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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Klopfregelung einer mehrzylindrigen
Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der
Technik
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"Klopfen" bei Otto-Motoren
ist im Gegensatz zu "weicher" Verbrennung ein
schlagartiger und daher unerwünschter
Verbrennungsverlauf. Abhängig von
der Stärke
ist das Klopfgeräusch
als feines Klingeln bis zu harten Hammerschlägen wahrnehmbar. Je nach Ausmaß des Klopfens
werden längerfristig Kolben
und Triebwerk überlastet
und Lager ausgeschlagen. Unabhängig
davon sinkt die Leistung der Brennkraftmaschine bei starkem Klopfen
erheblich ab.
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Es
ist bekannt, daß beim
Otto-Motor die Klopfneigung abnimmt, beispielsweise bei geänderter
Kraftstoffzumessung oder bei weniger Früh-Zündung. Beim Diesel-Motor kann
bei verschiedenen Lastzuständen,
z.B. im Leerlaufn oder im Teillast-Betrieb bei aufgeladenen Motoren,
eine "harte" Verbrennung mit
negativen Auswirkungen auf das Motorgeräusch auftreten. Zur Vermeidung
dieser "harten" Verbrennung können z.B.
bei Direkteinspritzverfahren Voreinspritzungen vorgesehen sein.
Aus wirtschaftlichen Gründen
ist nun ein Betrieb der Brennkraftmaschine nahe der Klopfgrenze
bzw. der Grenze zur "harten" Verbrennung wünschenswert.
Da die Klopfgrenze abhängig
vom Betriebszustand schwankt, ist eine Klopfregelung erforderlich.
Als Maß für das Klopfen
bzw. das Verbrennungsgeräusch
dient das Ausgangssignal eines Klopfsensors in Form eines körperschallempfindlichen
Bauelements, beispielsweise eines piezokeramischen Tonaufnehmers.
Aufgrund von Unsymmetrien, z.B, bei der Gemischbereitstellung und
dergleichen, tritt bei den einzelnen Zylindern einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine
ungleich starkes Klopfen auf. Es ist deshalb rein prinzipiell wünschenswert,
das Klopfen jedes einzelnen Zylinders zu erfassen. Dies geschieht
vorteilhafterweise mit mehr als einem Klopfsensor pro Brennkraftmaschine.
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Aus
der
DE 30 07 336 ist
beispielsweise eine Einrichtung zur Klopfregelung einer Brennkraftmaschine
mit einem Steuergerät
für wenigstens
eine Betriebskenngröße sowie
mehreren, mit dem Steuergerät
in Verbindung stehenden und an der Brennkraftmaschine angeordneten
Klopfsensoren bekannt, bei der die Signalausgänge der einzelnen Klopfsensoren über einen
Multiplex-Schalter mit einer Klopfregelstufe als Teil des Steuergerätes gekoppelt
sind. Durch diese Einrichtung ist sehr genau die Erfassung von Klopfgeräuschen einzelner
Zylinder und daher auch eine entsprechend genaue Klopfregelung wesentlicher
Betriebskenngrößen, wie
z.B. der Kraftstoffzumessung oder des Zündwinkels bei einem Otto-Motor,
sowie z.B. die Einstellung des Spritzbeginns beim Diesel-Motor möglich. Durch
den Multiplex-Schalter wird darüber
hinaus der Aufwand an elektronischen Bauteilen für die Signalauswertung wesentlich
verringert, da die Auswerteelektronik nur einkanalig geführt werden
muß.
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Insbesondere
bei Motoren mit einer großen Anzahl
von Zylindern, beispielsweise bei Acht-Zylinder-Dieselmotoren, werden
nun die Einspritzventile häufig
mittels mehrerer Steuergeräte
angesteuert. Dabei werden beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine
mit acht Zylindern jeweils vier Zylinder von je einem Steuergerät angesteuert.
Die Kommunikation zwischen den Steuergeräten erfolgt mit einem exklusiven
CAN-Bus, dem sogenannten "private CAN-Bus".
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Sehr
häufig
kommen dabei sogenannte Master/Slave-Systeme zum Einsatz, bei denen
sich die beiden Steuergeräte
mit den Einspritzungen ständig abwechseln.
Es ist nun sehr wichtig, daß der
Zeitbezug einer Messung zur Einspritzung sehr exakt ist, da hiervon
die Qualität
der Messung maßgeblich
beeinflußt
wird. Bei einer Ansteuerung der Einspritzung mit wenigstens zwei
Steuergeräten,
insbesondere bei den vorerwähnten
Ma ster/Slave-Systemen, erweist sich nun die Anordnung der Klopfsensoren
problematisch, da die von jeweils einem Steuergerät angesteuerten
Einspritzungen bei Zylindern erfolgen, die nicht unbedingt räumlich nebeneinander
liegen, sondern sich beispielsweise auch im Motorblock gegenüberliegen
können.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur
Klopfregelung einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen
Art dahingehend weiterzubilden, daß eine Klopfsensorauswertung
mit möglichst
geringem technischen Aufwand und damit besonders wirtschaftlich
erzielt werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sieht die Zuordnung eines Teils
der Klopfsensoren zu jeweils einem Steuergerät vor, wobei die Signalausgänge dieser
Klopfsensoren mit einer Klopfregelstufe als Teil dieses Steuergeräts gekoppelt
sind.
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Bevorzugt
ist dabei der einem Steuergerät zugeordnete
Teil der Klopfsensoren an oder benachbart zu den Zylindern der Brennkraftmaschine
angeordnet, deren Einspritzungen von diesem Steuergerät angesteuert
werden. Durch diese Anordnung ist es möglich, daß jedes Steuergerät die Klopfsensorsignale
an den von ihm selbst angesteuerten Zylindern messen kann. Hierdurch "hört" gewissermaßen jedes Steuergerät das Verbrennungsgeräusch aufgrund der
von ihm selbst angesteuerten Einspritzungen. Dies hat den großen Vorteil,
daß hierdurch
keine aufwendige Echtzeitsynchronisation zwischen den Steuergeräten notwendig
ist. Da eine solche Echtzeitsynchronisation zwischen zwei Steuergeräten außerordentlich
komplex ist und hohe Anforderungen an die verwendete Hardware und
Software stellt, ist durch den Wegfall einer solchen Echtzeitsynchronisation auch
ein wesentlich einfacherer und störunanfälligerer technischer Aufbau
und damit auch ein hinsichtlich der Gesamtsystemkosten vorteilhafter
Aufbau möglich.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
einer Einrichtung zur Klopfregelung bei einer Brennkraftmaschine
mit acht Zylindern und zwei Steuergeräten, welche jeweils vier Zylinder
ansteuern, sind jeweils drei Klopfsensoren einem Steuergerät zugeordnet.
Die Klopfsensoren sind bevorzugt zwischen benachbarten Zylindern
angeordnet. Durch diese symmetrische Anordnung der Klopfsensoren
werden vergleichbare Weglängen,
d.h. aku stische Kopplungen erreicht. Dies ist insbesondere im Hinblick
auf den Zeitbezug der Messung, der die Qualität der Messung maßgeblich
beeinflußt,
sehr vorteilhaft.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
einer Einrichtung zur Klopfregelung für eine Brennkraftmaschine mit
acht Zylindern und zwei Steuergeräten sind vier statt sechs Klopfsensoren
vorgesehen, die gleichzeitig jedem der beiden Steuergeräte zugeordnet
sind. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß weniger
Klopfsensoren nötig
sind, was eine deutliche Kostenersparnis zur Folge hat.
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Eine
wiederum andere Ausführungsform
einer Einrichtung zur Klopfregelung bei einer Brennkraftmaschine
mit acht Zylindern und zwei Steuergeräten sieht vor, daß jeweils
jedem Steuergerät
zwei Klopfsensoren zugeordnet sind, wobei die von den Steuergeräten verarbeiteten
Daten über
Datenleitungen an das jeweils andere Steuergerät übertragen werden. Auch bei
dieser Anordnung sind nur vier statt sechs Klopfsensoren erforderlich,
was insbesondere im Hinblick auf die Herstellungskosten vorteilhaft
ist. Darüber
hinaus sind bei dieser Anordnung pro Steuergerät nur zwei statt drei Klopfsensoren
notwendig, wodurch sich eine Einsparung von Steuergeräte-Pins zum
Anschließen
der Klopfsensoren ergibt.
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Bei
einer dritten Ausführungsform
sind die Klopfsensoren jeweils jedem Zylinder zugeordnet, so daß vier Klopfsensoren
jeweils einem Steuergerät zugeordnet
sind. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß keine
Echtzeitsynchronisation notwendig ist, da jedes Steuergerät seine
eigene Einspritzung hat. Eine solche Einrichtung eignet sich insbesondere
in Fahrzeugen mit genügend
großem Bauraum,
da die Anordnung von acht Klopfsensoren einen erhöhten Bauaufwand
und einen erhöhten
Aufwand zur elektrischen Leitungsverbindung erfordert.
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Bevorzugt
sind die beiden Steuergeräte
jeweils ein Master-Steuergerät
sowie ein Slave-Steuergerät, die jeweils
einem Teil, vorzugsweise jeweils dem halben Teil der Zylinder zugeordnet
sind.
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Zeichnung
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Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 schematisch
die Anordnung von Klopfsensoren gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung
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2 schematisch
die Anordnung von Klopfsensoren gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung
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3 schematisch
die Anordnung von Klopfsensoren gemäß einer dritten Ausführungsform der
Erfindung
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4 schematisch
die Anordnung von Klopfsensoren gemäß einer vierten Ausführungsform der
Erfindung und
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5 schematisch
die Anordnung von Klopfsensoren gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
schematisch die Anordnung von Klopfsensoren in einem Motorblock
einer Brennkraftmaschine mit acht Zylindern, bezeichnet mit den
Bezugszeichen 1, ... 8, dargestellt. Jeweils ein
Teil der Zylinder wird von jeweils einem Steuergerät angesteuert.
Bei der in der Figur dargestellten Brennkraftmaschine werden beispielsweise
die Zylinder 1, 4, 6 und 7 durch
ein Master-Steuergerät
angesteuert (in der Figur gekennzeichnet durch ein großes M),
wohingegen die Zylinder 2, 3, 5, 8 durch
ein Slave-Steuergerät
(in der Figur gekennzeichnet durch ein großes S) angesteuert werden.
Zwischen jeweils benachbarten Zylindern ist ein Klopfsensor angeordnet. So
ist zwischen dem Zylinder 1 und dem Zylinder 2 ein
erster Klopfsensor M1 angeordnet, dessen Ausgangssignale mit einer
Klopfregelstufe gekoppelt sind, die Teil des Master-Steuergeräts ist.
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Zwischen
Zylinder 3 und Zylinder 4 ist ein Klopfsensor
M4 angeordnet, dessen Ausgangssignale ebenfalls der Klopfregelstufe
des Master-Steuergeräts
zugeordnet ist. Entsprechendes trifft auch auf einen Klopfsensor
M67 zwischen Zylinder 6 und 7 zu.
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Zwischen
Zylinder 2 und 3, die beide jeweils von dem Slave-Steuergerät angesteuert
werden, ist dagegen ein Klopfsensor S23 angeordnet, dessen Signalausgänge mit
einer Klopfregelstufe gekoppelt sind, die Teil des Slave-Steuergeräts ist.
In entsprechender Weise sind zwischen Zylinder 5 und 6 ein Klopfsensor
S5 und zwischen Zylinder 7 und 8 ein Klopfsensor
S8 angeordnet, deren Signalausgänge jeweils
mit der Klopfregelstufe, die Teil des Slave-Steuergerätes ist,
gekoppelt sind.
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Die
Klopfsensoren zwischen den Zylindern 2 und 3,
die beide jeweils von dem Slave-Steuergerät angesteuert
werden sowie die Klopfsensoren M67 zwischen Zylinder 6 und 7,
die beide jeweils von dem Master-Steuergerät angesteuert werden, müssen symmetrisch
zwischen den jeweiligen Zylindern plaziert werden.
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Die
Zündreihenfolge
der in Figur mit 10 dargestellten Brennkraftmaschine ist 1 5 4 8 6 3 7 2. Durch
die Anordnung der Klopfsensoren jeweils zwischen den Zylindern wird
nicht nur die Zahl der Klopfsensoren zur Erfassung des Klopfverhaltens
in den einzelnen Zylindern von 8 auf 6 reduziert,
insbesondere wird dadurch, daß die
Signalausgänge
dieser Klopfsensoren jeweils einer Klopfregelstufe zugeordnet sind,
die Teil des jeweiligen Steuergerätes ist, welches auch die Zylinder
ansteuert, benachbart zu denen auch die Klopfsensoren angeordnet
sind, erreicht, daß das
Steuergerät
jeweils nur die Verbrennungsgeräusche
der von ihm selbst verursachten Einspritzungen "hört". Hierdurch ist keine
aufwendige Echtzeitsynchronisation zwischen den Steuergeräten notwendig.
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Die
Klopfsensoren sind beispielsweise piezokeramische Tonaufnehmer,
die mit dem Motorblock verschraubt sind. Diese wandeln die Körperschallschwingungen
des Motors in elektrische Signale um, die zu der Auswerteschaltung,
d.h. der Klopfregelstufe in dem entsprechenden Steuergerät weitergeleitet
werden. Die Klopfregelstufe bewertet die Signale nach Intensität und spektralem
Inhalt und regelt daraufhin die Einspritzparameter für die folgenden
Verbrennungen. Hierbei ist es wichtig, daß der Zeitbezug der Messungen
zur Einspritzung sehr exakt ist, da hiervon die Qualität der Messung
maßgeblich
ab hängt.
Um vergleichbare Weglängen,
d.h. akustische Kopplungen zu erreichen, sollten die Klopfsensoren
jeweils symmetrisch zwischen den Zylindern angeordnet sein. Aus
diesem Grunde wird Idealerweise zwischen zwei Zylindern, die von
einem Steuergerät
angesteuert werden, jeweils ein Klopfsensor angeordnet, der diesem
Steuergerät
zugeordnet ist. Dort, wo Zylinder benachbart sind, die von jeweils
dem anderen Steuergerät
angesteuert werden, sind Klopfsensoren angeordnet, die abwechselnd
jeweils dem einen und dem anderen Steuergerät zugeordnet sind. Beispielsweise
ist zwischen dem Zylinder 3 und dem Zylinder 4 der
Klopfsensor M4 angeordnet, dessen Signalausgänge mit einer Klopfregelstufe
gekoppelt sind, die Teil des Master-Steuergeräts ist, wohingegen der Klopfsensor
zwischen Zylinder 8 und Zylinder 7 mit einer Klopfregelstufe
gekoppelt ist, die Teil des Slave-Steuergeräts ist.
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Eine
alternative Ausführungsform
zur Anordnung von Klopfsensoren ist in 2 dargestellt.
Auch bei dieser Ausführungsform
ist die Zündreihenfolge der
Brennkraftmaschine 1 5 4 8 6 3 7 2.
Im Gegensatz zu der in 1 dargestellten Ausführungsform sind
bei dieser Ausführungsform
jedoch jeweils zwischen benachbarten Zylindern, die einerseits von dem
Master-Steuergerät,
andererseits von dem Slave-Steuergerät angesteuert werden, also
zwischen den Zylindern 1 und 2, 3 und 4, 5 und 6 sowie 7 und 8,
Klopfsensoren angeordnet, deren Signalausgänge mit Klopfregelstufen gekoppelt
sind, die sowohl Teil des Master-Steuergeräts als auch Teil des Slave-Steuergeräts sind.
Dies ist in 2 durch die Buchstabenkombination
MS angedeutet. So ist beispielsweise zwischen Zylinder 1 und
Zylinder 2 ein Klopfsensor MS12 angeordnet, zwischen Zylinder 3 und
Zylinder 4 ein Klopfsensor MS34, zwischen Zylinder 5 und
Zylinder 6 ein Klopfsensor MS65 und zwischen Zylinder 7 und
Zylinder 8 ein Klopfsensor MS78. Der Vorteil dieser Anordnung
besteht darin, daß nur
vier Klopfsensoren erforderlich sind, wodurch sich eine nicht unerhebliche
Kostenersparnis ergibt. Eine solche Anordnung erfordert allerdings
einen Zusatzaufwand durch Kabelbaumbrücken, da ein Klopfsensoranschluß an zwei
Steuergerätepins erforderlich
ist. Darüber
hinaus sind pro Steuergerät vier
statt drei Klopfsensoren angeschlossen, wodurch im Steuergerät mehr Steckerpins
belegt werden müssen.
Ferner müssen
Vorkehrungen getroffen werden, daß sich keine Signalqualitätsverschlechterungen
durch Einkopplung von Masseversätzen
zwischen den Steuergeräten
als Gleichtaktstörung
ergeben. Ferner muß eine
negative Beeinflussung der Leitungsdiagnose ausgeschlossen sein.
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Das
in 3 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel einer Einrichtung
zur Klopfregelung unterscheidet sich von dem in 2 dargestellten
dadurch, daß die
Klopfsensoren jeweils zwischen Zylindern angeordnet sind, die abwechselnd
vom Master-Steuergerät
und vom Slave-Steuergerät
angesteuert werden, ihre Signalausgänge jedoch jeweils nur mit
einer Klopfregelstufe gekoppelt sind. So sind beispielsweise die
Signalausgänge
des zwischen Zylinder 1 und Zylinder 2 angeordneten
Klopfsensors S12 mit einer Klopfregelstufe gekoppelt, die Teil des Slave-Steuergeräts sind,
wohingegen beispielsweise die Signalausgänge des zwischen Zylinder 5 und
zwischen Zylinder 6 angeordneten Klopfsensors M65 mit einer
Klopfregelstufe gekoppelt sind, die Teil des Master-Steuergerätes ist.
Die Signalausgänge
des zwischen Zylinder 3 und Zylinder 4 angeordneten Klopfsensors
S34 sind mit einer Klopfregelstufe gekoppelt, die Teil des Slave-Steuergerätes ist.
Die Signalausgänge
des zwischen Zylinder 7 und Zylinder 8 angeordneten
Klopfsensors M78 sind mit einer Klopfregelstufe gekoppelt, die Teil
des Master-Steuergerätes
ist.
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Der
Vorteil einer solchen Anordnung besteht wie bei dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
darin, daß nur
vier Klopfsensoren erforderlich sind, wodurch sich die Kosten zur
Herstellung reduzieren. Im Gegenstand zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind pro Steuergerät
nur zwei statt drei Klopfsensoren nötig. Hierdurch ergibt sich zusätzlich eine
Einsparung der Steuergeräte-Pins. Allerdings
muß bei
einer solchen Anordnung eine Echtzeitsynchronisation vorgesehen
sein, wodurch wiederum der Entwicklungsaufwand erhöht wird.
Ferner ist eine Kommunikation zwischen den Steuergeräten nötig und
damit auch ein zusätzlicher
schaltungstechnischer Aufwand.
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Bei
einem in 4 dargestellten, vierten Ausführungsbeispiel
sind jeweils zwischen von unterschiedlichen Steuergeräten angesteuerten
benachbarten Zylindern, also zwischen Zylinder 1 und 2,
Zylinder 3 und 4, Zylinder 5 und 6 und
Zylinder 7 und 8, jeweils zwei Klopfsensoren angeordnet,
deren Signalausgänge
mit Klopfregelstufen gekoppelt sind, die jeweils unterschiedlichen
Steuergeräten,
also einerseits dem Master-Steuergerät, andererseits dem Slave-Steuergerät zugeordnet
sind. So ist beispielsweise zwischen Zylinder 1 und Zylinder 2 ein
Klopfsensor M1 angeordnet, der dem Master-Steuergerät zugeordnet
ist sowie ein Klopfsensor S2, der dem Slave-Steuergerät zugeordnet
ist. Entsprechendes trifft auf die Anordnung der Klopfsensoren S3
und M4 zwischen Zylinder 3 und 4 sowie der Klopfsensoren
S5 und M6 zwischen Zylinder 5 und 6 und der Klopfsensoren
S8 und S7 zwischen Zylinder 7 und 8 zu. Der Vorteil
dieser Anordnung besteht darin, daß keine Echtzeitsynchronisation
notwendig ist, da jedes Steuergerät eigene Einspritzungen "hört". Allerdings ist hier für jeden
Zylinder ein eigener Klopfsensor erforderlich. Dadurch erhöht sich
der schaltungstechnische Aufwand zur Verkabelung und dergleichen. Darüber hinaus
muß für die Anordnung
dieser Klopfsensoren jeweils auch Bauraum in der Brennkraftmaschine
vorgesehen sein.
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Das
in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem in 4 dadurch, daß die Klopfsensoren
nicht zwischen benachbarten, von unterschiedlichen Steuergeräten angesteuerten Zylindern,
beispielsweise zwischen Zylinder 1 und 2, sondern
jeweils jedem Zylinder zugeordnet sind. So ist beispielsweise Klopfsensor
M1, dessen Signalausgänge
mit einer Klopfregelstufe gekoppelt sind, die Teil des Master-Steuergeräts ist,
dem vom Master-Steuergerät
angesteuerten Zylinder 1 zugeordnet. Entsprechendes trifft
auf Klopfsensor M4, Klopfsensor M6 sowie Klopfsensor M7 zu. Dagegen
ist beispielsweise Klopfsensor S2, dessen Signalausgänge mit
einer Klopfregelstufe gekoppelt sind, die Teil des Slave-Steuergeräts ist,
dem vom Slave-Steuergerät
angesteuerten Zylinder 2 zugeordnet, entsprechendes gilt
auch für
Klopfsensor S3, Klopfsensor S5 und Klopfsensor S8.