DE19822296C2 - Klopferfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents
Klopferfassungsvorrichtung für eine BrennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Klopferfassungsvorrichtung für eine
Brennkraftmaschine, und insbesondere eine Vorrichtung zur Erfas
sung eines Maschinenklopfens auf der Basis eines Ionenstroms im
Innern einer Brennkammer.
Bei einer Benzin-Brennkraftmaschine wird das in der Nähe einer
Zündkerze befindliche Luft-Brennstoffgemisch mittels eines durch
die Zündkerze erzeugten Zündfunkens gezündet, und die Verbren
nung des Brennstoffs (Benzin) erfolgt durch eine Ausbreitung der
Zündflamme über das gesamte Luft-Brennstoffgemisch. Ein Phänomen
einer abnormalen Verbrennung, das zu diesem Zeitpunkt auftreten
kann, wird als Klopfen bezeichnet. Ein Klopfen liegt dann vor,
wenn ein unverbranntes Gasgemisch selbst gezündet wird, bevor
die Flammenfront eintrifft, infolge eines abnormal schnellen An
stiegs des Drucks während der Flammenausbreitung. Tritt ein
Klopfen auf, dann schwingen die Verbrennungsgase und ermöglichen
eine freizügigere Ausbreitung der Wärme, wobei in einigen Fällen
eine Beschädigung der Brennkraftmaschine aufgetreten ist. Ein
Klopfen ist sehr eng mit dem Zündzeitpunkt verbunden. Wird der
Zündzeitpunkt voreilend eingestellt, dann steigt der maximale
Verbrennungsdruck an, wobei gleichzeitig die Neigung zum Klopfen
der Brennkraftmaschine ansteigt.
Demgegenüber ist es wünschenswert, das Kompressionsverhältnis
zur Vergrößerung des thermischen Wirkungsgrads und zur Verminde
rung des Brennstoffverbrauchs zu vergrößern. Um dieses Ziel zu
erreichen, werden Maßnahmen als Teil einer Zündzeitpunktsteue
rung durchgeführt, wobei der Zündzeitpunkt bis zu der Grenze
voreilend eingestellt wird, bei der eine Neigung zum Klopfen
vorliegt, während das Auftreten eines Klopfens erfaßt wird. Bei
dieser Art des Klopferfassungsverfahrens war es bislang üblich,
durch Klopfen angeregte Schwingungen unter Verwendung eines am
Zylinderblock oder dergleichen angeordneten Schwingungssensors
(Vibrationssensor) zu erfassen, wobei jedoch in jüngster Zeit
ein Klopferfassungsverfahren vorgeschlagen wurde unter Verwen
dung einer Änderung, die im Ionenstrom innerhalb eines Zylinders
beim Auftreten von Klopfen vorliegt.
Wird im einzelnen ein Zündfunke an der Zündkerze erzeugt, und
verbrennt das Luft-Brennstoffgemisch in der Brennkammer, dann
wird das Luft-Brennstoffgemisch ionisiert. Wird an die Zündkerze
eine Spannung angelegt, während sich das Gemisch im ionisierten
Zustand befindet, dann fließt ein Ionenstrom. Das Auftreten von
Klopfen kann erfaßt werden durch Erfassen und Analysieren dieses
Ionenstroms. Beim Auftreten von Klopfen tritt üblicherweise eine
Schwingungskomponente von 6 kHz bis 7 kHz im Ionenstrom auf. Die
Klopferfassungsvorrichtung auf der Basis des Ionenstroms greift
diese für das Klopfen charakteristische Frequenzkomponente mit
tels eines Filters heraus und bewertet die Klopfbedingung auf
der Basis der Stärke dieser Komponente.
Aus der JP 4-136 485 ist beispielsweise eine Vorrichtung be
kannt, bei der ein Kondensator als Ionenstromerzeugungsquelle
bis zu einer vorgegebenen Spannung mittels eines Sekundärstroms
aufgeladen wird, der fließt, wenn der Primärstrom der Zündspule
abgeschaltet wird, und es wird ein nach der Zündfunkenentladung
durch eine geschlossene Schaltung - bestehend aus dem Kondensator,
der Sekundärwicklung der Zündspule, der Zündkerze und einem
Stromerfassungswiderstand - fließender Ionenstrom gemessen. Da die
Sekundärwicklung der Zündspule (Sekundärspule) im Ionenstrompfad
angeordnet ist, wird bei einer derartigen Vorrichtung eine LC-
Resonanzschaltung durch ihre Induktivität L und die Streukapazi
tät C in Verbindung mit der Spule und der Zündkerze gebildet. Im
Ergebnis erzeugt der Resonanzstrom ein Rauschen, wenn der LC-
Resonanzstrom durch den Ionenstrompfad fließt. Zur Vermeidung
eines derartigen Rauschens (Störungen) wird gemäß dem vorstehend
angegebenen Stand der Technik vorgeschlagen, daß ein Ionenstrom
signal während Perioden (Zeitdauer) maskiert wird, die nicht den
Perioden entsprechen, in denen durch Klopfen bedingte Schwingun
gen auftreten.
Wenn jedoch, wie beim vorstehend angegebenen Stand der Technik
das Ionenstromsignal während Perioden maskiert wird, die nicht
Perioden sind, in welchen durch Klopfen bedingte Schwingungen
auftreten, dann nimmt das Ionenstromsignal, bei welchem die Mas
kierung angewendet wird, einen Signalverlauf an, der sich zum
Zeitpunkt des Entfernens der Maske abrupt und diskontinuierlich
ändert. Da eine derartige stufenförmige Signaländerung
(Sprungfunktion) Frequenzkomponenten über einen sehr breiten
Frequenzbereich aufweist, gelangen einige der Frequenzkomponen
ten unvermindert durch ein Bandpaßfilter (BPF), das in der nach
folgenden Stufe als Klopffrequenzkomponentenerfassungsfilter
dient, und diese Frequenzkomponenten verursachen ein Rauschen
(Störungen). Tritt ein derartiges Rauschen auf, dann kann eine
fehlerhafte Erfassung vorgenommen werden, bei der auf ein Klop
fen geschlossen wird, auch wenn tatsächlich kein Klopfen aufge
treten ist.
Ferner tritt das folgende Problem auf. Die Periode (Zeitdauer),
während der die durch Klopfen bedingten Schwingungen auftreten,
hängt von der Kurbelwellenwinkelposition ab und entspricht bei
spielsweise der Position von 15° bis 60° Kurbelwellenwinkel nach
dem oberen Totpunkt (CA ATDC, crankshaft angle after top dead
center). In einem hohen Maschinendrehzahlbereich wird die Zeit
dauer zwischen dem Ende der Zündfunkenentladung und dem Start
des Klopfens kurz. Andererseits ist die Periode, in welcher ein
LC-Resonanzrauschen auftritt, im wesentlichen konstant und unab
hängig von der Maschinendrehzahl, und damit eine feste Zeitdauer
nach dem Ende der Zündfunkenentladung. Bei einer hohen Maschi
nendrehzahl kann daher die LC-Resonanzrauschen-Periode mit der
Klopfschwingungsperiode überlappen. In diesem Fall kann eben
falls eine fehlerhafte Erfassung auftreten, so daß auf ein Klop
fen geschlossen wird, auch wenn tatsächlich kein Klopfen aufge
treten ist.
Aus der Druckschrift DE 196 01 353 A1 ist ein
Verbrennungszustandsdetektor für eine Brennkraftmaschine
mit innerer Verbrennung bekannt, bei der an eine Zündkerze
eine Spannung zur Erfassung des Ionenstroms im Fall eines
Klopfens der Brennkraftmaschine angelegt wird. Ein
Ionenstrom-Spannungswandler wandelt den in Abhängigkeit von
der angelegten Spannung erzeugten Ionenstrom in eine
Spannung entsprechend dem Ionenstrom um und eine Filter
schaltung entfernt vorbestimmte Frequenzkomponenten aus dem
gebildeten Spannungssignal. Die Ionenstromerfassung erfolgt
innerhalb eines Meßzeitraums gemäß dem Verbrennungszustand
der Brennkraftmaschine, wobei eine Meßzeitraumeinstell
schaltung den Meßzeitraum dadurch festlegt, daß ein
Zeitraum bestimmt wird, in welchem das Ausgangssignal der
Filterschaltung größer oder gleich einem vorbestimmten Wert
ist, und gibt darüberhinaus ein Fehlzündungsbestimmungs
signal auf der Grundlage der Tatsache aus, ob das
Ausgangssignal der Filterschaltung größer oder gleich einem
vorbestimmten Wert ist. Der Maskierungsvorgang wird
freigegeben, wenn die Meßzeitraum-Einstellschaltung
bestimmt, daß ein vorbestimmter Betrag an Ionenstrom
gemessen wird.
Aus der Druckschrift DE 33 38 271 A1 ist ferner eine
Schaltung zur Klopferkennung für Ottomotoren bekannt, bei
der die die positive Spannung des Zündimpulses führende
Seite einer Sekundärspule einer Zündanlage über eine
Vorfunkenstrecke mit der Hochspannungselektrode einer im
Brennraum des Ottomotors angeordneten Zündkerze verbunden
ist. Eine Meßanordnung mit einem Hochspannungsgenerator ist
über eine Meßleitung mit einem Meßwiderstand und einer
Hochspannungsdiode an zumindest eine Zündkerze
angeschlossen. Ein auf die akustische Eigenfrequenz des
Brennraums abgestimmtes und an die Meßleitung
angeschlossenes Bandpaßfilter gibt ein weiter
auszuwertendes Klopfsignal ab.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine
Klopferfassungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen der
eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß eine
fehlerhafte Erfassung infolge stufenförmiger Signal
änderungen zum Zeitpunkt des Entfernens einer Maske oder
bei der Überlappung zwischen der LC-Resonanzerregung und
einer Periode des Auftretens von Klopfen in einem hohen
Maschinendrehzahlbereich vermieden wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bezüglich einer
Klopferfassungsvorrichtung mit den im Patentanspruch
angegebenen Mitteln gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung betrifft somit im einzelnen eine
Klopferfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, bei
der eine Ionenstromerfassungseinrichtung zur Bildung eines
Ionenstrompfads vorgesehen ist. Hierbei wird an die
Zündkerze zur Erfassung des Ionenstroms eine Spannung
angelegt. Ein Hochpaßfilter entfernt eine Niederfrequenz
komponente aus dem Ausgangssignal der Stromerfassungs
einrichtung und eine Signalmaskierungseinrichtung maskiert
das Ausgangssignal des Hochpaßfilters während einer
Zeitdauer, in welcher ein LC-Resonanzrauschen infolge der
Induktivität der Sekundärseite der Zündspule und der im
Ionenstrompfad gebildeten Streukapazität auftreten kann.
Mittels eines Bandpaßfilters wird eine Klopffrequenz
komponente aus dem Ausgangssignal der Signalmaskier
einrichtung herausgegriffen und es wird mittels des
Ausgangssignals des Bandpaßfilters auf das Vorliegen, eines
Klopfens geschlossen. Im einzelnen entfernt die
Signalmaskiereinrichtung die Maskierung zu einem Zeitpunkt,
wenn eine Kurbelwellendrehposition erreicht ist, bei der
ein Klopfen beginnt, oder zu einem Zeitpunkt, wenn eine
Zeit gleich der Zeitdauer des LC-Resonanzrauschens seit dem
Ende der Zündfunkenentladung an der Zündkerze abgelaufen
ist, je nach dem, welcher Zeitpunkt später auftritt.
Auf diese Weise wird die Klopferfassung der Vorrichtung
verbessert und die Genauigkeit vergrößert, da keine
Möglichkeit zur Durchführung einer fehlerhaften
Entscheidung auch in einem hohen Maschinendrehzahlbereich,
bei dem die Zeitdauer des Auftretens des LC-Resonanz
rauschens in Überlappung mit der Periode des Auftretens von
Klopfen vorliegen kann, besteht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung des
Schaltungsaufbaus einer Klopferfassungsvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung des
Entladestroms, wenn an der Zündkerze eine Zündfunkenentladung
auftritt;
Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung eines
Ionenstroms nach der Zündfunkenentladung;
Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Aufbaus
einer Verarbeitungsschaltung der Klopferfassungsvorrichtung;
Fig. 5A, 5B, 5C, 5D, 5E und 5F Signalzeitverläufe
(Zeitdiagramme) von verschiedenen Signalen zur Veranschaulichung
der Art der Probleme bei der Durchführung einer Klopferfassung
auf der Basis eines Ionenstroms, falls in der Verarbeitungs
schaltung ein Hochpaßfilter nicht vorgesehen ist;
Fig. 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F und 6G Signalzeitverläufe von
verschiedenen Signalen, wenn ein Hochpaßfilter in der Verarbei
tungsschaltung vorgesehen ist;
Fig. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F, 7G, 7H und 7I Signalzeitver
läufe von verschiedenen Signalen zur Veranschaulichung der Ein
stellung einer Torperiode in einer Spitzenwerthalteschaltung;
Fig. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F und 8G Signalzeitverläufe von
verschiedenen Signalen zur Veranschaulichung von Problemen, die
auftreten können, wenn eine Maskierperiode als eine feste Peri
ode in Ausdrücken des Kurbelwellenwinkels eingestellt ist; und
Fig. 9A, 9B, 9C, 9D, 9E, 9F, 9G und 9H Signalzeitverläufe
von verschiedenen Signalen gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei
welchem eine Verbesserung bezüglich der Maskierungsentfernungs
zeit vorgenommen wurde.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung des
Schaltungsaufbaus einer Zündeinrichtung und einer Klopferfas
sungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ein Anschluß
der Primärwicklung 1a einer Zündspule 1 ist mit der positiven
Elektrode einer Batterie 2 verbunden, und der andere Anschluß
derselben ist mit dem Kollektor eines als Schalteinrichtung die
nenden Transistors 3 verbunden. Der Emitter des Transistors 3
ist mit Masse verbunden, während an seine Basis ein Zündsignal
angelegt wird. Ein Anschluß der Sekundärwicklung 1b der Zündspu
le 1 ist mit der Mittelelektrode 4a einer Zündkerze 4 verbunden.
Die Außenelektrode 4b der Zündkerze 4 ist mit Masse verbunden.
Eine Ionenstromerfassungsschaltung 10 ist am anderen Anschluß
der Sekundärwicklung 1b der Zündspule 1 verbunden. Ein als Io
nenstromerzeugungsquelle dienender Kondensator 11 ist mit der
Sekundärwicklung 1b verbunden. In Parallelschaltung zu dem Kon
densator 11 ist eine Spannungsregelungsdiode (Zener-Diode) 12
vorgesehen, mittels der die Spannung, bis zu der der Kondensator
mittels des Zündspulen-Sekundärstroms aufgeladen wird, auf einen
vorbestimmten Wert beschränkt wird. Der andere Anschluß des Kon
densators 11 ist über eine Diode 13 mit Masse verbunden, wobei
die Diode 13 einen Strom zum Massepotential ermöglicht, und ist
ferner über einen Ionenstromerfassungswiderstand 14 mit Masse
verbunden.
Der Knoten zwischen dem Kondensator 11 und dem Ionenstromerfas
sungswiderstand 14 ist mit einer invertierenden Verstärkerschal
tung 16 verbunden. Die invertierende Verstärkerschaltung 16 be
steht aus einem Operationsverstärker 17, dessen nicht invertie
render Eingangsanschluß (+ Anschluß) mit Masse verbunden ist,
einem mit dem invertierenden Eingangsanschluß (- Anschluß) des
Operationsverstärkers 17 verbundenen Eingangswiderstand 18, und
einem Rückkopplungswiderstand 19 zwischen dem Ausgangsanschluß
und dem invertierenden Eingangsanschluß (- Anschluß) des Opera
tionsverstärkers 17. Weist der Eingangswiderstand 18 einen Wi
derstandswert von Ra und weist der Rückkopplungswiderstand 19 ei
nen Widerstandswert von Rf auf, dann wird der Spannungsverstär
kungsfaktor bekanntermaßen durch -Rf/Ra bestimmt. Der Ausgangsan
schluß der invertierenden Verstärkerschaltung 16 wird zur einer
Verarbeitungsschaltung 20 geführt, die zur Klopfbestimmung und
für weitere Maßnahmen eine Signalverarbeitung durchführt. Im
vorliegenden Falle sind die Werte Ra und Rf sehr große Werte im
Vergleich zu dem Widerstandswert R1 des Ionenstromerfassungswi
derstands 14.
Nachstehend wird nun die Wirkungsweise der Ionenstromerfassungs
schaltung 10 beschrieben. Nimmt zuerst das Zündsignal einen ho
hen Pegel an, und wird der Transistor 3 eingeschaltet, dann
fließt ein Strom durch die Primärwicklung 1a der Zündspule. Wird
sodann das Zündsignal auf einen niedrigen Pegel gesetzt, und
wird der Transistor 3 ausgeschaltet, dann wird der Primärstrom
abgeschaltet und induziert eine hohe Spannung in der Sekundär
wicklung 1b der Zündspule 1 und bewirkt damit das Auftreten ei
nes Zündfunkens an der Zündkerze 4. Wird hierbei eine hohe nega
tive Spannung an die Mittelelektrode 4a der Zündkerze 4 ange
legt, dann wird ein elektrischer Lichtbogen oder ein Zündfunke
zwischen der Mittelelektrode 4a und der Außenelektrode
(Masseelektrode) 4b gebildet, und ein Strom fließt von der Se
kundärspule 1b der Zündspule 1, wobei der Stromrückfluß zur Se
kundärwicklung 1b über den Kondensator 11, die Spannungsrege
lungsdiode 12, die Diode 13 und die Zündkerze 4 gemäß der Dar
stellung in Fig. 2 erfolgt. Während dieses Ablaufs wird der Kon
densator 11 auf eine Spannung gleich der Zenerspannung (von etwa
100 Volt) der Spannungsregelungsdiode 12 aufgeladen.
Wird das Luft-Brennstoffgemisch innerhalb der Brennkammer nach
der Zündung durch den Zündfunken der Zündkerze 4 verbrannt, dann
wird das Luft-Brennstoffgemisch ionisiert. Befindet sich das Ge
misch im ionisierten Zustand, dann wird eine Leitfähigkeit über
den Spalt der beiden Elektroden der Zündkerze 4 aufrechterhal
ten. Da ferner eine Spannung zwischen den beiden Elektroden der
Zündkerze 4 durch die Aufladungsspannung des Kondensators 11 an
gelegt wird, wird ein Ionenstrom erzeugt. Der Ionenstrom fließt
vom einen Anschluß des Kondensators zurück zum anderen Anschluß
desselben unter Durchlaufen der Sekundärwicklung 1b der Zündspu
le, der Zündkerze 4 und des Ionenstromerfassungswiderstands 14,
wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Sodann wird eine Spannung gleich
"- Ionenstromwert × Erfassungswiderstandswert" am Knoten zwischen
dem Ionenstromerfassungwiderstand 14 und dem Kondensator 11 auf
treten, und diese Spannung wird mittels der invertierenden Ver
stärkerschaltung 16 invertiert und verstärkt. Schließlich wird
das Ausgangssignal der invertierenden Verstärkerspannung 16 als
ein Ionenstromsignal der Verarbeitungsschaltung 20 zugeführt.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Auf
baus der Verarbeitungsschaltung 20. In Fig. 4 bezeichnet Bezugs
zeichen 21 ein Hochpaßfilter (HPF), dem an seinem Eingang das
Ionenstromsignal als Ausgangssignal der invertierenden Verstär
kerschaltung 16 zugeführt wird, und das eine darin enthaltene
niedere Frequenzkomponente entfernt. Die Bereitstellung des
Hochpaßfilters 21 bildet ein charakteristisches Merkmal der vor
liegenden Erfindung. Die Notwendigkeit dieses Filters wird nach
stehend noch beschrieben. Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Mas
kierschaltung zur Maskierung des Ausgangssignals des Hochpaßfil
ters 21 während einer aktiven Periode eines zugeführten Maskie
rungssignals. Ferner bezeichnet Bezugszeichen 23 ein Bandpaßfil
ter (BPF), dem das Ausgangssignal der Maskierschaltung 22 als
Eingangssignal zugeführt wird und das eine für das Klopfen ei
gentümliche Frequenzkomponente (nachstehend als Klopffrequenz
bezeichnet) aus dem Eingangssignal herausgreift. Bezugszeichen
24 bezeichnet eine Spitzenwerthalterschaltung, die den Spitzen
wert des Ausgangssignals des Bandpaßfilters 23 während einer ak
tiven Periode eines der Spitzenwerthalteschaltung zugeführten
Torsignals (Toröffnungssignal) ermittelt und hält. Eine Integra
torschaltung kann auch anstelle der Spitzenwerthalteschaltung 24
verwendet werden. Bezugszeichen 25 bezeichnet eine A/D-
Wandlerschaltung zum Umwandeln einer analogen Ausgangsspannung
der Spitzenwerthalteschaltung 24 in eine digitale Ausgangsspan
nung. Schließlich bezeichnet Bezugszeichen 26 eine Zentralverar
beitungseinheit (CPU) zur Durchführung einer Zündzeitsteuerung
einschließlich einer Klopfsteuerung. Die Zentralverarbeitungs
einheit 26 bestimmt, daß ein Klopfen aufgetreten ist, auf der
Basis des Ausgangssignals der A/D-Wandlerschaltung 25, wenn der
Wert dieses Signals einen Bezugswert überschreitet. Auf der Ba
sis der Ausgangssignale verschiedener Sensoren erfaßt die Zen
tralverarbeitungseinheit verschiedene Maschinenbetriebsbedingun
gen, bewertet in umfassender Weise die Maschinenbetriebsbedin
gungen sowie das Vorliegen oder Nichtvorliegen von Klopfen, be
stimmt eine optimale Zündzeit und gibt ein Zündsignal aus. Die
Zentralverarbeitungseinheit 26 bestimmt ferner die Maskierungs
zeitdauer der Maskierschaltung 22 und die Torperiode der Spit
zenwerthalteschaltung 24, und führt das Maskierungssignal der
Maskierschaltung 22 und das Torsignal der Spitzenwerthalteschal
tung 24 zu.
Die Fig. 5A, 5B, 5C, 5D, 5E und 5F sind Signalzeitverläufe
verschiedener Signale zur Veranschaulichung der Art der auftre
tenden Probleme bei der Durchführung einer Klopferfassung auf
der Basis des Ionenstroms, falls das Hochpaßfilter 21 nicht vor
gesehen ist. Gemäß der Darstellung in den Fig. 5A und 5B
tritt zum Zeitpunkt des Ausschaltens des Zündsignals (bei t0) ei
ne Zündfunkenentladung an der Zündkerze 4 auf, und der Entlade
strom fließt. Nach dem Ende der Zündfunkenentladung (bei t1) ver
sucht sodann die Zündspule eine verbleibende magnetische Energie
zu entladen, wobei im Ergebnis dieser Entladung eine LC-Resonanz
zwischen der Induktivität L1 der Sekundärwicklung 1b der Zündspu
le 1 und der (gemäß Fig. 1) in der Hochspannungsleitungsführung
ausgebildeten Streukapazität C2 auftritt, und es fließt ein LC-
Resonanzstrom. Da dieser LC-Resonanzstrom mittels des Ionen
stromerfassungswiderstands erfaßt wird, tritt eine plötzliche
Änderung im Signalverlauf (Wellenform) des Ionenstroms nach dem
Ende der Zündfunkenentladung auf, wie es in Fig. 5C gezeigt ist,
wobei jedoch diese Änderung nicht durch den Ionenstrom bedingt
ist, sondern das verbleibende magnetische Rauschen (LC-
Resonanzrauschen) kennzeichnet.
Nach dem Fließen des LC-Resonanzstroms infolge der verbleibenden
magnetischen Energie fließt der Ionenstrom. Bei Hochlastbe
triebsbedingungen tritt ein Niederfrequenzsignal in Synchronis
mus mit dem Zylinderdruck im Ionenstromsignal auf. Tritt zu die
sem Zeitpunkt ein Klopfen auf, dann werden Schwingungen in Ver
bindung mit dem Klopfen dem Signalverlauf nach Überschreiten des
Maximums überlagert, d. h. nach dem der maximale Zylinderdruck
(üblicherweise bei oder in der Nähe von 15° Kurbelwellenwinkel
nach dem oberen Totpunkt) erreicht ist.
Zum lediglichen Herausgreifen der Klopfschwingungskomponente aus
dem Ionenstromsignal wird nur das Signal der Periode, in welchem
die klopfbezogenen Schwingungen auftreten, herausgegriffen und
gefiltert. Die Periode, in welcher die klopfbezogenen Schwingun
gen auftreten, bleibt relativ konstant in Ausdrücken des Kurbel
wellenwinkels unabhängig von der Maschinendrehzahl und ent
spricht im wesentlichen einer Kurbelwellendrehwinkelposition von
15° bis 60° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt. Gemäß
Fig. 5D wird das der Maskierschaltung 22 zugeführte Maskierungs
signal derart eingestellt, daß die Maskierschaltung 22 das un
veränderte Durchlaufen des Ionenstromsignals durch die Maskier
schaltung 22 während der Periode von 15° bis 60° Kurbelwellen
winkel nach dem oberen Totpunkt ermöglicht (vom Zeitpunkt t2 bis
zum Zeitpunkt t4) und das Ionenstromsignal während der anderen
Perioden maskiert.
In diesem Fall ändert sich das Ausgangssignal der Maskierschal
tung 22 diskontinuierlich zu dem Zeitpunkt, zu dem die Maskie
rung entfernt wird (bei t2), wie es in Fig. 5E gezeigt ist. Die
ses stufenförmige Signal weist eine Frequenzkomponente über ei
nen weiten Frequenzbereich auf. Wie es in Fig. 5F gezeigt ist,
durchlaufen daher einige der Frequenzkomponenten das als Klopf
frequenzkomponenten-Erfassungsfilter in den nachfolgenden Stufen
vorgesehene Bandpaßfilter 23, und diese Frequenzkomponenten
verursachen ein Rauschen. Tritt ein derartiges Rauschen auf,
dann wird eine fehlerhafte Messung in der Weise durchgeführt,
daß angenommen wird, es sei ein Klopfen aufgetreten, wenn jedoch
tatsächlich kein Klopfen aufgetreten ist.
Die Fig. 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F und 6G zeigen Signalzeitver
läufe verschiedener Signale, wenn das Hochpaßfilter 21 vor
der Maskierschaltung 22 vorgesehen ist zur Lösung der vorstehend
angegebenen Probleme. Die Signalverläufe (Wellenformen) der
Fig. 6A, 6B, 6C und 6E sind jeweils die gleichen wie die in den
Fig. 5A, 5B, 5C und 5D gezeigten Signalzeitverläufe. Hat das
Ionenstromsignal das Hochpaßfilter 21 durchlaufen, dann
weist das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 21 einen flachen
Signalverlauf mit einer entfernten Niederfrequenzkomponente auf,
wie es in Fig. 6D gezeigt ist. Wird das Ausgangssignal des Hoch
paßfilters 21 der Maskierschaltung 22 zugeführt, dann ist
die im Ausgangssignal der Maskierschaltung 22 zum Zeitpunkt der
Entfernung der Maskierung auftretende Diskontinuität in vorteil
hafter Weise vermindert, wie es in Fig. 6F gezeigt ist. Im Er
gebnis wird das in das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 23
eingebrachte Rauschen auf einen derartigen Pegel vermindert, daß
dieser die Klopferfassung nicht mehr beeinträchtigen kann und
daher die Klopferfassungsfähigkeit verbessert ist.
Die Fig. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F, 7G, 7H und 7I sind Signal
zeitverläufe von verschiedenen Signalen zur Darstellung der Ein
stellung der Torperiode (Toröffnungszeit) in der Spitzenwerthal
teschaltung 24.
Hierbei sind die Signalzeitverläufe der Fig. 7A bis 7G je
weils die gleichen wie die in den Fig. 6A bis 6G gezeigten
Signalzeitverläufe. Gemäß der vorstehenden Beschreibung kann
auch bei der Einbeziehung des Hochpaßfilters 21 die Diskon
tinuität im Signal in Verbindung mit dem Entfernen der Maskie
rung nicht vollständig beseitigt werden, und es verbleibt im
Ausgangssignal des Bandpaßfilters 23 ein kleiner Rauschan
teil. In Bezug auf dieses Problem wird die Zeit (t3) zur Bildung
des Torsignals, das verwendet wird zur Bestimmung der Periode,
während der der Signalspitzenwert in der Spitzenwerthalteschal
tung 24 gehalten wird, in Bezug auf die Maskierungsentfernungs
zeit (t2) leicht verzögert, wie es in Fig. 7H gezeigt ist, zum
Entfernen des in Verbindung mit der Maskierungsentfernung auf
tretenden Rauschens und zur Verbesserung der Genauigkeit der
Klopfbewertung. Mit dieser Maßnahme können Einflüsse durch im
Ausgangssignal der Spitzenwerthalteschaltung 24 auftretendes
Rauschen gemäß der Darstellung in Fig. 7I vermieden werden.
Hierbei ist der Verzögerungsbetrag entweder in Ausdrücken der
Zeit oder in Ausdrücken des Kurbelwellenwinkels zu bestimmen.
Nachstehend wird nun ein Ausführungsbeispiel bezüglich der Ver
besserung der Maskierungsentfernungszeit beschrieben. Fig. 8A,
8B, 8C, 8D, 8E, 8F und 8G zeigen Signalzeitverläufe von ver
schiedenen Signalen zur Veranschaulichung des Problems, das auf
treten kann, wenn die Maskierungsperiode als feste Periode in
Ausdrücken des Kurbelwellenwinkels eingestellt ist. In einigen
Fällen kann eine Situation auftreten, bei der nach dem Ablaufen
des abrupten LC-Resonanzstroms infolge der verbleibenden magne
tischen Energie in der Zündspule 1 ein stark variierender Ionen
strom durch die Zündspule fließt und die Erzeugung einer sehr
kleinen LC-Resonanz auslöst, wobei dieser sehr kleine LC-
Resonanzstrom gemäß der Darstellung in Fig. 8C als Rauschen dem
Ionenstromsignal überlagert ist. Das LC-Resonanzrauschen dauert
während einer festgelegten Zeitdauer nach dem Ende der Zündfun
kenentladung (t1) unabhängig von der Maschinendrehzahl an.
Demgegenüber ist die Periode, in welcher die klopfbezogenen
Schwingungen auftreten, von der Drehposition der Kurbelwelle ab
hängig und entspricht beispielsweise der Position von 15° bis
60° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt, wie es vorste
hend beschrieben ist. Bei hohen Maschinendrehzahlen wird das
Zeitintervall von der Zündfunkenanregung und der Verbrennung bis
zum Auftreten des Klopfens kurz, so daß folglich das Zeitinter
vall vom Ende der Zündfunkenentladung (t1) bis zum Start der
Klopfperiode (15° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt)
ebenfalls kurz wird. Im Ergebnis tritt bei hohen Maschinendreh
zahlen die Möglichkeit auf, daß das LC-Resonanzrauschen bis in
die Klopfschwingungsperiode andauert. Insbesondere kann dabei
das LC-Resonanzrauschen im Ausgangssignal des Hochpaßfilters
21 nach der Maskierungsentfernungszeit (t2) verbleiben, wie es in
den Fig. 8C und 8D gezeigt ist, und im Ergebnis kann in das
Ausgangssignal der Maskierschaltung 22 und das Ausgangssignal
des Bandpaßfilters 23 ein Rauschen eingebracht werden, wie
es in den Fig. 8F und 8G gezeigt ist.
Die Fig. 9A, 9B, 9C, 9D, 9E, 9F, 9G und 9H zeigen Signalzeit
verläufe verschiedener Signale gemäß dem Ausführungsbeispiel zur
Lösung der vorstehenden Probleme durch Verbessern der Maskenent
fernungszeit. Die in den Fig. 9A bis 9E gezeigten Signalzeit
verläufe sind jeweils die gleichen wie die in den Fig. 8A bis
8E gezeigten Signalzeitverläufe. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist zusätzlich zu dem Maskensignal (Fig. 9E), das verwendet wird
zur Steuerung, daß die Maske während einer festgelegten Periode
entsprechend einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich
(Winkelpositionsbereich, beispielsweise 15° bis 60° Kurbelwel
lenwinkel nach dem oberen Totpunkt) entfernt wird, ein zweites
Maskensignal (Fig. 9F) vorgesehen, das verwendet wird zur Steue
rung, daß die Maskierung zu einer Zeit (t2a) entfernt wird, wenn
eine vorbestimmte Zeitdauer seit dem Ende der Zündfunkenentla
dung (t1) abgelaufen ist, wobei die vorbestimmte Zeitdauer gleich
der Zeitdauer ist, die zum Abklingen des LC-Resonanzrauschens
erforderlich ist. Hierbei kann das Ende der Zündfunkenentladung
(t1) als die Anstiegszeit des verbleibenden magnetischen Rau
schens (LC-Resonanzrauschen) ermittelt werden.
Die Maskierschaltung 22 ist ausgelegt zum unveränderten Durch
lassen des Eingangssignals lediglich während der Periode, wäh
rend der beide Maskierungssignale gemäß den Fig. 9E und 9F
aktiviert sind. Im Ergebnis wird auch in Situationen, in welchen
das LC-Resonanzrauschen bis in die Periode des Auftretens von
Klopfen andauert, die Möglichkeit des Einbringens von Rauschen
in das Ausgangssignal der Maskierschaltung 22 vermieden, wie es
in Fig. 9G gezeigt ist, und es ist daher das Ausgangssignal des
Bandpaßfilters 23 gemäß der Darstellung in Fig. 9H frei von ei
nem Rauschen.
Wird gemäß der vorstehenden Beschreibung das Maskierungssignal
zur Berücksichtigung der Zeitdauer des Auftretens des LC-
Resonanzrauschens bereitgestellt, dann ist es möglich, daß die
Klopferfassungsfähigkeit verschlechtert wird, da der Anfangsbe
reich der Klopfschwingungen maskiert wird, wobei jedoch in der
Realität das Bandpaßfilter 23 eine befriedigende Reaktion
(Anwort) zeigt, falls ein Teil der Klopfschwingungen maskiert
wird, d. h. die Verschlechterung der Erfassungsfähigkeit liegt in
diesem Fall sicher innerhalb erlaubter Grenzen im Vergleich zur
Verschlechterung der Erfassungsfähigkeit infolge eines Rau
schens.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die
Maskierungsentfernungszeit (t2a) zur Berücksichtigung der Zeit
dauer des LC-Resonanzrauschens relativ zum Ende der Zündfunken
entladung (t1) eingestellt, wobei diese Einstellung jedoch auch
relativ zum Zündzeitpunkt (t0) eingestellt werden kann. Der Grund
liegt darin, daß die Zündfunkenzeitdauer (t1-t0) ebenfalls re
lativ unbeeinflußt von der Maschinendrehzahl ist und daher als
feste Zeit angenommen werden kann. Insbesondere ändert sich je
doch die Zündfunkenzeitdauer in erheblichem Umfang zwischen den
Zündzyklen, und die feste Zeitdauer muß daher im Hinblick auf
diese Änderung geringfügig länger eingestellt werden. Da die
Maskierungsentfernungszeit entsprechend verzögert ist, kann der
letzte Fall etwas nachteilig sein im Vergleich zu dem Fall, bei
welchem die Zeit relativ zum Ende der Zündfunkenentladung einge
stellt wird.
Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird eine Klopferfassungs
vorrichtung bereitgestellt, die in der Lage ist, eine fehlerhaf
te Erfassung infolge einer stufenförmigen Signaländerung zum
Zeitpunkt des Entfernens der Maskierung oder bei der Überlage
rung der LC-Resonanzerzeugung und der Klopfauftreteperiode bei
hohen Maschinendrehzahlbedingungen zu vermeiden. Insbesondere
wird einerseits der Betrag der Ionenstromsignaländerung zum
Zeitpunkt der Entfernung der Maskierung vermindert, da das Io
nenstromsignal der Maskiereinrichtung nach Entfernen der darin
enthaltenen Niederfrequenzkomponente zugeführt wird, so daß die
se Maßnahme der Verminderung des Rauschens in Verbindung mit der
Signaländerung dient. Andererseits wird die Genauigkeit der
Klopferfassung weiter verbessert, da eine Klopfsignalverarbei
tung durchgeführt wird durch Vermeiden der Periode, in der ein
kleiner Betrag eines Rauschens nach der Entfernung der Maskie
rung verbleibt. Desweiteren wird die Zeitdauer (das Andauern)
des nach dem Ende der Zündfunkenentladung auftretenden LC-
Resonanzrauschens berücksichtigt, und die Verarbeitung zur Klop
ferfassung wird auf der Basis eines nach dieser Zeitdauer akti
vierten Signals durchgeführt. Dies gewährleistet auch bei hohen
Maschinendrehzahlbedingungen eine hohe Klopferfassungsgenauig
keit.
Die Klopferfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine dient
somit zur Verhinderung einer fehlerhaften Erfassung infolge ei
ner stufenförmigen Signaländerung zum Zeitpunkt des Entfernens
einer Maskierung oder infolge eines Überlappens der LC-
Resonanzerzeugungszeitdauer und einer Klopfauftreteperiode bei
hohen Maschinendrehzahlbedingungen. Eine Niederfrequenzkomponen
te wird aus einem Ionenstromsignal mittels eines Hochpaßfilters
entfernt, und das geglättete resultierende Signal wird einer
Maskierschaltung zugeführt, wodurch der Betrag einer Diskonti
nuität vermindert wird, die zum Zeitpunkt einer Maskierungsent
fernung auftritt, und wobei in einem Ausgangssignal eines Band
paßfilters ein Rauschen bis auf einen Pegel unterdrückt wird,
der die Klopferfassung nicht mehr beeinträchtigt. Durch die Ein
stellung einer Torperiode (Toröffnungszeit) in einer Spitzen
werthalteschaltung mit einer geringen Verzögerung bezüglich der
Maskierungsentfernungszeit wird ferner ein Rauschen in Verbin
dung mit der Maskierungsentfernung vollständig entfernt. Als
Maskierungssignale zur Verwendung bei der Bestimmung der Maskie
rungsperiode wird zusätzlich zu einem Maskierungssignal zum Entfernen
der Maskierung bei Erreichen eines vorbestimmten Kurbel
wellenwinkels ein zweites Signal bereitgestellt zum Entfernen
der Maskierung, wenn eine vorbestimmte, zum Abklingen des LC-
Resonanzrauschens erforderliche Zeitdauer seit dem Ende der
Zündfunkenentladung abgelaufen ist, und die Maskierung wird le
diglich dann entfernt, wenn beide Maskierungssignale nicht akti
viert sind.
Claims (1)
1. Klopferfassungsvorrichtung für eine
Brennkraftmaschine, mit:
einer Zündspule (1),
einer Schalteinrichtung (3, 20), die zum Aus- und Einschalten des Primärstroms mit der Primärseite (1a) der Zündspule (1) verbunden ist,
einer mit der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) verbundene Zündkerze (4) zum Zünden eines Luft- Brennstoffgemischs in einem Zylinder mittels einer in der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) induzierten Hochspannung, wenn mittels der Schalteinrichtung (3, 20) der Primärstrom ausgeschaltet wird,
einer Ionenstromerfassungseinrichtung (14, 16, 20) zur Bildung eines Ionenstrompfads zusammen mit der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) und der Zündkerze (4), zum Anlegen einer Spannung an die Zündkerze (4) zur Erfassung eines Ionenstroms, der infolge von im Zylinder bei der Verbrennung des Luft-Brennstoffgemischs erzeugten Ionen durch die Zündkerze fließt,
einem Hochpaßfilter (21) zur Entfernung einer Niederfrequenzkomponente aus dem Ausgangssignal der Ionenstromerfassungseinrichtung (14, 16, 20),
einer Signalmaskiereinrichtung (22) zum Maskieren eines Ausgangssignals des Hochpaßfilters (21) während einer Zeitdauer, in welcher ein LC-Resonanzrauschen infolge der Induktivität der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) und der im Ionenstrompfad gebildeten Streukapazität auftreten kann,
einem Bandpaßfilter (23) zum Herausgreifen einer Klopffrequenzkomponente aus dem Ausgangssignal der Signalmaskiereinrichtung (22), und
einer Klopfbestimmungseinrichtung (26) zur Bestimmung des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Klopfens auf der Basis eines Ausgangssignals des Bandpaßfilters (23), wobei
die Signalmaskiereinrichtung (22) die Maskierung zu einem Zeitpunkt entfernt, wenn eine Kurbelwellendrehposition erreicht ist, bei der ein Klopfen beginnt, oder zu einem Zeitpunkt, wenn eine Zeit gleich der Zeitdauer des LC-Resonanzrauschens seit dem Ende der Zündfunkenentladung an der Zündkerze (4) abgelaufen ist, je nach dem, welcher Zeitpunkt später auftritt.
einer Zündspule (1),
einer Schalteinrichtung (3, 20), die zum Aus- und Einschalten des Primärstroms mit der Primärseite (1a) der Zündspule (1) verbunden ist,
einer mit der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) verbundene Zündkerze (4) zum Zünden eines Luft- Brennstoffgemischs in einem Zylinder mittels einer in der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) induzierten Hochspannung, wenn mittels der Schalteinrichtung (3, 20) der Primärstrom ausgeschaltet wird,
einer Ionenstromerfassungseinrichtung (14, 16, 20) zur Bildung eines Ionenstrompfads zusammen mit der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) und der Zündkerze (4), zum Anlegen einer Spannung an die Zündkerze (4) zur Erfassung eines Ionenstroms, der infolge von im Zylinder bei der Verbrennung des Luft-Brennstoffgemischs erzeugten Ionen durch die Zündkerze fließt,
einem Hochpaßfilter (21) zur Entfernung einer Niederfrequenzkomponente aus dem Ausgangssignal der Ionenstromerfassungseinrichtung (14, 16, 20),
einer Signalmaskiereinrichtung (22) zum Maskieren eines Ausgangssignals des Hochpaßfilters (21) während einer Zeitdauer, in welcher ein LC-Resonanzrauschen infolge der Induktivität der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) und der im Ionenstrompfad gebildeten Streukapazität auftreten kann,
einem Bandpaßfilter (23) zum Herausgreifen einer Klopffrequenzkomponente aus dem Ausgangssignal der Signalmaskiereinrichtung (22), und
einer Klopfbestimmungseinrichtung (26) zur Bestimmung des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Klopfens auf der Basis eines Ausgangssignals des Bandpaßfilters (23), wobei
die Signalmaskiereinrichtung (22) die Maskierung zu einem Zeitpunkt entfernt, wenn eine Kurbelwellendrehposition erreicht ist, bei der ein Klopfen beginnt, oder zu einem Zeitpunkt, wenn eine Zeit gleich der Zeitdauer des LC-Resonanzrauschens seit dem Ende der Zündfunkenentladung an der Zündkerze (4) abgelaufen ist, je nach dem, welcher Zeitpunkt später auftritt.
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