DE4034411C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen des Klopfens einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen des Klopfens einer Brennkraftmaschine sowie eine Klopferfassungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw. 8.

Bei der gattungsgemäßen DE 38 19 395 A1 ist ein System zur Steuerung des Zündzeitpunktes eines Verbrennungsmotors gezeigt. Dort wird das Signal eines Klopfsensors mit einem Schwellwert verglichen, um nach Überschreiten des Schwellwertes kraft­ stoffbedingtes Klopfen feststellen zu können. Ein Ansaugluft­ druckfühler und ein Drehzahlfühler dienen der Steuerung des Zündzeitpunktes in Übereinstimmung mit den Maschinenbetriebs­ bedingungen, wobei jedoch der eigentliche Schwellwert nicht verändert wird.

Bei der Vorrichtung zum Erkennen des Klopfens einer Brenn­ kraftmaschine gemäß DE 33 45 354 A1 wird ein dem Klopfvorgang zugeordnetes Signal mit mindestens einem Referenzsignal ver­ glichen, wobei das Referenzsignal nach Art eines Digitalfilters gebildet wird.

Die EP 0 283 573 A1 zeigt weiterhin ein Klopferkennungs- und -steuersystem für eine Brennkraftmaschine, wobei das von einem Klopfsensor erhaltene Signal mit einer speziellen Einrichtung vorverarbeitet wird, um Störkomponenten auszuschalten, so daß die tatsächliche Klopfrelevanz des Ausgangssignals erhöht wird. Ein erwähnter Referenzpegelwert stellt eine Rückkopplungsgröße aus einem D/A-Umsetzer dar, der von einer CPU angesteuert wird. Mit Hilfe der CPU werden Maximalwerte des Klopfsensors ermit­ telt und in einem Speicher abgelegt. Unter Berücksichtigung laufend aktualisierter Maximalwerte erfolgt dann ebenfalls mittels der CPU eine Berechnung der vorerwähnten Referenzgröße. Ergänzend ist eine Mittelwertbildung denkbar. Der vorgesehene Aktualisierungs- oder Lernprozeß erfordert demnach die erwähnte CPU sowie mehrere, zeitkritisch ablaufende Rechenvorgänge. Eine direkte Beeinflussung des Schwellwertes im Sinne einer Änderung in Abhängigkeit vom tatsächlichen Maschinengeräuschpegel ist aus der oben zitierten Lösung nicht bekannt.

In der US 4,347,820 ist ein Verfahren zum Erfassen des Klopfens einer Brennkraftmaschine sowie eine Klopferfassungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine beschrieben. Bei diesem Verfahren werden mittels eines Klopfsensors Schwingungen der Maschine festgestellt und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Weiterhin wird ein den Pegel des Ausgangssignals des Klopfsen­ sors während einer vorgegebenen Periode bezeichnendes Pegel­ signal erzeugt und mit einem Schwellenwert verglichen, welcher aufgrund eines speziellen Betriebszustandes der Maschine bestimmt wird, wobei ein Klopfsignal erzeugt wird, wenn das Pegelsignal den Schwellenwert überschreitet. Dementsprechend weist diese Klopferfassungseinrichtung für eine Brennkraft­ maschine einen Klopfsensor auf, der ein Schwingungen der Maschine entsprechendes elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Weiterhin ist bei dieser Klopferfassungseinrichtung eine Pegelanzeigeeinrichtung vorgesehen, die ein den Pegel des Ausgangssignals des Klopfsensors während einer vorgegebenen Periode bezeichnendes Pegelsignal erzeugt. Darüber hinaus umfaßt diese Klopferfassungseinrichtung eine Schwellenwert­ bestimmungseinheit, die aufgrund des Ausgangssignals einen auf einem speziellen Betriebszustand basierenden Schwellenwert bestimmt, sowie eine Vergleichseinheit, die das Pegelsignal mit dem Schwellenwert vergleicht und schließlich ein Klopfen bezeichnendes Signal erzeugt, wenn das Pegelsignal den Schwellenwert übersteigt. Bei diesem Verfahren zum Erfassen des Klopfens einer Brennkraftmaschine und dieser Klopferfas­ sungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine ist von Nachteil, daß lediglich ein Sensor vorgesehen ist, um den Betriebszustand der Maschine zu erfas­ sen, auf dessen Grundlage der Schwellenwert bestimmt wird.

Des weiteren ist in der US-Z SAE TRANSACTIONS 1985, Section 2- Volume 94, Nr. 850298, H. Decker, H.-U. Gruber: "Knock Control of Gasoline Engines - A Comparison of Solutions and Tendencies, with Special Reference to Future European Emission Legis­ lation", vorgeschlagen, bei der Bestimmung des Schwellenwerts, der als Kriterium für die Klopferfassung dient, nicht nur einen mittleren Geräuschpegel, sondern auch einen geschwindigkeits­ abhängigen Faktor zu berücksichtigen.

Des weiteren geht aus der DE 37 42 120 A1 eine elektronische Zündsteuerungsvorrichtung mit Klopfsteuerung hervor, bei der u. a. die Betriebszustände der Maschine durch einen Drehzahl­ sensor zur Erfassung der Maschinendrehzahl und durch einen Lastsensor zur Erfassung der Maschinenlast vorgesehen sind.

Darüber hinaus offenbart die US 3,950,981 noch ein Automatik­ system zur Unterdrückung eines Grundrauschens einer Einrichtung zum Erfassen von Klopfen in einer Brennkraftmaschine, die mit einer Pegelanzeigeeinrichtung in Form eines Höchstpegel­ haltegliedes ausgestattet ist, das ein Pegelsignal erzeugt, welches den Höchstpegel des Ausgangssignals des Klopfsensors über eine vorbestimmte Periode kennzeichnet.

Weiterhin sind eine Reihe herkömmlicher Klopferfassungsein­ richtungen allgemein bekannt, die jeweils einen Klopfsensor in Form eines Beschleunigungssensors umfassen, der an der Maschine angeordnet ist und aufgrund von Maschinenschwingungen ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal des Klopfsensors wird anschließend unter Trennung von solchen Signalkomponenten, die auf Klopfen zurückgehen, von Signalkom­ ponenten, die auf verschiedene mechanische Schwingungen und elektrisches Rauschen zurückgehen, verarbeitet. Der Zündzeit­ punkt der Brennkraftmaschine wird dann verzögert, bis die auf Klopfen basierenden Signalkomponenten nicht mehr erfaßt werden können. Die Signalverarbeitung, der das Ausgangssignal des Klopfsensors unterzogen werden muß, ist kompliziert, so daß die konventionellen Klopferfassungseinrichtungen eine erhebliche Anzahl von einzelnen elektronischen Hardware-Bauelementen zur Durchführung der Signalverarbeitung verwenden. Die große Anzahl von Bauelementen wiederum führt dazu, daß die konventionellen Klopferfassungseinrichtungen jeweils viel Platz benötigen und zudem die Herstellungskosten wegen des zur Montage dieser Hardware-Bauelemente erforderlichen Arbeitsaufwandes sehr hoch sind. Außerdem können die Charakteristiken der einzelnen Hardware-Bauelemente solcher konventionellen Klopferfassungs­ einrichtungen nicht ohne weiteres bzw. in einem weiten Bereich verstellt werden, so daß der Freiheitsgrad der Steuerung der Klopferfassungseinrichtung beschränkt ist.

Ausgehend von Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erfassen des Klopfens einer Brenn­ kraftmaschine sowie eine Klopferfassungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, das ausgesprochen einfach handhabbar und besonders funktionsgenau ist bzw. die einfach und kompakt ausgestaltet sowie eine ausgesprochen hohe Funk­ tionsgenauigkeit aufweist, wobei sich gleichzeitig ein höherer Freiheitsgrad der Steuerung ermöglichen läßt.

Diese Aufgabe wird auf überraschend einfache Weise durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 8 in verfahrens- und vorrichtungstechnischer Hinsicht gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich in vorteilhafter Weise dadurch aus, daß das Klopfen einer Brennkraftmaschine auch dann präzise erfaßt werden kann, wenn sich die Betriebs­ bedingungen der Brennkraftmaschine ändern. Zudem ist es leicht möglich, Abweichungen der Geräuschpegel von massengefertigten Brennkraftmaschinen mittels diesem Verfahren auszugleichen.

Ein Vorteil der Klopferfassungseinrichtung nach der Erfindung liegt zudem darin, daß Klopfen auch dann präzise erfaßt werden kann, wenn sich die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ändern. Ferner weist die erfindungsgemäße Klopferfassungsein­ richtung den Vorteil auf, daß Abweichungen der Geräuschpegel von massengefertigten Brennkraftmaschinen ausgeglichen werden können.

Bei dem erfindungsgemäß Verfahren zum Erfassen des Klopfens einer Brennkraftmaschine bzw. der erfindungsgemäßen Klopfer­ fassungseinrichtung für die Brennkraftmaschine wird der Schwellenwert auf der Basis von Ausgangssignalen einer Vielzahl von Sensoren bestimmt, die verschiedene Betriebszustände der Maschine erfassen, wodurch eine ausgesprochen hohe Funktions­ genauigkeit erreicht werden kann. Der Schwellenwert wird dann nach Maßgabe der Differenz zwischen dem wahren Geräuschpegel der Maschine entsprechend einem Mittelwert des Pegelsignals und einem erwarteten Geräuschpegel, der durch die von den Sensoren erfaßten Betriebszustände bestimmt ist, geändert bzw. korri­ giert. Der geänderte bzw. korrigierte Schwellenwert wird dann mit dem Pegelsignal verglichen, um das Vorliegen von Klopfen zu bestimmen. Durch die Änderung bzw. Korrektur des Schwellenwerts können Abweichungen der Geräuschpegel von massengefertigten Brennkraftmaschinen ausgeglichen und die Klopferfassung selbst genauer durchgeführt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Sensoren einen Sensor zur Erfassung der Maschinendrehzahl und einen Sensor zur Erfassung der Maschinenlast. Durch Vorgabe des Schwellenwerts nach Maßgabe einer Mehrzahl von Betriebszustän­ den kann der Schwellenwert im Hinblick auf Änderungen des Maschinengeräuschpegels infolge von sich ändernden Betriebs­ bedingungen exakt eingestellt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Klopferfassungseinrichtung

Fig. 2 ein Impulsdiagramm, das das Ausgangssignal des Klopfsensors, das Taktsignal und das Höchst­ pegelsignal für das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 ein Diagramm, das ein Beispiel für die Bezie­ hung zwischen der Maschinendrehzahl, der Ma­ schinenlast und dem Schwellenwert für die Klopfbestimmung zeigt;

Fig. 4 ein Blockschaltbild eines Ausführungs­ beispiels der Erfindung; und

Fig. 5 ein Flußdiagramm des Betriebs des Ausführungs­ beispiels von Fig. 4.

Fig. 1 zeigt eine Klopfer­ fassungseinrichtung. Dabei ist ein konventioneller Klopf­ sensor 1 zur Aufnahme von Maschinenschwingungen an einem geeigneten Teil einer nicht gezeigten Mehrzylinder-Brenn­ kraftmaschine befestigt. Es können zwar mehrere Klopfsen­ soren 1 zur Aufnahme von Schwingungen der einzelnen Maschi­ nenzylinder vorgesehen sein, der Einfachheit halber wird aber der Fall beschrieben, daß nur ein Klopfsensor 1 zur Aufnahme von Schwingungen sämtlicher Zylinder vorgesehen ist. Der Ort der Befestigung des Klopfsensors 1 hängt vom Aufbau der Maschine ab, aber es sollte sich um einen Ort handeln, an dem Maschinenschwingungen leicht aufnehmbar sind. Der Klopfsensor 1 ist ein Beschleunigungsmesser, z. B. mit einem Piezoelement, das im Schwingungszustand ein elektrisches Ausgangssignal einer Größe erzeugt, die der Stärke der Schwingungen entspricht. Der Impulszug (a) von Fig. 2 zeigt, das Ausgangssignal A des Klopfsensors 1. Die Maschine erzeugt ständig Schwingungen, so daß auch ohne Auftreten von Klopfen das Ausgangssignal des Klopfsensors 1 Schwingungen mit kleiner Amplitude enthält, die auf normale mechanische Maschinenschwingungen (z. B. bewirkt durch das Öffnen und Schließen der Ventile) und elektrisches Rauschen zurückgehen. Wenn Klopfen auftritt, erhöht sich die Ampli­ tude des Ausgangssianals A jedoch stark. Klopfen wird durch die Verbrennung in den Maschinenzylindern erzeugt, so daß die Schwingungen großer Amplitude des Ausgangssignals A aufgrund von Klopfen allgemein dann auftreten, wenn der Kolben in einem Zylinder, in dem Klopfen auftritt, sich im Bereich von 10-60° nach dem oberen Totpunkt (OT) befindet.

Das Ausgangssignal A des Klopfsensors 1 wird einer Pegel­ anzeigeeinrichtung 2 in Form eines Höchstpegelhalteglieds Z zugeführt, das ein Höchstpegelsignal P erzeugt, das den Höchstpegel des Ausgangssignals A während einer vorbestimmten Periode bezeichnet, und dieses Signal P bis zum Rücksetzen hält. Die Kurve (c) von Fig. 2 zeigt ein Beispiel des Ausgangs­ signals des Höchstpegelhalteglieds Z. Das Höchstpegelsignal P wird in einem Analog-Digital-Wandler 3 in ein Digitalsi­ gnal umgewandelt.

Ein Kurbelwinkelsensor 4 nimmt die Rotation eines Teils der Maschine (allgemein der Kurbel- oder der Nockenwelle) auf und erzeugt ein Kurbelwinkelsignal θ, dessen Wert sich jedesmal ändert, wenn einer der Kolben der Maschine eine bestimmte Lage in bezug auf den OT hat. Das Kurbelwinkel­ signal θ wird einem Taktsignalgeber 6 zugeführt, der ein Taktsignal T erzeugt, das das Höchstpegelhalteglied der Pegelanzeigeeinrichtung 2 bei einer vorbestimmten Kolbenlage rücksetzt. Die Kurve (b) zeigt ein Beispiel des Taktsignals T, das in Form von Im­ pulsen vorliegt, die jedesmal, wenn einer der Kolben der Maschine eine erste Lage hat (beispielsweise 75° vor OT), eine Anstiegsflanke haben und jedesmal, wenn einer der Kolben eine zweite Kolbenlage hat (z. B. 5° vor OT), eine Abfallflanke haben. Bei diesem Beispiel wird das Höchst­ pegelhalteglied der Pegelanzeigeeinrichtung 2 geöffnet, wenn das Taktsignal T einen niedrigen Wert hat, und gesperrt, wenn das Taktsignal T einen hohen Wert hat. Ferner wird das Höchstpegelhalteglied der Pegelanzeigeeinrichtung 2 bei jeder Anstiegsflanke des Taktsignals T rückgesetzt. Außerdem wird das Höchstpegelhalteglied des Pegelanzeigeeinrichtung 2 bei jeder An­ stiegsflanke des Taktsignals T rückgesetzt. Kurbelwinkel­ sensoren zur Erzeugung eines Ausgangssignals bei bestimmten Kurbelwinkeln sind dem Fachmann allgemein bekannt, und jeder geeignete Sensortyp kann verwendet werden.

Eine Vielzahl von Sensoren ist vorgesehen, um verschiedene Betriebszustände der Maschine aufzunehmen. Bei dem Ausfüh­ rungsbeispiel von Fig. 1 umfassen diese Sensoren einen Kur­ belwinkelsensor 4 und einen Lastsensor 5. Der Lastsensor 5 nimmt einen Betriebszustand des Fahrzeugs auf, der die Ma­ schinenlast repräsentiert, und erzeugt ein Lastsignal L. Der Lastsensor 5 ist z. B. ein Halbleiter-Drucksensor, der den Unterdruck im Ansaugkrümmer der Maschine aufnimmt.

Die Ausgangssignale des Kurbelwinkelsensors 4 und des Last­ sensors 5 werden einer ersten Auswahleinrichtung 7 einer Schwellwertbestimmungseinrichtung zuge­ führt, der einen Maschinenbetriebsbereich D auf der Basis der Maschinendrehzahl N und der Maschinenlast L auswählt und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Die erste Aus­ wahleinrichtung 7 umfaßt einen Drehzahlsensor, der die Maschinendrehzahl N aus dem Kurbelwinkelsignal θ berech­ net. Ferner hat er einen internen Speicher, in dem die Be­ ziehung zwischen der Drehzahl N, der Maschinenlast L und den Maschinenbetriebsbereichen D in Form einer zweidimen­ sionalen Tabelle gespeichert ist. Nach der Berechnung der Drehzahl N greift die erste Auswahleinrichtung 7 auf ihren internen Speicher zurück und liefert ein aus der Tabelle ausgewähltes Betriebsbereichssignal, das den Maschinenbetriebsbe­ reich D bezeichnet.

Für jeden Maschinenbetriebsbereich D gibt es einen ent­ sprechenden Schwellenwert TH, der zur Klopfbestimmung dient. Der Schwellenwert TH, für jeden Maschinenbetriebsbereich D ist in einer zweiten Auswahleinrichtung 8 des Schwellwertbestimmungseinrichtung in Form eines ROM gespeichert. Jedesmal, wenn die erste Auswahleinrichtung den Maschinenbetriebsbereich D bestimmt, wird auf die zweite Auswahlein­ richtung 8 in Form eines ROM zurückgegriffen und ein Schwellenwertsignal erzeugt, das den dem Maschinenbetriebsbereich D entsprechenden Schwellenwert TH bezeichnet.

Es besteht eine Übereinstimmung von 1 : 1 zwischen den Maschinenbetriebsbereichen D und den Schwellenwerten TH. Es ist daher möglich, den Zwischenschritt der Bestimmung des Maschinenbe­ triebsbereichs D entfallen zu lassen und den Schwellenwert TE direkt aus der Drehzahl N und der Last L zu bestimmen. Beispielsweise können der Speicher in der erster Auswahlein­ richtung 7, in dem eine Beziehung zwischen der Maschinen­ drehzahl N, der Maschinenlast L und dem Maschinenbetriebsbereich D gespeichert ist, und die zweite Auswahleinrichtung 8 in Form eines ROM zur Speicherung einer Be­ ziehung zwischen dem Maschinenbetriebsbereich D und dem Schwellen­ wert TH durch einen einzigen Speicher ersetzt werden, in dem eine Beziehung zwischen der Drehzahl N, der Maschinen­ last L und dem Schwellenwert TH gespeichert ist.

Wegen der 1 : 1 Übereinstimmung zwischen den Maschinenbe­ triebsbereichen D und den Schwellenwerten TE bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner ersichtlich, daß der Schwel­ lenwert TE tatsächlich eine Funktion einer Mehrzahl von Maschinenbetriebszuständen, d. h. der Maschinendrehzahl N und der Maschinenlast L, ist. Der Schwellenwert TH wird auf der Grundlage einer Mehrzahl von Maschinenbetriebszuständen bestimmt, weil der Geräuschpegel der Maschine mit einem einzigen Betriebszustand wie etwa der Maschinendrehzahl N nicht vollständig bestimmt werden kann. Das Maschinenge­ räusch nimmt zwar mit steigender Drehzahl N zu, aber auch bei Niedrigdrehzahl und geringer Maschinenlast L ist der Maschinengeräuschpegel hoch, und die Erfassung von Klopfen ist schwierig. Wenn daher der Schwellenwert TH nur eine Funktion der Maschinendrehzahl N wäre, hätte er bei Niedrigdrehzahl und geringer Last einen niedrigen Pegel. Aufgrund des hohen Geräuschpegels zu diesem Zeitpunkt könn­ te eine exakte Klopferfassung nicht durchgeführt werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist daher die Beziehung zwi­ schen der Drehzahl N, der Last L, dem Betriebsbereich D und dem Schwellenwert TH derart, daß der Schwellenwert TH mit steigender Drehzahl N größer wird. Ferner wird der Schwel­ lenwert TH größer, wenn die Maschinenlast L bei konstanter Drehzahl N der Maschine abnimmt. Fig. 3 zeigt ein Beispiel für die Beziehung zwischen der Drehzahl N, der Maschinen­ last L und dem Schwellenwert TE. Dabei sind L, und L2 zwei verschiedene Lastpegel mit L₁ < L₂. Infolgedessen ist auch bei niedriger Drehzahl N und geringer Last L der Schwellen­ wert TE mit einem ausreichend hohen Pegel vorgegeben, so daß der hohe Maschinengeräuschpegel unter diesen Betriebs­ bedingungen ein exaktes Erfassen von Klopfen nicht verhin­ dern kann.

Das Ausgangssignal der A/D-Wandlers 3 und das Schwellen­ wertsignal TH aus des zweiten Auswahleinrichtung 8 werden in eine Vergleichseinrichtung 9 eingegeben, in dem das Höchstpegelsignal P mit dem Schwellenwertsignal TH verglichen und ein Ausgangssignal C erzeugt wird, das anzeigt, ob Klopfen stattfindet. Die Vergleichseinrichtung 9 kann einen Vergleicher enthalten, der ein Ausgangssignal C erzeugt dessen Wert sich ändert (z. B. zwischen einem H- und einem L-Pegel), wenn das Höchstpe­ gelsignal P das Schwellenwertsignal TE übersteigt. Alter­ nativ kann die Vergleichseinrichtung 9 einen Differenzverstärker enthalten, der ein Ausgangssignal C erzeugt, dessen Größe der Differenz zwischen dem Pegel des Höchstpegelsignals P und dem Pegel des Schwellenwertsignals TH proportional ist.

Das Ausgangssignal C der Vergleicheinrichtung 9 wird in einen Verzögerungswinkelrechner 10 eingegeben, der einen Verzö­ gerungswinkel θR berechnet und ein entsprechendes Aus­ gangssional erzeugt, das einer Zündzeitpunktsteuerung 11 zugeführt wird. Der Verzögerungswinkel θR ist der Winkel, um den der Zündzeitpunkt der Maschine relativ zu einem Grundzündzeitpunkt, der der Zündzeitpunkt für den besten Wirkungsgrad bei Abwesenheit von Klopfen und unter den momentanen Maschinenbetriebszuständen ist, verzögert wird. Der Grundzündzeitpunkt wird von der Zündzeitpunkt­ steuerung 11 auf der Basis von verschiedenen Maschinenbe­ triebsparametern wie der Drehzahl gemäß dem Ausgangssignal des Kurbelwinkelsensors 4 und der vom Lastsensor 5 aufge­ nommenen Maschinenlast berechnet. Algorithmen, die von der Zündzeitpunktsteuerung 11 zum Berechnen des Grundzündzeit­ punkts genützt werden können, sind wohlbekannt. Nach Be­ stimmung des Grundzündzeitpunkts berechnet die Zündzeit­ punktsteuerung 11 einen korrigierten Zündzeitpunkt unter Subtraktion des Verzögerungswinkels θR vom Grundzündzeit­ punkt. Dann wird der korrigierte Zündzeitpunkt zur Steue­ rung des Zeitpunkts genützt, zu dem die nicht gezeigten Zündkerzen der Maschine gezündet werden.

Der Verzögerungswinkelrechner 10 ändert den Verzögerungs­ winkel θR schrittweise. Wenn das Ausgangssignal der Vergleichseinrichtung 9 anzeigt, daß Klopfen stattfindet, ver­ größert der Verzögerungswinkelrechner 10 den Verzögerungs­ winkel θR schrittweise in vorgegeben Intervallen. Wenn das Ausgangssignal C der Vergleichseinrichtung 9 nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer einen Pegel annimmt, der anzeigt, daß kein Klopfen mehr auftritt, verkleinert der Verzögerungswinkelrechner 10 den Verzögerungswinkel θR wiederum schrittweise in Richtung Null. Durch das wieder­ holte Verstellen des Verzögerungswinkels θR wird die Maschine möglichst nahe dem Grundzündzeitpunkt für den besten Wirkungsgrad betrieben, ohne daß Klopfen auftritt.

Wenn die Vergleichseinrichtung 9 einen Differenzverstärker enthält und dessen Ausgang ssignal C der Größe der Differenz zwi­ schen dem Höchstpegelsignal P und dem Schwellenwert TH pro­ portional ist, kann der Verzögerungswinkelrechner 10 den Verzögerungswinkel θR schrittweise proportional der Größe des Ausgangssignals C verstellen. Damit kann der Verzöge­ rungswinkelrechner 10 den Verzögerungswinkel θR schnell (in großen Schritten) ändern, wenn C einen hohen Pegel hat, und den Verzögerungswinkel θR langsamer (in kleineren Schritten) ändern, wenn C einen niedrigen Pegel hat.

Es ist möglich, daß die Elemente 6 bis 11 der Fig. 1 diskrete elektronische Bauelemente sind, die in der gezeigten Weise miteinander verbunden sind. Bevorzugt umfassen diese Ele­ mente jedoch einen Mikrocomputer mit einer CPU, die die Funktionen der Elemente 6 bis 11 mittels Software ausführt. Die meisten modernen Brennkraftmaschinen sind bereits mit einer elektronischen Steuereinheit ausgerüstet, die einen Mikro­ computer zur Steuerung des Zündzeitpunkts, des Kraftstoff­ einspritzzeitpunkts und weiterer Aspekte der Maschine auf­ weist. Ein bereits vorhandener Mikrocomputer für eine elek­ tronische Steuereinheit kann durch einfaches Ändern der von ihm ausgeführten Programme an die Durchführung der Funk­ tionen der Elemente 6 bis 11, von Fig. 1 angepaßt werden.

Da die Elemente 6 bis 11 einen Mikrocomputer umfassen können, kann die angegebene Klopferfassungseinrichtung unter An­ wendung einer sehr kleinen Anzahl von Hardware-Komponenten hergestellt werden. Infolgedessen sind die Kosten für Hard­ ware und Montage niedrig, und es kann eine kleine Einrich­ tung gebaut werden. Da ferner die Funktionen dieser Ele­ mente mittels Software durchführbar sind können Änderungen hinsichtlich der Betriebsweise der Klopferfassungseinrichtung ohne weite­ res vorgenommen werden, indem die vom Mikrocomputer ausge­ führte Software geändert wird, so daß viel Freiheit hin­ sichtlich der Steuerung durch die Klopferfassungseinrichtung gegeben ist.

Das Ausführungsbeispiel von Fig. 1 hat nur zwei Sensoren zur Aufnahme von Maschinenbetriebszuständen. Es ist jedoch möglich, eine größere Anzahl Sensoren zu verwenden, und es können auch andere Sensortypen verwendet werden. Als einer der Vielzahl von Sensoren kann beispielsweise ein Tempera­ tursensor für die Kühlwassertemperatur der Maschine einge­ setzt werden. In diesem Fall wählt die erste Auswahleinrich­ tung 7 den Maschinenbetriebsbereich D so aus, daß der Schwellen­ wert TH mit steigender Kühlwassertemperatur größer wird.

Wenn die Klopferfassungseinrichtung bei massengefertigten Brennkraftmaschinen verwendet wird, sind die in der zweiten Auswahleinrichtung 8 ge­ speicherten und zur Klopfbestimmung genützten Schwellen­ werte TH Werte, die empirisch bestimmt sind, um Klopfen in einer typischen Maschine genau erfassen zu können. Durch Herstellungstoleranzen bedingt sind jedoch keine zwei mas­ sengefertigten Maschinen gleich, so daß der Rauschpegel bei zwei verschiedenen Maschinen des gleichen Typs auch dann stark unterschiedlich sein kann, wenn die Maschinen unter identischen Bedingungen laufen. Ebenso sind keine zwei massengefertigten Klopfsensoren genau gleich, und die Aus­ gangscharakteristiken von zwei eigentlich identischen Sen­ soren können voneinander abweichen, obwohl die von jedem Sensor aufgenommenen Rauschpegel identisch sind.

Wegen solcher Abweichungen zwischen Maschinen und Klopf­ sensoren kann der für einen bestimmten Maschinenbetriebs­ bereich D vorbestimmte Schwellenwert TH zu hoch oder zu niedrig sein. Wenn er zu hoch ist, kann der Höchstpegel P den Schwellenwert TE auch bei Auftreten von Klopfen nicht Überschreiten, so daß Klopfen nicht erfaßt und nicht unter­ drückt wird. Wenn dagegen der Schwellenwert TE zu niedrig ist, führen Schwankungen des Höchstpegelsignals P, die durch andere Quellen als Klopfen, etwa durch willkürliche mechanische Schwingungen, hervorgerufen sind, dazu, daß der Höchstpegel P den Schwellenwert TH häufig überschreitet, so daß die Vergleichseinrichtung 9 das Auftreten von Klopfen fest­ stellt, obwohl die Maschine tatsächlich normal läuft. In diesem Fall wird der Zündzeitpunkt unnötig verzögert, wodurch der Wirkungsgrad der Maschine verschlechtert wird.

Dieses Problem wird beim Ausführungsbeispiel einer Klopferfassungseinrichtung gemäß Fig. 4 beseitigt. Dabei wird das Schwellenwertsignal TH im Hinblick auf den tatsächlichen Geräuschpegel einer Maschine bei Abwesenheit von Klopfen so geändert bzw. korrigiert, daß ein geänderter bzw. korri­ gierter Schwellenwert TH* erhalten wird. Die Klopfbe­ stimmung erfolgt auf der Basis des geänderten korrigierten Schwellen­ werts TH*.

Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels gleicht demjenigen von Fig. 1, wobei gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen aufweisen. Zusätzlich zu den Elementen des Ausführungsbei­ spiels von Fig. 1 enthält dieses Ausführungsbeispiel wei­ tere Elemente 12 bis 15. Ein Mittelwertbildner 12 mittelt das Höchstpegelsignal P vom Höchstpegelhalteglied 2 über eine bestimmte Anzahl von Kurbelwellenumdrehungen der Maschine und erzeugt ein Mittelwärtsignal P*. Das Mittelwertsignal P* ist eine Anzeige für den Geräuschpegel der Maschine bei Abwesenheit von Klopfen. Ein der zweiten Auswahleinrichtung 8 in Form eines von Fig. 1 entspre­ chende Auswahleinrichtung 8 in Form eines ROM enthält eine Tabelle, die für jeden Betriebsbereich D der Maschine einen Schwellenwert TH liefert. Ein Speicher 13 in Form eines ROM enthält eine Tabelle, die für jeden Maschinenbetriebsbereich D einen Bezugsgeräuschpegel N' ent­ hält. Der Bezugsgeräuschpegel N' bezeichnet den erwarteten Geräuschpegel, d. h. den erwarteten Pegel des Höchstpegel­ signals P in einer typischen Maschine in einem gegebenen Maschinenbetriebsbereich D. Für jeden Maschinenbetriebsbereich D ist der in der zweiten Auswahleinrichtung 8 gespeicherte entsprechende Schwellenwert TH der zur Klopferfassung geeignete Schwellenwert, wenn der Maschinengeräuschpegel gleich dem Bezugsgeräuschpegel N' dieses Betriebsbereichs D ist.

In vorbestimmten Intervallen werden der Bezugsgeräuschpegel N' aus dem Speicher 13 und das Mittelwertsignal P* aus dem Mittelwertbildner 12 einem Dividierer 14 zugeführt, der das Mittelwertsignal P* durch den Bezugsgeräuschpegel N' dividiert und ein Ausgangssignal erzeugt, das den Wert des Verhältnisses K = P*/N' bezeichnet. Das Ausgangssignal des Dividierers 14 und der Schwellenwert TH aus der zweiten Auswahleinrichtung 8 einem Multiplizierer 15 zugeführt, der einen korrigierten Schwellenwert TH* mit dem Wert TH* = K × TH* errechnet. Das Ausgangssignal des Multipli­ zierers 15 (der korrigierte Schwellenwert TH*) wird dann einer Vergleichseinrichtung 9 zugeführt, der den korrigierten Schwellenwert TH* mit dem digitalisierten Wert des Höchst­ pegelsignals P von einem A-D-Wandler 3 vergleicht und ein Ausgangssignal C entsprechend dem Vergleichsergebnis erzeugt. Auf der Basis des Ausgangssignals C wird der Zünd­ zeitpunkt in gleicher Weise wie beim ersten Ausführungs­ beispiel eingestellt.

Wenn das Mittelwertsignal P* gleich dem Bezugsgeräuschpegel N' ist, hat K den Wert 1, und der korrigierte Schwellenwert TH* ist gleich dem Schwellenwert TH. Wenn das Mittelwert­ signal P* größer als der Bezugsgeräuschpegel N' ist, heißt das, daß der Maschinengeräuschpegel höher als der für den momentanen Maschinenbetriebsbereich D erwartete Geräuschpegel ist, so daß K größer als 1 und TH* größer als TH ist. Infolge­ dessen wird der Schwellenwert für die Klopfbestimmung erhöht, und eine fehlerhafte Klopferfassung durch die Vergleichs­ einrichtung 9 kann vermieden werden. Wenn andererseits das Mittelwertsignal P* kleiner als der Bezugsgeräuschpegel N' ist, bedeutet das, daß der Maschinengeräuschpegel niedriger als der für den momentanen Maschinenbetriebsbereich D erwartete Pegel ist, so daß K kleiner als 1 und TH* kleiner als TH ist. Infolgedessen wird der Schwellenwert für die Klopfbestimmung durch die Vergleichseinrichtung 9 gesenkt, und Klopfsignale können ungeachtet des niedrigen Pegels des Höchstpegelsignals P genau erfaßt werden.

Bevorzugt umfassen die Elemente 6 bis 15 der Fig. 4 einen Mikrocomputer, der die Funktionen dieser Elemente mit Hilfe eines Programms ausführt.

Das Flußdiagramm von Fig. 5 zeigt ein von dem Ausführungs­ beispiel nach Fig. 4 durchgeführte Verfahren zur Änderung bzw. Korrektur des Schwellenwerts TH. In Schritt S1 werden verschiedene im Programm verwendete Flags und Variablen initialisiert. Dann wird in Schritten S2 und S3 abgefragt, ob die Maschinen­ drehzahl und die Maschinenlast zur Durchführung der Klopf­ erfassung ausreichend hoch sind. Wenn die Drehzahl oder die Maschinenlast unter einer entsprechenden Untergrenze liegt, erfolgt ein Rücksprung. Wenn jeder dieser Parameter größer oder gleich der entsprechenden Untergrenze ist, errechnet in Schritt S4 der Mittelwertbildner 12 den momentanen Mit­ telwert P* des Höchstpegelsignals P. In Schritt S5 wird aus dem zweiten ROM 13 der Bezugsgeräuschpegel N' ausgelesen, und in Schritt S6 wird im Dividierer 14 das Verhältnis K = P*/N' berechnet. In Schritt S7 wird ein korrigierter Schwellenwert TH* im Multiplizierer 15 unter Anwendung der Gleichung TH* = K × TH berechnet, wonach ein Rücksprung durchgeführt wird.

Das Programm nach Fig. 5 kann beliebig oft wiederholt wer­ den. Es kann beispielsweise jedesmal bei der Erzeugung eines neuen Höchstpegelsignals P durchgeführt werden, was bei dem Beispiel von Fig. 4 jedesmal erfolgt, wenn ein Kolben der Maschine die erste Kolbenlage von 75° OT hat.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 verwendet eine Mehrzahl von Sensoren (einen Kurbelwinkelsensor 4 und einen Last­ sensor 5) zur Erfassung der Maschinenbetriebszustände. Es ist zwar möglich, den Maschinenbetriebsbereich D der Maschine auf der Basis des Ausgangssignals eines einzigen Sensors zu bestimmen, wie in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 erläutert wurde, aber der Betriebsbereich D kann bei Verwendung von mehreren Sensoren genauer bestimmt werden.

Die Ausführungsbeispiele der Fig. 1 und 4 verwenden ein Höchstpegelhalteglied einer Pegelanzeigeeinrichtung 2 zur Erzeugung eines Pegelsignals, das den Pegel des Ausgangssignals A des Klopfsensors 1 anzeigt, aber zu diesem Zweck kann auch ein anderes Element verwendet werden. Beispielsweise kann das Höchstpegelhalte­ glied der Pegelanzeigeeinrichtung 2 durch einen Integrierer ersetzt werden, der das Ausgangssignal des Klopfsensors 1 über eine vorgegebene Periode integriert und ein dem Integrationswert entspre­ chendes Pegelsignal erzeugt.

Wie oben gesagt, kann eine Klopferfassungseinrichtung gemäß der Erfindung mehr als einen einzigen Klopfsensor 1 auf­ weisen. Beispielsweise kann an jedem Zylinder der Maschine ein gesonderter Klopfsensor 1 vorgesehen sein. Wenn die Zylinder in Reihen unterteilt sind, kann alternativ jede Reihe einen gesonderten Klopfsensor 1 aufweisen.

Claims (18)

1. Verfahren zum Erfassen des Klopfens einer Brennkraftma­ schine, wobei mittels eines Klopfsensors (1) Schwingungen der Maschine festgestellt und ein entsprechendes Ausgangssignal (A) erzeugt werden, und wobei ein den Pegel des Ausgangssignals (A) des Klopfsensors (1) während einer vorgegebenen Periode be­ zeichnendes Pegelsignal (P) erzeugt und mit einem Schwellenwert (TH) verglichen wird, welcher aufgrund eines speziellen Betriebszustandes der Maschine bestimmt wird, wobei ein Klopfsignal (C) erzeugt wird, wenn das Pegelsignal (P) den Schwellenwert (TH) überschreitet, wobei weiterhin eine Mehrzahl von verschiedenen Betriebszuständen der Maschine erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Grundlage der Mehrzahl von verschiedenen Betriebszuständen der Schwellenwert (TH) bestimmt wird, derart, daß eine Änderung des Schwellenwertes (TH) erfolgt, wenn sich bedingt durch eine Änderung der verschiedenen Betriebszustände der Maschine der Maschinengeräuschpegel ändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebszustände der Maschine durch einen Kurbel­ winkelsensor (4) zur Erfassung des Kurbelwinkelsignals (θ) bestimmt werden, wobei ein Drehzahlsensor aus diesem Kurbelwinkelsignal (θ) die Maschinendrehzahl (N) ermittelt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Betriebszustände der Maschine durch einen Lastsensor (5) zur Erfassung der Maschinenlast (L) und/oder durch einen Temperatursensor zur Erfassung der Kühlwasser­ temperatur bestimmt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (TH) bei zunehmender Maschinendrehzahl (N) und konstanter Maschinenlast (L) und/oder bei abnehmender Maschinenlast (L) und konstanter Maschinendrehzahl (N) erhöht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (TH) mit steigender Kühlwassertemperatur erhöht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellenwert (TH) zu dessen Änderung mit einem Ver­ hältnis (K) des eigentlichen Maschinengeräuschpegels zu einem erwarteten Geräuschpegel (N') multipliziert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der eigentliche Maschinengeräuschpegel durch die Bildung eines Mittelwerts (P*) des Pegelsignals (P) über eine vorgegebene Periode bestimmt wird.

8. Klopferfassungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach den An­ sprüchen 1 bis 7, mit

• 1. - einem Klopfsensor (1), der ein Schwingungen der Maschine entsprechendes elektrisches Ausgangssignal (A) erzeugt;
• 2. - einer Pegelanzeigeeinrichtung (2), die ein den Pegel des Ausgangssignals (A) des Klopfsensors (1) während einer vorgegebenen Periode bezeichnendes Pegelsignal (P) erzeugt;
• 3. - einer Schwellenwertbestimmungseinheit (7, 8), die aufgrund des Ausgangssignals einen auf einem speziellen Betriebs­ zustand basierenden Schwellenwert (TH) bestimmt; mit
• 4. - einer Vergleichseinrichtung (9), die das Pegelsignal (P) mit dem Schwellenwert (TH) vergleicht und ein das Klopfen bezeichnendes Signal (C) erzeugt, wenn das Pegelsignal (P) den Schwellenwert (TH) übersteigt; sowie
• 5. - einer Mehrzahl von Sensoren (4, 5) zur Aufnahme einer Mehrzahl von verschiedenen Betriebszuständen der Maschine,

dadurch gekennzeichnet, daß auf der Grundlage der verschiedenen Betriebszustände der Maschine der Schwellenwert (TH) bestimmbar ist, derart, daß eine Änderung des Schwellenwertes (TH) erfolgt, wenn sich bedingt durch eine Änderung der verschiedenen Betriebszustände der Maschine der Maschinengeräuschpegel ändert.

9. Klopferfassungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Sensoren ein Kurbelwinkelsensor (4) ist, der ein Kurbelwinkel­ signal (θ) aufnimmt, wobei ein Drehzahlsensor aus diesem Kurbelwinkelsignal (θ) die Maschinendrehzahl (N) ermittelt.

10. Klopferfassungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Sensoren einen Lastsensor (5) ist, der ein die Maschinen­ last (L) bezeichnendes Signal erzeugt, und/oder ein weiterer Sensor ein Temperatursensor ist, der ein die Kühlwassertemperatur bezeich­ nendes Signal erzeugt.

11. Klopferfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwertbestimmungseinrichtung (7, 8) eine erste Auswahleinrichtung (7) zur Auswahl eines Maschinenbetriebs­ bereichs (D) auf der Basis der Mehrzahl von Betriebszuständen der Maschine und eine zweite Auswahleinrichtung (8) zur Auswahl eines dem ausgewählten Maschinenbetriebsbereich (D) entspre­ chenden Schwellenwert (TH) umfaßt.

12. Klopferfassungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Auswahleinrichtung (7) Mittel zum Berechnen der Maschinendrehzahl (N) auf der Basis des Ausgangssignals eines Drehzahlsensors und einen Speicher aufweist, in dem eine Beziehung zwischen der Maschinendrehzahl (N), der Maschinenlast (L) und dem Maschinenbetriebsbereich (D) gespeichert ist, und daß die zweite Auswahleinrichtung (8) einen Speicher umfaßt, in dem eine Beziehung zwischen dem Maschinenbetriebsbereich (D) und dem Schwellenwert (TH) gespeichert ist.

13. Klopferfassungseinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwertbestimmungseinrichtung (7, 8) Mittel aufweist, um den Schwellenwert (TH) bei zunehmender Maschinen­ drehzahl (N) und konstanter Maschinenlast (L) und/oder bei abnehmender Maschinenlast (L) und konstanter Maschinendrehzahl (N) zu erhöhen.

14. Klopferfassungseinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenwertbestimmungseinrichtung (7, 8) Mittel aufweist, um den Schwellenwert bei steigender Kühlwassertem­ peratur zu erhöhen.

15. Klopferfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittelwertbildner (12) vorgesehen ist, der das Pegel­ signal (P) von der Pegelanzeigeeinrichtung (2) über eine vor­ bestimmte Periode mittelt und ein dem Maschinengeräuschpegel entsprechendes Mittelwertsignal erzeugt.

16. Klopferfassungseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicher (13) vorgesehen ist, in dem eine Beziehung zwischen dem Maschinenbetriebsbereich (D) und einem Bezugs­ geräuschpegel (N') gespeichert ist.

17. Klopferfassungseinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dividierer (14) vorgesehen ist, der das Mittelwert­ signal (P*) durch den Bezugsgeräuschpegel (N') dividiert und ein dem Verhältnis (K) entsprechendes Ausgangssignal erzeugt.

18. Klopferfassungseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß ein Multiplizierer (15) vorgesehen ist, der den Schwellen­ wert (TH) von der Schwellenwertbestimmungseinrichtung (7, 8) mit dem Verhältnis (K) aus dem Mittelwertsignal (P*) und den Bezugsgeräuschpegel (N') multipliziert und einen geänderten Schwellenwert (TH*) erzeugt.