DE102007049150A1

DE102007049150A1 - Klopferkennungssystem sowie Verfahren für eine Verstärkungsregelung für ein Klopfsignal

Info

Publication number: DE102007049150A1
Application number: DE102007049150A
Authority: DE
Inventors: Kai Dierssen; Jochen Goebels; Carsten Kluth; Robert Sloboda; Stefan Kempf; Werner Haeming; Jan Boettger; Federico Buganza; Oskar Torno; Anton Kantschar; Andreas Meinken; Rudi Eichhorn; Frederic Gabel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-04-16
Also published as: CN101821597B; US8365579B2; US20110030452A1; WO2009050002A1; JP2011501110A; CN101821597A; JP5274566B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines verstärkten Sensorsignals eines Klopfsensors, umfassend einen analogen Verstärker zum Verstärken des Sensorsignals gemäß einem ersten vorgebbaren Verstärkungsfaktor; einen Analog-/Digital-Wandler zum Digitalisieren des verstärkten Sensorsignals in ein digitalisiertes Sensorsignal; einen digitalen Verstärker zum Verstärken des digitalisierten Sensorsignals gemäß einem zweiten vorgebbaren Verstärkungsfaktor sowie eine Steuereinheit, um den ersten und zweiten Verstärkungsfaktor abhängig von einem Grundschall-Pegel des Sensorsignals bereitzustellen, wobei der Grundschall-Pegel dem Anteil des beim Normalbetreib ohne Klopfen erzeugten Körperschallsignals entspricht.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Klopferkennungssystem zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor z. B. in einem Kraftfahrzeug. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren für eine Verstärkerregelung für eine Verstärkeranordnung zum Verstärken des Sensorsignals eines Klopfsensors.
Stand der Technik
Das Körperschallsignal, das für die Klopfregelung eines Verbrennungsmotors verwendet wird, variiert in seiner Amplitude über dem gesamten Last- und Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors aufgrund des sich ändernden Motorgrundgeräusches erheblich. Das Körperschallsignal wird von einem Klopfsensor erfasst, der im leerlaufnahen Drehzahlbereich ein sehr kleines Sensorsignal von üblicherweise einigen wenigen mV und im Volllastbereich bei Nenndrehzahl ein Sensorsignal z. B. im Volt-Bereich ausgibt. Die Signalauswertung des Sensorsignals erfolgt in einem Steuergerät, wobei das Steuergerät zur Auswertung des Sensorsignals sicherstellen muss, dass das Sensorsignal im Kleinsignalbereich noch mit einer ausreichend großen Genauigkeit aufgelöst wird, um dieses filtern zu können. Weiterhin sollte das Sensorsignal im Großsignalbereich nur einen Teil des verfügbaren Auswertebereichs beanspruchen, damit klopfende Verbrennungen, die als eine gegenüber dem Grundsignalpegel erhöhte Amplitude des Sensorsignals detektiert werden, nicht den Detektionsbereich der Signalauswertung überschreiten, wodurch für die Klopferkennung wichtige Signalanteile verloren gehen würden.
Um in dem gesamten Amplitudenbereich des Körperschallsignals eine ausreichende Auflösung zu gewährleisten, werden die Sensorsignale des Klopfsensors abhängig von der Höhe des Körperschallsignals bzw. abhängig von der Drehzahl des Verbrennungsmotors verstärkt oder nicht. Eine solche Regelung der Verstärkung verstärkt die Spannungssignale bei kleinen Körperschallsignalen und behandelt die Spannungssignale bei großen Körperschallsignalen neutral.
Aus der Druckschrift DE 10 138 110 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Klopferkennung bzw. Klopfregelung bekannt, wobei ein Sensorsignal eines Klopfsensors einem Verstärker zugeführt wird und dort entsprechend der Anforderung der weiteren Auswertung verstärkt wird. Das verstärkte Signal wird an einen einstellbaren Bandpassfilter weitergegeben, indem ein Frequenzband ausgewählt wird, in dem die für das Klopfen charakteristische Frequenzen liegen. Durch diese Bandpassfilterung können Störsignale, die in einem anderen Bereich liegen, effektiv ausgeblendet werden.
Bislang werden zur Anpassung des Sensorsignals einstellbare Verstärker vorgesehen, die zwei oder mehrere verschiedene Verstärkungsfaktoren bereitstellen, um das Sensorsignal für eine Signalauswertung in einem Analog/Digital-Wandler in einen optimalen Signalpegelbereich zu verstärken. Eine Realisierung eines solchen einstellbaren Verstärkers für das analoge Sensorsignal ist jedoch in diskreter Schaltungstechnik, insbesondere bei zwei oder mehr zu realisierenden Verstärkungsfaktoren, aufwändig und fehleranfällig.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Klopferkennungssystem sowie ein Verfahren zum Bereitstellen eines verstärkten Sensorsignals eines Klopfsensors zum Betreiben eines Klopferkennungssystems zur Verfügung zu stellen, wobei der Aufwand zur Realisierung des Verstärkers zur Verstärkung des Sensorsignals des Klopfsensors reduziert ist. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Bereitstellen eines verstärkten Sensorsignals zur Verfügung zu stellen, mit dem ein derartiges Klopferkennungssystem betrieben werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1, durch das Klopferkennungssystem sowie durch das Verfahren zum Betreiben eines Klopferkennungssystems gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Vorrichtung zum Bereitstellen eines verstärkten Sensorsignals eines Klopfsensors vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst einen analogen Verstärker zum Verstärken des Sensorsignals gemäß einem ersten vorgebbaren Verstärkungsfaktor; einen Analog-/Digital-Wandler zum Digitalisieren des verstärkten Sensorsignals in ein digitalisiertes Sensorsignal; einen digitalen Verstärker zum Verstärken des digitalisierten Sensorsignals gemäß einem zweiten vorgebbaren Verstärkungsfaktor; sowie eine Steuereinheit, um den ersten und zweiten Verstärkungsfaktor abhängig von einem Grundschall-Pegel des Sensorsignals bereitzustellen, wobei der Grundschall-Pegel dem Anteil des beim Normalbetrieb ohne Klopfen erzeugten Körperschallsignals entspricht.
Die obige Vorrichtung ermöglicht eine einfachere Realisierung des ersten Verstärkers, der üblicherweise ausschließlich als Hardware-Verstärker ausgebildet ist, weil die Anzahl der durch den Hardware-Verstärker zu realisierenden Verstärkungsfaktoren reduziert werden kann.
Weiterhin kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um abhängig von einem Grundschall-Pegel des Sensorsignals eine Gesamtverstärkung auszuwählen.
Insbesondere kann die Steuereinheit ausgebildet sein, um die Gesamtverstärkung zu verringern, wenn der Grundschall-Pegel einen oberen Schwellwert überschreitet, und zu vergrößern, wenn der Grundschall-Pegel einen unteren Schwellwert unterschreitet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Steuereinheit einen Speicher auf, der eine Zuordnungstabelle enthält, mit der die Gesamtverstärkung dem Grundschall-Pegel des Sensorsignals zuordenbar ist.
Weiterhin können als erste Verstärkungsfaktoren eine erste Anzahl von festgelegten Verstärkungsfaktoren auswählbar sein, wobei als zweite Verstärkungsfaktoren eine zweite Anzahl von festgelegten Verstärkungsfaktoren auswählbar sind, wobei der kleinste vorkommende Faktor zwischen zwei der festgelegten ersten Verstärkungsfaktoren größer ist als der kleinste vorkommende Faktor zwischen zwei der festgelegten zweiten Verstärkungsfaktoren. D. h. die Sprünge zwischen den ersten Verstärkungsfaktoren sind größer als die Sprünge zwischen den zweiten Verstärkungsfaktoren.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Klopferkennungssystem mit einer Klopferkennungseinheit zum Detektieren eines Klopfens und zum Bereitstellen eines Grundschall-Pegel des Sensorsignals und mit einer der obigen Vorrichtungen vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Bereitstellen eines verstärkten Sensorsignals eines Klopfsensors zum Betreiben eines Klopferkennungssystems vorgesehen. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens eines Sensorsignals; des Verstärkens des Sensorsignals gemäß einem ersten vorgebbaren Verstärkungsfaktor; des Digitalisierens des verstärkten Sensorsignals in ein digitalisiertes Sensorsignal; des Verstärkens des digitalisierten Sensorsignals gemäß einem zweiten vorgebbaren Verstärkungsfaktor; sowie des Bereitstellens des ersten und zweiten Verstärkungsfaktors abhängig von einem Grundschall-Pegel des Sensorsignals bereitzustellen, wobei der Grundschall-Pegel dem Anteil des beim Normalbetrieb ohne Klopfen erzeugten Körperschallsignals entspricht.
Weiterhin kann abhängig von einem Grundschall-Pegel des Sensorsignals eine Gesamtverstärkung ausgewählt werden, wobei die Gesamtverstärkung bei Überschreiten eines oberen Schwellwerts verringert wird und bei Unterschreiten eines unteren Schwellwerts vergrößert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, das obige Verfahren ausführt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgen anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Klopferkennungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Festlegen der Verstärkungsfaktoren für den Hardware-Verstärker und den Software-Verstärker;
3 die Funktion der Verstärkersteuereinrichtung anhand eines Verlaufes eines aus dem verstärkten Sensorsignal ermittelten Referenzpegels.
Beschreibung der Ausführungsformen
In 1 ist ein Klopferkennungssystem 1 dargestellt, das einen Klopfsensor 2 aufweist, um ein Körperschallsignal in einem Verbrennungsmotor zu detektieren. Das Körperschallsignal ist eine akustische Schwingung im Körper des Verbrennungsmotors, die mit einem entsprechenden Schwingungssensor detektierbar ist. Der Klopfsensor 2 ist als ein analoger Sensor ausgebildet und stellt ein Sensorsignal in Form einer elektrischen Größe, wie z. B. Spannung oder Strom, zur Verfügung. Beispielsweise kann der Klopfsensor 2 als piezoelektrischer Sensor ausgebildet sein, der das Sensorsignal als oszillierendes Spannungssignal bereitstellt.
Das analoge Sensorsignal des Klopfsensors 2 wird einem ersten Verstärker 3 zugeführt, der als Hardware-Verstärker ausgeführt ist. Der erste Verstärker 3 ist entweder in integrierter Form in einem IC-Baustein oder in diskreter Form auf einer Leiterplatte als Analogschaltung ausgebildet. Die Verstärkung des ersten Verstärkers 3 ist einstellbar, so dass sein Verstärkungsfaktor abhängig von einem ersten Verstärkungswert variiert, der von einem ersten Verstärkungsfaktor-Speicherelement 4 vorgegeben wird.
Das in dem ersten Verstärker 3 verstärkte Sensorsignal wird einem Analog/Digital-Wandler 5 zugeführt, dort entsprechend abgetastet und in einen digitalen Sensorwert umgesetzt. Das digitalisierte verstärkte Sensorsignal wird einer Auswerteeinrichtung 6 zuge führt, in der eine Auswertung des digitalisierten Sensorsignals vorgenommen wird. Weiterhin kann eine Bandpassfilterung in der Auswerteeinrichtung 6 vorgenommen werden.
Das digitalisierte Sensorsignal wird von der Auswerteeinrichtung 6 einem zweiten Verstärker 7 zugeführt, der als digitaler Verstärker bzw. Software-Verstärker vorgesehen wird. Ein Software-Verstärker entspricht einem Verstärker, der durch Multiplikation des Werts des digitalisierten Sensorsignals eine Verstärkung des Sensorsignals vornimmt. Der Verstärkungsfaktor des zweiten Verstärkers 7 wird durch ein zweites Verstärkungsfaktor-Speicherelement 8 vorgegeben. Das in dem zweiten Verstärker 7 verstärkte digitalisierte Sensorsignal wird anschließend einer Klopferkennungseinheit 9 zugeführt, in der die Klopferkennung ausgeführt wird.
Zum Festlegen der Verstärkungsfaktoren in der ersten und zweiten Verstärkungsfaktor-Speichereinheit 4, 8 ist eine Steuereinheit 10 vorgesehen, die den ersten und zweiten Verstärkungsfaktor in entsprechender Weise anpasst. Dazu erhält die Steuereinheit 10 von der Klopferkennungseinheit 9 einen Pegelwert für ein Grundschall-Sensorsignal, der dem Anteil des Körperschallsignals entspricht, der beim Normalbetrieb des Verbrennungsmotors ohne Klopfen erzeugt wird. Abhängig von diesem Pegelsignal werden die Verstärkungen der beiden Verstärker 3, 7 eingestellt.
In 2 veranschaulicht ein Flussdiagramm die Funktionsweise der Steuereinheit 10. In Schritt S1 empfängt die Steuereinheit 10 den Pegelwert Rkr von der Klopferkennungseinheit 9 und überprüft in Schritt S2, ob der entsprechende Pegelwert Rkr kleiner als ein unterer Schwellwert Kru oder größer als ein oberer Schwellwert Kro ist oder ob er zwischen dem unteren Schwellwert Kru und dem oberen Schwellwert Kro liegt. Wird festgestellt, dass der Pegelwert Rkr zwischen dem oberen und dem unteren Schwellwert liegt, bleiben die in den Verstärkungsfaktor-Speicherelementen 4, 8 gespeicherten Verstärkungsfaktoren unverändert. Wird festgestellt, dass der Pegelwert Rkr einen unteren Schwellwert Kru unterschreitet, müssen die Gesamtverstärkung erhöht und der erste und der zweite Verstärkungsfaktor entsprechend angepasst werden. Die Anpassung der Verstärkungsfaktoren erfolgt gemäß einer Tabelle, die in einem Speicher 11 in der Steuereinheit 10 gespeichert sein kann.

Erster Verstärkungsfaktor 4 4 1 1 1

Zweiter Verstärkungsfaktor 2 1 2 1 0,5

Gesamtverstärkung 8 4 2 1 0,5
Nachfolgend sind Beispiele für die Realisierung von Gesamtverstärkungen mithilfe des ersten und des zweiten Verstärkers 3, 7 dargestellt. Oben stehende Tabelle zeigt, dass der erste Verstärker 3, der als Hardware-Verstärker realisiert ist, zwei Verstärkungen, nämlich eine einfache Verstärkung und eine Vierfachverstärkung vornehmen kann, abhängig von dem in dem ersten Verstärkungsfaktor-Speicherelement 4 gespeicherten ersten Verstärkungsfaktor. Der zweite Verstärker 7 kann drei verschiedene Verstärkungsfaktoren realisieren, 0,5, 1 und 2.
Die Anpassung durch Unterschreiten des unteren Schwellwerts Kru des Pegelwerts wird im Schritt S3 durch entsprechendes Nachschlagen in der in der Steuereinheit 10 gespeicherten Tabelle 11 vorgenommen. Analog wird in Schritt S4 eine Anpassung der ersten und zweiten Verstärkungsfaktoren durch Nachschlagen in der Tabelle 11 vorgenommen, wenn der Pegelwert den oberen Schwellwert Kro übersteigt. Der obere und der untere Grenzwert Kru, Kro sind so festgelegt, dass bei Auftreten eines Klopfens in dem Verbrennungsmotor das Klopfsignal bezüglich des Grundschall-Sensorsignals so detektiert werden kann, dass die Amplitude des Klopfsignals weder den ersten Verstärker 3 in die Sättigung treibt, noch den Auswertebereich des Analog/Digital-Wandlers 5 übersteigt.
Da für die Klopferkennung die Auswertung der Energie des Klopfsignals wesentlich ist, wird gewährleistet, dass eine Energieermittlung des Klopfsignals in der Klopferkennungseinheit 9 mit ausreichender Genauigkeit möglich ist.
Ein möglicher Verlauf des Pegelwerts, der der Steuereinheit 10 bereitgestellt wird, ist für den Fall eines Betreibens des Verbrennungsmotors mit zunehmender Drehzahl in 3 dargestellt. Man erkennt, dass der Pegelwert mehrfach bis zu einem oberen Schwellwert Kro ansteigt. Bei Erreichen des oberen Schwellwerts Kro wird dann die Gesamtverstärkung reduziert, wie es in der in der Steuereinheit 10 hinterlegten Tabelle angegeben ist. Dies ist in 3 durch den stufenartigen Abfall des Pegelwerts erkennbar. Bei zunehmender Drehzahl steigt daraufhin der Pegelwert ausgehend von einem Pegelwert zwischen den beiden Schwellwerten Kru, Kro wieder bis zur oberen Umschaltschwelle an.
Bei sinkender Drehzahl wäre ein vergleichbares Verhalten bezüglich des unteren Schwellwerts Kru zu beobachten.
Das Vorsehen sowohl eines Hardware-Verstärkers (erster Verstärker 3) als auch eines Software-Verstärkers (zweiter Verstärker 7) ist deutlich kostengünstiger, da der Hardware-Verstärker einfacher ausgeführt werden kann, da die Anzahl der Verstärkungsstufen, die durch die Steuereinheit 10 einstellbar sind, reduziert werden kann. Im vorliegenden Fall sind z. B. lediglich zwei Verstärkungsstufen des Hardware-Verstärkers vorgesehen. Der Software-Verstärker 7 ermöglicht es der Klopferkennungseinheit 9, ein normiertes Signal zur Verfügung zu stellen, das in einem für die schnelle Datenverarbeitung in der Klopferkennungseinheit 9 günstigen Wertebereich liegt. Der Software-Verstärker 7 kann gemeinsam mit der Klopferkennungseinheit 9 und der Steuereinheit 10 durch einen gemeinsamen Mikroprozessor und dgl. ausgeführt werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Software-Verstärkung des zweiten Verstärkers 7 in einer von der Klopferkennungseinheit 9 getrennten Einheit ausgeführt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10138110 A1 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Bereitstellen eines verstärkten Sensorsignals eines Klopfsensors, umfassend: – einen analogen Verstärker zum Verstärken des Sensorsignals gemäß einem ersten vorgebbaren Verstärkungsfaktor; – einen Analog-/Digital-Wandler zum Digitalisieren des verstärkten Sensorsignals in ein digitalisiertes Sensorsignal; – einen digitalen Verstärker zum Verstärken des digitalisierten Sensorsignals gemäß einem zweiten vorgebbaren Verstärkungsfaktor; – eine Steuereinheit, um den ersten und zweiten Verstärkungsfaktor abhängig von einem Grundschall-Pegel des Sensorsignals bereitzustellen, wobei der Grundschall-Pegel dem Anteil des beim Normalbetrieb ohne Klopfen erzeugten Körperschallsignals entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um abhängig von einem Grundschall-Pegel des Sensorsignals eine Gesamtverstärkung auszuwählen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, um die Gesamtverstärkung zu verringern, wenn der Grundschall-Pegel einen oberen Schwellwert überschreitet, und zu vergrößern, wenn der Grundschall-Pegel einen unteren Schwellwert unterschreitet.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Steuereinheit einen Speicher aufweist, der eine Zuordnungstabelle enthält, mit der die Gesamtverstärkung dem Grundschall-Pegel des Sensorsignals zuordenbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei als erste Verstärkungsfaktoren eine erste Anzahl von festgelegten Verstärkungsfaktoren auswählbar sind, wobei als zweite Verstärkungsfaktoren eine zweite Anzahl von festgelegten Verstärkungsfaktoren auswählbar sind, wobei der kleinste vorkommende Faktor zwischen zwei der festgelegten ersten Verstärkungsfaktoren größer ist als der kleinste vorkommende Faktor zwischen zwei der festgelegten zweiten Verstärkungsfaktoren.
Klopferkennungssystem mit einer Klopferkennungseinheit zum Detektieren eines Klopfens und zum Bereitstellen eines Grundschall-Pegel des Sensorsignals und mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zum Bereitstellen eines verstärkten Sensorsignals eines Klopfsensors zum Betreiben eines Klopferkennungssystems, umfassend: – Bereitstellen eines Sensorsignals; – Verstärken des Sensorsignals gemäß einem ersten vorgebbaren Verstärkungsfaktor; – Digitalisieren des verstärkten Sensorsignals in ein digitalisiertes Sensorsignal; – Verstärken des digitalisierten Sensorsignals gemäß einem zweiten vorgebbaren Verstärkungsfaktor; – Bereitstellen des ersten und zweiten Verstärkungsfaktors abhängig von einem Grundschall-Pegel des Sensorsignals, wobei der Grundschall-Pegel dem Anteil des beim Normalbetrieb ohne Klopfen erzeugten Körperschallsignals entspricht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei abhängig von dem Grundschall-Pegel des Sensorsignals eine Gesamtverstärkung ausgewählt wird, wobei die Gesamtverstärkung bei Überschreiten eines oberen Schwellwerts verringert und bei Unterschreiten eines unteren Schwellwerts vergrößert wird.
Computerprogramm, das einen Programmcode enthält, der, wenn er auf einer Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, ein Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8 ausführt.