DE3911554A1 - Verfahren und einrichtung zur klopfsignalerfassung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 bzw. 9.

Bei bekannten Verfahren und Einrichtungen der genannten Art wird das Ausgangssignal des Klopfsensors einem Bandpaß zugeführt, der den niederfrequenteren Grundschwingungsanteil des Klopfsignalge­ räusches erfaßt. Alle anderen Frequenzanteile werden bewußt unter­ drückt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß die bekannte Methode zur Klopfsignalerfassung bei bestimmten Betriebs­ zuständen, wie bestimmten Drehzahlen und Lastpunkten, nur unzurei­ chende Ergebnisse liefert, so daß dennoch leicht Motorschäden auf­ treten können.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung der genannten Art mit einfachen Maßnahmen so auszubilden, daß eine sichere Erkennung von Klopfge­ räuschen möglich ist.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ein Verfahren der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art durch die im Kennzei­ chen dieses Anspruchs aufgeführten Merkmale aus. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß die Klopfgeräusche auf die Grund- und Oberwellen unterschiedlich verteilt sind und teilweise der Klopfgeräuschanteil der Oberwellen größer als der­ jenige der Grundwelle ist. Zur sicheren Klopfsignalerfassung bei allen Betriebszuständen ist es somit unbedingt erforderlich, die Grund- und die Oberwellen zu erfassen. Dieses kann in sehr einfa­ cher Weise durch eine Kammfilterung erfolgen, die mit unterschied­ lichen Mitteln erzielbar ist und sich durch eine Wiederholung der Filtercharakteristik der Grundwelle bei den dazugehörigen Oberwel­ len auszeichnet. Eine schwellwertabhängige Signalauswertung führt selbst dann zur Klopfsignalerfassung, wenn der Klopfgeräuschanteil in der Grundwelle vernachlässigbar ist. Somit ist eine sichere Er­ kennung von Klopfereignissen bei allen Drehzahl- und Lastpunkten möglich, was die Zuverlässigkeit wesentlich verbessert. Dadurch sind eine Senkung der Schadstoffe sowie des Kraftstoffverbrauchs und eine Erhöhung der Motorleistung möglich.

In weiterer Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 kann es im Extremfall genügen, nur eine der Grund- und Oberwellen mit dem jeweils größ­ ten Klopfsignalanteil zu berücksichtigen. Gleichzeitig ist es je­ doch auch möglich, die Anteile anderer Grund- und Oberwellen mit zu berücksichtigen, was immer dann zweckmäßig ist, wenn eine Ver­ teilung des Klopfsignalgeräusches auf mehrere Wellen vorliegt.

Die Signalintegration gemäß der Weiterbildung von Anspruch 3 ist besonders zuverlässig hinsichtlich einer sicheren Klopfgeräuscher­ kennung, hat jedoch den Nachteil, daß für die Integration eine ge­ wisse Zeit verstreicht, innerhalb derer bereits ein Klopfgeräusch vorgelegen haben kann. Insoweit ist für bestimmte Anwendungsfälle eine Spitzenwertauswertung schneller und daher sicherer.

Die Weiterbildung von Anspruch 4 kann bei bestimmten Anwendungs­ fällen zweckmäßig sein, um motorspezifische Klopfsignalverteilun­ gen äußerst sicher erfassen zu können. Es ist auch möglich, eine solche Methode übergeordnet und zusätzlich zu einer schnelleren Spitzenwertauswertung einzusetzen.

Mit der Weiterbildung von Anspruch 5 ist es möglich, die Filter­ charakteristik laufend an die jeweiligen Betriebsbedingungen an­ zupassen, so daß trotz unterschiedlicher Signalfrequenzen eine Kammfilterung höherer Ordnung mit schmalen Frequenzbändern durch­ geführt werden kann.

Die Weiterbildung von Anspruch 6 ist besonders vorteilhaft, weil sich bei Digitalkammfiltern automatisch eine Wiederholung der Fil­ tercharakteristik bei Vielfachen einer Grund- bzw. Taktfrequenz ergibt. Besondere Maßnahmen sind hierzu nicht erforderlich, und auch eine frequenzmäßige Verschiebung der Filtercharakteristik ist sehr einfach möglich.

Mit der Weiterbildung von Anspruch 7 ist es möglich, die Signal­ anteile der verschiedenen Grund- und Oberwellen unterschiedlich zu gewichten, um dadurch eine bessere Anpassung an das natürliche Auftreten von Klopfsignalanteilen zu erzielen. Die Gewichtung kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß für die einzelnen Fre­ quenzbänder unterschiedliche Schwellwerte für die Klopfsignaler­ kennung eingeführt werden.

Auch eine zeitliche Erfassung der Länge des Auftretens von Klopf­ signalanteilen kann gemäß der Weiterbildung von Anspruch 8 zweck­ mäßig sein, um Störsignale zu unterdrücken. Demnach ist es also beispielsweise möglich, Schwellwerte für die Signalgröße und die Signallänge vorzusehen, so daß nur dann eine Klopfgeräuscherken­ nung erfolgt, wenn bestimmte Klopfsignalanteile ausreichend groß sind und genügend lange anstehen.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich ferner eine Ein­ richtung der im Oberbegriff von Anspruch 9 genannten Art durch das im Kennzeichen dieses Anspruchs aufgeführte Merkmal aus. Eine solche Einrichtung ist einfach, da ein Kammfilter ein handelsübli­ ches Bauteil darstellt bzw. leicht herzustellen ist.

Die Weiterbildung von Anspruch 10 ist bautechnisch besonders gün­ stig, da ein digitales Kammfilter die Wiederholung der Filtercha­ rakteristik bei Vielfachen einer Grundfrequenz automatisch ent­ hält, ferner leicht frequenzmäßig abstimmbar ist und eine große Temperaturstabilität aufweist, weil es nur ohmsche Widerstände und keine temperaturabhängigen Kondensatoren enthält.

Die Weiterbildungen der Ansprüche 11 und 12 ermöglichen eine ein­ fache Anpassung der Filtercharakteristik des digitalen Kammfil­ ters an die jeweiligen Betriebsverhältnisse, indem die Taktfre­ quenz durch zumindest einen Betriebsparameter beeinflußt wird. Auch bei digitalen Kammfiltern höherer Ordnung kann somit leicht sichergestellt werden, daß die Grund- und Oberwellen der Klopfge­ räusche in die jeweiligen Filterfrequenzbänder fallen.

Die Weiterbildung von Anspruch 13 beinhaltet eine alternative Bauform mit mehreren parallelen analogen Bandpässen, die als Ein­ heit wiederum ein Kammfilter bilden. Dabei können die Weiterbil­ dungen von Anspruch 14 und 15 benutzt werden, um beispielsweise nur das größte oder energiereichste Teilsignal weiterzuleiten.

Vorzugsweise können die Demodulatoren gemäß Anspruch 16 als Spit­ zenwertgleichrichter ausgebildet werden, um eine möglichst schnelle Klopfgeräuscherkennung zu ermöglichen.

Die Auswerteschaltung kann gemäß der Weiterbildung von Anspruch 17 entweder nur eine besonders schnelle Spitzenwertauswertung oder eine sichere Integrationsauswertung oder aber eine kombi­ nierte Auswertung durchführen, bei der einerseits eine sehr schnelle Signalgeräuscherkennung möglich ist und bei der anderer­ seits eine Überprüfung derselben, zum Beispiel durch eine Integra­ tion, möglich ist. Auf diese Weise läßt sich eine sehr schnelle Systemreaktion erzielen, die dann sofort wieder rückgängig ge­ macht wird, wenn die genauere Überprüfung negativ verlaufen ist.

Die Erfindung wird nachfolgend an zeichnerisch dargestellten Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem Digitalkammfilter und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einem aus mehreren Bandpäs­ sen ausgebildeten Kammfilter.

Gemäß Fig. 1 ist ein Klopfsensor 10, der die Klopfgeräusche eines Verbrennungsmotors erfaßt, an einen Eingangsverstärker 12 ange­ schlossen, dessen Ausgangssignal zum Eingang eines digitalen Fil­ ters 14 gelangt. Dieses arbeitet naturgemäß als Kammfilter, weil bei digitalen Filtern automatisch eine Wiederholung der Filtercha­ rakteristik bei Vielfachen einer Grundfrequenz auftritt. Die Tak­ tung des Filters 14 erfolgt durch einen Taktgeber 16, dessen Fre­ quenz f ₀ die Grundschwingung der Filtercharakteristik bestimmt. Der Taktgeber 16 kann mehrere Betriebsparametereingänge 18 aufwei­ sen, mittels derer die Grundfrequenz f ₀ und damit die Filtercharak­ teristik des Filters 14 veränderbar und an die jeweiligen Betriebs­ bedingungen anpaßbar ist.

An sich ist es bei digitalen Filtern nachteilig, daß diese eine Kammfilterwirkung aufweisen. Im vorliegenden Fall wird diese Wir­ kung jedoch positiv ausgenutzt, weil das Klopfgeräusch im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf die Grund- und Oberwellenanteile zu untersuchen ist.

Das Ausgangssignal des digitalen Filters 14 gelangt zu einem De­ modulator 19 in Form eines Präzisionsgleichrichters, der die Spitzenwerte des erhaltenen Signals erfaßt und zu einer Auswerte­ schaltung 20 leitet. Diese kann eine Auswertung des Eingangssig­ nals auf verschiedene Weise durchführen, um eine Aussage darüber zu erhalten, ob das Eingangssignal einen zu berücksichtigenden Klopfgeräuschanteil enthält. Die Auswertung selbst kann innerhalb eines kurbelwellensynchronen Klopffensters erfolgen, wozu die Aus­ werteschaltung 20 gemäß der nicht näher bezeichneten Pfeildarstel­ lung ein entsprechendes Kurbelwellen-Eingangssignal erhalten kann. Das Ausgangssignal der Auswerteschaltung 20 gelangt dann zu einer Zündendstufe 22, mittels derer der Zündzeitpunkt des Verbrennungs­ motors so eingestellt wird, daß das Klopfgeräusch nach Möglichkeit ganz verschwindet.

Bei der Ausführungsform aus Fig. 2 gelangt das Ausgangssignal des Klopfsensors 10 über den Eingangsverstärker 12 zu einem Kammfilter 24, das aus mehreren parallelgeschalteten, analogen Bandpässen 26 mit entsprechenden Mittenfrequenzen besteht. Die Ausgangssignale der Bandpässe 26 gelangen über einen Demodulator 28, im vorliegen­ den Fall ist jedem Bandpaß 26 ein Demodulatur 30 zugeordnet, zu einem Glied 32, das beispielsweise den größten oder energiereich­ sten Signalanteil der verschiedenen Bandpässe 26 sowie Demodula­ toren 30 auswählt und zu der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrie­ benen Auswerteschaltung 20 weiterleitet, die ihrerseits die Zünd­ endstufe 22 entsprechend ansteuert. Die einzelnen Demodulatoren 30 können ebenfalls Präzisionsgleichrichter sein.

Da bei der vorliegenden Erfindung die Signalanteile der Grund­ und Oberwellen berücksichtigt werden, lassen sich auch kritische Klopfsituationen sicher erfassen. Sofern eine unmittelbare Aus­ wertung der Spitzenwerte der einzelnen Signalanteile erfolgt, ist eine sehr schnelle Systemreaktion möglich, um den Zündzeitpunkt entsprechend schnell verstellen zu können und Klopfgeräusche weit­ gehend zu vermeiden. Stattdessen oder zusätzlich ist auch eine an­ dersartige Signalverarbeitung, wie eine Signalintegration, mög­ lich, um die Aussagegenauigkeit zumindest in überprüfendem Sinne zu verbessern. Da die Klopfsignalanteile vielfach auch auf mehrere Grund- und Oberwellen unterschiedlich verteilt sind, können die jeweiligen Signalanteile der verschiedenen Filterbänder auch ge­ wichtet verarbeitet werden. Wichtig ist hierbei stets, daß nicht nur der Signalanteil der Grundwelle berücksichtigt wird, weil hierdurch wesentliche Fehler bei der Klopfgeräuscherfassung auf­ treten können.

Claims (17)

1. Verfahren zur Klopfsignalerfassung bei Verbrennungsmotoren, wobei das Ausgangssignal eines Klopfsensors verstärkt, einer Filterung sowie Gleichrich­ tung unterworfen und auf Klopfanteile ausgewertet wird, insbe­ sondere innerhalb eines kurbelwellensynchronen Klopffensters, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangs­ signal einer Kammfilterung zum Ausfiltern von Grund- und Ober­ wellen unterworfen wird und dann eine schwellwertabhängige Sig­ nalauswertung unter Berücksichtigung der Grund- und Oberwellen erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung zumindest die Grund- oder Oberwelle mit dem größten Signalwert, wie dem größten Spitzenwert, signalauswertend be­ rücksichtigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung eine Integration von Grund- und/oder Ober­ wellen durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die spektrale Leistungsdichte ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Kammfilterung höherer Ordnung mit schmalen Filterbändern durchgeführt wird und die Filterfrequenzen der Filterbänder in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebspa­ rameter verändert werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Verwen­ dung eines Digitalkammfilters.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine größenmäßig gewichtete Berücksichtigung der Grund- und Oberwellen durchgeführt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Berücksichtigung von während der Klopffenster aus­ reichend lange vorliegenden Grund- und Oberwellen.

9. Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der An­ sprüche 1 bis 8 mit einem Klopfsensor, einem hieran angeschlos­ senen Eingangsverstärker, einem hieran angeschlossenen Filter, einem hieran angeschlossenen Demodulatur und einer hieran ange­ schlossenen Auswerteschaltung für die insbesondere innerhalb eines Klopffensters erfolgende Signalauswertung, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (14; 24, 26) als ein Kammfilter ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammfilter (14) als ein digitales Kammfilter ausgebildet und an einen Taktgeber (16) zur Festlegung der Filter-Grundschwingung angeschlossen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktgeber (16) zumindest einen Betriebsparametereingang (18) zum betriebsparameterabhängigen Verändern der Taktfrequenz auf­ weist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Betriebspa­ rametereingänge (18) zum Erfassen der Motortemperatur und/oder der Umgebungstemperatur und/oder der Stellung eines Gliedes zur Füllungssteuerung, wie der Winkelstellung einer Drossel­ klappe im Ansaugkanal.

13. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kammfilter (24) aus mehreren parallelgeschalteten analogen Bandpässen (26) mit auf die Grund- und Oberwellen eingestell­ ten Durchlaßbereichen besteht.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß je­ dem Bandpaß (26) ein Demodulator (30) nachgeschaltet ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Demodulatoren (30) ausgangsseitig an ein Glied (32) zur Erfas­ sung und Weiterleitung des größten oder energiereichsten Teil­ signals angeschlossen sind.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der oder die Demodulatoren (19; 30) als Spitzen­ wertgleichrichter ausgebildet sind.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) eine solche zur Aus­ wertung des Spitzenwertes und/oder eine solche zum Integrieren und Erfassen der spektralen Leistungsdichte ist.