DE3128554C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist bekannt, daß unter bestimmten Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine das sogenannte Klopfen auftreten kann. Hierunter versteht man Stoßwellen des Kraftstoff- Luft-Gemisches, die sich unter anderem als tonfrequente Schwingungen des Motors bemerkbar machen. Da mit dem Klopfen in der Regel eine starke thermische Belastung der brennraumseitigen Wandung des Zylinders und des Kolbens einhergeht, wobei Materialabtragungen auftreten können, ist man bestrebt, das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden, da es bei längerem Auftreten zu einer Zer­ störung der Brennkraftmaschine führen kann. Da man je­ doch andererseits bestrebt ist, den bestehenden Arbeits­ bereich der Brennkraftmaschine möglichst weitgehend aus­ zunutzen, besteht ein Bedürfnis, das Klopfen der Brenn­ kraftmaschine möglichst frühzeitig und sicher zu erkennen.

Zur Erkennung des Klopfens im Brennraum sind verschiedene Anordnun­ gen vorgeschlagen worden. So ist beispielsweise in der DE-OS 28 02 202 eine Einrichtung zur Erfassung von Druckschwankungen im Brennraum einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei der bereits eine Ionenstrom-Meßstrecke verwendet wird. Bei dieser Einrichtung ist eine Auswerteschaltung vorgesehen, die den Ionenstrom in ein durch eine Regelschaltung verwertbares Steuersignal verwandelt. Ge­ nauere Angaben über diese Auswerteschaltung sind aus dieser Schrift nicht bekannt.

In der DE-OS 29 18 420 wird eine Vorrichtung zum Erkennen des Klop­ fens bei Brennkraftmaschinen vorgeschlagen. Dabei erzeugt ein Klopf­ sensor ein Signal, das Klopfschwingungen und Grundrauschen enthält. Dieses Signal wird einer Demodulatorschaltung zugeleitet, die über einen Hintergrundsignal-Zweig und einen Klopfsignal-Zweig mit einer Vergleichseinrichtung verbunden ist. Dabei wird das Hintergrundsi­ gnal durch einen Tiefpaß erzeugt. Der Vergleich des Hintergrundsi­ gnals mit dem Klopfsignal in der Vergleichseinrichtung liefert ein Signal "Klopfen ja/nein". Bei dieser Vorrichtung werden aber Geber eingesetzt, die die Motorschwingungen erfassen. Die Auswerteschal­ tungen für diese Art von Gebern lassen sich aber nicht ohne weiteres zur Auswertung einer Ionenstrom-Messung verwenden.

Eine weitere Vorrichtung zum Feststellen von Klopferscheinungen bei Brennkraftmaschinen mit geregelter Zündung ist aus der DE-OS 29 32 193 bekannt. Dabei wird mindestens ein Ionenstrom-Sen­ sor, an dem eine geeignete Spannung anliegt, dem Gas im Brennraum ausgesetzt, wobei das vom Ionenstrom erzeugte Signal in einer Aus­ werteeinrichtung auf Erfüllung bestimmter Schwellwertkriterien un­ tersucht wird. Wenn das Ionenstrom-Signal diese Schwellwertkriterien erfüllt, wird ein, das Klopfen anzeigendes Signal abgegeben.

Auch die DE-OS 28 02 202 beschreibt eine Einrichtung zur Klopferken­ nung, wobei Druckschwankungen im Brennraum der Brennkraftmaschine mittels einer Ionenstromsonde ermittelt werden. Da das Ionenstrom­ sonden-Signal niedrige und hohe Frequenzanteile aufweist und nur die hochfrequenten Anteile mit der Klopfintensität zunehmen, sind Maß­ nahmen zur Frequenztrennung vorgesehen, wobei zusätzliche konstruk­ tive Maßnahmen der Sensoranordnung bzw. der Brennraumgestaltung vor­ gesehen sind, die die irrelevanten niederfrequenten Schwingungen dämpfen.

Schließlich ist aus der DE-OS 29 48 856 eine Vorrichtung zum Erken­ nen unerwünschter Verbrennungsverläufe bei fremdgezündeten Brenn­ kraftmaschinen mit einem Beschleunigungssensor bekannt, mit der Klopfgeräusche von anderen Motorengeräuschen unterschieden werden können. Dabei wird davon ausgegangen, daß Klopfschläge länger dauern als andere Motorgeräusche, deshalb wird in einem Zeitvergleichsglied ermittelt, ob die Dauer der vom Sensor gelieferten Signale ein be­ stimmtes Zeitintervall überschreitet und somit auf klopfende Ver­ brennung schließen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vor­ richtung zu schaffen, die durch Störanteile im Ionenstrom-Signal nur wenig beeinflußbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des An­ spruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, daß die Auswerte­ schaltung auf die Ionenstrom-Signale ausgerichtet ist. Bei Auftreten von Störsignalen im Ionen­ stromsignal, die durch Zündungseinflüsse bedingt sind und fälscherlicherweise als Klopfen erkannt werden könnten, wird die Auswertung des Ionenstrom-Signals abgebrochen und/ oder angehalten. Daher ist kein externes festes Meßfenster notwendig, sondern die Ausblendung der Störsignale erfolgt in Abhängigkeit der Störsignale selbst.

Vorteilhaft ist ferner, daß durch die angegebenen Schaltungsmaßnahmen sowohl Störungen mit einer Frequenz größer als die Klopffrequenz als auch Stö­ rungen mit kleinerer Frequenz ausgeschaltet werden und außerdem die Bildung von Störsignalen verringert wird.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nach­ folgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schaltungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung.

In der Figur ist mit 1 eine den Ionenstrom messende Sensor­ anordnung bezeichnet. Diese enthält u.a. mindestens eine Zündkerze, die als Serien- oder Spezialzündkerze ausgebil­ det sein kann und eine Spannungsversorgungseinrichtung. Die Sekundärwicklung 2 der Zündspule, die zur Spannungs­ versorgungseinrichtung gehört, ist getrennt herausge­ zeichnet. Über eine Diode 3 ist die Sekundärwicklung mit dem Mittelabgriff des Zündverteilers 4 verbunden, der wiederum mit den als Ionenstromsensor dienenden Zündker­ zen in Verbindung steht. Ausführungsbeispiele für die Ausbildung einer Spannungsversorgungseinrichtung mit ent­ sprechendem Ionenstromsensor sind in der DE-OS 28 02 202 und in der deutschen Patentanmeldung älteren Zeitraums gemäß DE-OS 30 06 665 be­ schrieben. Im vorliegenden Fall soll für jeden Zylinder ein Ionenstromsensor vorgesehen sein. Die Sensoren sind über jeweils einen Ladungsverstärker 5 mit einem Multi­ plexer 6 verbunden. Der Ausgang des Multiplexers 6 ist über ein Filter 7 an einen Schalter 8 angeschlossen, der im Ruhezustand leitend ist. Der Schalter 8, der vorzugsweise als elektronischer Schalter ausgebildet ist, ist mit einem Eingang einer Vergleichseinrichtung 9 verbunden, an deren anderem Eingang eine Stufe zur Einstellung des Schwellen­ werts 10 anliegt. Der Ausgang der Vergleichseinrichtung 9 ist einerseits über einen ersten Zeitschalter 11, der als Monoflop ausgebildet sein kann, mit dem Reset-Eingang eines Zählers 12 und andererseits über einen zweiten als Monoflop ausgebildeten Zeitschalter 13 und einem ODER-Gatter 14 mit dem Zähleingang des Zählers 12 verbunden. Die Ausgänge des Zählers 12 führen auf einen digitalen Komparator 15, dessen Vergleichswert mit der Stufe 16 eingestellt werden kann. Am Ausgang des digitalen Komparators 15 liegt das Erken­ nungssignal für das Klopfen, das einer Klopfregeleinrich­ tung zugeführt wird.

Der Ausgang des Multiplexers 6 ist mit einem Komparator 17 verbunden, an dessen Ausgang ein dritter Zeitschalter 18 und ein ODER-Gatter 19 angeschlossen ist. Dieser dritte Zeitschalter 18 steuert über das ODER-Gatter 19 den Schal­ ter 8 an. Weiterhin ist ein vierter Zeitschalter 20 und ein fünfter Zeitschalter 21 vorgesehen, an deren Eingängen das Schließwinkelsignal anliegt, das in der Zeichnung mit 22 bezeichnet ist. Dabei markieren die Blitzpfeile den Beginn der Offenzeit bzw. das Ende der Schließzeit. Der vierte Zeit­ schalter 20 ist mit dem ODER-Gatter 19 verbunden und der Ausgang des fünften Zeitschalters 21 führt auf ODER- Gatter 14.

Die Wirkungsweise der in der Figur dargestellten Vorrich­ tung soll im folgenden erläutert werden. Die von der Sensor­ anordnung 1 abgegebenen Ionenstrom-Signale, die bei einem gerade gezündeten Zylinder gemessen werden, werden über den jeweiligen Impedanzwandler 5 abgekoppelt. Die zwischen Ver­ teiler 4 und Sekundärwicklung 2 der Zündspule geschaltete Diode 3 eliminiert weitgehend die Störungen im Ionenstrom- Signal, die durch den Schließzeitbeginn hervorgerufen wer­ den. Der Multiplexer 6 schaltet jeweils die Sensoranordnung 1 auf das Filter 7, die dem jeweils zur Zündung gelangten Zylinder zugeordnet ist. Um die Anzahl der Meßkanäle zu verringern und damit den Multiplexer 6 zu vereinfachen, können alle Zylinder, deren Ionenstrom sich zeitlich nicht oder nur wenig überlappen, zu einem Meßkanal zusam­ mengefaßt werden. Das Filter 7 filtert diejenigen Frequen­ zen aus, bei denen Klopfschwingungen nicht zu erwarten sind. Wenn der Schalter 8 in leitendem Zustand ist, gelangt das Ionenstrom-Signal auf den Eingang der Vergleichsein­ richtung 9, deren Schwellenwert mit der Stufe 10 eingestellt werden kann. Treten Amplitudenüberhöhungen auf, die durch Klopfen hervorgerufen sein können, gibt die Vergleichs­ einrichtung 9 ein Erkennungssignal ab, d.h. aus kontinu­ ierlichen Schwingungen werden schwellenabhängig Impulse geformt. Diese Impulse werden auf die Eingänge des ersten und des zweiten Zeitschalters 11, 13 gegeben. Der erste Zeitschalter 11 weist eine Haltezeit auf, die etwas größer ist, als die periode der möglicherweise auftretenden Klopfschwingungen, während die Haltezeit des zweiten Zeitschalters 13 etwas kleiner ist. Beide Zeitschalter 11, 13 sind retriggerbar, d.h. befindet sich der Zeitschalter in seinem nicht stabilen Zustand und gelangt ein neuer Impuls auf seinen Eingang, so bleibt er in seinem nicht stabilen Zustand bis die Haltezeit erneut abgelaufen ist und er, falls kein neuer Impuls am Eingang anliegt, in seinen stabilen Zustand kippt. Sind in dem Ionenstrom-Signal Klopfschwingungen enthalten, so wird der erste Zeitschalter 11 durch die von der Vergleichseinrichtung 9 abgegebenen Impulse immer wieder neu angestoßen, d.h. er bleibt solange wie die Klopfschwingungen auftreten in seinem nicht stabilen Zustand. Gleichzeitig werden die Impulse über den zweiten Zeitschalter 13 über das ODER-Gatter auf den Zähleingang des Zählers 12 gegeben, da die Haltezeit des Zeitschalters 13 kleiner ist als die Periode der von der Vergleichsein­ richtung 9 abgegebenen Impulse. Der Zähler 12 zählt die Impulse, die den Klopfschwingungen entsprechen und leitet sie auf den digitalen Komparator 15 weiter. Überschreitet der hochgezählte Wert einen durch die Stufe 16 vorgegebenen Vergleichswert, so gibt der digitale Komparator 15 das Er­ kennungssignal für Klopfen ab, das zur Klopfregelung weiter­ geleitet wird.

Die Zeitschalter 11 und 13 haben die Wirkung eines digi­ talen Filters. Treten Schwingungen im Ionenstrom-Signal auf, deren Frequenz kleiner als die Klopffrequenz ist, so wird der Zähler 12 dauernd auf "0" zurückgesetzt, da der Zeitschalter 11 in seine stabile Lage zurückfällt, bevor ein neuer Triggerimpuls auf seinen Eingang gelangt. Der Zeitschalter 11 wirkt als Hochpaß. Ist die Frequenz der von der Vergleichseinrichtung 9 abgegebenen Impulse größer als die Klopffrequenz, so kippt der Zeitschalter 13 nicht mehr in seine stabile Lage zurück, da er immer wieder an­ gestoßen wird. Der Zähler 12 hört auf zu zählen, da keine Zählimpulse auf seinen Zähleingang gelangen. Dieser Zeit­ schalter 13 hat das Verhalten eines Tiefpasses.

Das Brennraumgemisch im Zylinder wird zu Beginn der Offen­ zeit gezündet. Es treten starke Zündüberhöhungen im Ionen­ strom-Signal auf, die zu falschen Ergebnissen führen könnten, wenn sie ausgewertet würden. Da kurz nach der Zündung noch keine Klopfschwingungen auftreten können, wird die Auswer­ tung des Ionenstrom-Signals über den Schalter 8 unter­ brochen. Die Schwelle des Komparators 17 ist so festgelegt, daß sie niedriger ist als die bei der Zündung auftretenden Amplitude des Ionenstrom-Signals und höher als der Ionenstrom nach dem Zündfunken. Wird die Schwelle des Komparators 19 überschritten, so wird an seinem Aus­ gang ein Impuls abgegeben. Durch die abfallende Flanke dieses Impulses wird der dritte Zeitschalter 18 von seinen stabilen Zustand in den nicht stabilen Zustand gekippt und eine vorgebbare Zeit in diesem Zustand ge­ halten. Dieses Signal oder der vom Komparator 17 abge­ gebene Impuls steuert über das ODER-Gatter 19 den Schal­ ter 8 in den nicht leitenden Zustand, und der Zähler 12 wird über den ersten Zeitschalter 11 unabhängig von seinem Zustand zurückgesetzt. Die Haltezeit des dritten Zeitschalters 18 kann je nach Länge der Störungen durch die Zündung eingestellt werden.

Unabhängig vom Ionenstrom-Signal kann der Schalter 8 vom Schließwinkelsignal gesteuert werden. Der vierte Zeitschalter 20 wird von der Flanke des Schließwinkelsignals am Ende der Schließzeit angestoßen, d.h. in den nicht stabilen Zu­ stand gebracht. Während der Haltezeit wird der Schalter 8 über das ODER-Gatter 19 in den nicht leitenden Zustand gesteuert. Auch hier ist die Haltezeit einstellbar.

Auch zu Beginn der Schließzeit treten Störungen im Ionenstrom- Signal auf, die zwar weitgehend durch die Zwischenschaltung der Hochspannungsdiode zwischen Zündspule 2 und Mittel­ abgriff des Verteilers 4 ausgeschaltet werden, aber demnoch zu Verfälschungen bei der Auswertung des Ionen­ strom-Signals führen können. Da in dem Zeitbereich des Schließzeitbeginns auch Klopfschwingungen auftreten können, ist es nicht sinnvoll, den Zähler zurückzusetzen, da die dann schon gespeicherte Information verloren geht. Deshalb ist es besser, den Zähler während der Störungen anzu­ halten. Der fünfte Zeitschalter 21 wird von der den Beginn der Schließzeit markierenden Flanke in den nicht stabilen Zustand geführt und sein Ausgangssignal hält den Zähler 12 über das ODER-Gatter 14 solange an, bis der Zeitschalter 21 in seine stabile Lage zurückkippt.

Im vorliegenden Fall ist der Schalter 8 zwischen Filter 7 und Vergleichseinrichtung 9 geschaltet. Diese Anordnung ist nicht zwingend. Er kann an jeder Stelle des Zweiges zwischen Multiplexer 6 und Zähler 12 angeordnet sein, so kann er z. B. direkt an den Reset-Eingang des Zählers 12 angeschlossen sein oder hinter der Vergleichseinrichtung 9 liegen.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Erkennen des Klopfens bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine mit mindestens einem dem Gas im Brennraum ausge­ setzten Ionenstrom-Sensor, mit einer Spannungsversorgung und einer von dem Ionenstrom-Signal gespeisten Auswerteeinrichtung, die ein das Klopfen repräsentierendes Signal abgibt, wenn das Ionenstrom-Si­ gnal gewisse Schwellenwertkriterien erfüllt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (9, 10, . . . 16) über einen von einem Komparator (17) gesteuerten Schalter (8) an den mindestens einen Ionenstrom-Sensor (1) anschließbar ist, und daß dem Komparator (17) ein Schwellenwert zugeordnet ist, der niedriger ist als die bei der Zündung vorliegende Amplitude des Ionenstrom-Signals und höher als die Amplitude des Ionenstrom-Signals nach dem Auftreten des entspre­ chenden Zündfunkens.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichseinrichtung (9) vorgesehen ist, die das Ionenstrom-Signal mit einem vorgebbaren Schwellenwert vergleicht und daß der Ver­ gleichseinrichtung (9) ein Zähler (12) nachgeschaltet ist, der die von der Vergleichseinrichtung (9) abgegebenen Impulse zählt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auf­ treten von Störsignalen der Zähler (12) rücksetz- und/oder anhaltbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Vergleichseinrichtung (9) und Reset-Eingang des Zählers (12) ein erster Zeitschalter (11) geschaltet ist, dessen Haltezeit etwas größer als die Periode der Klopfschwingung ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen Vergleichseinrichtung (9) und Zähleingang des Zählers (12) ein zweiter Zeitschalter (13) geschaltet ist, dessen Haltezeit etwas kleiner als die periode der Klopfschwingungen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Zeitschalter (11, 13) retriggerbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Komparator (17) und dem Steuereingang des Schalters (8) ein dritter Zeitschalter (18) eingefügt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter Zeitschalter (20) vorgesehen ist, an dessen Eingang das Schließwinkelsignal anliegt und der von der das Ende der Schließzeit markierenden Flanke gesetzt wird, daß der Steuereingang des Schal­ ters (8) mit dem Ausgang eines ODER-Gatters (19) verbunden ist und daß die Eingänge des ODER-Gatters (19) mit dem Komparator (17), dem dritten Zeitschalter (18) und dem vierten Zeitschalter (20) verbun­ den sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zähleingang des Zählers (12) mit einem fünften Zeitschalter (21) in Verbindung steht, an dessen Eingang das Schließwinkelsignal anliegt und der durch die den Beginn der Schließzeit markierende Flanke gesetzt wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zum Vergleich des Zählerstandes mit einem vorgebbaren Wert dem Zähler (12) ein zur Auswerteeinrichtung gehörender digita­ ler Komparator (15) nachgeschaltet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit mehreren Ionenstrom-Sensoren, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Ionen­ strom-Sensoren und dem Schalter (8) ein Multiplexer (6) angeordnet ist.