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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung bzw. einem Verfahren zur
Zuordnung von Klopfsensoren zu Zylindern einer Brennkraftmaschine
nach der Gattung der unabhängigen
Patentansprüche.
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Aus
der
DE 100 04 166
A1 sind bereits eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Klopferkennung einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei sind mehrere
Klopfsensoren mehreren Zylindern einer Brennkraftmaschine zugeordnet.
Die Klopfsensoren sind dabei zur Auswertung von akustischen Signalen,
die in den Zylindern erzeugt werden, ausgebildet. Es ist jedoch
eine feste Zuordnung von Zylindern und Klopfsensoren zueinander
vorgesehen.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
bzw. das erfindungsgemäße Verfahren
haben dem gegenüber den
Vorteil, dass eine automatische Zuordnung der Klopfsensoren zu den
Zylindern der Brennkraftmaschine vorgenommen wird. Dies erfolgt
besonders einfach, indem Vergleichsmittel vorgesehen sind, die zwei
charakteristische akustische Signale der Zylinder miteinander vergleichen
und anhand dieser Signale die Zuordnung der Klopfsensoren zu den
Zylindern herstellen. Durch diese Vorrichtung bzw. durch dieses
Verfahren wird erreicht, dass eine fehlerhafte Zuordnung der Sensoren,
die zu einer Verschlechterung der Klopferkennung und somit entweder
zu Motorschäden
oder aufgrund eines dann notwendigen Betriebs mit großem Abstand
von der Klopfgrenze zu Verbrauchsnachteilen führt, vermieden wird. Es wird somit
die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine erhöht.
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Weitere
Vorteile und Verbesserungen ergeben sich durch die Maßnahmen
der abhängigen
Patentansprüche.
Besonders einfach erfolgt der Vergleich der akustischen Signale,
indem eine Signalstärke
der charakteristischen akustischen Signale ausgewertet wird. Besonders
einfach kann eine derartige Auswertung der Signalstärke durch
eine Betrachtung der gemessenen Signalpegel erfolgen. Vorteilhafter
Weise erfolgt aber eine Energiebetrachtung des Signals, das heißt es wird
ausgewertet, wie stark die Ausschläge sind und für welchen
Zeitraum die Ausschläge
vorliegen. Besonders einfach erfolgt dies, indem die Signale gleichgerichtet
und aufintegriert werden. Alternativ sind zwei Methoden der Auswertung
der Signale möglich.
In einer ersten Alternative werden Signale von unterschiedlichen
Zylindern, die an ein und demselben Klopfsensor gemessen werden,
ausgewertet. Bei dieser Vorgehensweise stammen somit die Messergebnisse
von ein und demselben Klopfsensor, sodass unterschiedliche Messgenauigkeiten
der verschiedenen Klopfsensoren nicht ins Gewicht fallen. Als zweite
alternative Methode können
Signale ausgewertet werden, die von zwei unterschiedlichen Klopfsensoren
gemessen werden, jedoch von ein und demselben Zylinder stammen.
Bei dieser Vorgehensweise fallen somit Schwankungen der Erzeugung
der akustischen Signale in den Zylindern, die sich von Zylinder
zu Zylinder unterscheiden können,
nicht ins Gewicht. Beide Methoden haben somit ihre speziellen Vorteile
und können,
sofern es aus Gründen
der Auswertungssicherheit wünschenswert
erscheint, auch beide gleichzeitig oder nacheinander verwendet werden.
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Die
Zuordnung kann wahlweise durch eine externe Anforderung oder aber
bei jedem Start der Brennkraftmaschine erfolgen. Wenn die Zuordnung bei
jedem Start der Brennkraftmaschine erfolgt, so ist von vorneherein
vorgesehen, dass keine feste Zuordnung von Klopfsensoren zu den
Zylindern vorgesehen ist. Sie wird im laufenden Betrieb dann jeweils angepasst
ermittelt. Alternativ kann durch ein externes Signal immer bedarfsweise
eine Zuordnung erfolgen bzw. eine bestehende Zuordnung überprüft werden.
Dies kann entweder bei einer Reparatur oder bei einer Erstinbetriebnahme
des Fahrzeugs oder von Zeit zu Zeit jeweils durch ein externes Signal
ausgelöst
werden.
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Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 eine
Brennkraftmaschine mit Zylindern und Klopfsensoren,
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2 einen
Signalverlauf an einem ersten Klopfsensor und
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3 ein
Signalverlauf an einem zweiten Klopfsensor.
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Beschreibung
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In
der 1 wird schematisch eine Brennkraftmaschine 10 mit
sechs Zylindern 11, 12, 13, 14, 15, 16 dargestellt.
Die Zylinder der Brennkraftmaschine 11–16 sind in zwei Zylinderbänke, nämlich Zylinder 11–13 als
Zylinderbank 1 und Zylinder 14–16 als Zylinderbank 2 zusammengefasst.
In unmittelbarer Nähe
zu Zylinderbank 1, 11–13 ist der Klopfsensor 1 und
in unmittelbarer Nähe
zur Zylinderbank 2, 14–16 ist der Klopfsensor 2 angeordnet.
Die Klopfsensoren 1 und 2 sind durch entsprechende
Leitungen 4 mit einem Motorsteuergerät 3 verbunden.
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Die
Brennkraftmaschine 10 wird so betrieben, dass wechselweise
immer ein Zylinder der Zylinderbank 1 und ein Zylinder
der Zylinderbank 2 zur Krafterzeugung mittels eines Verbrennungsvorgangs genutzt
wird. Durch die Verbrennungsvorgänge
in den Zylindern wird dabei eine Kurbelwelle angetrieben, wobei
diese Kurbelwelle in einem Arbeitszyklus der Brennkraftmaschine
zwei Umdrehungen, das heißt
einen Kurbelwellenwinkel von 720° zurücklegt. Der
Arbeitszyklus ist dabei der aufeinander folgende Betrieb aller Zylinder 11–16 nacheinander,
bei dem ein Vier-Takt-Ottomotor üblicherweise
zwei Kurbelwellenumdrehungen (=720°KW) vornimmt. Bei einer Sechszylinderbrennkraftmaschine
erfolgen während dieses
Arbeitszyklus von 720° sechs
Verbrennungsvorgänge
in den Zylindern, bei einer Vierzylinderbrennkraftmaschine vier
Verbrennungsvorgänge usw.
In jedem der Zylinder entstehen durch die Verbrennungsvorgänge und
die damit verbundenen Betätigungen
von Ventilen und dergleichen akustische Signale, die charakteristisch
für einen
bestimmten Vorgang in einem der Zylinder 11–16 sind.
Ein derartiger charakteristischer Vorgang ist beispielsweise der
Verbrennungsprozess selbst, der durch einen schnellen (explosionsartig)
Druckanstieg ein Schallsignal erzeugt. Ein weiteres charakteristisches
Signal ist beispielsweise das Schließen eines Einlassventils, welches
dann kurz vor der Verbrennung ein akustisches Schließgeräusch erzeugt.
Diese charakteristischen akustischen Signale können von den Klopfsensoren 1 und 2 nachgewiesen
werden.
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In
der 2 wird schematisch der Signalverlauf S1 des Klopfsensors 1 gegenüber dem
Kurbelwellenwinkelgrad KW aufgetragen. Wie zu erkennen ist, wird
in einem Arbeitsspiel, das heißt
in einem Bereich von 720° Kurbelwellenwinkel
sechs charakteristische Signale gemessen. In der Darstellung der 2 sind
die gemessenen Signale S1 dahingehend idealisiert, dass zwischen
den charakteristischen Signalen keine Ausschläge messbar sind. Tatsächlich sind
jedoch zwischen charakteristischen Signalen auch Schwankungen des
Signalpegels vorhanden, die sich jedoch in ihren Ausschlägen deutlich
von den hier gezeigten charakteristischen Signalen unterscheiden.
Für die
weitere Diskussion wird jetzt einfach davon ausgegangen, dass es
sich bei diesen charakteristischen Signalen um Ventilgeräusche handelt,
das heißt
Geräusche,
die dadurch entstehen, dass die Einlassventile sehr schnell gegen
den Ventilsitz gefahren werden. In einem ersten Zeitbereich, kurz
vor 50° KW,
wird ein erstes charakteristisches Geräusch 101, kurz von
150° KW
ein zweites charakteristisches Geräusch 102, kurz von
270° KW ein
drittes charakteristisches Geräusch 103,
bei ca. 400° KW
ein viertes charakteristisches Geräusch 104, bei ca.
510° KW
ein fünftes
charakteristisches Geräusch 105 und
bei ca. 630° KW
ein sechstes charakteristisches Geräusch 106 gemessen.
Die Kurbelwellenwinkel, bei denen die charakteristischen Geräusche auftreten,
sind bei einer realen Brennkraftmaschine sehr gut bekannt, sodass
beispielsweise auch durch eine Messung nur in dem entsprechenden
Winkelbereich störende
sonstige Signale unterdrückt
werden können.
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In
der 2 sind die Messsignale S1 des Klopfsensors 1 aufgetragen.
Bei dem charakteristischen Geräusch 101 handelt
es sich dabei um ein charakteristisches Geräusch, welches von einem Zylinder
der Zylinderbank 2 stammt, beispielsweise dem Zylinder 14.
Bei dem charakteristischen Geräusch 102 handelt
es sich um ein Geräusch,
welches von der Zylinderbank 1 stammt, beispielsweise vom
Zylinder 11. Bei dem charakteristischen Geräusch 103 handelt
es sich um ein Signal von der Zylinderbank 2, beispielsweise
dem Zylinder 15. Beim charakteristischen Signal 104 handelt
es sich um ein Signal von der Zylinderbank 1, beispielsweise
dem Zylinder 12. Beim charakteristischen Signal 105 handelt
es sich um ein charakteristisches Signal der Zylinderbank 2,
beispielsweise dem Zylinder 16. Bei dem charakteristischen
Geräusch 106 handelt
es sich um ein Signal der Zylinderbank 1, beispielsweise vom
Zylinder 13. Wie aus der 2 zu erkennen
ist, sind die charakteristischen Signale, die vom Klopfsensor 1 gemessen
werden und die von der Zylinderbank 2 stammen, nämlich die
Signale 101, 103, 105 jeweils spürbar schwächer als
die Signale, die von der Zylinderbank 1 stammen, nämlich die
Signale 102, 104 und 106. Dies ist einfach
in der unterschiedlichen Entfernung des Klopfsensors 1 zu
den jeweilige Zylinderbänken 1 und 2 begründet. Die
charakteristischen Signale der Zylinderbank 2 müssen in
der Brennkraftmaschine 10 einen deutlich längeren Weg zurücklegen
und werden entsprechend stärker
gedämpft
als die charakteristischen Signale der Zylinderbank 1.
In der 2 ist dies natürlich
idealisiert dargestellt, da zufällige
Schwankungen des Signalpegels nicht dargestellt sind. Es lässt sich
somit durch einen Vergleich der Signalpegel relativ einfach feststellen,
ob der Klopfsensor 1 gerade ein Signal von der Zylinderbank 1 oder
der Zylinderbank 2 empfangen hat. Dazu muss einfach ein
Signal der Zylinderbank 1 mit einem Signal der Zylinderbank 2 verglichen
werden.
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Zum
Zweck der Klopfregelung sind bei der in der 1 gezeigten
Brennkraftmaschine zwei Klopfsensoren vorgesehen. Zwei Klopfsensoren
sind hier vor allem deswegen vorgesehen, um jeweils einen Klopfsensor
in unmittelbarer Nähe
der Zylinder 11–16 angeordnet
zu haben und so ein möglichst
genaues Klopfsignal der Zylinder messen zu können. Durch eine zunehmende
Dämpfung
des Klopfsignals bei steigender Entfernung zwischen Zylinder und
Klopfsensor, wird die Erkennung von klopfenden Verbrennungen erschwert.
Es ist daher wünschenswert,
dass immer eine eindeutige Zuordnung der Klopfsensoren zu den unmittelbar
benachbart angeordneten Zylindern besteht. Eine derartige Zuordnung
kann natürlich
von vorneherein vorgegeben sein. Bei der Reparatur oder bei der
Herstellung des Fahrzeugs kann es jedoch passieren, dass die entsprechenden
Anschlusskabel 4 an die Klopfsensoren 1, 2 vertauscht werden,
mit dem Ergebnis, dass der Klopfsensor 1 zur Messung der
Klopfsignale der Zylinderbank 2 und der Klopfsensor 2 zur
Messung der Klopfsignale der Zylinderbank 1 verwendet wird.
Dies führt
zu einer deutlichen Verschlechterung der Qualität der Klopfmessung. Erfindungsgemäß wird nun
vorgeschlagen, durch den Vergleich von mindestens zwei charakteristischen
Signalen eine richtige Zuordnung der Klopfsensoren 1, 2 zu
den Zylindern zu bewirken bzw. eine bestehende Zuordnung zu überprüfen. Eine
Zuordnung des Klopfsensors 1 zu den Zylinderbänken 1 und 2 ist
schon allein aufgrund der Signalfolge, wie sie in der 2 gezeigt
wird, möglich. Dazu
wird die Signalstärke
von aufeinander folgenden Signalen miteinander verglichen.
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Eine
Auswertung der Signalstärke
der charakteristischen Signale 101–106 kann beispielsweise dadurch
erfolgen, dass einfach der Spitzenwert, das heißt der maximale Ausschlag der
charakteristischen Signale 101–106 miteinander verglichen
wird. Eine weitere Möglichkeit
zur Auswertung der Signalstärke besteht
darin, den Energiegehalt der charakteristischen Signale auszuwerten.
Eine derartige Auswertung des Energiegehalts kann beispielsweise
dadurch erfolgen, dass die charakteristischen Signale 101–106 jeweils
gleichgerichtet und danach das gleichgerichtete Signal aufintegriert
wird. Bei einer derartigen Gleichrichtung und Aufintegration wird
somit nicht nur die Stärke
des Ausschlags sondern auch noch die Zeitdauer des Ausschlags berücksichtigt.
Eine weitere Möglichkeit
der Ermittlung der Signalstärke
der charakteristischen Signale besteht in einer Energieberechnung
im Frequenzbereich, beispielsweise durch eine Fourrier-Transformation.
Hier können
dann die Energien der verschiedenen Frequenzbereiche miteinander
kombiniert z. Bsp. addiert werden.
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Rein
theoretisch kann eine derartige Zuordnung bereits durch den Vergleich
von zwei Signalen, beispielsweise des ersten Signals 101 mit
dem zweiten Signal 102 erfolgen. Aufgrund der größeren Signalstärke des
Signals 102 ist klar, dass dieses Signal von der Zylinderbank 1 stammt,
das heißt,
dass der Klopfsensor 1 den Zylindern zuzuordnen ist, deren charakteristische
Signale die Signale 102, 104, 106 sind.
Entsprechend wäre
dann der zweite Klopfsensor den Zylindern zuzuordnen, die die charakteristischen
Signale 101, 103 und 105 erzeugen. Da
jedoch aufgrund von Schwankungen der Signale bzw. aufgrund von Schwankungen
von Hintergrundgeräuschen
die Auswertung von nur zwei charakteristischen Signalen mit relativ
großen
Fehlern behaftet sein kann, ist es wünschenswert, mehr Signale auszuwerten.
Beispielsweise kann durch Division von jeweils zwei aufeinander
folgenden Signalstärken
ein Vergleichswert gebildet werden. Wenn die Signalstärke des
Signals 101 durch die Signalstärke des Signals 102,
die Signalstärke
des Signals 103 durch die Signalstärke des Signals 104 und
die Signalstärke des
Signals 105 durch die Signalstärke des Signals 106 dividiert
wird, so wird in der Regel ein Wert errechnet, der einen Wert unter
1 aufweist. Eine derartige Kennzahl, die bei einer Vielzahl von
Verbrennungsvorgängen
nacheinander auftritt, wäre
dann beispielsweise ein Indiz dafür, dass der Klopfsensor 1 den
jeweils zweiten Signalstärken,
die den Nenner des Bruchs bilden, zuzuordnen ist.
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Bei
zwei Klopfsensoren ist es hier ausreichend zwei Signale bzw. Signalgruppen
miteinander zu vergleichen. Wenn beispielsweise drei Klopfsensoren
entsprechend Zylindern zugeordnet werden sollten, so wären mehr
als zwei Signale oder Signalgruppen miteinander zu vergleichen.
Auf jeden Fall sind mindestens zwei Signale oder Signalgruppen miteinander
zu vergleichen, um eine Zuordnung der mindestens zwei Klopfsensoren
zu den mindestens zwei Zylindern der Brennkraftmaschine zu bewirken.
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In
der 3 wird entsprechend der Darstellung in der 2 die
Signalfolge, wie sie am Klopfsensor 2 gemessen wird dargestellt.
Das gemessene Signal S2 zeigt zu den gleichen Kurbelwellenwinkeln wie
in der 2 ein charakteristisches Signal 201–206.
Ebenso wie in der 2 unterscheiden sich die aufeinander
folgenden Signale jeweils in ihrer Signalstärke dergestalt, dass immer
ein etwas schwächeres
Signal auf ein etwas stärkeres
Signal folgt. Durch den Vergleich mit der 2 lässt sich
erkennen, dass immer dann, wenn in der 2 ein stärkeres Signal
vorlag, in der 3 ein schwächeres Signal auftritt und
wenn in der 2 ein schwächeres Signal auftritt, in
dem entsprechenden Kurbelwellenwinkel ein stärkeres Signal in der 3 auftritt. Dies
liegt darin begründet,
dass natürlich
für den Klopfsensor 2 die
Signale der zweiten Zylinderbank tendenziell größere Signalstärken aufweisen,
als sie Signale der Zylinderbank 1. Ebenso wie bei der 2 ist
somit durch Auswertung allein des Signalverlaufs S2 des zweiten
Klopfsensors eine Zuordnung der Klopfsensoren zu den Zylindern möglich. Da
immer in den Kurbelwellenwinkelbereichen, in denen in der 2 ein
tendenziell stärkeres
akustisches Signal gemessen wird, in der 3 ein schwächeres akustisches
Signal gemessen wird, lässt
sich auch durch einen Vergleich der Signale der 3 mit denen
der 3 eine Zuordnung der Klopfsensoren zu den Zylinderbänken bewirken.
Dazu werden einfach zum jeweils gleichen Kurbelwellenwinkelbereich die
Signalstärken
des Klopfsensors 1 mit den Signalstärken des Klopfsensors 2 miteinander
verglichen. Ebenso wie bei der Auswertung nur eines Klopfsensors
kann dieser Vergleich der Signalstärken durch Betrachtung der
Spitzenwerte oder durch eine Energiebetrachtung durch die bereits
beschriebenen Methoden erfolgen.
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Bei
der Auswertung nur einer Signalfolge werden somit Signale unterschiedlicher
Zylinder an einem einzigen Beschleunigungssensor miteinander verglichen.
Da beide Messungen mit ein und demselben Klopfsensor erfolgen, werden
die gemessenen Signale nicht von unterschiedlichen Empfindlichkeiten
der Klopfsensoren beeinflusst. Unterschiede entstehen jedoch dadurch,
dass eventuell die Erzeugung der charakteristischen Signale sich
von Zylinder zu Zylinder unterscheiden. Bei dem Vergleich der Signale
von zwei Klopfsensoren werden jeweils Signale miteinander verglichen,
die von dem gleichen Zylinder stammen. Dabei treten dann natürlich keine Unterschiede
bezüglich
der Erzeugung der charakteristischen Signale in den Zylindern auf.
Unterschiede können
sich jedoch dadurch ergeben, dass die Klopfsensoren 1, 2 oder
beispielsweise die Ankopplung der Klopfsensoren an die Brennkraftmaschine 10 unterschiedlich
stark sind.
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Eine
Zuordnung von Klopfsensoren zu Zylindern der Brennkraftmaschine
kann nun aus verschiedenen Anlässen
sinnvoll sein. Zum einen kann generell vorgesehen werden, dass bei
jedem Start der Brennkraftmaschine eine Überprüfung der Zuordnung von Klopfsensoren
zu den Zylindern erfolgt, um so bei jedem Betriebszustand sicherzustellen,
dass eine optimale Zuordnung von Klopfsensoren zu den Zylindern
gegeben ist. Dies erfordert jedoch eine dauernde Beschäftigung
des Motorsteuergeräts 3 mit dieser
Aufgabe, was aus Rechenzeitgründen
nicht immer wünschenswert
ist. Alternativ ist es auch möglich,
die Zuordnung der Klopfsensoren 1, 2 nur bei besonderen
Anlässen
vorzusehen, beispielsweise unmittelbar nach der Fertigstellung des
Fahrzeugs in der Fabrik oder bei einer Reparatur. Alternativ wäre es auch
möglich,
die Zuordnung von Zeit zu Zeit zu überprüfen oder wenn aufgrund der
Klopferkennung der Verdacht besteht, dass die Zuordnung der Klopfsensoren
zu den Zylindern gestört
sein könnte.