DE19536168B4

DE19536168B4 - Verfahren und Einrichtung zur automatischen Ermittlung der Klopfgrenze eines Verbrennungsmotors auf einem Prüfstand

Info

Publication number: DE19536168B4
Application number: DE19536168A
Authority: DE
Inventors: Stefan Horst; Martin Weber; Joachim Tambosi
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1995-09-29
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2015-09-30
Also published as: DE19536168A1

Abstract

Verfahren zur automatischen Ermittlung der Klopfgrenze eines Verbrennungsmotors auf einem Prüfstand, dadurch gekennzeichnet,
– dass der Verbrennungsmotor mit Brennraumdrucksensoren versehen rechnergesteuert nacheinander in einer repräsentativen Anzahl von Betriebspunkten bezüglich der Drehzahl und der Last betrieben wird, und
– dass für jeden Betriebspunkt und jeden Zylinder des Verbrennungsmotors
– aus Signalen des jeweiligen Brennraumdrucksensors ein eine klopfende Verbrennung anzeigendes Signal abgeleitet wird, und
– rechnergesteuert der Zündwinkel bis zum Einsetzen der klopfenden Verbrennung gesteigert wird, und
– der Zündwinkel, bei dem gerade noch kein Klopfen auftritt, in einem Speicher abgelegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Ermittlung der Klopfgrenze eines Verbrennungsmotors auf einem Prüfstand und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der DE 44 09 103 A1 ist ein Verfahren zur Klopferkennung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine beschrieben. Dabei ist ein Prüfstand zur Bestimmung der Klopfgrenze des Verbrennungsmotors und einem Klopferkennungsgerät vorgesehen, welches mit einem Mikroprozessor zusammenarbeitet. Hiernach erfolgt eine automatische Meßfenstereinstellung in Abhängigkeit der Winkelposition des Druckmaximums, in dem anhand eines differenzierten und zuvor normierten Sensorsignals diese Winkelposition ermittelt wird. Ein erstes Meßfenster wird bei einem festen Winkel nach der Zündung geöffnet und bei Erreichen des Druckmaximums geschlossen. Ein zweites Meßfenster wird darauffolgend mit gleicher Breite wie diejenige des ersten Meßfensters geöffnet. Gleichzeitig wird aus dem normierten Sensorsignal der niederfrequente Druckverlauf eliminiert, so daß die Frequenz der Eigen- und Druckschwingungen differenziert werden können. Diese gefilterten Sensorsignale werden zwecks Normierung mit einem bestimmten Verstärkungsgrad verstärkt und stellen das eigentliche Meßsignal dar. Die Erzeugung des Klopfsignals erfolgt dadurch, daß das Meßsignal das erste und zweite Meßfenster durchläuft, anschließend gleichgerichtet und aufintegriert wird. Somit entsteht ein erstes und ein zweites Signalintegral, deren Differenz das Klopfsignal darstellt, das anschließend einer Auswertung unterzogen wird.
Aus der WO 90/15243 ist ein Verfahren zur zylinderselektiven Erfassung und Auswertung von Klopfsignalen einer Brennkraft maschine bekannt, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Die dabei ermittelten Werte, wie Mittelwert und Streuung des Klopfdrucks, werden zur Korrektur von in einem Kennfeld abgelegten Zündwinkel-Steuersignalen an eine Motormanagement-Verarbeitungseinheit weitergegeben.
In der DE 43 18 504 C1 wird ein Verfahren zur Erzeugung eines Regelsignals für den Zündzeitpunkt einer Brennkraftmaschine beschrieben, welches ebenfalls im Betrieb der Brennkraftmaschine durchgeführt wird. Bei dem Verfahren wird aus dem Verbrennungsdruck in den Zylindern eine Messzahl für den Fortschritt der Verbrennung gewonnen. Daraus wird ein Schätzwert für den thermodynamischen Verbrennungsschwerpunkt abgeleitet, welcher demjenigen Kurbelwinkel entspricht, bei dem die Hälfte des insgesamt während eines Arbeitstaktes verbrennenden Kraftstoffs bereits verbrannt ist.
Der Zündwinkel hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Funktion eines Verbrennungsmotors. Bezüglich der Abgasentwicklung, des Verbrauchs und der Leistung liegt der Zündwinkel bei einem Wert unmittelbar unterhalb der Klopfgrenze. Oberhalb dieses Zündwinkels kann es durch häufige klopfende Verbrennungen zu Motorschädigungen kommen. Die Klopfgrenze, das heißt der Winkel, bei dem klopfende Verbrennung einsetzt, ist unter anderem abhängig von der Drehzahl und der Last. In elektronischen Motorsteuergeräten wird daher ein jeweils für eine Drehzahl und eine Last gültiger Zündwinkel, der weitgehend von der Klopfgrenze abhängt, in Form eines Basiszündwinkelkennfeldes gespeichert.
Da die Klopfgrenze ferner für jede konstruktive Auslegung eines Verbrennungsmotors verschieden ist, ist für jeden Motortyp eine Aufnahme der Klopfgrenze erforderlich. Dieses wird auf Prüfständen manuell durch Prüfstandfahrer durchgeführt, wobei die Zündwinkel der einzelnen Zylinder entsprechend ermittelt und abgespeichert werden. Dieses Verfahren ist zeitaufwendig und verhindert eine komplette Automatisierung der Zündwinkelabstimmung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Vorgang weitgehend zu automatisieren, was neben einer Ersparnis auch eine Objektivierung der Ergebnisses bedeutet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

– daß der Verbrennungsmotor mit Brennraumdrucksensoren versehen rechnergesteuert nacheinander in einer repräsentativen Anzahl von Betriebspunkten bezüglich der Drehzahl und der Last betrieben wird und
– daß für jeden Betriebspunkt und jeden Zylinder des Verbrennungsmotors
– aus Signalen des jeweiligen Brennraumdrucksensors ein eine klopfende Verbrennung anzeigendes Signal abgeleitet wird,
– rechnergesteuert der Zündwinkel bis zum Einsetzen der klopfenden Verbrennung gesteigert wird und
– der Zündwinkel bei dem gerade noch kein Klopfen auftritt, in einem Speicher abgelegt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen vollautomatischen Ablauf auf einem Prüfstand und ist bei beliebigen Ottomotoren ohne einen besonderen Anpassungsaufwand einsetzbar.
Die Erfindung umfaßt ferner eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Verbrennungsmotor, für den die Klopfgrenze ermittelt werden soll, in an sich bekannter Weise mit einem Motorsteuergerät verbunden ist, daß ferner die Signale der Brennraumdrucksensoren, ein Kurbelwellensignal und ein Nockenwellensignal einer Klopferkennungseinrichtung zuführbar sind und daß ein Steuereingang des Motorsteuergerätes, über welchen der Zündwinkel vorgebbar ist, und ein Ausgang der Klopferkennungseinrichtung mit einem Rechner verbunden sind. Die Einrichtung kann in einfacher Weise aus an sich bekannten Komponenten aufgebaut werden, wobei der Rechner mit Programmen arbeitet, welche das erfindungsgemäße Verfahren durchführen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist vorgesehen, daß die Klopferkennungseinrichtung aus einem an sich bekannten Motorsteuergerät mit Antiklopfregelung und mindestens einem diesem vorgeschalteten Verstärker und einem Multiplexer für die Signale der Brennraumdrucksensoren besteht. Dadurch, daß ein an sich in großen Stückzahlen hergestelltes Motorsteuergerät einen wesentlichen Teil der Klopferkennungseinrichtung darstellt, ist letztere preiswert herzustellen.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung sieht vor, daß Ausgänge der Klopferkennungseinrichtung mit Eingängen eines Oszilloskops verbunden sind, so daß der Verlauf des Brennraumdrucks und der Klopfintensität sichtbar gemacht wird. Dabei kann ein Prüfingenieur den Ablauf des Verfahrens beobachten und bei ungewöhnlichem Verlauf der auf dem Oszilloskop dargestellten Signale gegebenenfalls eingreifen.
Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon ist schematisch in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend beschrieben. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Einrichtung und
2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Bildung des die klopfende Verbrennung anzeigenden Signals in der Klopferkennungseinrichtung.
Der Verbrennungsmotor 1, für den das Basiszündwinkelkennfeld ermittelt werden soll, wird auf einem nicht näher dargestellten Prüfstand in Betrieb genommen. Außer mit den für den späteren Betrieb erforderlichen Sensoren 2, 3 für ein Nockenwellensignal NW und ein Kurbelwellensignal KW ist der Verbrennungsmotor für den Prüfbetrieb mit je einem Brennraumdrucksensor 4 pro Zylinder ausgerüstet. Die Signale P von m Brennraumdrucksensoren werden einer Klopferkennungseinrichtung 5 zugeleitet. Außerdem werden das Nockenwellensignal NW und das Kurbelwellensignal KW der Klopferkennungseinrichtung 5 und einem Motorsteuergerät 6 zugeführt.
Die Klopferkennungseinrichtung 5 besteht aus einem Multiplexer 7, einem Verstärker 8 und einem Motorsteuergerät 9, welches von gleicher Art wie das Motorsteuergerät 6 ist. Die Motorsteuergeräte 6, 9 sind unter anderem zur Antiklopfregelung eingerichtet. Diese Funktion wird jedoch bei dem Motorsteuergerät 6 nicht benutzt. Das Motorsteuergerät 9 leitet in an sich bekannter Weise durch Filterung, Integration und Vergleich mit Referenzpegeln Signale ab, welche eine klopfende Verbrennung zylinderweise anzeigen. Diese Signale – im folgenden Klopfbits K1 bis Km genannt – werden einem Prüfstandsrechner 10 zugeführt. Außerdem werden vom Motorsteuergerät 9 die den Druckverlauf in den einzelnen Zylindern darstellenden Signale P1 bis Pm und Signale PSI1 bis PSIm, welche die Klopfintensität darstellen, einem Oszilloskop 12 zugeführt. Damit kann ein Prüfingenieur den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beobachten und bei Unregelmäßigkeiten eingreifen.
Der Prüfstandsrechner 10 ist ferner über einen Personalcomputer 11 und eine geeignete Schnittstelle – vorzugsweise über einen CAN-Bus – mit dem Motorsteuergerät 6 verbunden. Über diese Verbindung kann der Prüfstandsrechner 10 den Zündwinkel ZW1 bis ZWm einstellen. Eine ebenfalls erforderliche Einstellung der Last L der Drehzahl n des Motors wird in nicht dargestellter Weise vom Prüfstandsrechner 10 vorgenommen. Der Prüfstandsrechner enthält Speicher, in welchen die ermittelten Basiszündwinkelkennfelder bis zu einer Übertragung in einen nichtflüchtigen Speicher in dem für den jeweiligen Motortyp vorgesehenen Motorsteuergerät gespeichert werden können.
Für eine Anzahl von repräsentativen Betriebspunkten bezüglich der Drehzahl und der Last wird, vom Prüfstandsrechner 10 gesteuert, der Zündwinkel bis zum Einsetzen der klopfenden Verbrennung gesteigert, was dem Prüfstandsrechner durch Setzen des jeweiligen Klopfbits K1 bis Km mitgeteilt wird. Ein Zündwinkel, bei dem gerade noch kein Klopfen auftrifft, wird dann für den jeweiligen Betriebspunkt im Speicher abgelegt. Nachdem der Zündwinkel für alle m Zylinder abgelegt ist, wird der nächste Betriebspunkt angefahren, um weitere m Zündwinkel zu ermitteln und abzulegen.
Das in 2 dargestellte Programm beginnt mit dem Einlesen eines der Drucksignale P1 bis Pm im Programmteil 21. Danach wird bei 22 das Klopfintensitätssignal PSI gebildet, wozu verschiedene Filterungen angewendet werden. Derartige Filterungen sind beispielsweise in DE 29 23 056 A1 beschrieben. Im Programmteil 23 wird das Signal PSI mit einem Referenzpegel verglichen. Überschreitet das Signal PSI den Referenzpegel, liegt klopfende Verbrennung vor. Das Programm wird dann bei 24 in Richtung auf einen Programmschritt 25 verzweigt, der ein Setzen des jeweiligen Klopfbits K1 bis Km mit wählbarer Haltezeit bewirkt. Die Haltezeit ist derart gewählt, daß der Prüfstandsrechner 10 (1) genügend Zeit zum Einlesen des jeweiligen Klopfbits hat, das bei 26 dem Prüfstandsrechner zur Verfügung steht.
Ist das Klopfbit gesetzt, erfolgt bei 27 eine Neubildung des Referenzpegels. Der Referenzpegel wird mit einem rekursiven Filter gebildet, wobei jeweils der neu berechnete PSI-Wert einfließt. Dieses erfolgt im Falle einer klopfenden Verbrennung im Programmteil 27 mit einem Abschwächungsfaktor, während im Programmteil 28 bei nichtklopfender Verbrennung der PSI-Wert unabgeschwächt in die Referenzpegel-Bildung einfließt. Mit der Abschwächung bei 27 wird bewirkt, daß durch klopfende Verbrennungen mit sehr hohem PSI-Wert der Referenzpegel so stark ansteigt, daß danach zunächst klopfende Verbrennungen mit einem kleineren PSI-Wert nicht erkannt werden können.
Nach den Programmteilen 27, 28 wird bei 29 der neue Referenzpegel für den nächsten Programmablauf gespeichert und das Programm beginnend bei 21 wiederholt.

Claims

Verfahren zur automatischen Ermittlung der Klopfgrenze eines Verbrennungsmotors auf einem Prüfstand, dadurch gekennzeichnet, – dass der Verbrennungsmotor mit Brennraumdrucksensoren versehen rechnergesteuert nacheinander in einer repräsentativen Anzahl von Betriebspunkten bezüglich der Drehzahl und der Last betrieben wird, und – dass für jeden Betriebspunkt und jeden Zylinder des Verbrennungsmotors – aus Signalen des jeweiligen Brennraumdrucksensors ein eine klopfende Verbrennung anzeigendes Signal abgeleitet wird, und – rechnergesteuert der Zündwinkel bis zum Einsetzen der klopfenden Verbrennung gesteigert wird, und – der Zündwinkel, bei dem gerade noch kein Klopfen auftritt, in einem Speicher abgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung der klopfenden Verbrennung in einem Zylinder – aus einem der Signale (P1 bis Pm) der Brennraumdrucksensoren (4) durch Filterung ein Klopfintensitätssignal (PSI) gebildet wird, – das Klopfintensitätssignal (PSI) mit einem Referenzpegel verglichen wird, und – bei Überschreitung des Referenzpegels eine klopfende Verbrennung erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung einer klopfenden Verbrennung in einem Zylinder ein jeweiliges Klopfbit (K1 bis Km) mit wählbarer Haltezeit gesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem gesetzten Klopfbit (K1 bis Km) eine Neubildung des Referenzpegels erfolgt, wobei in die Neubildung das Klopfintensitätssignal (PSI) einfließt.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1), für den die Klopfgrenze ermittelt werden soll, in an sich bekannter Weise mit einem Motorsteuergerät (6) verbunden ist, dass ferner die Signale der Brennraumdrucksensoren (4), ein Kurbelwellensignal und ein Nockenwellensignal einer Klopferkennungseinrichtung (5) zuführbar sind und dass ein Steuereingang des Motorsteuergerätes (6), über welchen der Zündwinkel vorgebbar ist, und ein Ausgang der Klopferkennungseinrichtung (5) mit einem Rechner (10, 11) verbunden sind.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopferkennungseinrichtung (5) aus einem an sich bekannten Motorsteuergerät (9) mit Antiklopfregelung und mindestens einem diesem vorgeschalteten Verstärker (8) und einem Multiplexer (7) für die Signale der Brennraumdrucksensoren (4) besteht.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass Ausgänge der Klopferkennungseinrichtung (5) mit Eingängen eines Oszilloskops (12) verbunden sind, so dass der Verlauf des Brennraumdrucks und der Klopfintensität sichtbar gemacht wird.