DE3415948C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Klopferkennung bei Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruches.

Aus der DE-OS 31 11 135 ist ein Verfahren zum Regeln der Verbrennung von dosierten, den Brennräumen einer Brennkraftmaschine zuzuführen­ den Betriebsstoffen unter Verwendung von im Brennraum entstehenden Lichtsignalen bekannt, wobei der Verlauf der Lichtintensität über den Verbrennungsablauf erfaßt wird, und daraus abgeleitet eine be­ zogene Steuergröße gebildet wird, durch die eine Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine angesteuert wird. Durch verschiedene Verfah­ ren der Mustererkennung wird aus den Lichtsignalen die Steuergröße gebildet, um dadurch als klopfverhindernde Maßnahme insbesondere den Zündzeitpunkt oder die Gemischaufbereitung anzusteuern.

Das Erkennen von klopfenden Verbrennungen bei Brennkraftmaschinen geschieht allgemein anhand von am Motor gemessenen Signalen, wie insbesondere dem Körperschall, oder mit Hilfe von Brennraumsignalen, wie dem Verbrennungsdruck, der Lichtintensität, der Verbrennungs­ flamme oder dem Ionenstrom. All diesen Signalen ist gemeinsam, daß einer niederfrequenten drehzahlsynchronen Grundschwingung im Hertz­ bereich im Fall des Klopfens eine Schwingung im Kilohertzbereich überlagert ist.

Die DE-OS 30 27 103 zeigt und beschreibt eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, bei der der Sensor selbst die Funktion des Bandpaßfilters übernehmen kann. Die bandpaßgefilterten Klopfsignale werden verstärkt, gleichgerichtet und einer Glättungsstufe, die die Hüllkurve des Klopfsignals bildet, zugeführt. Der Glättungsstufe können im Signalfluß ein Differenzierglied, ein Spitzenwertdetektor und der Analog-Digital-Wandler folgen. Die Glättungsstufe und die ihr nachgeschalteten Bauteile sind dabei zur bekannten Auswerteeinrichtung zu zählen.

Treten Störungen auf, so bewirkt dies Spannungsspitzen, die den Spitzenwertdetektor zum Ansprechen veranlassen. Diese Signale können zu einer Verfälschung des Spitzenwertes führen, durch den Klopfen vorgetäuscht wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Klopferkennung zu schaffen, bei der Spannungsspitzen, die beim Betrieb einer Brennkraftmaschine auftreten können, nicht zu einer Verfälschung des Meßsignals führen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Klopferkennung bei Brennkraft­ maschinen hat den Vorteil, daß die Hüllkurve des Amplitudenverlaufs des gefilterten Klopfsignals durch Abtastung gebildet wird und daß daraus ein digitales Signal gebildet wird, das ein Klopfen anzeigt. Durch die Abtastung in einer Viertelperiode der Klopffrequenz nach einem Nulldurchgang des gefilterten Klopfdurchgangs wird erreicht, daß sich eine sehr scharfe Frequenzselektion ergibt, die Störungen außerhalb der Klopffrequenz dämpft oder ausblendet. Spannungsspit­ zen, die aufgrund von Störsignalen auftreten, werden daher mit sehr großer Wahrscheinlichkeit bei der Klopfauswertung nicht herangezogen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung möglich. Besonders vorteil­ haft wird das gefilterte Klopfsignal gleichgerichtet und dann abge­ tastet, so daß auch Schwingungszüge verschiedener Polarität zur Hüllkurvenbildung beitragen. Der Abtastpunkt wird zweckmäßigerweise mittels eines Nulldurchgangdetektors, einem Verzögerer und einem Ab­ tasthalteglied für das gefilterte und gespeicherte Klopfsignal be­ stimmt. Die so erhaltenen Abtastwerte, die vorzugsweise in Abständen von 1°-Kurbelwellenwinkel vorliegen, können digitalisiert einem Mikrorechner zugeführt werden. Im Mikrorechner wird dann eine Mu­ stererkennung auf die Hüllkurve angewandt, so daß der Mikrorechner ein Signal bilden kann, das ein Klopfen anzeigt. Vorteilhafter ist eine Ausgestaltung der Signalverarbeitung, bei dem das Ausgangssig­ nal des Klopfsensors auf einen Regelverstärker gegeben wird, dessen Verstärkungsfaktor vom Mikrorechner gesteuert wird. Hierfür erhält der Mikrorechner über einen Analog-Digital-Wandler das Ausgangssig­ nal des Regelverstärkers. Somit ergibt sich ein geregelter Eingangs­ kreis, bei dem das Ausgangssignal des Regelverstärkers optimal dem Aussteuerbereich der nachfolgenden Elektronik angepaßt ist. Der Ver­ stärkungsfaktor wird dann im Mikrorechner der Hüllkurve hinzumulti­ pliziert, so daß kein Verlust an Information durch die Verstärkungsregelung im Eingangskreis geschieht. Über digitale Filtertechniken und Datenverwaltung lassen sich innerhalb des Mikrorechners auch das Bandpaßfilter, der Abtaster und der Gleichrichter darstellen, so daß sich eine besondere kostengünstige, fehlersichere und wartungsfreundliche Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen typischen Signal­ verlauf bei klopfender Verbrennung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemaßen Vorrichtung und

Fig. 3 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungs­ weise der Vorrichtung.

In Fig. 1a ist über einer Kurbelwellenwinkelachse α ein Druckverlauf 10 aufgetragen, wie er bei einer klopfenden Verbrennung auftritt. Nach dem oberen Totpunkt OT des Kol­ bens der Brennkraftmaschine ergeben sich durch das Klop­ fen hochfrequente Schwingungen, die dem Druckverlauf 10 aufmoduliert sind. Dieses Signal wird über einen Sensor erfaßt und hochpaßgefiltert, so daß sich ein gefiltertes Klopfsignal 11 gemäß Fig. 1b ergibt. Das gefilterte Klopfsignal 11 hat eine Hüllkurve 12 gemäß einer fallen­ den Exponentialfunktion.

In Fig. 3 ist ein gefiltertes Klopfsignal 30, wie es in Fig. 1b über der Kurbelwellenwinkelachse α aufgetra­ gen ist, über einer Zeitachse t gezeigt. Die Hüllkurve dieses gefilterten Klopfsignales 30 kann nun durch Abta­ stung ermittelt werden. Dazu wird zuerst ein Nulldurch­ gang des Klopfsignales 30 detektiert, so daß sich Null­ durchgangspulse 31 gemäß Fig. 3b ergeben. Die Nulldurch­ gangspulse 31 werden nun um eine Zeit verzögert, die gleich einem Viertel der Periodendauer T_k des gefilterten Klopfsignales 30 ist. Daraus ergeben sich verzögerte Pul­ se 32 gemäß Fig. 3c. Eine Abtastung des gefilterten Klopf­ signales 30 durch die verzögerten Pulse 32 führt dann zu einer pulsamplitudenmodulierten Signalfolge, die dem Hüll­ kurvenverlauf des gefilterten Klopfsignales 30 folgt.

Zur Vereinfachung der Darstellung ist in Fig. 3 ledig­ lich eine Abtastung der positiven Schwingungen des ge­ filterten Klopfsignales 30 gezeigt. Dazu werden Null­ durchgangspulse 31 nur generiert, wenn das gefilterte Klopfsignal 30 von negativen in den positiven Bereich übergeht. Bei einer Abtastung eines zweiweggleichge­ richteten Klopfsignales 30 werden auch die gleichge­ richteten negativen Schwingungszüge zur Hüllkurvenbil­ dung herangezogen.

Die Eigenschaften der Brennkraftmaschine, deren Brenn­ raumgeometrien sowie der Ort der Anbringung des Klopf­ sensors führen zu einer typischen Klopfschwingung mit einer Frequenz 1/T_k. Diese Frequenz ist a priori be­ kannt und wird durch Versuche am Motor ermittelt, die vom Motorhersteller geliefert werden. Ein gefiltertes Klopfsignal 30 wird nun nicht nur diese eine Klopffre­ quenz 1/T_k zeigen, sondern auch Störungen, die aus Rochspannungseinstreuungen von der Zündanlage, durch Ventilschlagen oder Kolbenkippen bedingt sein können. Diese Störungen können in den Durchlaßbereich der Fil­ terung des Klopfsignales eindringen. Durch die Abtastung, die um T_k/4 nach dem Nulldurchgang des gefilterten Klopf­ signales erfolgt, wird jedoch in der Art eines digitalen Filters eine scharfe Frequenzselektion um die Klopffre­ quenz durchgeführt, d. h. Schwingungen, die außerhalb der Klopffrequenz liegen, werden gedämpft bzw. unterdrückt. Da sich Amplitudenstörungen umso weniger auswirken, je steiler das ungestörte Signal zum betreffenden Zeitpunkt ist, und da der Abtastzeitpunkt durch den maximal steilen Bereich beim Nulldurchgang des gefilterten Klopfsignales festgelegt ist, ist durch die Nulldurchgangsdetektion ei­ ne störsichere Frequenzfilterung durch die Abtastung er­ reicht.

In Fig. 2 ist ein Blockschaltbild einer möglichen er­ findungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, die eine Abtastung durchführt, um sie einem Mikrorechner zur Mustererken­ nung der Hüllkurve zuzuführen.

Das Ausgangssignal eines Klopfsensors 200 führt dabei auf einen Regelverstärker 201, dessen Ausgangssignal von ei­ nem Analog-Digital-Wandler 212 gewandelt wird und synchron mit der Kurbelwellenumdrehung einem Mikrorechner 210 zuge­ führt wird. Der Mikrorechner 210 vergleicht die Wandlungs­ ergebnisse des Analog-Digital-Wandlers 212 mit vorgegebe­ nen oberen und unteren Schranken und stellt daraufhin über eine Verstärkungsfaktoreinstellung 213 den Verstärkungs­ faktor des Regelverstärkers 201 ein. Die Einstellung des Verstärkungsfaktors erfolgt dabei nur zwischen zwei Ver­ brennungen, da eine Änderung während der Erfassung eines Klopfsignales zu Meßverfälschungen führen würde.

Das verstärkte Klopfsignal wird nun auf einen Bandpaß 202 geführt, der vorteilhafterweise als Besselfilter aus­ geführt ist, um ein gutes Gruppenlaufzeitverhalten zu er­ reichen. Ein Verstärker 203 verstärkt das gefilterte Klopf­ signal und führt es auf einen Gleichrichter 204 und einen Nulldurchgangsdetektor 205. Der Nulldurchgangsdetektor 205 liefert einen Impuls an einen Impulsverzögerer 206, wenn das gefilterte Klopfsignal einen Vorzeichenwechsel zeigt. Der Impulsverzögerer 206 steuert ein Abtasthalteglied 207 an, das das vom Gleichrichter 204 gleichgerichtete gefil­ terte Klopfsignal abtastet. Die so erhaltenen Abtastwerte werden von einem Analog-Digital-Wandler 208 digitalisiert und auf ein Register 209 eingeschrieben. Der Inhalt des Registers 209 wird nun kurbelwellenwinkelsynchron dem Mikrorechner 210 zugeführt. Das Register 209 wird also nach Nulldurchgängen des gefilterten Klopfsignales be­ schrieben und unabhängig davon kurbelwellenwinkelsynchron vom Mikrocomputer 210 gelesen. Im Mikrorechner 210 liegen somit Zahlenwerte in einer kurbelwellenwinkelsynchronen Folge an.

Innerhalb des Mikrorechners 210 werden diese Zahlenwerte, die die Hüllkurve repräsentieren, mit dem Verstärkungs­ faktor des Regelverstärkers 201 multipliziert, so daß die in der Amplitude der Hüllkurve steckende Information nicht verloren geht. Auf die so erhaltene Hüllkurve wird inner­ halb eines Programmes im Mikrorechner 210 eine Musterer­ kennung durchgeführt. Das kann etwa durch Vergleich mit vorgegebenen Schwellwerten oder durch Erfassung von cha­ rakteristischen Punkten oder etwa durch eine Korrelations­ rechnung mit einem vorgegebenen Musterverlauf realisiert werden. Derartige Maßnahmen sind dem Fachmann bekannt und zur Vereinfachung der Darstellung hier nicht weiter er­ läutert. Erkennt der Mikrorechner 210 eine ausreichende Übereinstimmung der Hüllkurve mit einem Musterverlauf, so wird über eine Signalausgabe 211 ein Signal ausgegeben, daß ein Klopfen anzeigt.

Mit Hilfe der Techniken digitaler Filter sowie durch Da­ tenverwaltungsalgorithmen läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch voll digitalisiert innerhalb der Soft­ ware des Mikrorechner 210 darstellen. Die verbleibende Hardware-Struktur reduziert sich dann in Fig. 2 auf die Zusammenschaltung des Klopfsensors 200, des Regel­ verstärkers 201 samt nachfolgendem Analog-Digital-Wand­ ler 212, dem Mikrorechner 210 und der Verstärkungsfaktor­ einstellung 213. Aus den vom Analog-Digital-Wandler 212 gelieferten kurbelwellenwinkelsynchronen Zahlenwerten führt der Mikrorechner 210 eine Bandpaßfilterung durch. Eine Gleichrichtung wird durch eine Nichtberücksichti­ gung des Vorzeichenbits vollzogen. Der Abtaster 205, 206, 207, der Analog-Digital-Wandler 208, sowie die Speiche­ rung im Register 209 lassen sich ebenfalls durch Programm­ abläufe realisieren. Vorteilhaft ist eine solche Realisie­ rung vor allem durch große Flexibilität sowie die Mög­ lichkeit, Änderungen etwa der Klopffrequenz oder der Über­ tragungskennlinie des Bandpasses 202 einzuprogrammieren. Eine Programmierung kann dabei in vorteilhafterweise von außen über eine serielle Schnittstelle auf einen nicht­ flüchtigen Schreiblesespeicher innerhalb des Mikrorechners 210 realisiert werden. Hierdurch lassen sich auch Optimie­ rungsmaßnahmen von außen einschreiben, ohne die Struktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu ändern.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Klopferkennung bei Brennkraftmaschinen mit einem Klopfsensor, der ein dem Amplitudenverlauf des Klopfens entsprechen­ des Klopfsignal erzeugt, das einen Bandpaß, dessen Mittenfrequenz auf die Frequenz des Klopfens abgestimmt ist, durchläuft und eine einen Analog-Digital-Wandler enthaltende Auswerteeinrichtung beauf­ schlagt, die die Hüllkurve des Klopfsignals ermittelt und in Abhän­ gigkeit von der Gestalt dieser Hüllkurve ein das Klopfen charakteri­ sierendes Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte­ einrichtung die Nulldurchgänge des Ausgangssignals des Bandpaßes (202) erfaßt und um eine Viertelperiode entsprechend einer vorgebenen Klopffrequenz verzögerte Impulse liefert und daß der Analog-Digitalwandler (208) zum Aufbau der Hüllkurve das den Bandpaß (202) durchlaufene Klopfsignal beim Vorliegen der verzögerten Pulse abtastet und digitalisiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllkurve durch Abtastung des zweiweggleichgerichteten Klopfsig­ nales gebildet wird oder die Hüllkurve durch Abtastung des einweg­ gleichgerichteten Klopfsignales gebildet wird, wobei nur Nulldurch­ gänge des gefilterten Klopfsignales vom Sperr- in den Durchlaßbe­ reich der Einweggleichrichtung zur Durchführung der Abtastung zuge­ lassen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Analog-Digital-Wandler (208) ein Mikrorechner (210) nachgeschal­ tet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Klopfsensor (200) ein Regelverstärker (201) nachgeschaltet ist und daß der Mikrorechner (210) über eine Verstärkungsfaktoreinstellung (213) den Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers (201) einstellt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des gewandelten Klopfsignals zum Mikrorechner (210) kurbelwellensynchron erfolgt.

6. Vorrichtung nach der Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die kurbelwellensynchrone Zuführung der digitalisierten Abtastwerte über ein Register (209) geschieht.