DE4201505C2 - Vorrichtung zur Klopfdetektion bei einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Vorrichtung zur Klopfdetektion bei einer Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Brennkraftmaschinen in Fahr­ zeugen und insbesondere auf ein Klopfdetektionssystem zum Feststellen des Vorhandenseins eines Klopfens auf der Ba­ sis eines Signals über die Verbrennungsschwingungen von ei­ nem Klopfsensor. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, bei welcher ein Klopf­ signal mittels eines Mikrocomputers zum Feststellen des Klopfens und zur Ermittlung eines Hintergrundpegels A/D- gewandelt wird, entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus der DE 40 11 938 A1 bekannt.
Zur Steuerung bzw. Regelung des Zündzeitpunkts oder des La­ dedrucks bei einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine gibt es ein System, bei dem das Beurteilungssignal bzw. Bewertungs­ signal einer Klopfdetektionseinrichtung für das Vorhanden­ sein des Klopfens zur Optimierung der Steuerung genutzt wird. Die Klopfdetektionseinrichtung ist hierbei beispiels­ weise derart ausgelegt, daß ein Signal von einem Klopfsen­ sor mit einem geeigneten Verstärkungsfaktor verstärkt wird, daß eine Klopfkomponente mittels eines Filters extrahiert wird, und daß die Wellenform der Klopfkomponente bezüglich des Mittelwertes gleichgerichtet wird. Anschließend wird ei­ nes der gleichgerichteten Signale zur Ermittlung eines Hin­ tergrundpegels bzw. eines Hintergrundwertes unter Anpassung an einen Rauschpegel ermittelt, und das andere Signal wird mit dem Hintergrundpegel verglichen, um hierdurch das Vor­ handensein des Klopfens zu beurteilen. Da Einrichtungen zur Verwirklichung einer derartigen Vorrichtung hauptsächlich als analoge Schaltungen ausgelegt sind, bringt eine solche Vorrichtung eine große Anzahl von Schwierigkeiten auf schal­ tungstechnischem Gebiet, wie dem Gebiet der Kosten, und auf dem Gebiet der Änderungen der Detektionscharakteristika mit sich, welche auf die Alterung der analogen Elemente, die An­ zahl der Stufen eines Abstimm- bzw. Anpaßvorganges, usw. zu­ rückzuführen sind. Zwischenzeitlich werden Mikrocomputer mit Hochgeschwindigkeits-A/D-Wandlern mehr und mehr in jüng­ ster Zeit eingesetzt, und es wird gefordert, daß die Klopf­ detektion auf der Basis der Analogschaltungsverarbeitung mit­ tels einer Mikrocomputerverarbeitung vorgenommen werden soll­ te.
Im Hinblick auf eine Klopfdetektionseinrichtung dieser Bau­ art gibt es einen Stand der Technik, welcher beispielsweise in der offengelegten japanischen Patentanmeldung No.193 333/ 1984 angegeben ist. Dort ist folgendes aufgeführt: Ein Druck­ signal von einem Innenzylinderdruck-Sensor wird in einen In­ tegrator über einen Ladungsverstärker, einen BPF (Bandpaß­ filter) und einen Gleichrichter eingegeben. Anschließend wird das eingegebene Drucksignal über eine vorbestimmte Winkelgröße vor einem oberen Totpunkt beim Signal eines Kurbelwinkels aufintegriert und über der vorbestimmten Winkelgröße nach dem oberen Totpunkt aufintegriert, und das Verhältnis der zuge­ ordneten Integralwerte wird ermittelt. Der ermittelte Wert wird mit einem Bezugswert verglichen, welcher an die Betriebs­ bedingungen angepaßt ist, um hierdurch das Klopfen zu beur­ teilen und zu erkennen.
Abgesehen von der Vorgabe eines Hintergrundpegels gibt es ei­ nen Stand der Technik, welcher beispielsweise in der offenge­ legten japanischen Patentanmeldung No. 79 320/1987 angegeben ist. Dort ist angegeben, daß der Hintergrundpegel in Größen des Mittelwertes der Pegel der Klopfsignale eines Innenzy­ linderdruck-Sensors ermittelt wird, und daß, wenn der Signal­ pegel eine vorbestimmte Anzahl von Malen gleich dem Hinter­ grundwert ist oder über demselben liegt, die Aktualisierung des Hintergrundwertes ausgesetzt bzw. unterbrochen wird.
Bei dem Stand der Technik nach der JP-OS 193333/1984 wird das Drucksignal analog aufintegriert, so daß eine Schaltungsanordnung und eine Steuerung hierfür kompliziert werden. Abgesehen davon, daß hierbei der Spitzenwert eines Verbrennungsdrucks in der Nähe des oberen Totpunktes liegt, ist es manchmal unmög­ lich, das Klopfen genau festzustellen. Bei dem letztgenann­ ten Stand der Technik wird nicht auf das Klopfsignal mit einem speziell hohen Pegel bei der Ermittlung des Hintergrund­ pegels eingegangen. Dies führt zu einer Schwierigkeit, die darin zu sehen ist, daß die Pegelvorgabe hinsichtlich der Genauigkeit ungenügend ist.
Die US-PS 4 884 206 beschreibt ein Klopfdetektorsystem für Brennkraftmaschinen, wobei ein Digitalsystem analoge Aus­ gangssignale eines Sensors verarbeitet. Dabei wird jeder einzelne Abtastwert mit einem Wichtungsfaktor multipliziert und ein gewichteter Summenwert gebildet.
Die DE 40 14 596 A1 beschreibt ein Klopfunterdrückungs­ system mit einem Klopfdetektor, wobei mittels einer rein analogen Signalverarbeitung ein Ausgangssignal eines Rausch­ pegelsensors, das einen Untergrundpegel darstellt, pro­ portional zur mittleren Amplitude des gleichgerichteten Aus­ gangssignals eines über ein Analoggatter geleiteten Klopf­ sensorsignals ist.
Die den nächstkommenden Stand der Technik bildende DE 40 11 938 A1 beschreibt einen Klopfdetektor, bei dem die Analogsignale kontinuierlich in Digitalsignale umgewandelt und gemittelt werden. Das gemittelte Klopfsignal dient als Untergrundpegel und wird aus einer Tabelle unter Heranziehung der Motordrehzahl ausgelesen, wobei die in der Tabelle abgelegten Werte auf der Grundlage eines Durch­ schnittswertes des Klopfsensorsignals erhalten werden.
Die Erfindung zielt darauf ab, ein alternatives Klopfdetektionssystem für eine Brennkraftmaschine be­ reitzustellen, bei dem das Feststellen des Klopfens und die Ermittlung eines optimalen, zwischen den Zyklen nur wenig schwankenden Hintergrundpegels digital mit Hilfe eines Mikrocomputers erfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein System zum Detektieren eines Klopfens einer Brennkraft­ maschine bereitgestellt, welche einen Klopfsensor hat, der an der Brennkraftmaschine zum Detektieren einer Vibration angebracht ist, welche durch eine unregelmäßige Verbrennung verursacht wird, und welche ein Klopfsignal erzeugt, welche einen Kurbelwinkelsensor zum Detektieren eines Kurbelwin­ kels und zum Erzeugen eines Kurbelwinkelsignales, einen Luft­ strommesser, welcher in einem Drosselventil zum Detektieren eines von der Brennkraftmaschine angesaugten Luftvolumens und zum Erzeugen eines Luftmassensignales vorgesehen ist, und einen Drosselsensor zum Erfassen eines Öffnungsgrades des Drosselventiles und zum Erzeugen eines entsprechenden Gradsignales hat, wobei sich dieses System dadurch auszeich­ net, daß folgendes vorgesehen ist: Eine Steuereinrichtung, die auf das Luftmassensignal und dieses Gradsignal zum Steu­ ern der Brennkraftmaschine mit optimalen Betriebsbedingungen und zum Erzeugen eines Zustandssignales anspricht; eine A/D-Wandler­ einrichtung, welche auf die Klopf- und Kurbelwinkel­ signale anspricht und das Zustandssignal zum Umwandeln eines Frequenzsignals der Schwingung in einen digitalen Wert der­ art verarbeitet, daß der digitale Wert kontinuierlich abge­ tastet wird und ein digitales Signal erzeugt wird; eine In­ tegriereinrichtung, welche auf das digitale Signal zum In­ tegrieren einer Differenz zwischen dem digitalen Wert und einem Hintergrundpegel und zum Erzeugen eines integrierten Signales anspricht; und eine Ermittlungseinrichtung, welche auf das integrierte Signal zum Ermitteln eines Klopfpegels anspricht, indem das integrierte Signal mit einem Bewertungs­ pegel verglichen wird, so daß sich das System vereinfacht und daß Verschlechterungen der Charakteristik infolge der Al­ terung bei langem Einsatz vermieden werden.
Bei einem derartigen System wird das Signal des Klopfsensors in einen digitalen Wert umgewandelt, welcher arithmetisch verarbeitet wird. Daher lassen sich die Detektion des Klopfens und die Ermittlung des Hintergrundpegels auf äußerst genaue Weise vornehmen.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevor­ zugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beige­ fügte Zeichnung. Darin zeigt:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Steuerungsteils zur Verdeutlichung einer bevorzugten Ausführungs­ form eines Klopfdetektionssystems für eine Brennkraftmaschine nach der Erfindung,
Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung der Ver­ arbeitungsschritte der Klopfdetektionseinrich­ tung eines Mikrocomputers mit einem A/D-Wand­ ler,
Fig. 3 ein Wellenformdiagramm von Daten, die mittels der Klopfdetektionseinrichtung verarbeitet werden, und
Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung der Ver­ arbeitungsschritte der Hintergrundpegelermitt­ lungseinrichtung des Mikrocomputers mit dem A/D-Wandler gemäß einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform.
Das Steuerungsteil eines Klopfdetektionssystems wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Mit 1 ist ein Klopfsensor bezeichnet, welcher die entsprechenden Schwingungen einer Brennkraftmaschine während der Verbrennung erfaßt bzw. de­ tektiert. Das Schwingungssignal des Klopfsensors 1 wird mit einem vorbestimmten Verstärkungsfaktor mittels eines Ver­ stärkers 2 verstärkt, und anschließend wird eine notwendige Frequenzkomponente aus dem verstärkten Signal extrahiert und in einen Mikrocomputer mit einem A/D-Wandler 4 über einen Filter 3 eingegeben. Auch das Kurbelwinkelsignal eines Kur­ belwinkelsensors 5 wird in den Mikrocomputer 4 mit dem A/D-Wandler eingegeben. Die Eingangssignale werden zur Vorgabe einer Klopfdetektionsperiode, zur Beurteilung der Brenn­ kraftmaschinenbetriebsbedingungen, usw. genutzt. Unter ande­ rem werden ein Klopfbeurteilungssignal und ein Klopfpegel, welcher mittels des Mikrocomputers 4 mit dem A/D-Wandler er­ faßt wurden, in einen Brennkraftmaschinensteuerungs-Mikro­ computer 6 eingegeben. Diese Signale werden zur Steuerung des Zündzeitpunkts genutzt, und das Zündsignal des Mikrocom­ puters 6 wird an eine Zündspule 7 angelegt. Der Brennkraft­ maschinensteuerungs-Mikrocomputer 6 kann Daten von und zu dem Mikrocomputer 4 mit dem A/D-Wandler übertragen. Ferner wird er mit Signalen von einem Luftströmungsmesser 8, einem Dros­ selklappensensor 9, usw. versorgt, und er gibt ein Brennstoff­ einspritzsignal an eine Brennstoffeinspritzeinrichtung 10 ab.
Nunmehr wird die Steuerung zur Klopfdetektion unter Bezug­ nahme auf das Flußdiagramm nach Fig. 2 und die Signalwellen­ formen nach Fig. 3 erläutert. Zuerst wird eine vorbestimmte Klopfdetektionsperiode Θ k (beispielsweise 10 bis 50 Grad, ausgedrückt in Größen eines ATDC-Winkels (nach dem oberen Totpunkt)) nach der Zündung vorgegeben. Wenn die Periode Θ k beginnt, wird mit der digitalen Umwandlung des Klopfsignals mittels des A/D-Wandlers in einem Schritt S1 begonnen. An­ schließend werden in einem Schritt S2 die Daten P initiali­ siert, und die Ablaufzeit der Tastperiode Θ k wird mit einem Schritt S3 gesetzt, an welchen sich ein Schritt S4 anschließt.
Auf diese Weise werden die konvertierten, digitalen Werte KNADn (n = 1, 2, ..) ständig mit einer hohen Geschwindig­ keit (beispielsweise ein Tastwert innerhalb 10-20 µs) eingegeben, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. In einem Schritt S5 wird der Absolutwert der Differenz zwischen dem digita­ len Wert KNADn und der Mittelspannung ADCNT der Eingangs­ signale mit einem Hintergrundpegel BGL verglichen, welcher zuvor in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Brenn­ kraftmaschine ermittelt wurde, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Wenn der Absolutwert nicht kleiner als der Wert Kn der Differenz zwischen den beiden in einem Schritt S6 ermittel­ ten Werten ist, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, so erhält man folgendes:
Kn = | KNADn - ADCNT | - BGL
Dann wird der Differenzwert Kn in einem Schritt S7 addiert. Wenn die Tastperiode Θ k in einem Schritt S8 abgelaufen ist, wird der Steuerungsablauf mit einem Schritt S9 fortgesetzt, in welchem der Integralwert KNP der Differenzwerte Kn wie in Fig. 3 gezeigt ermittelt wird. Hierbei wird folgende Be­ ziehung genutzt:
KNP = ∫ Kn (1)
Anschließend wird in einem Schritt S10 dieser Integralwert mit einem Vergleichswert KNLVL für eine Klopfbeurteilung verglichen, welcher in Abhängigkeit von den Betriebsbedingun­ gen der Brennkraftmaschine vorgegeben ist. Wenn der erst­ genannte kleiner als der zweitgenannte ist, wird der Steue­ rungsablauf mit einem Schritt S11 fortgesetzt, in welchem ein Klopfbeurteilungsmerker gelöscht wird. Wenn hingegen der erstgenannte nicht kleiner als der letztgenannte ist, wird der Steuerungsablauf mit einem Schritt S12 fortgesetzt, in welchem der Klopfbeurteilungsmerker gesetzt wird, um das Klopfen zu beurteilen und zu bewerten. Der Integralwert KNP wird in diesem Fall als der Pegel des Klopfens detek­ tiert.
Innerhalb der Klopfdetek­ tionsperiode des Verbrennungszyklus der Brennkraftmaschine wird das mittels des Klopfsensors 1 detektierte Frequenzsignal der Schwingung in den Mikrocomputer 4 eingegeben, und es wird kontinuierlich in digitale Werte KNADn umgewandelt, welche für die Verarbeitung genutzt werden. Somit wird das Inkrement des Plus- oder Minus-Digitalwertes KNADn rela­ tiv zum Hintergrundpegel BGL addiert, und diese inkremen­ tellen Werte Kn werden aufintegriert. Somit entspricht der Integralwert KNP in diesem Fall der Stärke des Klopfens, und das Vorhandensein des Klopfens und der Klopfpegel wer­ den unter Verwendung des Integralwertes KNP in geeigneter Weise detektiert bzw. erfaßt.
Nunmehr wird eine bevorzugte Ausführungsform unter Bezugnahme auf ein Flußdiagramm nach Fig. 4 näher erläutert, bei welcher der Hintergrundspegel auf ähnliche Art und Weise mittels ei­ ner A/D-Wandlung und der Verarbeitung mittels eines Mikro­ computers 4 ermittelt wird. Auch hierbei wird zuerst eine Hintergrundpegeldetektionsperiode Θ B in vorbestimmter Weise (beispielsweise 10 bis 50 Grad in Größen eines ATDC-Winkels (nach dem oberen Totpunkt)) innerhalb des Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine vorgegeben, und es tritt manchmal eine Überlappung mit der Klopfdetektionsperiode Θ k auf, welche vorstehend angegeben ist. Wenn hierbei die Periode Θ B ein­ geleitet wurde, wird die A/D-Umwandlung des Klopfsignales in einem Schritt S21 begonnen, und die Daten P und die Anzahl N der Einzeldaten werden in einem Schritt S22 initialisiert. Anschließend wird die Ablaufzeit bzw. die Endzeit der De­ tektionsperiode Θ B in einem Schritt S23 gesetzt, und die A/D-umgewandelten digitalen Werte BGADn (n = 1, 2, ...) werden kontinuierlich mit einer hohen Geschwindigkeit in einem Schritt S24 erhalten. In den Schritten S25, S26 und S27 wird der mittlere Amplitudenwert BGAVE der Digitalwerte BGADn in einem Verbrennungszyklus der Brennkraftmaschine auf der Basis der digitalen Werte BGADn und der Anzahl N der Einzeldaten und der Mittelspannung ADCNT der Eingangs­ signale ermittelt, welche man in der Detektionsperiode erhalten hat, und zwar nach Maßgabe von folgender Glei­ chung:
Unter anderem wird zum Ausgleich der Schwankungen des ge­ mittelten Amplitudenwertes BGAVE zwischen den Brennstoff­ versorgungszyklen der pro Zyklus erhaltene gemittelte Am­ plitudenwert BGAVE einer gewichteten Mittelwertbildung in den Schritten S28 und S29 unterzogen, so daß sie aktuali­ siert werden. Dies bedeutet, daß der neue gemittelte Ampli­ tudenwert BGAVEnew auf der Basis des ermittelten, gemit­ telten Amplitudenwertes BGAVE, eines alten gemittelten Am­ plitudenwertes BGAVEold und einer gewichteten Mittlungs­ rate X auf die folgende Weise erhalten wird.
BGAVEnew = (1/X) {BGAVE + (X - 1) BGAVEold}
Anschließend wird in einem Schritt S30 der Hintergrundspegel BGL unter Nutzung eines Hintergrundskoeffizienten KBG ermittelt, welcher im vorhinein nach Maßgabe der Betriebs­ bedingungen der Brennkraftmaschine auf die folgende Weise vorgegeben wurde:
BGL = KBG BGAVEnew
Dank dieser bevorzugten Ausführungsform wird der Hinter­ grundpegel ebenfalls derart ermittelt, daß die mittels der A/D-Wandlung des Signals des Klopfsensors 1 erzeugten Digitalwerte mit Hilfe des Mikrocomputers 4 mit dem A/D-Wandler verarbeitet werden. Da zusätzlich der Amplituden­ mittelwert in jedem Zyklus einer gewichteten Mittelwertbil­ dung unterzogen wird, erhält man als Hintergrundwert einen optimalen Wert, welcher zwischen den Zyklen nur wenig schwankt, und dieser wird als Schwellwert für die vorste­ hend angegebene Klopfdetektion genutzt.
Wie vorstehend angegeben ist, werden bei der Erfindung die Detektion des Klopfens und die Ermittlung eines Hintergrund­ pegels, basierend auf dem Signal eines Klopfsensors, dadurch vorgenommen, daß das Signal in digitale Werte umgewandelt wird und die digitalen Werte mittels eines Mikrocomputers mit einem A/D-Wandler arithmetisch verarbeitet werden. Daher läßt sich bei der Erfindung der Hardware-Aufwand im Vergleich zu einem analogen System vereinfachen und man erhält insbesondere überraschende Vorteile bei einer Mehrzahl von Klopfsensoren. Ferner verändern sich die Eigenschaften während des Alterungs­ prozesses nur geringfügig. Die Zahl der Stufen für einen Ab­ gleichvorgang ist klein. Ferner lassen sich die Charakteristi­ ka der Klopfdetektion und der Hintergrundpegelermittlung auf vielseitige Weise vorgeben.

Claims (2)

1.Vorrichtung zum Detektieren des Klopfens einer Brenn­ kraftmaschine, welche einen Klopfsensor (1), der an der Brennkraftmaschine zum Detektieren einer Schwingung an­ gebracht ist, die durch eine unregelmäßige Verbrennung verursacht wird und ein Klopfsignal erzeugt, einen Kur­ belwinkelsensor (5) zum Detektieren eines Kurbelwinkels und zum Erzeugen eines Kurbelwinkelsignales und eine Re­ cheneinrichtung (4) aufweist,
die eine A/D-Wandlerein­ richtung, welche auf das Klopf- und Kurbelwinkelsignal zum Umwandeln des Klopfsignales in digitale Werte (BGADn) in einem vorbestimmten Kurbelwinkelbereich an­ spricht, eine Mittelwertbildungseinrichtung, die aus den digitalen Werten (BGADn), dem Wert einer Mittelspannung (ADCNT) und einer Datenanzahl (N) einen Mittelwert (BGAVE) bildet, eine Integriereinrichtung, die auf der Grundlage der di­ gitalen Werte (BGADn), dem Wert der Mittelspannung (ADCNT) und eines Untergrundpegels (BGL) ein integrier­ tes Signal (KNP) erzeugt, und eine Ermittlungseinrich­ tung umfaßt, die auf der Grundlage eines Vergleichs des inte­ grierten Signales (KNP) mit einem Beurteilungspegel (KNLVL) das Vorliegen von Klopfen ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Recheneinrichtung (4) weiterhin aufweist:
eine Einrichtung zur Bildung eines gewichteten Mittel­ wertes (BGAVEnew) aus gebildeten Mittelwerten (BGAVE, BGAVEold) in jedem Verbrennungszyklus, und eine Unter­ grundpegelbestimmungseinrichtung, die den Untergrundpe­ gel (BGL) durch Produktbildung aus einem vorgegebenen Koeffizienten (KBG) und dem gewichteten Mittelwert (BGAVEnew) bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
einen Luftstrommesser (8), der in einem Drosselventil zum De­ tektieren eines von der Brennkörperschiene angesaugten Luftvolumens und zum Erzeugen eines Luftmassensignales vorgesehen ist;
einen Drosselventilsensor (9) zum Erfassen des Öffnungs­ grades des Drosselventils und zum Erzeugen eines Öff­ nungsgradsignales, und
eine Steuereinrichtung (6), die auf das Luftmassen­ signal, das Öffnungsgradsignal und das Ausgangssignal der Recheneinrichtung (4) zum Steuern der Brennkraftma­ schine auf optimale Betriebsbedingungen anspricht.
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