DE4127960C2 - Klopfunterdrückungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Klopfunterdrückungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor

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Description

Die Erfindung betrifft eine Klopfunterdrückungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor. Die Vorrichtung dient zum Unterdrücken eines Klopfphänomens in einem Verbrennungsmotor (im folgenden auch kurz als Motor bezeichnet), beispielsweise einem Benzinmotor für ein Motorfahrzeug.
Die EP-A-0 293 573 A1 beschreibt ein Motorenklopferfassungssystem mit einem entsprechenden Steuersystem. Dieses bekannte System umfaßt eine Maximalwert- Erfassungseinrichtung, welche den Maximalwert der Ausgabe eines Oszillationssensors als Klopfsensor erfaßt, eine Speichereinrichtung, welche die Ausgabe der Maximalwert- Erfassungseinrichtung empfängt und bestimmte Maximalwerte speichert und eine Klopfbestimmungseinrichtung, welche Klopfen aufgrund der bestimmten gespeicherten Maximalwerte aus der Speichereinrichtung bestimmt. Ferner ist für das System eine Berechnungseinrichtung offenbart, die die Ausgabe der Speichereinrichtung empfängt und einen Referenzwert auf der Basis einer Vielzahl von Maximalwerten berechnet.
Die EP-A-0 121 790 A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Klopferkennung bei Brennkraftmaschinen. Hier wird auf Grundlage eines Klopfsensors ein dem Klopfvorgang zugeordnetes Nutzsignal mit einem Referenzsignal verglichen und ein Klopfbestimmungssignal erzeugt, wenn das dem Klopfvorgang zugeordnete Nutzsignal das Referenzsignal in vorgegebener Weise überschreitet. Das Referenzsignal wird aus einem Mittelwert verschiedener erfaßter Referenzwerte für eine Anzahl von Verbrennungszyklen bestimmt. Um zu vermeiden, daß bei dem Vergleich mit dem Referenzwert eine fälschliche Bestimmung eines Klopfvorgang stattfindet, wird in einer Berechnungseinheit ein minimaler Referenzpegel als Funktion der Drehzahl des Verbrennungsmotors abgespeichert. Sinkt der Referenzwert unter diesen minimalen Referenzpegel, so wird für den Vergleich mit dem Nutzsignal der minimale Referenzpegel anstatt des Referenzwerts herangezogen. Da das Referenzsignal fortlaufend aus einer Mittelung der verschiedenen erfaßten Referenzwerte bei einem gegenwärtigen und vergangenen Erfassungszeitpunkt bestimmt wird, hängt das Referenzsignal von dem Referenzsignal zu einem vorangehenden Zeitpunkt ab, was für die statistische Datenauswertung erforderlich ist.
Die US-A-4 711 212 beschreibt ein Antiklopfsystem für eine Brennkraftmaschine. Die Klopfbestimmung, die bei diesem Antiklopfsystem durchgeführt wird, basiert im wesentlichen auf einer Einrichtung zum Bestimmen eines Musters einer Verteilung von Klopfgrößenwerten auf der Basis der Resultate eines Vergleichs zwischen der Häufigkeit, mit der der Klopfgrößenwert einen oberen Schwellwert überschreitet, mit der Häufigkeit, mit der der Klopfgrößenwert einen unteren Schwellwert unterschreitet. Der Klopfzustand der Brennkraftmaschine wird dann entsprechend dem bestimmten Verteilungsmuster detektiert. Wenn der Klopfzustand detektiert wird, wird eine Steuerung der Brennkraftmaschine vorgenommen, um diesen Klopfzustand zu unterbinden.
Im allgemeinen schließt der Verbrennungsmotor wie etwa ein Benzinmotor für ein Motorfahrzeug eine Vielzahl von Zylindern ein, in denen jeweils eine Brennstoffgasmischung komprimiert wird und mit einem optimalen Zeitverlauf einer Verbrennung unterzogen wird. In diesem Zusammenhang wurde bereits eine Motorsteuerungseinheit auf einer Mikrocomputergrundlage (auch abgekürzt als ECU bekannt) vorgeschlagen, und hat in praktischen Anwendungen weite Verbreitung gefunden, um den Zündzeitpunkt und die Abfolge von Brennstoffinjektionen im Zusammenhang mit den einzelnen Motorzylindern optimal zu steuern.
In Verbindung mit solch einer Motorbetriebssteuerung ist es bekannt, daß, wenn die Zündzeitgabe (üblicherweise als Kurbelwellenwinkelposition oder Kurbelwellenwinkel angegeben) gesteuert wird, stark vorläuft, eine anormale Brennstoffverbrennung stattfinden kann, was in der Erzeugung von Vibrationen oder Stößen resultiert, Klopfen genannt, mit solch einer Größe, daß die Motorzylinder irgendwann zerstört oder beschädigt werden können. Um solche unerwünschten Ereignisse zu verhindern, ist es nötig, eine Zündzeitpunktsteuerung derartig durchzuführen, daß auf die Ermittlung anormaler Vibrationen oder Klopfen hin der Zündzeitpunkt in einer Richtung verschoben wird, um eine geeignete Verzögerung des Zeitpunktes oder der Zeitgebung zu leisten, bei welchem in dem klopfenden Zylinder eine Brennstoffverbrennung stattfindet.
Für ein besseres Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf Fig. 8 eine weitere Klopfunterdrückungsvorrichtung beschrieben. Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, welches die allgemeine Anordnung einer derartigen weiteren Klopfunterdrückungsvorrichtung zeigt.
In Fig. 8 bezeichnet eine Bezugsziffer 1 einen Klopfsensor, der in Verbindung mit jedem oder mehreren der Zylinder eines Verbrennungsmotors installiert ist. Der Klopfsensor 1 kann aus einem piezoelektrischen Element oder ähnlichem bestehen, welches in der Lage ist, die Vibrationen oder das Klopfen des zugehörigen Zylinders in Form eines elektrischen Signales zu ermitteln.
Ein Ausgangssignal A des Klopfsensors 1 wird auf einen Klopfdetektorschaltkreis gegeben, der im allgemeinen mit einer Bezugsziffer 2 bezeichnet ist. Der Klopfdetektorschaltkreis 2 umfaßt ein Filter 21, welches eine derartige Filtercharakteristik hat, daß durch dieses nur die Frequenzkomponenten passieren, welche auf dem Klopfphänomen beruhen (zum Beispiel 7 kHz), ein Gatter 22, um dem Ausgangssignal des Filters 21 zu erlauben, dieses periodisch mit einer vorbestimmten Zeitgebung zu passieren, einen Hintergrundpegel-(BGL)-Generator 23 zum Erzeugen eines Hintergrundpegelsignales BGL auf der Grundlage eines Signales, welches abgeleitet wird durch Mitteln eines Ausgangssignales A′ des Gatters 22, einen Komparator 24 zum Vergleichen des Ausgangssignales A′ des Gatters 22 mit dem Hintergrundpegelsignal BGL, um dadurch ein Ausgangssignal eines "EIN"-Pegels zu erzeugen, wenn der Gatterausgangspegel A′ den Hintergrundpegel BGL überschreitet, und einen Integrator 25 zum Integrieren des Ausgangssignales des Komparators 24. Das Ausgangssignal des Integrators 25 wird dann auf einen Analog/Digital-(A/D)-Wandler 3 gegeben, um in ein digitales Signal VR umgewandelt zu werden.
Das digitale Signal VR wird einer Motorsteuerungseinheit (kurz ECU) eingegeben, welche aus einem Mikrocomputer gebildet sein kann, der programmiert ist, um für jeden der Motorzylinder auf der Grundlage des Ausgangssignales VR des A/D-Wandlers 3 eine Zündzeitpunktsteuerung durchzuführen, während er ein Maskierungsimpulssignal M an das Gatter 22 und ein Rücksetzsignal R an den Integrator 25 liefert, deren jeweiliger Zweck im folgenden beschrieben wird. Ferner umfaßt die Motorsteuerungseinheit oder die Steuerung 4 eine Winkelverzögerungssteuerung 45 zum arithmetischen Bestimmen eines Verzögerungswinkels, um welchen die Zündzeitgebung zu verzögern ist, um das Klopfen zu unterdrücken, wodurch ein Verzögerungswinkelsteuerungssignal θR zum Steuern des Betrages der Verzögerung erzeugt wird, um für die Zündzeitgebung verwendet zu werden, und zwar auf der Grundlage des digitalen Signales VR, das von dem A/D-Wandler 3 ausgegeben wird.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf ein in Fig. 9 gezeigtes Signalverlaufsdiagramm eine Beschreibung von Vorgängen gegeben, die durch die in Fig. 8 gezeigte Klopfunterdrückungsvorrichtung durchgeführt werden.
Normalerweise findet in jedem der Zylinder des Verbrennungsmotors eine Zündung zu einem Zeitpunkt entsprechend einem Kurbelwellenwinkel oder einer Position statt, welche um ungefähr 5° relativ zum oberen Totpunkt (TDC, gegeben durch den Kurbelwellenwinkel von 0°) vorläuft, so daß eine explosive Verbrennung der Brennstoffgasmischung bei einem Kurbelwellenwinkel von ungefähr 10° bis 60° nach dem Passieren des oberen Totpunktes (TDC) stattfinden kann. Das Klopfen aufgrund anormaler Verbrennung tritt somit bei der Zeitgebung auf, die in den Kurbelwellenwinkelbereich von 10° bis 60° auf den oberen Totpunkt folgend fällt. Dementsprechend nimmt das in entsprechenden, periodischen Intervallen erzeugte Ausgangssignal A des Klopfsensors 1 auf jedes Auftreten von Vibrationsgeräuschen der Zylinder, und unter anderem Klopfen, hin, eine beträchtlich vergrößerte Amplitude an, wie in dem in Fig. 9 bei (a) gezeigten Signalverlauf zu sehen ist.
In der Zwischenzeit gibt die Motorsteuerungseinheit (ECU) an das Gatter 22 ein Maskierungsimpulssignal M aus, welches periodisch in vorbestimmten Intervallen invertiert wird, um sicherzustellen, daß der Klopfdetektorschaltkreis 2 das Sensorausgangssignal A wirksam empfangen und verarbeiten kann. Spezieller wird das Maskierungsimpulssignal M mit einer Signalform erzeugt, bei welcher die führende Flanke zu einem Zeitpunkt stattfindet, der einem Kurbelwellenwinkel von ungefähr 75° vor laufend relativ zum oberen Totpunkt des zugehörigen Zylinders entspricht (dieser vorlaufende Winkel wird im folgenden durch Zufügen von "B" zum Winkelwert dargestellt, zum Beispiel durch "B75°"), während die nachfolgende Flanke des Maskierungsimpulses M um einen Zeitpunkt von ungefähr B5° herum auftritt (das heißt, zu einem Zeitpunkt entsprechend einem Kurbelwellenwinkel von 5° vor dem oberen Totpunkt TDC), wie aus der in Fig. 9 bei (b) gezeigten Signalform ersichtlich ist. Während der Periode, in welcher der Maskierungsimpuls den Pegel "H" annimmt, ist das Gatter 22 blockiert oder inaktiv. Ferner wird, wie bereits erwähnt, ein Rücksetzsignal R an den Integrator 25 periodisch von der Motorsteuerungseinheit 4 mit einer vorbestimmten Zeitgebung ausgegeben, welche mit dem Zeitverlauf der führenden Flanke des Maskierungsimpulssignales M zusammenfällt.
Das Filter 21, welches einen Teil des Klopfdetektorschaltkreises 2 bildet, hat eine derartige Filtercharakteristik, daß die Frequenzkomponenten des Sensorausgangssignales A, die auf das Auftreten von Klopfen hin erzeugt werden, dieses passieren können, während das Gatter 22 dem Sensorausgangssignal A erlaubt, dieses nur während einer Periode zu passieren, in welcher das Maskierungsimpulssignal M auf dem Pegel "L" ist, wie bei (c) in Fig. 9 gezeigt ist. Der Ausgang des Gatters 22 wird mit einem Referenzsymbol A′ bezeichnet. Andererseits erzeugt der Hintergrundpegelgenerator (BGL) 23 einen Hintergrundpegel BGL, der in dem Gatterausgangssignal A′ enthalten ist, durch diskriminierendes Separieren des ersteren vom letzteren, wie bei (d) in Fig. 9 erläutert ist, worin der Hintergrundpegel BGL als eine Referenz für eine Ermittlung eines Klopfvorgangs dient.
Wenn das Gatterausgangssignal A′ den Hintergrundpegel BGL überschreitet, bestimmt der Komparator 24, daß ein Klopfvorgang stattgefunden hat und erzeugt eine Vergleichsausgabe mit "H"-Pegel. Der Integrator 25 beginnt, das Ausgangssignal des Komparators 24 jedesmal zu integrieren, wenn er von dem Rücksetzsignal R zurückgesetzt wird, welches von der Motorsteuerungseinheit 4 geliefert wird, wie bei (e) in Fig. 9 dargestellt ist. Das Ausgangssignal des Integrators 25 wird dann von Analog- in Digitalform mittels eines A/D-Wandlers 3 umgewandelt, und der resultierende digitale Integrationswert VR wird dann der Motorsteuerungseinheit (ECU) 4 eingegeben.
Auf diese Weise erhält die Motorsteuerungseinheit 4 den A/D-gewandelten Integrationswert VR auf jedes Auftreten von Zündungen in dem Zylinder, um dadurch ein verzögertes Winkelsteuerungssignal θR zum Steuern des Zündzeitpunktes eines klopfenden Zylinders zu erzeugen, um das Klopfen zu unterdrücken. Der Verzögerungswinkelrechner 45, der einen Teil der Motorsteuerungseinheit 4 bildet, addiert soweit einen Verzögerungswinkel dθR zu einem laufenden, normalen Zündungssteuerungswinkel θR* bei welchem eine Zündung stattgefunden hat, wenn kein Klopfen auftritt, um ein laufendes Verzögerungswinkelsteuerungssignal θR vorzusehen. Demgemäß kann der laufende verzögerte Steuerungswinkel θR durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:
rR = θR* + dθR (1)
In Gleichung (1) ist der Verzögerungswinkel dθR durch die folgende Gleichung gegeben:
R = VR × L,
worin L einen Gewichtungskoeffizienten darstellt.
Wie aus dem folgenden ersichtlich ist, wird in der oben beschriebenen Klopfunterdrückungsvorrichtung der Hintergrundpegel BGL, der direkt auf der Grundlage eines Durchschnittes des Ausgangssignales von dem Gatter 22 in einer vorbestimmten Periode berechnet wird, als ein Schwellwert zum Bestimmen eines Klopfvorgangs verwendet. Als Ergebnis hat der in dieser Weise berechnete Schwellwert immer eine Charakteristik, die vom Durchschnitt des Gatterausgangs abhängt, so daß es schwierig ist, einen gewünschten Klopfbestimmungsschwellwert beliebig ohne Rücksicht auf die gemittelte Gatterausgabe zu erhalten.
Aufgabe der Erfindung ist es somit
  • - eine Klopfunterdrückungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, bei welcher im Voraus bestimmte Klopfbestimmungs-Schwellwerte unabhängig von Variationen bei der Motorfertigung laufend angepaßt werden können, um somit eine zuverlässigere Klopfbestimmung mit verbesserter Genauigkeit zu erzielen.
Diese Aufgabe wird mit einer Klopfunterdrückungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen a) bis h) des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden in Grundpegel-Speichereinrichtungen in Abhängigkeit von der Motordrehzahl Grundgeräuschpegel bzw. Grundschwellwertpegel gespeichert, die bei Testläufen des Verbrennungsmotors bestimmt werden. Somit ist es möglich, Variationen bei der Motorfertigung mit zu berücksichtigen. Auch ist es für die Genauigkeit von Bedeutung, daß nicht nur ein Zielkorrekturwert, sondern auch ein Grundschwellwertpegel- Korrekturwert im vorangehenden Motorzyklus zur Berechnung des Schwellwertes zur Klopfbestimmung benutzt wird. Somit ist die Klopfbestimmung zuverlässiger und verbessert in ihrer Genauigkeit.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Nachstehend wird die Erfindung anhand ihrer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, welches eine Ausführungsform einer Klopfsteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist ein Signalformdiagramm zum Erläutern des Betriebs der in Fig. 1 gezeigten Klopfsteuerungsvorrichtung;
Fig. 3 ist eine charakteristische Ansicht, welche die Beziehung zwischen dem Geräuschpegel VN und der Motordrehzahl NE zeigt;
Fig. 4 ist eine charakteristische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Schwellwert VTH und der Motordrehzahl NE zeigt;
Fig. 5 ist ein Flußdiagramm, welches ein Klopfsteuerungsverfahren erläutert, welches von der Vorrichtung nach Fig. 1 durchgeführt wird;
Fig. 6 ist eine Darstellung ähnlich der Fig. 1, die jedoch eine Klopfsteuerungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 7 ist ein Flußdiagramm, welches ein Klopfsteuerungsverfahren zeigt, das von der Vorrichtung nach Fig. 6 durchgeführt wird;
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, welches die allgemeine Anordnung einer herkömmlichen Klopfsteuerungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor zeigt; und
Fig. 9 ist ein Signalformdiagramm, welches den Betrieb der herkömmlichen Klopfsteuerungsvorrichtung nach Fig. 8 erläutert.
Fig. 1 zeigt in einem Blockschaltbild die allgemeine Anordnung einer Klopfunterdrückungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In dieser Figur bezeichnen die Bezugsziffern 1, 3 und 45 einen Klopfsensor, einen Analog/Digital-Wandler bzw. eine Steuerung in Form einer Verzögerungswinkelsteuerung, die gleichen oder ähnlichen Funktionen dienen wie die entsprechenden Einrichtungen der zuvor unter Bezugnahme auf die Fig. 8 und 9 beschriebenen, herkömmlichen Klopfunterdrückungsvorrichtung. Demgemäß erübrigt sich eine wiederholte Beschreibung dieser Teile.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist zwischen dem Klopfsensor 1 und dem A/D-Wandler 3 ein Schnittstellenschaltkreis 20 eingefügt, der aus einem Scheitelwerthalteschaltkreis 26 gebildet sein kann. In diesem Zusammenhang sollte vermerkt werden, daß ein Rücksetzsignal R′ zum Rücksetzen des Scheitelwerthalteschaltkreises 26 von der Motorsteuerungseinheit (ECU) 40 synchron mit der Drehung eines betreffenden Verbrennungsmotors erzeugt wird. Unter Bezugnahme auf Fig. 2, welche ein Signalformdiagramm zum Erläutern des Betriebs der Klopfunterdrückungsvorrichtung nach Fig. 1 ist, schließt das Rücksetzsignal R′ eine Serie von Impulsen ein, die jeweils bei einem ersten Bezugskurbelwellenwinkel von B75° (das heißt, bei 75° vor dem oberen Totpunkt (BTDC) eines zugehörigen Zylinders) ansteigen, und bei einem zweiten Bezugskurbelwellenwinkel von B5° (das heißt, bei 5° BTDC) abfallen. Der Scheitelwerthalteschaltkreis 26 arbeitet, um einen Scheitelwertpegel bei der ersten Bezugskurbelwellenposition von B75° für den zugehörigen Zylinder zu erzeugen, worin der Scheitelwertpegel in die Motorsteuerungseinheit (ECU) 40 als ein Vibrationspegel VP mittels des A/D-Wandlers 3 eingegeben wird.
Die Motorsteuerungseinheit (ECU) 40 umfaßt einen Geräuschpegeldetektor 41 zum Erzeugen eines Geräuschpegels VN auf der Grundlage des Pegels der Vibrationen VP eines jeden Zylinders, eine Grundgeräuschpegel-Tabelle M1 in Form eines Speichers, der einen Grundgeräuschpegel VNR für jeden einer Vielzahl von Bereichen der Drehzahl pro Minute (rpm) des Motors NE speichert, eine Grundschwellen-Tabelle M2 in Form eines Speichers, der einen Grundschwellwert VTHR für jeden der Drehzahlbereiche speichert, einen Korrekturrechner 42 zum Erzeugen eines Korrekturwertes VG für einen Schwellwert VTH auf der Grundlage der Drehzahl des Motors NE, eines Geräuschpegels VN, eines Grundgeräuschpegels VNR, und eines Grundschwellwertes VTHR, eine Korrekturwerttabelle M3 in Form eines Speichers, der sukzessive einen aktualisierten Korrekturwert VG für jeden der Drehzahlbereiche entsprechend der Motordrehzahl NE speichert, einen Addierer 43 zum Addieren eines Korrekturwertes VG, der von der Korrekturwerttabelle M3 gewählt ist, zur Grundschwelle VTHR, um einen Klopfbestimmungsschwellwert VTH vorzusehen, einen Komparator 44 zum Durchführen eines Vergleichs zwischen dem Vibrationspegel VP und der Klopfbestimmungsschwelle VTH, und zum Erzeugen eines Klopfsignales Vk, falls der Vibrationspegel VP den Klopfbestimmungsschwellwert VTH überschreitet oder größer wird als dieser, und einen Verzögerungswinkelprozessor 45 zum Erzeugen eines Verzögerungssteuerungswinkels θR auf der Grundlage des Klopfsignales Vk, um die Verzögerung der Zündzeitgebung eines klopfenden Zylinders genau zu steuern. In dieser Hinsicht bilden der Korrekturrechner 42, die Korrekturwerttabelle M3 und der Addierer 43 zusammen eine Berechnungseinrichtung zum Erzeugen einer Schwelle VTH auf der Grundlage eines Geräuschpegels VN eines Grundgeräuschpegels VNR und einer Grundschwelle VTHR. Zusätzlich wird die als Speichereinrichtung arbeitende Korrekturwerttabelle M3 mit Energie von einer (nicht gezeigten) Batterie versorgt, um die Korrekturwerte VG darin zu halten. Ebenso wird die Drehzahl des Motors NE auf der Grundlage der Periode eines Ausgangssignales von einem nicht dargestellten Kurbelwellenwinkelsensors erzeugt, der einen Bezugskurbelwellenwinkel, wie etwa 75° vor dem oberen Totpunkt (BTDC), 5° BTDC etc. erfaßt, mittels der ECU 40, die ein Drehzahlermittlungsprogramm durchführt.
Der Betrieb der oben beschriebenen Klopfunterdrückungsvorrichtung, wie in Fig. 1 erläutert, wird insbesondere mit Bezug auf das Signalformdiagramm der Fig. 2, dem Geräuschpegelcharakteristikdiagramm der Fig. 3, dem Schwellwertcharakteristikdiagramm der Fig. 4 und dem Flußdiagramm der Fig. 5 beschrieben.
Zunächst wird ein Motorexemplar probelaufen gelassen, um den Vibrationspegel für die Motorvibrationen VP in Beziehung zu variierenden Motordrehzahlen NE zu ermitteln. Auf der Grundlage des so ermittelten Vibrationspegels VP werden ein Grundgeräuschpegel VNR und ein Grundschwellwert VTHR für die Motordrehzahl berechnet, und dann in der Grundgeräuschpegeltabelle M1 bzw. in der Grundschwellwerttabelle M2 in Beziehung zur Motordrehzahl NE gespeichert.
Speziell wird der Vibrationspegel VP zu der Zeit, wenn kein Geräusch aufgrund von Klopfen wahrgenommen wird, als ein Geräuschpegel eingestellt, wohingegen der Vibrationspegel VP, wenn ein Geräusch aufgrund von Klopfen wahrgenommen wird, als ein Klopfpegel eingestellt wird.
Für den Geräuschpegel wird der Maximalwert von einer vorgeschriebenen Anzahl (bevorzugtermaßen entsprechend der Anzahl der Zylinder) von aufeinanderfolgenden Vibrationspegeln VP genommen, und eine Vielzahl der so in einer vorgeschriebenen Periode genommenen Maximalwerte wird dann gemittelt, um schließlich einen Grundgeräuschpegel VNR vorzusehen. Dementsprechend kann der Grundgeräuschpegel VNR wie folgt ausgedrückt werden:
VNR = (VP(1) + VP(2) + . . . + VP(K))/K, (2)
worin VP(i) der Maximalwert der i-ten Gruppe aufeinanderfolgender Vibrationspegel VP während einer vorbestimmten Anzahl (das heißt n) aufeinanderfolgender Zündungen ist, und K die Anzahl der gesammelten Maximalwerte VP(i) ist.
Im Falle eines Vierzylindermotors ist n zum Beispiel 4 und K ist 10 oder ähnlich. Der Grundgeräuschpegel VNR wird bei mehreren Motordrehzahlen NE in einer ähnlichen Weise berechnet, und wird eingestellt, wie mit einer gestrichelten Linie in Fig. 3 gezeigt ist.
In gleicher Weise wird die Grundschwelle V,THR die verwendet wird zum Unterscheiden zwischen dem Geräuschpegel und dem Klopfpegel, auf einen Wert eingestellt zwischen dem Grundgeräuschpegel VNR und dem Grundklopfpegel für die Drehzahl NE, wie in Fig. 4 gezeigt ist.
In dieser Weise werden unter Verwendung eines Motorexemplars charakteristische Kurven für den Grundgeräuschpegel VNR und den Grundschwellwert VTHR in Beziehung zur Motordrehzahl erhalten. In diesem Zusammenhang unterscheiden sich jedoch die Motorbetriebscharakteristiken von einem Motor zum anderen, und so werden die Grundgeräuschpegelkurve VNR und die Grundschwellwertkurve VTHR in der Weise korrigiert oder modifiziert, wie durch die durchgezogenen Linien in den Fig. 3 und 4 jeweils gezeigt ist.
Als nächstes werden der Betrieb des Motors und das Verfahren des Berechnens des Korrekturwertes VG, was sukzessive von der ECU 40 durchgeführt wird, insbesondere unter Bezugnahme auf Fig. 5 beschrieben.
Nach dem Starten des Motors befindet sich die Korrekturwerttabelle M3 in einem rückgesetzten Zustand, und es befinden sich keine Korrekturwertdaten darin. Als Ergebnis gibt der Addierer 43 einen Grundschwellwert VTHR von der Grundschwellwerttabelle M2 als ein Schwellwert VTH aus.
Der Klopfsensor 1 erfaßt die Vibrationen von Motorzylindern in der gleichen Weise, wie zuvor unter Bezugnahme auf die bekannte Klopfunterdrückungsvorrichtung der Fig. 8 beschrieben wurde, und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal A zum Ermitteln von Klopfen darin. Die ECU 40 holt sich den analog/digital-gewandelten Scheitelwertpegel des Ausgangssignales A von dem Klopfsensor 1 bei jeder Zündung eines jeden Zylinders.
Speziell arbeitet in Schritt S1 der Scheitelwerthalteschaltkreis 26, um den Scheitelwertpegel des Ausgangssignales A von dem Klopfsensor 1 zu halten, der dann analog/digital-gewandelt wird in einen digitalen Vibrationspegel VP durch den A/D-Wandler 3, und in die ECU 40 eingegeben wird.
In Schritt S2, wenn der Vibrationspegel VP an einem Bezugskurbelwellenwinkel von 75° BTDC abgetastet wird, erzeugt die ECU 40 ein Rücksetzsignal R′, wie in Fig. 2 gezeigt, mit dem der Scheitelwerthalteschaltkreis 26 bei ungefähr dem Bezugskurbelwellenwinkel von 75° BTDC (das heißt, eigentlich geringfügig später als 75° BTDC) rückgesetzt wird.
Der Scheitelwerthalteschaltkreis 26 wird kontinuierlich rückgesetzt, solange wie das Rücksetzsignal R′ eingeschaltet bleibt, und beginnt zu arbeiten, wenn das Rücksetzsignal R′ abfällt (zum Beispiel bei einem Kurbelwellenwinkel von 5° BTDC). Demgemäß führt die ECU 40 wiederholt eine Unterbrechungsroutine (Interrupt) aus, wie in Fig. 5 gezeigt, jedesmal wenn der Vibrationspegel VP bei dem Bezugskurbelwellenwinkel von 75° BTDC aufgrund von Zündungen der Zylinder erzeugt wird.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, variiert der bei jedem Bezugskurbelwellenwinkel von 75° BTDC eines jeden Zylinders entwickelte Vibrationspegel VP von einem Abtastzyklus zum anderen in Übereinstimmung mit einer Veränderung in der Klopfsensorausgabe A. Solch eine Variation schließt sowohl eine Klopfkomponente als auch eine Geräuschkomponente ein, so daß es wünschenswert ist, daß die Variation zu der Erzeugung einer Schwelle VTH nicht beiträgt. In diesem Zusammenhang ist es bei Erregung einer zeitabhängigen Änderung in dem Vibrationspegel VP jedoch nötig, daß die Schwelle VTH dem Vibrationspegel VP in einem gewissen Grad folgt oder diesen reflektiert, um eine genaue Klopfermittlung sicherzustellen.
Dazu mittelt in Schritt S3 der Geräuschpegeldetektor 41 der ECU 40 die Maximalwerte des Vibrationspegels VP, der in vorbestimmten Intervallen abgetastet wird, unter Verwendung der obigen Formel (2), um einen tatsächlichen Geräuschpegel VN bei der laufenden Motordrehzahl NE bereitzustellen.
Andererseits sucht in Schritt S40 beim Abarbeiten der Hauptroutine der Fig. 5 der Korrekturrechner 42 in der Korrekturwerttabelle M3 nach einem neuesten oder letzten Korrekturwert VG*, der darin bei der laufenden Motordrehzahl NE gespeichert ist.
Der Korrekturwertrechner 42 berechnet einen Korrekturwert für die Grundschwelle VTHR auf der Grundlage des letzten Korrekturwertes VG* für die Schwelle VTH, die aus der Korrekturwerttabelle M3 bei der laufenden Motordrehzahl NE gesucht wurde, des Geräuschpegels VN von dem Geräuschpegeldetektor 41, dem Grundgeräuschpegel VNR und der Grundschwelle VTHRf die von den jeweiligen Tabellen M1, M2 gewählt werden.
Insbesondere berechnet im Schritt S41 der Korrekturwertrechner 42 den Korrekturwert in Form einer Abweichung dVN zwischen dem Geräuschpegel VN und dem Grundgeräuschpegel VNR jeweils bei der Drehzahl NE, wie in Fig. 3 gezeigt ist. In dieser Hinsicht tritt das Verhältnis der Abweichung dVN zu dem Grundgeräuschpegel VNR mit dem Verhältnis eines Zielkorrekturwertes dVTH zu der Grundschwelle VTHR zusammen, wie in Fig. 4 gezeigt ist, so daß die folgende Gleichung gilt:
dVN/VNR = dVTH/VTHR
In dieser Gleichung wird der Zielkorrekturwert dVTH wie folgt erhalten:
dVTH = VTHR × dVN/VNR (3)
Darauffolgend wird in Schritt S42 ein stabiler Korrekturwert VG unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet, der dem Zielkorrekturwert dVTH in einem gewissen Maße folgt oder diesen reflektiert:
VG = (1-k)VG* + k × dVTH (4)
worin k eine Konstante ist, welche einen Betrag oder einen Gewichtungskoeffizienten für den Zielkorrekturwert dVTH darstellt und wobei die Konstante k kleiner als 1 ist und größer als 0 (0 < k < 1). Die Konstante k kann je nach Anforderung auf einen beliebigen Wert gesetzt werden. In Übereinstimmung mit dem Glättungsschritt S42 unter Verwendung von Gleichung (4) oben wird der Korrekturwert VG erhalten, der dem Geräuschpegel VN in gewissem Maße folgt oder diesen reflektiert und der in ausreichendem Maße stabil ist.
In Schritt S43 speichert der Korrekturrechner 42 in dem speziellen Speichergebiet der Korrekturwerttabelle M3 entsprechend der laufenden Motordrehzahl NE einen aktualisierten oder neuen Korrekturwert VG jedesmal, wenn er unter Verwendung von Gleichung (4) oben berechnet wird, während er den Zielkorrekturwert dVTH reflektiert. In dieser Weise werden die Inhalte der Korrekturwerttabelle M3 aufeinanderfolgend überschrieben oder aktualisiert.
In Schritt S44 addiert der Addierer 43 den von der Korrekturwerttabelle M3 erhaltenen Korrekturwert VG zu dieser Zeit zur Grundschwelle VTHR bei der Motordrehzahl NE, um eine korrigierte Schwelle VTH wie folgt vorzusehen:
VTH = VTHR + VG (5)
Zu dieser Zeit ist der Korrekturwert VG ein stabiler Wert, der in gewissem Maße dem Geräuschpegel VN folgt oder diesen reflektiert, so daß die Schwelle VTH die unter Verwendung von Gleichung (5) erhalten wurde, im wesentlichen frei ist von Variationen, welche andernfalls von einem Abtastzyklus zum anderen stattfinden würden, und somit ist er ein sehr zuverlässiger Wert.
Dann wird bei dem Bezugskurbelwellenwinkel von 75° BTDC die Unterbrechungsroutine der Fig. 5 durchgeführt, und in Schritt S5 berechnet die Klopfbestimmungseinrichtung 44, als Komparator ausgeführt, eine Abweichung Vk zwischen dem Vibrationspegel VP und der Schwelle VTH für einen Vergleich dazwischen, wie folgt:
Vk = VP - VTH
In Schritt S6 wird bestimmt, ob die Abweichung Vk positiv ist (Vk < 0). Falls VP < VTH das heißt Vk < 0, erzeugt der Komparator 44 ein Klopfbestimmungssignal Vk, welches das Auftreten von Klopfen anzeigt.
In Schritt S7 berechnet die Verzögerungswinkelsteuerung 45 auf Empfang des Klopfbestimmungssignales Vk hin einen Verzögerungswinkel dθR der benötigt wird zum Unterdrücken des Klopfens, in der folgenden Weise:
R = (Vk/VTH) × L′ (6)
worin L′ ein Gewichtungskoeffizient ist.
Von Gleichung (6) oben wird der Verzögerungswinkel dθR auf der Grundlage des Verhältnisses des Klopfbestimmungssignales Vk zu der Schwelle VTH berechnet, woraus ein geeigneter Verzögerungswinkel dθR immer vorgesehen werden kann, wenn der Vibrationspegel VP selbst über die Zeit variiert.
Hiernach berechnet die Verzögerungswinkelsteuerung 45 auf der Grundlage des so erhaltenen Verzögerungswinkels dθR einen Verzögerungssteuerwinkel θR zum Verzögern der Zündzeitgebung eines klopfenden Zylinders in einer Richtung, um das Klopfen zu unterdrücken, unter Verwendung der folgenden Formel:
θR = θR* + dθR
worin θR* ein laufender normaler Zündungssteuerungswinkel ist, bei welchem Zündung stattzufinden hat, wenn kein Klopfen vorliegt.
Andererseits wird kein Klopfbestimmungssignal Vk erzeugt, wenn in Schritt S6 bestimmt wird, daß die Abweichung Vk gleich oder kleiner ist als Null (das heißt Vk 0). In diesem Fall geht das Programm zu Schritt S9, worin aus Gleichung (6) der Verzögerungswinkel dθR gleich Null wird (dθR = 0). Als Ergebnis bleibt der Verzögerungssteuerwinkel θR unverändert, d. h. der gleiche wie zuvor.
In dieser Weise wird auf der Grundlage des verzögerten Steuerwinkels θR wie in dieser Weise erhalten, die Zündzeitgebung für einen klopfenden Zylinder genau in einer verzögernden Richtung gesteuert, und somit das Klopfen unterdrückt.
Demgemäß kann unter normalen Betriebsumständen des Motors eine sehr zuverlässige Schwelle auf der Grundlage des Korrekturwertes VG eingestellt werden, der durch Studium (analytisch) erhalten wird, ohne von einer plötzlichen großen Veränderung in dem Vibrationspegel VP beeinflußt zu sein, so daß eine Klopfbestimmung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann.
Obwohl in der voranstehenden Ausführungsform der Schnittstellenschaltkreis 20 zum Erzeugen des Vibrationspegels VP den Scheitelwerthalteschaltkreis 26 umfaßt, kann er auch aus einem Integrator bestehen, um im wesentlichen dieselben Ergebnisse zu erzielen.
Obwohl in der voranstehenden Ausführungsform der Komparator 44 ein Klopfbestimmungssignal Vk in der Form einer Abweichung oder Differenz zwischen dem Vibrationspegel VP und der Schwelle VTH ausgibt, kann er zusätzlich einfach ein Ausgangssignal eines hohen Pegels erzeugen, wenn der Vibrationspegel VP die Schwelle VTH überschreitet.
Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klopfunterdrückungsvorrichtung, welche in Betrieb und Aufbau im wesentlichen gleich ist der vorangehenden Ausführungsform der Fig. 1, mit Ausnahme der Tatsache, daß die ECU 40 ferner eine stabile-Bedingung-Bestimmungseinrichtung 46 zum Bestimmen, ob sich der Motor in einem stabilen Betriebsbereich befindet, der geeignet ist zum Aktualisieren des Verzögerungswinkels oder zur Korrektur, umfaßt. Die stabile-Bedingungs-Bestimmungseinrichtung 46 erzeugt ein Aktivierungssignal C an dem Korrekturrechner 42 und der Korrekturwerttabelle M3 nur, wenn sich der Motor in einer vorgeschriebenen Betriebsbedingung, wie etwa einer mittleren Belastungsbedingung einer stabilen Betriebsbedingung oder ähnlichem befindet. Vorzugsweise bestimmt die stabile-Bedingung-Bestimmungseinrichtung 46 auf der Grundlage der Motordrehzahl NE oder der Veränderungsrate derselben, oder der Drosselklappenöffnung, welche eine Motorbelastung anzeigt, ob der Motor sich in der stabilen Betriebsbedingung oder der mittleren Belastungsbedingung befindet.
Der Betrieb dieses Ausführungsbeispieles ist im wesentlichen gleich dem des vorangehenden Ausführungsbeispieles nach Fig. 1, wie im Flußdiagramm der Fig. 5 erläutert ist, mit Ausnahme der folgenden Aspekte. Wie in dem Flußdiagramm der Fig. 7 gezeigt ist, welches den Betrieb des Ausführungsbeispieles nach Fig. 6 erläutert, schreitet das Programm nach Schritt S40 des Durchsuchens der Korrekturwerttabelle M3 nach einem Korrekturwert VG* zu Schritt S40A fort, in dem die stabile-Bedingung-Bestimmungseinrichtung 46 der ECU 40 auf der Grundlage der Motordrehzahl NE oder der Veränderungsrate derselben, oder der Drosselklappenöffnung, die eine Motorbelastungsbedingung darstellt, bestimmt, ob sich der Motor in einem stabilen Betriebsbereich befindet. Solch eine Bestimmung ist aus den folgenden Gründen nötig. Es ist nämlich allgemein notwendig, daß der laufende Korrekturwert VG für die Schwelle VTH dem Geräuschpegel VN folgt oder diesen nachvollzieht; es ergibt sich jedoch eine große Veränderung im Geräuschpegel VN, wenn sich der Motor in einem transienten Betriebszustand befindet, wie etwa, wenn er schnell beschleunigt oder abgebremst wird oder wenn der Motor unter starker Belastung oder geringer Belastung steht. Demgemäß ist es bei diesen speziellen Betriebsumständen des Motors nicht wünschenswert, den Geräuschpegel VN in dem laufenden Korrekturwert VG zu reflektieren. Daraus ergibt sich, daß es notwendig ist, daß der Geräuschpegel VN im laufenden Korrekturwert VG nur dann reflektiert wird, wenn sich der Motor in einem vorbestimmten, stabilen Umstand oder Bereich befindet, wie etwa dem Zustand eines kontinuierlichen Betriebes, bei welchem kleine Veränderungen in der Motordrehzahl auftreten, mittlere Belastungsumstände vorliegen.
Somit erzeugt die stabile-Bedingung-Bestimmungseinrichtung 46 ein Aktivierungssignal C an dem Korrekturrechner 42 und der Korrekturwerttabelle M3, falls in Schritt S40A der Fig. 7 bestimmt wird, daß sich der Motor in dem stabilen Betriebsbereich befindet, wodurch der Rechner 42 einen laufenden Korrekturwert VG für die Grundschwelle VTHR in der gleichen Weise wie in der vorangehenden Ausführungsform berechnet. Mit anderen Worten schreitet in diesem Fall das Programm von Schritt S40A zu Schritt S41 fort, und danach werden dieselben Prozeßschritte S41 bis S44 wie in Fig. 5 durchgeführt.
Wenn andererseits in Schritt S40A bestimmt wird, daß sich der Motor außerhalb des stabilen Betriebsbereiches befindet, erzeugt die stabile-Bedingung-Bestimmungseinrichtung 46 kein Aktivierungssignal C, so daß der Korrekturrechner 42 außer Betrieb verbleibt, und die Korrekturwerttabelle M3 nicht den letzten oder vorangehenden Korrekturwert VG* an den Korrekturrechner 42 ausgibt. Als Ergebnis werden die Schritte S41 bis S43 ausgelassen, und das Programm springt von Schritt S40A zum Schritt S44, während der Korrekturwert VG* in der Korrekturwerttabelle M3 nicht aktualisiert wird.
Demzufolge wird nur ein relativ stabiler Vibrationspegel VP als ein gültiger Geräuschpegel berücksichtigt (das heißt ein Hintergrundpegel VP), wohingegen ein Vibrationspegel VP, der stark variiert, in dem Korrekturwert VG nicht berücksichtigt wird und somit auch nicht in der Schwelle VTH.
Obwohl in der Ausführungsform in Fig. 6 die stabile-Bedingung-Bestimmungseinrichtung 46 ein Aktivierungssignal C erzeugt, wenn sich der Motor in dem stabilen Betriebsbereich befindet, kann sie anstelle dessen ein Aktivierungssignal C erzeugen, wenn der Vibrationspegel VP kleiner als der Klopfpegel ist. Bei dieser Modifizierung werden die Klopfbestimmungsschritte S5 und S6 ebenso wie die Verzögerungswinkelsteuerungsschritte S7 bis S9 unmittelbar nach dem Vibrationspegelaufnahmeschritt S1 durchgeführt, und die Schwelle VTH ist zu dieser Zeit auf der Grundlage des letzten oder vorangehenden, in dem Suchschritt S40 aus der Korrekturwerttabelle M3 gewählten Korrekturwert VG* sowie der Grundschwelle VTHR gegeben.
Demgemäß werden, falls im Schritt S6 bestimmt wird, daß Klopfen stattfindet, der Geräuschpegelerzeugungsschritt S3 und die Korrekturwertberechnungs- und Aktualisierungsschritte S41 bis S43 nicht durchgeführt, und somit die Inhalte der Korrekturwerttabelle M3 auch nicht aktualisiert. Im Gegensatz dazu werden, falls in Schritt S6 bestimmt wird, daß kein Klopfen vorliegt, der Geräuscherzeugungsschritt S3 und die Korrekturwertberechnungs- und Aktualisierungsschritte S41 bis S43 durchgeführt, so daß die Inhalte der Korrekturwerttabelle M3 aktualisiert werden, um den Geräuschpegel VN zu reflektieren. Als Ergebnis wird der laufende Korrekturwert VG nur aktualisiert und in der Schwelle VTH reflektiert, wenn sich der Vibrationspegel VP auf dem Hintergrundpegel befindet. Somit werden in dieser Modifikation im wesentlichen dieselben Ergebnisse wie jene erhalten, die durch die Ausführungsform in Fig. 6 erhalten werden.

Claims (3)

1. Klopfunterdrückungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor, umfassend:
  • a) ein Klopfsensor (1) zum Erfassen von Vibrationen eines Motors und zum Erzeugen eines Sensorsignals (A);
  • b) ein Schnittstellen-Schaltkreis (3, 20) zum Erzeugen eines Vibrationspegels (VP) auf Grundlage des Sensorsignals (A);
  • c) eine Geräuschpegel-Ermittlungseinrichtung (41) zum Ermitteln eines Geräuschpegels (VN) auf Grundlage des Vibrationspegels (VP);
  • d) eine Grundpegel-Speichereinrichtung (M1, M2) zum jeweiligen Speichern von bei Testläufen des Verbrennungsmotors bestimmten Grundgeräuschpegeln (VNR) und Grundschwellwertpegeln (VTHR) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl (NE);
  • e) ein Korrekturpegel-Speicher (M3) zum Speichern von aktualisierten Grundschwellwertpegel-Korrekturwerten (VG) in Abhängigkeit von der Motordrehzahl (NE);
  • f) eine Berechnungseinrichtung (42, 43) zur Aktualisierung eines Grundschwellwertpegel- Korrekturwertes (VG) in Abhängigkeit vom Geräuschpegel (VN), vom Grundgeräuschpegel (VNR), von einem zuletzt gespeicherten Grundschwellwertpegel Korrekturwert (VG*) und von der Motordrehzahl (NE), und zur Berechnung eines Schwellwertes (VTH) für eine Klopfbestimmung auf der Grundlage des jeweiligen aktualisierten Grundschwellwertpegel-Korrekturwertes (VG) und des jeweiligen Grundschwellwertpegels (VTHR);
  • g) eine Klopfbestimmungseinrichtung (44) zum Erzeugen eines Klopfbestimmungssignals (VK) auf Grundlage des Vibrationspegels (VP) und des berechneten Schwellwerts (VTH); und
  • h) eine Steuereinrichtung (45) zum Steuern eines Motorparameters (θR) zur Unterdrückung von Klopfen des Motors auf der Grundlage des Klopfbestimmungssignales (VK).
2. Klopfunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungseinrichtung (42, 43) den Schwellwert (VTH) auf der Grundlage des jeweiligen Grundschwellwertpegels (VTHR) und des jeweiligen Grundschwellwertpegel-Korrekturwertes (VG) unter Verwendung der folgenden Formel berechnet: VTH = VTHR + VGwobei VG auf der Grundlage eines vorherigen Grundschwellwertpegel-Korrekturwerts VG* und eines Zielkorrekturwertes dVTH folgendermaßen berechnet wird:VG = (1-k) × VG* + k × dVTHwobei k eine Konstante ist, die kleiner ist als 1 und größer als 0, und der Zielkorrekturwert dVTH auf der Grundlage des jeweiligen Grundschwellwertpegels VTHR, einer Abweichung dVN zwischen dem ermittelten Geräuschpegel VN und dem jeweiligen Grundgeräuschpegel VNR folgendermaßen berechnet wird:dVTH = VTHR × dVN/VNR
3. Klopfunterdrückungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen, ob sich der Motor in einem stabilen Betriebsbereich befindet, der zum Aktualisieren des Grundschwellwertpegel-Korrekturwertes (VG) geeignet ist, vorgesehen ist; und
die Berechnungseinrichtung (42, 43) den Grundschwellwertpegel-Korrekturwert (VG) nur dann aktualisiert, wenn sich der Motor in dem stabilen Betriebsbereich befindet.
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