DE3128027C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach der Gat­ tung 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 unter anderem 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 Zer­ störung der Brennkraftmaschine führen kann. Da man je­ doch andererseits bestrebt ist, den bestehenden Arbeits­ bereich der Brennkraftmaschine möglichst weitgehend aus­ zunutzen, besteht ein Bedürfnis, das Klopfen der Brennkraft­ maschine 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 Auswerte­ schaltung 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 Demodulator­ schaltung zugeleitet, die über einen Hintergrundsignal- Zweig und einen Klopfsignal-Zweig mit einer Vergleichs­ einrichtung verbunden ist. Dabei wird das Hintergrund­ signal durch einen Tiefpaß erzeugt. Der Vergleich des Hintergrundsignals mit dem Klopfsignal in der Vergleichs­ einrichtung 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.

Eine weitere Vorrichtung zum Feststellen von Klopferscheinungen in Brennkraftmaschinen, die wenigstens zwei Ionisationssonden aufweist, die beide in der Brennraumkammer angeordnet sind, ist aus der DE-OS 29 32 193 bekannt. Dabei sind die beiden Sonden in einigem Ab­ stand voneinander angeordnet, im wesentlichen entlang der Richtung des Fortschreitens der Flammenfront. Der Abstand der Signale der beiden Sonden wird in einem elektronischen Schaltkreis ermittelt, dabei wird das so erhaltene Zeitintervall in einer Vergleichsein­ richtung mit einem Grenzintervall verglichen und aus dem Vergleich dieser beiden Intervalle auf das Auftreten von Klopfen geschlossen.

Ein Klopferkennungsdetektor, der eine Vergleichseinrichtung enthält, an deren Ausgang aus dem Vergleichsergebnis Klopfen erkannt wird, ist auch aus der DE-OS 30 38 352 bekannt. Der Vergleichseinrichtung wird einerseits das vom Sensor gelieferte und verstärkte Signal di­ rekt zugeführt, andererseits wird ein Vergleichssignal, das aus dem Sensorsignal in einer Aufbereitungsschaltung erzeugt wird, zuge­ führt, wobei das Vergleichssignal den Untergrundrauschpegel dar­ stellt.

Eine Einrichtung zum Beurteilen der Stärke des in einem Verbren­ nungsmotor entstehenden Klopfens, bei der zur Klopferkennung einem Differentiator das geglättete Ausgangssignal eines Klopfsensors zu­ geführt wird, ist in der DE-OS 30 27 103 offenbart. Dabei wird auf der Grundlage der Werte des differenzierten Signales in einer nach­ geschalteten Beurteilungseinrichtung Klopfen aus der Erkenntnis, daß die Schwächung des differenzierten Signales bei Klopfen zunimmt, er­ kannt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, eine Mög­ lichkeit zum Erkennen des Klopfens bei mehrzylindrigen Brennkraftma­ schinen zu schaffen, die eine eindeutige Klopferkennung, unabhängig von Motorbedingungen, ermöglicht. Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die Auswerteschaltung auf die Ionenstrom-Signale aus­ gerichtet ist. Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesse­ rungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß keine externe Lasterkennung durch einen Drosselklappenschalter oder ähnliches erfolgt, sondern das als Lasterkennungssignal direkt das Ionen­ strom-Signal herangezogen wird. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß Störungen durch die Zündung eliminiert werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfol­ genden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die schaltungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung und

Fig. 2 den Verlauf des Ionenstroms in Abhängigkeit vom Kurbel­ wellenwinkel unter Last und bei sehr geringer Last wie z. B. beim Leerlauf.

In der Fig. 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 Patentanmeldudng P 30 06 665.0 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 vor­ handenen 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 Ver­ gleichseinrichtung 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 ver­ bunden, der wiederum an einen Schwellenwertschalter 13 angeschlossen ist. Der Schwellenwertschalter 13 ist an ein Halteglied 14 geschaltet. Der Ausgang der Vergleichs­ einrichtung 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 Geber­ anordnung auf der Kurbelwelle abgeleitet werden kann, wird den Mitteln zur Bildung eines konstanten Puls-Pausen Ver­ hältnisses 18 zugeführt, die mit einer Einrichtung zur Bildung eines Meßfensters 15 verbunden sind. Die Blitzpfeile be­ zeichnen den Beginn der Offenzeit des Schließwinkelsignals 20. Der Ausgang der Einrichtung 15 ist mit dem erten 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 Zündein­ richtung verbunden.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrich­ tung soll im folgenden erläutert werden. Die von den Sen­ soren 1 abgegebenen Ionenstrom-Signale werden über die jeweiligen Impedanzwandler 2 abgekoppelt. Der erste Multi­ plexer 3 schaltet jeweils den Sensor 1 auf das erste Filter 5, der dem jeweils zur Zündung gelangten Zylinder zugeordnet ist. Das Filter 5 filtriert 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 ge­ langt ist. Das Ionenstrom-Signal geht über das mit dem ersten Filter 5 baugleiche zweite Filter 7 auf den zwei­ ten 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 Schwellen­ wert 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 Er­ kennungssignal soll aber nur in dem Fall zur Klopfregelung weitergeleitet werden, in dem die Brennkraftmaschine unter Last betrieben wird. Dazu wird das Ausgangssignal des Kom­ parators und ein Signal für die Lasterkennung auf die Ein­ gänge 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.

Die Beschränkung der Weiterleitung des Klopferkennungssignales auf den Lastbetrieb wird vorgenommen, da die bei niedriger Last der Brennkraftmaschine auftretende unregelmäßige Verbrennung zu Störun­ gen im Ionenstrom-Signal führt, die im Ionenstrom sichtbar werden. Durch die Beschränkung wird vermieden, daß diese Störungen, die durch hochfrequente Anteile (f < 3 kHz) gebildet werden, die Klopf­ erkennung beeinträchtigen. Fig. 2 oben zeigt den Verlauf des Ionen­ strom-Signals in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel bei regelmäßi­ ger Verbrennung und Fig. 2 unten den bei un­ regelmäßiger Verbrennung. Dabei unterscheiden sich die Signale in Amplitude und im Frequenzspektrum. Der Ionen­ stromverlauf bei regelmäßiger Verbrennung weist einen glatten regelmäßigen Abfall auf, während das Signal bei unregelmäßiger Verbrennung mehrere unregelmäßige Maximy aufweist. Dieses Phänomen wird bei der Bildung des Last­ erkennungsignals 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 vorge­ gebene 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 Klopf­ erkennung gesperrt werden. Dazu dient das Halteglied 14, das für einen oder mehrere Arbeitstakte des Motors das Signal "0" abgibt und damit das Weiterleiten der Klopf­ erkennung im UND-Gatter 11 verhindert.

Dem regelmäßigen Ionenstromsignal möglicherweise überla­ gerte Klopferscheinungen werden nicht als unregelmäßiges Ionenstromsignal erkannt, da sie sehr gering sind und kein Vorzeichenwechsel beim differenzierten Ionenstrom erfolgt.

Das Signal zur Lasterkennung kann auch auf andere Weise gebildet werden. Zum Beispiel kann das unregelmäßige Signal der unregelmäßigen Verbrennung durch Spitzenwertmessung, durch geeignete Filterung oder durch Integration in einem bestimmten Kurbelwinkelbereich erkannt werden.

In den Mitteln zur Bildung eines kontanten Puls-Pausen Verhältnisses 18 wird aus dem Schließwinkelsignal aus­ gehend von der Zeit zwischen zwei Zündungen, d. h. dreh­ zahlabhängig, ein Signal mit konstantem Verhältnis 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-Paulsen Verhältnis gesetzt werden. An den zwei Ausgängen der Einrichtung 15 liegen jeweils ein Meß­ fenster, wobei das Meßfenster, das den Integratoren 7, 8 zugeführt wird, später beginnt, als das Meßfenster, mit dem das Flip-Flop 16 angesteuert wird. Diese Meßnahme be­ wirkt, 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 Ionenstrom-Signal fernzugehalten, 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 darge­ stelle elektronische Zündungseinrichtung weiterge­ 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 Vor­ handensein der Last wird erst dann zum UND-Gatter 11 wei­ tergeleitet, wenn im gesamten oder im größten Teil des Meßfensters keine unregelmäßige Verbrennung erkannt wurde.

Es versteht sich von selbst, daß die Last auch über be­ kannte Methoden, wie z. B. über den Drosselklappenschal­ ter, den Saugrohrunterdruck oder die Einspritzzeit er­ kannt werden kann.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Erkennen des Klopfens bei mehrzylindrigen Brenn­ kraftmaschinen mit mindestens zwei den Ionenstrom messenden Sensoren und einer von den Ausgangssignalen dieser Sensoren gespeisten Ver­ gleichseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der eine der minde­ stens zwei Sensoren (1) einem gezündeten Zylinder und der andere ei­ nem nicht gezündeten Zylinder zugeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Integrator (7, 8) der Vergleichseinrichtung (10) vorgeschaltet ist, der das dem Ionenstrom des gezündeten und des nicht gezündeten Zylinders entsprechende jeweilige Ausgangssignal des jeweiligen Sen­ sors innerhalb eines Meßfensters aufintegriert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Zylinder ein Sensor (1) zugeordnet ist, daß ein erster multi­ plexer (3) zur Auswahl des dem gezündete Zylinder entsprechenden Ausgangssignals vorgesehen ist, und daß ein zweiter Multiplexer (4) vorgesehen ist, der jeweils aus den mindestens zwei Ausgangssignalen dasjenige auswählt, das dem nicht gezündeten Zylinder entspricht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine der Vergleichseinrichtung (10) nachgeordnete Klopferkennung nur dann freigegeben ist, wenn die Brennkraftmaschine unter Last läuft.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein UND-Gatter (11) vorgesehen ist, an dessen Eingängen das Ausgangssi­ gnal der Vergleichseinrichtung (10) und ein Lasterkennungssignal liegen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lasterkennung das vom Sensor (1) abgegebene, dem Ionenstrom ent­ sprechende Ausgangssignal des gezündeten Zylinders verwendet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Erkennung eines unregelmäßigen Ionenstromverlaufs in Form eines Fifferentiators (12) und eines nachgeschalteten Komparators (13) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Klopferkennung nur dann freigegeben wird, wenn in­ nerhalb des gesamten Meßfensters kein unregelmäßiger Ionenstromver­ lauf erfaßt wurde.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Meßfenster in Abhängigkeit vom Schließwinkelsignal gebildet wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Vermeidung von Zündungseinflüssen während der Klopferkennung der Beginn der Schließzeit so gelegt wird, daß er nicht in das Meßfenster fällt.