst mehrere Klopfsensoren 1, 1′ über einen Multiplexer 24 und einen Bandpaß 25 an die Demodulatorschaltung 4 ange­ schlossen. Diese Verwendung mehrerer Klopfsensoren 1, 1′ ist natürlich keineswegs auf das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern kann ebensogut bei den in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen Verwendung finden. Es versteht sich auch, daß die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten und vorstehend im einzelnen er­ läuterte Verstärkungssteuerung bzw. -regelung auch bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 verwendet werden kann, in die sie lediglich der Übersichtlichkeit halber nicht einge­ zeichnet wurde.

Abweichend von den Schaltungsanordnungen entsprechend den Fig. 1 bis 4 ist bei der Anordnung gemäß Fig. 5 im Klopf­ signal-Zweig eine Torschaltung 26 angeordnet, der ein steuer­ barer Integrator 27 nachgeschaltet ist. Torschaltung 26 und Integrator 27 werden von einer Ablaufsteuerung 28, vorzugs­ weise in Form eines Mikroprozessors angesteuert. Die Ablauf­ steuerung 28 betätigt weiterhin den Multiplexer 24 und liefert an einem Ausgang ein Erkennungssignal "Klopfen ja/ nein". Die Ablaufsteuerung 28 empfängt andererseits Steuersi­ gnale von der Vergleichseinrichtung 8, einem Drehzahlgeber 21, vorzugsweise einem Motordrehzahlgeber, sowie über einen Eingang 30 von einer in der Zeichnung nicht dargestellten Zylinder­ erkennung. Schließlich ist eine Schwellwertstufe 29 vorgesehen, die auf die Ablaufsteuerung 28 einwirkt und eingangsseitig vom Aus­ gangssignal eines der Elemente 24, 25, 4, 26, 27 angesteuert wird, wie dies in Fig. 5 durch die gestrichelten Linien ange­ deutet ist.

Die Wirkungsweise der in Fig. 5 dargestellten Vorrichtung ist wie folgt: In der Ablaufsteuerung 28 wird zunächst in Abhän­ gigkeit von der Zylindererkennung (Eingang 30) über den Multi­ plexer 24 der am jeweiligen Zylinder angeordnete Klopfsensor 1, 1′ zugeschaltet. Über den Drehzahlgeber 21 wird weiterhin ein Bezugsmarkensignal eingegeben, aus dem in der Ablauf­ steuerung 28 ein Meßfenster gebildet wird, während dessen Dauer die Torschaltung 26 geöffnet und der Integrator 27 angesteuert wird. Dies bewirkt, daß das vom Bandpaß 25 gefilterte und in der Demodulatorschaltung 4 gleichgerich­ tete Klopfsignal nur während der Dauer des Meßfensters im Integrator 27 von Null beginnend integriert und auf einen Eingang der Vergleichseinrichtung 8 gegeben wird. Die Ver­ gleichseinrichtung 8 prüft, ob eine klopfende oder eine nichtklopfende Verbrennung vorliegt, in der Weise, daß der Wert des so gemessenen Integrals im Anschluß an die Offen­ zeit des Meßfensters mit dem Hintergrundsignal verglichen wird, das vom Ausgang des Tiefpaßfilters 5 abgenommen wird.

In den Einrichtungen 7, 7 a kann eine Verschiebung des Pegels des Hintergrundsignals bzw. des Klopfsignales vorgenommen werden, damit bei kleinen Sensorsignalen (niedrige Drehzahl) keine Fehlerkennungen auftreten.

Da die Zeitkonstante des Tiefpasses 5 groß gewählt ist, um einen dem Hintergrundsignal entsprechenden langfristigen Mittelwert des Betrages der auftretenden Sensorsignale zu gewinnen, kann der Eingang des Tiefpaßfilters 5 in Abweichung von der in Fig. 5 dargestellten Schaltungsanordnung selbst­ verständlich auch an den Ausgang der Torschaltung 26 oder des Integrators 27 angeschlossen werden.

Bei Messungen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können Störsignale hoher Amplitude und kurzer Zeitdauer auftreten. Um diese Störeinflüsse zu unterdrücken ist in weiterer be­ vorzugter Ausgestaltung der Erfindung ein Schwellwertschal­ ter 29 vorgesehen, dessen Eingangssignal an einem der Aus­ gänge der Elemente 24, 25, 4, 26, 27 abgegriffen werden kann. Übersteigt das Eingangssignal der Schwellwertstufe 29 den darin vorbestimmten Wert, wird die Ablaufsteuerung 28 ange­ steuert. Dies hat zur Folge, daß für eine festgelegte Zeit­ spanne bzw. einen bestimmten Kurbelwellenwinkel die Messung unterbrochen wird, beispielsweise in der Weise, daß das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 8 nicht zum Ausgang weitergeleitet wird. Diese Unterbrechung des Meßvorgan­ ges kann pro Verbrennungsvorgang eines Zylinders einmal aus­ gelöst werden, wobei die Ablaufsteuerung 28 nach Verstreichen der festgelegten Zeitspanne bzw. des Kurbelwellenwinkels wieder aktiviert wird.

Claims (15)

1. Vorrichtung zum Erkennen des Klopfens bei Brennkraftmaschinen mit einem ein Signal abgebenden Klopfsensor, das einem Verstärker zugeführt ist, mit einer Demodulatorschal­ tung zur Gewinnung des zeitlichen Amplitudenverlaufs dieses Signals, der mindestens ein Tiefpaßfilter nachgeschaltet ist, und mit einer Vergleichsschaltung zum Vergleich der Ausgangssignale des Tiefpasses (Hintergrundsignal) und der Demodulatorschaltung (Klopf­ signal), dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungs­ faktor des Verstärkers (3) über eine Kennlinienstufe (22; 22 a; 22 b) in Abhängigkeit von einer Antriebsdrehzahl einstellbar ist.

2. Vorrichtung zum Erkennen des Klopfens bei Brennkraftmaschinen mit einem ein Signal abgebenden Klopfsensor, mit einer Demodulatorschal­ tung zur Gewinnung des zeitlichen Amplitudenverlaufs dieses Signals, der mindestens ein Tiefpaßfilter nachgeschaltet ist, und mit einer Vergleichsschaltung zum Vergleich der Ausgangssignale des Tiefpasses (Hintergrundsignal) und der Demodulatorschaltung (Klopf­ signal), dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (Klopfsignal) der Demodu­ latorschaltung (4) der Vergleichsschaltung (8) über ei­ nen Integrator (27) zugeführt ist, der in Abhängigkeit von einer Ab­ laufsteuerung (28) während eines einstellbaren Meßfensters betätig­ bar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal (Klopfsignal) der Demodulatorschaltung (4) der Vergleichsschaltung (8) über einen Integrator (27) zugeführt ist, der in Abhängigkeit von einer Ablaufsteuerung (28) während eines einstellbaren Meßfensters betätigbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Motordrehzahlgeber (21) über die Kennlinienstufe (22) derart mit einem Steuereingang des Verstärkers (3) verbunden ist, daß der Verstärkungsfaktor bei hohen Drehzahlen niedrig und bei niedrigen Drehzahlen hoch eingestellt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ausgang des wenigstens einen Tiefpaßfilters (5) über die Kennlinienstufe (22 a) derart mit einem Steuereingang des Verstärkers (3) verbunden ist, daß der Verstärkungsfaktor bei hohem Ausgangssignal des Tief­ passes (5) niedrig und bei niedrigem Ausgangssignal des Tiefpasses (5) hoch ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an den Ausgang der dem Verstärker (3) nachge­ schalteten Demodulatorschaltung (4) ein Tiefpaß (23) ange­ schlossen ist, der über die Kennlinienstufe (22 b) derart mit einem Steuereingang des Verstärkers (3) verbun­ den ist, daß der Verstärkungsfaktor bei hohem Ausgangssignal des Tiefpasses (23) niedrig und bei niedrigem Ausgangs­ signal des Tiefpasses (23) hoch eingestellt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integrator (27) eine während des Meßfensters durchschaltbare Torschaltung (26) vorgeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich weitere Klopfsen­ soren (1, 1′) über einen Multiplexer (24) an die Demodulatorschaltung (4) angeschlossen sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal am Ausgang des Multiplexers (24), des Bandpasses (25), der Demodulatorschaltung (4), der Torschaltung (26) oder des Integrators (27) abnehmbar und über eine Schwellwertstufe (29) der Ablaufsteuerung (28) zuführbar ist, derart, daß bei Überschreiten eines Schwellwertes das Signal am Ausgang der Vorrichtung unterdrückt wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der Ver­ gleichsschaltung (8) nur innerhalb eines einstellbaren Meß­ fensters weitergegeben wird.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Verschiebung des Re­ ferenzpegels (7 a) des Ausgangssignals des mindestens einen Tiefpaßfilters (5) (Hintergrundsignal) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Verschiebung des Signalpegels (7) des Ausgangssignals der Demodulatorschaltung (4) vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulatorschaltung (4) als Gleichrichter oder Quadrierer ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor die Demodulatorschaltung (4) ein Hochpaß (2) geschaltet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß vor die Demodulatorschaltung (4) ein Band­ paß (25) geschaltet ist.