DE4015992A1 - Verfahren zur erkennung und messung des klopfens von brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erkennung und Messung des Klopfens von Brennkraftmaschinen, insbesondere von fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, bei dem Signale eines oder mehrerer Sensoren ausgewertet werden, um eine Information über klopfenden Betrieb zu erhalten.

Als "Klopfen" bezeichnet man einen Vorgang im Brennraum einer Brennkraftmaschine, der zu einer sehr schnellen Energieumsetzung führt und aufgrund von dadurch bedingten hohen thermischen und mechanischen Belastungen zu Zerstörungen von Bauteilen am Motor führen kann. Hervorgerufen werden kann Klopfen durch eine zu frühe Einstellung der Zündung oder auch durch Verwendung von Kraftstof­ fen mit zu geringer Oktanzahl. Um Klopfen sicher zu vermeiden, wurde in der Vergangenheit neben einer vorgeschriebenen Kraftstoffquali­ tät der Zündwinkel stets mit einem Sicherheitsabstand zur sogenann­ ten "Klopfgrenze" (dem Zündwinkel, bei dem Klopfen beginnt) versehen.

Allerdings ist die Arbeitsweise der Brennkraftmaschinen, insbe­ sondere hinsichtlich der Abgas-Emissionen oder des Kraftstoffver­ brauches, bei derartigen Zündeinstellungen vielfach nicht optimal. In neuerer Zeit entwickelte elektronische Steuergeräte für die Zündung erlauben eine flexible Einstellung des Zündwinkels. Zu­ sammen mit einer automatischen Erkennung des Klopfens ermöglichen sie, den Zündwinkel am Rande der Klopfgrenze einzustellen.

Das Problem ist aber die eigentliche Erkennung des Klopfens. Es sind zwar Verfahren und Vorrichtungen zur Erkennung des Klopfens bekannt, jedoch läßt ihre Zuverlässigkeit noch zu wünschen übrig, so daß häufige Fehlerkennungen die Folge sind.

Wenn der Erkennungsmechanismus auf empfindliche Arbeitsweise ein­ gestellt ist, also ein entsprechend großer Sicherheitsabstand zur Klopfgrenze eingehalten wird, hat dies die Folge, daß die Parame­ ter der Arbeitsweise der Brennkraftmaschine vielfach nicht optimal eingestellt werden. Dabei werden nicht-klopfende Arbeitsspiele fälschlicherweise als klopfend gedeutet.

Wenn dagegen der Erkennungsmechanismus so eingestellt ist, daß der Betrieb der Brennkraftmaschine nahe der KIopfgrenze erfolgt, so treten vermehrt nicht erkannte Klopfvorgänge mit dem Risiko von Motorschäden auf, da klopfende Arbeitsspiele fälschlicherweise als nicht-klopfend gedeutet werden.

Die bisher bekannten Verfahren zum Erkennen des Klopfens beruhen auf der Tatsache, daß bei Auftreten klopfender Arbeitsspiele im Motor das Gas im Brennraum zu Schwingungen angeregt wird. Obwohl eine Anzahl verschiedener Meßprinzipien bekannt sind (Messung des Ionenstroms an der Oberfläche des Brennraums, Messung der Kraft z. B. an Zylinderkopfschrauben, Messung der Lichtintensität im Brennraum), wird bei Fahrzeugen im allgemeinen ein Beschleuni­ gungssensor zur Klopferkennung verwendet. Die Schwingungen des Gases im Brennraum werden dabei über das Motorgehäuse oder den Zylinderkopf an den daran befestigten Beschleunigungssensor geleitet und von ihm in elektrische Signale umgeformt. Aus den höherfrequenten Anteilen dieser Signale können Informationen über das Klopfverhalten des Motors gewonnen werden.

Bei bekannten Verfahren zur Erkennung des Klopfens wird entweder meßtechnisch oder rechnerisch jeweils eine einzige charakteristi­ sche Eigenschaft (z. B. maximale Amplitude des Signals während der Zeit eines Arbeitsspiels) für jedes Arbeitsspiel des Motors bestimmt. Durch Vergleich des so erhaltenen Wertes mit einem Re­ ferenzwert wird dann die Entscheidung abgeleitet, ob Klopfen be­ steht oder nicht: "Ja" oder "nein". Der Referenzwert ist entweder vorgegeben, oder er wird für jedes Arbeitsspiel neu berechnet.

Bei einigen Systemen dieser Art wird dabei der um einen Faktor K angehobene mittlere Wert der Signalamplituden während einer An­ zahl vergangener Arbeitsspiele als Referenzwert zur Klopfentschei­ dung verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Erkennen klopfenden Betriebes insbesondere von fremdgezündeten Motoren zu verbessern und Fehlentscheidungen bei der Klopferkennung zu vermeiden. Hierdurch wird ermöglicht, daß der Motor sehr nah an der Klopf­ grenze betrieben werden kann, so daß eine erhebliche Verbesserung insbesondere hinsichtlich des Abgasverhaltens, des Kraftstoffver­ brauches und weiterer wesentlicher Eigenschaften erreicht werden kann.

Gemäß der Erfindung ist bei einem Verfahren der eingangs bezeich­ neten Art vorgesehen, daß für die Auswertung mehr als eine cha­ rakteristische Eigenschaft (im folgenden "Merkmal" genannt) die­ ser Signale bestimmt wird und aus einer Verknüpfung dieser Merkmale und nachfolgendem Vergleich mit einem oder mehreren Referenzwerten Informationen über das Klopfverhalten der Brennkraftmaschine erhalten werden.

Als Referenzwerte sind hierbei auch Werte zu verstehen, die In­ tervall- bzw. Gebietsgrenzen festlegen. In diesem Sinne stellt eine Analog-Digital-Umsetzung ebenfalls das Ergebnis eines Ver­ gleichs mit Referenzwerten dar.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Merkmale durch analoge oder digitale Rechenoperationen aus der Messung der jeweiligen Signale gewonnen werden, und daß ein einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine zugeordnetes Merkmal aus einem Signalausschnitt berechnet wird, der nur zu einem Arbeits­ spiel gehört.

Auch kann es Vorteile bieten, wenn die Merkmale durch analoge oder digitale Rechenoperationen aus der Messung der jeweiligen Signale gewonnen werden und ein einem Arbeitsspiel der Brenn­ kraftmaschine zugeordnetes Merkmal aus einem Signalausschnitt be­ rechnet wird, der zu mehr als einem Arbeitsspiel gehört.

Die "Merkmale" eines Signals können der Maximal- und/oder Mini­ malwert des Signals und/oder die Energie des Signals und/oder die maximale und/oder minimale Änderungsgeschwindigkeit des Signals und/oder weitere das Signal beschreibende Größen und/oder die Zeitpunkte des Auftretens dieser Merkmale sein.

Auch können der Mittelwert und/oder die Standardabweichung und/oder die Varianz und/oder ein oder mehrere weitere statisti­ sche Momente eines Merkmals des Signals, jeweils gebildet über eine Anzahl von Arbeitsspielen der Brennkraftmaschine, als (neues) Merkmal verwendet und ausgewertet werden.

Als "Varianz" wird dabei ein Maß für die mittlere quadratische Abweichung des betrachteten Merkmals vom Mittelwert dieses Merk­ mals bezeichnet, jeweils beobachtet über eine Anzahl verschiede­ ner Arbeitsspiele der Brennkraftmaschine. Die "Standardabwei­ chung" ist dann die Quadratwurzel aus der Varianz.

Der Begriff des "statistischen Moments" ist mathematisch über For­ meln definiert. Im vorliegenden Zusammenhang ist die Varianz das zweite zentrale statistische Moment. Statistische Momente be­ schreiben die Verteilungsfunktion. Sie sind näherungsweise ver­ gleichbar mit den bekannten mechanischen Momenten, wenn man sich die Verteilungsfunktion als massebehaftete Fläche vorstellt.

Vorzugsweise werden die Signale von einem oder mehreren an der Brennkraftmaschine angebrachten Beschleunigungssensoren erzeugt.

Weitere vorteilhafte Möglichkeiten bestehen darin, daß die Sig­ nale in diskreten Zeitabständen abgetastet werden, und daß die Rechenoperationen wenigstens zum Teil signalmäßig hinter der Ab­ tastung erfolgen. Das bedeutet, daß das Signal zunächst abgetastet wird und danach die Rechenoperationen auf die Abtastwerte des Sig­ nals angewendet werden. Auch kann die Verknüpfung der Merkmale durch Rechenoperationen erfolgen, wobei neue Merkmale erzeugt werden.

Die Auswertung erfolgt vorzugsweise derart, daß die Gesamtheit aller ermittelten Merkmale als Vektor im Merkmalsraum interpre­ tiert wird und durch Aufteilung des Merkmalsraumes in Teilräume jedem Punkt im Merkmalsraum und damit jedem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine eine oder mehrere bestimmte Eigenschaften hin­ sichtlich des Klopfverhaltens zugeordnet werden. Dabei kann die Aufteilung des Merkmalsraumes in Teilräume vor Einsatz des Ver­ fahrens fest vorgegeben werden. Auch kann die Aufteilung des Merkmalsraumes in Teilräume während des Verfahrens ständig angepaßt werden, wobei die Anpassung der Aufteilung des Merkmalsraumes in Teilräume aufgrund von Informationen erfolgt, die aus Signalen gewonnen werden.

Für jeden Teilraum können vorzugsweise Informationen abgespei­ chert werden, aus der die Zuordnung der Eigenschaften hinsicht­ lich des Klopfens für Punkte innerhalb dieses Teilraumes (Gebie­ tes) hervorgeht. Die Ermittlung dieser Informationen erfolgt vor­ zugsweise aufgrund von Stichprobenmessungen, für die jeweils ein Merkmalsvektor gebildet wird. Die zu diesen Merkmalsvektoren vor­ handenen, möglichst objektiven Kenntnisse über das Klopfverhalten werden dazu benutzt, die Informationen für die Teilräume zu ermit­ teln.

Für Teilräume (Gebiete), für die keine Informationen aus der Stichprobenmessung resultieren, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Informationen aus den Nachbargebieten bestimmt (bzw. "geschätzt") werden. Hierbei ist es günstig, die unterschiedli­ chen Risiken (Konsequenzen) von Fehlentscheidungen zu berücksich­ tigen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine erste Schaltungsanordnung zur Aus­ führung des Verfahrens gemäß der Erfindung, bei der ein einzelner Sensor zur Klopferkennung dient.

Fig. 2 zeigt eine entsprechende Schaltungsanordnung mit mehreren Sensoren.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung zur Ausführung der Funktionen "Vergleich mit Referenzwerten" und "Entscheidung".

Fig. 4 zeigt im Diagramm die Kriterien der Entscheidung, ob Klop­ fen vorliegt oder nicht.

Fig. 5 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Ausführung der Funktionen "Vergleich mit Referenzwerten" und "Entscheidung".

Fig. 6 zeigt im Diagramm eine weitere vorteilhafte Ausführungs­ form der Erfindung.

Fig. 1 zeigt als Beispiel die Klopferkennung gemäß der vorliegen­ den Erfindung bei Verwendung eines Sensors 1. Ein Signal 2, das Sensor 1 liefert, wird über eine erste Signalaufbereitungseinheit 3 geführt. Aus dem so aufbereiteten Signal 4 werden in Stufe 5 (Merkmal-Berechnung) mehrere charakteristische Eigenschaften (Merkmale) 6 des Signals bestimmt (z. B. Maximalwert, maximale zeitliche Änderung, Kurbelwinkel bei Maximalwert, Signalenergie in einem bestimmten Kurbelwinkelbereich u. a.).

In einer darauf folgenden Stufe 7 (Verknüpfung der Merkmale) werden die berechneten Merkmale 6 (die als Basismerkmale bezeich­ net werden können) miteinander kombiniert, um so die Eigenschaf­ ten des Signals in anderer Weise darzustellen. Wenn die Gesamt­ heit der Basismerkmale 6 als Vektor zusammengefaßt wird, dann kann die Verknüpfung eine beliebige vektorwertige Funktion im mathematischen Sinne sein, die den Basismerkmal-Vektor 6 in einen Vergleichsmerkmal-Vektor 8 überführt, der in der folgenden Stufe 9 (Vergleich mit Referenzwerten) Grundlage einer Klopfentschei­ dung bzw. Klopfbewertung ist. Die vektorwertige Funktion kann z. B. eine lineare Abbildung (beispielsweise eine Hauptachsentrans­ formation) sein. Als "vektorwertige Funktion" wird dabei eine mathematische Verknüpfung der Kompenenten des Basismerkmal- Vektors bezeichnet, derart, daß sich daraus wieder ein Vektor (der Vergleichsmerkmal-Vektor) ergibt. Oder mit anderen Worten: eine mathematische Abbildung des Vektorraums der Basismerkmale auf den Vektorraum der Vergleichsmerkmale.

In der Stufe 9 (Vergleich mit Referenzwerten) werden die im Ver­ gleichsmerkmal-Vektor 8 zusammengefaßten Merkmale mit Referenz­ werten 13 verglichen. Die Referenzwerte 13 können dabei z. B. dazu dienen, Hyperebenen zu beschreiben, die den Merkmalsraum in Teil­ räume aufteilen. Bezogen auf den n-dimensionalen Vektorraum wird dabei jeder lineare (n-1)-dimensionale Vektorraum als "Hyper­ ebene" bezeichnet. (Für eine zweidimensionale Ebene ist jede in ihr liegende Gerade eine "Hyperebene"; für einen - dreidimensionalen - Raum ist jede in ihm liegende Ebene eine "Hyperebene" usw.). Im vorliegenden Fall setzt sich die Umrandung der Teilräume aus Hyperebenen zusammen.

Jedes Arbeitsspiel wird dann anhand seines Vergleichsmerkmal-Vek­ tors 8 einem der Teilräume zugeordnet und dadurch in seiner Klopf­ eigenschaft klassifiziert. Alternativ können die Referenzwerte 13 aber z. B. auch dazu dienen, im Merkmalsraum Referenzpunkte zu be­ schreiben. Der Abstand zwischen dem Referenzpunkt und dem Punkt, auf den der Vergleichsmerkmal-Vektor 8 zeigt, kann dann z. B. als Maß für das Klopfverhalten des gerade betrachteten Arbeitsspiels dienen. Als Ergebnis des Vergleichs folgt eine Bewertung des aktuellen Klopfver­ haltens des Motors in der Entscheidungsstufe 14.

Die Referenzwerte 13 können durch eine zweite Signalaufberei­ tungs-Einheit 10 aus dem Signal 2 des Sensors 1 ermittelt werden. In einer der Signalaufbereitungs-Einheit 10 nachgeschalteten Stu­ fe 12 (Referenzwertbestimmung/-nachführung) wird ständig aus dem aufbereiteten Signal 11 ein Satz Referenzwerte 13 ermittelt, die für den Vergleich in der Stufe 9 (Vergleich mit Referenzwerten) zur Verfügung gestellt werden. Die Referenzwerte 13 können aber auch fest vorgegeben sein.

Eine vorteilhafte weitere Ausführungsform der Erfindung ergibt sich, wenn in der Stufe 7 (Verknüpfung der Merkmale) nicht nur die Basismerkmale 6 eines Arbeitsspiels, sondern mehrere Arbeits­ spiele miteinander verknüpft werden. Dann kann der Vergleichsmerk­ mal-Vektor 8 auch statistische Eigenschaften der Basismerkmale enthalten oder vollständig aus solchen bestehen. Dies ermöglicht dann eine Beschreibung der Klopfeigenschaften nicht nur zum Zeit­ punkt eines Arbeitsspiels sondern während eines Betriebspunktes des Motors.

Alle in den einzelnen Verarbeitungsstufen enthaltenen Rechenope­ rationen können entweder durch Hardware (analoge oder digitale Schaltungen) oder durch Software (programmtechnisch unter Verwen­ dung eines Rechenwerkes) durchgeführt werden.

Statt nur eines Sensors, wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 angenommen wurde, kann das Verfahren auch Signale mehrerer Sensoren auswerten. Fig. 2 zeigt eine mögliche Konfiguration mit verschiedenen Sensoren 1a und 1b, den zugehörigen Sensorsignalen 2a und 2b sowie den entsprechend Fig. 1 notwendigen Signalaufbe­ reitungsstufen 3a, 3b und 10a, 10b. Wie unter den Bezugszeichen 1c, 10c und 3c angedeutet ist, können auch mehr als zwei Sensoren mit den zugehörigen Signalaufbereitungsstufen vorhanden sein.

Die aufbereiteten Signale 4a und 4b werden der Stufe 5 (Merkmal- Berechnung) zugeführt, die dann einen Satz Basismerkmale aus der Gesamtheit der Signale 4a, 4b berechnet. Entsprechend werden die aufbereiteten Signale 11a, 11b der Stufe 12 (Referenzwertbestim­ mung/-nachführung) zugeführt; aus ihnen wird ein Satz Referenz­ werte gebildet. Die weitere Verarbeitung erfolgt wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der beiden Funk­ tionsblöcke 9 (Vergleich mit Referenzwerten) und 14 (Entschei­ dungsstufe). Zwei Merkmalswerte 21 und 22, die als elektrische Spannungswerte vorliegen, werden jeweils einem von zwei Span­ nungskomparatoren 23 und 24 zugeführt. Die jeweils anderen Ein­ gänge 25 und 26 der Spannungskomparatoren werden mit zwei Refe­ renzwerten gespeist. Durch diese analoge Schaltung wird Merkmal 21 mit Referenzwert 25 und Merkmal 22 mit Referenzwert 26 vergli­ chen. Die Ergebnisse der zwei Vergleiche liegen an den Ausgängen als digitale Signale "HIGH" oder "LOW" vor. Sie werden an die Entscheidungsstufe weitergeleitet, die durch logische Verknüpfung eine Klopfentscheidung (Klopfen: "ja" oder "nein") trifft. Die in Fig. 3 gezeichnete Entscheidungsstufe liefert an ihrem Ausgang 27 ein logisches Signal "HIGH", wenn Merkmal 21 größer als Referenz­ wert 25 ist und wenn Merkmal 22 kleiner als Referenzwert 26 ist.

Auf die Darstellung in Fig. 1 bezogen bilden die Merkmalswerte 21 und 22 zusammen den Vergleichsmerkmal-Vektor 8 und die Referenz­ werte 25 und 26 den Referenzwert-Vektor 13. Die zwei Merkmale stellen jeweils einen Punkt im 2dimensionalen Merkmalsraum dar. Die Referenzwerte teilen den Merkmalsraum in vier Teilräume, wie Fig. 4 zeigt. Die vier Teilräume sind durch die Bezugszahlen 31, 32, 33 und 34 gekennzeichnet. Die in Fig. 3 dargestellte Entschei­ dungsstufe ordnet dem in Fig. 4 schraffiert gezeichneten Bereich (Teilraum 34) den Ausgang "HIGH" und dem nicht schraffierten Bereich (Teilräume 31, 32 und 33) den Ausgang "LOW" zu.

Fig. 5 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Funktionsblöcke 9 (Vergleich mit Referenzwerten) und 14 (Entschei­ dungsstufe) unter Verwendung von 3 Merkmalen. Die drei Merkmale 41, 42 und 43, die ebenfalls als elektrische Spannungswerte vor­ liegen, werden jeweils einem Analog-Digital-Umsetzer 44, 45, 46 zugeführt. In Fig. 5 sind einfache 3-bit-A/D-Umsetzer 44, 45 und 46 gezeigt, die den Wertebereich der Merkmale in acht Teilbe­ reiche einteilen. Je nach Merkmalswert gehört jedes Merkmal zu einem der Teilbereiche; die A/D-Umsetzer 44, 45, 46 melden die Zugehörigkeit des entsprechenden Merkmals binär verschlüsselt als "HIGH"- oder "LOW"-Pegel ihrer drei Ausgangssignale.

Da jedes der drei Merkmale einem von acht Teilbereichen zugeord­ net wird, ergeben sich somit 8×8×8=512 mögliche verschiedene Kom­ binationen, verschlüsselt in 9 Signalleitungen. In der nachfol­ genden Entscheidungsstufe 14 wird jeder dieser Kominationen ein bestimmtes Klopfverhalten (z. B. Klopfstärke) zugeordnet. Diese Zuordnung kann, wie in Fig. 5 gezeigt, durch Verwendung eines PROM 47 geschehen. Die neun Eingangssignale des PROM 47 adres­ sieren genau einen Speicherplatz im PROM. Sein Inhalt enthält die Be­ schreibung des Klopfzustandes, der zu der gerade anliegenden Kom­ bination von Eingangssignalen und damit zu der aktuellen Kombi­ nation der drei Merkmale 41, 42 und 43 gehört; er wird an die Ausgänge 48 des PROM weitergegeben.

Auf die Darstellung in Fig. 1 bezogen bilden die Merkmale 41, 42 und 43 zusammen den Vergleichsmerkmal-Vektor 8. Referenzwerte sind hier die in den A/D-Umsetzern festliegenden Intervallgren­ zen, die den Wertebereich der Eingänge der A/D-Umsetzer in Teil­ bereiche unterteilen. Diese Intervallgrenzen bilden den Referenz- Vektor 13. Die drei Merkmale stellen jeweils einen Punkt im 3di­ mensionalen Merkmalsraum dar. Die Referenzwerte teilen den Merk­ malsraum in 512 Teilräume. Jedem dieser Teilräume wird durch das PROM 47, das hier die Entscheidungsstufe 14 darstellt, einem Klopf­ zustand zugeordnet. Die Zuordnung ist über das PROM 47 frei program­ mierbar.

Sowohl die Ausführungsform in Fig. 3 als auch in Fig. 5 arbeiten vollständig in Hardware ohne Zuhilfenahme eines Mikroprozessors oder ähnlicher digitaler Rechenwerke. Es lassen sich daneben wei­ tere vorteilhafte Ausführungsformen darstellen. Z. B. kann durch Veränderung der Eingangscharakteristik der A/D-Umsetzer 44, 45, 46 oder durch vorgeschaltete Verstärker eine nichtlineare Auftei­ lung des Wertebereichs in Teilbereiche erzielt werden. Durch Nach­ führung der Referenzspannung der A/D-Umsetzer 44, 45, 46 können die Referenzwerte im Betrieb beeinflußt werden. Ebenso kann das PROM 47 durch einen Schreib/Lese-Speicher ersetzt werden, der im Be­ trieb z. B. durch einen Mikroprozessor eine Anpassung der Zuord­ nung zwischen Merkmalswerten und zugehörigen Klopfbewertungen er­ möglicht.

Bei Einsatz von digitalen Rechenwerken lassen sich auch weitaus komplexere Erkennungsmöglichkeiten realisieren. Z. B. können zu­ nächst sehr viele Basismerkmale berechnet werden, aus denen dann, z. B. mit Hauptachsentransformation, die Merkmale mit dem höchsten Informationsgehalt bestimmt und weiterverarbeitet werden. Ebenso lassen sich die Grenzen der Teilbereiche sehr viel flexibler bei Verwendung von Mikroprozessoren festlegen als das mit reinen Hardware-Einheiten möglich ist.

Als "Hauptachsentransformation" wird dabei eine Drehung und/oder Verschiebung des Koordinatensystems derart bezeichnet, daß die Orientierung/Vorzugsrichtungen des vorliegenden geometrischen Gebildes (Kurve, Körper, Punktwolke, . . .) in Richtung der neuen Koordinatenachsen liegen. Bei Ellipsen in der Ebene wird durch eine Hauptachsentransformation das x-y-Koordinatensystem so ge­ dreht/verschoben, daß sein Nullpunkt im Mittelpunkt der Ellipse liegt und die x-Achse in Richtung der größeren Ellipsenachse zeigt.

Bei bekannten Verfahren wird zur Feststellung klopfenden Betrie­ bes durch Beobachtung bzw. Auswertung des Körperschalls der Brennkraftmaschine als Referenzwert ein Mittelwert, gebildet aus den Signalen vorangegangener Arbeitsspiele, verwendet. Dieser Mittelwert verändert sich jedoch in Abhängigkeit vom Auftreten von Störsignalen, die z. B. infolge mechanischer Körperschallan­ regung entstehen. Die Summe aller Störsignale verursacht ein Signalniveau während des nicht klopfenden Motorbetriebs, das sich insbesondere in Abhängigkeit vom Betriebspunkt, der Lebensdauer des Motors usw. verändert. Daher ist der Mittelwert vorangegangener Arbeitsspiele nicht als Referenzwert geeignet.

Die "Standardabweichung" beschreibt die Abweichung des jeweils festgestellten Merkmals vom Mittelwert vorangegangener Arbeitsspie­ le. Da sie den Schwankungen des Niveaus des Mittelwertes nicht unterliegt, wird die Festlegung des Schwellwertes, also der Klopf­ grenze, vereinfacht. Die Standardabweichung reagiert sehr empfind­ lich auf das stochastische Auftreten von klopfenden Verbrennungs­ zyklen und eignet sich daher gut zur Quantifizierung sowohl der Klopfstärke eines einzelnen Arbeitsspiels als auch des Klopfzu­ standes bei der Betrachtung vieler aufeinanderfolgender Arbeits­ spiele.

Für eine Einstellung des Klopfregelsystems auf optimale Motorlei­ stung, das heißt Motorbetrieb im leicht klopfenden Bereich, ist eine klopfstärkenabhängige Motorverstellung (z. B. Spätverstellung des Zündzeitpunktes) zur Vermeidung von stark klopfenden Arbeits­ spielen erforderlich.

Fig. 6 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel die Klopferkennung mit Körperschallsensoren 51. In gleicher Weise wird auch bei Ver­ wendung von Zylinderdrucksensoren vorgegangen. Die Anzahl der Sensoren 51 richtet sich nach der Bauart des Motors (Zylinderzahl und Zylinderanordnung). Dementsprechend werden einer oder mehrere Sensoren 51 eingesetzt. Zur Erlangung einer hohen Sicherheit der Klopferkennung ist die Verwendung eines Sensors für jeden Zylin­ der vorteilhaft. Die Signale 52 der Sensoren 51 werden in einer Signalaufbereitung 53 verstärkt und in einem breiten Fre­ quenzbereich, der möglichst viele vom jeweiligen Sensor registrier­ te Klopffrequenzen enthält, in einem Bandpaßfilter gefiltert. Als "Klopffrequenzen" werden dabei die unter anderem von der Brenn­ raumgeometrie abhängigen, bei Klopfen auftretenden Eigenfrequen­ zen der Brennraumladung (Raumresonanzen) bezeichnet.

Aus den aufbereiteten Signalen 54 werden in Stufe 55 die Energien der "Signalfenster" (1. Merkmal) je Arbeitsspiel und für jeden Zylin­ der bestimmt, d. h. die Signale 54 werden quadriert oder gleichge­ richtet und in einem vorgegebenen Kurbelwinkelbereich integriert.

Aus den so erzeugten Merkmalswerten 56 wird in Stufe 57 der zum I-ten Arbeitsspiel gehörende gleitende Mittelwert aus dem zum vorhergehenden Arbeitsspiel gehörenden gleitenden Mittelwert MW(I-1), dem Merkmalswert E(I) (Energiewert des I-ten Arbeits­ spiels) und einem vorgegebenen Wert Z (Zweierpotenz, z. B: 2, 4, 8, 16 usw.) entsprechend der Formel

MW(I) = MW(I-1) * (Z-1)/Z + E(I)/Z

bestimmt. Außerdem werden aus den Merkmalswerten 56 in Stufe 58 die "gleitende Standardabweichung" (2. Referenzwert) 61 nach der Formel

St(I) = St(I-1) * (L-1)/L + |E(I) - MW(I-1)|/L

bestimmt, wobei St(I) die zum I-ten Arbeitsspiel gehörende glei­ tende Standardabweichung, ST(I-1) die zum vorhergehenden Arbeits­ spiel gehörende gleitende Standardabweichung und L ein vorgegebe­ ner Wert (Zweierpotenz, z. B: 2, 4, 8, 16 usw.) ist.

Bei der Bestimmung des 1. Referenzwertes 60 und des 2. Referenz­ wertes 61 werden die als klopfend erkannten Arbeitsspiele nicht berücksichtigt.

In Stufe 59 wird der aktuelle Wert der gleitenden Standardabwei­ chung (2. Merkmal) 62 in gleicher Weise wie der 2. Referenzwert 61 in der Stufe 58 bestimmt, wobei die als klopfend erkannten Ar­ beitsspiele nicht berücksichtigt werden.

In der darauf folgenden Stufe 64 wird der Wert 62 des 2. Merkmals mit dem 2. Referenzwert verglichen, wobei als 2. Referenzwert 61 der zum vorhergehenden Arbeitsspiel gehörende Wert der gleitenden Standardabweichung verwendet wird. Überschreitet der 2. Merkmals­ wert 62 den 2. Referenzwert 61 um ein bestimmtes Maß, so ist eine notwendige Bedingung zur Klopferkennung erfüllt. Der Wert des 2. Merkmals (Standardabweichung einschließlich dem Energiewert des beobachteten Arbeitsspiels) kann sehr hoch sein, wenn der Merkmals­ wert 56 (Energiewert des beobachteten Arbeitsspiels) infolge Klopfens einen hohen Wert oder infolge einer "leisen" Verbrennung einen niedrigen Wert aufweist. Daher wird in Stufe 63 zusätzlich der Merkmalswert 56 (Energiewert des beobachteten Arbeitsspiels) mit dem 1. Referenzwert (gleitender Mittelwert) 60 verglichen. Ist dieser Wert größer als der 1. Referenzwert 60, sind beide Be­ dingungen erfüllt, und das betrachtete Arbeitsspiel wird als klopfend eingestuft, d. h. in Stufe 66 wird die Klopfentscheidung 67 "Ja" getroffen. Im Falle der Klopfentscheidung 67 "Ja" wird in der Stufe 68 anhand eines Vergleichswertes 65 eine Klassierung der Klopfstärke durchgeführt und in Stufe 69 "Klopfregelung" eine von der Klopfstärke abhängige Verstellung der Motoreinstel­ lung (z. B: Spätverstellung des Zündzeitpunktes des momentan be­ trachteten Zylinders um einen bestimmten Winkelbetrag) vorgenommen.

Claims (17)

1. Verfahren zur Erkennung und Messung des Klopfens von Brennkraft­ maschinen, bei dem Signale eines oder mehrerer Sensoren ausgewertet werden, um eine Information über klopfenden Betrieb zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, daß für die Auswertung mehr als eine charak­ teristische Eigenschaft (im folgenden "Merkmal" genannt) dieser Sig­ nale bestimmt wird und aus einer Verknüpfung dieser Merkmale und nachfolgendem Vergleich mit einem oder mehreren Referenzwerten Infor­ mationen über das Klopfverhalten der Brennkraftmaschine erhalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Merkmale durch analoge oder digitale Rechenoperationen aus der Messung der jeweiligen Signale gewonnen werden, und daß ein einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine zugeordnetes Merkmal aus einem Signalausschnitt berechnet wird, der nur zu einem Arbeits­ spiel gehört.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Merkmale durch analoge oder digitale Rechenoperationen aus der Messung der jeweiligen Signale gewonnen werden, und daß ein einem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine zugeordnetes Merkmal aus einem Signalausschnitt berechnet wird, der zu mehr als einem Ar­ beitsspiel gehört.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Merkmale eines Signals der Maximal- und/oder Minimalwert des Sig­ nals und/oder die Energie des Signals und/oder die maximale und/oder minimale Änderungsgeschwindigkeit des Signals und/oder weitere das Signal beschreibende Größen und/oder die Zeitpunkte des Auftretens dieser Merkmale sind.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelwert und/oder die Standardabweichung und/oder die Varianz und/oder ein oder mehrere weitere statistische Momente eines Merkmals des Signals jeweils gebildet und über eine Anzahl von Ar­ beitsspielen der Brennkraftmaschine als (neues) Merkmal verwendet und ausgewertet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signale von einem oder mehreren an der Brenn­ kraftmaschine angebrachten Beschleunigungssensoren erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signale in diskreten Zeitabständen abgetastet werden, und daß die Rechenoperationen wenigstens zum Teil sig­ nalmäßig hinter der Abtastung erfolgen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verknüpfung der Merkmale durch Rechenopera­ tionen erfolgt und dabei neue Merkmale erzeugt werden.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gesamtheit aller ermittelten Merkmale als Vek­ tor im Merkmalsraum interpretiert wird und durch Aufteilung des Merkmalsraumes in Teilräume jedem Punkt im Merkmalsraum und damit jedem Arbeitsspiel der Brennkraftmaschine eine oder mehrere be­ stimmte Eigenschaften hinsichtlich seines Klopfverhaltens zugeordnet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des Merkmalsraumes in Teilräume vor Einsatz des Ver­ fahrens fest vorgegeben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des Merkmalsraumes in Teilräume während des Verfah­ rens ständig angepaßt wird, und daß die Anpassung der Aufteilung des Merkmalsraumes in Teilräume aufgrund von Informationen er­ folgt, die aus Signalen gewonnen werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für Teilräume aus Stichprobenmessungen ermittelte Informationen abgespeichert werden, die eine Zuordnung von Eigen­ schaften hinsichtlich des Klopfverhaltens ermöglichen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für Teilräume (Gebiete), in denen keine Informa­ tionen durch Stichprobenmessung verfügbar sind, die Informationen zur Zuordnung der Eigenschaften anhand der Informationen der be­ nachbarten Teilräume ermittelt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung der Informationen zur Zuordnung der Eigenschaften anhand der Informationen der Nachbargebiete die unterschiedli­ chen Risiken (Konsequenzen) von Fehlentscheidungen berücksichtigt werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeich­ net,
daß der Wert (56) der Energie des Signalausschnitts des jeweili­ gen Arbeitsspiels ein Merkmal,
daß der gleitende Mittelwert (60) der Energie des Signalaus­ schnitts des jeweiligen Arbeitsspiels über mehrere vorangegange­ ne Arbeitsspiele außer dem jeweils beobachteten Arbeitsspiel und außer den als klopfend erkannten Arbeitsspielen einen Referenz­ wert,
daß die gleitende Standardabweichung (62 bzw. 61) einer Anzahl vor­ angegangener Arbeitsspiele ein weiteres Merkmal (62) bzw. einen weiteren Referenzwert (61) darstellen,
daß der Vergleich des Merkmals (62) (Standardabweichung ein­ schließlich des jeweils beobachteten Arbeitsspiels und außer den als klopfend erkannten Arbeitsspielen) mit dem Referenzwert (61) (Standardabweichung außer dem beobachteten Arbeitsspiel und außer den als klopfend erkannten Arbeitsspielen) eine notwendige Bedingung
und der Vergleich des Energiewerts (56) des jeweils beobachteten Arbeitsspiels mit dem Referenzwert (60) (gleitender Mittelwert einer Anzahl vorangegangener Arbeitsspiele außer dem jeweils be­ obachteten Arbeitsspiel und außer den als klopfend erkannten Ar­ beitsspielen) eine hinreichende Bedingung
für die Erkennung klopfender Verbrennung des jeweils beobachte­ ten Arbeitsspiels darstellt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der zum I-ten Arbeitsspiel gehörende gleitende Mittelwert MW(I) aus dem zum vorhergehenden Arbeitsspiel gehörenden Mittelwert MW(I-1),
aus dem Energiewert E(I) des I-ten Arbeitsspiels und aus einem vorgegebenen Wert Z (Zweierpotenz, z. B. 2, 4, 8, 16 usw.) entsprechend der Formel MW(I) = MW(I-1) * (Z-1)/Z + E(I)/Zund daß die gleitende Standardabweichung des I-ten Arbeitsspiels entsprechend der FormelSt(I) = ST(I-1) * (L-1)/L + |E(I) - MW(I-1)|/Lbestimmt wird, wobei St(I) die dem I-ten Arbeitsspiel zugeordnete gleitende Standardabweichung, St(I-1) die dem vorhergehenden Ar­ beitsspiel zugeordnete gleitende Standardabweichung und L ein vorgegebener Wert (Zweierpotenz, z. B. 2, 4, 8, 16 usw.) ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erfüllung der Bedingungen für die Erkennung klopfender Verbrennung die Klopfstärke des jeweils beobachteten Arbeits­ spiels durch Vergleich des Merkmals (Standardabweichung einer An­ zahl vorangegangener Arbeitsspiele einschließlich des beobachteten Arbeitsspiels und außer den als klopfend erkannten Arbeitsspielen) mit dem Referenzwert (Standardabweichung einer Anzahl vorangegan­ gener Arbeitsspiele außer dem beobachteten Arbeitsspiel und außer den als klopfend erkannten Arbeitsspielen) und/oder durch Vergleich des jeweils beobachteten Merkmals (Energiewert des betrachteten Arbeitsspiels) mit dem Referenzwert (gleitender Mittelwert einer Anzahl vorangegangener Arbeitsspiele außer dem betrachteten Arbeits­ spiel und außer den als klopfend erkannten Arbeitsspielen) klassifi­ ziert wird und eine nachfolgende Veränderung der Motoreinstellung (z. B.: Spätverstellung des Zündzeitpunktes) zur Vermeidung von klop­ fender Verbrennung in Abhängigkeit von der Klopfstärke vorgenommen wird.