DE4011939A1 - Klopfdetektorvorrichtung fuer einen kraftfahrzeugmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klopfdetektorvorrichtung zum Erfassen von Klopfen eines in einem Fahrzeug angebrachten Motors, wobei das Ausgangssignal eines Klopfsensors direkt von einem analogen Signal in digitale Daten gewandelt wird.

Herkömmliche Klopfregler in Fahrzeugen weisen einen Klopfsensor zum Erfassen des Klopfens in Abhängigkeit von einer abnormalen Verbrennung des Fahrzeugmotors auf und beugen dem Klopfen durch Regeln des Zündzeitpunktes vor. Der Regler kann den Zündzeitpunkt an der Klopfgrenze einregeln, wodurch die Leistungsausbeute des Motors verbessert wird.

Der Klopfsensor ist an einer geeigneten Stelle angebracht, um Schwinungen des Drucks in einer Brennkammer infolge abnormaler Verbrennung oder mechanische Vibrationen zu erfassen, die von der Brennkammer auf den Zylinderbock des Motors übertragen werden.

Die Erkennung des Auftretens von Klopfen ist in den JP-POS 58-30477 (1983) und 61-8472 (1986) beschrieben. Demnach umfaßt eine herkömmliche Klopfdetektorvorrichtung einen Klopfsensor, eine Filterschaltung zum Herausfiltrieren einer Klopfkomponente durch Begrenzen des Frequenzbandes des Signals von dem Sensor, eine Spitzenwert-Halteschaltung zum Halten des Spitzenwertes der Signalwellenform und einen Analog/Digital-Wandler zum Wandeln des Spitzenwertes von dem Analogsignal in ein digitales Signal.

Ein Mikrocomputer berechnet aus den gewandelten digitalen Signalen einen Durchschnittswert mehrerer Spitzenwerte und stellt fest, ob Klopfen auftritt, indem er den Durchschnittswert mit einem vorbestimmten Wert eines Klopffeststellungspegels vergleicht.

Analoge Filter wie etwa die Filterschaltung und die Spitzenwert-Halteschaltung der herkömmlichen Vorrichtung verwenden Elemente wie Widerstände und Kondensatoren mit Toleranzen, so daß es nicht möglich ist, einen von einer Schaltungskonstante abhängigen Fehler auszuschließen. Jedes Element wird so ausgewählt, daß die Schaltungskonstante geeignet ist, was mehrere Herstellungsschritte erfordert. Viele Schritte und die Anzahl der Teile der in den analogen Schaltungen verwendeten Elemente erhöhen die Herstellungskosten.

Darüber hinaus werden die Elemente im Laufe ihres Lebens schlechter, so daß die Schaltungscharakteristika sich ändern. Damit sinkt die Verläßlichkeit der analogen Schaltung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Klopfdetektorvorrichtung für einen Kraftfahrzeugmotor zu schaffen, welche die Vibrationswellen unabhängig von analogen Schaltungen verarbeiten und mit geringen Kosten unter Reduzierung der Teilezahl hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß umfaßt die Klopfdetektorvorrichtung eine Analog/Digital-Wandlungsschaltung zum Wandeln eines analogen Vibrationssignales von einem Klopfsensor während eines vorbestimmten Klopferfassungsintervalls in digitale Daten wobei die Abtastperiode so vorbestimmt ist, daß die Möglichkeit der Reproduktion des Vibrationssignales besteht; eine Wahlschaltung zum Wählen einer ersten Wandlungszeitspanne entsprechend einer Periode ohne Klopfen und einer zweiten Wandlungszeitspanne entsprechend einer Periode möglichen Klopfens in einen Zyklus des Motors; eine Setzschaltung zum Setzen eines Unterscheidungspegels auf der Grundlage eines ersten Durchschnittswertes der digitalen Daten von der Wandlungsschaltung während der ersten Wandlungszeitspanne, die von der Wahlschaltung gewählt worden ist; eine Rechenschaltung zum Berechnen eines Klopfpegels auf der Grundlage eines zweiten Durchschnittswertes der digitalen Daten von der Wandlungsschaltung während der zweiten Wandlungszeitspanne, die von der Wahlschaltung gewählt worden ist; und eine Feststellschaltung zum Feststellen, ob Klopfen auftritt, indem der mittels der Rechenschaltung berechnete Klopfpegel mit dem von der Setzschaltung gesetzten Unterscheidungspegel verglichen wird, wobei das Auftreten von Klopfen festgestellt wird, wenn der Klopfpegel höher als der Unterscheidungspegel ist.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie der nachstehenden Beschreibung, in welcher bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert sind. Dabei zeigen:

Fig. 1 schematisch die Klopfdetektorvorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild zum Erläutern der Arbeitsweise eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3A bis 3E Flußdiagramme des Klopferfassungsverfahrens bei der Vorrichtung nach einem ersten und einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein Flußdiagramm einer Unterbrechung durch einen dritten Zeitgeber der Klopfdetektorvorrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 5 eine Zeitdarstellung der Unterbrechung der Klopferfassung mittels des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der Arbeitsweise des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 7 ein Flußdiagramm einer Unterbrechung mittels eines dritten Zeitgebers bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Klopfdetektorvorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Motorüberwachungssystem und eine Klopfdetektorvorrichtung nach der Erfindung. Gemäß der Zeichnung weist ein Motor 1 eine Brennkammer 1 a, einen Kühlmittelkanal 1 b, eine Kurbelwelle 1 c und einen Kurbelrotor 1 d auf. Die Brennkammern 1 a eines jeden Zylinders weisen einen mit einem Einlaßkanal 4 verbundenen Einlaß 2 und einen mit einem Auspuffrohr 5 verbundenen Auspuff-Auslaß 3 auf. Ein Luftfilter 6 steht mit der stromaufwärtigen Seite des Einlaßkanales 4 in Verbindung. Der Kanal 4 weist in seinem Verlauf eine Drosselklappe 7 auf. An dem Einlaß 2 ist ein Einspritzer 8 angebracht. Ein Kraftstoffeinspritzsystem umfaßt den Einspritzer 8, einen Druckregler 8 a, ein Mengenteilrohr 8 b, ein Kraftstoffilter 8 c, eine Kraftstoffpumpe 8 d und einen Kraftstofftank 8 e. An dem Auspuffrohr 5 ist ein katalytischer Wandler 9 vorgesehen.

Der Kurbelrotor 1 d ist fest um die Kurbelwelle 1 c herum angebracht. Ein Kurbelwinkelsensor 11 ist der Außenseite des Rotors 1 d gegenüber vorgesehen. An der Drosselklappe 7 ist ein Drosselpositionssensor 12 angebracht zum Erfassen des Öffnungsgrades der Drosselklappe 7. Ein Leerlaufschalter 12 a, der mit dem Drosselpositionssensor 12 zusammenarbeitet, stellt einen Leerlauf des Motors fest. Der Einlaßkanal 4 ist mit einem Einlaß-Luftmassensensor 13 stromabwärts des Luftfilters 6 versehen. Ein Kühlmittel-Thermosensor 14 liegt frei in dem Kühlmittelkanal 1 b des Motors 1 und ein Abgassensor, wie etwa ein Sauerstoffsensor 15 liegt frei in dem Auspuffrohr 5 stromaufwärts des katalytischen Wandlers 9.

Eine Hauptüberwachungseinheit 10 empfängt verschiedene Ausgangssignale von dem Drosselsensor 12, dem Leerlaufschalter 12 a, dem Einlaß-Luftmassensensor 13, dem Kühlmittel-Thermosensor 14 und dem Sauerstoffsensor 15. Die Einheit 10 wird beispielsweise von einem Mikrocomputer gebildet. Die Einheit 10 empfängt darüber hinaus ein Ausgangssignal von dem Kurbelwinkelsensor 11 über eine Wellenformschaltung 11 a und ist mit einer Zündschaltung 17 als eine Betätigungsantriebsschaltung verbunden.

Die Einheit 10 steht ferner mit einer Hilfsklopfdetektoreinheit 20 in Verbindung. Die Detektoreinheit 20 ist über die Wellenformschaltung 11 a mit dem Kurbelwinkelsensor 11 und ferner über eine Verstärkerschaltung 19 mit einem Klopfsensor 18 verbunden.

Die Detektoreinheit 20 umfaßt eine zentrale Verarbeitungseinheit (nachstehend mit CPU bezeichnet) 21, einen Lesespeicher (ROM) 22, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) 23, ein serielles Überwachungsinterface (SCI) 24, einen Analog/Digital-Wandler (A/D) 25, einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Zeitgeber 26 a bis 26 d, ein Eingabe/Ausgabe-Interface (I/O) 27 und eine Busleitung 28, um die genannten Elemente untereinander zu verbinden. Die Wellenformschaltung 11 a ist durch das Interface 27, die Hauptkontrolleinheit 10 ist durch das SCI 24 und die Verstärkerschaltung 19 des Klopfsensors 18 ist durch den Wandler 25 angeschlossen.

Zu dem Kurbelpositionssensor 11 gehören elektromagnetische Erfassungsansätze 1 e (oder Schlitze) auf dem Rotor 1 d. Ein magnetischer Fluß ändert sich, wenn die Ansätze 1 e sich entsprechend der Drehung des Rotors 1 d dem Sensor 11 nähern oder sich von diesem entfernen. Der Sensor 11 erzeugt einen Wechselstrom in Abhängigkeit von der magnetischen Flußänderung und der Wellenformkreis 11 a wandelt den Wechselstrom in Impulse, und zwar als Kurbelwinkelsignale.

Beispielsweise bei einem 6-Zylinder-Motor, der alle 120° einen oberen Totpunkt (TDC) der Zylinder aufweist, gibt die Wellenformschaltung 11 a die Kurbelwinkelsignale alle 30° ab, und zwar ab 10° vor dem oberen Totpunkt (BTDC). Somit werden Kurbelwinkelsignale 10, 40, 70 und 100° v.o.T. an die Hauptüberwachungseinheit 10 abgegeben, um den Zündzeitpunkt und dergleichen zu berechnen. Ein Zündzeitpunktsignal wird an die Zündschaltung bei einem entsprechend den Kurbelwinkelsignalen alle 30° berechneten Zündzeitpunkt abgegeben.

Darüber hinaus gibt der Sensor 11 alle 120° Signale, welche 10° v.o.T. angeben, an die Klopfdetektoreinheit 20 ab, um die Unterbrechungsverarbeitung zu beginnen.

Der Klopfsensor 18 ist mit einer Konstantspannungsversorgung V _CC über einen Widerstand R verbunden und wird beispielsweise von einem Klopfsensor des Resonanztyps gebildet, welcher einen Oszillator mit einer im wesentlichen der Vibration durch Klopfen entsprechenden Eigenfrequenz und ein piezoresistives Element zum Wandeln einer von dem Oszillator erfaßten Vibrationssteigerung in elektrische Signale umfaßt. Der Sensor 18 erfaßt diejenige Vibration, welche sich in dem Zylinderblock des Motors in Abhängigkeit von einem Verbrennungsdruck bei dem Kompressions-(Zünd)Hub fortpflanzt, und gibt eine analoge Vibrationswelle in Form eines elektrischen Signales aus.

Das analoge Wellensignal wird mittels des Konverters 25 der Einheit 20 in digitale Daten verwandelt, nachdem die Schaltung 19 das Signal auf einen vorbestimmten Pegel verstärkt hat. Zum Zwecke der A/D-Wandlung wird mit hoher Geschwindigkeit abgetastet, um die Vibrationswellen präzise zu wandeln.

Die CPU 21 beginnt eine innere Unterbrechungsverarbeitung mittels der ersten bis vierten Zeitgeber 26 a bis 26 d in Abhängigkeit der Signale von dem Kurbelsensor 11, um die Signale von dem Klopfsensor 18 entsprechend einem in dem ROM 22 gespeicherten Programm für die Klopferfassung während der beiden R/D-Wandlungs-Zeiten zu wandeln. Die CPU 21 stellt fest, ob Klopfen auftritt, und gibt das Ergebnis über das SCI 24 an die Hauptüberwachungseinheit 10.

Die Hauptüberwachungseinheit 10 verzögert umgehend den Zündzeitpunkt des entsprechenden Zylinders, um ein Klopfen zu verhindern, wenn die Detektoreinheit 20 ein Signal abgibt, das Klopfen anzeigt.

Nachstehend ist der Aufbau der Detektoreinheit 20 unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Die Detektoreinheit 20 umfaßt eine A/D-Wandlungsschaltung 30 (Wandler 25), eine Setzschaltung 31 zum Setzen der Abtastperiode, eine Setzschaltung 32 zum Setzen der A/D-Wandlungszeit, eine Klopfpegelberechnungsschaltung 33, eine Setzschaltung 34 zum Setzen eines Unterscheidungspegels und eine Feststellungsschaltung 35 zum Feststellen von Klopfen. Die Einheit 20 führt ausschließlich das Klopferfassungsverfahren bei hoher Geschwindigkeit aus.

Die Wandlungsschaltung 30 wandelt die analogen Signale von dem Klopfsensor 18 mittels des Wandlers 25 in digitale Daten, und zwar in jeder von der Setzschaltung 31 gesetzten Abtastperiode während einer von der Setzschaltung 32 gesetzten A/D-Wandlungszeit, um die Daten an die Rechenschaltung 33 und die Setzschaltung 34 abzugeben.

Die Setzschaltung 31 für die Abtastperiode setzt die Abtastperiode für die A/D-Wandlung in der Schaltung 30 während der A/D-Wandlungszeit, welche mittels der Schaltung 32 gesetzt worden ist, um die Abtastperiode an die Rechenschaltung 33 und die Setzschaltung 34 für den Unterscheidungspegel abzugeben. Die Abtastperiode wird in den vierten Zeitgeber 26 d als Periode T _S gesetzt und beträgt beispielsweise etwa 30 µs, um die Vibrationswellen originalgetreu wiederzugeben.

Die Zeitsetzschaltung 32 setzt eine erste A/D-Wandlungszeit entsprechend einer Periode, in der kein Klopfen auftritt, und setzt eine zweite A/D-Wandlungszeit entsprechend einer Periode, in der Klopfen auftritt, entsprechend den Signalen von dem Kurbelwinkelsensor 11. Dann gibt die Schaltung 32 die resultierenden Signale an die Wandlungsschaltung 30, die Setzschaltung 31 für die Abtastperiode, die Rechenschaltung 33 für den Klopfpegel und die Setzschaltung 34 für den Unterscheidungspegel.

Derjenige Bereich, in dem Klopfen auftritt, wandert bezüglich des Kurbelwinkels in Abhängigkeit von der Drehzahl, so daß der Beginn und das Ende einer jeden Zeitspanne entsprechend der Drehzahl variieren können. Beide A/D-Wandlungszeiten werden direkt auf der Grundlage einer vorbestimmten Tabelle oder durch Interpolationsberechnung entsprechend der Maschinendrehzahl S _E aufgrund von Signalen, welche von dem Kurbelwinkelsensor 11 abgegeben werden, gesetzt. Die Tabelle wird experimentell ermittelt. Die Beginne T 1 S und T 2 S der ersten und der zweiten A/D-Wandlungszeitspannen sind in den ersten bzw. den zweiten Zeitgeber 26 a und 26 b gesetzt, während die Enden T 1 E und T 2 E der beiden Zeitspannen in den dritten Zeitgeber 26 c gesetzt sind. Die Zeitspannen können auf einen vorbestimmten Kurbelwinkelbereich festgelegt sein, in welchem jegliches Klopfen auftritt.

Die Rechenschaltung 33 für den Klopfpegel zieht einen Zwischenwert P 0 einer Amplitude der Vibrationswellen von den digitalen Daten Pi bei jedem Abtastzeitpunkt während der zweiten A/D-Wandlungszeitspanne ab. Die bei jedem Abtastzeitpunkt resultierenden Werte werden integriert. Ein Durchschnittswert P 2 wird durch Teilen des integrierten Wertes nach der zweiten A/D-Zeitspanne durch eine Abtastzahl N _S berechnet. Somit wird der Durchschnittswert P 2 während der zweiten A/D-Wandlungszeitspanne mittels der folgenden Gleichung (1) berechnet:

P 2 = 1/N _S Σ |Pi-P 0 | (1)

Der Wert P 2 wird als Klopfpegel an die Klopf-Feststellungsschaltung 35 abgegeben.

Die Setzschaltung 34 für den Unterscheidungspegel berechnet in derselben Weise einen Durchschnittswert P 1 der digitalen Daten Pi während der ersten A/D-Wandlungszeitspanne als einen Parameter, um den Unterscheidungspegel für das Klopfen in derselben Weise zu setzen wie die Rechenschaltung 33 für den Klopfpegel, und zwar nach der folgenden Gleichung (2):

P 1 = 1/N _S Σ |Pi-P 0 | (2)

Sodann wird ein statistischer Mittelwert P _1AVE des Durchschnittswertes P 1 berechnet. Ein Unterscheidungspegel P _KN wird durch Addieren eines vorbestimmten Offsetwertes P _OFFSET zu dem statistischen Mittelwert berechnet.

Der Durchschnittswert P 1 des aktuellen Zyklus N des Motors wird nach der ersten A/D-Wandlungszeitspanne berechnet. Sodann wird ein statistischer Mittelwert P _1AVE*, der einen Mittelwert der Durchschnittswerte von dem ersten Zyklus bis zu dem vorhergehenden Zyklus (N-1) darstellt, mit der Zyklenzahl (N-1) multipliziert und der multiplizierte Wert wird dem aktuellen Durchschnittswert P 1 zuaddiert. Die so erhaltene Summe wird durch die Zyklenzahl N dividiert, wodurch ein aktueller statistischer Mittelwert P _1AVE von N Zyklen von dem ersten Zyklus bis zu dem aktuellen Zyklus des Motors gewonnen wird, und zwar nach der folgenden Gleichung (3):

P _1AVE = 1/N [(N-1) × P _1AVE* + P 1] (3)

Der vorbestimmte Offsetwert P _OFFSET wird dem Mittelwert P _1AVE entsprechend der folgenden Gleichung (4) zuaddiert, um den aktuellen Unterscheidungspegel P _KN zu erhalten, wobei der Pegel P _KN an die Feststellungsschaltung 35 für das Klopfen abgegeben wird.

P _KN = P _1AVE + P _OFFSET (4)

Die Feststellungsschaltung 35 vergleicht den Klopfpegel P 2, der mittels der Rechenschaltung 33 berechnet worden ist, mit dem Unterscheidungspegel P _KN aus der Setzschaltung 34. Wenn P 2P _KN , stellt die Schaltung 35 fest, daß kein Klopfen in dem Motor auftritt. Wenn P 2<P _KN , stellt die Schaltung 35 fest, daß Klopfen auftritt, und überträgt das Feststellungssignal für das Klopfen an die Hauptschaltung 10 über das SCI 24.

Das Verfahren des Setzens des Feststellungspegels für das Klopfen ist nachstehend beschrieben.

Die beschriebenen Verarbeitungen werden in der Verarbeitung der internen Unterbrechung durch die ersten bis vierten Zeitgeber 26 a bis 26 d gemäß den Fig. 5(c) bis 5(f) ausgeführt.

Zunächst wird die Klopfdetektoreinheit 20 in einem Schritt ST 1 einer Hauptroutine nach Fig. 3A unter Verwendung eines Unterbrechungsvektors sowie verschiedener Flaggen und Register initialisiert.

Als zweites schreitet das Verfahren in Schritt ST 2 fort. Die CPU 21 kann jeweils bei einem Kurbelwinkel von 30° und Vielfachen davon entsprechend den Signalen von dem Kurbelsensor 11 unterbrochen werden, um daraufhin eine Leerlaufverarbeitung in Schritt ST 3 auszuführen. Wenn eine Unterbrechung auftritt, geht die CPU 21 in einen Stand-by-Zustand und führt die Klopferfassungsverarbeitung aus.

Beispielsweise bei einem 6-Zylinder-Motor beginnt die CPU 21 in Schritt ST 5 nach Fig. 3B eine interne Unterbrechungsverarbeitung, um eine Zeitspanne T 30 entsprechend 30° des Kurbelwinkels zu berechnen, wenn der Sensor 11 das einem Kurbelwinkel von 70° v.o.T. entsprechende Signal gemäß Fig. 5(a) an die CPU 21 gibt. Die Zeitspanne T 30 entspricht der Zeitspanne zwischen Signalen, die alle 30° des Kurbelwinkels von dem Kurbelsensor 11 abgegeben werden.

Danach wird in Schritt ST 6 die Drehzahl S _E in Abhängigkeit von der in Schritt ST 5 berechneten Zeitspanne T 30 berechnet. Sodann wird mit Schritt ST 7 fortgefahren.

In Schritt ST 7 wird der Beginn T 1 S der ersten Wandlungszeitspanne, d. h., der Beginn T 1 S des Wandelns der Signale von dem Klopfsensor 18 in digitale Signale, in den ersten Zeitgeber 26 a in Abhängigkeit von der in Schritt ST 6 berechneten Maschinendrehzahl S _E gesetzt. Sodann folgt Schritt ST 8.

In Schritt ST 8 ermöglicht es die CPU 21, von dem ersten Zeitgeber 26 a unterbrochen zu werden. Sodann wird in Schritt ST 9 eine Zeitspanne TAD 1 der ersten A/D-Wandlungszeit in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl S _E berechnet, woraufhin zu der Hauptroutine zurückgedreht wird.

Die interne Unterbrechung durch den ersten Zeitgeber 26 a tritt dann auf, wenn der erste Zeitgeber 26 a T 1 S erreicht. Daraufhin wird ein Ende T 1 E (=T 1 S + TAD 1) der ersten A/D-Wandlungszeit in Schritt ST 10 gemäß Fig. 3C in den dritten Zeitgeber 26 c gesetzt. In Schritt ST 11 ermöglicht es die CPU 21 von dem dritten Zeitgeber 26 c unterbrochen zu werden.

Sodann folgt Schritt ST 12. Die Abtastperiode TS 1 für die A/D-Wandlung wird in den vierten Zeitgeber 26 d gesetzt. Ferner ermöglicht es die CPU 21 in Schritt ST 13 von dem Zeitgeber 26 d unterbrochen zu werden, woraufhin die Unterbrechung durch den ersten Zeitgeber 26 a endet, um zu der Hauptroutine zurückzukehren.

Daher beginnt eine Unterbrechungsroutine durch den dritten Zeitgeber 26 d gemäß Fig. 3D unmittelbar nach dem Ende der Unterbrechung durch den ersten Zeitgeber 26 a, um so die A/D-Wandlung bei jeder in Schritt ST 12 gesetzten Abtastperiode TS 1 auszuführen.

In Schritt ST 15 gemäß Fig. 3D werden digitale Daten Pi ausgelesen. Diese werden mittels des Wandlers 25 von der analogen Vibrationswelle des Sensors 18 gewandelt. In Schritt ST 16 berechnet die CPU einen Differenzwert zwischen den digitalen Daten Pi und dem Zwischenwert P 0 der Amplitude der Vibrationswelle.

In Schritt ST 17 addiert die CPU 21 den vorliegenden Differenzwert zu einem integrierten Wert K _NP*, der das Resultat der Integration der Differenzwerte bis zu der vorherigen Abtastzeit darstellt, um den neuen integrierten Wert "K _NP (K _NP = K _NP*+|Pi-P 0|)" zu berechnen. Sodann folgt Schritt ST 18.

In Schritt ST 18 wird die Anzahl N _S der Abtastungen bis zum aktuellen Zeitpunkt durch Zuaddieren von "1" zu der Anzahl N _S* der Abtastungen bis zur vorherigen Abtastung berechnet (N _S = N _S*+1). In Schritt ST 19 wird die folgende Abtastzeit in den A/D-Wandler 25 gesetzt, wodurch die Routine endet. Zum nächsten Abtastzeitpunkt werden die Schritte ST 15 bis ST 19 erneut durchlaufen.

Die Abtastperiode T _S wird etwa auf 30 µs gesetzt, um präzise die Vibrationswellen von dem Klopfsensor 18 zu digitalisieren.

Wenn das Ende T 1 E der ersten A/D-Wandlungszeitspanne, die von dem ersten Zeitgeber 26 a in Schritt ST 10 der Unterbrechung gesetzt worden ist, erreicht ist, beginnt eine interne Unterbrechung durch den dritten Zeitgeberr 26 c gemäß Fig. 4.

In Schritt ST 30 der Unterbrechung durch den dritten Zeitgeber 26 c verbietet die CPU 21 die Unterbrechung durch den vierten Zeitgeber 26 d, wobei die Abtastung des A/D-gewandelten Wertes ausgeführt wird. In Schritt ST 31 stellt die CPU 21 fest, ob eine Flagge "0" ist. Wenn die Flagge bei der Berechnung des Unterscheidungspegels auf "0" gesetzt ist, wird Schritt ST 32 ausgeführt, um den Durchschnittswert P 1 (P 1 = K _NP /N _S ) der digitalen Daten Pi zu berechnen, welche während der ersten A/D-Wandlungszeit gewandelt worden sind.

In Schritt ST 33 berechnet die CPU 21 den statistischen Mittelwert P _1AVE mittels Gleichung (3).

In Schritt ST 34 addiert die CPU 21 den Offsetwert P _OFFSET zu dem statistischen Mittelwert P _1AVE aus Schritt ST 33, so daß der Unterscheidungspegel "P _KN (P _KN = P _1AVE + P _OFFSET )" erhalten wird.

In Schritt ST 35 wird die Flagge auf "1" gesetzt (FLAG=1). In Schritt ST 40 werden der integrierte Wert K _NP und die Anzahl N _S der Abtastungenn korrigiert, um zur Hauptroutine zurückzukehren, wodurch die Routine zum Feststellen des Unterscheidungspegels beendet ist.

Nachstehend ist das Verfahren zum Erfassen von Klopfen beschrieben.

Gemäß Fig. 3E tritt eine externe Unterbrechung dann auf, wenn ein Unterbrechungssignal entsprechend einem Kurbelwinkel von 10° von dem Kurbelsensor 11 abgegeben wird, was einen festen Zündzeitpunkt darstellt. In Schritt ST 20 wird ein Abtastbeginn für das Signal von dem Klopfsensor 18, d. h., ein Beginn T 2 S der Klopfpegelerfassung in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl S _E gesetzt, welche bei der Unterbrechungsverarbeitung bei dem Kurbelwinkel von 70° berechnet worden ist, wobei T 2 S in den zweiten Zeitgeber 26 b gesetzt wird.

In Schritt ST 21 ermöglicht es die CPU 21, von dem zweiten Zeitgeber 26 b unterbrochen zu werden. In Schritt ST 22 wird die zweite A/D-Wandlungszeit in Abhängigkeit von der Maschinendrehzahl S _E berechnet, woraufhin zur Hauptroutine zurückgekehrt wird.

Eine interne Unterbrechung durch den zweiten Zeitgeber 26 b tritt bei der Zeit T _S2 in derselben Weise wie bei dem beschriebenen Verfahren zum Erfassen des Unterscheidungspegels auf. Sodann werden das Ende T 2 E der zweiten und der Abtastperiode T _{S 2} in den dritten bzw. den vierten Zeitgeber 26 c und 26 d für die Klopferfassung gesetzt, so daß die Abtastung des gewandelten Wertes in Abhängigkeit von der Unterbrechung durch den vierten Zeitgeber 26 d ausgeführt wird.

Die Abtastperiode T _S2 wird im wesentlichen auf 30 µs gesetzt, damit die Vibrationssignale von dem Klopfsignal 18 akurat digitalisiert werden können.

Die Abtastperiode T _S1 in der ersten A/D-Wandlungszeit und die Abtastperiode T _S2 in der zweiten A/D-Wandlungszeit werden wie beschrieben geeignet gesetzt. Demzufolge kann die Periode T _S1 der Periode T _S2 gleich sein. Die Unterbrechung des zweiten und des vierten Zeitgebers 26 b und 26 d ist nicht näher erläutert, weil sie dem Verfahren zum Erfassen des Unterscheidungspegels entsprechen, d. h., den Unterbrechungen durch den ersten und den zweiten Zeitgeber 26 a und 26 d gemäß den Fig. 3C und 3D.

Nachstehend ist das Verfahren zum Erfassen von Klopfen durch den dritten Zeitgeber 26 c gemäß Fig. 4 erläutert.

In Schritt ST 30 verbietet die CPU 21 eine Unterbrechung durch den vierten Zeitgeber 26 d, wobei das Abtasten des A/D-Wandlungswertes ausgeführt wird. In Schritt ST 31 stellt die CPU 21 fest, ob die Flagge auf "0" gesetzt ist. Da die vorhergehende Unterbrechungsroutine durch den dritten Zeitgeber 26 c auf einen Modus zum Berechnen des Unterscheidungspegels gesetzt ist, ist in diesem Fall die Flagge in Schritt ST 35 der vorhergehenden Routine auf "1" (FLAG=1) gesetzt worden. Daher wird nach Schritt ST 31 Schritt ST 41 ausgeführt. In Schritt ST 41 berechnet die CPU 21 den Durchschnittswert P 2 (P 2 = K _NP /N _S ) der digitalen Daten Pi, welche während der zweiten A/D-Wandlungszeit gewandelt worden sind und den Klopfpegel oder die Stärke des Klopfens darstellen.

In Schritt ST 42 vergleicht die CPU 21 den Durchschnittswert P 2 (den Klopfpegel), der in Schritt ST 41 berechnet worden ist, mit dem Unterscheidungspegel P _KN , welcher in der beschriebenen Routine zum Erfassen des Unterscheidungspegels berechnet worden ist. In Schritt ST 32 wird festgestellt, daß kein Klopfen auftritt, wenn der Wert P 2 geringer als der Wert P _KN ist (P 2<P _KN ), woraufhin Schritt ST 44 ausgeführt wird. Demgegenüber wird in Schritt ST 45 festgestellt, daß Klopfen auftritt, wenn der Wert P 2 größer oder gleich dem Wert P _KN (P 2P _KN ) ist. In Schritt ST 45 überträgt die CPU 21 die Klopfsignale über das SCI 24 an die Hauptüberwachungseinheit 10, woraufhin Schritt ST 44 ausgeführt wird.

In Schritt ST 44 wird die Flagge auf "0" gesetzt (FLAG=0) In Schritt ST 40 werden der integrierte Wert K _NP und die Anzahl N _S der Abtastungen korrigiert, woraufhin zur Hauptroutine zurückgekehrt wird.

Bei dem beschriebenen Verfahren werden die Vibrationswellen von dem Klopfsensor 18 der Klopfdetektoreinheit 20 zugeführt, um zu entscheiden, ob Klopfen auftritt. Wenn ein Signal, das das Auftreten von Klopfen anzeigt, an die Hauptüberwachungseinheit 10 abgegeben wird, gibt die Hauptüberwachungseinheit 10 unverzüglich Zündsignale an die Zündschaltung 17 ab, um das Klopfen des Motors zu unterbinden.

Obwohl im Zusammenhang mit der Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels dargelegt worden ist, daß eine Hilfsklopferfassungseinheit 20 zum Erfassen von Klopfen vorgesehen ist, ist die Erfindung nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Beispielsweise kann die Hauptüberwachungseinheit 10 Klopfen erfassen.

Auch ist der Klopfsensor 18 nicht auf einen Sensor des Resonanztyps zum Erfassen von mechanischen Vibrationen des Motors beschränkt, die sich in dem Zylinderblock fortpflanzen. Beispielsweise verwendet die Erfindung Klopfsensoren, welche den Verbrennungsdruck oder das Vibrationsrauschen des Motors als Welle erfassen.

Ferner setzt die Klopfdetektorvorrichtung nach dem beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel den Unterscheidungspegel einmal pro 70° v.o.T. Kurbelwinkel, wobei die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Die Erfindung kann vielmehr auch entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 aufgebaut sein.

Dabei führt eine Setzschaltung 34 für den Unterscheidungspegel in einer Klopfdetektoreinheit 20 A nicht die Abtastung eines A/D-gewandelten Ergebnisses in der ersten A/D-Wandlungszeit des Verfahrens zum Erfassen des Unterscheidungspegels aus, wenn eine Klopfdetektorschaltung 35 in der unmittelbar vorangehenden Klopferfassungsroutine Klopfen erfaßt, so daß sie den letzten Unterscheidungspegel P _KN-1 als aktuellen Unterscheidungspegel setzt.

Wenn bei dem ersten Ausführungsbeispiel starkes Klopfen auftritt und die Vibrationswelle des Klopfens sich über die zweite A/D-Wandlungszeitspanne hinaus in die erste A/D-Wandlungszeit erstreckt, steigt der Unterscheidungspegel P _KN . Die Einheit 20 A des zweiten Ausführungsbeispiels kann gewöhnlich den zutreffenden Unterscheidungspegel P _KN gegen das starke Klopfen setzen, wodurch Feststellungsfehler wegen des Steigens des Unterscheidungspegels P _KN unterbunden sind.

Die Feststellungsschaltung 35 für das Klopfen vergleicht den mittels der Schaltung 33 berechneten Klopfpegel und den von der Schaltung 34 gesetzten Unterscheidungspegel P _KN , wobei festgestellt wird, daß kein Klopfen auftritt, wenn P 2<P _KN , und das Auftreten von Klopfen festgestellt wird, wenn P 2P _KN . Das ermittelte Ergebnis bezüglich des Klopfens wird an die Setzschaltung 34 für den Unterscheidungspegel abgegeben und gleichzeitig über das SCI 24 an die Hauptüberwachungsschaltung 10 übertragen.

Der Aufbau der Einheit 20 A nach Fig. 6 unterscheidet sich von der Detektoreinheit 20 nach Fig. 2 dadurch, daß eine Rückkopplung vorgesehen ist, welche das Ausgangssignal der Feststellungsschaltung 35 auf die Setzschaltung 34 zurückkoppelt.

Eine Erläuterung der Detektoreinheit 20 A wird zur Vermeidung von Wiederholungen nicht gegeben, weil der Betrieb der Einheit 20 A dem unter Bezugnahme auf die Fig. 3A bis 3E erläuterten Betrieb der Einheit 20 des ersten Ausführungsbeispiels gleich ist.

Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel in der Unterbrechung für die Klopferfassung durch den dritten Zeitgeber 26 c. Der Betrieb des zweiten Ausführungsbeispiels ist nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert.

In Schritt ST 50 erlaubt die CPU 21 keine Unterbrechung durch den vierten Zeitgeber 26 d, wobei die Abtastung des A/D-gewandelten Wertes ausgeführt wird. In Schritt ST 51 stellt die CPU 21 fest, ob die Klopfunterscheidungsflagge auf "1" gesetzt ist. Soll diese Routine das Klopfen erfassen, ist die Flagge auf "1" zu setzen (FLAG=1). Demzufolge wird von Schritt ST 51 auf Schritt ST 60 übergegangen, wo die CPU 21 den Durchschnittswert P 2 (P 2 = K _NP /N _S ) der digitalen Daten Pi des Klopfsensors 18 berechnet, d. h., den Klopfpegel oder die Stärke des Klopfens in der zweiten Wandlungszeit, um mit Schritt ST 61 fortzufahren.

In Schritt ST 61 wird der Durchschnittswert P 2 (der Klopfpegel) mit dem Unterscheidungspegel P _KN verglichen, der durch die vorhergehende Unterbrechungsroutine mittels des dritten Zeitgebers 26 c gesetzt worden ist. Wenn in Schritt ST 61 P 2<P _KN , wird in Schritt ST 62 festgestellt, daß kein Klopfen auftritt. Sodann setzt die CPU 21 eine Klopfflagge FLAG 2 in Schritt ST 63 zurück und fährt mit Schritt ST 66 fort.

Jedoch fährt das Verfahren nach Schritt ST 61 mit Schritt ST 64 fort, wenn P 2P _KN , um festzustellen, daß Klopfen auftritt, und um die das Klopfen anzeigenden Signale über das SCI 24 an die Hauptüberwachungseinheit 10 zu übertragen. Sodann wird in Schritt ST 65 die Klopfflagge FLAG 2 auf "1" gesetzt und es wird mit Schritt ST 66 fortgefahren.

In Schritt ST 66 wird die Klopferfassungsflagge FLAG 1 zurückgesetzt und es wird mit Schritt ST 58 fortgefahren. In Schritt ST 58 werden der integrierte Wert K _NP und die Anzahl N _S der Abtastungen während der zweiten A/D-Wandlung zurückgesetzt, um zu der Hauptroutine zurückzukehren.

Wenn der dritte Zeitgeber 26 c das Ende T 1 E der ersten A/D-Wandlung erreicht, tritt wieder die Unterbrechung auf, die gemäß Fig. 7 charakterisiert ist. In Schritt ST 50 verbietet die CPU 21 eine Unterbrechung durch den vierten Zeitgeber 26 d, wobei die Abtastung des A/D-gewandelten Wertes ausgeführt wird. In Schritt ST 51 stellt die CPU 21 fest, ob die Klopfunterscheidungsflagge auf "1" gesetzt ist. In diesem Fall ist die Flagge auf "0" (FLAG 1=0) zu setzen, weil diese Routine für die Erfassung des Unterscheidungspegels steht. Demzufolge wird mit Schritt ST 52 fortgefahren, in dem die CPU 21 die Klopfflagge FLAG 2 abfragt. Wenn die Flagge FLAG 2 "0" ist, d. h., wenn bei der vorhergehenden Klopferfassung Klopfen festgestellt worden ist, wird mit Schritt ST 54 fortgefahren. Sodann berechnet die CPU 21 den Unterscheidungspegel in derselben Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel in den Schritten ST 54, ST 55 und ST 56.

Wenn jedoch Klopfen bei der vorhergehenden Erfassung festgestellt worden ist, d. h., FLAG=1 in Schritt ST 52, wird mit Schritt ST 53 fortgefahren. In Schritt ST 53 setzt die CPU 21 den letzten Unterscheidungspegel P _KN-1 als aktuellen Pegel P _KN .

Nach Schritt ST 56 oder ST 53 setzt die CPU 21 die Flagge (FLAG 1=1), um das Programm gemäß Fig. 7 für die nächste Klopferfassung (Schritt ST 60 bis ST 66) vorzubereiten. Sodann setzt die CPU 21 den integrierten Wert K _NP und die Anzahl N _S der Abtastungen zurück und kehrt zu der Hauptroutine zurück.

Wie oben detailliert beschrieben, umfaßt die Klopfdetektorvorrichtung nach der Erfindung die A/D-Wandlungsschaltung zum direkten Wandeln der Vibrationswellen von dem Klopfsensor in digitale Daten, und zwar bei jeder Abtastperiode, die Setzschaltung für die A/D-Wandlung zum Bestimmen der ersten und der zweiten Wandlungszeit, die Rechenschaltung zum Berechnen des Unterscheidungspegels auf der Grundlage des Durchschnittswertes des Ausgangssignals der A/D-Wandlungsschaltung während der ersten Wandlungszeit, die Rechenschaltung zum Berechnen des Klopfpegels auf der Grundlage des Durchschnittswertes des Ausgangssignales der A/D-Wandlungsschaltung während der zweiten Wandlungszeit und die Klopffeststellschaltung zum Feststellen, ob Klopfen auftritt, indem der Klopfwert mit dem Unterscheidungspegel verglichen wird. Demzufolge können die Vibrationswellen von dem Klopfsensor unabhängig von einer analogen Schaltung verarbeitet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist damit besser, was die Verläßlichkeit bei der Klopferfassung und die Verarbeitungsgeschwindigkeit angeht, weil die Schaltungselemente nicht von der Betriebszeit und den Charakteristika der analogen Schaltung beeinflußt sind.

Darüber hinaus muß keine Schaltungskonstante betreffend die Elemente in der analogen Schaltung gesetzt werden, weshalb die durch diese Konstante hervorgerufenen Fehler eliminiert sind. Somit bewirkt die Erfindung Vieles: Die Klopferfassung ist präzise, die Anzahl der Elemente der Schaltung ist geringer und es ist möglich, die Herstellungskosten zu senken.

In dem Fall, daß die Hilfsüberwachungseinheit zum ausschließlichen Verarbeiten der Ausgangssignale des Klopfsensors neben der Hauptüberwachungseinheit zum Überwachen des Zündzeitpunktes vorgesehen ist, ist es möglich, die Abtastperiode der Hilfseinheit ohne Rücksicht auf die Haupteinheit zu verkürzen, so daß die abgetasteten digitalen Daten die von dem Klopfsensor abgegebenen analogen Wellen reproduzieren können.

Ferner wird der Unterscheidungspegel in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der A/D-Wandlungsschaltung nach der ersten Wandlungszeit erneuert, wenn die Klopferfassungsschaltung kein Klopfen während der vorhergehenden zweiten Wandlungszeit feststellt, während der vorhergehende Pegel als aktueller Pegel gesetzt wird, wenn die Feststellschaltung das Auftreten von Klopfen in dem Motor feststellt. Demzufolge hat die Erfindung folgende Vorteile: Ein Fehler bei der Klopferfassung wird ausgeschlossen, das Klopfen wird in gewohnter Weise und genau erfaßt und das Ergebnis ist verbessert, weil der Unterscheidungspegel nicht von der Stärke des Klopfen beeinflußt wird.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen sowie der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims (5)

1. Klopfdetektorvorrichtung für einen Kraftfahrzeugmotor mit einem Klopfsensor (18) zum Erfassen analoger Vibrationswellen des Motors und einem Kurbelwinkelsensor (11) zum Erzeugen von Signalen, welche einem vorbestimmten Kurbelwinkel des Motors entsprechen, gekennzeichnet durch:
Wandlungsmittel (30) zum Wandeln analoger Wellen, welche von dem Klopfsensor (18) erfaßt sind, in digitale Daten in jeder vorbestimmten Abtastperiode;
Wahlmittel (32) zum Wählen einer ersten Wandlungszeit entsprechend einer Periode, in welcher kein Klopfen auftritt, und einer zweiten Wandlungszeit entsprechend einer Periode, in welcher Klopfen möglich ist, und zwar in einem Zyklus des Motors;
Setzmittel (34) zum Setzen eines Unterscheidungspegels auf der Grundlage eines ersten Durchschnittswertes der digitalen Daten von den Wandlungsmitteln (30) während der ersten von den Wahlmitteln (32) gewählten Wandlungszeit;
Rechenmittel (33) zum Berechnen eines Klopfpegels auf der Grundlage eines zweiten Durchschnittswertes der digitalen Daten von den Wandlungsmitteln (30) während der zweiten von den Wahlmitteln (32) gewählten Wandlungszeit; und
Feststellungsmittel (35) zum Feststellen, ob Klopfen auftritt, durch Vergleichen des von den Rechenmitteln (33) berechneten Klopfpegels mit dem von den Setzmitteln (34) gesetzten Unterscheidungspegels, wobei Klopfen festgestellt wird, wenn der Klopfpegel größer als der Unterscheidungspegel ist.

2. Klopfdetektorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahlmittel (32) die erste und die zweiten Wandlungszeit in Abhängigkeit von der Motordrehzahl auf der Grundlage der Signale von dem Kurbelwinkelsensor (11) wählen.

3. Klopfdetektorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Periodensetzmittel (31) zum Setzen der Abtastperiode auf einer Periode, mittels welcher die digitalen Daten die analogen Wellen in Abhängigkeit von der ersten und der zweiten Wandlungszeit reproduzieren können.

4. Klopfdetektorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Setzmittel (34) umfassen: einen ersten Rechner zum Berechnen der Amplitude der digitalen Daten bei jeder Abtastung, einen zweiten Rechner zum Berechnen des ersten Durchschnittswertes durch Durchschnittsbildung aus allen Amplitudenwerten, welche während der ersten Wandlungszeit abgetastet worden sind, und einen dritten Rechner zum Berechnen eines statistischen Mittelwertes des Durchschnittswertes als Unterscheidungspegel.

5. Klopfdetektorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Setzmittel (34) einen ersten Abschnitt umfassen, der auf ein Signal von den Feststellungsmitteln (35) hin entscheidet, daß ein vorhergehender Wert als Unterscheidungspegels als aktueller Wert desselben gesetzt wird, wenn Klopfen erfaßt wird.