DE69005256T2 - Verfahren und Einrichtung zum Ermitteln des Klopfens. - Google Patents

Description

• Gegenstand der Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Klopfens in einem Motor mit Funkenzündung mit vier Arbeitstakten, d.h. mit Ausführung des Beau-de-Rochas-Zyklus.
• Das Klopfen beruht auf einer vorzeitigen Selbstzündung des Kraftstoffgemisches während der Kompressionsphase, wenn sich der Kolben dem oberen Totpunkt nähert. Das Klopfen ist zugleich für die Leistung des Motors und seine Lebensdauer schädlich. Es ist erwünscht, es sogar zu ermitteln, bevor es hörbar wird, und in Reaktion auf das Ermittlungssignal einen der Betriebsparameter des Motors wie die Zündvorverstellung, die Fettheit des dem Motor zugeführten Luft/Kraftstoffgemisches oder den Gang des Getriebes in der Richtung automatisch zu ändern, die das Klopfen verschwinden läßt.
• Das Klopfphänomen tritt durch Schwingungen in Erscheinung, die bei Resonanzfrequenzen der Brennkammer Leistungsspitzen haben, wo es auftritt. Diese Frequenzen nehmen mit dem Zylinderdurchmesser und der Temperatur der Gase zu, was bewirkt, daß die Frequenz die Tendenz hat, infolge der Abkühlung der Gase im Verlauf der Entspannungsphase abzunehmen. Die Resonanzfrequenzen ändern sich ebenfalls mit wachsender Abhängigkeit von der Motordrehzahl und in geringerem Ausmaß von dessen Last, die sich auf die Temperatur der Gase auswirkt.
• Die auf dem Klopfen beruhenden Schwingungen überlagern sich mit dem Hintergrundrauschen des Motors, dessen Leistungsdichte oberhalb von etwa 6 kHz geringer wird und das wenig von dem Vorhandensein oder dem Fehlen des Klopfens abhängig ist.
• Als allgemeine Regel, die auf dem Klopfen beruhenden Schwingungen weisen einen ersten Peak bei einer Frequenz f1 auf, die bei den üblichen Motoren im allgemeinen zwischen 7 und 8 kHz enthalten ist, wenn der Motor mit niedriger Drehzahl arbeitet, und um etwa 2 kHz zunimmt, wenn sich die Motordrehzahl erhöht. Ein zweiter Leistungspeak bei einer Frequenz f2, die im allgemeinen bei niedriger Drehzahl 11 bis 13 kHz ist, tritt erst auf, wenn das Klopfphänomen stark ist; wenn es vorhanden ist, kann es aufgrund der Tatsache eines besseren Rauschabstandes leichter als der erste Peak nachgewiesen werden. Schließlich wird vor dem Auftreten der Peaks mit Frequenzen f1 und f2 häufig ein dritter Peak beobachtet, wenn sich der Kolben in der Nähe des oberen Totpunktes bei einer Frequenz befindet, die im allgemeinen bei niedriger Drehzahl 16 bis 17 kHz ist und selbst ebenfalls im gleichen Maße um etwa 2 kHz zunimmt, wie die Drehzahl und die Last des Motors zunehmen.
• Aus der US-A-4 467 634 ist bereits ein Verfahren zum Ermitteln des Klopfens eines Motors mit Funkenzündung bekannt, bei dem die an einem Ort des Motors in der Nähe der Brennkammern ermittelten Schwingungen in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, das verstärkt wird, im elektrischen Signal die Energie in wenigstens einem Klopffrequenzband und in wenigstens einem Grundgeräuschfrequenzband, das niedriger als das höhere Klopffrequenzband ist, im Verlauf wenigstens eines mit dem Arbeitstakt des Motors synchronisierten Zeitfensters isoliert wird und das Vorliegen des Klopfens durch Vergleichen unter Verwendung wenigstens des Leistungsniveaus in dem Grundgeräuschband und des Leistungsniveaus in dem oder den Klopfbändern ermittelt wird. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt insbesondere einen Schwingungsdetektor, der am Motor an einem in der Nähe der Brennkammern gelegenen Ort angeordnet ist und ein elektrisches Signal auf wenigstens zwei parallelen Wegen ausgibt, umfassend Mittel zur Verstärkung und Gleichrichtung des Signals, die während wenigstens einem mit dem Arbeitstakt des Motors synchronisierten Zeitfenster der Ermittlung des Grundgeräusches für wenigstens einen Weg und der Ermittlung des Klopfens für wenigstens einen anderen Weg zugeordnet sind, wobei jeder Weg einen Bandfilter umfaßt, der einen von demjenigen der anderen Filter verschiedenen Durchlaßbereich aufweist.
• In diesem Dokument sind jedoch die Verstärkungsmittel logarhithmische Verstärker, die in jedem Weg dem entsprechenden Bandfilter folgen, und den Gleichrichtmitteln jedes Weges ist ein Hüllkurvendetektor nachgeordnet, der aus einem Tiefpaßfilter besteht, und das Hüllkurvensignal jedes Weges wird in einem zu dem betrachteten Weg gehörigen Komparator mit einem den Wegen gemeinsamen Schwellwert verglichen, der ausgehend von dem Signal in einem Klopfweg mit Überlagerung einer Offsetspannung festgelegt worden ist, damit der Schwellwert gegebenenfalls, beispielsweise abhängig von der Drehzahl des Motors, modifiziert wird, oder mit einem Schwellwert, der zu jedem Weg gehört und unter etwa analogen Bedingungen festgelegt worden ist. Die Ausgangssignale der Schwellwertkomparatoren werden auf ein logisches Glied gegeben, das ebenso ein Signal während des Meßfensters empfängt derart, daß das logische Glied ein Signal ausgibt, das das Vorhandensein von Klopfen anzeigt, wenn zum einen der Weg zur Ermittlung bei der Klopffrequenz ein Signal liefert, während der dem Hintergrundrauschen zugeordnete Weg dieses nicht während des Meßfensters liefert, wobei das das Vorhandensein von Klopfen anzeigende Signal während einer bestimmten Zeit auf einem Eingang eines zweiten logischen Gliedes gehalten werden muß, um gültig erklärt zu werden.
• Das Dokument US-A-4 345 558 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Klopfens, die die Lehre des vorhergehenden Dokuments lediglich dahingehend ergänzen, daß es eine Umschaltung der Filter vorsieht, um abhängig von bestimmten Betriebsparametern des Motors wie der Drehzahl von einem Ermittlungsweg zum anderen überzugehen.
• Im übrigen sind aus der EP-A-361 057, die eine frühere Priorität als die der vorliegenden Anmeldung genießt, aber später veröffentlicht worden ist, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Klopfens bekannt, so wie das von einem Schwingungsaufnehmer ausgegebene Signal parallel auf drei Wegen übertragen wird, von denen einer dem Grundgeräusch und zwei dem Klopfen zugeordnet sind und die jeweils einen Bandfilter mit einem Durchlaßbereich verschieden von dem der anderen Filter und einen Gleichrichter umfassen. Die Signale der vom Klopfen betroffenen Wege werden verglichen, und wenn das Verhältnis des kleinsten zum größten der Signale kleiner als ein gegebener Wert ist, wird lediglich das größte Signal integriert und mit einem Signal verglichen, das sich aus der Integration des nicht verstärkten, aber auf einen regelbaren Schwellwert erhöhten Grundgeräuschsignals ergibt. Wenn hingegen das Verhältnis der Signale der Klopfwege größer als der gegebene Wert ist, wird die Summe dieser Signale integriert, dann mit einem Signal verglichen, das bei Integration des Signals des Hintergrundrauschweges nach Verstärkung, dann Addition des regelbaren Schwellwertes erhalten worden ist.
• Diese Verfahren und die Vorrichtungen zu ihrer Durchführung haben allgemein eine unzureichende Trennschärfe.
• Die Erfindung bezweckt die Zurverfügungstellung eines Ermittlungsverfahrens und einer Vorrichtung, die besser als die zuvor bekannten den Anforderungen der Praxis entsprechen, insbesondere dahingehend, daß sie zugleich eine verbesserte Empfindlichkeit und Trennschärfe aufweisen.
• Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung ein Ermittlungsverfahren des aus der US-A-4 467 634 bekannten Typs vor, wie es obenstehend an erster Stelle dargestellt wurde, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß:
• - man die Verstärkung des elektrischen Signals mit einem regelbaren Koeffizienten ausführt,
• - man den Verstärkungskoeffizienten des Signals für jedes der Frequenzbänder abhängig von der Leistung des Signals in dem einzigen Grundgeräuschfrequenzband steuert,
• - man die Energie des elektrischen Signals in wenigstens zwei Klopffrequenzbändern isoliert, nämlich ein Hochfrequenzband und ein Niederfrequenzband, und
• - man das Vorliegen des Klopfens durch Vergleichen des Leistungsniveaus im Grundgeräuschband mit einem Leistungsniveau ermittelt, das sich aus einer Wahl zwischen den Klopffrequenzbändern oder einer Kombination zwischen diesen Klopffrequenzbändern ergibt.
• Die Erfindung bezweckt ebenso, eine Vorrichtung zur Klopfermittlung zur Verfügung zu stellen, die zur Ausführung des obenstehend definierten Verfahrens bestimmt ist.
• Zu diesem Zweck ist die Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform ebenso von dem aus der US-A-4 467 634 bekannten Typ, wie er obenstehend an erster Stelle dargestellt wurde, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsmittel ein allen Wegen gemeinsamer Verstärker mit regelbarer Verstärkung sind, der zwischen dem Detektor und den Bandfiltern angeordnet ist und einen einzigen, der Ermittlung des Grundgeräusches zugeordneten Weg speist, enthaltend auch eigene Integrationsmittel und Eich/Abtastkorrekturmittel, und wobei das integrierte Grundgeräuschsignal auf einen Verstärkungssteuereingang des Verstärkers mit regelbarer Verstärkung gegeben wird, der ebenso wenigstens zwei der Ermittlung des Klopfens zugeordnete Wege speist, enthaltend auch eigene Integrations- und Eich/Abtastkorrekturmittel, wobei die Ausgangssignale der Eich/Abtastkorrekturmittel auf den Eingang von Zeitmultiplexmitteln gegeben werden, die aufeinanderfolgend ihre Abtastausgangssignale zu einer digitalen Datenverarbeitungseinheit schicken, die das oder die Zeitfenster so steuert, daß es (sie) jeweils einem Bruchteil der Entspannungsphase einer der Brennkammern des Motors entspricht (entsprechen), und die Integrations-, Eich/Abtastkorrektur- und Multiplexmittel steuert und ein Signal bildet, daß das Klopfen abhängig von den Ergebnissen von Vergleichen anzeigt, die zwischen den Abtastsignalen vorgenommen werden, die sie empfängt.
• Bei einer ersten Variante dieser ersten Ausführungsform umfaßt jeder der der Ermittlung des Klopfens zugeordneten Wege seine eigenen Gleichricht- und Integrationsmittel, die während eines entsprechenden Zeitfensters integrieren, wobei die entsprechenden Eich/Abtastkorrekturmittel den verschiedenen Wegen für die Ermittlung des Klopfens gemeinsam sind und an ihrem Eingang das Ausgangssignal von Wählmitteln empfangen, die dasjenige der Signale auswählen, das unter denjenigen das stärkste ist, die von den Integrationsmitteln der Wege für die Ermittlung des Klopfens kommen, nach einem Vergleich der Signale durch die Wählmittel steuernden Vergleichsmittel.
• Bei einer zweiten Variante der ersten Ausführungsform umfassen die der Erfassung des Klopfens zugeordneten Wege jeweils einen Schalter für die Wahl des Zeitfensters und sind mit dem Eingang von Signalsummiermitteln verbunden, die diesen Wegen gemeinsam sind und deren Ausgang mit dem Eingang der diesen Wegen ebenso gemeinsamen Gleichricht-, Integrationsund Eich/Abtastkorrekturmittel verbunden ist, wobei die Integrationsdauer der Integrationsmittel die Zeitfenster überdeckt, die durch die Einheit für das Schließen der Schalter gesteuert werden.
• Selbstverständlich weisen die Bandfilter der dem Klopfen zugeordneten Wege bei den verschiedenen Vorrichtungen gemäß der Erfindung jeweils einen Durchlaßbereich entsprechend dem einen der Leistungspeaks des Klopfens auf.
• Bei der zweiten vorgenannten Variante wird jeder Schalter derart gesteuert, daß der entsprechende Weg die Summiermittel einzig während des entsprechenden bestimmten Bruchteils der Entspannungsphase entsprechend einem signifikanten Vorhandensein eines Leistungspeaks im Band des entsprechenden Filters speist. Diese Bruchteile der Entspannungsphase können aneinanderstoßend sein oder eine Überlappung aufweisen.
• Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfaßt die Vorrichtung noch einen Schwingungsdetektor, der an einem den Brennkammern nahegelegenen Ort des Motors angeordnet ist und ein elektrisches Signal liefert, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Signal zu einem Verstärker mit regelbarer Leistung übertragen wird, der Schaltmittel für die Wahl von Zeitfenstern speist, deren Ausgang mit einem Analog-Digitalumsetzer verbunden ist, der seinerseits durch seinen Ausgang mit einem Organ zur Umwandlung des elektrischen Signals mit zeitlicher Änderung in Daten zur Definition des Signals im Frequenzbereich für den in jedem Zeitfenster enthaltenen Signalabschnitt verbunden ist, und eine Einheit zur digitalen Verarbeitung von Daten, zu der das Organ die Definitionsdaten des Signals im Frequenzbereich überträgt, und es gestattet, die spektrale Leistungsdichte im Grundgeräuschfrequenzband und in den wenigstens zwei Frequenzbändern zur Ermittlung des Klopfens zu bestimmen, einen Vergleich zwischen den Dichten durchzuführen, um ein Signal für das Vorhandensein oder Fehlen des Klopfens auszugeben, die Verstärkung des Verstärkers abhängig von der Leistungsdichte im Grundgeräuschband zu steuern und die Schaltmittel für die Wahl von Zeitfenstern derart zu steuern, daß jedes Zeitfenster mit dem Arbeitstakt des Motors synchronisiert ist.
• Zahlreiche weitere Ausführungsformen sind möglich, wobei bestimmte der Bestandteile, die oben erwähnt worden sind oder aus einer verschiedenen Kombination dieser Bestandteile bestehen, fortgelassen werden, wobei Elemente mehrerer der weiter oben betrachteten Lösungen wieder aufgegriffen werden.
• Im allgemeinen wird den zur Ermittlung der Leistungspeaks des Klopfens bestimmten Filtern eine Breite gegeben, die zwischen 600 Hz und 1 kHz enthalten ist, ausreichend zur Berücksichtigung der Verschiebung des Peaks im Verlauf des Expansionshubes und/oder die Filter werden automatisch eingestellt, beispielsweise in Reaktion auf die Drehzahl des Motors, um die Zentralfrequenz um etwa 2 kHz zu ändern.
• Es können insbesondere Filter mit schaltbaren Kondensatoren verwendet werden, was es gestattet, die Zentralfrequenz schrittweise, beispielsweise in 8 Schritten von 250 Hz zu ändern.
• Die Erfindung wird beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung spezieller Ausführungsformen besser verstanden, die zu nicht einschränkenden Beispielszwecken gegeben sind. Die Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, in denen:
• Figur 1 ein synoptisches Prinzipschaltbild ist, das eine erste Ausführungsform der Erfindung mit Ermittlung des Klopfens in zwei Frequenzbändern zeigt;
• Figur 2 ein Zeitdiagramm ist, das die Meßfenster und die Auswahl des Meßsignals in der Vorrichtung von Figur 1 zeigt;
• Figur 3 ähnlich Figur 1 eine Ausführungsform zeigt, bei der die Ermittlung des Klopfens in drei Frequenzbändern erfolgt;
• Figur 4 ähnlich Figur 2 ein Zeitdiagramm ist, das die Meßfenster in den verschiedenen Zweigen der Vorrichtung von Figur 3 zeigt;
• Figur 5 ein Diagramm ist, das den Verlauf der Hüllkurve der Fourier-Transformierten des Signals bei Vorhandensein und bei Fehlen von Klopfen zeigt, das von einem in der Nähe eines Zylinders angeordneten Beschleunigungsmesser geliefert wird;
• Figur 6 ähnlich Figuren 1 und 3 noch eine weitere Ausführungsvariante der Erfindung zeigt.
• Die Vorrichtung zur Ermittlung des Klopfens, deren Prinzipaufbau in Figur 1 gezeigt ist, umfaßt einen Aufnehmer, der allgemein aus einem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser 10 besteht, der eine im verwendeten Meßbereich, d.h. bis ungefähr 14 kHz, etwa ebene Kennlinie aufweist. Der Beschleunigungsmesser 10 ist im allgemeinen auf dem Zylinderkopf angeordnet. Sein Ausgangssignal wird auf den Eingang eines breitbandigen Verstärkers 12 gegeben, der einen Verstärkungsteuereingang 14 aufweist, dessen Rolle später dargestellt wird.
• Das Ausgangssignal des Verstärkers 14 wird auf drei Zweige 16, 18 und 20 gegeben, von denen einer 20 dazu bestimmt ist, eine Auswertung des Grundgeräusches zu geben und die Verstärkung des Verstärkers zu steuern. Die drei Zweige haben denselben allgemeinen Aufbau. Sie umfassen jeweils einen Bandpaßverstärker 22, einen einfachen oder Ganzwellengleichrichter 24 und einen Integrator 28, der eine Zeitintegration während der Dauer eines Meßfensters ausführt, das durch das Anliegen eines Signals an einem Eingang 26 festgelegt ist. Die Dauer dieses Signals entspricht einem bestimmten Drehbereich der Kurbelwelle des Motors und hängt damit von der Drehzahl des Motors ab.
• Der Zweig 16 ist dazu bestimmt, die Klopfschwingungen in einem auf eine tiefe Frequenz f1 zentrierten Band zu ermitteln. Hierzu weist der Bandpaßfilter 22 dieses Zweiges allgemein bei niedriger Drehzahl eine Zentralfrequenz von 6,5 kHz auf und ist ausgebildet, um deren schrittweise Erhöhung, beispielsweise um 250 Hz, auf eine Amplitude zu gestatten, die beispielsweise 2 kHz ist. Der Filter kann insbesondere von dem Typ mit Kondensatoren sein, die durch Steuerung auf einen Eingang 30 geschaltet werden. Auf den Filter folgt der einfache oder Ganzwellengleichrichter 24 und der Integrator 28, der mit einem Nullrücksetzeingang RAZ versehen ist.
• Der zweite Zweig 18 hat einen Aufbau ähnlich wie der erste, außer wenn der Filter 18 eine höhere Zentralfrequenz f2 hat, die beispielsweise mit Schritten derselben Amplitude wie der Zweig 16 von 11 kHz auf 13 kHz geändert werden kann. Die Bandbreite kann überdies 600 bis 1000 Hz sein.
• Die Zentralfrequenzen f1 und f2 werden für jeden Motortyp ausgewählt; in der Praxis ändern sie sich jedoch mehr oder weniger entsprechend dem Motor um nicht mehr als etwa 10 %.
• Es können mehrere Auswahlvorgänge für den Zweig 20 getroffen werden. Eine erste Lösung besteht darin, das Grundgeräusch in dem zwischen den Frequenzen f1 und f2 enthaltenen Intervall zu ermitteln, beispielsweise mit einem Filter, der bei niedriger Drehzahl eine Zentralfrequenz von 9 bis 10 kHz und ebenfalls eine Bandbreite von 600 bis 1000 Hz aufweist, die in Abhängigkeit von der Drehzahl verschiebbar ist. Eine weitere Lösung besteht darin, im Zweig 20 einen Filter 22 vorzusehen, dessen Zentralfrequenz kleiner als f1, beispielsweise um 2,5 kHz ist, was eine größere Bandbreite (beispielsweise 3 kHz) gestattet. Aus Kohärenzgründen zwischen den drei Wegen ist es häufig vorteilhafter, Filter vorzusehen, die eine Bandbreite derselben Größenordnung aufweisen, wobei die Zentralfrequenz des Filters des Zweiges 20 zwischen den Frequenzen f1 und f2 enthalten ist. In diesem Fall besteht eine Lösung, die den Vorteil der Einfachheit hat, darin, dieselben Integrationszeitfenster für die drei Zweige vorzusehen, die beispielsweise ausgehend von dem oberen Totpunkt einem Winkel von 0 bis 70º entsprechen, wie für den Winkel Θ in Figur 2 gezeigt ist; in der Praxis kann sich die Grenze des Winkelfensters zwischen 60º und 75º ändern.
• Der Zweig 20 umfaßt eine Blockier-Abtastkorrektureinrichtung 32, die an ihrem Ausgang ein Analogmeßsignal des Ergebnisses der Integration liefert. Dieses Signal steuert zum einen die über ein Integrierglied 34 mit großer Zeitkonstante (entsprechend mehreren Arbeitstakten des Motors) die Verstärkung des Verstärkers 12, zum anderen wird es bei ggf. Zusatz einer Verschiebungsspannung, wenn das Integrationsfenster nicht dasselbe wie bei den beiden anderen Zweigen ist, auf einen der Eingänge eines Multiplexers 36 gegeben. Der Multiplexer 36 liefert somit ein Grundgeräuschsignal zu einer Verarbeitungseinheit 38, die der Zentralrechner eines Kraftfahrzeuges oder eine Leiterplatte sein kann, die die Steuerbauteile für die Kraftstoffversorgung und/oder Zündung des Motors trägt.
• Die Ausgänge der beiden anderen Zweige 16 und 18 werden während der gesamten Dauer des Integrationssfensters durch einen Komparator 40 verglichen, der einen Schalter 42 steuert, um denjenigen der Ausgänge, der sich auf dem höchsten Pegel befindet, zu einem zweiten Blockier-Abtastkontrollglied 44 hin zu orientieren. Die Ausgabe des Blockier-Abtastkontrollglieds 44 wird auf den zweiten Eingang des Multiplexers 36 gegeben.
• Die Verarbeitungseinheit 38 erfüllt verschiedene Funktionen. Sie erzeugt ausgehend von einem (nicht dargestellten) Taktgeber und einem den Motor versorgenden, durch einen Kontakt liefernden Phasensignal die Integrationsfenster. Sie regelt die Zentralfrequenz der Bandpaßfilter 22 ausgehend von einem vom Motor herkommenden Drehzahlsignal N. Dieses Signal kann insbesondere von einem Unterbrecher herkommen, der auf der Motorwelle angeordnet ist und auch die Phasenreferenz liefert, die es gestattet, die Integrationsfenster festzustellen. Die Recheneinheit 38 erstellt auch Signale zum Nullsetzen der Integrierglieder und zur Steuerung des Multiplexers 36.
• In Figur 2, in der die Linien 42, 26 und 36 die Änderung der Signale am Ausgang der Bauteile angeben, die dieselbe Zahl aus Figur 1 tragen, ist ersichtlich, daß die Ausgaben der Blockier-Abtastkontrollglieder 44 und 32 nacheinander zur Recheneinheit 38 zu Zeitpunkten gegeben werden, die Winkeln Θ1 und Θ2 ausgehend vom oberen Totpunkt entsprechen. Diese Ausgangspegel werden durch einen Analog-Digitalumsetzer 46 digitalisiert und in einem schnellen Speicher 48 gespeichert.
• Es können verschiedene Strategien zur Bestimmung des Vorhandenseins von Klopfen verwendet werden. Gewöhnlich wird vorzugsweise eine getrennte Ermittlung betreffend jeden der Zylinder des Motors durchgeführt, wobei ein Zylinder das Phänomen des Klopfens vor den anderen aufweisen kann. Eine Strategie, die gute Resultate liefert, besteht darin, die Beziehung zwischen den Ausgangssignalen der Blockier-Abtastglieder 44 und 32 zur Zeit eines gegebenen Arbeitstaktes bei gewogenem Mittel derselben Beziehung zu den vorhergehenden Arbeitstakten zu vergleichen. Die Verarbeitungseinheit liefert beispielsweise ein Signal, das das Auftreten des Klopfens anzeigt, wenn die folgende Ungleichung verifiziert ist:
• Rn ≥ K. C. Rm
• wobei
• Rm = Rn-4/2 + Rn-8/4 + Rn-12/8 +...
• im Fall eines Motors mit vier Zylindern n die laufende Nummer eines Abtastkontrollvorgangs ist.
• K ist ein von der Drehzahl des Motors abhängiger Koeffizient, der in einem Festspeicher 50 gespeichert ist. C ist ein Koeffizient, der zwei Werte (oder mehr) abhängig von der Ableitung ΔN/ΔΘ der Drehzahl des Motors in bezug auf den Winkel annehmen kann.
• Die gerade beschriebene Ausführungsform hat eine hohe und etwa konstante Empfindlichkeit, denn die Schwingungen werden stets in dem Frequenzbereich ermittelt, der die besten Resultate liefert, und die Steuerung der Verstärkungsleistung hält das Geräuschsignal auf einem fast konstanten Niveau. Die Risiken einer falschen Ermittlung sind durch die Verwendung einer Strategie unter Berücksichtigung der Entwicklung des Signals abgeschwächt.
• Die in Figur 3 gezeigte Ausführungsvariante, bei der die mit den in Figur 1 gezeigten identischen Elemente dieselbe Bezugszahl tragen, unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform insbesondere dahingehend, daß sie einen dritten Zweig zur Ermittlung eines weiteren Schwingungspeaks aufgrund des Klopfens umfaßt. Dieser dritte Zweig 52 umfaßt noch einen Bandpaßfilter 22, der im Niederfrequenzbereich eine Zentralfrequenz von 16 kHz und eine Bandbreite von 600 bis 1000 Hz aufweist, die in Reaktion auf einen von der Verarbeitungseinheit 38 empfangenen Befehl zu den hohen Frequenzen hin verschiebbar ist.
• Bei der Variante von Figur 3 gibt es keine Wahl zwischen mehreren Zweigen zur Ermittlung des Klopfens, sondern eine Summierung der von den Filtern während aufeinanderfolgenden Winkelfenstern herkommenden Signale, die ggf. eine Überlappung aufweisen. Zu diesem Zweck umfaßt jeder der Zweige 16a, 18a und 52 einen durch die Verarbeitungseinheit 38 gesteuerten speziellen Schalter 54. Im Fall von Figur 4 geht das dem Zweig 16a, dessen Filter 22 eine Zentralfrequenz f1 von 7 kHz bei Beschleunigung aufweist, zugeordnete Winkelfenster von 50 bis 70º. Das dem Zweig 18a mit Frequenz f2 zugeordnete Fenster geht von 30 bis 50º. Schließlich geht das dem zur Ermittlung des Peaks bei hoher Frequenz bestimmten Zweig 52 zugeordnete Fenster von 0 bis 30º. Diese Werte können sämtlich um einige Grad ohne merkliche Änderung der Leistungen abgeändert werden. Die Ausgaben der drei Schalter werden auf einen Analogsummierer 56 gegeben. Der Ausgang des Summierers ist mit einem Gleichrichter 58 bei einer oder bei zwei Halbperioden verbunden, der ein Integrierglied 60 treibt, dessen Integrationsfenster im ganzen durch die Schalter 54 festgelegten Fenstern entspricht. Schließlich erfüllt ein Blockier-Abtastkontrollglied 44 dieselbe Rolle wie das von Figur 1 und speist einen der Eingänge des Schalters 36.
• Der Referenzzweig, der dazu bestimmt ist, eine Anzeige des Hintergrundgeräusches zu geben, hat denselben Aufbau wie in Figur 1. Er steuert auch die Leistung des Verstärkers 12.
• Die Vorrichtung von Figur 3 umfaßt wie diejenige von Figur 1 einen analogen Teil und einen digitalen Teil. Sie können in der Form einer Leiterplatte gebildet sein, die einen Mikroprozessor und digitale Speicher trägt und auch diskrete analoge Bauteile trägt. Die Filter 22 können Aktivfilter der zweiten Ordnung mit schaltbaren Kondensatoren sein. Die Schaltkreise können MOS-komplementär sein.
• Die Fourier-Transformierte des Signals des Beschleunigungsmessers zu einem geeigneten Zeitfenster ist in Figur 5 schematisch gezeigt. Das Hintergrundgeräusch des Motors verringert sich über ungefähr 6 kHz hinaus, d.h. weist eine Hüllkurve auf, deren Art von der durch die Kurve 62 in Figur 5 gezeigten Ausführung ist. Das Hintergrundrauschen bleibt bei Vorhandensein von Klopfen etwa dasselbe. Wenn das Klopfen ziemlich intensiv ist, weist es drei Peaks auf, die in dem durch die Kurve 64 von Figur 5 veranschaulichten Fall, die die Hüllkurve der Fourier-Transformierten des durch einen Beschleunigungsmesser bei Vorhandensein von Klopfen gelieferten Signals ist, etwa 6,5 kHz, 12 kHz und 15 kHz. Die Amplituden der Peaks nehmen mit der Drehzahl des Motors zu, und die Peaks verschieben sich zu höheren Frequenzen hin, die Kurven behalten jedoch denselben Verlauf.
• Die Ausführungsform von Figur 6 wendet diese Feststellungen an. Das Ausgangssignal des Verstärkers 12 wird auf einen Schalter 66 zur Fensterauswahl gegeben, der durch das Verarbeitungsorgan 38 gesteuert wird. Die Ausgangssignale des Schalters 66 werden durch einen Analog-Digitalumsetzer 68 digitalisiert, dann auf einen schnellen Fourier-Transformationskreis 70 eines Typs gegeben, der einer von den derzeit im Handel verfügbaren sein kann und der die TFR des Signals für jedes durch den Schalter 66 ausgewählte Fenster liefert.
• Die Verarbeitungseinheit 38 bestimmt für die auf f1, f2 und f3 zentrierten Frequenzbereiche, die abhängig von der Drehzahl des Motors gemäß einer in einem Festspeicher 50 gespeicherten Tabelle abgeändert sind, die Leistungsdichte des Signals beruhend auf den Hintergrundgeräuschen und dem eventuellen Klopfen in den drei Bereichen.
• Die Verarbeitungseinheit liefert durch Vergleich mit der spektralen Leistungsdichte in einem Bereich, in dem die Klopfschwingungen wenig Energie aufweisen, und der Anwendung einer Strategie der weiter oben erwähnten Art an einem Ausgang 72 ein Signal, das das Fehlen oder das Vorhandensein von Klopfen und ggf. die Stärke des Klopfens anzeigt.
• Die Leistung des Verstärkers 12 wird durch ein digitales Signal gesteuert, das von der Verarbeitungseinheit 38 geliefert und in einem Umsetzer 74 in ein Analogsignal umgewandelt wird derart, daß das auf das Rauschen zurückgehende Signal auf einem etwa konstanten Niveau gehalten wird.

Claims (12)

1. Verfahren zum Ermitteln des Klopfens eines Motors mit Funkenzündung, bei dem man

- an einem Ort des Motors in der Nähe der Brennkammern die ermittelten Schwingungen (10) in ein elektrisches Signal umwandelt, das verstärkt wird (12),

- während wenigstens eines mit dem Arbeitstakt des Motors synchronisierten (38) Zeitfensters (26, 38) im elektrischen Signal (22, 32, 44, 66, 70) die Energie in wenigstens einem Klopffrequenzband (16, 18, 16a, 18a) und in wenigstens einem Grundgeräuschfrequenzband (20, 20a) isoliert, das tiefer als das höchste Klopffrequenzband ist,

- das Vorliegen des Klopfens durch Vergleichen (38) ermittelt unter Verwendung wenigstens des Leistungsniveaus (28, 32) im Grundgeräuschfrequenzband (20, 20a) und des Leistungsniveaus (44) in dem oder den Klopffrequenzbändern (16, 18, 16a, 18a),

dadurch gekennzeichnet,

daß man

- die Verstärkung des elektrischen Signals mit einem regelbaren Koeffizienten ausführt (12),

- den Verstärkungskoeffizienten (12) des Signals für jedes der Frequenzbänder in Abhängigkeit von der leistung des Signals in dem einzigen Grundgeräuschfrequenzband (20, 20a) steuert, (28, 32, 34, 74)

- die Energie des elektrischen Signals in wenigstens zwei Klopffrequenzbänder isoliert, nämlich ein Hochfrequenzband (18, 18a) und ein Niederfrequenzband (16, 16a), und

- das Vorliegen des Klopfens durch Vergleichen (38) des Leistungsniveaus (28, 32) im Grundgeräuschband (20; 20a) mit einem Leistungsniveau (44) ermittelt, das sich aus einer Wahl (40) zwischen den Klopffrequenzbändern (16, 18) oder einer Kombination (56) zwischen diesen Klopffrequenzbändern (16a, 18a) ergibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klopffrequenzbänder (16, 18; 16a, 18a) bei niedriger Motordrehzahl (N) auf die Umgebungen von 6,5 kHz bzw. 11 kHz zentriert und entsprechend einer Erhöhung der Motordrehzahl (N) vergrößert werden (38, 50), wobei die maximale Zunahme des Motors in der Größenordnung von 2 kHz liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Klopffrequenzbänder zwischen mehreren gegebenen Werten (50) gewählt und in Abhängigkeit von der Motordrehzahl (N) umgeschaltet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichet, daß das Vergleichen (38) erfolgt unter Beachtung der Differenz zwischen dem Leistungsniveau in den Klopffrequenzbändern während eines Takts und einem gewogenen Mittel des Niveaus während mehrerer vorhergehender Takte.

5. Vorrichtung zum Ermitteln des Klopfens zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 mit einem Schwingungsdetektor (10), der am Motor an einem in der Nähe der Brennkammern gelegenen Ort angeordnet ist und ein elektrisches Signal auf wenigstens zwei parallelen Wegen (16, 18, 20; 16a, 18a, 20a) liefert, die Verstärkungsmittel (12) und Gleichrichtmittel (24, 58) umfassen und während wenigstens eines mit dem Arbeitstakt des Motors synchronisierten Zeitfensters der Ermittlung des Grundgeräusches für wenigstens einen Weg (20, 20a) und der Ermittlung des Klopfens für wenigstens einen weiteren Weg (16, 18, 16a, 18a, 52) zugeordnet sind, wobei jeder Weg einen Bandfilter (22) aufweist, dessen Durchlaßbereich von demjenigen der anderen Filter (22) abweicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsmittel aus einem Verstärker (12) mit regelbarer Leistung bestehen, der allen Wegen gemeinsam ist, zwischen dem Detektor (10) und den Bandfiltern (22) angeordnet ist und einen einzigen, der Ermittlung des Grundgeräusches zugeordneten Weg (20, 20a) speist, enthaltend auch eigene Integrationsmittel (28) und Abtastkontrollmittel (32), wobei das integrierte Grundgeräuschsignal auf einen Leistungssteuereingang des Verstärkers (12) mit regelbarer Verstärkung gegeben wird, der auch wenigstens zwei Wege (16, 18, 16a, 18a, 52) speist, die der Ermittlung des Klopfens zugeordnet sind, enthaltend auch eigene Integrationsmittel (28, 60) und Abtastmittel (44), wobei die Ausgangssignale der Abtastmittel (32, 44) auf den Eingang von Zeitmultiplexmitteln (36) gegeben werden, die aufeinanderfolgend ihre abgetasteten Ausgangssignale zu einer digitalen Datenverarbeitungseinheit (38) schicken, die das oder die Zeitfenster so steuert, daß es oder sie jeweils einem Bruchteil der Entspannungsphase einer der Brennkammern des Motors entsprechen, und die Integrationsmittel (28, 60), die Abtastmittel (32, 44) sowie die Multiplexmittel (36) steuert, und ein Signal bildet, das das Klopfen in Abhängigkeit von den Ergebnissen von Vergleichen anzeigt, die zwischen den von ihr empfangenen abgetasteten Signalen vorgenommen werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Wege (16, 18) für die Ermittlung des Klopfens seine eigenen Gleichrichtmittel (24) und Integrationsmittel (28) aufweist, die während eines entsprechenden Zeitfensters integrieren, wobei die entsprechenden Abtastmittel (44) den verschiedenen Wegen für die Ermittlung des Klopfens gemeinsam sind und an ihrem Eingang Ausgangssignale von Wählmitteln (42) empfangen, die von Signalen dasjenige wählen, das unter denen am höchsten ist, die von den Integrationsmitteln (28) der Wege (16, 18) für das Ermitteln des Klopfens kommen, nach einem Vergleich dieser Signale durch die Wählmittel (42) steuernden Vergleichmittel (40).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die digitale Datenverarbeitungseinheit (38) ein einziges Integrationszeitfenster steuert, das so geregelt wird, daß es einem Winkelfenster von ungefähr 70º entspricht, ausgehend vom oberen Totpunkt der Brennkammer des Motors.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wege (16a, 18a, 52) für die Ermittlung des Klopfens jeweils einen Schalter (54) für die Wahl des Zeitfensters aufweisen und mit dem Eingang von Signalsummiermitteln (56) verbunden sind, die diesen Wegen gemeinsam sind und deren Ausgang mit dem Eingang von ebenfalls diesen Wegen gemeinsamen Gleichrichtmitteln (58), Integrationsmitteln (60) und Abtastmitteln (44) verbunden sind, wobei die Integrationsdauer dieser Integrationsmittel (60) die Zeitfenster überdeckt, die durch die Einheit (38) für das Schließen der Schalter (54) gesteuert werden.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß sie einen dritten Weg (52) für die Ermittlung des Klopfens aufweist und

daß die zentrale Frequenz (f1, f2, f3) bei niedriger Drehzahl und die Zeitfenster für die drei Wege zur Ermittlung des Klopfens (16a, 18a, 52) jeweils betragen: ungefähr 7 kHz und 50 bis 70º ausgehend vom oberen Totpunkt für den ersten Weg (16a), 11 kHz und 30 bis 50º ausgehend vom oberen Totpunkt für den zweiten Weg (18a) und 16 kHz und 0 bis 30º ausgehend vom oberen Totpunkt für den dritten Weg (52).

10. Vorrichtung zum Ermitteln des Klopfens zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, mit einem Schwingungsdetektor (10), der an einem den Brennkammern nahe gelegenen Ort des Motors angeordnet ist und ein elektrisches Signal liefert, dadurch gekennzeichnet,

daß das Signal zu einem Verstärker (12) mit regelbarer Leistung übertragen wird, der Schaltmittel für die Wahl von Zeitfenstern (66) speist, deren Ausgang mit einem Analog-Digitalumsetzer (68) verbunden ist, der seinerseits durch seinen Ausgang verbunden ist mit einem Organ (70) zur Umformung des elektrischen Signals mit zeitlicher Änderung in Daten zur Definition des Signals im Frequenzbereich für den Signalabschnitt in jedem Zeitfenster, und

daß eine Einheit (38) zur digitalen Verarbeitung Daten, auf die das Organ (70) die Daten zur Definition des Signals im Frequenzbereich überträgt, folgendes ermöglicht: eine Bestimmung der spektralen Leistungsdichte im Grundgeräuschfrequenzband und in wenigstens zwei Frequenzbändern zur Ermittlung des Klopfens, eine Ausführung eines Vergleichs zwischen den Dichten zur Lieferung eines Signals für das Vorhandensein oder Fehlens des Klopfens, eine Steuerung der Leistung des Verstärkers (12) in Abhängigkeit von der Leistungsdichte im Grundgeräuschband und eine Steuerung der Schaltmittel (66) für die Wahl von Zeitfenstern derart, daß jedes Zeitfenster mit dem Arbeitstakt des Motors synchronisiert ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Organ (70) zur Umformung jedes elektrischen digitalisierten Signalabschnitts in Daten zur Definition des Signals im Frequenzbereich eine Schaltung für eine schnelle Fourier-Transformation aufweist, die die schnelle Fourier-Transformierte des Signals für jedes durch die Schaltmittel (66) gewählte Fenster zur Verarbeitungseinheit (38) liefert.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (38) einerseits die Leistung des Verstärkers (12) durch ein digitales Signal steuert, das in einem Digital-Analogumsetzer (74) in ein analoges Signal umgewandelt wird, so daß das durch das Geräusch bedingte Signal auf einem im wesentlichen konstanten Niveau gehalten wird, und andererseits die zentralen Frequenzen (f1, f2, f3) des Grundgeräuschfrequenzbands und von wenigstens zwei Frequenzbändern zur Ermittlung des Klopfens in Abhängigkeit von der Drehzahl (N) des Motors gemäß einer in einem Festspeicher (50) gespeicherten Tabelle abändert.