DE102004024375B4

DE102004024375B4 - Klopferfassungsvorrichtung und Erfassungsverfahren

Info

Publication number: DE102004024375B4
Application number: DE102004024375A
Authority: DE
Inventors: Takashi Iwamoto; Jun Mitsuishi; Kimihiko Tanaya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2012-01-12
Anticipated expiration: 2024-05-18
Also published as: US7174251B2; JP2004340107A; JP3878923B2; DE102004024375A1; US20040244468A1

Abstract

Klopferfassungsvorrichtung, umfassend: Zündkerzen, die in Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordnet sind; eine Ionenstrom-Erfassungseinrichtung (2) zum Erfassen von Ionenströmen, die in den Zündkerzen fließen; eine Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung (3) zum Abtasten der Ionenströme in Zeitintervallen, um Zeit-/Frequenzkomponenten (Cn(f)) der abgetasteten Ionenströme unter Verwendung einer Kurzzeit-Fourier-Transformation zu bestimmen, wobei die Zeitintervalle eine oder mehrere Überschneidungen innerhalb einer Zeit von nach der Zündung durch eine der Zündkerzen gestatten, bis als Nächstes eine Zündkerze in dem eigenen Zylinder oder in einem anderen Zylinder zündet.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klopferfassungsvorrichtung und ein Erfassungsverfahren, das bei hoher Genauigkeit das Vorhandensein von Klopfen und dessen zeitliches Auftreten aus Veränderungen von Ionenströmen erfasst, die bei Verwendung von Zündkerzen zum Zeitpunkt der Verbrennung in einem Verbrennungsmotor erfasst werden.
Beschreibung des Standes der Technik
Es ist bekannt, dass bei der Verbrennung von Kraftstoff in den Zylindern eines Verbrennungsmotors Ionen entstehen, und dass diese Ionen als Ionenströme gemessen werden können, indem man Sonden anbringt, die das Innere der Zylinder mit einer Hochspannung beaufschlagen. Weil sich den Ionenströmen vom Klopfen herrührende Schwingungsanteile überlagern, wenn in einem Verbrennungsmotor Klopfen auftritt, kann das Auftreten von Klopfen durch Erfassung dieser Schwingungsanteile erfasst werden. In dem Fall jedoch, bei dem sich das Rauschen der Zündkerze, das viele Frequenzkomponenten enthält, den Ionenströmen überlagert, wird schlussendlich dieses Rauschen als Schwingungsanteile des Klopfens erfasst und es wird fälschlicherweise für Klopfen gehalten, selbst wenn dies gar nicht auftritt.
Als Verfahren zur Vermeidung dieses Nachteils sind folgende Technologien offenbart worden. Zum Einen ist in der in dem japanischen Patent Nr. 3184451 (Seiten 2 bis 3, 1 und 2) offenbarten Technologie ein Bandpassfilter vorgesehen, das nur die Frequenzkomponenten des Klopfens herausfiltert, die sich den Ionenströmen überlagern, wenn ein Klopfen aufgetreten ist, und ein Rauschunterdrückungs-Bandpassfilter, das Frequenzkomponenten durchlaufen lässt, die sich von den Frequenzkomponenten des Klopfens unterscheiden. So wird z. B. durch eine Sperrschalteinrichtung, wenn durch das Rauschunterdrückungs-Bandpassfilter ein vom Betrieb einer Einspritzanlage herrührendes Geräusch erfasst wird, ein Klopfsignal nicht in eine Bestimmungsschaltung eingegeben.
Bei der in JP-A-11-2175 (Seiten 3 bis 4, 1 und 3) offenbarten Technologie werden Signale, die auf den Ionenströmen basieren, durch ein Hochpassfilter laufen gelassen, danach werden Klopfsignale durch ein Filter laufen gelassen, das ein bestimmtes Frequenzband durchlaufen lässt, es wird nur die Rauschkomponente separat durch ein Filter wiederhergestellt, welches das bestimmte Frequenzband sperrt, beide werden jeweils auf Spitzenwert gehalten, digital umgesetzt und in eine Steuereinrichtung importiert, beide Signale werden durch die Steuereinrichtung verglichen, und es wird festgestellt, ob anhand der verglichenen Signale ein Klopfen auftritt oder nicht.
Außerdem ist in JP-A-61-57830 (Seiten 3 bis 4, 1 und 3) eine Technologie offenbart, bei der Signale, die durch ein Filter gelangten, das von Signalen, die auf den Ionenströmen basieren, selektiv Klopfsignale durchlaufen lässt, und Signale, die durch ein Filter gelangten, das die durch die mechanischen Abmessungen jedes Zylinders erzeugten, einzigartigen Schwingungsfrequenzen selektiv durchlässt, jeweils über einen vorbestimmten Zeitraum integriert werden, es werden aus dem Verhältnis der jeweiligen integrierten Werte Signale erhalten, durch die das Auftreten von Klopfen festgestellt wird, und die Signale werden über eine vorbestimmte Anzahl von Umdrehungen integriert, wodurch die Bestimmung des Klopfens ausgeführt wird.
Außerdem ist in JP-A-11-295188 (Seiten 5 bis 8, 9 bis 11) eine Technologie offenbart, bei der auf den Ionenströmen basierende Signale durch ein Hochpassfilter und ein Tiefpassfilter laufen gelassen werden, wobei nur ein Klopferfassungs-Nutzsignal extrahiert wird, das Klopferfassungs-Nutzsignal durch einen A/D-Wandler läuft, danach einer diskreten Fourier-Transformation unterzogen wird, die Frequenz analysiert wird, aus dem Ergebnis der Analyse bestimmt wird, ob das Signal vom Klopfen oder vom Rauschen herrührt, und der Laufzustand des Verbrennungsmotors bestimmt wird.
Wie zuvor beschrieben, sind diese verschiedenen Technologien offenbart worden. Im Falle des japanischen Patents Nr. 3184451 jedoch wird ein Signal, selbst wenn es als ein Signal erfasst wird, das die Klopfkomponente enthält, als unbegründet eingestuft, wenn ein Signal mit Funkenrauschen enthalten ist, und es wird fälschlicherweise festgestellt, dass kein Klopfen auftritt, selbst wenn dies der Fall ist. Auch sind die Ionenströme Signale, die je nach Laufzustand klein sind, und das Rauschsignal wird grob, wenn das Betriebsgeräusch der Einspritzanlage und externes Rauschen wie von einem Telefon überlagert werden, so dass mit den Verfahren von JP-A-11-2175 und JP-A-61-57830 ein Klopfen nicht vollständig erfasst werden kann.
Weiterhin ist aus der US 5,687,082 A bekannt, eine Zündspannung, einen Zündstrom oder auch eine Zündimpedanz eines Verbrennungsmotors einer systematischen Analyse zu unterziehen, in welcher ein aufgezeichneter Messverlauf hinsichtlich seiner Qualität untersucht wird. Ein Maß für die Qualität kann etwa aus einem typischen Messverlauf eines Klopfsignals oder den einer Fehlzündung bestimmt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die Qualität auch mittels einer Fourieranalyse oder einer Wavelet-Analyse bestimmt werden. Aufgrund der ermittelten Verlaufsqualität können mit Hilfe einer Rückkopplungssteuerung Einfluss auf das Zündverhalten genommen werden.
Die Druckschrift EP 1 221 603 A1 lehrt eine sensorgestützte Erfassung eines regelmäßigen Ablaufs eines Verbrennungsvorganges in einem Verbrennungsmotor. Eine Vibrationsfrequenzanalyse erlaubt hierbei die Bestimmung von Verbrennungsanomalien, indem die Vibrationsfrequenzstruktur mit vorbestimmten Werten verglichen wird. Eine Analyse des Zeitverlaufs erlaubt zudem zu bestimmen, welcher Zylinder in dem Verbrennungsmotor die erfasste Anomalie aufweist.
Eine alternative Form der Bestimmung von Anomalien eines Verbrennungsablaufs in einem Verbrennungsmotor beschreibt die EP 1 134 386 A2 . Dort werden der zeitliche Verlauf des Kolbendrucks mit dem Verlauf des Winkels der Kolbenstange vor und nach einer Motorzündung verglichen, und aus dem Vergleich Rückschlüsse auf eine Verbrennungsanomalie gewonnen.
Aus den vorgenannten Druckschriften sowie den weiterhin bekannten Druckschriften „Sensorless Speed Measurement of AC Machines Using Analytic Wavelet Transform”, Aller, Habetler, Harley, Tallam, Lee, IEEE Transaction on Industry Applications Vol. 38, No. 5, ”Effectiveness of the continuous wavelet transform in the analysis of some dispersive elastic waves”, Kim and Kim, J. Acoust. Soc. Am. 110 (1) and „Two steps Phase shifting algorithm using analytic wavelets”, Almazán-Cuéllar, Malaccra-Hernández Severin, Optics Communication 212 (2002) 71–84 sind zahlreiche Anweisungen in Bezug auf eine Frequenzanalyse, insbesondere hinsichtlich einer Wavelet-Analyse bekannt. Dennoch stellt sich bei derartigen Analysen das Problem, dass bei der Bestimmung von Anomalien in der Zündspannung auch hochfrequente Komponenten im Messverlauf auftreten, welche aufgrund der Länge der erforderlichen Analyseintervalle nicht erfasst und damit nicht zugeordnet werden können bzw. fehlerhaft zugeordnet werden. Folglich ist eine vorteilhafte Einflussnahme auf das Zündverhalten des Verbrennungsmotors nicht ausreichend möglich.
Auch werden im Stand der Technik als Vorgabe für die Erfassung Zeitintervalle verwendet, wobei die Intervalle zwischen den einzelnen Zündungen als Einheiten in Relation zur Klopferfassung verwendet werden, und ein Klopfen, das eine Erscheinung ist, die in Zeiteinheiten auftritt und wieder verschwindet, die kürzer als diese Intervalle sind, kann nicht genau erfasst werden. Aus diesem Grund bestand das Problem, dass Steuerungsverfahren nicht mit dem zeitlichen Auftreten des Klopfens in Einklang gebracht werden konnten. Außerdem bestanden die Probleme, dass die Bestimmungsfunktion mit Bezug auf Ionenstromsignale zu sehr ansprach, deren Amplitude auf Grund des Einflusses von dem Kraftstoff beigegebenen Zusätzen erhöht war, und auf Grund dessen, dass sich den Ionenströmen ein Impulsgeräusch überlagerte, das viele Frequenzkomponenten enthielt. Auch ist in allen Beispielen aus dem Stand der Technik die Genauigkeit der Klopfbestimmung gering gewesen, weil die zeitliche Auflösung gering war.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um diese Probleme zu lösen, und es ist eine deren Aufgaben, mit hoher Genauigkeit das Auftreten von Klopfen und dessen zeitlichen Verlauf mit Zeiteinheiten zu erfassen, die kürzer sind als Intervalle zwischen Zündungen, und zwar auch in dem Fall, bei dem die in den Zylindern eines Verbrennungsmotors erzeugten Ionenströme gemessen werden und sich den Ionenströmen ein Rauschen überlagert.
Eine die Erfindung betreffende Klopferfassungsvorrichtung umfasst: Zündkerzen, die in Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordnet sind; eine Ionenstrom-Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Ionenströmen, die in den Zündkerzen fließen; eine Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung zum Abtasten der Ionenströme in Zeitintervallen, um Zeit-/Freguenzkomponenten der abgetasteten Ionenströme unter Verwendung einer Kurzzeit-Fourier-Transformation zu bestimmen, wobei die Zeitintervalle eine oder mehrere Überschneidungen innerhalb einer Zeit von nach der Zündung durch eine der Zündkerzen gestatten, bis als Nächstes eine Zündkerze in dem eigenen Zylinder oder in einem anderen Zylinder zündet.
Weiterhin umfasst eine die Erfindung betreffende Klopferfassungsvorrichtung: Zündkerzen, die in Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordnet sind; eine Ionenstrom-Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Ionenströmen, die in den Zündkerzen fließen; eine Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung zum Abtasten der Ionenströme in Zeitintervallen, um Zeit-/Frequenzkomponenten der abgetasteten Ionenströme unter Verwendung einer Gabor-Wavelet-Transformation zu bestimmen, wobei die Zeitintervalle eine oder mehrere Überschneidungen innerhalb einer Zeit von nach der Zündung durch eine der die Zündkerzen gestatten, bis als Nächstes eine Zündkerze in dem eigenen Zylinder oder in einem anderen Zylinder zündet.
Ein die Erfindung betreffendes Klopferfassungsverfahren umfasst: Erfassen von Ionenströmen unter Verwendung von in Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordneten Zündkerzen; Setzen von Zeitintervallen, die eine oder mehrere Überschneidungen von jeweiligen Zeitintervallen innerhalb einer Zeit von nach der Zündung durch eine der Zündkerzen gestatten, bis als Nächstes eine Zündkerze in ihrem eigenen Zylinder oder in einem anderen Zylinder zündet; Abtasten von Stromwerten der Ionenströme in den jeweiligen Zeitintervallen, Ausführen einer Zeit-/Frequenztransformation auf die abgetasteten Stromwerte der Ionenströme und Bestimmen der Zeit-/Frequenzkomponenten der Ionenströme; und Erfassen von Klopfen auf der Basis der Zeit-/Frequenzkomponenten der abgetasteten Ionenströme und eines Laufzustandes des Verbrennungsmotors, und Steuerung der Zeit-/Frequenz-Transformation, um die Zeit-/Frequenz-komponenten der abgetasteten Ionenströme unter Verwendung einer Kurzzeit-Fourier-Transformation zu bestimmen.
Weiterhin umfasst ein die Erfindung betreffendes Klopferfassungsverfahren: Erfassen von Ionenströmen unter Verwendung von in Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordneten Zündkerzen; Setzen von Zeitintervallen, die eine oder mehrere Überschneidungen von jeweiligen Zeitintervallen innerhalb einer Zeit von nach der Zündung durch eine der Zündkerzen gestatten, bis als Nächstes eine Zündkerze in ihrem eigenen Zylinder oder in einem anderen Zylinder zündet; Abtasten von Stromwerten der Ionenströme in den jeweiligen Zeitintervallen, Ausführen einer Zeit-/Frequenztransformation auf die abgetasteten Stromwerte der Ionenströme und Bestimmen der Zeit-/Frequenzkomponenten der Ionenströme; und Erfassen von Klopfen auf der Basis der Zeit-/Frequenzkomponenten der abgetasteten Ionenströme und eines Laufzustandes des Verbrennungsmotors, und Steuerung der Zeit-/Frequenz-Transformation, um die Zeit-/Frequenzkomponenten der abgetasteten Ionenströme unter Verwendung einer Gabor-Wavelet-Transformation zu bestimmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaubild, das den schematischen Aufbau einer Klopferfassungsvorrichtung und eines Klopferfassungsverfahrens nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist ein Blockschaubild, das die Ionenstromabtastung in der Klopferfassungsvorrichtung und in dem Erfassungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung beschreibt;
3 ist eine erläuternde Kurve von Ionenstrom-Erfassungsintervallen in der Klopferfassungsvorrichtung und dem Erfassungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
die 4A, 4B und 4C sind erläuternde Kurven einer Zeit-/Frequenztransformation bzw. von Klopfbestimmungs-Funktionswerten in der Klopferfassungsvorrichtung und im Erfassungsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung; und
die 5A, 5B und 5C sind erläuternde Kurven einer Zeit-/Frequenztransformation bzw. von Klopfbestimmungs-Funktionswerten in einer Klopferfassungsvorrichtung und einem Erfassungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
1 bis 4C sind Schaubilder, die eine Klopferfassungsvorrichtung und ein Erfassungsverfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung beschreiben. 1 ist ein Blockschaubild, das den schematischen Aufbau der Klopferfassungsvorrichtung und des Erfassungsverfahrens zeigen, 2 ist ein Blockschaubild, das die Ionenstromabtastung beschreibt, 3 ist eine erläuternde Kurve, die Abtastintervalle bei der Ionenstromerfassung zeigt, und 4A, 4B und 4C sind erläuternde Kurven, die das Ergebnis der Zeit-/Frequenztransformation von Ionenströmen und Klopfbestimmungs-Funktionswerten beschreiben.
In 1 umfasst eine Zündvorrichtung 1 eine allgemein bekannte Zündschaltung, und eine Ionenstrom-Erfassungseinrichtung 2 erfasst einen Ionenstrom aus dem Strom einer sekundären Zündschaltung und ist eine allgemein bekannte Ionenstrom-Erfassungsschaltung. Wie nachfolgend beschrieben werden wird, führt die Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung 3 eine Fourier-Transformation aus, so dass aus einem Ionenstromsignal ein Klopfen bestimmt werden kann, und eine Klopferfassungseinrichtung 4 stellt das Vorhandensein des Klopfens aus dem Ergebnis der Transformation durch die Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung 3 fest und erfasst den zeitlichen Verlauf des Klopfens.
Eine Erfassungssteuerungseinrichtung 5 gibt den Laufzustand eines Verbrennungsmotors ein, steuert die Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung 3 und die Klopferfassungseinrichtung 4, und transformiert entsprechend dem Laufzustand des Verbrennungsmotors Abtastzeiten von Ionenstromwerten, die sich aus der Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung 3 ergeben, und/oder eine Anzahl von Ionenstromabtastungen, die als Vorgabe für die Zeit-/Frequenztransformation dienen. Das Ergebnis der Erfassung durch die Klopferfassungseinrichtung 4 wird an eine Zündsteuerungseinrichtung 6 weitergeleitet, und die Zündsteuerungseinrichtung 6 führt die Steuerung von Zündzeitpunkten entsprechend dem Status des Klopfens aus.
Die Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung 3 umfasst eine in 2 gezeigte Ionenstrom-Abtasteinrichtung 7 und eine Transformationseinrichtung 8 für den Abtastwert des Ionenstroms. Die Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung 3 bestimmt zuerst Ionenstromabtastwerte x(0), x(Δt), x(2Δt), ... aus den erfassten Ionenströmen mit Bezug auf 0, Δt, 2Δt, ..., die Zeiten von Setzintervallen ab einem von der Erfassungssteuerungseinrichtung 5 bestimmten Startpunkt sind. Bei dieser Ausführungsform wird als Beispiel ein Fall verwendet, bei dem Δt = 5μ ist, jedoch kann Δt wahlweise je nach den herrschenden Bedingungen eingestellt sein.
Als Nächstes bestimmt die Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung 3 die Zeit-/Frequenzkomponenten Cn(f) in den Zeitintervallen aus den Ionenstromabtastwerten, die in den Zeitintervallen In = (Tn, Tn + ΔT, ..., Tn + (M – 1)ΔT) enthalten sind, die so gesetzt sind, dass eine Überschneidung gestattet ist, die durch die Erfassungssteuerungseinrichtung 5 festgelegt ist. D. h. dass hier, wie in 3 gezeigt, die Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung 3 Zeitintervalle setzt, die eine oder mehrere Überschneidungen in der Zeit ab der durch die Erfassungssteuerungseinrichtung 5 bestimmten Zündung bis dann gestatten, wenn ihr eigener Zylinder oder ein anderer Zylinder zündet, sie die Stromwerte der Ionenströme bezüglich jedes Zeitintervalls abtastet und deren Zeit-/Frequenzkomponenten bestimmt. In der vorliegenden Erfindung ist ein Beispiel beschrieben, bei dem M = 256 und T_n+1 = T_n + (M/K)ΔT (wobei K = 8 und n = 0, 1, 2, ...), aber die Wirksamkeit dieser Ausführungsform ist nicht auf diese Werte beschränkt.
Die spezifische Art und Weise der Bestimmung der Zeit-/Frequenzkomponenten verwendet eine Kurzzeit-Fourier-Transformation unter Verwendung eines Hanning-Fensters W(m) mit einer Ordnung M, die durch die folgende Gleichung als ein Beispiel dieser Ausführungsform definiert ist, wobei aber die Wirksamkeit der Erfindung nicht auf diese Auswahl der Fensterfunktion beschränkt ist.
[Gleichung 1]

W(m) = {1 – cos[2π(m + 1)/(M + 1)]}/2 (1)

Hier ist m (0, 1, 2 ... M – 1), und mit Bezug auf die reelle Zahl x stellt das Symbol cos(x) eine Cosinusfunktion von x dar und das Symbol n stellt Pi dar.
Bezüglich der Setz-Zeitintervalle In sind die Zeit-/Frequenzkomponenten Cn(f) (wobei f = 0, 1, 2 ... M – 1) durch die folgende Gleichung bestimmt.
[Gleichung 2]

Cn(f) = Σ{0 ≤ m ≤ M – 1}{x(Tn + mΔT)w(m)exp(–2πifm/(M – 1))} (2)

Hier steht das Zeichen i für eine Imaginäreinheit, und mit Bezug auf die komplexe Zahl x stellt exp(x) eine Exponentialfunktion von x dar. Außerdem stellt mit Bezug auf die Aufeinanderfolge {a(m)} das Symbol Σ{0 ≤ m ≤ M – 1}{a(m)} eine Operation dar, die der Summe a(0) + a(1) + ... + a(M – 1) der Aufeinanderfolge entspricht.
Nachfolgend stellt mit Bezug auf den logischen Ausdruck f(x) und die Aufeinanderfolge a(x), Σ{f(x)}{a(x)} eine Operation dar, die der Summe a(x₀) + a(x₁) + ... + a(x_k) (wobei {x₀, x₁, x_k} eine Menge von Zahlen ist, welche den logischen Ausdruck f(x) erfüllen) der Aufeinanderfolge mit der Menge von x entspricht, bei der der Logische Ausdruck f(x) wahr wird.
Die Klopferfassungseinrichtung 4 benötigt nicht alle Zeit-/Frequenzkomponenten. Wegen der Bedingung, dass die ursprünglichen Ionenstromabtastwerte reelle Zahlen sind, sind alle Zeit-/Frequenzkomponenten Cn(f) (wobei {f = 0, 1, ... M – 1}) nicht unabhängig. In der Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung 3 werden die Zeit-/Frequenzkomponenten Cn(f) nur hinsichtlich des Werts von f bestimmt, den die Erfassungssteuerungseinrichtung 5 bestimmt und der für die Klopferfassungseinrichtung 4 notwendig ist.
Es ist hinlänglich bekannt, dass Klopfen Schwingungen verursacht, die als Primärkomponenten Frequenzen haben, die durch Form, Druck, Temperatur und Molekulargewicht innerhalb der Zylinder bestimmt sind. Von diesen Frequenzen werden die Frequenzen, bei denen die Amplitude im Experiment einen Maximalwert erreicht, als Primärfrequenz f0 hergenommen, und die Frequenzen zu beiden Seiten davon, wo die Amplitude im Experiment einen Minimalwert erreicht, werden als f^– und f⁺ hergenommen. In dieser Ausführungsform werden nur die Zeit-/Frequenzkomponenten Cn(f0), Cn(f^–) und Cn(f⁺) mit Bezug auf f0 = 5, f^– = 3 und f⁺ = 9 berechnet, es ist aber auch möglich, diese Auswahl entsprechend dem Laufzustand zu verändern. Auch ist die Wirksamkeit der Erfindung nicht auf diese Werte beschränkt.
Wenn Klopfen auftritt und Schwingungen verursacht werden, nimmt der Absolutwert |Cn(f0)| der primären Schwingungskomponente einen großen Wert an. Nachfolgend steht das Zeichen |x| für den Absolutwert von x. Er kann aber auch einen großen Wert annehmen, wenn sich dem Ionenstrom ein Impulsgeräusch überlagert. Somit wird in der Klopferfassungseinrichtung 4 die folgende Bestimmungsgleichung ausgerechnet.
[Gleichung 3]

D(n) = (2x|Cn(f0)| – |Cn(f^–)| – |Cn(f⁺)|) (3)

Während dieser Wert einen großen positiven Wert bezüglich der Ionenstromabtastwerte annimmt, wenn eine durch Klopfen verursachte Schwingung auftritt, ist es möglich, den Einfluss davon zu unterdrücken, wenn die Ionenstromwerte aus dem Impulsgeräusch erstellt werden. Wenn jedoch die Ionenströme selbst durch Zusätze erhöht sind, ist diese Bestimmungsgleichung proportional zum Ionenstrom-Intensitätskoeffizienten, der deren Verstärkungsgrad ist. Um eine aus diesem Einfluss herrührende, falsche Bestimmung zu verhindern, wird die Bestimmungsgleichung durch einen Standardfaktor C dividiert, der durch die folgende Gleichung definiert ist.
[Gleichung 4]

C = [Σ{0 ≤ f ≤ M/2 – 1}{|Cn(f)|²}]^(1/2) (4)

Hier steht mit Bezug auf die komplexen Zahlen x, y der Ausdruck x^y für die Funktion von x hoch y.
Auf diese Weise wird eine Bestimmungsfunktion E(n) erhalten, deren Unempfindlichkeit gegenüber der Überlagerung eines Impulsgeräuschs und Veränderungen des Ionenstrom-Intensitätskoeffizienten hoch ist, und zwar durch die folgende Gleichung.
[Gleichung 5]

E(n) = (2x|Cn(f0)| – |Cn(f^–)| – |Cn(f⁺)|)/[Σ{0 ≤ f ≤ M/2 – 1}{|Cn(f)|²}]^(1/2) (5)

In der vorliegenden Ausführungsform wird der oben angegebene Bestimmungsfunktionswert mit einem voreingestellten Schwellenwert Th verglichen; die Bestimmungsfunktion kann aber auch durch eine ähnliche Funktion festgelegt werden, die dem oben beschriebenen Auflösungsprinzip entspricht.
Die 4A, 4B und 4C zeigen Ergebnisse, wobei in dieser Ausführungsform spezifische Daten Anwendung fanden. Die in 4C gezeigten Bestimmungsfunktionswerte werden aus dem in 4A gezeigten Ionenstrom erhalten, und ein Klopfen kann zuverlässig festgestellt werden, indem man den Schwellenwett Th zu 0,1 werden lässt. Die Veränderung der Intensität der Zeit-/Frequenzkomponenten erfasst die durch Klopfen entstandene Schwingung, die Werte der Bestimmungsfunktion übersteigen den Schwellenwert stark, und das Klopfen wird klar erfasst. Es wäre anzumerken, dass, obwohl in dieser Ausführungsform als Beispiel ein Fall beschrieben ist, bei dem Th = 0,1 ist, die Wirksamkeit der Erfindung nicht auf diesen Wert beschränkt ist.
Zweite Ausführungsform
Die 5A, 5B und 5C sind erläuternde Kurven, die Ergebnisse einer Ionenstrom-Zeit-/Frequenztransformation und Klopfbestimmungs-Funktionswerte in einer Klopferfassungsvorrichtung und einem Erfassungsverfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschreiben. In der ersten Ausführungsform wurden die Zeit-/Frequenzkomponenten durch eine Kurzzeit-Fouriertransformation unter Verwendung einer Hanning-Fensterfunktion bestimmt, wobei aber in der vorliegenden Ausführungsform die Fensterfunktion von Gleichung 6 dazu verwendet wird, eine Gabor-Wavelet-Komponente zu erhalten.
[Gleichung 6]

w(m) = exp(–L(m – (M – 1)/2)²) (6)

In den 5A, 5B und 5C sind die Ergebnisse gezeigt, wenn Gleichung 6 auf spezifische Daten in dieser Ausführungsform angewendet wird, und dass der Status des Auftretens von Klopfen den Schwellenwert Th = 0,1 stark übersteigt und bestimmt werden kann. Somit wird selbst in dieser Ausführungsform, ähnlich wie in der ersten Ausführungsform, ein Klopfen klar erfasst. Es wäre festzuhalten, dass, obwohl L = 800/(M – 1)² als Beispiel für L in der obigen Gleichung 6 in dieser Ausführungsform verwendet wurde, die Wirksamkeit der Erfindung nicht auf diesen Wert beschränkt ist.
Zudem kann eine Klopferfassungsvorrichtung auch noch Folgendes umfassen: Zündkerzen, die in Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordnet sind; eine Ionenstrom-Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Ionenströmen, die in den Zündkerzen fliehen; eine Zeit-/Frequenz Transformationseinrichtung zum Setzen von Zeitintervallen, die eine oder mehrere Überschneidungen innerhalb einer Zeit von nach der Zündung durch die Zündkerzen gestattet, bis als Nächstes ihr eigener Zylinder oder ein anderer Zylinder zündet, und zum Abtasten von Stromwerten der Ionenströme in den jeweiligen Zeitintervallen, um deren Zeit-/Frequenzkomponenten zu bestimmen; eine Klopferfassungseinrichtung zum Erfassen von Klopfen auf der Basis der Zeit-/Frequenzkomponenten; und eine Erfassungssteuerungseinrichtung zum Eingeben eines Laufzustands und zum Steuern der Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung und der Klopferfassungseinrichtung. Somit kann man mit der Klopferfassungsvorrichtung der Erfindung die Verteilung einer sich beständig verändernden Verbrennungsenergie erfassen und kann das Klopfen bestimmen und dessen zeitlichen Verlauf präzise erfassen.
Weiterhin kann ein Klopferfassungsverfahren auch noch Folgendes umfassen: eine Ionenstrom-Erfassungseinrichtung zum Erfassen von Ionenströmen unter Verwendung von in Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordneten Zündkerzen; eine Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung zum Setzen von Zeitintervallen, die eine oder mehrere Überschneidungen innerhalb einer Zeit von nach der Zündung durch die Zündkerzen gestatten, bis als Nächstes ihr ein eigener Zylinder oder ein anderer Zylinder zündet, und zum Abtasten von Stromwerten der Ionenströme in den jeweiligen Zeitintervallen, um deren Zeit-/Frequenzkomponenten zu bestimmen; eine Klopferfassungseinrichtung zum Erfassen von Klopfen auf der Basis der Zeit-/Frequenzkomponenten; und eine Erfassungssteuerungseinrichtung zum Steuern der Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung und der Klopferfassungseinrichtung, bei dem die Erfassung des Klopfens durch die Erfassungssteuerungseinrichtung ausgeführt, die einen Laufzustand des Verbrennungsmotors eingibt und die Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung und Klopferfassungseinrichtung steuert, um aus Abtastwerten der Ionenströme Zeit-/Frequenzkomponenten zu bestimmen. Somit kann man mit dem Klopferfassungsverfahren der Erfindung ein Klopfen ohne einen fehlgeleiteten Vorgang mit Bezug auf Rauschen erfassen, das zu anderen Zeitintervallen gehört, kann ein Klopfen ohne fehlgeleiteten Vorgang mit Bezug auf Kraftstoff erfassen, bei dem die Ionenstrom-Intensitätskoeffizienten verschieden sind, und es ist die Steuerung eines Verbrennungsmotors gemäß dem zeitlichen Auftreten des Klopfens ermöglicht.

Claims

Klopferfassungsvorrichtung, umfassend: Zündkerzen, die in Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordnet sind; eine Ionenstrom-Erfassungseinrichtung (2) zum Erfassen von Ionenströmen, die in den Zündkerzen fließen; eine Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung (3) zum Abtasten der Ionenströme in Zeitintervallen, um Zeit-/Frequenzkomponenten (Cn(f)) der abgetasteten Ionenströme unter Verwendung einer Kurzzeit-Fourier-Transformation zu bestimmen, wobei die Zeitintervalle eine oder mehrere Überschneidungen innerhalb einer Zeit von nach der Zündung durch eine der Zündkerzen gestatten, bis als Nächstes eine Zündkerze in dem eigenen Zylinder oder in einem anderen Zylinder zündet.
Klopferfassungsvorrichtung, umfassend: Zündkerzen, die in Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordnet sind; eine Ionenstrom-Erfassungseinrichtung (2) zum Erfassen von Ionenströmen, die in den Zündkerzen fließen; eine Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung (3) zum Abtasten der Ionenströme in Zeitintervallen, um Zeit-/Frequenzkomponenten (Cn(f)) der abgetasteten Ionenströme unter Verwendung einer Gabor-Wavelet-Transformation zu bestimmen, wobei die Zeitintervalle eine oder mehrere Überschneidungen innerhalb einer Zeit von nach der Zündung durch eine der die Zündkerzen gestatten, bis als Nächstes eine Zündkerze in dem eigenen Zylinder oder in einem anderen Zylinder zündet.
Klopferfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Klopferfassungseinrichtung (4) das Auftreten von Klopfen und den zeitlichen Verlauf des auftretenden Klopfens erfaßt.
Klopferfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Erfassungssteuerungseinrichtung (5) die Abtastzeiten verändert, wobei die Zeit-/Frequenz-Transformationseinrichtung (3) Ionenstromwerte entsprechend dem Laufzustand des Verbrennungsmotors abtastet, und/oder die Anzahl von Ionenstromabtastungen, die als Vorgabe für die Zeit-/Frequenztransformation dienen, verändert.
Klopferfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Unempfindlichkeit gegenüber Impulsgeräusch und Ionenstrom-Intensitätsänderungen, die ein Klopfen anzeigen, erhöht ist durch Dividieren durch einen Standardfaktor (C), eine Klopfbestimmungsgleichung, welche die Klopferfassungsvorrichtung (4) berechnet.
Klopferfassungsverfahren, umfassend: Erfassen von Ionenströmen unter Verwendung von in Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordneten Zündkerzen; Setzen von Zeitintervallen (In), die eine oder mehrere Überschneidungen von jeweiligen Zeitintervallen innerhalb einer Zeit von nach der Zündung durch eine der Zündkerzen gestatten, bis als Nächstes eine Zündkerze in ihrem eigenen Zylinder oder in einem anderen Zylinder zündet; Abtasten von Stromwerten der Ionenströme in den jeweiligen Zeitintervallen, Ausführen einer Zeit-/Frequenztransformation auf die abgetasteten Stromwerte der Ionenströme und Bestimmen der Zeit-/Frequenzkomponenten (Cn(f)) der Ionenströme; und Erfassen von Klopfen auf der Basis der Zeit-/Frequenzkomponenten der abgetasteten Ionenströme und eines Laufzustandes des Verbrennungsmotors, und Steuerung der Zeit-/Frequenz-Transformation, um die Zeit-/Frequenzkomponenten (Cn(f)) der abgetasteten Ionenströme unter Verwendung einer Kurzzeit-Fourier-Transformation zu bestimmen.
Klopferfassungsverfahren, umfassend: Erfassen von Ionenströmen unter Verwendung von in Zylindern eines Verbrennungsmotors angeordneten Zündkerzen; Setzen von Zeitintervallen (In), die eine oder mehrere Überschneidungen von jeweiligen Zeitintervallen innerhalb einer Zeit von nach der Zündung durch eine der Zündkerzen gestatten, bis als Nächstes eine Zündkerze in ihrem eigenen Zylinder oder in einem anderen Zylinder zündet; Abtasten von Stromwerten der Ionenströme in den jeweiligen Zeitintervallen, Ausführen einer Zeit-/Frequenztransformation auf die abgetasteten Stromwerte der Ionenströme und Bestimmen der Zeit-/Frequenzkomponenten (Cn(f)) der Ionenströme; und Erfassen von Klopfen auf der Basis der Zeit-/Frequenzkomponenten der abgetasteten Ionenströme und eines Laufzustandes des Verbrennungsmotors, und Steuerung der Zeit-/Frequenz-Transformation, um die Zeit-/Frequenzkomponenten (Cn(f)) der abgetasteten Ionenströme unter Verwendung einer Gabor-Wavelet-Transformation zu bestimmen.
Klopferfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem das Auftreten von Klopfen und der zeitliche Verlauf des auftretenden Klopfens erfaßt wird.
Kloperfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Abtastzeiten verändert werden, während Ionenstromwerte entsprechend dem Laufzustand des Verbrennungsmotors in den jeweiligen Zeitintervallen abgetastet werden, und/oder eine Anzahl von Ionenstromabtastungen abgetastet werden, die als Vorgabe für die Zeit-/Frequenztransformation dienen.
Klopferfassungsverfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Unempfindlichkeit gegenüber Impulsgeräusch und Ionenstrom-Intensitätsänderungen erhöht wird durch Dividieren durch einen Standardfaktor (C), eine Klopfbestimmungsgleichung, welche in der Erfassung von Klopfen verwendet wird.