DE19506272A1 - Verfahren zur Klopfregelung eines Verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Klopfre­ gelung eines Verbrennungsmotors mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Verfahren dieser Art werden angewendet, um einen stark klopfenden Betrieb eines im allgemeinen mehrzylindrigen Verbren­ nungsmotors zu verhindern. Es ist jedoch von Vorteil, wenn das Motormanagement derart arbeitet, daß eine gerin­ ge Klopfintensität zugelassen wird, ohne daß es zu Motor­ schäden kommen kann. Beeinflußbar ist dies im wesentli­ chen durch die Einstellung des Zündzeitpunktes für die einzelnen Zylinder und durch Variation der Kraftstoff- Luft-Zuführung.

Die Art der Verbrennung (klopfend oder nicht klopfend) ist durch Schwingungsmessungen feststellbar. Insbesondere werden Körperschallsensoren zur Erfassung aussagefähiger Meßwerte eingesetzt. Sie werden derart angebracht, daß die Meßsignale zylinderspezifisch erfaßbar sind.

Wie beispielsweise in der DE-OS 41 27 960 beschrieben, werden Schwingungssignale innerhalb bestimmter Meßfenster (festgelegte Bereiche der Kurbelwellenumdrehung) erfaßt. Für jeden Verbrennungszyklus wird aus den sensorisch er­ faßten Meßsignalen ein Klopfwert (auch Vibrationspegel genannt) bestimmt. Auf der Basis mehrerer Klopfwerte kann dann ein Geräuschwert (auch Grundgeräuschpegel) berechnet werden, der wiederum die Ableitung eines Schwellwertes (auch Grundschwellenpegel oder Grundschwelle genannt) zu­ läßt. Ein Vergleich der aktuell bestimmten Klopfwerte mit dem aus dem Geräuschwert abgeleiteten Schwellwert ermög­ licht nunmehr eine Aussage über die Qualität des Motorbe­ triebs und ggf. positiv beeinflussende Eingriffe in das Management des Motors.

Besondere Bedeutung kommt der richtigen Bestimmung der Geräuschwerte zu, da diese als Basis für die Bewertung der einzelnen Klopfwerte im Motorbetrieb dienen. Die Ge­ räuschwerte sind nicht als Konstanten verwendbar, sondern müssen in Abhängigkeit von Betriebskennwerten variiert werden. Insbesondere die Motordrehzahl hat Einfluß auf das normale Geräuschverhalten des Motors, aber auch die Motorlast und die Motorqualität (Herstellungstoleranzen, Alterungszustand, . . . ) sind von Bedeutung. Diesen wech­ selnden Bedingungen kann man durch abgespeicherte Ge­ räuschwerte, die konstant sind oder durch festgelegte Korrekturwerte variiert werden, nur unvollkommen gerecht werden. Eine Einschätzung des Klopfverhaltens auf der Ba­ sis solcher Geräuschwerte bzw. davon abgeleiteter Schwellwerte würde zu Fehlern führen. Die Geräuschwerte sollten ständig aktualisiert bestimmt werden. So können die jeweiligen Betriebsbedingungen sicher einbezogen wer­ den.

Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, daß im Mo­ torbetrieb aufeinanderfolgende Klopfwerte bei nahezu al­ len Betriebsbedingungen relativ starken Schwankungen un­ terlegen sind. Auch bei ordnungsgemäßem, nicht klopfendem Betrieb sind einzelne Klopfwerte zu verzeichnen, die mehr oder minder dicht unter der Klopfschwelle liegen. Die Ge­ samtheit aller Klopfwerte, die jeweils zuletzt erfaßt wurden, wird zur Berechnung des Geräuschwertes (und damit des Schwellwertes) herangezogen. Im allgemeinen ergibt sich der Geräuschwert als Mittelwert bzw. gleitender Mit­ telwert einer Anzahl von Klopfwerten, wie dies beispiels­ weise in Formel (2) der DE-OS 41 27 960 angegeben ist. Einzelne der genannten auftretenden Spitzenwerte werden also mit in die Berechnung des Geräuschwertes einbezogen und führen somit letztlich zu einer Anhebung der Klopf­ schwelle. Das Motormanagement regelt den Motor weiter in Richtung klopfende Verbrennung, da die Klopfschwelle an­ gehoben wurde. Damit können wiederum vermehrt Spitzen- Klopfwerte nahe unter der neuen Klopfschwelle auftreten, die im Folgeprozeß zu einer weiteren Anhebung dieser Klopfschwelle führen. Letztlich ist es somit möglich, daß zu viele klopfende Verbrennungen nicht als solche erkannt werden und Motorschäden entstehen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, dem abzuhelfen und ein Ver­ fahren zur Klopfregelung zu schaffen, bei dessen Anwen­ dung eine Bestimmung von Klopfschwellen möglich ist, die jederzeit eine sichere Bewertung der einzelnen Klopfwerte zulassen.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich das erfindungsge­ mäße Verfahren durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale aus. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 9.

Wird ein Geräuschwert als Mittelwert aus einer bestimmten Gesamtmenge erfaßter Klopfwerte gebildet, ist dies, wie weiter oben ausgeführt, eine Rechnung, die ein fehlerhaf­ tes Ergebnis zur Folge hat. Anomal hohe Klopfwerte, die evtl. sogar bereits bei klopfenden Verbrennungen erfaßt wurden, bleiben nicht nur unerkannt, sondern werden mit zur Bildung eines Vergleichskriteriums (des Schwellwer­ tes) herangezogen. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird der Geräuschwert derart gebildet, daß er kleiner bzw. ge­ ringer ist als der Mittelwert aus der Gesamtheit der er­ mittelten Klopfwerte. Dabei sollte die Ermittlung der Ge­ räuschwerte und die Ableitung der Schwellwerte ständig aktuell im Betrieb des Verbrennungsmotors erfolgen. Aktu­ elle Geräuschwerte können auf der Basis einer festzule­ genden Menge der letzten Klopfwerte bestimmt werden, was Vorteile bietet gegenüber der einmaligen Bestimmung der Geräuschwerte. Diese müßten in großdimensionierten Kenn­ feldern für alle Betriebszustände abgespeichert werden und vollziehen die Alterung des Motors nicht mit. Von weiterem Vorteil ist die aktuelle Bestimmung zylinderse­ lektiver Geräuschwerte, da Unterschiede zwischen den ein­ zelnen Zylindern bestehen, denen ein einheitlicher Ge­ räuschwert häufig nicht gerecht wird.

Die Anzahl der Klopfwerte, die zur Geräuschwertbestimmung einbezogen werden, sollte ausreichend groß sein, um sta­ tistisch gesicherte Werte zu ermöglichen, aber auch aus­ reichend klein, um den Speicher- und Verarbeitungsaufwand gering zu halten. Die Einbeziehung von acht bis 32 Klopf­ werten hat sich als vorteilhaft erwiesen. Andern sich die Betriebsbedingungen des Motors, insbesondere seine Dreh­ zahl sehr schnell, sollten weniger Klopfwerte einbezogen werden als bei stationären Betriebsbedingungen. Errech­ nete Geräuschwerte und daraus abgeleitete Schwellwerte haben bei sich rasch ändernden Bedingungen nur für eine kürzere Zeit Geltung. Weit zurückliegende Klopfwerte wür­ den das Ergebnis verfälschen. Ggf. können auch weniger als acht Klopfwerte zur Geräuschwertbildung herangezogen werden.

Es werden zwei sinnvolle Lösungsvarianten vorgeschlagen, um zu erreichen, daß die Spitzenwerte der Klopfwerte nicht mit zur Festlegung der Geräuschwerte beitragen:

• 1. Aus der Gesamtmenge der einzubeziehenden Klopfwerte wird eine Teilmenge der gering­ sten Klopfwerte herausgezogen. Als Geräusch­ wert wird der Mittelwert dieser Teilmenge gebildet, der dann kleiner ist als der Mit­ telwert der Gesamtmenge.
• 2. Es wird der Mittelwert der Gesamtmenge der einbezogenen Klopfwerte gebildet und von diesem Mittelwert wird zur Berechnung des Geräuschwertes eine statistisch bestimmte Größe, beispielsweise die Standardabweichung (oder ein Teilbetrag davon), subtrahiert.

Näheres dazu sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Die Erläuterung erfolgt anhand einer Figur, in der ein Dia­ gramm mit einer Anzahl von Klopfwerten, die im Betrieb eines Verbrennungsmotors bei annähernd konstanter Dreh­ zahl in aufeinanderfolgender Reihenfolge bestimmt wurden, wobei nur die Klopfwerte eines Zylinders in das Diagramm aufgenommen wurden. Des weiteren enthält die Figur aus den Klopfwerten abgeleitete Kennwerte.

Ein mehrzylindriger Verbrennungsmotor ist mit einem oder mehreren Körperschallsensoren ausgestattet, deren Signale zylinderspezifisch auszuwerten sind. Je Arbeitszyklus ei­ nes Zylinders wird aus den zugehörigen Sensorsignalen ein Klopfwert gebildet, wobei hier auf diesbezügliche Verfah­ ren nicht näher einzugehen ist. Wie aus der Stufenkurve 1, die einzelne Klopfwerte enthält, ersichtlich ist, tre­ ten im Motorbetrieb starke Klopfwertschwankungen auf. Es ist allgemein typisch, daß aufeinanderfolgende Klopfwerte deutlich in der Größe voneinander abweichen. Der zu mes­ sende Körperschall ist von einer Vielzahl (teilweise un­ vorhersagbarer) Faktoren abhängig. Dies sind beispiels­ weise der Zündzeitpunkt, die Motorlast, die Kraftstoffzu­ sammensetzung oder der Alterungszustand des Motors. Es können auch deutliche Unterschiede zwischen den gleich­ zeitig an verschiedenen Zylindern ermittelten Klopfwerten auftreten. Es ist also nicht möglich, feste Grenzen fest­ zulegen, bei Überschreitung derer der Motorbetrieb als klopfend zu definieren wäre. Die Grenzen müssen den je­ weils bestehenden Bedingungen angepaßt werden. Zur Bil­ dung dieser Grenzen wird ein Geräuschwert bestimmt. Ein Geräuschwertkurve ist in der Figur mit dem Bezugszeichen 2 versehen, die einzelnen Geräuschwerte ergeben sich als Mittelwert aus den 16 letzten Klopfwerten, was so in ei­ nem an sich bekannten Verfahren erfolgt. Die Anzahl der einzubeziehenden Klopfwerte ist frei wählbar und die hier gewählten 16 Klopfwerte sollen der beispielhaften Ver­ deutlichung dienen. Der erste Geräuschwert der Geräusch­ wertkurve 2 wurde aus den Klopfwerten des ersten bis 16. Arbeitszyklus als Mittelwert bestimmt. Würden die Klopf­ werte ständig etwa solchen geringen Schwankungen in der Größenordnung unterliegen, wie dies bei den ersten 17 Ar­ beitszyklen der Fall ist, würde sich auch die Geräusch­ wertkurve 2 auf einem annähernd konstanten Pegel bewegen. Da aber beginnend mit dem 18. Arbeitszyklus vermehrt hohe Spitzenwerte der Klopfwerte 1 zu verzeichnen sind, steigt auch die aus den jeweils aktuellen Mittelwerten gebildete Geräuschwertkurve 2 annähernd kontinuierlich an. Aus den Geräuschwerten 2 werden in an sich bekannter Weise Klopf­ schwellen ständig aktuell abgeleitet. Die Klopfschwelle, die aus den Klopfwerten der ersten 16 Arbeitszyklen be­ stimmt wurde, wird dann zur Bewertung des 17. Arbeitszy­ klus verwendet. Im Beispiel ergibt sich jeder Wert der Klopfschwelle als Summe, einerseits aus dem Produkt des Geräuschwertes mit einem Faktor (im Beispiel 2,5) und an­ dererseits einem konstanten Summanden (im Beispiel 0,5). Mit dem Bezugszeichen 3 ist eine so gebildete Klopf­ schwellenkurve gekennzeichnet. Aus dieser Darstellung werden nochmals die Nachteile der bekannten Verfahren deutlich. Einzelne Spitzenwerte haben eine deutliche An­ hebung des Geräuschwertes 2 und damit der Klopfschwelle 3 zur Folge. Liegen diese Spitzenwerte, wie beispielsweise der Klopfwert des 22. Arbeitszyklus, unterhalb der Klopf­ schwelle, die aktuell Gültigkeit hat, wird vom Motormana­ gement nicht reagiert. Die Klopfschwelle 3 steigt stark an bis eine künstlich gesetzte Grenze (im Beispiel bei 3,0) erreicht ist. Ein klopfender Motorbetrieb, der zu­ mindest bereits beim 29. Arbeitszyklus stattfindet, wird nicht erkannt.

Erfindungswesentlich ist, daß als Geräuschwert ein aktu­ eller Wert bestimmt wird, der kleiner ist als der Mittel­ wert aus der einbezogenen Anzahl der Klopfwerte 1. Ein­ zelne Spitzenwerte der Klopfwerte 1 sollen keinen wesent­ lichen Einfluß auf den Geräuschwert und damit auf die Klopfschwelle haben. Nur allgemeine tendenzielle Verände­ rungen der Klopfwerte 1 sollen sich auswirken. Es wird vorgeschlagen, bei der Geräuschwertbildung eine Teilmenge aus der Gesamtmenge der einzubeziehenden Klopfwerte 1 zu bilden und den jeweiligen Geräuschwert aus der Teilmenge abzuleiten. Die Teilmenge soll nur die niedrigsten der Klopfwerte 1 beinhalten. Der Geräuschwert ergibt sich dann als Mittelwert der Klopfwerte 1 der Teilmenge, wobei dieser immer geringer ist als der Mittelwert 2 der Ge­ samtmenge. Derart gebildete Geräuschwerte sind in der Ge­ räuschwertkurve 4 enthalten, wobei hier die 10 kleinsten der jeweils 16 letzten Klopfwerte 1 einbezogen wurden. Aus der Geräuschwertkurve 4 (die wesentlich flacher an­ steigt als die Geräuschwertkurve 2) wurde die Klopf­ schwellenkurve 5 abgeleitet. Zur Anwendung kam die For­ mel: Klopfschwelle = Geräuschwert × 2,5 + 0,65. Der klop­ fende Motorbetrieb im 29. Arbeitszyklus wird hier sicher erkannt.

Eine weitere Möglichkeit der erfindungsgemäßen Geräusch­ wertbildung besteht darin, daß vom Mittelwert der Gesamt­ menge der einbezogenen Klopfwerte ein mittels statisti­ scher Methoden berechneter Wert abgezogen wird, um den Geräuschwert zu erhalten. Zu der Geräuschwertkurve 2 (Mittelwerte der jeweils 16 letzten Klopfwerte 1) wurde zusätzlich die mittlere quadratische Abweichung ± s der einzelnen Klopfwerte 1 vom Mittelwert bestimmt. Es ergibt sich ein (in der Figur fischgrätenartig schraffierter) Bereich, in dem die Klopfwerte mit erhöhter Wahrschein­ lichkeit liegen. Beim Auftreten von Spitzenwerten der Klopfwerte 1 vergrößert sich sowohl der Mittelwert 2 als auch die Standardabweichung ± s. Es wird nun vorgeschla­ gen, als Geräuschwert jeweils Werte zu bestimmen, die sich aus der Differenz zwischen dem Mittelwert 2 der Klopfwerte 1 und ihrer Standardabweichung s ergeben. Ak­ tuelle Geräuschwerte sind damit in der Kurve 6 enthalten. Gleichfalls ist es möglich, nur einen Teilbetrag der Standardabweichung s vom Mittelwert 2 zu subtrahieren, um Geräuschwerte zu berechnen, was jedoch in der Figur durch keine Kurve verdeutlicht ist.

Aus der Geräuschwertkurve 6 wurde eine Schwellenwertkurve 7 abgeleitet (Klopfschwelle = Geräuschwert × 2,5 + 0,8). Bei Nutzung der Schwellwerte 7 würde sowohl der Motorbe­ trieb im 27. als auch im 29. Arbeitszyklus als klopfend erkannt. Insofern hat die Darstellung nur theoretischen Charakter, da bereits nach dem 27. Arbeitszyklus Ein­ griffe ins Motormanagement vorgenommen werden, die eine deutliche Veränderung des Klopfverhaltens zur Folge hät­ ten.

Durch Versuche läßt sich das Verfahren der Klopfregelung, insbesondere der Geräusch- und Schwellwertbestimmung op­ timieren. Es kann frei festgelegt werden, wieviel der niedrigsten Klopfwerte 1 zur Geräuschwertbildung herange­ zogen werden oder welcher statistisch ermittelte Wert vom Mittelwert aller Klopfwerte 1 subtrahiert wird. Des wei­ teren kann die Formel zur Ableitung der Klopfschwelle aus dem Geräuschwert optimiert werden. Somit kann sich die Klopfregelung tendenziellen Motorveränderungen selbsttä­ tig anpassen, ohne daß Fehler durch einzelne Spitzenwerte verursacht werden.

Da zur Bestimmung der Geräuschwerte eine Anzahl der je­ weils letzten Klopfwerte 1 einbezogen wird, verändern sich die Geräuschwerte und die daraus abgeleiteten Schwellwerte mit einer gewissen Trägheit. Dies ist, wie weiter oben ausgesagt, ein gewünschter Effekt, wenn ein­ zelne Spitzen-Klopfwerte 1 festgestellt werden. Bei sich sehr schnell verändernden Motorbetriebsbedingungen sollte die Klopfregelung jedoch ausreichend schnell reagieren. Dazu wird vorgeschlagen, bei sich schnell ändernden Be­ dingungen (beispielsweise starken Drehbeschleunigungen der Kurbelwelle) weniger Klopfwerte 1 zur Geräuschwertbe­ stimmung zu verwenden als bei relativ stationären Be­ triebsbedingungen. Drehzahlsignale werden bei der Klopf­ regelung normalerweise benötigt, um Meßfenster bei der Klopfwertbestimmung zu kennzeichnen. Das Drehzahlsignal kann modifiziert benutzt werden, um festzulegen, welche Anzahl von Klopfwerten 1 zur Geräuschwertbestimmung ge­ nutzt wird. Es können beispielsweise acht Klopfwerte 1 (bei stark schwankenden Bedingungen) oder auch 32 Klopf­ werte 1 (bei stationären Bedingungen) ausgewertet werden. Somit ist eine Anwendung des Verfahrens zur Klopfregelung im Sinne einer Betriebsoptimierung unter allen Betriebs­ bedingungen möglich.

Claims (9)

1. Verfahren zur Klopfregelung eines Verbrennungsmo­ tors, bei dem durch Körperschallsensoren Motorgeräu­ sche erfaßt werden, die zur Bildung zylinderabhängi­ ger Klopfwerte (1) für jeden Verbrennungszyklus ein­ zelner Zylinder des Verbrennungsmotors dienen und bei dem aus einer Anzahl ermittelter Klopfwerte (1) ein Geräuschwert (4; 6), aus dem eine Klopfschwelle (5; 7) als Vergleichswert abgeleitet wird, bestimmt wird, wobei in Abhängigkeit von einem Vergleich ei­ nes aktuellen Klopfwertes (1) mit der Klopfschwelle (5; 7) Eingriffe in das Management des Verbrennungs­ motors, insbesondere Zündzeitpunkt-Verstellungen vorgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung des Geräuschwertes (4; 6) derart erfolgt, daß dieser Geräuschwert (4; 6) geringer ist als ein Mittelwert (2) aus der Gesamtmenge der ermittelten Klopfwerte (1).

2. Verfahren zur Klopfregelung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ge­ räuschwert (4; 6) ständig aktuell aus einer Anzahl der jeweils letzten im Betrieb des Verbrennungsmo­ tors ermittelten Klopfwerte (1) bestimmt wird, wobei dieser aktuelle Geräuschwert (4; 6) geringer ist als der Mittelwert (2) der Gesamtmenge der jeweils letz­ ten Klopfwerte (1).

3. Verfahren zur Klopfregelung eines Verbrennungsmotors nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Zylinder des Verbrennungsmotors ein ständig aktueller Geräuschwert (4; 6) bestimmt und davon eine zylinderspezifische Klopfschwelle (5; 7) abgeleitet wird.

4. Verfahren zur Klopfregelung eines Verbrennungsmotors nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß acht bis 32 der im Betrieb jeweils zuletzt er­ mittelten Klopfwerte (1) der einzelnen Zylinder zur Bestimmung der aktuellen zylinderspezifischen Ge­ räuschwerte (4; 6) herangezogen werden.

5. Verfahren zur Klopfregelung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei starken Drehzahländerungen des Verbrennungsmotors weniger der zuletzt ermittelten Klopfwerte (1) zur Geräuschwertbestimmung herangezogen werden als in Phasen eines relativ stationären Motorbetriebs.

6. Verfahren zur Klopfregelung eines Verbrennungsmotors nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Geräuschwerte (4) aus der je­ weiligen Gesamtmenge der letzten Klopfwerte (1) nur eine Teilmenge, die die niedrigsten Klopfwerte (1) der Gesamtmenge enthält, verwendet wird.

7. Verfahren zur Klopfregelung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ge­ räuschwerte (4) als Mittelwert der Teilmenge von Klopfwerten (1) bestimmt werden.

8. Verfahren zur Klopfregelung eines Verbrennungsmotors nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der jeweiligen Gesamtmenge der letzten Klopfwerte (1) der Mittelwert (2) berechnet wird und zur Bestimmung des aktuellen Geräuschwertes (6) von diesem Mittelwert (2) ein mittels statistischer Re­ chenmethoden ermittelter Wert (s) subtrahiert wird, so daß gewährleistet ist, daß einzelne Spitzenwerte der Klopfwerte (1) nicht signifikant zur Bestimmung des Geräuschwertes (6) beitragen.

9. Verfahren zur Klopfregelung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß von dem Mittelwert (2) aus der Gesamtmenge der letzten Klopfwerte (1) die mittlere quadratische Abweichung (s) der einzelnen einbezogenen Klopfwerte (1) vom Mittelwert (2) oder ein festgelegter Anteil davon zu subtrahieren ist.