DE102006035877A1 - DSP-basierte Motorklopfdetektion mit Klopfsensor- und -schaltungsdiagnostik - Google Patents

DSP-basierte Motorklopfdetektion mit Klopfsensor- und -schaltungsdiagnostik Download PDF

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Abstract

Ein Klopfdetektionssystem für einen fremdgezündeten Motor umfasst einen Klopfsensor, der auf eine Vibration des Motors anspricht und der ein Klopfsignal erzeugt. Ein erstes Modul berechnet eine Klopfenergie auf der Grundlage des Klopfsignals und ein zweites Modul berechnet eine Klopfintensität auf der Grundlage der Klopfenergie. Ein drittes Modul reguliert eine Zündzeitpunkteinstellung des Motors auf der Grundlage der Klopfintensität.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorklopfdetektion und insbesondere Klopfdetektionssysteme, die einen Klopfsensor umfassen.
  • Fahrzeuge können einen Verbrennungsmotor umfassen, der ein Antriebsdrehmoment für Antriebsräder erzeugt. Genauer gesagt, saugt der Motor Luft an und mischt die Luft mit Kraftstoff, um Verbrennungsgemische zu bilden. Die Verbrennungsgemische werden in Zylindern komprimiert und werden verbrannt, um Kolben anzutreiben, die verschiebbar in den jeweiligen Zylindern angeordnet sind. Die Kolben treiben eine Kurbelwelle rotierend an, um das Antriebsdrehmoment an einen Antriebsstrang und schließlich an die Räder zu übertragen.
  • Wenn der Motor eine Fehlzündung ausführt, verbrennt das Verbrennungsgemisch eines bestimmten Zylinders zu einem unerwünschten Zeitpunkt. Genauer gesagt, übersteigen die Temperatur und der Druck des unverbrannten Gemischs aus Luft/Kraftstoff in dem Zylinder ein kritisches Niveau und bewirken, dass die Gase sich selbst entzünden. Dies führt zu einem Motorklopfen und erzeugt eine Stoßwelle, die eine schnelle Erhöhung des Zylinderdrucks erzeugt. Es kann eine Beschädigung der Kolben, Ringe und Auslassventile auftreten, wenn ein anhaltendes starkes Klopfen auftritt. Zusätzlich bewirkt ein Motorklopfen eine unerwünschte Vibration und unerwünschte Antriebsstrangschwingungen.
  • Motorsteuersysteme können Fehlzündungsdetektionssysteme und/oder Klopfdetektionssysteme umfassen, um zu ermitteln, wann der Motor eine Fehlzündung ausführt. Auf diese Weise kann das Motorsteuersystem einen Motorbetrieb regeln, um ein Fehlzünden eines Motors zu verhindern und die Motorleistung und das Fahrverhalten des Fahrzeugs zu verbessern.
  • Herkömmliche Klopfdetektionssysteme umfassen einen Klopfsensor und einen zugeordneten Klopfdetektionschip oder einen zugeordneten anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC von application specific integrated circuit), um das Klopfsensorsignal zu verarbeiten und die Motorklopfintensität zu berechnen. Es können ein einzelner Klopfsensor und Klopf-ASIC verwendet werden, um ein Klopfen von jedem Zylinder zu detektieren. Der Klopf-ASIC umfasst für gewöhnlich Verstärker, Filter, Gleichrichter, Integrierer, A/D-Wandler, Abtast-Halte-Schaltungen und/oder analoge Schaltungen. Diese Hardware ist teuer, es ist schwer, sie aufzurüsten und zu kalibrieren, und sie variiert von Hersteller zu Hersteller.
  • Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Klopfdetektionssystem für einen fremdgezündeten Motor bereit. Das Klopfdetektionssystem umfasst einen Klopfsensor, der auf eine Vibration des Motors anspricht und der ein Klopfsignal erzeugt. Ein erstes Modul berechnet eine Klopfenergie auf der Grundlage des Klopfsignals, und ein zweites Modul berechnet eine Klopfintensität auf der Grundlage der Klopfenergie. Ein drittes Modul regelt eine Zündzeitpunkteinstellung des Motors auf der Grundlage der Klopfintensität.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Klopfdetektionssystem des Weiteren ein Geräuschmodul, das einen Geräuschwert abschätzt. Das zweite Modul berechnet die Klopfintensität auf der Grundlage des Geräuschwerts.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Klopfdetektionssystem des Weiteren ein Diagnosemodul, das auf der Grundlage der Klopfenergie selektiv einen Klopfsensorfehler oder einen Klopfschaltungsfehler erzeugt.
  • Bei anderen Ausführungsformen umfasst das Klopfdetektionssystem des Weiteren ein Modul für eine Fast Fourier Transformation (FFT-Modul), das auf der Grundlage des Klopfsignals ein Frequenzsignal erzeugt. Ein Leistungsmodul erzeugt auf der Grundlage des Frequenzsignals ein Leistungssignal. Die Klopfenergie basiert auf dem Leistungssignal.
  • Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Klopfdetektionssystem des Weiteren ein Fenstermodul, das auf der Grundlage einer Drehlage einer Kurbelwelle des Motors ein Fenstersignal erzeugt. Die Klopfenergie wird auf der Grundlage des Fenstersignals berechnet.
  • Bei einer anderen Ausführungsform ermittelt das zweite Modul eine Klopfdifferenz zwischen der Klopfenergie und einer Geräuschenergie und berechnet das zweite Modul die Klopfintensität als eine Differenz zwischen dem Klopfverhältnis und einem Klopfintensitätsschwellenwert.
  • Bei noch einer anderen Ausführungsform ermittelt das zweite Modul ein Klopfverhältnis zwischen der Klopfenergie und einer Geräuschenergie und berechnet das zweite Modul die Klopfintensität als eine Differenz zwischen dem Klopfverhältnis und einem Klopfintensitätsschwellenwert.
  • Bei noch einer anderen Ausführungsform ermittelt das zweite Modul die Klopfintensität als eine Differenz zwischen der Klopfenergie und einem Energieschwellenwert.
  • Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich. Es sei angemerkt, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Erläuterungszwecken beabsichtigt sind und nicht beabsichtigen, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Motorsystems, das ein auf einer digitalen Signalverarbeitung basierendes Klopfdetektionssystem (DSP-basiertes Klopfdetektionssystem) gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst.
  • 2 einen Graph, der ein beispielhaftes Klopfsensorsignal und ein beispielhaftes Fenstersignal, die durch einen jeweiligen Sensor des Klopfdetektionssystems erzeugt werden, zeigt;
  • 3 eine schematische Darstellung beispielhafter Module, die eine Zeitbereich-Klopfdetektion gemäß der vorliegenden Erfindung ausführen;
  • 4 eine schematische Darstellung beispielhafter Module, die eine Frequenzbereich-Klopfdetektion gemäß der vorliegenden Erfindung ausführen;
  • 5 einen Graph, der ein beispielhaftes Klopfsensor-Signalleistungsspektrum und ein entsprechendes beispielhaftes Bandpassfilter-Ausgangsleistungsspektrum (BPF-Ausgangsleistungsspektrum) für einen normalen Motor zeigt;
  • 6 einen Graph, der ein beispielhaftes Klopfsensor-Signalleistungsspektrum und ein entsprechendes beispielhaftes BPF-Ausgangsleistungsspektrum für einen Motor, der ein leichtes Klopfen aufweist, zeigt;
  • 7 einen Graph, der ein beispielhaftes Klopfsensor-Signalleistungsspektrum und ein entsprechendes beispielhaftes BPF-Ausgangsleistungsspektrum für einen Motor, der ein mittleres Klopfen aufweist, zeigt; und
  • 8 einen Graph, der ein beispielhaftes Klopfsensor-Signalleistungsspektrum und ein entsprechendes beispielhaftes BPF-Ausgangsleistungsspektrum für einen Motor, der ein starkes Klopfen aufweist, zeigt.
  • Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und beabsichtigt auf keine Weise, die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwendungen zu beschränken. Zu Klarheitszwecken werden in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen verwendet, um ähnliche Elemente zu identifizieren. Wie hierin verwendet bezieht sich der Ausdruck Modul auf einen anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC), eine elektronische Schaltung, einen Prozessor (gemeinsam genutzt, zugeordnet oder gruppiert) und einen Speicher, die ein oder mehrere Software- oder Firmwareprogramme ausführen, eine Schaltung mit kombinatorischer Logik und/oder andere geeignete Bauteile, die die beschriebene Funktionalität bereitstellen.
  • In Bezug auf 1 ist ein beispielhaftes Motorsystem 10 schematisch dargestellt, welches einen Motor 12, einen Einlasskrümmer 14 und einen Auslasskrümmer 16 umfasst. Die Luft wird über eine Drosseleinrichtung 18 in den Einlasskrümmer 14 gesaugt. Die Luft wird in Zylinder 20 geführt und darin mit Kraftstoff gemischt. Der Kraftstoff wird durch Kraftstoffeinspritzeinrichtungen 22, die mit einer Kraftstoffversorgung 24 in Verbindung stehen, in die Zylinder 20 eingespritzt. Zündkerzen 26 leiten eine Verbrennung des Gemischs aus Luft/Kraftstoff in ihren jeweiligen Zylindern 20 ein, und ein Verbrennungsabgas verlässt die Zylinder 20 und den Motor 12 über den Auslasskrümmer 16. Obwohl nur zwei Zylinder 20 gezeigt sind, sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung mit einem Motor mit mehr oder weniger Zylindern 20 realisiert werden kann.
  • Der Verbrennungsprozess treibt Kolben (nicht gezeigt) an, die verschiebbar in den Zylindern 20 gelagert sind und die ihrerseits eine Kurbelwelle 27 rotierend antreiben. Der Motor 12 umfasst des Weiteren Einlass- bzw. Auslassventile 28 bzw. 30, die zu jedem Zylinder 20 gehören. Die Einlass- bzw. Auslassventile 28 bzw. 30 regeln den Lufteinlass in die Zylinder 20 und den Auslass von Verbrennungsgasen aus den Zylindern 20. Eine Einlassnockenwelle 32 ist rotierend durch die Kurbelwelle 27 angetrieben und regelt ein Öffnen und Schließen der Einlassventile 28. Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann der Motor 12 des Weiteren eine Auslassnockenwelle umfassen, die rotierend durch die Kurbelwelle 27 angetrieben ist und die ein Öffnen und Schließen der Auslassventile 30 regelt.
  • Ein Steuermodul 40 regelt den Motorbetrieb auf der Grundlage der DSP-basierten Klopfdetektion der vorliegenden Erfindung. Genauer gesagt, regelt das Steuermodul 40 eine Zündzeitpunkteinstellung in Bezug auf die Kolbenpositionen in dem Zylinder auf der Grundlage des Vorhandenseins und der Intensität eines Motorklopfens. Ein Krümmerabsolutdruck- Sensor (MAP-Sensor von manifold absolute pressure sensor) 42 spricht auf einen Druck in dem Einlasskrümmer 14 an und erzeugt auf der Grundlage davon ein MAP-Signal, das an das Steuermodul 40 übertragen wird. Ein Motordrehzahlsensor 44 spricht auf eine Rotation der Kurbelwelle 27 an und erzeugt auf der Grundlage davon ein Kurbelwellensignal, das an das Steuermodul 40 übertragen wird. Ähnlich spricht ein Nockenwellensensor 46 auf die Rotation der Nockenwelle 32 an und sendet ein Nockenwellensignal an das Steuermodul 40. Das Steuermodul 40 erzeugt auf der Grundlage des Kurbelwellensignals und des Nockenwellensignals ein Fenstersignal, wie nachstehend ausführlicher beschrieben.
  • Ein Klopfsensor 48 spricht auf eine Vibration der Zylinder an und erzeugt ein Klopfsignal auf der Grundlage davon, das an das Steuermodul 40 übertragen wird. Das Steuermodul 40 verarbeitet das Klopfsignal, um unter Verwendung des DSP-basierten Klopfdetektionssystems der vorliegenden Erfindung ein Motorklopfen zu detektieren. Obwohl ein einzelner Klopfsensor 48 gezeigt ist, sei angemerkt, dass mehrere Klopfsensoren 48 implementiert sein können. Zum Beispiel können in einem 6- oder 8-Zylindermotor zwei Klopfsensoren implementiert sein.
  • Bezug nehmend auf 2 zeigt ein Graph ein beispielhaftes Klopfsignal und ein beispielhaftes Fenstersignal über eine beispielhafte Zeitdauer. Das Fenstersignal wird auf der Grundlage des Nockenwellensignals und des Kurbelwellensignals erzeugt und ist allgemein in Form einer Stufenwelle bereitgestellt. Das Fenstersignal gibt die Zeitdauern an, während denen eine Klopfdetektion auftritt. Genauer gesagt, gibt die High-Seite des Fenstersignals die Zeit, bevor und nachdem ein bestimmter Zylinder den oberen Totpunkt (OT) kreuzt, oder die Zeit, zu der eine Klopfdetektion erwünscht ist (z.B. zwischen etwa 4° von OT bis etwa 70° nach OT für einen beispielhaften Motor) an. Zum Beispiel entspricht in einem Fall eines 4- Zylinder-Motors die erste Stufenwelle dem ersten Zylinder der Zündreihenfolge, und die zweite Stufenwelle entspricht dem zweiten Zylinder der Zündreihenfolge usw. Die fünfte Stufenwelle entspricht wieder dem ersten Zylinder der Zündreihenfolge, und die Stufenwellen wiederholen sich jeweils.
  • Das DSP-basierte Klopfdetektionssystem der vorliegenden Erfindung detektiert ein Motorklopfen auf der Grundlage des Klopfsignals und des Fenstersignals. Es wird einer der beiden Ansätze implementiert: zeitbereichbasiert oder frequenzbereichbasiert. Diese beiden Ansätze unterscheiden sich nicht nur in dem Bereich, in dem die Verarbeitung und Analyse des Klopfsignals ausgeführt werden, sondern auch in den Signalverarbeitungsfunktionen, die in dem Detektionsalgorithmus verwendet werden, wie es in den nachfolgenden Abschnitten beschrieben ist. Bei beiden Ansätzen umfasst das DSP-basierte Klopfdetektionssystem eine Klopfsensor- und -schaltungsdiagnostik.
  • Bezug nehmend auf 3 werden bei dem zeitbereichbasierten Ansatz die gesamte Verarbeitung und Analyse des Klopfsignals im Zeitbereich ausgeführt. Beispielhafte Module, die die DSP-basierte Klopfdetektion im Zeitbereich ausführen, umfassen: ein Digitalfiltermodul 300 (z.B. ein Bandpassfilter (BPF)), ein Verstärkungsmodul 302, ein Gleichrichtmodul 304, ein Integriermodul 306, ein Haltemodul 308, ein Fenster- und Zylindermodul 310, ein Intensitätsmodul 312, ein Geräuschabschätzungsmodul 314 und ein Diagnosemodul 316. Es können zusätzliche Module implementiert sein, die einen Multiplexer 320, ein Filter 322 und einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) 324 umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind.
  • Im Falle von mehreren Klopfsensoren leitet der Multiplexer 320 eines der mehreren Klopfsignale (KSl ... KSn) auf der Grundlage einer Signaleingabe weiter. Die Signaleingabe gibt auf der Grundlage davon, welcher Zylinder gezündet wird, an, welches Klopfsignal weitergeleitet werden soll. Das Klopfsignal wird zu dem Filter 322 weitergeleitet, das vorzugsweise als ein Tiefpassfilter bereitgestellt ist. Das Filter 322 filtert alle fehlerhaften, hochfrequenten Komponenten des Klopfsignals heraus. Der A/D-Wandler 324 wandelt das gefilterte analoge Signal in ein digitales Signal um und gibt das digitale Signal an das Digitalfiltermodul 300 aus.
  • Das Digitalfiltermodul 300 ist vorzugsweise ein BPF, das unter Verwendung eines Filters mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter von infinite impulse response Filter) oder eines Filters mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter von finite impulse response Filter) realisiert sein kann. Das Verhalten eines IIR-Filters kann durch die folgende Differenzengleichung beschrieben werden:
    Figure 00090001
    wobei y der Ausgang des Filters ist, x der Filtereingang (d.h. das Klopfsignal) ist, m die Anzahl von Filterstufen oder -schritten ist, k die Klopfsensorabtastwertanzahl (1, 2, 3, ...) ist und an und bn die Filterkoeffizienten sind. Ein FIR-Filter mit m Schritten kann durch die folgende Differenzengleichung dargestellt werden:
    Figure 00090002
  • Das Frequenzband des BPF basiert auf der speziellen Anwendung. In dem Fall einer Klopfdetektion reicht ein beispielhafter Bereich von 4 kHz bis 22 kHz (d.h. Frequenzen, die kleiner als 4 kHz und größer als 22 kHz sind, werden herausgefiltert). Das Frequenzband kann einfach während der Entwurfsstufe und/oder der Kalibrierungsstufe festgelegt werden. Das FIR-Filter umfasst Parameter, die eine Vielzahl von Koeffizienten (bn), eine Bandpassfrequenz und eine Anzahl von Klopfsensorabtastwerten (k) umfassen, aber nicht darauf beschränkt sind. Beispielhafte Werte dieser Parameter umfassen 32 Koeffizienten, 4 kHz–22 kHz bzw. 256 Abtastwerte. Es sei angemerkt, dass genaue Ergebnisse mit Filtern erreicht werden können, die mit einer verschiedenen Anzahl von Koeffizienten, mit verschiedenen Bandpassfrequenzen und einer verschiedenen Anzahl von Abtastwerten entworfen sind. Zum Beispiel kann eine niedrigere Anzahl von Abtastwerten (z.B. 128 oder weniger) verwendet werden, jedoch kann die Auflösung der abgeschätzten Klopfintensität verringert sein. Ähnlich kann eine höhere Anzahl von Abtastwerten (z.B. 512 oder mehr) verwendet werden, eine höhere Anzahl von Abtastwerten beeinträchtigt jedoch die Verarbeitungsgeschwindigkeit.
  • Das Verstärkungsmodul 302 verstärkt das gefilterte Signal von dem Digitalfiltermodul 300 und leitet das verstärkte Signal zu dem Gleichrichtmodul 304 weiter. Das Absolut- oder Vollwellengleichrichtmodul 304 kann durch die folgende Gleichung charakterisiert werden: ya = |y|wobei ya der Ausgang des Gleichrichters ist und y der Eingang des Gleichrichters (d.h. der BPF-Ausgang) ist und || die Absolutwertoperation ist.
  • Das Integriermodul 306 empfängt das gleichgerichtete Klopfsignal von dem Gleichrichtmodul 304 und das Fenstersignal von dem Fenster- und Zylindermodul 310. Das Integriermodul 306 erzeugt ein Klopfenergiesignal, das durch die folgende beispielhafte Gleichung definiert ist: yo(n) = yo(n – 1) + T·ya(n)wobei yo(n) der Ausgang des Integrierers für den n-ten Abtastwert des Integrierereingangs ya (d.h. Ausgang des Gleichrichtmoduls 304) ist, yo(n – 1) der Integriererausgang für den (n-1)-ten Abtastwert des Integrierereingangs ya ist, ya(n) der Ausgang des Gleichrichtmoduls 304 für den Abtastwert n des Klopfsensoreingangs ist und T die Abtastperiode ist. Es können verschiedene Abtastfrequenzen verwendet werden (z.B. 100 000 Abtastwerte/Sekunde und 200 000 Abtastwerte/Sekunde). Zum Beispiel ist bei Motordrehzahlen unter 6000 Umdrehungen pro Minute eine Abtastfrequenz von 100 000 Abtastwerten/Sekunde ausreichend. Eine höhere Abtastfrequenz stellt bei einer höheren Motordrehzahl jedoch eine verbesserte Auflösung des abgeschätzten Klopfens bereit. Die Abtastperiode wird als die Inverse der Abtastfrequenz oder T = 1/100 000 Sekunden berechnet.
  • Das Haltemodul 308 empfängt das integrierte Klopfsignal und das Fenstersignal und stellt einen Speicherort für Klopfsignal-Zwischenwerte bereit. Das Haltemodul 308 leitet das integrierte Klopfsignal an das Intensitätsmodul 312 und das Diagnosemodul 316 auf der Grundlage des Fenstersignals weiter. Die Klopfintensität wird aus dem Endwert (d.h. Maximalwert) des Integrierers an dem Ende des Klopffensters (z.B. von 4° vor OT bis 70° nach OT für einen beispielhaften Motor) berechnet. Es findet keine Klopfintensitätsaktualisierung statt, während das Integriermodul 306 das Klopfsignal in dem Klopffenster integriert. Die Klopfintensität kann durch Verwenden eines Klopfverhältnisansatzes oder eines Klopfdifferenzansatzes abgeschätzt werden. Das Klopfverhältnis (KR von knock ratio) wird berechnet wie folgt: KR = (Klopfen yo)/(Geräusch yo);wobei Klopfen yo der Integriermodulausgang an dem Ende des Klopffensters ist und Geräusch yo der Integriermodulausgang an dem Ende des Geräuschfensters ist.
  • Die Klopfintensität (KI von knock intensity) wird gemäß der folgenden Gleichung berechnet: KI = KR – KITHR wobei KITHR ein Klopfintensitätsschwellenwert ist, die auf der Grundlage der Motordrehzahl und der Motorlast ermittelt wird. Es sei angenommen, dass KITHR aus einer Nachschlagetabelle auf der Grundlage der Motordrehzahl und -last ermittelt werden kann oder aus einer Gleichung unter Verwendung der Motordrehzahl und -last als Eingänge berechnet werden kann. Die Nachschlagetabelle oder Gleichung kann aus Versuchsmessdaten entwickelt werden, die durch Fahrzeugtests bei verschiedenen Motordrehzahlen und -lasten und einem normalen Betrieb des Motors (d.h. keine Klopfzustände) erzeugt werden.
  • Der Klopfverhältnisansatz erfordert, dass zwei Klopffenster oder zwei verschiedene Teile der Daten (d.h. zwei Datensätze) verwendet werden, um sowohl das Geräusch (wenn kein Klopfen erwartet wird) als auch das Klopfsignal (der Teil der Daten, der eine Klopfaktivität erhält, oder wenn eine Klopfaktivität erwartet wird) zu berechnen. Diese zwei verschiedenen Datensätze führen zu zwei verschiedenen Integriererausgängen, "Klopfen yo" und "Geräusch yo", die die Endwerte des Integriermoduls 306 am Ende von jedem Datensatz darstellen.
  • Bei dem Klopfdifferenzansatz wird die Klopfdifferenz (KD von knock difference) wie folgt berechnet: KD = Klopfen yo – Geräusch yo
  • Die Klopfintensität wird gemäß der folgenden Gleichung berechnet: KI = KD – KITHR
  • Jeder Ansatz liefert hinreichende Ergebnisse, es ist jedoch einfacher, den Klopfdifferenzansatz zu realisieren.
  • Das Geräuschabschätzungsmodul 314 ermittelt ein Geräusch yo auf der Grundlage eines Zylindersignals, das durch das Fenster- und Zylindermodul 310 erzeugt wird. Spezieller wird das Geräusch yo aus einer Nachschlagetabelle auf der Grundlage des Zylindersignals ermittelt. Die Motorgeräusch-Nachschlagetabelle (Geräusch-yo-Nachschlagetabelle) wird auf der Grundlage von Versuchsmessdaten durch Laufenlassen von Fahrzeugtests bei verschiedenen Motordrehzahlen und -lasten und Aufzeichnen des durchschnittlichen Integriererausgangs entworfen. Vorzugsweise werden nur Daten von einem normalen Motorbetrieb (d.h. keine Klopfaktivität) verwendet, um das Geräusch abzuschätzen. Dieses Motorgeräusch wird als das Grundlinienmotorgeräusch gespeichert und kann in jedem Motorzyklus aktualisiert werden, um Einschwingvorgänge und Systemleistungsschwankungen zu berücksichtigen. Das DSP-basierte Klopfdetektionssystem verwendet ein Klopffenster, um beide Datensätze (d.h. die Daten, die für eine Geräuschabschätzung/-aktualisierung verwendet werden, und die Daten, die für eine Klopfsignalberechnung verwendet werden) zu erfassen.
  • Das Intensitätsmodul 312 erzeugt ein Ausgangs- oder Klopfintensitätssignal, das durch das Steuermodul 40 verwendet wird, um den Motorbetrieb zu regeln. Spezieller regelt das Steuermodul 40 eine Motorzündung, um auf der Grundlage des Ausgangssignals ein Motorklopfen zu verhindern.
  • Das Diagnosemodul 316 überwacht einen Betrieb des DSP-basierten Klopfdetektionssystems und erzeugt ein Sensordiagnosesignal (SD von sensor diagnostic) und ein Schaltungsdiagnosesignal (CD von circuit diagnostic), um einen Kurzschluss der Klopfschaltung und des Klopfsensors auf die Energiequelle oder auf Masse sowie Fehler aufgrund von Schaltungsunterbrechungen zu überprüfen. Ein Kurzschluss auf die Energiequelle oder auf Masse sowie eine Schaltungsunterbrechung führen dazu, dass der Integriermodulausgang unter oder über einem normalen Klopfsensorsignalbereich liegt. Daher verwendet das Diagnosemodul 316 die Ausgänge von dem Haltemodul (d.h. den verzögerten Integriererausgang), das rohe Klopfsensorsignal (d.h. vor dem Digitalfilter), das durchschnittliche Geräusch von dem Geräuschabschätzungsmodul, die Klopfintensität (d.h. das Ausgangssignal) und die Zylinderidentifikation (d.h. das Zylindersignal), um zu entscheiden, ob das Klopfsensorsignal in dem normalen Bereich liegt, und um den Fehler zu diagnostizieren, wenn dies nicht der Fall ist.
  • Ein Kurzschluss auf Masse führt dazu, dass der Integriererausgang unterhalb des normalen Bereichs liest. Bei jedem Motorbetriebszustand gibt der Klopfsensor ein durchschnittliches Signal aus, sogar, wenn kein Motorklopfen vorhanden ist. Dieses durchschnittliche Klopfsensorsignal (d.h. Geräusch) wird verwendet, um Fehler entsprechend der folgenden Logik zu detektieren: Wenn (KSMomentaneBerechnung < KSTHRLOW) Klopfschaltung und/oder Klopfsensor = FEHLER.sonst Klopfschaltung und/oder Klopfsensor = BESTANDENwobei KSMomentaneBerechnung der momentane Ausgang von dem Abast-Halte-Block 308 für die Klopfsensordiagnose ist oder der momentane Ausgang von dem Geräuschabschätzungsmodul 316 für die Klopfschaltungsdiagnose ist, und KSTHRLOW ein unterer Schwellenwert ist, der experimentell erhalten wird und über die Lebensdauer des Motors aktualisiert werden kann.
  • Ein Kurzschluss auf die Energieversorgung führt dazu, dass das Klopfsensorsignal über dem normalen Bereich liegt. Der Diagnoseblock verwendet Eingänge von dem Haltemodul, KSnDIG, das durchschnittliche Geräusch und das Ausgangssignal (d.h. die Klopfintensität) und das A/D-Wandlersignal (KSnDIG), um einen Kurzschluss auf die Energiequelle zu detektieren. Das Diagnosemodul implementiert die folgende Logik, um einen Kurzschluss auf die Energiequelle zu detektieren: Wenn ((Integriererausgang > KSTHRHI) Und (KSnDIG > KSTHRInDIG) Klopfschaltung und/oder Klopfsensor = FEHLERsonst Klopfschaltung und/oder Klopfsensor = BESTANDENwobei KSTHRHI und KSTHRInDIG auf der Grundlage von Motorbetriebszuständen ermittelt werden. Genauer gesagt werden KSTHRHI und KSTHRInDIG aus einer Nachschlagetabelle auf der Grundlage der Motordrehzahl und der Luftmassenströmung (MAF von mass air flow) ermittelt.
  • Aufgrund des Digitalfiltermoduls 300, das konstante oder niederfrequente Komponenten entfernt, können der Klopfsensor oder die Klopfschaltung einen Kurzschluss auf die Energiequelle aufweisen (d.h. eine konstante hohe Spannung, die durch das Filter entfernt wird), und der Ausgang des Integrierers könnte kleiner als KSTHRHI sein. Da das Diagnosemodul 316 jedoch auch KSnDIG sowie das Ausgangssignal von dem Intensitätsmodul 312 empfängt, kann ein Fehler aufgrund eines Kurzschlusses auf die Energiequelle detektiert werden. Das Diagnosemodul 316 verwendet die Informationen von verschiedenen Teilen des DSP-basierten Klopfdetektionssystems, um erfolgreich zwischen normalen und fehlerhaften Operationen der Klopfschaltung oder des Klopfsensors zu unterscheiden.
  • Wenn ein Fehler detektiert wird, ermittelt das Diagnosemodul 316, in dem Fall von mehreren Klopfsensoren beim Lesen von jedem Klopfsensor, ob der Fehler vorhanden ist. Wenn der Fehler beim Lesen von jedem Klopfsensor vorhanden ist, klassifiziert das Diagnosemodul 316 den Fehler als einen "Schaltungsfehler", da es sehr unwahrscheinlich ist, dass jeder Sensor den gleichen Fehler aufweist. Wenn der Fehler detektiert wird, wenn nur ein Klopfsensor gelesen wird, klassifiziert das Diagnosemodul 316 den Fehler als einen spezifischen Sensorfehler.
  • In Bezug auf 4 sind beispielhafte Module gezeigt, die die DSP-basierte Klopfdetektionssteuerung im Frequenzbereich gemäß der vorliegenden Erfindung ausführen. Die beispielhaften Module umfassen ein Digitalfiltermodul, eine Verstärkung 402, ein Puffermodul 404, ein Modul für eine Fast Fourier Transformation (FFT-Modul) 406, ein Leistungsmodul 408, ein Energiemodul 410, ein Intensitätsmodul 412, ein Geräuschmodul 414, ein Diagnosemodul 416 und das Fenster- und Zylindermodul 418. Die Module umfassen des Weiteren einen Multiplexer 420, ein Filter 422 und einen A/D-Wandler 424, wie es oben ausführlich beschrieben ist.
  • Das Digitalfiltermodul 400 kann als ein BPF unter Verwendung eines IIR- oder FIR-Filters implementiert sein, wie es oben ausführlich beschrieben ist. Abtastwerte des gefilterten Klopfsensorsignals werden in dem Puffermodul 404 zusammengetragen, um einen Vektor mit einer gegebenen Dimension (z.B. einen N-dimensionalen Vektor) zu bilden. Der Ausgang des Puffermoduls 404 kann wie folgt beschrieben werden: yb = [y0 y1 .. yN]wobei yb der Pufferausgang ist, y0 y1 .. yN Abtastwerte des BPF-Ausgangs sind und N die Anzahl von Abtastwerten ist. Es sei angemerkt, dass, während N vorzugsweise auf einer Zweierpotenz (z.B. 64, 128, 256, 512, 1023, etc.) basiert, jede Anzahl verwendet werden kann. Der Ausgang des Puffermoduls 404 ist ein N-dimensionaler Vektor, der aus Abtastwerten des gefilterten Klopfsensorsignals gebildet ist.
  • Das FFT-Modul 406 nimmt den N-dimensionalen Vektor an dem Ausgang des Puffermoduls 404 und wandelt ihn in komplexe Paare im Frequenzbereich um. Die FFT-Funktion kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden: Yf = FFT(yb)wobei Yf der Ausgang des FFT-Moduls 406 ist und yb der FFT-Moduleingang ist. Sowohl Yf als auch yb sind Vektoren, Yf ist jedoch ein komplexer Vektor und wird aus der folgenden Gleichung erhalten:
    Figure 00180001
    wobei wN = e(–2πj)/N, N die Anzahl von Abtastwerten in dem Puffer ist, k die Anzahl von Frequenzkomponenten ist und j = √–1 der komplexe Operator ist.
  • Jede Komponente des Vektors Yf ist ein Paar realer und imaginärer Zahlen. Diese komplexen Paare können durch die folgenden Gleichungen beschrieben werden:
    Figure 00180002
    wobei Re Yf[k] und Im Yf[k] die realen und imaginären Teile des Vektors Yf sind.
  • Das Leistungsmodul 408 schätzt das Leistungsspektrum ab, das eine Messung der Leistung jeder Frequenzkomponente darstellt. Die Leistung von jeder Komponente des Vektors Yf wird wie folgt berechnet: PYf = Yf·conj(Yf)/N wobei PYf das Leistungsspektrum von Yf ist, Yf der Ausgang des FFT-Moduls 406 ist und conj(Yf) die komplex Konjugierte von Yf ist. Die komplex Konjugierte einer komplexen Zahl (a + jb) ist als (a – jb) definiert.
  • Obwohl das Digitalfiltermodul 400 gezeigt ist, sei angemerkt, dass das System zur DSP-basierten Klopfdetektion im Frequenzbereich kein Digitalfiltermodul aufweisen muss. Wenn das Digitalfiltermodul 400 (z.B. BPF) verwendet wird, blockiert das Filter Frequenzkomponenten unter und über einem spezifizierten Frequenzbereich (z.B. 4 kHz bis 20 kHz). Daher zeigt das Leistungsspektrum des Klopfsignals für diese Komponenten keine Leistung. Wenn jedoch das Digitalfiltermodul 400 nicht verwendet wird, sind die Frequenzkomponenten unter und über dem spezifizierten Frequenzbereich in dem Leistungsspektrum zu sehen. Das heißt, die Leistung dieser Komponenten ist nicht mehr Null. Diese zusätzlichen Frequenzkomponenten fügen mehr Datenwerte hinzu aber fügen auch mehr Geräusche hinzu. Das Digitalfiltermodul 400 wird verwendet, um ungewollte Geräusche abzuweisen, aber hierbei kann es auch einige nützliche Informationen löschen.
  • Wie es in Bezug auf die 5 bis 8 nachstehend ausführlich diskutiert ist, erhöht sich die Leistung der Klopfsignal-Frequenzkomponenten, wenn sich die Motorklopfintensität erhöht. Daher kann die Motorklopfintensität durch Ermitteln der Leistung dieser Komponenten abgeschätzt werden. Außerdem kann, da die Energie des Klopfsignals die Integration (d.h. die Summierung eines diskreten Signals) der Leistung all seiner einzelnen Frequenzkomponenten ist, eine Motorklopfintensität durch Abschätzen der Energie, die das Signal in einem gegebenen Frequenzbereich (z.B. 4 kHz bis 20 kHz) aufweist, ermittelt werden.
  • Bei dem Frequenzbereichansatz kann die Klopfintensität auf der Grundlage einer Energieberechnung und/oder einer Leistungsberechnung ausgewählter Frequenzen (z.B. bei etwa 6 kHz und etwa 15 kHz) und/oder einer Energie- und/oder Leistungsberechnung des Klopfsignals oder eines Teils des Klopfsignals berechnet werden. Zum Beispiel wird die Energie (E) des Klopfsignals durch Integrieren des Leistungsspektrums (d.h. Summieren der Leistung von jeder Frequenzkomponente) erhalten. KI wird dann auf der Grundlage der folgenden Gleichung ermittelt: KI = E – ETHR wobei ETHR aus einer Nachschlagetabelle auf der Grundlage der Motordrehzahl und der Motorlast ermittelt wird. Die Nachschlagetabelle wird experimentell aus Fahrzeugtests bei einem normalen Motorbetrieb (d.h. kein Klopfen) erhalten. E wird in einem gegebenen Frequenzbereich (z.B. 4 kHz bis 20 kHz) berechnet.
  • Die Fehlerdetektion im Frequenzbereich ist der Fehlerdetektion im Zeitbereich ähnlich, wie es oben ausführlich beschrieben ist. Die Fehlerdetektion im Frequenzbereich ist jedoch einfacher und robuster als im Zeitbereich. Dies beruht auf der Tatsache, dass das Leistungsspektrum des Klopfsignals sehr verschieden ist, wenn bei der Sensorschaltung ein Fehler vorhanden ist. Daher kann neben dem Niveau der Signal- oder gesamten Energie die Leistung unter den verschiedenen Frequenzkomponenten verglichen werden, um einen Kurzschluss auf Masse oder einen Kurzschluss auf die Energiequelle zu detektieren. Wenn z.B. die gesamte Energie des Signals oder die Leistung seiner Komponenten unter einem gegebenen unteren Schwellenwert (ETHRLO) oder über einem gegebenen oberen Schwellenwert (ETHRHI) liegt, ist ein Fehler in dem Klopfsensor und/oder der Klopfschaltung vorhanden.
  • Bezug nehmend auf 5 bis 8 sind beispielhafte Klopfsensor-Signalleistungsspektren und entsprechende beispielhafte BPF-Ausgangsleistungsspektren für einen normalen Motorbetriebszustand (d.h. kein Klopfen), für ein leichtes Klopfen, für ein mittleres Klopfen bzw. für ein starkes Klopfen gezeigt. Wie es gezeigt ist, erhöhen sich die Leistungsspektren, wenn sich die Klopfintensität erhöht.
  • Sowohl im Zeitbereich als auch im Frequenzbereich liefern DSP-basierte Klopfdetektionssysteme ähnliche Ergebnisse. Aus der Parsevalschen Beziehung kann die gesamte Energie eines Signals entweder durch Berechnen der Energie pro Zeiteinheit und Integrieren über die gesamte Zeit (d.h. Verwenden der Absolutwert- und Integriererblöcke) oder durch Berechnen der Energie pro Frequenzeinheit und Integrieren (d.h. Summieren diskreter Signale) über alle Frequenzen ermittelt werden. Die Parsevalsche Beziehung ist wie folgt definiert:
    Figure 00210001
    wobei |ya| der Absolutwert des Signals an dem Ausgang des BPF ist, w = 2πf, wobei f die Frequenz der Signalkomponente (z.B. 4 kHz bis 20 kHz) ist, und |Yf(jw)|2 die Leistung der Signalfrequenzkomponenten ist, die aus dem Leistungsspektrum des Klopfsignals erhalten werden. Die linke Seite der Gleichung ist die Berechnung der Energie im Zeitbereich und die rechte Seite ist die Berechnung der Energie im Frequenzbereich.
  • Zusammengefasst betrifft die Erfindung ein Klopfdetektionssystem für einen fremdgezündeten Motor, das einen Klopfsensor umfasst, der auf eine Vibration des Motors anspricht und der ein Klopfsignal erzeugt. Ein erstes Modul berechnet eine Klopfenergie auf der Grundlage des Klopfsignals, und ein zweites Modul berechnet eine Klopfintensität auf der Grundlage der Klopfenergie. Ein drittes Modul berechnet eine Zündzeitpunkteinstellung des Motors auf der Grundlage der Klopfintensität.

Claims (28)

  1. Klopfdetektionssystem für einen fremdgezündeten Motor, das umfasst: einen Klopfsensor, der auf eine Vibration des Motors anspricht und der ein Klopfsignal erzeugt; ein erstes Modul, das eine Klopfenergie auf der Grundlage des Klopfsignals berechnet; ein zweites Modul, das eine Klopfintensität auf der Grundlage der Klopfenergie berechnet; und ein drittes Modul, das eine Zündzeitpunkteinstellung des Motors auf der Grundlage der Klopfintensität regelt.
  2. Klopfdetektionssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Geräuschmodul, das einen Geräuschwert abschätzt, wobei das zweite Modul die Klopfintensität auf der Grundlage des Geräuschwerts berechnet.
  3. Klopfdetektionssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Diagnosemodul, das selektiv einen Klopfsensorfehler oder einen Klopfschaltungsfehler auf der Grundlage der Klopfenergie erzeugt.
  4. Klopfdetektionssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Modul für eine Fast Fourier Transformation (FFT-Modul), das ein Frequenzsignal auf der Grundlage des Klopfsignals erzeugt.
  5. Klopfdetektionssystem nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch ein Leistungsmodul, das ein Leistungssignal auf der Grundlage des Frequenzsignals erzeugt, wobei die Klopfenergie auf dem Leistungssignal basiert.
  6. Klopfdetektionssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Fenstermodul, das ein Fenstersignal auf der Grundlage einer Drehlage einer Kurbelwelle des Motors erzeugt, wobei die Klopfenergie auf der Grundlage des Fenstersignals berechnet wird.
  7. Klopfdetektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Modul eine Klopfdifferenz zwischen der Klopfenergie und einer Geräuschenergie ermittelt und die Klopfintensität als eine Differenz zwischen dem Klopfverhältnis und einem Klopfintensitätsschwellenwert berechnet.
  8. Klopfdetektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Modul ein Klopfverhältnis zwischen der Klopfenergie und einer Geräuschenergie ermittelt und die Klopfintensität als eine Differenz zwischen dem Klopfverhältnis und einem Klopfintensitätsschwellenwert berechnet.
  9. Klopfdetektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Modul die Klopfintensität als eine Differenz zwischen der Klopfenergie und einem Energieschwellenwert ermittelt.
  10. Verfahren zum Detektieren eines Motorklopfens eines fremdgezündeten Motors, das umfasst, dass ein Klopfsignal auf der Grundlage einer Vibration des Motors erzeugt wird; eine Klopfenergie auf der Grundlage des Klopfsignals berechnet wird; eine Klopfintensität auf der Grundlage der Klopfenergie berechnet wird; und eine Zündzeitpunkteinstellung des Motors auf der Grundlage der Klopfintensität geregelt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Geräuschwert abgeschätzt wird, wobei die Klopfintensität des Weiteren auf der Grundlage des Geräuschwerts berechnet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klopfsensorfehler oder ein Klopfschaltungsfehler auf der Grundlage der Klopfenergie erzeugt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzsignal auf der Grundlage des Klopfsignals unter Verwendung einer Fast Fourier Transformation (FFT) erzeugt wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungssignal auf der Grundlage des Frequenzsignals erzeugt wird, wobei die Klopfenergie auf dem Leistungssignal basiert.
  15. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fenstersignal auf der Grundlage einer Drehlage einer Kurbelwelle des Motors erzeugt wird, wobei die Klopfenergie auf der Grundlage des Fenstersignals berechnet wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Klopfdifferenz zwischen der Klopfenergie und einer Geräuschenergie ermittelt wird; und die Klopfintensität als eine Differenz zwischen dem Klopfverhältnis und einem Klopfintensitätsschwellenwert berechnet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klopfverhältnis zwischen der Klopfenergie und einer Geräuschenergie ermittelt wird; und die Klopfintensität als eine Differenz zwischen dem Klopfverhältnis und einem Klopfintensitätsschwellenwert berechnet wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfintensität als eine Differenz zwischen der Klopfenergie und einem Energieschwellenwert ermittelt wird.
  19. Verfahren zum Detektieren eines Motorklopfens eines fremdgezündeten Motors, das umfasst, dass ein Kopfsignal auf der Grundlage einer Vibration des Motors erzeugt wird; eine Klopfenergie auf der Grundlage des Klopfsignals berechnet wird; ein Geräuschsignal auf der Grundlage des Motors auf der Grundlage eines Grundliniengeräuschsignals berechnet wird; eine Klopfintensität auf der Grundlage der Klopfenergie berechnet wird; und eine Zündzeitpunkteinstellung des Motors auf der Grundlage der Klopfintensität geregelt wird.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundliniengeräusch auf der Grundlage einer Zündreihenfolge von Zylindern des Motors und Daten über dem zeitlichen Verlauf von Geräuschen des Motors ermittelt wird.
  21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundliniengeräusch auf der Grundlage von momentanen Betriebszuständen des Motors aktualisiert wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klopfsensorfehler oder ein Klopfschaltungsfehler auf der Grundlage der Klopfenergie erzeugt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzsignal auf der Grundlage des Klopfsignals unter Verwendung einer Fast Fourier Transformation (FFT) erzeugt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungssignal auf der Grundlage des Frequenzsignals erzeugt wird, wobei die Klopfenergie auf dem Leistungssignal basiert.
  25. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fenstersignal auf der Grundlage einer Drehlage einer Kurbelwelle des Motors erzeugt wird, wobei die Klopfenergie auf der Grundlage des Fenstersignals berechnet wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Klopfdifferenz zwischen der Klopfenergie und einer Geräuschenergie ermittelt wird; und die Klopfintensität als eine Differenz zwischen dem Klopfverhältnis und einem Klopfintensitätsschwellenwert berechnet wird.
  27. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klopfverhältnis zwischen der Klopfenergie und einer Geräuschenergie ermittelt wird; und die Klopfintensität als eine Differenz zwischen dem Klopfverhältnis und einem Klopfintensitätsschwellenwert berechnet wird.
  28. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfintensität als eine Differenz zwischen der Klopfenergie und einem Energieschwellenwert ermittelt wird.
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