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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Überwachung einer Klopfregelung
bzw. einer Vorrichtung zur Klopfregelung einer Brennkraftmaschine
nach der Gattung der unabhängigen
Patentansprüche.
Aus der
DE 100 22
815 A1 ist bereits eine Vorrichtung bekannt, bei der das
Signal eines Klopfsensors analog/digital gewandelt wird und die weitere
Verarbeitung der Klopfdaten dann anhand dieser digitalen Daten erfolgt.
Dabei ist auch eine Überwachung
der Klopfregelung vorgesehen, die auf dem Einspeisen von Testsignalen
und einer Überprüfung, ob
ein entsprechender Klopflevel, passend zu diesen Testsignalen erzeugt
wird, beruht. Eine Auswertung der digitalen Klopfdaten ist zum Zweck
der Überwachung
nicht vorgesehen.
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Vorteile der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Überwachung
einer Klopfregelung bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Klopfregelung
einer Brennkraftmaschine haben demgegenüber den Vorteil, dass durch
unmittelbare Auswertung der digitalen Klopfdaten eine Überwachung
der Klopfregelung erfolgt. Es kann so während des laufenden Betriebs
der Brennkraftmaschinen ohne Unterbrechung der Klopfregelung durch
das Anlegen von Testsignalen eine Überwachung der Klopfregelung
vorgenommen werden. Die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine wird
somit verbessert.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen ergeben sich durch die Merkmale
der abhängigen
Patentansprüche.
Besonders einfach erfolgt der Beginn und das Ende der Datenerfassung
durch eine Vergleichseinheit, die eine aktuelle Winkelinformation
mit zuvor berechneten Startwinkeln und Endwinkeln für die Datenerfassung
vergleicht. Für
die Berechnung einer Datenmenge muss neben den Winkelinformationen
zusätzlich
noch eine Drehzahl der Brennkraftmaschine bekannt sein. Besonders einfach
wird aus diesen Informationen zunächst eine Zeitdauer der Erfassung
der Daten und daraus dann die Datenmenge berechnet. Als Drehzahlinformation kann
dabei auch ein Mittelwert für
die Drehzahl verwendet werden. Als weitere Überwachung kann bei jedem Start
oder Ende der Datenerfassung ein Zähler verändert werden. Dieser Zähler wird
dann unabhängig
von einer Winkelinformation, d. h. zu vorgegebenen zeitlichen Abständen überprüft. Eine
derartige Form der Überwachung
ist unabhängig
von einer Vorrichtung, die aktuelle Winkelinformationen der Brennkraftmaschine
zur Verfügung
stellt und kann daher auch durch eine Fehlermittlung der Winkelinformationen
nicht gestört
werden. Als weitere Form der Überwachung
kann noch vorgesehen werden, beim Auftreten eines Endwinkels zu überprüfen, ob ein
Startwinkel eines darauf folgenden Zylinders der Brennkraftmaschine
nach dem Endwinkel liegt.
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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
schematische Ansicht einer Brennkraftmaschine mit einem Steuergerät und
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2 verschiedene
Mittel zur Auswertung von Klopfsignalen und Mittel zur Überwachung
der Klopfregelung.
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Beschreibung
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In
der 1 wird höchst
schematisch eine Brennkraftmaschine und ein der Brennkraftmaschine zugeordnetes
Steuergerät 1 dargestellt.
Die Brennkraftmaschine wird durch einen Zylinder 100, in
dem ein Kolben 101 angeordnet ist, dargestellt. Durch eine
Verbrennung im Zylinder 100 wird eine Druckerhöhung bewirkt,
die eine Bewegung des Kolbens 101 bewirkt. Diese Bewegung
des Kolbens 101 wird durch ein nicht dargestelltes Pleuel
in eine Bewegung einer Kurbelwelle 102 umgesetzt. Mit der
Kurbelwelle 102 starr verbunden ist ein Geberrad 103,
auf welchem einzelne Markierungszähne 104 angebracht sind.
In der 1 sind schematisch acht Zähne dargestellt. Üblich sind
jedoch Geberräder 103 mit
dreißig
oder sechzig Zähnen,
wobei ein oder zwei dieser Zähne
nicht ausgebildet werden, um eine feste Bezugsmarke, die einer fest
vorgegebenen Winkelposition der Kurbelwelle 102 entspricht,
zu markieren.
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Die
Ansteuerung der Brennkraftmaschine erfolgt durch das Steuergerät 1,
welches Stellglieder zur Kontrolle der Brennkraftmaschine betätigt und
die Signale von Sensoren, die Aussagen über Zustände der Brennkraftmaschine
liefern, einliest. Als Beispiel ist in der 1 eine Ansteuerleitung 105 dargestellt, durch
die das Steuergerät 1 ein
Stellglied 106 auf dem Kopf des Zylinders 100 ansteuert.
Ein derartiges Stellglied 106 kann beispielsweise eine
Zündkerze oder
ein Einspritzventil sein, wodurch entweder eine Zündung eines
bereits im Zylinder 100 eingebrachten Luft-Kraftstoffgemisches
erfolgt, oder aber ein entsprechende Kraftstoffmenge eingespritzt
wird. Weiterhin werden in der 1 als Beispiele
zwei unterschiedliche Sensoren dargestellt.
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Durch
einen Klopfsensor 108 auf der Außenseite des Zylinders 100 werden
entsprechende Vibrationssignale in dem Zylinder 100 aufgenommen
und durch eine Datenleitung 107 an das Steuergerät 1 weitergegeben.
Durch diese Klopfsignale wird eine so genannte Klopfregelung realisiert,
d. h. ein Betrieb der Brennkraftmaschine in unmittelbarer Nähe der Klopfgrenze,
wodurch ein besonders wirtschaftlicher Betrieb der Brennkraftmaschine
möglich
ist.
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Durch
den Drehzahlsensor 109 wird ein Vorbeistreichen der Markierungszähne 104 an
dem Drehzahlsensor 109 erkannt und es wird im Steuergerät 1 über die
die Datenleitung 110 so Signale zur Verfügung gestellt,
die proportional zu der jeweiligen Stellung der Kurbelwelle 102 sind.
Diese Informationen erlauben es der Brennkraftmaschine 1,
winkelsynchron Eingriffe vorzunehmen, d. h. bei bestimmten Stellungen
der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine Stelleingriffe an den Stellgliedern
vorzunehmen. In der 1 wurde schematisch nur ein
einzelner Zylinder 100 dargestellt. Übliche Brennkraftmaschinen
weisen jedoch in der Regel mehrere Zylinder 100, insbesondere
vier Zylinder 100, auf.
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In
der 2 wird die Signalverarbeitung einer Klopfregelung
näher erläutert. Die
Signale von zwei Klopfsensoren 108, die mehreren Zylindern
einer Brennkraftmaschine zugeordnet sind, werden über einen
Multiplexer 10 geführt,
der immer nur ein Sensorsignal durchschaltet. Dies ist deswegen
möglich,
da die Klopfsignale in den Zylindern einer Brennkraftmaschine nicht
zum gleichen Zeitpunkt auftreten und sich daher zeitlich nicht überlappen.
Der so zusammengefasste Datenstrom der Klopfsensoren wird von dem
Multiplexer 10 an einen Filter 11 weitergegeben.
Dieser Filter 11 hat eine Anti-Alias-Funktion, um so das
Auftreten von Störeffekten
durch eine Abtastung mit beschränkter
Frequenz zu verhindern. Nach diesem Filter 11 erfolgt dann
eine zusätzliche Signalverstärkung in
der Verstärkungsstufe 12 und dieses
verstärkte
Signal wird dann an einen Analog-/Digitalwandler weitergegeben.
In diesem Analog-/Digitalwandler erfolgt eine Abtastung des analogen
Klopfsignals und es werden entsprechende Abtastwerte in einen Zwischenspeicher 14 abgelegt. Die
Einspeicherung in den Speicher 14 erfolgt durch einen Direct-Memory-Access-Baustein 19 (DMA). Die
in dem Zwischenspeicher 14 abgelegten Abtastwerte des Klopfsignals
werden anschließend
in einer Auswertung 15 blockweise weiterverarbeitet, insbesondere
wird so festgestellt, ob bei einer bestimmten Verbrennung in einem
der Zylinder, denen die Klopfsensoren 108 zugeordnet sind,
eine klopfende Verbrennung erfolgte oder nicht. Ein entsprechendes Ausgangssignal
wird dann auch an einer Ausgangsleitung 16 zur Verfügung gestellt.
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Das
relevante Messfenster, in dem die Analog-/Digitalwandlung durch
den Analog-/Digitalwandler 13 erfolgt,
wird von einem Fenstergenerator 17 festgelegt. Dieser Fenstergenerator 17 ist
durch eine entsprechende Ansteuerleitung 18 mit dem Analog-/Digitalwandler 13 verbunden.
Durch ein entsprechendes Signal des Fenstergenerators 17 beginnt der
Analog-/Digitalwandler 13 mit der Analog-/Digitalwandlung
und jeder der so generierten Abtastwerte des Klopfsignals der Klopfsensoren 108 wird
im Zwischenspeicher 14 abgelegt. Wenn dann die Datenerfassung
nicht mehr erfolgen soll, so wird durch den Fenstergenerator 17 die
Analog-/Digitalwandlung durch den Analog-/Digitalwandler 13 gestoppt.
Die entsprechenden Signale des Fenstergenerators 17 werden
auch an einer Überwachungseinheit 20 gegeben,
durch die eine Überwachung
der gesamten Klopfregelung erfolgt. Weiterhin stehen der Überwachungseinheit 20 auch
die Daten des Zwischenspeichers 14 oder die Daten der Auswerteeinheit 15 zur Verfügung.
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In
der 2 werden die Mittel zur Verarbeitung der Klopfsignale
und die Überwachungseinheit als
einzelne separate Funktionsblöcke
dargestellt. Diese einzelnen Funktionsblöcke können jedoch zusammen mit dem
Steuergerät 1 in
einem Gehäuse angeordnet
sein und können
auch teilweise durch ein entsprechendes Programm realisiert sein,
welches von einem Universalrechner des Steuergerätes 1 ausgeführt wird.
Insbesondere die Funktionsblöcke, die
dem Analog-/Digitalwandler 13 nachgeordnet sind, werden
vorzugsweise durch entsprechende Programmmodule realisiert, die
von einem Universalrechner eines Steuergerätes 1 abgearbeitet
werden.
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Das
Steuergerät 1 ist
zur Abarbeitung von winkelgesteuerten und zeitgesteuerten Vorgängen ausgebildet.
Winkelgesteuerte Vorgänge
sind Vorgänge,
die zu einer bestimmten Winkelstellung der Kurbelwelle 102 der
Brennkraftmaschine erfolgen sollen. Dazu wertet das Steuergerät 1 das
Signal des Drehzahlsensors 109 aus. Bei sechzig Zähnen eines Geberrades 103 kann
so eine Winkelauflösung
von 6° Kurbelwellenwinkel
realisiert sein. Da sich die Drehzahl einer Brennkraftmaschine innerhalb
von 6° nicht
beliebig stark verändert,
können
Zwischenwerte entsprechend ausgehend von einem aktuellen Drehzahlsignal
und dem Auftreten eines Zahnes 104 berechnet werden. Üblich ist
beispielsweise ein Winkelzähler,
durch den innerhalb des Steuergerätes 1 eine Winkelauflösung von
unter 1°,
beispielsweise von 0,75° Kurbelwellenwinkel
realisiert wird. Zu jedem dieser Winkel wird dann von einem entsprechenden Programmmodul überprüft, ob zu
dem Winkel eine Ansteuerung von Komponenten der Brennkraftmaschine
oder des Steuergerätes 1 vorgenommen
werden soll. Auf diese Weise wird die Funktionalität des Fenstergenerators 17 erzeugt,
indem eine Winkelinformation für
den Start der Datenerfassung und eine Winkelinformation für das Ende
der Datenerfassung, der Signale der Klopfsensoren 108 vorgesehen
wird. Üblicherweise
erfolgt diese Berechnung zusammen mit der Berechnung des Zündwinkels,
da eine sinnvolle Erfassung von Klopfdaten in einem bestimmten Winkelfenster
nach der Zündung
sinnvoll ist. Es wird so für
jedes Zündereignis
neben dem Zündwinkel
ein Startwinkel und ein Endwinkel für die Erfassung von Klopfdaten
berechnet. Der Fenstergenerator erhält innerhalb des Steuergeräts 1 Werte
für diesen
Startwinkel und Endwinkel und die Information über die aktuelle Stellung der
Kurbelwelle 102 der Brennkraftmaschine, d. h. die aktuelle
Winkelinformation. Wenn der Fenstergenerator 17 feststellt,
dass der aktuelle Winkel dem Startwinkel entspricht, so wird der
Analog-/Digitalwandler eingeschaltet und wenn der Fenstergenerator
danach feststellt, dass der Endwinkel erreicht wird, so wird die
Analog-/Digitalwandlung durch den Analog-/Digitalwandler 13 wieder
gestoppt. Alternativ kann der Analog-/Digitalwandler 13 auch kontinuierlich
betrieben werden und nur die Abspeicherung in dem Zwischenspeicher 14 von
dem Fenstergenerator 17 gesteuert werden. In diesem Fall
wertet der DMA 19 die Ansteuersignale des Fenstergenerators 17 aus.
In 2 ist die Ansteuerleitung 18 sowohl mit
dem Analog-/Digitalwandler 13 wie auch mit dem DMA 19 verbunden.
Je nachdem welcher Baustein für
die Erzeugung der Messfenster verwendet wird ist eine der beiden
Leitungen nicht erforderlich.
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Die Überwachungseinheit 20 überprüft dann, ob
die Analog-/Digitalwandlung durch den Analog-/Digitalwandler 13 erfolgreich
war und ob eine korrekte Speicherung in den Zwischenspeicher 14 erfolgt.
Dazu ist eine weitere Vorrichtung insbesondere ein weiteres Programmmodul
vorgesehen, welches unabhängig
von dem Startwinkel oder Endwinkel der Erfassung der Daten ausgelöst wird.
Die Überwachungseinheit 20 kann
für den
Zweck der Überwachung
der Klopfdatenerfassung sowohl Signale des Fenstergenerators 17,
wie auch des Zwischenspeichers 14 oder der Auswertung 15 verwenden.
Auf jeden Fall hat die Überwachungseinheit 20 Zugriff
auf die in dem Zwischenspeicher 14 gespeicherten digitalen
Klopfdaten und wertet diese Daten unmittelbar aus, um eine Fehlfunktion
bei der Erfassung der digitalen Klopfdaten zu erkennen. Durch die unmittelbare
Auswertung der analog-digital-gewandelten Daten ist eine Überwachung
parallel zum laufenden Betrieb der Klopfregelung möglich. Es
ist nicht erforderlich Testsignale zu verwenden und dadurch die
laufende Klopfregelung oder Klopferkennung zu unterbrechen. Dazu
ist es aber erforderlich, dass die Auswertung direkt auf der Basis
der digitalen Daten erfolgt.
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Bei
einer ersten Überwachung
durch die Überwachungseinheit 20 wird
die Datenmenge, die in den Zwischenspeicher 14 abgespeichert
ist, ausgewertet. Für
jedes Klopfereignis muss eine bestimmte Mindestmenge an Daten in
dem Zwischenspeicher 14 gespeichert sein, um überhaupt
eine sinnvolle Auswertung vornehmen zu können. Eine erste einfache Auswertung
besteht somit darin, die in dem Zwischenspeicher 14 zu
einem bestimmten Messfenster erzeugte Datenmenge zu überprüfen. Weiterhin
kann dabei betrachtet werden, ob diese Messwerte eine ausreichende
Signalhöhe
aufweisen und ausreichende Variationen der digitalen Klopfdaten
vorliegt. Im Zusammenhang mit einer Drehzahlinformation kann mit
guter Näherung
die zu erwartende Datenmenge eines bestimmten Klopffensters berechnet
werden. Besonders einfach erfolgt dies, wenn ausgehend von dem Startwinkel
und Endwinkel und der Drehzahl der Brennkraftmaschine eine Zeitdauer
berechnet wird, die für
die Analog-/Digitalwandlung zur Verfügung steht. Zusammen mit der bekannten
Abtastfrequenz des Analog-/Digitalwandlers 13 kann
dann in sehr guter Näherung
berechnet werden, wie groß der
zu dem Klopffenster gespeicherte Datenblock in dem Zwischenspeicher 14 ist. Je
präziser
die Drehzahlinformation betrachtet wird, umso genauer lässt sich
die Größe des Datenblockes im
Zwischenspeicher 14 berechnen. Sinnvoll ist beispielsweise
die Drehzahl beim Startwinkel und beim Endwinkel für eine Mittelwertberechnung
der Drehzahl zu verwenden und die so gemittelte Drehzahl dann für die Berechnung
der Datenmenge zu verwenden. Zu große Abweichungen von der so
berechneten Datenmenge lassen dann auf Störungen entweder des Fenstergenerators 17 oder
des Analog-/Digitalwandlers 13 schließen. Der Vorteil dieses Überwachungsverfahrens
ist, dass es parallel zu der normalen Auswertung der Klopfdaten
erfolgen kann. Es ist nicht erforderlich, die Signalverarbeitungskette mit
einem Testsignal zu beaufschlagen, da während einer derartigen Testphase
keine Klopferkennung und damit auch keine Klopfregelung möglich ist.
Für die Überwachung
ist es besonders vorteilhaft, wenn innerhalb des Steuergerätes die
Auslösung
dieser Überwachung
unabhängig
vom Fenstergenerator 17 erfolgt. Dies kann dadurch geschehen,
dass zusätzlich
zum Startwinkel und Endwinkel auch ein Überwachungswinkel berechnet
wird, zu dem dann die Überwachungseinheit
eine Überprüfung der
Daten im Zwischenspeicher 14 vornimmt. Alternativ kann
die Überwachungseinheit 20 auch
zeitgesteuert aktiviert werden, d. h. in fest vorgegebenen Zeitabständen wird
eine Überwachungsroutine
aktiviert, die dann jeweils die Datenmenge des unmittelbar zuvor
erfolgten Messfensters überprüft.
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Eine
besondere Form der zeitgesteuerten Überwachung durch die Überwachungseinheit 20 kann
darin bestehen, dass von dem Fenstergenerator 17 bei jedem
Startwinkel ein Startwinkelzähler oder
bei jedem Endwinkel ein Endwinkelzähler weitergezählt wird.
Die Überwachungseinheit 20 wird
in regelmäßigen Zeitabständen aktiviert,
wobei diese Zeitabstände
so gewählt
sind, dass bei jeder sinnvollen Drehzahl der Brennkraftmaschine
zumindest ein Auswertefenster seit dem letzten Aufruf der Überwachungseinheit 20 erfolgt
sein muss. Bei längeren Zeiträumen kann
auch eine entsprechende größere Anzahl
von Messfenstern vorgesehen sein, die seit dem letzten Aufruf dieser Überwachungsroutine
erfolgt sein müssen.
Nur wenn bei der zeitgesteuert ausgelösten Überwachungsroutine eine entsprechende
Anzahl von Zählerwerten
des Startwinkelzählers
oder Endwinkelzählers
gefunden werden, wird die Klopferkennung als fehlerfrei bewertet.
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Eine
weitere Überwachung
kann zusammen mit dem Endwinkel vorgenommen werden. Dabei wird durch
die Überwachungseinheit 20 überprüft, ob beim
Auftreten eines Endwinkels in dem Fenstergenerator 17 für das nächste Messfenster
bereits ein Startwinkel abgespeichert ist, der einen nachfolgenden
Winkelwert zu dem aktuellen Endwinkel aufweist. Insbesondere bei
4-Zylinder-Brennkraftmaschinen kann der Fall nicht auftreten, dass
sich die Messfenster einzelner Verbrennungsvorgänge in den Zylindern überlappen.
Eine Überprüfung, ob
die Endwinkel und Startwinkel aufeinander folgender Verbrennungsvorgänge zueinander
plausibel sind, stellt somit eine Überprüfung der Berechnungen des Fenstergenerators 17 dar.
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Eine
weitere Auswertung durch die Überwachungseinheit 20 sieht
vor, dass das von der Auswertung 15 berechnete Endergebnis,
welches über
die Leitung 16 ausgegeben wird, auch an die Überwachungseinheit 20 gegeben
wird. Dieses Ausgangssignal hat bei einer realen Brennkraftmaschine
immer eine bestimmte Mindesthöhe,
sofern die gesamte Auswertekette normal funktioniert. Durch Überprüfung, ob
der Ausgangswert innerhalb eines bestimmten Signalfensters liegt,
kann somit festgestellt werden, ob es zu einem vollständigen Ausfall
einer Komponente oder einer Unterbrechung einer Verbindungsleitung
gekommen ist.
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Eine
weitere Überwachung
erfolgt durch die Überprüfung des
DMA 19 mittels eines Selbsttests. Der DMA 19 überprüft den Speichervorgang
in den Speicher 14, insbesondere ob der DMA 19 einen Speicherzugriff
auf den Speicher 14 durchführen konnte bevor ein neuer
Digitalwert vom Analog-/Digitalwandler 13 zur Verfügung gestellt
wurde. Wenn dabei ein Fehler auftritt so wird durch den DMA ein entsprechendes
Fehlerbit gesetzt. Durch Überprüfen dieses
Fehlerbits kann die Überwachungseinheit 20 feststellen
ob die Erfassung (und Speicherung) der Klopfdaten einwandfrei erfolgt.
Wenn die anderen Teile der Auswertekette wie Multiplexer 11,
Anti-Alias-Filter 12 oder Analog-Digital-Wandler 13 ebenfalls mit
einem Selbsttest ausgestattet sind so können wie bei dem DMA 19 die
Ergebnisse dieser Selbsttests auch verwendet werden um Fehler bei
der Erfassung der Klopfdaten fest zu stellen.
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Eine
weitere Überwachung
erfolgt indem die Aktivität
des Analog-/Digitalwandlers 13 und/oder des DMA 19 hinsichtlich
einer Aktivität
zwischen den Messfenstern überwacht
wird. Zwischen den Messfenstern dürfen nämlich keine Daten in den Speicher 14 eingeschrieben
werden. Die Überwachungseinheit 20 überprüft daher
ob nach dem Ende eines Messfensters der Analog-/Digitalwandler 13 in
Ruhe ist (Variante mit Fensterbildung durch Ansteuerung des Analog-/Digitalwandler 13)
oder ob der DMA 19 in Ruhe ist (Variante mit Fensterbildung
durch Ansteuerung des DMA 19).