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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Klopfens einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Benzinmotors, bei welchem Körperschallsignale gemessen werden, aus welchen Körperschallmerkmale gewonnen werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei Benzinmotoren ist es üblich, das Klopfen mittels eines Klopfsensors zu detektieren. Dieser Klopfsensor ist dabei an dem Benzinmotor angeordnet und erkennt Körperschallschwingungen des Benzinmotors, welche infolge explosionsartiger Verbrennungen innerhalb der Zylinder des Benzinmotors entstehen. Solche innerhalb des Brennraumes des Benzinmotors entstehenden explosionsartigen Verbrennungen werden in Schwingungen umgewandelt, die auf die Wandung des Verbrennungsmotors weitergeleitet und dort als Körperschall wahrgenommen werden. Zu hohe Schwingungen können zur Beschädigung des Benzinmotors führen und müssen daher unterbunden werden.
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Zur Klopferkennung wird das von dem Körperschallsensor gelieferte Körperschallsignal im Wesentlichen in einem geeigneten Messfenster gefiltert, gleichgerichtet und integriert. Basierend auf dem Integralendwert wird dann ein relatives Körperschallmerkmal berechnet, womit mittels eines Schwellwertvergleiches eine Klopfentscheidung getroffen wird. Aufgrund von Störungen bereitet eine solche Klopferkennung zunehmend Probleme. Zur Verbesserung der Klopferkennung besteht die Möglichkeit, eine Zeit-Frequenz-Darstellung in dem Messfenster zu berechnen, wodurch eine Vielzahl von Körperschallmerkmalen für eine Verbrennung ermittelt wird. Allerdings bleibt dabei offen, wie basierend auf einer solchen Vielzahl von Körperschallmerkmalen eine Klassifizierung in einem hochdimensionalen Raum erfolgen soll. Es sind Verfahren wie Support Vector Classification (SVC) bekannt, mittels welchen eine Klassifikation im hochdimensionalen Raum erfolgen kann. Dieses Verfahren ist aber für die Klopferkennung nicht optimal, da hier immer nur digitale Entscheidungen getroffen werden können, die Klopfstärke aber ein kontinuierliches Signal darstellt. Weiterhin ist eine Support Vector Regression (SVR) bekannt, die aber zumindest in der Standardanwendung den Nachteil hat, dass die Gewichtung einzelner Elemente immer gleich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erkennung des Klopfens einer Brennkraftmaschine anzugeben, bei welchem aus vielen, die Verbrennung charakterisierenden Körperschallmerkmalen eine Klassifikation auf Klopfen erfolgt, um somit eine genaue Klopferkennung zu gewährleisten.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass aus den Körperschallmerkmalen ein absoluter Spitzendruck für eine Verbrennung der Brennkraftmaschine geschätzt wird und der geschätzte absolute Spitzendruck mit einer Klopferkennungsschwelle verglichen wird, wobei bei einer Überschreitung der Klopferkennungsschwelle durch den geschätzten Spitzendruck auf ein Klopfen der Brennkraftmaschine erkannt wird. Dies hat den Vorteil, dass eine Klassifikation von klopfenden bzw. nichtklopfenden Verbrennungen möglich ist, da der aus den gemessenen Körperschallmerkmalen berechnete absolute Spitzendruck, welcher vorzugsweise aus einem bandpassgefilterten Brennraumdrucksignal (typisch 4–40 kHz) erhalten wird, eine Referenz für die Klopfstärke darstellt.
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Vorteilhafterweise werden während eines, in einer Verbrennung aufgespannten Messfensters die Körperschallsignale gemessen, woraus eine Mehrzahl von Körperschallmerkmalen bestimmt wird. Durch die Auswertung einer hohen Anzahl von Körperschallmerkmalen lässt sich eine genaue Aussage darüber treffen, ob ein Klopfen in dem Benzinmotor vorliegt oder nicht.
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In einer Ausgestaltung werden die Körperschallmerkmale aus den Körperschallsignalen durch eine Fourier-Transformation ermittelt. Somit lassen sich die Körperschallmesswerte in einem einfachen softwaremäßigen Vorgehen verarbeiten und daraus Rückschlüsse auf den absoluten Spitzendruck jeder Verbrennung ziehen.
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In einer Ausführungsform setzen sich die hochfrequenten Körperschallmerkmale aus Energien verschiedener Frequenzen eines Leistungsdichtespektrums der Verbrennung zusammen, wobei durch die Fourier-Transformation eine Fülle an Energiemerkmalen bestimmt werden können.
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Vorteilhafterweise werden die Körperschallmerkmale jeweils gewichtet. Mittels der Gewichtung und anschließender Summation werden die zahlreichen Körperschallmerkmale durch eine Ausgleichsrechnung auf den Spitzendruck abgebildet. Anschließend kann mittels des Schwellwertvergleiches hinsichtlich des so bestimmten Spitzendruckes entschieden werden, ob ein Klopfen des Benzinmotors vorliegt oder nicht.
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In einer Ausgestaltung werden zur Gewichtung in einem Applikationsvorgang ein Gewichtungsfaktoren und/oder ein Offset für die Körperschallmerkmale unter Verwendung eines, während einer Verbrennung in einem Zylinder der Brennkraftmaschine gemessenen Brennraumdrucks ermittelt. Der Brennraumdruck wird dabei bei unterschiedlichen Betriebspunkten gemessen, wobei jeder Betriebspunkt durch eine vorgegebene Last und eine vorgegebene Drehzahl charakterisiert ist. Typischerweise werden für jeden Betriebspunkt 1000–3000 Verbrennungen ausgewertet, um sicherzustellen, dass eine geeignete Anzahl von klopfenden Verbrennungen innerhalb dieser ausgewerteten Verbrennungen liegt.
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In einer Variante wird aus dem Brennraumdruck mittels der, in derselben Verbrennung ermittelten Körperschallmerkmale ein absoluter Spitzendruck berechnet, welcher von den, während des Applikationsvorganges ermittelten Körperschallmerkmalen abgezogen wird, und es erfolgt eine Gewichtung des so erhaltenen Differenzvektors derart, dass die starken nichtklopfenden Verbrennungen und/oder die schwachen klopfenden Verbrennungen unter den während des Applikationsvorganges bestimmten Körperschallmerkmalen ein höheres Gewicht erhalten. Während dieses Applikationsvorganges wird ein Gleichungssystem verwendet, welches durch viele Verbrennungen, die als Unbekannte zur Verfügung stehen, überbestimmt ist.
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In einer Ausgestaltung nimmt bei der Gewichtung der Verbrennung in der Optimierungsaufgabe dann ein Maximum eines Gewichtes ein, wo die starken nichtklopfenden Verbrennungen und die schwachen klopfenden Verbrennungen aneinandergrenzen, wobei ausgehend vom Maximum nach beiden Seiten eine monoton fallende Gewichtung ausgebildet ist. Die Gewichtung erfolgt dabei so, dass die Lösung des Optimierungsproblems quasi nicht nur durch die vielen Verbrennungen mit niedrigen Spitzendrücken bestimmt wird, sondern die Verbrennungen in den Bereichen, wo starke nichtklopfende Verbrennungen und schwache klopfende Verbrennungen auftreten, adäquat eingehen, wodurch eine gute Klassifikation erfolgt.
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Vorteilhafterweise geht die Gewichtung für sehr kleine und sehr große Spitzendrücke in eine Sättigung über. Dadurch wird eine verbesserte Korrelation zwischen dem Spitzendruck und der Gewichtung vorzugsweise im Bereich zwischen den großen und kleinen Spitzendrücken erreicht.
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In einer Ausführungsform wird die Applikationsgewichtung während des Applikationsvorganges iterativ angepasst. Dadurch kann die Statistik der Verteilung der Körperschallmerkmale berücksichtigt werden.
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Ferner werden die Körperschallmerkmale vor der Gewichtung mit dem Gewichtungsfaktor einer nicht-linearen Transformation unterzogen. Da der absolute Spitzendruck aus einer linearen Abhängigkeit von Körperschallmerkmalen bestimmt werden soll, führt eine solche nicht-lineare Transformation zu einer besseren Einstellung dieser linearen Abhängigkeit.
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In einer Variante wird die Klopferkennungsschwelle in Abhängigkeit von, in vorhergehenden Verbrennungen geschätzten absoluten Spitzendrücken angepasst. Dies hat den Vorteil, dass Alterungseffekte des Benzinmotors, bei welchem sich das Grundgeräusch des Benzinmotors verändert, in die Klopferkennungsschwelle einbezogen werden und somit Fehlentscheidungen bei der Klopferkennung vermieden werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfens einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Benzinmotors, welche Signale eines Körperschallsensors empfängt und aus dem Signal des Körperschallsensors Körperschallmerkmale ermittelt. Bei einer Vorrichtung, welche eine zuverlässige Bestimmung eines Klopfereignisses auch bei Vorhandensein zahlreicher Körperschallmerkmale erlaubt, sind Mittel vorhanden, die aus den Körperschallmerkmalen einen Spitzendruck für eine Verbrennung der Brennkraftmaschine schätzen und den geschätzten Spitzendruck mit einer Klopferkennungsschwelle vergleichen, wobei bei einer Überschreitung der Klopferkennungsschwelle durch den geschätzten Spitzendruck auf ein Klopfen der Brennkraftmaschine erkannt wird. Dies hat den Vorteil, dass eine Klassifikation von klopfenden bzw. nichtklopfenden Verbrennungen möglich ist, da der hochfrequente, maximale absolute, eine Referenz darstellende Spitzendruck aus den Körperschallsignalen geschätzt wird.
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Vorteilhafterweise detektieren die Mittel zur Schätzung des Spitzendruckes die während einer Verbrennung abgegebenen Signale des Körperschallsensors in einem, während der Verbrennung aufgespannten Messfenster und bestimmen daraus eine Mehrzahl von Körperschallmerkmalen, die gewichtet werden. Dabei werden die zahlreichen Körperschallmerkmale, die dem Signal des Körperschallsensors entnommen werden, mittels einer Ausgleichsrechnung auf einem Spitzendruck abgebildet, wobei anschließend mittels des Vergleichs mit der Klopferkennungsschwelle entschieden werden kann, ob ein Klopfen des Benzinmotors vorliegt.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: Vorrichtung zur Erfassung von Klopfsignalen in einer Brennkraftmaschine,
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2: ein Ausführungsbeispiel für einen Zylinder der Brennkraftmaschine gemäß 1;
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3: ein Ausführungsbeispiel für eine Applikationsgewichtung des Spitzendruckes,
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4: Korrelation des Ergebnisses der gewichteten Ausgleichsrechnung zum absoluten Spitzendruck, welches nach einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ermittelt wurde,
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5: Korrelation des Ergebnisses der Support Vector Regression (SVR) zum Spitzendruck nach dem Stand der Technik.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine Vorrichtung zur Erfassung von Klopfsignalen in einer Brennkraftmaschine, die vorzugsweise als Benzinmotor ausgebildet ist. Die Brennkraftmaschine 1 weist in diesem Beispiel vier Zylinder 2, 3, 4, 5 auf, deren nicht weiter dargestellte Kolben, welche sich in den Zylindern 2, 3, 4, 5 bewegen, über jeweils eine Pleuelstange 6, 7, 8, 9 mit der Kurbelwelle 10 verbunden sind und diese aufgrund der durch die Verbrennung verursachten Druckänderungen antreiben. Die Zylinder 2, 3, 4, 5 sind mit einem Saugrohr 11 verbunden, welches durch eine Drosselklappe 12 gegenüber einem Luftansaugrohr 13 abgeschlossen ist. In jeden Zylinder 2, 3, 4, 5 ragt eine Düse 14 zur Einspritzung von Kraftstoff und ein Einlassventil 15 für die Frischluft, wodurch sich im Zylinder 2, 3, 4, 5 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch bildet. Darüber hinaus weist jeder Zylinder 2, 3, 4, 5 ein Auslassventil 16 für die Abgase auf, die während der Verbrennungsprozesse entstehen, wie es in 2 beispielhaft nur für den Zylinder 2 dargestellt ist. An der Brennkraftmaschine 1 ist ein Körperschallsensor 17 angeordnet, welcher die durch die Verbrennungen verursachten und auf die Brennkraftmaschine 1 übertragenen Körperschalländerungen detektiert. Die Signale des Körperschallsensors 17 werden an ein Steuergerät 18 weitergeleitet, welches auch mit einem der Kurbelwelle 10 gegenüberliegenden Kurbelwellensensor 19 verbunden ist, wobei das Steuergerät 18 die Verbrennungen dem Signal des Kurbelwellensensors 19 zuordnet, welches einen Kurbelwellenwinkel präsentiert. Das Steuergerät 18 umfasst dabei einen Mikroprozessor 20, der mit einem Speicher 21 verbunden ist.
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In einer Brennkraftmaschine 1 führt eine Verbrennung des zugeführten Kraftstoff-Luft-Gemisches dazu, ein mit der Brennkraftmaschine 1 ausgerüstetes Fahrzeug in den Fahrbetrieb zu versetzen bzw. den Fahrbetrieb aufrechtzuerhalten. Dabei wird die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch einen Zündfunken einer Zündkerze eingeleitet. Der Zündfunke baut eine Flammenfront auf, welche sich im gesamten Brennraum 22 der Brennkraftmaschine ausbreitet und das vorhandene Kraftstoff-Luft-Gemisch während der Verbrennung in kinetische Energie umwandelt. Bei klopfenden Verbrennungen läuft ein Teil der Verbrennungen schlagartig ab und verursacht im Brennraum 22 der Brennkraftmaschine 1 einen starken Druckanstieg, der eine Druckwelle erzeugt, die sich ausbreitet und auf die, den Brennraum 22 begrenzenden Wände trifft, wo die hochfrequenten Schwingungen in Körperschall umgewandelt werden. Diese Schwingungen werden vom Körperschallsensor 17 detektiert. Das Steuergerät 18 wertet diese kontinuierlichen Schwingungen aus, was bei der Ansteuerung der Brennkraftmaschine 1 durch das Steuergerät 18 während einer Klopfregelung berücksichtigt wird, um Motorschäden zu verhindern.
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Das Steuergerät 18 schätzt aus den, von dem Körperschallsensor 17 gewonnenen Körperschallmerkmalen einen absoluten Spitzendruck pi pro Verbrennung i, der für die Klopferkennung ausgewertet wird. In den Speicher 21 des Steuergerätes 18 ist dabei eine Formel abgelegt, welche einen linearen Zusammenhang wiedergibt und nach welcher der Mikroprozessor 20 den Schätzwert des absoluten Spitzendruckes pi aus dem Körperschallsignal für jede Verbrennung i bestimmt. pi = m T / i·wi + b (1)
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Der Vektor mi enthält nun die aus dem Körperschallsignal mittels einer Fouriertransformation gewonnenen Körperschallmerkmale, wie beispielsweise Energien, die aufgrund verschiedener Frequenzen aus einem Leistungsdichtespektrum zusammengesetzt sind. w ist ein Vektor, mit dem die Körperschallmerkmale mi gewichtet werden und nach Addition mit der Konstanten b eine Schätzung für den Spitzendruck pi der Verbrennung i ergeben. Darauf aufbauend, wird der Spitzendruck pi mit einer Klopferkennungsschwelle verglichen, wobei bei Überschreitung der Klopferkennungsschwelle durch den geschätzten Spitzendruckes pi der jeweiligen Verbrennung i auf ein Klopfen entschieden wird.
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Der Vektor w und die Konstante b werden in einem Applikationsvorgang bestimmt und in dem Steuergerätes 18 vor der eigentlichen Messung durch den Körperschallsensor 17 und die Auswertung der Körperschallmerkmale mi durch das Steuergerät 18 abgespeichert.
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Während des Applikationsvorganges ist das in Gleichung (1) genannte Gleichungssystem überbestimmt, da vielmehr Verbrennungen i als Unbekannte zur Verfügung stehen. Es ist somit ein Optimierungsproblem zu bewältigen, bei welchem eine Gewichtung der Verbrennungen i vorzunehmen ist, so dass die relevanten Verbrennungen, also die starken nichtklopfenden Verbrennungen i und die schwachen klopfenden Verbrennungen i ein höheres Gewicht in der Optimierung bekommen als die restlichen Verbrennungen. Dabei wird wie folgt vorgegangen:
Beim Applikationsvorgang werden für jeden Zylinder
2,
3,
4,
5 verschiedene Betriebspunkte angefahren, die durch Last und Drehzahl gekennzeichnet sind. Typischerweise werden für jeden Betriebspunkt 1000–3000 Verbrennungen verwendet, wobei davon ausgegangen wird, dass in dieser großen Anzahl eine geeignete Anzahl von klopfenden Verbrennungen liegt. In dem Applikationsvorgang wird mittels eines Brennraumdrucksensors der Brennraumdruck p
ref während einer Verbrennung i gemessen und aus den während der gleichen Verbrennung i auftretenden Körperschallsignalen eine Mehrzahl von Körperschallmerkmalen m
i bestimmt
wobei G = diag(g
1 ...... g
n)
p
ref, M und x sind wie folgt definiert:
Tp
ref = [p
1 ... p
n] Brennraumdruck, welcher während des Applikationsvorganges gemessen wird,
g Gewichtung
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In 3 ist eine mögliche Gewichtung √g n der Verbrennungen i in Abhängigkeit des Spitzendruckes pi dargestellt. Dabei ist ein Maximum des Gewichtes an der Stelle angeordnet, wo die Trennung zwischen starken nichtklopfenden Verbrennungen i und schwachen klopfenden Verbrennungen i vorhanden ist. Beispielsweise erfolgt die Trennung beim vorliegenden Beispiel bei einem absoluten Spitzendruck des bandpassgefilterten Brennraumdrucks von 6,3 bar bei einer Drehzahl von 6300 U/min. Für sehr kleine und sehr große Spitzendrücke pi soll die Gewichtung dann in eine Sättigung gehen, die größer Null ist. Dazwischen ist ausgehend vom Maximum nach beiden Seiten eine monoton fallende Gewichtung vorgesehen. Diese Gewichtung √g n wird während des Applikationsvorganges iterativ angepasst, um der Statistik der Verteilung der Körperschallmerkmale mi in dem Applikationsvorgang gerecht zu werden.
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Bevor die Körperschallmerkmale mi in der Gleichung (1) verarbeitet werden, werden diese einer nicht-linearen Transformation unterzogen. Dies kann z.B. durch eine Logarithmierung der Körperschallmerkmale mi erfolgen. 4 zeigt die Korrelation der Ergebnisse der Regression zum Spitzendruck, welcher mittels der vorgesehenen Ausgleichsrechnung gewichtet wurde. In dem Gebiet, wo gewünschtermaßen eine gute Klassifikation erfolgen soll, ist hier eine gute Korrelation für starke nichtklopfende Verbrennungen i und schwache klopfende Verbrennungen i vorhanden, so dass eine zuverlässige Klopfentscheidung ermöglicht wird. Im Vergleich dazu ist in 5 eine Korrelation mittels der Support Vector Regression (SVR) durchgeführt, bei welcher alle Körperschallmerkmale mi gleich gewichtet sind. Dies führt dazu, dass die vielen Verbrennungen i mit niedrigen Spitzendrücken die Klassifizierung beeinflussen und daher zu einer Verfälschung führen.
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Aufgrund von Alterungseffekten kann sich das Grundgeräusch des Benzinmotors 1 verändern. Deshalb wird in Abhängigkeit der schon berechneten Spitzendrücke p der vorangegangenen Verbrennungen, die im Speicher 21 abgelegt sind, die Klopferkennungsschwelle für die aktuelle Verbrennung angepasst. Alternativ kann der aktuelle Spitzendruck pi auch auf einen Mittelwert der vorhergehenden Verbrennungen pi, s bezogen werden und anschließend mit der applizierten Klopferkennungsschwelle gearbeitet werden.
