DE3128554A1

DE3128554A1 - "vorrichtung zum erkennen des klopfens bei brennkraftmaschinen"

Info

Publication number: DE3128554A1
Application number: DE19813128554
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: 1981-07-18
Filing date: 1981-07-18
Publication date: 1983-02-03
Also published as: US4444172A; JPS5824832A; DE3128554C2

Description

- S.

^R· 7161

30.6.1981 Bt/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Vorrichtung zum Erkennen"des Klopfens bei Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung nach 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 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 andererseits bestrebt ist, den bestehenden Arbeitsbereich der Brennkraftmaschine möglichst weitgehend auszunutzen, besteht ein Bedürfnis, das Klopfen der Brenn-

kraftmaschine 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 Schrift nicht bekannt.

In der DE-OS 29 18 ^20 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 Auswerteschaltung auf die Ionenstrom-Signale ausgerichtet ist. Bei Auftreten von Störsignalen im Ionen-

stromsignal, die durch Zündungseinflüsse bedingt sind und fälscherlicherweise als Klopfen erkannt werden könnten, wird die Auswertung des Ionenstrom-Signals abgebrochen und/ oder angehalten. Daher ist kein externes festes Meßfenster notwendig, sondern die Ausblendung der "Störsignale erfolgt in Abhängigkeit der Störsignale"selbst. Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Vorrichtung-möglich. Vorteilhaft ist, daß durch die angegebenen Schaltungsmaßnahmen sowohl Störungen mit einer Frequenz größer als die Klopffrequenz als auch Störungen mit kleinerer Frequenz ausgeschaltet werden und außerdem die Bildung von Störsignalen verringert wird.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schaltungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Figur ist mit 1 eine den Ionenstrom messende Sensoranordnung bezeichnet. Diese enthält u.a. mindestens eine Zündkerze, die als Serien- oder Spezialzündkerze ausgebildet sein kann und eine Spannungsversorgungseinrichtung. Die Sekundärwicklung 2 der Zündspule, die zur Spannungsversorgungseinrichtung gehört, ist getrennt herausgezeichnet. Über eine Diode 3 ist die Sekundärwicklung mit dem Mittelabgriff des Zündverteilers k verbunden, der wiederum mit den als Ionenstromsensor dienenden Zündkerzen in Verbindung steht. Ausführungsbeispiele für die Ausbildung einer Spannungsversorgungseinrichtung mit ent-

sprechendem Ionenstromsensor sind in der DE-OS 28 02 202 und in der deutschen Patentanmeldung P 30 06 665-0 beschrieben. Im Torliegenden Fall soll für jeden Zylinder ein Ionenstromsensor vorgesehen sein. Die Sensoren sind über jeweils einen Ladungsverstärker 5 mit einem Multiplexer 6 verbunden. Der Ausgang des Multiplexers β ist über ein Filter 7 an einen Schalter 8 angeschlossen, der im Ruhezustand leitend ist. Der Schalter·8, der vorzugsweise als elektronischer Schalter ausgebildet ist, ist mit einem Eingang einer Vergleichseinrichtung 9 verbunden, an deren anderem Eingang eine Stufe zur Einstellung des Schwellenwerts 10 anliegt. Der Ausgang der Vergleichseinrichtung 9 ist einerseits über einen ersten Zeitschalter 11, der als Monoflop ausgebildet sein kann, mit dem Reset—Eingang eines Zählers 12 und andererseits über einen zweiten als Monoflop ausgebildeten Zeitschalter 13 und einem ODER-Gatter 1h mit dem Zähleingang des Zählers 12 verbunden. Die Ausgänge des Zählers 12 führen auf einen digitalen Komparator 15, dessen Vergleichswert mit der Stufe 16 eingestellt werden kann. Am Ausgang des digitalen Komparators 15 liegt das Erkennungssignal für das Klopfen, das einer Klopfregeleinrichtung zugeführt wird.

Der Ausgang des Multiplexers 6 ist mit einem Komparator 17 verbunden, an dessen Ausgang ein dritter Zeitschalter 18 und ein ODER-Gatter 19 angeschlossen ist. Dieser dritte Zeitschalter 18 steuert über das ODER-Gatter 19 den Schalter 8 an. Weiterhin ist ein vierter Zeitschalter 20 und ein fünfter Zeitschalter 21 vorgesehen, an deren Eingängen das Schließwinkelsignal anliegt, das in der Zeichnung mit 22 bezeichnet ist. Dabei markieren die Blitzpfeile den Beginn der Offenzeit bzw. das Ende der Schließzeit. Der vierte Zeitschalter 20 ist mit dem ODER-Gatter 19 verbunden und der Ausgang des fünften Zeitschalters 21 führt auf ODER-Gatter -Xh .

-Jr-

-S-

Die Wirkungsweise der in der Figur dargestellten Vorrichtung soll im folgenden erläutert werden. Die von der Sensoranordnung 1 abgegebenen Ionenstrom-Signale, die "bei einem gerade gezündeten Zylinder gemessen werden, werden über den jeweiligen Impedanzwandler 5 abgekoppelt. Die zwischen Verteiler h und Sekundärwicklung 2 der Zündspule geschaltete Diode 3- eliminiert weitgehend die Störungen im Ionenstrom-Signal, die durch den Schließzeitbeginn hervorgerufen werden. Der Multiplexer β schaltet jeweils die Sensoranordnung 1 auf das Filter T₅ die dem jeweils zur Zündung gelangten ¹^ Zylinder zugeordnet ist. Um die Anzahl der Meßkanäle zu verringern und damit den Multiplexer 6 zu vereinfachen, können alle.Zylinder, deren Ionenstrom sich zeitlich nicht oder nur wenig überlappen, zu einem Meßkanal zusammengefaßt werden. Das Filter 7 filtert diejenigen Frequenzen aus, bei denen Klopfschwingungen nicht zu erwarten sind. Wenn der Schalter 8 in leitendem Zustand ist, gelangt das Ionenstrom-Signal auf den Eingang der Vergleichseinrichtung 9, deren Schwellenwert mit der Stufe 10 eingestellt werden kann. Treten Amplitudenüberhöhungen auf, die durch Klopfen hervorgerufen sein können,, gibt die Vergleichseinrichtung 9 ein Erkennungssignal ab, d.h. aus kontinu-_/-_s ierlichen Schwingungen werden schwellenabhängig Impulse geformt. Diese Impulse werden auf die Eingänge des ersten und des zweiten Zeitschalters 11, 13 gegeben. Der erste Zeitschalter 11 weist eine Haltezeit auf, die etwas größer ist, als die Periode der möglicherweise auftretenden KlopfSchwingungen, während die Haltezeit des zweiten Zeitschalters 13 etwas kleiner ist. Beide Zeitschalter 11, 13 sind retriggerbar, d.h. befindet sich der Zeitschalter in seinem nicht stabilen Zustand und gelangt ein neuer Impuls auf seinen Eingang, so bleibt er in seinem nicht

stabilen Zustand bis die Haltezeit erneut abgelaufen ist und er, falls kein neuer Impuls am Eingang anliegt, in seinen stabilen Zustand kippt. Sind in dem Ionenstrom-Signal Klopfschwingungen enthalten, so wird der erste Zeitschalter 11 durch die von der Vergleichseinrichtung 9 abgegebenen Impulse immer wieder neu angestoßen, d.h. er bleibt solange wie die Klopfschwingungen auftreten in seinem nicht stabilen Zustand. Gleichzeitig werden die Impulse über den zweiten Zeitschalter 13 über das ODER-Gatter auf den Zähleingang des Zählers 12 gegeben, da die Haltezeit des Zeitschalters 13 kleiner ist als die Periode der -von der Vergleichseinrichtung 9 abgegebenen Impulse. Der Zähler 12 zählt die Impulse, die den Klopfschwingungen entsprechen und leitet sie auf den digitalen Komparator 15 weiter. Überschreitet der hochgezählte Wert einen durch die Stufe 16 vorgegebenen Vergleichswert, so gibt der digitale Komparator 15 das Erkennungssignal für Klopfen ab, das zur Klopfregelung weitergeleitet wird.

Die Zeitschalter 11 und 13 haben die Wirkung eines digitalen Filters. Treten Schwingungen im Ionenstrom-Signal auf, deren Frequenz kleiner als die Klopffrequenz ist, so wird der Zähler 12 dauernd auf "0" zurückgesetzt, da der Zeitschalter 11 in seine stabile Lage zurückfällt, bevor ein neuer Triggerimpuls auf seinen Eingang gelangt. Der Zeitschalter 11 wirkt als Hochpaß. Ist die Frequenz der von der Vergleichseinrichtung 9 abgegebenen Impulse größer als die Klopffrequenz, so kippt der Zeitschalter 13 nicht mehr in seine stabile Lage zurück, da er immer wieder angestoßen wird. Der Zähler 12 hört auf zu zählen, da keine Zählimpulse auf seinen Zähleingang gelangen. Dieser Zeitschalter 13 hat das Verhalten eines Tiefpasses."

Das Brennraumgemisch im Zylinder wird zu Beginn der Offenzeit gezündet. Es treten starke Zündüberhöhungen im Ionenstrom-Signal auf, die zu falschen Ergebnissen führen könnten, wenn sie ausgewertet würden. Da kurz nach der Zündung noch keine Klopfschwingungen auftreten können, kann die Auswertung des Ionenstrom-Signals über den Schalter 8 unterbrochen werden. Die Schwelle des !Comparators 17 ist so festgelegt, daß sie niedriger ist als die bei der Zündung auftretenden Amplitude des Ionenstrom-Signals und höher als der Ionenstrom nach dem Zündfunkön. Wird die Schwelle des !Comparators 19 überschritten, so wird an seinem Ausgang ein Impuls abgegeben. Durch' die abfallende Flanke dieses Impulses wird der dritte Zeitschalter 18 von seinem stabilen Zustand in den nicht stabilen Zustand gekippt und eine vorgebbare Zeit in diesem Zustand gehalten. Dieses Signal oder derrvom Komparator 17 abgegebene Impuls steuert über das ODER-Gatter 19 den Schalter 8 in den nicht leitenden Zustand, und der Zähler 12 wird über den ersten Zeitschalter 11 unabhängig von seinem Zustand zurückgesetzt. Die Haltezeit des dritten Zeitschalters 18 kann je nach Länge der Störungen durch die Zündung eingestellt werden.

Unabhängig vom Ionenstrom-Signal kann der Schalter 8 vom Schließwinkelsignal gesteuert werden. Der vierte Zeitschalter 20 wird von der Flanke des Schließwinkelsignals am Ende der Schließzeit angestoßen, d.h. in den nicht stabilen Zustand gebracht. Während der Haltezeit wird der Schalter über das ODER-Gatter 19 in den nicht leitenden Zustand gesteuert. Auch hier ist die Haltezeit einstellbar.

Auch zu Beginn der Schließzeit treten Störungen im Ionenstrom-Signal auf, die zwar weitgehend durch die Zwischenschaltung der Hochspannungsdiode zwischen Zündspule 2 und Mittelabgriff des Verteilera h ausgeschalte-1 werden, abru· dennoch zu Verfälschungen bei der Auswertung des Ionen-

-JBr-

strom-Signals führen können. Da in dem Zeifbereich des Schließzeitbeginns auch Klopfschwingungen auftreten können, ist es nicht sinnvoll, den Zähler zurückzusetzen, da die dann schon gespeicherte Information verloren geht. Deshalb ist es besser, den Zähler während der Störungen anzuhalten. Der fünfte Zeitschalter 21 wird von der den Beginn der Schließzeit markierenden Flanke in den nicht stabilen Zustand geführt und sein Ausgangssignal hält den Zähler über das ODEK-Gatter λ\ solange an, bis der Zeitschalter 21 in seine stabile Lage zurückkippt.

Im vorliegenden Fall ist der Schalter 8 zwischen Filter und Vergleichseinrichtung 9 geschaltet. Diese Anordnung ist nicht zwingend. Er kann an jeder Stelle des Zweiges zwischen Multiplexer 6 und Zähler 12 angeordnet sein, so kann er z. B. direkt an den Reset-Eingang des Zählers 12 angeschlossen sein oder hinter der Vergleichseinrichtung liegen. . '

Claims

30.6.1981 Bt/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

Ansprüche

M .j Vorrichtung zum Erkennen des Klopfens bei Brennkraftmaschinen mit mindestens einem dem Gas im Brennraum ausgesetzten Ionenstrom-Sensor und mit einer Spannungsversorgungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß "bei Auftreten von Störsignalen in dem Ionenstrom-Signal die Auswertung des Ionenstrom-Signals abgebrochen und/oder angehalten wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vergleichseinrichtung (9) vorgesehen ist, die das Ionenstrom-Signal mit einem vorgebbaren Schwellenwert vergleicht und daß der Vergleichseinrichtung (9) ein Zähler (12) nachgeschaltet ist, der die von der Vergleichseinrichtung (9) abgegebenen Impulse zählt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten von Störsignalen der Zähler (J2) rückgesetzt und/oder angehalten wird.

k. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3_S dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Vergleichseinrichtung (9) und Reset-Eingangg des Zählers (J2) ein erster Zeitschalter (11) geschaltet ist, dessen Haltezeit etwas großer als die Periode der Klopfschwingung ist.

• -

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis U, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Vergleichseinrichtung (9) und Zähleingang des Zählers (J2) ein zweiter Zeitschalter (13) geschaltet ist, dessen Haltezeit etwas kleiner als die Periode der Klopfschwingungen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Zeitschalter (11, 13) retriggerbar sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Multiplexer (7) und Zähler {~\2)&n Schalter (8) geschaltet ist, der von dem Ausgang eines ' die im Ionenstrom-Signal vorhandenen Störsignale bewertenden Komparators (37) in den nicht leitenden Zustand steuerbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Komparator (17) ein dritter Zeitschalter (18) nachgeschaltet ist.

9· Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter Zeitschalter (zO^vorgesehen ist, an dessen Eingang das Schließwinkelsignal anliegt und der von der das Ende der Schließzeit markierenden Flanke gesetzt wird und daß der Schalter (8) von dem Ausgang des vierten Zeitschalters (20) in den nicht leitenden Zustand steuerbar ist.

"10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähleingang des Zählers (12) mit einem fünften Zeitschalter (21) in Verbindung steht, an dessen Eingang das Schließwinkelsignal anliegt und der durch die den Beginn der Schließzeit markierenden Flanke gesetzt wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche -1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zum Vergleich des Zählerstandes mit einem vorgebbaren Wert dem Zähler (12) ein digitaler Komparator ("15) nachgeschaltet ist.

-U-

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zündleit'ung zwischen Sekundärwicklung (2) der in der Spannungsversor.gungseinriehtung vorhandenen Zündspule und Mittelabgriff des Zündverteilers (U) eine Hochspannungsdiode geschaltet ist.