DE3780424T2

DE3780424T2 - Klopfsensorschaltung.

Info

Publication number: DE3780424T2
Application number: DE8787310683T
Authority: DE
Inventors: David Mainprize
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1986-12-06
Filing date: 1987-12-04
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2007-12-05
Also published as: US4819600A; MY101409A; GB8629247D0; DE3780424D1; JPS63214625A; EP0271294B1; GB2199207B; GB2199207A; EP0271294A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Klopfdetektionsschaltung für eine Verbrennungskraftmaschine.
Um die Gefahr einer Beschädigung eines Verbrennungsmotors durch Explosion zu vermeiden, ist es bekannt, ein System zur Detektion des als Klopfen bekannten Effekts und zum entsprechenden Regulieren des Zündzeitpunkts vorzusehen, um den Klopfzustand zu beenden. In der US-A-4 351 282 wird eine Klopfdetektionsschaltung mit einem am Motor anzubringenden Klopfsensor offenbart, wobei das Ausgangssignal dieses Sensors an eine Klopfentscheidungsschaltung angelegt wird, die das Klopfsensorsignal fortlaufend mit einem Bezugspegel vergleicht, um einen Klopfzustand anzuzeigen, wenn das Klopf sensorsignal den Bezugspegel übersteigt. Der Bezugspegel wird von einer Schaltung erzeugt, die folgende Komponenten aufweist: einen Operationsverstärker mit einem Eingang zum Empfang des Signals vom Klopfsensor, einen integrierenden Kondensator, dessen eine Seite mit einem Ausgang des Operationsverstärkers und dessen andere Seite mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, eine erste Gleichrichtereinrichtung, die den Ausgang des Operationsverstärkers mit der einen Seite des Kondensators verbindet, und eine entgegengesetzt gepolte Gleichrichtereinrichtung, die den Ausgang des Operationsverstärkers mit seinem Eingang verbindet.
Eine weitere bekannte Klopfdetektionsschaltung weist einen am Motor anzubringenden Klopfsensor auf, dessen Signal über ein Bandfilter einem Präzisionsgleichrichter und von dort einer Integrationsschaltung zugeführt wird. Die Integrationsschaltung wird von einem Mikroprozessor gesteuert, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, das über eine vorgegebene Zeitspanne proportional zum Pegel des Klopfsignals ist, wobei die Zeitspanne so gewählt wird, daß sie (für jeden Zylinder des Motors) dem Zeitintervall entspricht, während dessen das Auftreten des Klopfens zu erwarten ist, und auf diese Weise die mit dem Durchlaßbereich des Filters zusammenfallenden Hintergrundrauschkomponenten zu reduzieren. Das Ausgangssignal der Integrationsschaltung wird durch den Mikroprozessor festgestellt und zur Steuerung des Zündzeitpunkts und anderer Parameter verwendet.
Es zeigt sich, daß Amplitude des Klopfsignals je nach den Betriebsbedingungen des Motors erheblich variiert. Der Verstärkungsfaktor des Filters ist für praktische Zwecke notwendigerweise entsprechend den zu verarbeitenden maximalen Signalpegeln vorgegeben. Daher ist unter bestimmten Bedingungen der Pegel des Filterausgangssignals sehr niedrig: unter diesen Umständen haben die Eingangsoffsetspannungsfehler der für den Gleichrichter und die Integrationsschaltung verwendeten Operationsverstärker eine große Auswirkung, besonders bei niedrigen Motordrehzahlen wegen der dann verwendeten relativ langen Integrationszeit. Der Eingangsoffsetspannungsfehler des Gleichrichterverstärkers wird an dessen Ausgang übertragen und addiert sich zum Eingangssignal der Integrationsschaltung. Daher entsteht ein großer Fehler im Ausgangspegel der Integrationsschaltung, aber außerdem kann eine Begrenzung des Verstärkungsfaktors der Integrationsschaltung erforderlich werden, um zu verhindern, daß der Fehler den gesamten verfügbaren Ausgangssignalbereich der Integrationsschaltung verbraucht.
Wir haben nun eine Klopfdetektionsschaltung entwickelt, welche die oben beschriebenen, auf Eingangsoffsetspannungsfehler der verwendeten Operationsverstäkrer zurückzuführenden Nachteile überwindet.
Erfindungsgemäß wird eine Klopfdetektionsschaltung für einen Verbrennungsmotor geschaffen, die eine gleichrichtende und integrierende Schaltung aufweist, die einen Operationsverstärker mit einem Eingang zum Empfang eines Signals von einem Klopfmeßwertwandler, einen integrierenden Kondensator, dessen eine Seite mit einem Ausgang des Operationsverstärkers und dessen andere Seite mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, wobei die eine Seite des integrierenden Kondensators ein Ausgangssignal von der gleichrichtenden und integrierenden Schaltung liefert, eine erste Gleichrichtereinrichtung, die den Ausgang des Operationsverstärkers mit der einen Seite des Kondensators verbindet, und eine zweite, entgegengesetzt gepolte Gleichrichtereinrichtung aufweist, die den Ausgang des Operationsverstärkers mit seinem Eingang verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal gleichgerichtet und über aufeinanderfolgende Zeitperioden integriert wird, die (für jeden Zylinder des Motors) den Zeitintervallen entsprechen, während derer ein Auftreten des Klopfens erwartet wird, und zwischen denen der Kondensator zurückgesetzt wird, um aufeinanderfolgende Klopfmeßsignale zu erhalten, daß ein Schalter mit der Ausgangsseite des integrierenden Kondensators verbunden ist und geschlossen werden kann, um den Kondensator durch Entladen bis auf einen vorgegebenen Spannungspegel zurückzusetzen, und daß ein Schalter zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und seinem Eingang angeschlossen ist und beim Rücksetzen des integrierenden Kondensators geschlossen wird.
Bei einer Polarität des Eingangssignals fließt ein Strom durch die erste Gleichrichtereinrichtung und den integrierenden Kondensator, um den Eingangsstrom auszugleichen und eine Spannung am Schaltungsausgang bereitzustellen. Bei entgegengesetzter Polarität des Eingangssignals fließt jedoch ein Strom durch die zweite Gleichrichtereinrichtung, um den Eingangsstrom auszugleichen und den Verstärkereingang auf einer festen Spannung zu halten. So wird das Eingangssignal praktisch auf die eine Polarität gleichgerichtet und integriert.
Zwischen den Verstärkerausgang und den integrierenden Kondensator kann eine Diodenpumpanordnung geschaltet werden, damit das Ausgangssignal der Integrationsschaltung den Ausgangsspannungsbereich des Verstärkers selbst überschreiten kann.
Nachstehend werden Ausführungsformen der Erfindung nur anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer bekannten Klopfdetektionsschaltung;
Fig. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen kombinierten gleichrichtenden und integrierenden Schaltung, welche die separaten gleichrichtenden und integrierenden Schaltungen des in Fig. 1 gezeigten Klopfdetektionssystems ersetzen kann; und
Fig. 3 ein Schaltbild einer Modifikation der in Fig. 2 gezeigten Schaltung.
In Fig. 1 der Zeichnungen ist ein bekanntes Klopfdetektionssystem dargestellt. Ein Signal von einem piezoelektrischen Meßwandler, der am Verbrennungsmotor angebracht ist, wird an den Eingang IN eines Bandfilters angelegt, das in dem gezeigten Beispiel drei aufeinanderfolgende Operationsverstärkerstufen BF&sub1;, BF&sub2;, und BF&sub3; aufweist. Das Ausgangssignal des Bandfilters wird einer Präzisionsgleichrichterschaltung PR zugeführt, die einen im allgemeinen entsprechend der Darstellung geschalteten Operationsverstärker aufweist, und das Ausgangssignal dieses Gleichrichters wird über einen Schalter SWA einer Integrationsschaltung I zugeführt. Diese Integrationsschaltung weist einen Operationsverstärker auf, an dessen einen Eingang das Ausgangssignal des Gleichrichters angelegt wird, sowie einen integrierenden Kondensator C, der zwischen seinen Ausgang OUT und diesen Eingang geschaltet ist. Der Ausgang OUT ist über einen Analog-Digital-Wandler mit einem Mikroprozessor verbunden, der zur Messung des Ausgangssignals der Integrationsschaltung und infolgedessen zur Steuerung des Zündzeitpunkts des Motors dient. Der Mikroprozessor betätigt auch den Schalter SWA und einen weiteren, zum integrierenden Kondensator C parallelen Schalter SWB zur Steuerung der Arbeitsweise der Integrationsschaltung. In der Praxis sind die Schalter SWA und SWB elektronische Schalter und werden über eine Rücksetz/Integrations-Steuerleitung R/I vom Mikroprozessor gesteuert, wobei der Schalter SWA, wie aus der Darstellung ersichtlich, über einen Inverter gesteuert wird. Beim Rücksetzen dient folglich die Steuerleitung dazu, den Schalter SWA zu öffnen und den Schalter SWB zum Entladen des Kondensators C zu schließen, während die Steuerleitung für die Integrationszeit den Schalter SWA schließt und den Schalter SWB öffnet. Klopfdetektionssysteme wie das in Fig. 1 gezeigte sind jedoch anfällig für die oben beschriebenen Nachteile infolge von Eingangsoffsetspannungsfehlern in den Operationsverstärkern der Präzisionsgleichrichter.
In Fig. 2 der Zeichnungen ist eine erfindungsgemäße kombinierte gleichrichtende und integrierende Schaltung dargestellt, die verwendet werden kann, um sowohl für die Präzisionsgleichrichterschaltung PR als auch die Integrationsschaltung I von Klopfdetektionssystemen wie dem in Fig. 1 gezeigten zu ersetzen. Die in Fig. 2 gezeigte Schaltung weist einen Operationsverstärker OA auf, und das vom Bandfilter abgegebene Klopfsignal wird über einen Kopplungskondensator C&sub1; und einen Serienwiderstand R&sub1; an einen Eingang (den invertierenden Eingang) des Operationsverstärkers angelegt. Der andere (nicht invertierende) Eingang des Operationsverstärkers wird an Masse gelegt. Ein integrierender Kondensator C&sub2; ist mit einer Seite an den Verstärkerausgang, mit der anderen Seite wie üblich an den Signaleingang des Verstärkers angeschlossen, und die eine Seite des Kondensators C&sub2; bildet den Ausgang OUT der Integrationsschaltung. Zwischen den Verstärkerausgang und die eine Seite oder Ausgangsseite des Kondensators C&sub2; ist jedoch eine Diodengleichrichtereinrichtung D&sub2; geschaltet (und auf Durchlaß bei positivem Verstärkerausgang gepolt), während eine entgegengesetzt gepolte Diodengleichrichtereinrichtung D&sub1; zwischen den Ausgang des Verstärkers und seinen Signaleingang geschaltet ist. Einerseits parallel zur Diode D&sub1; und andererseits zwischen der Ausgangsseite des Kondensators und Masse sind die elektronischen Schalter SWA bzw. SWB vorgesehen, die von dem Mikroprozessor gesteuert werden.
Die Arbeitsweise der in Fig. 2 gezeigten Schaltung ist die folgende. Während der Rücksetzperiode werden durch den Mikroprozessor beide Schalter SWA und SWB geschlossen. Der Schalter SWA verbindet also den Ausgang des Verstärkers zurück mit seinem Signaleingang, um sicherzustellen, daß dieser Eingang auf einer Spannung gehalten wird, welche die Eingangsoffsetspannung exakt ausgleicht und damit den Verstärkerausgang nahe dem Nullpegel hält. Während der Signaleingang auf diesem Spannungspegel gehalten wird, wird der integrierende Kondensator über den Schalter SWB bis zur Spannung Null an seiner Ausgangsseite entladen. Während der Integrationsperiode sind dann beide Schalter SWA und SWB geöffnet: wenn die Spannung des Klopfsignals vom Bandfilter negativ ist, wird das Signal integriert, da über die Diode D&sub2; Strom durch den integrierenden Kondensator C&sub2; fließt, den Eingangsstrom kompensiert und eine positive Spannung am Ausgang OUT erzeugt. Bei positiver Spannung des Klopfsignals vom Bandfilter erfolgt keine Integration: eine solche positive Eingangsspannung bewirkt, daß der Verstärkerausgang negativ wird und Strom durch die Diode D&sub1; fließt, um den Eingangsstrom zu kompensieren und den Verstärkereingang auf einer festen Spannung zu halten.
Man wird erkennen, daß der Serienwiderstand R&sub1; dazu dient, das Eingangsspannungssignal Vin in ein Stromsignal umzuwandeln, das dann je nach der Polarität des Eingangs durch den einen oder den anderen der beiden Rückkopplungswege kompensiert wird. Der Kopplungskondensator C&sub1; blockiert jede im Ausgangssignal des Bandfilters etwa vorhandene Gleichspannung wie auch die Offsetspannung des Operationsverstärkers OA und verhindert damit jede Auswirkung von Gleichspannungen auf den Ausgang OUT der Integrationsschaltung.
Außerdem ist erkennbar, daß beim Rücksetzen die Eingangsoffsetspannung des Verstärkers OA exakt kompensiert wird, so daß sich die Spannung während der Integrationsperiode nicht auswirken kann. Die einzige möglicherweise auftretende Drift oder Abweichung wäre auf den Leckstrom der Diode D&sub1; und den Vorspannungsstrom des Verstärkers zurückzuführen. Diese lassen sich auf ein Minimum reduzieren, indem Komponenten mit sehr niedrigem Leck- und Vorspannungsstrom gewählt werden, und insbesondere der Operationsverstärker ist vorzugsweise mit CMOS-Bauelementen ausgestattet.
Durch Einfügen der Eingangs-Vorspannungswiderstände R&sub2;, R&sub3;, wie in Fig. 3 gezeigt, kann jedoch ein kostengünstiger Operationsverstärker mit bipolaren Bauelementen verwendet werden. Diese Anordnung führt zu höheren Driftgeschwindigkeiten als beispielsweise bei Eingangsverstärkern mit Sperrschicht- oder MOS-Feldeffekttransistoren, ergibt aber noch eine beträchtliche Verbesserung gegenüber Schaltungen des in Fig. 1 gezeigten Typs. Die Schaltung von Fig. 3 weist außerdem eine Diodenpumpanordnung auf, die es ermöglicht, daß das Ausgangssignal OUT der Integrationsschaltung den Ausgangsspannungsbereich des Operationsverstärkers OA selbst überschreitet. So wird ein zusätzlicher Kondensator C&sub3; zwischen der Verbindungsstelle des Verstärkerausgangs zur Diode D&sub1; und zum Schalter SWA einerseits und der Diode D&sub2; andererseits eingefügt: ein Transistor T&sub1; wird als Emitterfolger geschaltet, wobei sein Kollektor am Pluspol +V der Versorgungsspannung liegt, sein Emitter mit der Ausgangsseite des Kondensators C&sub3; und seine Basis mit der Ausgangsseite des integrierenden Kondensators C&sub2; verbunden ist. Bei negativen Ausschlägen des Verstärkerausgangs wird der Kondensator C&sub3; durch den Emitterfolger auf geladen, und während der positiven Ausschläge des Verstärkerausgangs wird diese Ladung über die Diode D&sub2; dem integrierenden Kondensator C&sub2; zugeführt, und so weiter.

Claims

1. Klopfdetektionsschaltung für eine Verbrennungskraftmaschine, die eine gleichrichtende und integrierende Schaltung aufweist, die einen Operationsverstärker (OA) mit einem Eingang zum Empfangen eines Signals von einem Klopfmeßwertwandler, einen integrierenden Kondensator (C2), dessen eine Seite mit einem Ausgang des Operationsverstärkers verbunden ist und dessen andere Seite mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist, wobei die eine Seite des integrierenden Kondensators ein Ausgangssignal von der gleichrichtenden und integrierenden Schaltung liefert, eine erste gleichrichtende Einrichtung (D2), die den Ausgang des Operationsverstärkers (OA) mit der einen Seite des Kondensators (C2) verbindet, und eine zweite entgegengesetzt gepolte Gleichrichtereinrichtung (D1) aufweist, die den Ausgang des Operationsverstärkers mit dessen Eingang verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangssignal gleichgerichtet und über aufeinanderfolgende Zeitperioden integriert wird, die den Zeitintervallen (für jeden Zylinder des Motors) entsprechen, während denen ein Auftreten von Klopfen erwartet wird, und zwischen denen der Kondensator zurückgesetzt wird, um aufeinanderfolgende Klopfmeßsignale zu erhalten, daß ein Schalter (SWB) mit der Ausgangsseite des integrierenden Kondensators (C2) verbunden und zum Rücksetzen des Kondensators durch Entladen desselben bis auf einen vorbestimmten Spannungspegel schließbar ist, und daß ein Schalter (SWA) zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers (OA) und dessen Eingang verbunden ist und während des Rücksetzens des integrierenden Kondensators geschlossen wird.

2. Klopfdetektionsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (R1) in Reihe mit dem Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist und dazu dient, eine Spannung des Eingangssignales (VIN) in ein Stromsignal umzuwandeln, das dann durch den integrierenden Kondensator (C2) oder durch die gleichrichtende Einrichtung (D1), abhängig von der Polarität des Eingangsspannungssignals (VIN), kompensiert wird.

3. Klopfdetektionsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (OA) CMOS- Einrichtungen aufweist.

4. Klopfdetektionsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Operationsverstärker (OA) bipolare Einrichtungen aufweist und die Eingänge des Operationsverstärkers mit Vorspannungswiderständen (R2, R3) versehen sind.

5. Klopfdetektionsschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diodenpumpanordnung (C3, D2) mit dem Ausgang des Operationsverstärkers (OA) verbunden ist.

6. Klopfdetektionsschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodenpumpanordnung einen zusätzlichen Kondensator (C3), der zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers (OA) und der ersten gleichrichtenden Einrichtung (D2) verbunden ist, und eine Einrichtung (T1) zum Liefern von Ladestrom zu dem zusätzlichen Kondensator (C3) aufweist, wenn der Ausgang des Operationsverstärkers eine Polarität hat, wobei die dem zusätzlichen Kondensator (C3) zugeführte Ladung zum integrierenden Kondensator (C2) über die erste gleichrichtende Schaltung (D2) übertragen wird, wenn der Verstärkerausgang seine Polarität ändert.

7. Klopfdetektionsschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladestromeinrichtung einen Transistor (T1) aufweist, dessen Basis mit einer Seite des integrierenden Kondensators (C2) verbunden ist.

8. Klopfdetektionsschaltung nach einem vorangehenden Anspruch, gekennzeichnet durch Mittel, die auf die Klopfmeßausgangssignale der gleichrichtenden und integrierenden Schaltung reagieren, um den Zündzeitpunkt des Motors in Übereinstimmung damit zu steuern oder zu regeln.