AT405334B

AT405334B - Verfahren zur klopferkennung für eine fremdgezündete brennkraftmaschine sowie vorrichtung zur durchführung des verfahrens

Info

Publication number: AT405334B
Application number: AT29194A
Authority: AT
Inventors: Helmut Schilly; Andreas Nithammer; Harald Krohm
Original assignee: Atlas Fahrzeugtechnik Gmbh
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1994-02-15
Publication date: 1999-07-26
Also published as: DE4409103B4; DE4409103A1; ATA29194A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klopferkennung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, deren Zylinder jeweils einen Drucksensor zur Aufnahme der Zylinderdruckkennlinie aufweisen.

Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades eines Verbrennungsmotors muss der Zündzeitpunkt so justiert werden, dass der Motor seine höchste Leistung abgibt. Dies wird durch ein hohes Verdichtungsverhältnis angestrebt, wobei jedoch die Gefahr des Auftretens von Klopferscheinungen, also unkontrolliert eintretende Selbstentzündungen des Kraftstoff-Luftgemisches mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis ansteigt. Das Klopfen erzeugt höchst unerwünschte Schwingungen, die zu einem hohen Verschleiss der bewegten Teile des Motors führen. Das Ziel besteht daher in der Vermeidung eines solchen Zustandes im inneren der Brennkraftmaschine.

Voraussetzung hierfür ist die Ermittlung dieses "Klopfzustandes", wobei als typische Zustandsgrösse neben anderen der Brennraumdruck herangezogen wird, der die Erfassung der zeitlichen und räumlichen Ausbreitung des Verbrennungsvorganges erlaubt.

Da man einerseits die schädliche Wirkung des Klopfens vermeiden möchte, aber andererseits bestrebt Ist, den zur Verfügung stehenden Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine möglichst weitgehend auszunutzen, muss die Brennkraftmaschine so geregelt werden, dass sie stets unterhalb der Klopfgrenze betneben wird.

Zur Bestimmung der Klopfgrenze eines bestimmten Motortyps bzw. um ein entsprechendes Zündkennlinienfeld zu erstellen, werden sogenannte Prüfstandklopforkennungsgeräte als Bestandteil eines Motorprüfstandes eingesetzt. Ist das Zündkennlinienfeld im Bezug auf Leistung, Verbrauch und Abgas optimiert, berücksichtigt Im späteren Betrieb des Motors das Zündsystem automatisch die von den Betriebsbedingungen abhängige Klopfgrenze.

Voraussetzung für die Erstellung des optimierten Zündwinkelkennfeldes ist die zuverlässige und störungsfreie Detektion des Klopfens. Hierbei besteht das Problem, dass die von dem Drucksensor erfassten Schwingungen neben den für das Klopfen charakteristischen Frequenzen auch Motor-Eigenschwingungen erfasst und somit als Hintergrundrauschen bzw. als Störsignal bezeichnet werden können. Ist beispielsweise der Drucksensor mit In den Zündkerzenadapter integnert, wird das Hintergrundrauschen als Störpegel insbesondere durch die Eigenschwingungen dieses Zündkerzenadapters erzeugt. Erschwerend kommt hinzu, dass die Eigenschwingungen als auch das Klopfsignal annähernd die gleichen Frequenzen aufweisen, der Störabstand also gering und ausserdem nicht konstant Ist und dass die Amplituden der Eigen- und Klopfschwingungen vom Motorbetriebspunkt abhängen.

Es hat sich gezeigt, dass der Störpegel, also die EigenSchwingungen bei der Klopfauswertung nicht vernachlässigt werden können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Klopferkennung der eingangs genannten Art, das eine zuverlässige Detektion des Klopfens sicherstellt. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Hiernach erfolgt eine automatische Messfenstereinstellung in Abhängigkeit der Winkelposition des
Druckmaximums, indem anhand eines differenzierten und zuvor normierten Sensorsignals diese Winkelposition ermittelt wird. Ein erstes Messfenster wird bei einem festen Winkel nach der Zündung geöffnet und bei
Erreichen des Druckmaximums geschlossen. Ein zweites Messfenster wird darauffolgend mit gleicher Breite wie diejenige des ersten Messfensters geöffnet. Gleichzeitig wird aus dem normierten Sensorsignal der niederfrequente Druckverlauf eliminiert, so dass die Frequenz der Eigen- und Druckschwingungen differen- ziert werden können. Diese gefilterten Sensorsignale werden zwecks Normierung mit einem bestimmten
Verstärkungsgrad verstärkt und stellen das eigentliche Messsignal dar.

Die Erzeugung des Klopfsignals erfolgt dadurch, dass das Messsignal das erste und zweite Messfenster durchläuft, anschliessend gleichgerich- tet und aufintegnert wird. Somit entsteht ein erstes und zweites Signalintegral, deren Differenz das Klopfsignal darstellt. das anschliessend einer Auswertung unterzogen wird.

Dieses erfindungsgemässe Verfahren lässt eine optimale Störunterdrückung zu, da die Eigenschwingun- gen schon vor dem Druckmaximum beginnen, während die Klopfsignale erst nach diesem Druckmaximum entstehen. Durch die Differenzbildung der beiden Signalintegrale wird simit das Störsignal nahezu vollstän- dig eliminiert.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens wird die Differenzbildung zur
Erzeugung eines Klopfsignals mittels eines gewichteten ersten Signalintegrals durchgeführt. Durch diese
Gewichtung können dynamische Störgrössenänderungen während der Messfensterphase berücksichtigt wer- den.

Das erfindungsgemässe Verfahren kann mit Vorteil für ein Prüfstandklopferkennungsgerät verwendet werden. Auch Ist es geeignet, zur Steuerung des Zündzeitpunkte einer Brennkraftmaschine zur Verhinde- rung des Klopfens einzusetzen.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine Regelschaltung zur
Normierung des Sensorsignales sowie zur Einstellung des Verstärkungsgrades zur Verstärkung des Stör- und Nutzsignals enthält, indem zunächst die Istwerte festgestellt und entsprechend eins vorgegebenen

Sollwert die Regelung bzw. die Einstellung vorgenommen wird. Die Vorrichtung geht von einem Stand der Technik nach dem Oberbegriff des Anspruches 3 aus, wobei angestrebt wird, dass ein automatischer Abglelch des von den Sensoren gelieferten Sensorsignales als auch der verstärkten und differenzierten Stör- und Nutzsignale erzielt wird. Dieses Ziel wird durch die Massnahme nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 3 erreicht.

Dadurch ergibt sich ein weiterer Vorteil, welcher in der Minimierung des Geräteeinsatzes und der Reduzierung des Bedienaufwandes beispielsweise in einem automatischen Motorprüfstand besteht.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Zeichnungen dargestellt und erläutert werden. Es zeigen :
Figur 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens innerhalb eines Prüfstandklopferkennungsgerätes,
Figur 2 eine von dem Drucksensor nach Figur 1 aufgenommene Druckkennlinie ohne Klopfschwin- gungen,
Figur 3 das nach Figur 2 gefilterte Drucksignal,
Figur 4 eine von dem Sensor nach Figur 1 aufgenommene Druckkennlinie mit Klopfschwingungen,
Figur 5 das nach Figur 4 gefilterte Signal und
Figur 6 Diagramme zur Erläuterung der Erzeugung des ersten und zweiten Messfensters.

Das Blockschaltbild nach Figur 1 stellt ein Prüfstandklopferkennungsgerät dar, wobei mit dem Bezugszeichen 1 die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt wird.

Hiernach nimmt ein Drucksensor 2. der als piezoelektrischer Druckaufnehmer an jedem Zylinder eines Ottomotors angebracht ist, die Druckkennlinie auf. Ein solcher Sensor kann als Miniaturdrucksensor in den Zündkerzenadapter integriert sein, der beispielsweise von der Firma Kistler oder der Firma Beru auf dem Markt angeboten werden.

Die Zylinderdrucksignale werden einem regelbaren Verstärker 3 zugeführt, dem einerseits direkt eine erste Differenzierstufe 8 und andererseits über ein Hochpassfilter 10 eine zweite Differenzierstufe 9 nachgeschaltet ist. Mit der ersten Differenzierstufe 8 wird der niederfrequente Druckverlauf nach Figur 2, Figur 4 oder Figur 6a differenziert. Mit dem Hochpassfilter 10 werden die für das Hintergrundrauschen als auch die für die Klopfschwingungen charakteristischen Frequenzen ausgefiltert. Figur 2 zeigt eine Druckkennlinie ohne Klopfschwingungen, dessen mit dem Hochpassfilter 10 gefiltertes Signal in Figur 3 dargestellt ist. Dagegen weist die Druckkennlinie nach Figur 4 auch Klopfschwingungen auf, die erst nach dem Druckmaximum entstehen. Das entsprechend gefilterte Signal ist in der Figur 5 dargestellt.

Um ein einwandfreies Funktionieren der beiden Differenzierstufen 8 und 9 zu gewährleisten, werden die von dem Sensor 2 gelieferten Drucksignale mittels des regelbaren Verstärkers 3 auf einen bestimmten Wert normiert. Diesen Abgleich führt eine Regelschaltung 4 durch, indem sie nach Feststellung des Istwertes des Verstärkungsgrades diesen anhand eines vorgegebenen Sollwertes einstellt. Diese Regelschaltung 4 nimmt auch eine Normierung der gefilterten und differenzierten Sensorsignale mit Hilfe einer der zweiten Differenzierstufe 9 nachgeschalteten regelbaren Verstärkerstufe 6 vor. Auch hier wird nach Feststellung des Istwertes des Verstärkungsgrades entsprechend einem vorgegebenen Sollwert dieser Verstärkungsgrad neu eingestellt.

Am Ausgang dieser Verstärkerstufe 6 steht nun ein Messsignal zur Verfügung, das sowohl das Hintergrundrauschen als auch die Frequenzen der Klopfschwingungen, also das Nutzsignal aufweist.

Zur Erzeugung eines Klopfsignals, das nur die Frequenzen der Klopfschwingungen enthält, dienen ein elektronischer Schalter 7 zusammen mit einer Zeitsteuerschaltung 5, die mit dem differenzierten Drucksi- gnal aus der ersten Differenzierstufe 8 als auch mit Informationen über den Zündzeitpunkt seitens eines Mikroprozessors 15 versorgt wird. Der elektronische Schalter 7 verbindet den Ausgang der Verstärkerstufe 6 mit einem Gleichrichter 11.

Diese Zeitsteuerschaltung 5 erzeugt durch Ansteuerung des Schalters 7 ein erstes und zweites Messfenster, wobei mit dem ersten Messfenster ausschliesslich das Störsignal gemäss Figur 3 und mit dem zweiten Messfenster das Stoor- ales auch das Nutzsignal gemäss Figur 5 erfasst werden. Da das Nutzsignal, also die Klopfschwingungen zeitlich erst nach dem Druckmaximum entstehen, muss daher das erste Messfenster zeitlich vor diesem Druckmaximum liegen. Die Zeitsteuerschaltung 5 öffnet daher bei einem bestimmten Winkel nach dem Zündzeitpunkt das erste Messfenster (vergleiche Figur 6c) und ermittelt anhand der negativen Steigungslinie des differenzierten niederfrequenten Drucksignals nach Figur 6b die Winkelposition des Druckmaximums.

Bei Erkennen dieses Druckmaximums wird das erste Messfenster geschlossen und darauffolgend das zweite Messfenster mit gleicher Breite wie die des ersten Messfensters erzeugt (vergleiche Figur 6c).

Die mit dem ersten und zweiten Messfenster erzeugten Messsignale werden anschliessend mit dem Gleichrichter 11 gleichgerichtet und mittels einer Integratorstufe 12 aufintegriert. Am Ausgang der Integratorstufe 12 steht somit ein erstes und zweites Signalintegral zur Verfügung, die in einem Spitzenwertspei-

cher 13 gespeichert werden.

Bevor diese gespeicherten Werte zwecks Auswertung einem Mikroprozessor 15 zugeführt werden, Ist mit einem A D-Wandler 14 die Umwandlung in binäre Grössen vorgesehen.

Da ein Messzyklus einem Zyklus der Brennkraftmaschine entspricht, wird nach jedem Zyklus der Spitzenwertspeicher 13 durch die Zeitsteuerschaltung 5 zurückgesetzt.

Der Mikroprozessor 15 führt nun folgende Auswertung der beiden digitalisierten Signal integrale durch.

Der Wert MF1 des ersten Signalintegrals gibt den Wert der Amplitude des Störsignals, also der Eigenschwingungen an, während der wert MF2 des zweiten Signalintegrals dem Wert der Eigen- und Klopf- schwingungsamplitude als Nutzsignal entspricht. Die Eliminierung der Störgrösse kann somit durch eine Differenzbildung der bel den Signal integrale MF2 und MF-gemäss folgender Formel erfolgen : K = MFz-MFi. wobei der Differenzwert K die Klopfintensität angibt.

Durch einen zusätzlichen Sicherheitsfaktor k werden dynamische Störgrössenänderungen während der Messfensterphase berücksichtigt. Dieser Sicherheitsfaktor k kann frei vorgegeben werden So ergibt sich für die Klopfvanable K : K = MF2- (k-MF,).

Anhand dieser Klopfvariable K kann entschieden werden, ob "Klopfen" vorliegt, wenn also K positiv ist, oder kein "Klopfen" vorliegt, falls K negativ ist.

Diese Vorrichtung 1 erlaubt somit eine optimale Klopfgrenzbestimmung durch Störsignalunterdrückung und automatischer Positionierung der beiden Messfenster. Schliesslich ergibt sich für das Prüfstandklopfer- kennungsgerät nach Figur 1 im Rahmen eines Motorprüfstandes ein hoher Bedienkomfort durch die automatische Abgleichfunktlon mittels der Regelschaltung 4, mit der eine automatische Selbsteinstellung der Vorrichtung 1 durchgeführt wird.

Der Mikroprozessor 15 des Prüfstandklopferkennungsgerätes erfasst über ein Interface 17 weitere Motorbetnebsdaten, wie beispielsweise eine Nockenwellenreferenzerkennung, eine Detektion des oberen Todpunktes (OT), die Zündfolge sowie den Saugrohrunterdruck. Diese Daten werden zur Erstellung des Zündkennlinienfeldes benötigt.

Schliesslich ist noch eine 1/0-Einheit 16 vorgesehen, die eine Tastatur, ein Display, einen Speicher sowie eine Druckerschnittstelle umfassen kann.

Abschliessend sei darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemässe Verfahren nicht nur für ein Prüfstandklopferkennungsgerät im Rahmen eines Motorprüfstandes verwendbar ist, sondern auch zur Steuerung des Zünd-Zeitpunktes im normalen Betrieb eines Ottomotors zur Vermeidung von Klopferscheinungen einsetzbar ist.

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Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Klopferkennung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, deren Zylinder jeweils einen Drucksensor (2) zur Aufnahme der Zylinderdruckkennlinie aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass a) zur Erzeugung von Messfenstern folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden :

a1) Normierung des Wertes der Amplitude des niederfrequenten Anteils der Sensorsignale, a2) Differenzierung der normierten Sensorsignale, a3) Bestimmung der Winkelposition des Druckmaximums mittels des differenzierten Sensorsi- gnals, a4) Erzeugung eines ersten Messfensters, das bei einer bestimmten Winkelposition nach dem Zündzeitpunkt geöffnet und bei Erreichen des festgestellten Druckmaximums geschlossen wird und a5) Erzeugung eines zweiten Messfensters mit einer dem ersten Messfenster entsprechenden Breite, das sich disjunkt an das erste Messfenster anschliesst, b) zur Erzeugung eines Messsignals folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden :

b1) Ausfiltern der für das Grundrauschen als auch für das Klopfen typischen Frequenzen aus dem normierten Sensorsignal, b2) Differenzierung des gefilterten Sensorsignals, <Desc/Clms Page number 4> b3) Erzeugung des Messsignals durch Verstärken des differenzierten, gefilterten Sensorsignals mit einem bestimmten Verstärkungsgrad und gleichzeitig b4) Einstellung des Verstärkungsgrades zur Normierung des Wertes der Amplitude des Messsi- gnals und c) zur Erzeugung eines Klopfsignals folgende Verfahrensschntte durchgeführt werden :

c1) Gleichrichtung und anschliessende Integration des Messsignals während der Dauer des ersten Messfensters zur Erzeugung eines ersten Signalintegrals, c2) Gleichrichtung und anschliessende Integration des Messsignals während der Dauer des zweiten Messfensters zur Erzeugung eines zweiten Signalintegrals und c3) Erzeugung eines Klopfsignals durch Differenzbildung aus dem ersten und zweiten Signalinte- gral und dessen Auswertung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzbildung zur Erzeugung eines Klopfsignals mittels eines gewichteten ersten Signalintegrals durchgeführt wird.
3. Vorrichtung zur Klopferkennung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, deren Zylinder jeweils einen ein Sensorsignal abgebende Drucksensor (2) zur Aufnahme der Zylinderdruckkennlinie aufwei- sen, wobei zur Normierung des Wortes der Amplitude des niederfrequenten Anteils des Sensorsignales ein regelbarer Verstärker (3) vorgesehen ist und zur Regelung dieses Verstärkers (3) sowie zur Einstellung des Verstärkungsgrades zur Normierung des Wertes der Amplitude des Sensorsignales eine Regelschaltung (4) vorgesehen ist, die zunächst die Istwerte feststellt und entsprechend einem vorgegebenen Sollwert die Regelung bzw.

Einstellung vornimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschaltung (4) auch eine Normierung der gefilterten und differenzierten Sensorsignale mittels einer einer zweiten Differenzierstufe (9) nachgeschalteten regelbaren Verstärkerstufe (6) vornimmt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem Prüfstandsklopferkennungs- gerät integriert ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einer Steuerung des Zündzeit- punktes einer Brennkraftmaschine zur Verhinderung des Klopfens vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Winkelposition des Druckmaximums eine Zeitsteuerschaltung (5) eingesetzt wird, dass zur Erzeugung des Messsignals gemäss Merkmal b3) ein weiterer regelbarer Verstärker (6) vorgesehen ist und dass die Zeitsteuerschal- tung (5) zur Erzeugung des ersten und zweiten Messfensters einen dem weiteren Verstärker (6) nachgeschalteten elektrischen Schalter (7) steuert. EMI4.1 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spitzenwertspei- cher (13) ein AiD-Wandler (14) nachgeschaltet wird.