DE3415948A1

DE3415948A1 - Verfahren zur klopferkennung bei brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE3415948A1
Application number: DE19843415948
Authority: DE
Inventors: Werner Ing.(grad.) 7012 Fellbach Hess; Hermann Dipl.-Ing. 7132 Illingen Lanfer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1984-04-28
Filing date: 1984-04-28
Publication date: 1985-10-31
Also published as: DE3415948C2

Description

Verfahren zur Klopferkennung bei Brennkraftmaschinen
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Klopferkennung bei Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruches.
Aus der DE-OS 31 11 135 ist bereits ein Verfahren zum Regeln der Verbrennung von dosierten, den Brennräumen einer Brennkraftmaschine zuzuführenden Betriebsstoffen unter Verwendung von im Brennraum entstehenden Lichtsignalen bekannt, wobei der Verlauf der Lichtintensität über den Verbrennungsablauf erfaßt wird, und daraus abgeleitet eine bezogene Steuergröße gebildet wird, durch die eine Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine angesteuert wird.
Durch verschiedene Verfahren der Mustererkennung wird aus den Lichtsignalen die Steuergröße gebildet, um dadurch als klopfverhindernde Maßnahme insbesondere den Zündzeitpunkt oder die Gemischaufbereitung anzusteuern.
Das Erkennen von klopfenden Verbrennungen bei Brennkraftmaschinen geschieht allgemein anhand von am Motor gemessenen Signalen, wie insbesondere dem Körperschall, oder mit Hilfe von Brennraumsignalen, wie dem Verbrennungsdruck, der Lichtintensität, der Verbrennungsflamme oder dem Ionenstrom. Allen diesen Signalen ist gemeinsam, daß einer niederfrequenten drehzahlsynchronen Grundschwingung im Hertzbereich im Falle des Stopfens eine Schwingung im Kilohertzbereich überlagert ist.
Die Erfindung macht Gebrauch von der Erkenntnis, daß das Vorhandensein einer solchen Schwingung noch kein Merkmal für eine klopfende Verbrennung ist, sondern erst wenn diese Schwingung eine Hüllkurve hat, die der eines gedämpften Feder-Masse-Systems mit Dirac-Stoßanregeung entspricht - also eine fallende Exponentialfunktion - und außerdem, wenn dieses Signal zum Zeitpunkt des maximalen Verbrennungsdrucks beginnt (vergleiche Figur i). Wenn diese Voraussetzungen erfüllt sind, kann von einer klopfenden Verbrennung ausgegangen werden.
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Vorrichtung zur Klopferkennung bei Brennkraftmaschinen hat den Vorteil, daß die Hüllkurve des Amplitudenverlaufes des gefilterten Klopfsignales durch Abtastung gebildet wird, und daß aus Hüllkurve durch eine Mustererkennung ein Signal, vorzugsweise ein digitales Signal, gebildet wird, das ein Klopfen anzeigt. Damit werden nicht, wie beim Stand der Technik, die unregelmäßigen Schwingungen, die einem Klopfen entsprechen, direkt ausgewertet, sondern es wird in einfacher Weise durch Abtastung die Hüllkurve dieser Schwingungen gebildet, um sie mit dem typischen Verlauf der Hüllkurve einer Dirac-Stoßanregung eines gedämpften Feder-Masse-Sysems zu vergleichen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung möglich.
Besonders vorteilhaft ist es, die Mustererkennung so zu gestalten, daß sich ein Signal ergibt, das proportional zur Klopfintensität ist. Das wird durch Berücksichtigung der Amplitude der Hüllkurve erreicht, um so eine Schrittweite für eine Klopfregelung zu erhalten. In besonders einfacher Weise wird die Abtastung eine Viertelperiode der Kopffrequenz nach einem Nulldurchgang des gefilterten Klopfsignales durchgeführt, wodurch sich gleichzeitig eine scharfe Frequenzselektion ergibt, die Störungen außerhalb der Klopffrequenz dämpft oder ausblendet. Besonders vorteilhaft wird das gefilterte Klopfsignal gleichgerichtet und dann abgetastet, so daß auch Schwingungszüge verschiedener Polarität zur Hüllkurvenbildung beitragen.
Eine besonders einfache und kostengünstige Gestaltung eines Abtasters besteht aus einem Nulldurchgangsdetektor, einem Verzögerer und einem Abtasthalteglied für das gefilterte und gleichgerichtete Klopfsignal. Die so erhaltenen 0 Abtastwerte, die vorzugsweise in Abständen von 10 Kurbelwellenwinkel vorliegen, können digitalisiert einem Mikrorechner zugeführt werden. Im Mikrorechner wird dann eine Mustererkennung auf die Hüllkurve angewandt, so daß der Mikrorechner ein Signal bilden kann, das ein Klopfen anzeigt. Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung der Signalverarbeitung, bei dem das Ausgangs signal des Klopfsensors auf einen Regelverstärker gegeben wird, dessen Verstärkungsfaktor vom Mikrorechner gesteuert wird. Hierfür erhält der Mikrorechner über einen Analog-Digital-Wandler das Ausgangssignal des Regelverstärkers. Somit ergibt sich ein geregelter Eingangskreis, bei dem das Ausgangssignal des Regelverstärkers optimal dem Aussteuer bereich der nachfolgenden Elektronik angepaßt ist. Der Verstärkungsfaktor wird dann im Mikrorechner der Hüllkurve hinzumultipliziert, so daß kein Verlust an Information durch die Verstärkungsregelung im Eingangskreis geschieht.
Über digitale Filtertechniken und Datenverwaltung lassen sich innerhalb des Mikrorechners auch das Bandpaßfilter, der Abtaster und der Gleichrichter darstellen, so daß sich eine besondere kostengünstige, fehlersichere und wartungsfreundliche Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt.
Zeichnung Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur J zeigt einen typischen Signalverlauf bei klopfender Verbrennung, Figur 2 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und Figur 3 ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise.
Beschreibung des Ausführungsbeispieles In Figur la ist über einer Kurbelwellenwinkelachse OG ein Druckverlauf 10 aufgetragen, wie er bei einer klopfenden Verbrennung auftritt. Nach dem oberen Totpunkt OT des Kolbens der Brennkraftmaschine ergeben sich durch das Klopfen hochfrequente Schwingungen, die dem Druckverlauf 10 aufmoduliert sind. Dieses Signal wird über einen Sensor erfaßt und hochpaßgefiltert, so daß sich ein gefiltertes Klopfsignal 11 gemäß Figur 1b ergibt. Das gefilterte Klopfsignal 11 hat eine Hüllkurve 22 gemäß einer fallenden Exponentialfunktion.
In Figur 3 ist ein gefiltertes Klopfsignal 30, wie es in Figur 1b über der Kurbelwellenwinkelachse OL aufgetragen ist, Über einer Zeitachse t gezeigt. Die Hüllkurve dieses gefilterten Klopfsignales 30 kann nun durch Abtastung ermittelt werden. Dazu wird zuerst ein Nulldurchgang des Klopfsignales 30 detektiert, so daß sich Nulldurchgangspulse 31 gemäß Figur 3b ergeben. Die DJulldurchgangspulse 31 werden nun um eine Zeit verzögert, die gleich einem Viertel der Periodendauer Tk des gefilderten Klopfsignales 30 ist. Daraus ergeben sich verzögerte Pulse 32 gemäß Figur 3c. Eine Abtastung des gefilterten Klopfsignales 30 durch die verzögerten Pulse 32 führt dann zu einer pulsamplitudenmodulierten Signalfolge, die dem Hüllkurvenverlauf des gefilterten Klopfsignales 30 folgt.
Zur Vereinfachung der Darstellung ist in Figur 3 lediglich eine Abtastung der positiven Schwingungen des gefilterten Klopfsignales 30 gezeigt. Dazu werden Nulldurchgangspulse 31 nur generiert, wenn das gefilterte Klopfsignal 30 von negativen in den positven Bereich übergeht. Bei einer Abtastung eines zweiweggleichgerichteten Klopfsignales 30 werden auch die gleichgerichteten negativen Schwingungszüge zur Hüllkurvenbildung herangezogen.
Die Eigenschaften der Brennkraftmaschine, deren Brennraumgeometrien sowie der Ort der Anbringung des Klopfsensors führen zu einer typischen Klopfschwingung mit einer Frequenz 1/Tk. Diese Frequenz ist a priori bekannt und wird durch Versuche am Motor ermittelt, die vom Motorhersteller geliefert werden. Ein gefiltertes Klopfsignal 30 wird nun nicht nur diese eine Klopffre quenz 1/Tk zeigen, sondern auch Störungen, die aus Hochspannungseinstreuungen von der Zündanlage, durch Ventilschlagen oder Kolbenkippen bedingt sein können.
Diese Störungen können in den Durchlaßbereich der Filterung des Klopfsignales eindringen. Durch die Abtastung, die um k/4 nach dem Nulldurchgang des gefilterten Klopfk signales erfolgt, wird jedoch in der Art eines digitalen Filters eine scharfe Frequenzselektion um die Klopffrequenz durchgeführt, d.h. Schwingungen, die außerhalb der Klopffrequenz liegen, werden gedämpft bzw. unterdrückt.
Da sich Amplitudenstörungen umso weniger auswirken, je steiler das ungestörte Signal zum betreffenden Zeitpunkt ist, und da der Abtastzeitpunkt durch den maximal steilen Bereich beim Nulldurchgang des gefilterten Klopfsignales festgelegt ist, ist durch die Nulldurchgangsdetektion eine störsichere Freouenzfilterung durch die Abtastung erreicht.
In Figur 2 ist ein Blockschaltbild einer möglichen erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, die eine Abtastung durchführt, um sie einem Mikrorechner zur Mustererkennung der Hüllkurve zuzuführen.
Das Ausgangs signal eines Klopfsensors 200 führt dabei auf einen Regelverstärker 201, dessen Ausgangssignal von einem Analog-Digital-Wandler 212 gewandelt wird und synchron mit der Kurbelwellenumdrehung einem Mikrorechner 210 zugeführt wird. Der Mikrorechner 210 vergleicht die Wandlungsergebnisse des Analog-Digital-Wandlers 212 mit vorgegebenen oberen und unteren Schranken und stellt daraufhin über eine Verstärkungsfaktoreinstellung 213 den Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers 201 ein. Die Einstellung des Verstärkungsfaktors erfolgt dabei nur zwischen zwei Verbrennungen, da eine Änderung während der Erfassung eines Klopfsignales zu Meßverfälschungen führen würde.
Das verstärkte Klopfsignal wird nun auf einen Bandpaß 202 geführt, der vorteilhafterweise als Besselfilter ausgeführt ist, um ein gutes Gruppenlaufzeitverhalten zu erreichen. Ein Verstärker 203 verstärkt das gefilterte Klopfsignal und führt es auf einen Gleichrichter 204 und einen Nulldurchgangsdetektor 205. Der Nulldurchgangsdetektor 205 liefert einen Impuls an einen Impulsverzögerer 206, wenn das gefilterte Klopfsignal einen Vorzeichenwechsel zeigt.
Der Impulsverzögerer 206 steuert ein Abtasthalteglied 207 an, das das vom Gleichrichter 204 gleichgerichtete gefilterte Klopfsignal abtastet. Die so erhaltenen Abtastwerte werden von einem Analog-Digital-Wandler 208 digitalisiert und auf ein Register 209 eingeschrieben. Der Inhalt des Registers 209 wird nun kurbelwellenwinkelsynchron dem Mikrorechner 2a0 zugeführt. Das Register 209 wird also nach Nulldurchgängen des gefilterten Klopfsignales beschrieben und unabhängig davon kurbelwellenwinkelsynchron vom Mikrocomputer 210 gelesen. Im Mikrorechner 210 liegen somit Zahlenwerte in einer kurbelwellenwinkelsynchronen Folge an.
Innerhalb des Mikrorechners 210 werden diese Zahlenwerte, die die Hüllkurve representieren, mit dem Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers 202 multipliziert, so daß die in der Amplitude der Hüllkurve steckende Information nicht verloren geht. Auf die so erhaltene Hüllkurve wird innerhalb eines Programmes im Mikrorechner 210 eine Mustererkennung durchgeführt. Das kann etwa durch Vergleich mit vorgegebenen Schwellwerten oder durch Erfassung von charakteristischen Punkten oder etwa durch eine Korrelationsrechnung mit einem vorgegebenen Musterverlauf realisiert werden. Derartige Maßnahmen sind dem Fachmann bekannt und zur Vereinfachung der Darstellung hier nicht weiter erläutert. Erkennt der Mikrorechner 210 eine ausreichende Übereinstimmung der Hüllkurve mit einem Musterverlauf, so wird über eine Signalausgabe 211 ein Signal ausgegeben, daß ein Klopfen anzeigt.
Mit Hilfe der Techniken digitaler Filter sowie durch Datenverwaltungsalgorithmen läßt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch voll digitalisiert innerhalb der Software des Mikrorechner 210 darstellen. Die verbleibende Hardware-Struktur reduziert sich dann in Figur 2 auf die Zusammenschaltung des Klopfsensors 200, des Regelverstärkers 201 samt nachfolgendem Analog-Digital-Wandler 212, dem Mikrorechner 210 und der Verstärkungsfaktoreinstellung 213. Aus den vom Analog-Digital-Wandler 212 gelieferten kurbelwellenwinkelsynchronen Zahlenwerten führt der Mikrorechner 210 eine Bandpaßfilterung durch.
Eine Gleichrichtung wird durch eine Nichtberücksichtigung des Vorzeichenbits vollzogen. Der Abtaster 205, 206, 207, der Analog-Digital-Wandler 208, sowie die Speicherung im Register 209 lassen sich ebenfalls durch Programmabläufe realisieren. Vorteilhaft ist eine solche Realisierung vor allem durch große Flexibiltität sowie die Möglichkeit, Änderungen etwa der Klopffrequenz oder der bertragungskennlinie des Bandpasses 202 einzuprogrammieren.
Eine Programmierung kann dabei in vorteilhafterweise von außen über eine serielle Schnittstelle auf einen nichtflüchtigen Schreiblesespeicher innerhalb des Mikrorechners 210 realisiert werden. Hierdurch lassen sich auch Optimierungsmaßnahmen von außen einschreiben, ohne durch die Struktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung oder des in der Software des Mikrorechners 210 implementiertern erfindungsgemäßen Verfahrens zu ändern.

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zur Klopferkennung bei Brennkraftmaschinen mit einer Erfassung des Amplitudenverlaufes eines von einem Klopfsensor abgegebenen Klopfsignales, wobei das Klopfsignal gefiltert wird, so daß wenigstens der Frequenzbereich um die Klopffrequenz durchgelassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllkurve des Amplitudenverlaufs des gefilterten Klopfsignales durch Abtastung gebildet wird, und daß aus der Hüllkurve durch eine Mustererkennung ein Signal, vorzugsweise ein digitales Signal, gebildet wird, das ein Klopfen anzeigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal proportional zur Klopfintensität ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung eine Viertelperiode der Klopffrequenz nach einem Nulldurchgang des gefilterten Klopfsignales durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllkurve durch Abtastung des zweiweggleichgerichteten Klopfsignales gebildet wird oder daß die Hüll kurve durch Abtastung des einweggleichgerichteten Klopfsignales gebildet wird, wobei nur Nulldurchgänge des gefilterten Klopfsignales vom Sperr- in den Durchlaßbereich der Einweggleichrichtung zur Durchführung der Abtastung zugelassen sind.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Klopfsensor (200), dadurch gekennzeichnet, daß das Klopfsignal über einen Analog-Digital-Wandler (212) einem Mikrorechner (210) zugeführt wird, der das Signal an einer Signalausgabe (211) bildet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung kurbelwellenwinkelsynchron geschieht.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Klopfsensor (200) ein Regelverstärker (201) nachgeschaltet ist und daß der Mikrorechner (210) über eine Verstärkungsfaktoreinstellung (213) den Verstärkungsfaktor des Regelverstärkers (201) einstellt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Klopfsignal auf einen Bandpaß (202) gegeben wird, dessen Ausgangssignal durch einen Abtaster (207) abgetastet wird und durch einen Analog-Digital-Wandler (208) digitalisiert dem Mikrorechner (210) zugeführt wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der digitalisierten Abtastwerte kurbelwellenwinkelsynchron über ein Register (209) geschieht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaster (207) das durch einen Gleichrichter (204) gleichgerichtete gefilterte Klopfsignal abtastet.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Nulldurchgangsdetektor (205) für das gefilterte Klopfsignal und ein nachgeschalteter Impulsverzögerer (206) vorgesehen sind, und daß das Ausgangssignal des Impulsverzögerers (206) den Analog-Digital-Wandler (208) und Abtaster (207) ansteuert.