DE3020853A1

DE3020853A1 - Verfahren zur erkennung des klopfens einer brennkraftmaschine und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3020853A1
Application number: DE19803020853
Authority: DE
Inventors: Anton Van Dipl.-Ing. Dr. 7257 Ditzingen Zanten
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-06-02
Filing date: 1980-06-02
Publication date: 1981-12-10
Also published as: US4391126A; JPS5722529A

Description

I3.5.I98O Wt/Hm

ROBERT BOSCH GMBH₃ 7OOO STUTTGART 1

Verfahren zur Erkennung des Klopfens einer Brennkraftmaschine und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruches.

Es ist bekannt, daß unter bestimmten Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine das sogenannte Klopfen auftreten kann. Hierunter versteht man Stoßwellen des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die sich u.a. als tonfrequente Schwingungen des Motors bemerkbar machen. Da mit dem Klopfen in der Regel eine starke thermische Belastung der brennraumseitigen Wandung des Zylinders und des Kolbens einhergeht, wobei Materialabtragungen auftreten können, ist man bestrebt, das Klopfen grundsätzlich zu vermeiden, da es bei längerem Auftreten zu einer Zerstörung der Brennkraftmaschine führen kann. Da man jedoch

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andererseits bestrebt ist, den bestehenden Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine möglichst weitgehend auszunutzen, besteht ein Bedürfnis, das Klopfen der Brennkraftmaschine möglichst frühzeitig und sicher zu erkennen. Neben dem Problem, zur Erfassung des Klopfens geeignete Geber bereitzustellen, besteht auch das meßtechnische Problem, aus den vom Geber erfaßten Schwingungen der Brennkraftmaschine das Klopfsignal zuverlässig und störungsfrei herauszulesen, um die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von einem Klopferkennungssignal "Klopfen ja" oder "Klopfen nein" entsprechend regeln zu können.

In der US-PS 3 5^0 262 ist hierzu ein Klopfdetektor beschrieben, bei dem das gemessene Klopfsignal mit einem vorgegebenen, vom Motorsignal unabhängigen Schwellwertsignal verglichen wird und bei überschreiten des Schwellwertes ein Klopferkennungssignal abgegeben wird. Diese Vorrichtung hat'jedoch den Nachteil, daß keine Klopferkennung in Bezug auf das Hintergrundgeräusch der Brennkraftmaschine erfolgt -sondern lediglich ein Vergleich mit einem externen, motorunabhängigen Signal durchgeführt wird.

In der US-PS 4 012 9^2 ist weiterhin ein Klopfdetektor beschrieben, bei dem das gemessene Klopfsignal mit einem Referenzsignal verglichen wird, das über einen Punktionsgenerator in Abhängigkeit von der Motordrehzahl erzeugt wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß ebenfalls das tatsächlich auftretende Hintergrundgeräusch der Brennkraftmaschine nicht mit einbezogen, sondern ledig lich über einen Punktionsgenerator simuliert wird. Damit wird insbesondere keine Rücksicht auf die jeweilige Betriebsweise, die Einstellung und den Alterungszustand der Brennkraftmaschine genommen.

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-r-

Schließlich ist in der deutschen Patentanmeldung P 29 18 420.1 vorgeschlagen worden, das Klopfsignal, das gleichzeitig das Hintergrundgeräusch der Brennkraftmaschine enthält, einerseits direkt und andererseits über einen Tiefpaß auf einen Komparator zu führen. Hierdurch wird erreicht, daß das Klopfsignal mit dem Hintergrundgeräusch der Brennkraftmaschine, so wie es während der letzten Motorzyklen aufgetreten ist, verglichen wird.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, über die bekannte Korrelation von Klopfsignal und Hintergrundgeräusch hinaus ein weitere Kriterium für das Erkennen von Klopfen dadurch zu bilden, daß der Abklingvorgang des Klopfsignales und eines Referenzsignales miteinander verglichen wird. Da das Klopfsignal langsamer abfällt als das Referenzsignal, wird durch dieses zusätzliche Kriterium eine größere Sicherheit bei der Klopferkennung erzielt.

Zeichnung

Ein Meßdiagramm und ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Pig. I einen zeitlichen Verlauf des Nutzsignales (KlopfSignal) und des Referenzsignales; Fig. 2 das Blockschaltbild einer Vorrichtung zur. Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

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ORIGINAL INSPECTED

. 9- 302085

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Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei der Messung des Klopfens von Brennkraftmaschinen werden üblicherweise Geber eingesetzt, die Motorschwingungen erfassen, hierzu werden diese Geber auf die bekannte tonfrequente Klopffrequenz ausgelegt, so daß das Auftreten einer Schwingung in diesem Frequenzbereich bereits ein erster Anhalt für das Auftreten von Klopfen ist. Da jedoch die im üblichen Betrieb einer Brennkraftmaschine auftretenden sonstigen Schwingungen (Hintergrundgeräusch) in einem weiten Frequenzbereich auftreten, gibt es keinen Frequenzbereich, in dem nur Klopfschwingungen erscheinen. Es besteht daher bei jeder Klopfmessung das Problem, das eigentliche Nutzsignal (Klopfsignal) vom Hintergrundgeräusch zu trennen. Hierzu wird nun bekanntermaßen ein Referenzsignal aus den Motorschwingungen abgeleitet, das in einem Frequenzbereich liegt, in dem kaum oder nur wenige Klopfanteile auftreten. Vergleicht man nun Nutzsignal und Referenzsignal, läßt sich in bekannter Weise ein weiteres Kriterium für das Auftreten von Klopfen dadurch gewinnen, daß man feststellt, ob das Nutzsignal gegenüber dem Referenzsignal stark erhöht ist.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß Klopfsignale zeitlich langsamer abklingen als die üblichen Motorschwingungen, damit also auch ein Referenzsignal. Diese Erscheinung macht sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch zunutze, daß ein weiteres Kriterium gebildet wird, das das zeitliche Abklingverhalten von Nutz- und Referenzsignal erfaßt. Hierzu wird der zeitliche Verlauf von Nutz- und Referenzsignal erfaßt und das Abklingverhalten der Signale gemessen. Stellt sich nun heraus, daß das Nutzsignal zeitlich langsamer abfällt als das Referenzsignal wird ein Klopferkennungssignal abgegeben.

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Zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 1 der zeitliche Verlauf eines Nutzsignales N und eines Referenzsignales R aufgetragen. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren soll der Vergleich von Nutz- und Referenzsignalen nur in der Abklingphase nach einem zuvor erreichten Maximum der Signale vorgenommen werden. Dabei soll in bevorzugter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Messung nur dann begonnen werden, wenn zuvor beide Signale stark angestiegen sind. Bei den in Fig. 1 beispielhaft dargestellten Signalverläufen steigen zum Zeitpunkt t.. sowohl Nutz- wie Referenzsignal stark an und erreichen ein Maximum. Hierdurch wird zwar der Meßvorgang gestartet, es wird jedoch kein Klopferkennungssignal abgegeben, da beide Signale nach überschreiten ihres jeweiligen Maximums in etwa gleich schnell abfallen. Zum Zeitpunkt t_? steigt das Nutzsignal N stark an, das Referenzsignal R jedoch nicht. Demzufolge wird ein Meßvorgang in diesem Falle überhaupt gar nicht erst begonnen. Dies gilt analog für den Zeitpunkt t-,, an dem zwar das Referenzsignal R stark ansteigt, das Nutzsignal N hingegen nicht. Auch in diesem Falle wird keine Messung eingeleitet. Erst im Zeitpunkt tj,, in dem beide Signale stark ansteigen, wird wieder eine Messung gestartet, die zum Zeitpunkt tj- zur Abgabe eines Klopferkennungssignales führt, da nach Überschreiten des jeweiligen Maximums das Nutzsignal N wesentlich langsamer abfällt als das Referenzsignal R. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erkannt, daß die Signale nur in der Abklingphase miteinander verglichen werden. Da das Nutzsignal N langsamer abfällt als das Referenzsignal R, hat es demzufolge in der Abklingphase auch immer eine größere Amplitude.

Ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur- Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig» 2 dargestellt. Dabei ist mit 10 ein Motorsignal-Sensor bezeichnet, der an zwei Zweige für das Nutzsignal N bzw. das Referenzsignal R angeschlossen ist. Die beiden Zweige haben im

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Prinzip denselben Aufbau. Sie bestehen zunächst aus einem Filter 11 bzw. 12 mit nachgeschaltetem Gleichrichter 13 bzw. 14 und Glättungsstufe 15 bzw. 16. Das Filter 11 ist ein Bandfilter und so ausgelegt, daß die Durchlaßfrequenz einer Frequenz entspricht, bei der besonders starke Klopfsignale auftreten. Demgegenüber ist das Filter 12 so bemessen, daß nur Signale in einem Frequenzbereich durchgelassen werden, in dem üblicherweise keine Klopfgeräusche auftreten, so daß das Referenzsignal R dem Hintergrundgeräusch ohne Klopfanteile entspricht. Die Signale werden durch die beschriebenen Schaltmittel 13 bis 16 in bekannter Weise gleichgerichtet und geglättet, so daß am Ausgang der Stufen 15 bzw. 16 das Nutzsignal N bzw. das Referenzsignal R anliegen.

Die Signale gelangen nun auf die Reihenschaltung einer Differenzierstufe 17 bzw. 18, einer Kennlinienstufe 19 bzw. 20, eines Schwellwertschalters 21 bzw. 22, eines Pulsformers 23 bzw. 24, eines Gleichrichters 25 bzw. 26 und schließlich einer Zeitstufe 27 bzw. 28, wobei die Ausgänge der Zeitstufen 27, 28 'auf die Eingänge einer UND-Schaltung 29 geführt sind. Vom Ausgang der UND-Schaltung 29 werden Schaltelemente 30 bzw. 31 betätigt, über die das Ausgangssignal der Glättungsstufen 15 bzw. 16 an Wichtungsstufen 34 bzw. 35 schaltbar ist. Die Wichtungsstufen 34 bzw. 35 bestehen im wesentlichen aus einem Verstärker, in dessen Rückkopplungszweig eine Sample-and-Hold-Stufe 32 bzw. 33 angeordnet ist. Die Ausgänge der Wichtungsstufen 34 bzw. sind auf Eingänge eines Komparators 36 geführt, der an eine Schwellwertstufe 37 angeschlossen ist. Die Steuereingänge der Sample-and-Hold-Stufen 32 bzw. 33 sind schließlich über Schaltelemente 38 bzw. 39, die vom Ausgang der Pulsformer 23 bzw. 24 steuerbar sind, ebenfalls an den Ausgang der Glättungsstufen 15 bzw. 16 angeschlossen.

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Die Wirkungsweise der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ist wie folgt:

Das Nutzsignal N wird in der Differenzierstufe 17 differenziert, wobei die nachfolgende Kennlinienstufe 19 die negativen Signalgradienten unterdrückt. Die positiven Gradienten gelangen auf den Schwellwertschalter 2I₃ vorzugsweise einen hysteresebehafteten Schmitt-Trigger, der bei Überschreiten eines ersten Schwellwertes auf positives Ausgangspotential umschaltet und erst dann wieder auf Nullpotential zurückschaltet, wenn ein unterer Schwellwert, beispielsweise der Wert Null unterschritten wurde. Die so entstehenden Ausgangsimpulse des Schwellwertschalters 21 werden in der Pulsformerstufe 23 differenziert, so daß sich für eine positive Planke ein positiver Nadelimpuls und für eine negative Flanke ein negativer Nadelim^uls ergibt. Die Nadelimpulse werden dem Gleichrichter 25 zugeführt, der die negativen Impulse unterdrückt. Die positiven Impulse gelangen auf den Setzeingang der Zeitstufe 27, die demzufolge nur dann gesetzt wird, wenn der Schwellwertschalter 21 auf posi- ' tives Ausgangspotential umgeschaltet hat, d.h. wenn das Nutzsignal N schneller als im Schwellwertschalter 21 vorbestimmt ansteigt. Das Referenzsignal R wird in entsprechender Weise durch die Elemente 18, 20, 22, 24, 26, 28 aufbereitet. Die UND-Schaltung 29 wird demzufolge nur dann durchgeschaltet, wenn Nutz- und Referenzsignal schnell ansteigen. Dann werden die Schaltelemente 30, 31 geschlossen und das Nutz- bzw. Referenzsignal gelangt auf die Wichtungsstufen 34 bzw. 35· Der Wichtungsfaktor der Wichtungsstufen 34, 35 bzw. der Verstärkungsfaktor des jeweils darin enthaltenen rückgekoppelten Verstärkers hängt vom Ausmaß der Rückkopplung, die durch die Sample-and-Hold-Stufen 32 bzw. 33 bestimmt wird, ab. Die Schaltelemente 38 bzw. 39 sind so ausgebildet, daß sie bei positivem Ausgangsimpuls der Pulsformer 23 bzw. 24 schließen und

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bei negativem Ausgangsimpuls wieder öffnen. Dies bedeutet, daß bei starkem Signalanstieg, wenn die Schwellwertschalter 21 bzw. 22 ansprechen das Nutz- bzw. Referenzsignal auf die Sample-and-Hold-Stufen 22, 23 geführt werden. Ist nun das jeweilige Signalmaximum erreicht, wird die erste zeitliche Ableitung des Signalverlaufes und damit das Ausgangssignal der Differenzierstufen 17 bzw. 18 zu Null und die Schwellwertschalter 21 bzw. 22 zurückgesetzt. Dies hat am Ausgang der Pulsformer 23 bzw. 2h einen negativen Impuls zur Folge, der die Schalter 38 bzw. 39 wieder öffnet. Hierdurch wird bewirkt, daß das maximale Nutz- bzw. Referenzsignal in den Sample-and-Hold-Stufen 32 bzw. 33 zwischengespeichert wird und zwar solange, bis durch erneuten starken Anstieg eines der Signale der Meßvorgang wieder von vorne begonnen wird. Der Einfluß des Maximalwertes des Nutzbzw. Referenzsignales auf die Wichtung ist dabei umgekehrt proportional, d.h. daß das abfallende Nutz- bzw. Referenzsignal umso weniger verstärkt wird, je größer der Maximalwert des jeweiligen Signales war. Im Komparator 36 wird nun der Vergleich der dermaßen gewichteten Signale in der Abklingphase vorgenommen und über die Schwellwertstufe 37 wird bei Überschreiten einer vorgegebenen Differenz von gewichtetem Nutz- bzw. Referenzsignal ein Klopferkennungssignal ausgelöst.

Geht man einmal davon aus, daß die in Fig. 1 dargestellten zeitlichen Verläufe von Nutz- und Referenzsignal am Ausgang der Stufen 15 bzw. 16 anliegen, ergibt sich für die einzelnen dargestellten Betriebsfälle das folgende Verhalten der in Fig. 2 dargestellten Anordnung:

Zum Zeitpunkt t^ schalten beide Schwellwertschalter 21 bzw. 22 wegen des starken Anstieges beider Signale durch und damit wird ebenfalls die UND-Schaltung 29 durchgeschaltet und die Schalter 30 bzw, 31 betätigt. Hierdurch wird im

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Komparator 36 ein Vergleich von Nutz- und Referenzsignal mit der jeweiligen Wichtung vorgenommen wobei jedoch kein Klopferkennungssignal abgegeben wird, weil die beiden Signale in etwa gleich schnell abklingen. Zum Zeitpunkt tp schaltet zwar der Schwellwertschalter 21 durch, weil das Nutzsignal N stark angestiegen ist, der Schwellwertschalter 22 schaltet jedoch nicht durch, weil das Referenzsignal R nicht angestiegen ist. Demzufolge wird die UND-Schaltung auch nicht durchgeschaltet und die Schalter 30 bzw. 31 nicht betätigt. Ein Vergleich der Signale im Komparator

36 findet demzufolge nicht statt. Der umgekehrte Betriebsfall, nämlich stark ansteigendes Referenzsignal R und nicht ansteigendes Nutzsignal N führt zu einem analogen Verhalten zum Zeitpunkt t^. Zum Zeitpunkt tu werden die Schalter 30, 31 aus dem oben erwähnten Gründen betätigt und im Komparator 36 werden die gewichteten Signal miteinander verglichen. Dabei ergibt sich, daß während der Abklingphase der Signale ein starker Unterschied der Signalamplituden meßbar ist, so daß die Schwellwertstufe

37 anspricht und ein Klopferkennungssignal abgibt.

Die Zeitstufen 27, 28 haben dabei den Sinn, daß auch solche Nutz- bzw. Referenzsignalanstiege erfaßt werden sollen, die geringfügig zeitlich gegeneinander versetzt sind. Durch die festgelegte endliche Standzeit der Zeitstufen 27 bzw. 28 wird dabei erreicht, daß kein Erkennungssignal abgegeben wird, wenn das zeitliche Auftreten der Signalanstiege zu stark gegeneinander versetzt ist, beispielsweise wenn das Nutzsignal N um einen vorbestimmten Betrag später auftritt als das Referenzsignal R.

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Claims

R. 6 3 42 13.5.1980 Wt/Hm ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1 Ansprüche

1. Verfahren zur Erkennung des Klopfens einer Brennkraftmaschine, bei dem ein dem KlopfVorgang zugeordnetes Nutzsignal mit wenigstens einem dem Hintergrundgeräusch entsprechenden Referenzsignal verglichen und dann ein Erkennungssignal abgegeben wird, wenn das Nutzsignal das Referenzsignal in vorgegebener Weise überschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Abklingverhalten von Nutzsignal (N) und Referenzsignal (R) erfaßt wird und das Erkennungssignal nur dann abgegeben wird, wenn das Nutzsignal (N) um einen vorbestimmten Betrag langsamer abfällt als das Referenzsignal (R).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abklingverhalten (Signalabfall) umgekehrt proportional zum vorhergehenden Signalmaximum gewichtet wird.

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ORlGiNAL INSPECTED

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin kein Erkennungssigal abgegeben wird, wenn das Nutzsignal um einen vorbestimmten Betrag später auftritt als das Referenzsignal.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalvergleich nur während eines kurzen vorbestimmten Zeitintervalls vorgenommen wird, wobei der Vergleich dann begonnen wird, wenn Nutz- und Referenzsignal schneller als um einen vorgegebenen Wert ansteigen.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel (11, 12, 13, 14, 15, 16) zur Gewinnung des Nutzsignales (N) und des Referenzsignales (R) von einem Motorsignal-Sensor (10) vorgesehen sind, die jeweils über Schaltelemente (30, 31) auf einen Komparator (36) schaltbar sind, wobei die Schaltelemente (30, 3D von einer logischen UND-Schaltung (29) angesteuert vierden, der eingangsseitig die Signale von Differenzierstufen (17, 18) zugeführt werden, die mit dem Nutz- bzw. Referenzsignal beschaltet sind.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Schaltelementen (30, 3D und dem Komparator (36) Wichtungsstufen (3^_s 35) angeordnet sind, die mit Sample-and-Hold-Stufen (32, 33) in Wirkverbindung stehen, in denen die Signalmaxima zwischengespeichert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der UND-Schaltung (29) Zeitstufen (27, 28) vorgeschaltet sind, deren Setzeingang von den Differenzierstufen (17s 18) angesteuert wird.

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