DE3128027A1

DE3128027A1 - "vorrichtung zum erkennen des klopfens bei brennkraftmaschinen"

Info

Publication number: DE3128027A1
Application number: DE19813128027
Authority: DE
Inventors: Rainer 7143 Vaihingen Bone; Bernward Dr.-Ing. 7140 Ludwigsburg Böning; Rudolf Ing.(grad.) 7144 Asperg Nagel; Franz Dipl.-Ing. 7141 Schwieberdingen Sellmaier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1981-07-16
Filing date: 1981-07-16
Publication date: 1983-02-03
Also published as: DE3128027C2

Description

Vorrichtung zum Erkennen des Klopfens bei Brennkraftmaschinen
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung n.acn der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist bekannt, daß unter bestimmten Betriebsbedingungen einer Brennkraftmaschine das sogenannte Klopfen auftreten kann. Hierunter versteht man Stoßwellen des Kraftstoff-Luft-Gemisches, die sich unter anderem als tonfrequente Schwingungen des Motors bemerkbar machen. Da mit dem Klopfen in der Regel eine starke thermische Belastung der brennraumseitigen Wandlung 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 andererseits bestrebt ist, den bestehenden Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine möglichst weitgehend auszunutzen, besteht ein Bedürfnis, das Klopfen der Brennkraftmaschine möglichst frühzeitig und sicher zu erkennen.
Zur Erkennung des Klopfens im Brennraum sind verschiedene Anordnungen vorgeschlagen worden. So ist beispielsweise in der DE-OS 28 02 202 eine Einrichtung zur Erfassung von Druckschwankungen im Brennraum einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei der bereits eine Ionenstrom-Meßstrecke verwendet wird. Bei dieser Einrichtung ist eine Auswerteschaltung vorgesehen, die den Ionenstrom in ein durch eine Regelschaltung verwertbares Steuersignal verwandelt.
Genauere Angaben über diese Auswerteschaltung sind aus dieser Druckschrift nicht bekannt.
In der DE-OS 29 18 420 wird eine Vorrichtung zum Erkennen des Klopfens bei Brennkraftmaschinen vorgeschlagen. Dabei erzeugt ein Klopfsensor ein Signal, das Klopfschwingungen und Grundrauschen enthält-. Dieses Signal wird einer Demodulatorschaltung zugeleitet, die über einen Hintergrundsignal-Zweig und einen Klopfsignal-Zweig mit einer Vergleichseinrichtung verbunden ist. Dabei wird das Hintergrundsignal durch einen Tiefpaß -erzeugt. Der Vergleich des Hintergrundsignals mit dem Klopfsignal in der Vergleichseinrichtung liefert ein Signal Klopfen ja/nein". Bei dieser Vorrichtung werden aber Geber eingesetzt, die die Motorschwingungen erfassen. Die Auswerteschaltungen für diese Art von Gebern lassen sich aber nicht ohne weiteres zur Auswertung einer Ionenstrom-Messung verwenden.
Vorteile der Erfindung Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die Auswertesebaltung auf die. Ionenstrom-Signale ausgerichtet ist. Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
Besonders vorteilhaft ist, daß keine externe Lasterkennung durch einen Drosselkiappenschalter oder ähnliches erfolgt, sondern das als Lasterkennungssignal direkt das Ionenstrom-Signal herangezogen wird. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß Störungen durch die Zündung eliminiert werden können.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 die schaltungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung und Figur 2 den Verlauf des Ionenstroms in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel unter Last und bei sehr geringer Last wie z.B. beim Leerlauf.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles In der Figur 1 ist mit 1 ein den Ionenstrom messender Sensor bezeichnet. Dieser enthält u.a. eine Zündkerze, die als Serien- oder Spezialzündkerze ausgebildet sein kann, und eine Meßspannungsquelle. Genauere Angaben über die Ausbildung eines derartigen Sensors sind in der DE-OS 28 02 202 und in der deutschen Patentanmeldung P 30 06 665. o dargelegt. Im vorliegenden Falle soll für jeden Zylinder ein Sensor 1 vorgesehen sein. Die Sensoren 1 sind über jeweils einen-Ladungsverstärker 2 mit einem ersten Multiplexer 3 verbunden. Zwei der insgesamt vorhandenen Sensoren 1 sind über die Ladungsverstärker 2 an einen zweiten Multiplexer 4 angeschlossen. Die Ausgänge des ersten Multiplexers 3 und des zweiten Multiplexers 4 stehen über ein erstes Filter 5 und ein zweites Filter 6 mit einem ersten Integrator 7 und einem zweiten Integrator 8 in Verbindung. Die Ausgänge der Integratoren 7, 8 sind auf die Eingänge einer als Komparator ausgebildeten Vergleichseinrichtung 10 geschaltet, wobei dem Ausgang des zweiten Integrators 8 eine einstellbare Spannung zuaddiert ist, die durch den Pfeil 9 angedeutet ist. Der Ausgang des ersten Multiplexers 3 ist mit einem Differentiator 12 verbunden, der wiederum an einen Schwellenwertschalter 13 angeschlossen ist. Der Schwellenwertschalter 13 ist an ein halteglied 14 geschaltet. Der Ausgang der Vergleictlseinrichtung 10-und der Ausgang des Haltegliedes 14 sind auf die Eingänge eines UND-Gatters 11 geführt. Am Ausgang des UND-Gatters ist das Signal für die Klopferkennung abnehmbar. Das Schließwinkelsignal 20, das von einer Geberanordnung auf der Kurbelwelle abgeleitet werden kann, wird den Mitteln zur Bildung eines konstanten Puls-Pausen Verhältnisses 18 zugeführt, die mit einer Einrichtung zur Bildung eines Meßfensters 15 verbunden sind. Die Blitzpfeile bezeichnen den Beginn der Offenzeit des Schließwinkelsignals 20.
Der Ausgang der Einrichtung 15 ist mit dem ersten und dem zweiten Integrator 7, 8 verbunden. Das Schließwinkelsignal 20 liegt weiterhin an einem Schalter 17 an und wird außerdem einem Flip-Flop 16 zugeführt, das mit der Einrichtung zur Bildung des Meßfensters 15 verbunden ist. Der Ausgang des Flip-Flops 16 ist mit dem Schalter 17 verbunden. Der Ausgang des Schalters 17 ist mit einer nicht dargestellten Zündeinrichtung verbunden.
Die Wirkungsweise der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung soll im folgenden erläutert werden. Die von den Sensoren 1 abgegebenen Ionenstrom-Signale werden über die jeweiligen Impedanzwandler 2 abgekoppelt. Der erste Multiplexer 3 schaltet jeweils den Sensor 1 auf das erste Filter 5, der dem jeweils zur Zündung gelangten Zylinder zugeordnet ist. Das Filter 5 filtert diejenigen Frequenzen aus, bei denen Klopfschwingungen nicht zu erwarten sind.
Der erste Integrator 7 summiert das gefilterte Signal während der Meßfensterdauer auf und wird danach sofort zurückgesetzt. Der zweite Multiplexer 4 wählt aus den zwei mit ihm verbundenen Sensoren 1 denjenigen aus, der dem Zylinder zugeordnet ist, der nicht zur Zündung gelangt ist. Das Ionenstrom-Signal geht über das mit dem ersten Filter 5 baugleiche zweite Filter 7 auf den zweiten Integrator 8, der zur gleichen Zeit wie der erste Integrator 7 aktiviert und zurückgesetzt wird. In dem Komparator 10 werden die Signale des ersten und des zweiten Integrators 7, 8 miteinander verglichen, d.h.
das Signal des zweiten Integrators 8 dient als Schwellenwert für das möglicherweise Klopfschwingungen enthaltende Signal des ersten Integrators 7. Hierbei kann dem Ausgang des zweiten Integrators 8 eine einstellbare Spannung 9 zuaddiert werden. Falls diese Summenspannung kleiner ist als die Spannung des ersten Integrators 7, so gibt der Komparator das Erkennungssignal für Klopfen ab. Dieses Erkennungssignal soll aber nur in dem Fall zur Klopfregelung weitergeleitet werden, in dem die Brennkraftmaschine unter Last betrieben wird. Dazu wird das Ausgangssignal des Komparators und ein Signal für die Last erkennung auf die Eingänge des UND-Gatters 11 geleitet. Steht das Erkennungssignal für Klopfen und das Erkennungssignal für Last am UND-Gatter 11 an, so leitet es das Klopferkennungssignal weiter zur Klopfregelung.
Es hat sich gezeigt, daß bei niedriger Last der Brennkraftmaschine die dann auftretende unregelmäßige Verbrennung im Ionenstrom sichtbar wird. Um die dann auftretenden Störungen im Ionenstrom-Signal, die durch hochfrequente Anteile (f>3 kHz) gebildet werden, zu vermeiden wird, wie oben angegeben, die Ionenstrom-Klopferkennung nur unter Last durchgeführt. Figur 2 oben zeigt den Verlauf des Ionenstrom-Signals in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel bei regelmäßiger Verbrennung und Figur 2 unten den bei unregelmäßiger Verbrennung. Dabei unterscheiden sich die Signale in Amplitude und im Frequenzspektrum. Der Ionenstromverlauf bei regelmäßiger Verbrennung weist einen glatten regelmäßigen Abfall auf, während das Signal bei unregelmäßiger Verbrennung mehreren unregelmäßigen Maxima aufweist. Dieses Phänomen wird bei der Bildung des Lasterkennungssignals ausgenutzt. Das Ionenstrom-Signal, das am Ausgang des ersten Multiplexers 3 ansteht, wird in dem Differentiator 12 differenziert und dem Schwellenwertschalter 13 zugeführt. Die von dem Schwellenwertschalter 13 vorgegebene Schwelle ist auf Null eingestellt. Das differenzierte Ionenstrom-Signal wird mit dieser vorgegebenen Schwelle verglichen. Bei Überschreitung des Schwellenwertes, d.h.
wenn unregelmäßige Verbrennungen auftreten und daher die Ableitung des ionenstromverlaufes positiv wird, soll die Klopferkennung gesperrt werden. Dazu dient das Halteglied 14, das für einen oder mehrere Arbeitstakte des Motors das Signal "O" abgibt und damit das Weiterleiten der Klopferkennung im UND-Gatter 11 verhindert.
Dem regelmäßigen lonenstromsignal möglicherweise überlagerte Klopferscheinungen werden nicht als unregelmäßiges Ionenstromsignal erkannt, da sie sehr gering sind und kein Vorzeichenwechsel beim differenzierten Ionenstrom erfolgt.
Das Signal zur Last erkennung kann auch auf andere Weise bildet werden. Z.B. kann das unregelmäßige ;ignal der unregelmäßigen Verbrennung durch Spitzenwertmessung, durch geeignete Filterung oder durch Integration in einem bestimmten Kurbelwinkelbereich erkannt werden.
In den Mitteln zur Bildung eines konstanten Puls-Pausen Verhältnisses 18 wird aus dem Schließwinkelsignal ausgehend von der Zeit zwischen zwei Zündungen, d. h. dreh- :ahlabhängig, ein Signal mit konstantem Verhaltnis des Impulses zur Pause z. B. 30 % zu 60 % geformt. Mit Hilfe dieses'Signals, das am Eingang der Einrichtung zur Bildung des Meßfensters 15 anliegt, wird das Meßfenster gebildet.
Die Einrichtung 15 weist Flip-Flops auf, die abhängig von der abfallenden Flanke des Impulses des Signals mit konstantem Puls-Pausen Verhältnis gesetzt werden. An den zwei Ausgängen der Einrichtung 15 liegen jeweils ein Meßfenster, wobei das Meßfenster, das den Integratoren 7,8 zugeführt wird, später beginnt, als das Meßfenster, mit dem das Flip-Flop 16 angesteuert wird. Diese Maßnahme bewirkt, daß mögliche Ein- und Ausschwingvorgänge von der eigentlichen Messung fern gehalten werden.
Am Ende der Offenzeit des Schließwinkelsignals treten starke Störungen im Ionenstrom-Signal durch überlagerte Schwingungen auf, die als Klopfen erkannt werden könnten.
Um diese Zündungseinflüsse von dem Ionenstr-om-Signal fernzuhalten, muß das Schließwinkelsignal in der Weise verändert werden, daß das Ende der Offenzeit nicht innerhalb des Meßfensters liegt. Dazu dient das Flip-Flop 16, an dessen Eingängen das Schließwinkelsignal und das Meßfenstersignal liegen. Liegt die Flanke, die das Ende der Offenzeit bzw. der Beginn der Schließzeit markiert, innerhalb des Meßfensters, so wird die Flanke durch das Flip-Flop 16 soweit verschoben, daß sie nicht mehr in das Meßfenster fällt. Dieses so modifizierte Signal wird über den Schalter 17 an die nicht dargestellte elektronische Zündungseinrichtung weitere leitet. Der Schalter 17 ist nur dann mit dem Ausgang des Flip-Flops 16 verbunden, wenn der Motor unter Last ist. Ansonsten wird das Schließwinkelsignal direkt zur elektronischen Zündungseinrichtung weitergeleitet, da bei sehr niedriger Last keine Klopferkennung durchgeführt wird.
Es ist sinnvoll, die Lasterkennung innerhalb des gesamten Meßfensters durchzuführen, d.h. das Signal für das Vorhandensein der Last wird erst dann zum UND-Gatter 11 weitergeleitet, wenn im gesamten oder im größten Teil des Meßfensters keine unregelmäßige Verbrennung erkannt wurde.
Es versteht sich von selbst, daß die Last auch über bekannte Methoden, wie z. B. über den Drosselklappenschalter, den Saugrohrunterdruck oder die Einspritzzeit erkannt werden Dann.
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Claims

Ansprüche Vorrichtung zum Erkennen des Klopfens bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem den Ionenstrom messenden Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichseinrichtung (10) zum Vergleich des Ionenstrom-Signals eines gezündeten Zylinders mit dem tonenstrom-Signal eines nicht gezündeten Zylinders vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Integrator (7, 8) der Vergleichseinrichtung (10) vorgeschaltet ist, der das Ionenstrom des gezündeten und des nicht gezündeten Zylinders innerhalb eines Meßfensters aufintegriert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinder ein Sensor (1) zugeordnet ist, daß ein erster Multiplexer (3) zur Auswahl des dem gezündeten Zylinder entsprechenden Signals vorgesehen ist und daß ein zweiter Multiplexer (4) vorgesehen ist, er jeweils aus mindestens zwei Ionenstrom-Signalen dasjenige auswählt, das einem nicht gezündeten Zylinder entspricht.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Klopferkennung nur dann freigegeben wird, wenn die Brennkraftmaschine unter Last betrieben wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein UND-Gatter (11) vorgesehen ist, an dessen Eingängen das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung (10) und das Lasterkennungssignal liegt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lasterkennung das vom Sensor (i) abgegebene Ionenstrom-Signal des gezündeten Zylinders verwendet wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erkennung eines unregelmäßigen Ionenstromverlaufs (12, 13) vorgesehen sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erkennung eines unregelmäßigen Ionenstromverlaufs als Differentiator (12) und aschließendem Komparator (13) ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klopferkennung nur dann freigegeben wird, wenn innerhalb des gesamten Meßfensters kein unregelmäßiger Ionenstromverlauf erkannt wurde.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßfenster in Abhängigkeit vom Schließwinkelsignal gebildet wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Zündungseinflüssen während der Klopferkennung der Beginn der Schließzeit so gelegt wird, daß er nicht in das Meßfenster fällt.