DE4113743A1 - Vorrichtung und verfahren zur regelung der klopfgrenze in einer brennkraftmaschine - Google Patents
Vorrichtung und verfahren zur regelung der klopfgrenze in einer brennkraftmaschineInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Regelung des Klopfens in einer Brennkraftmaschine,
beispielsweise in einem Fahrzeug-Benzinmotor, die das
Klopfen im Motor erfaßt und verschiedene
Motorregelparameter in einer Weise überwacht, um das
Klopfen zu unterdrücken. Insbesondere betrifft sie eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der
Klopfgrenze, die in der Lage sind, die Regelung der
Klopfgrenze zu verbessern und die Fertigungskosten der
Vorrichtung zu verringern.
Im allgemeinen wird in einer Brennkraftmaschine, wie
beispielsweise einem Fahrzeug-Benzinmotor mit einer Anzahl
Zylinder das Luftbrennstoffgemisch in jedem Zylinder
verdichtet und an einem optimalen Zündzeitpunkt gezündet,
damit eine maximale Ausgangsleistung ohne Auftreten eines
Klopfens erzeugt wird. Zur ordnungsgemäßen Regelung des
Betriebs der jeweiligen Zylinder ist es übliche Praxis,
einen Mikrocomputer einzusetzen, der den Zündzeitpunkt,
die Brennstoffeinspritzfolge, den
Brennstoffeinspritzzeitpunkt und dergleichen für
die jeweiligen Zylinder in optimaler Weise steuert.
Unter den Steuerparamentern, wie zum Beispiel
Brennstoffeinspritzmenge für jeden Zylinder,
Zündzeitpunkt, etc., so treten, falls der Zündzeitpunkt
auf eine zu große Vorzündung geregelt wird,
Motorschwingungen, die als Klopfen bezeichnet werden, in
Folge einer anormalen Verbrennung des
Luft/Brennstoffgemisches in einem Zylinder auf, und der
Zylinder kann beschädigt oder zerstört werden. Um eine
derartige Situation zu vermeiden, sollten, wenn anormale
Motorschwingungen durch einen Sensor erfaßt werden, die
Motorregelungsparameter in einer Richtung zum Unterdrücken
der Klopfgrenze geregelt werden. Beispielsweise wird der
Zündzeitpunkt für einen klopfenden Zylinder verzögert oder
die in den klopfenden Zylinder einzuspritzende
Brennstoffmenge wird verringert.
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer bekannten
Vorrichtung zur Regelung der Klopfgrenze einer
Brennkraftmaschine. In der Figur umfaßt die gezeigte
Vorrichtung einen Klopfsensor 1 in Gestalt eines
Beschleunigungssensor und dergleichen, der auf einem Motor
zum Erfassen eines Klopfens im Motor installiert ist,
beispielsweise zum Erfassen von
Schwingungsbeschleunigungen in den Zylindern als Folge der
Klopfgrenze und zur Erzeugung eines entsprechenden
elektrischen Ausgangssignals A, eine
Klopfen-Erfassungsschaltung 2 zur Identifizierung von
Signalen, die auf dem Klopfen im Ausgangssignal des
Klopfsensors 1 beruhen und zur Erzeugung eines
Ausgangssignals VR in analoger Form bei Erfassen eines
Klopfens, einen Analog/Digital-Umsetzer 3 zum Umsetzen des
analogen Ausgangssignals der Klopfen-Erfassungsschaltung 2
in ein digitales Signal, und eine Motorregeleinheit 4 (die
anschließend als ECU bezeichnet wird) in Gestalt eines
Mikrocomputers einschließlich eines Zündzeitpunktreglers
5, der zum Empfang des digitalen Signals aus dem
A/D-Umsetzer 3 angeschlossen ist, um den Zündzeitpunkt des
Motors in entsprechender Weise zu regeln, damit das
Klopfen im Motor unterdrückt wird.
Die Klopfen-Erfassungsschaltung 2 umfaßt ein Bandfilter 22
zur Filterung eines besonderen Frequenzbands des
Ausgangssignals A des Klopfsensors 1, eine Torschaltung
23, die mittels der Wirkung eines Maskierungssignals M aus
der Motorregeleinheit 4 betrieben werden kann, um
spezifische Abschnitte des Ausgangssignals des Bandfilters
22 hindurchzulassen, eine Grundpegel-Schaltung 24, die das
Ausgangssignal der Torschaltung 23 empfängt und ein
Ausgangssignal A′ eines Grundpegels erzeugt, einen
Komparator 25 mit einer ersten Eingangsklemme zur Aufnahme
des Ausgangssignals A′ der Torschaltung 23 und einer
zweiten Eingangsklemme, die mit dem Ausgangssignal der
Grundpegel-Schaltung 24 versorgt wird, um einen Vergleich
zwischen diesen Eingangssignalen vorzunehmen, und einen
Integrator 26 mit einer Eingangsklemme, die mit der
Ausgangsklemme des Komparators 25 verbunden ist und einer
Ausgangsklemme, die an die Eingangsklemme des
A/D-Umsetzers 3 angeschlossen ist, um das Ausgangssignal
des Komparators 25 zu integrieren und an den A/D-Umsetzer
ein Analogsignal auszugeben, wobei der Integrator 26
ferner eine Rücksetzklemme hat, die mit der
Motorregeleinheit 4 (ECU) derart verbunden ist, daß sie
durch ein Rücksetzsignal R aus der Motorregeleinheit 4
rückgesetzt wird.
Fig. 8 zeigt schematisch die Wellenformen des
Ausgangssignals A des Klopfsensors 1, das
Maskierungssignal M, das Torschaltungsausgangssignal A′,
das Grundpegelsignal und das Integratorausgangssignal VR
der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung zur Regelung der
Klopfgrenze.
Die vorausgehend aufgebaute bekannte Vorrichtung zur
Regelung der Klopfgrenze arbeitet wie folgt. Zuerst
erzeugt der Klopfsensor 1 ein Ausgangssignal, das dem
Bandfilter 22 zugeführt wird, in dem ein spezifisches
Frequenzband gefiltert und der Torschaltung 23 zugeführt
wird. Die Torschaltung 23, die eine Torsteuerklemme
aufweist, die von der Motorregeleinheit 4 (ECU) mit einem
Maskierungssignal R versehen wird, das in vorgegebenen
Abständen auftretende Rechteckimpulse aufweist, arbeitet,
um das Ausgangssignal dea Klopfsensors 1, wie es durch das
Bandfilter 2 gefiltert ist, in solcher Weise zu maskieren,
daß jene Abschnitte des Ausgangssignals A des
Klopfsensors, die den jeweiligen Rechteckimpulsen des
Maskierungssignal M entsprechen, entfernt werden, um ein
Ausgangssignal zu ergeben, das keine Impulse an den
Stellen enthält, die den jeweiligen Rechteckimpulsen des
Maskierungssignals M entsprechen. Das Ausgangssignal der
Torschaltung 23 wird der ersten Eingangsklemme des
Komparators 25 zugeführt, und gleichzeitig der
Eingangsklemme der Grundpegelschaltung 24, so daß die
Grundpegelschaltung 24 ein Ausgangssignal erzeugt, das
einen vorgegebenen Hintergrund-Spannungspegel hat. Die
Grundpegelspannung der Grundpegelschaltung 24 wird der
zweiten Eingangsklemme des Komparators 25 zugeführt und
mit dem Ausgangssignal der Torschaltung 23 verglichen, die
der ersten Eingangsklemme des Komparators 25 zugeführt
wurde, so daß der Komparator 25 ein Ausgangssignal
erzeugt, wenn das Ausgangssignal der Torschaltung 23 höher
als die Grundpegelspannung ist. Das Ausgangssignal des
Komparators 25 wird dem Integrator 26 zugeführt, der eine
Integration durchführt, um gemäß Fig. 8 ein Ausgangssignal
zu erzeugen. Diesbezüglich wird angemerkt, daß bei einer
Mehrzylinder-Brennkraftmaschine, obgleich in Fig. 7 nicht
dargestellt, eine Mehrzahl Klopfsensoren 1 verwendet
werden, jeweils einer für jeden Motorzylinder, und daß die
Ausgangssignale der jeweiligen Klopfsensoren 1 dem
Integrator 26 parallel zueinander durch das Bandfilter 22,
die Torschaltung 23 und den Komparator 25 zugeführt
werden, so daß sie jeweils durch den Integrator 26 zur
Lieferung entsprechender Ausgangssignale integriert
werden. Zu diesem Zweck speist die Motorregeleinheit 4
(ECU) ein Rücksetzsignal für jeden Klopfsensorausgang an
die Rücksetzklemme des Integrators 26 unter entsprechender
Zeitsteuerung. Das integrierte Augangssignal, in analoger
Form, des Integrators 26 wird darauf dem A/D-Umsetzer 3
zugeführt und dort in ein digitales Signal VR umgesetzt,
das seinerseits in die Motorregeleinheit 4 eingelesen
wird, wo abhängig vom digitalen Signal VR der
Zündzeitpunktregeler 5 aufeinanderfolgend einen
entsprechenden Klopfunterdrückung-Verzögerungswinkel R
unter Verwendung folgender Gleichung berechnet:
Theta R = Theta R* + Delta Theta R (1)
wobei Theta R* der letzte
Klopfunterdrückungsverzögerungswinkel und Delta Theta R
sich ergibt zu,
Delta Theta R = VR x L,
wobei L ein Modifizierungskoeffizient ist.
Bei der vorstehend aufgeführten bekannten Vorrichtung zur
Regelung der Klopfgrenze zählt jedoch die Klopfen-
Erfassungsschaltung 2, die ein Hardware-Bauteil ist, eine
Klopfenbestimmungsvorrichtung für das Klopfen, die die
Grundpegelschaltung 24, den Komparator 25 und den
Intgrator 26 enthält, um zu bestimmen, ob ein Klopfen im
Motor vorhanden oder nicht vorhanden ist. Eine derartige
Verarbeitung zur Bestimmung eines Klopfens umfaßt eine
ziemlich komplizierte Schaltungsanordnung und stellt eine
beträchtliche Last für die Regelungs-Hardware dar, was zu
hohen Fertigungskosten führt.
Die Erfindung ist daher darauf abgestellt, die vorstehend
aufgeführten Schwierigkeiten der bekannten Vorrichtung zur
Regelung der Klopfgrenze zu beseitigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue und
verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der
Klopfgrenze bei einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die
sich dazu eignet, die verwendeten Hardware-Bauteile zu
vereinfachen und die an ihnen wirksame Last zu verringert,
und die somit geringe Fertigungskosten hat, während die
Freiheit der Regelung einer Motorregelungseinheit
verbessert wird.
Zur Lösung der vorstehenden Aufgabenstellung wird gemäß
einem Aspekt der Erfindung eine
Klopfunterdrückungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
geschaffen, die gekennzeichnet ist durch: einen
Klopfsensor zur Erfassung eines Klopfens in einem
Zylinder; einen Signalprozessor zur Erzeugung, abhängig
vom Ausgangssignal des Klopfsensors, eines
Schwingungspegels für einen vorgegebenen
Kurbelwinkelbereich, ausgehend von einer
Bezugskurbelstellung des Zylinders; eine
Filteranordnung, die einen Durchschnittswert des
Schwingungspegels erzeugt; einen Rechner zur Lieferung
eines Klopfenermittlungsschwellenwertes, abhängig von dem
Durchschnittswert; einen Komparator zum Vergleich des
Schwingungspegels mit dem Klopfenermittlungsschwellenwert
und Erzeugung eines Klopfenermittlungssignals, wenn der
Schwingungspegel den Klopfenermittlungsschwellenwert
überschreitet; und einen Klopfwächter zur Regelung,
abhängig von dem Klopfenermittlungssignal, von
Motorregelparametern in einer Richtung der Unterdrückung
der Klopfgrenze im Zylinder.
Vorzugsweise umfaßt die Filtervorrichtung: ein erstes
Filter zum Ermitteln des Schwingungspegels zur Lieferung
eines ersten Durchschnittswerts; und ein zweites Filter
zur Ermittlung des ersten Durchschnittswerts zur Lieferung
eines zweiten Durchschnittswerts.
Vorzugsweise erzeugt der Signalprozessor einen ersten
Schwingungspegel und einen zweiten Schwingungspegel
jeweils bei einer ersten und zweiten Kurbelstellung. Der
Rechner erzeugt einen Schwellenwert, abhängig vom zweiten
Schwingungspegel. Der Komparator erzeugt ein
Klopfenermittlungssignal abhängig von einem Unterschied
zwischen dem ersten Schwingungspegel und dem
Schwellenwert, der vom Rechner abhängig vom zweiten
Schwingungspegel erzeugt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein
Klopfgrenzeregelungsverfahren zur Unterdrückung eines
Klopfens in einer Brennkraftmaschine geschaffen, das
folgende Schritte umfaßt: Erzeugung eines
Schwingungspegels, der ein Maß für die Schwingungen eines
Zylinders des Motors ist; Mitteln des Schwingungspegels
zur Lieferung eines Durchschnittswerts; Erzeugung eines
Klopfenermittlungsschwellenwerts abhängig von dem
Durchschnittswert; Vergleich des Schwingungspegels mit dem
Schwellenwert zur Ermittlung, ob ein Klopfen im Zylinder
stattfindet; und Regelung der Motorregelparameter in einer
Richtung zur Unterdrückung der Klopfgrenze im Zylinder,
wenn der Schwingungspegel den Schwellenwert überschreitet.
Die vorstehenden und weitere Aufgabenstellungen, Merkmale
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
detaillierten Beschreibung einiger bevorzugter
Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den
anliegenden Zeichnungen; es zeigen
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer
Klopfgrenzeregelvorrichtung für eine
Brennkraftmaschine gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 2 eine Wellenformdarstellung, die jeweils die
Wellenformen eines Maskierungssignals M, eines
Klopfsensorausgangssignals A und eines
Scheitelwertsignals Vp der Vorrichtung gemäß
Fig. 1 zur Erläuterung des Betriebs derselben,
angibt,
Fig. 3 eine Ablaufdarstellung, die den Betrieb der
Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Fig. 1
darstellt,
Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer
Klopfgrenzeregelvorrichtung für eine
Brennkraftmaschine gemäß einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 5 eine Wellenformdarstellung, die jeweils die
Wellenformen eines Kurbelwinkelsignals, eines
Klopfsensorausgangssignals A und eines
Integratorausgangssignals VR der
Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Fig. 4 zur
Erläuterung des Betriebs derselben angibt,
Fig. 6 eine Ablaufdarstellung, die den Betrieb der
Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Fig. 4
darstellt,
Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild einer
bekannten Klopfgrenzeregelvorrichtung, und
Fig. 8 eine Wellenformdarstellung, die jeweils die
Wellenformen eines Klopfsensorausgangssignals A,
eines Maskierungssignals M, eines
Torschaltungausgangssignals A′, eines
Grundpegelsignals (BGL) und eines
Integratorausgangssignals VR der
Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Fig. 7 zur
Erläuterung des Betriebs derselben angibt.
Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen unter Bezugnahme
auf einige bevorzugte Ausführungsformen gemäß den
anliegenden Zeichnungen beschrieben.
Es wird auf die Zeichnungen und zunächst auf Fig. 1 Bezug
genommen, wo die allgemeine Anordnung einer
Klopfgrenzeregelvorrichtung für eine Brennkraftmaschine
dargestellt ist, die im Einklang mit einer Ausführungsform
der Erfindung aufgebaut ist. Die dargestellte
Klopfgrenzeregelvorrichtung umfaßt Klopfsensoren 101
(wovon einer dargestellt ist) und jeder in Gestalt eines
Beschleunigung- oder Schwingungssensors, etc. ausgeführt
ist, eine Schnittstellenschaltung 102 in Gestalt eines
Signalprozessors, einen A/D-Umsetzer 103 und eine
Motorregeleinheit 140 (ECU).
Die Klopfsensoren 101 sind jeweils auf einem Zylinder
einer Brennkraftmaschine montiert, um Schwingungen des
Zylinders zu erfassen und ein Ausgangssignal A mit hohen
Frequenzen zu erzeugen, wie in Fig. 2 dargestellt ist.
Die Schnittstellenschaltung 102 ist zwischen den
Klopfsensoren 101 und dem A/D-Umsetzer 103 eingeschoben
und empfängt die Ausgangssignale A der Klopfsensoren 101
und erzeugt aufeinanderfolgend ein Ausgangssignal, das ein
Maß für den Pegel der Zylinderschwingungen während jeder
vorgegebenen Periode in Bezug auf eine vorgegebene
Bezugsposition eines jeden Zylinders ist. In diesem Falle
umfaßt die Schnittstellenschaltung 102 eine
Scheitelwert-Halteschaltung 126, die ein
Scheitelpegelsignal Vp ausgibt, das den sich ändernden
Scheitelpegel des Klopfsensorausgangssignals A während
jeder Periode darstellt, die sich beispielsweise von 5°
vor dem oberen Totpunkt eines Motorzyklus bis zu 75° vor
dem oberen Totpunkt des folgenden Motorzyklus erstreckt,
wie in Fig. 2 dargestellt ist. Insbesondere wird ein
Maskierungssignal M, das Rechteckimpulse enthält, die
jeweils beispielsweise bei 75° vor dem oberen Totpunkt
ansteigen, und bei 5° vor dem oberen Totpunkt abfallen,
wie in Fig. 2 dargestellt ist, durch die Motorregeleinheit
140 (ECU) synchron mit der Motordrehung erzeugt und der
Scheitelwert-Halteschaltung 126 zugeführt. Somit gibt die
Scheitelwert-Halteschaltung 126 den Scheitelpegel Vp des
Klopfsensorausgangssignals A bei jeder ersten
Bezugskurbelposition (beispielsweise bei 75° vor dem
oberen Totpunkt) an die Motorregeleinheit 140 (ECU) über
den A/D-Umsetzer 103 ab.
Die Motorregeleinheit 140 (ECU) umfaßt ein erstes Filter
141 zur Mittelung des A/D-umgesetzten Scheitelpegels Vp,
um einen ersten Mittelwert VA1 zu liefern, der einem
ersten Grundpegel BGL entspricht, ein zweites Filter 142
zur Mittelung des ersten Durchschnittswerts VA1 für jede
vorgegebene Periode zur Lieferung eines zweiten
Durchschnittswerts VA2, der einem zweiten Grundpegel
entspricht, einen Rechner 143 zur Erzeugung eines
Schwellenwerts VTH für die Klopfenermittlung abhängig vom
zweiten Durchschnittswert VA2, einen Komparator 144 zum
Vergleich des Scheitelwerts Vp mit dem Schwellenwert VTH
für die Klopfenermittlung zur Erzeugung eines
Ausgangssignals in Gestalt eines Klopfenermittlungssignals
in Differentialform, wenn der Scheitelpegel Vp den
Schwellenwert VTH für die Klopfenermittlung überschreitet,
und einen Klopfwächter 145 zur Erzeugung eines
Klopfgrenzeregelsignals in Form eines
Zündverzögerung-Regelsignals R, abhängig von dem
Klopfenermittlungssignal VK. Unter den vorstehenden
Bauelementen bilden das erste und das zweite Filter 141,
142 eine Filteranordnung, um den Durchschnitt des
Schwingungspegels in Gestalt des Scheitelwertpegels Vp zu
liefern. Bei dieser Ausführungsform ist die
Filteranordnung zweistufig aufgebaut und umfaßt das erste
und zweite Filter 141, 142, und der Rechner 143 erzeugt
den Schwellenwert VTH für die Klopfenermittlung abhängig
vom zweiten Durchschnittswert VA2 aus dem zweiten Filter
142. Wird jedoch die Durchschnittsbildung des
Scheitelwertpegels Vp ausreichend in einer einzigen Stufe
ausgeführt oder mittels Verwendung eines Einzelfilters
(beispielsweise des ersten Filters 141), so kann das
zweite Filter 142 entfallen, so daß der Schwellenwert VTH
für die Klopfenbestimmung abhängig vom ersten
Durchschnittswert VA1 aus dem ersten Filter 141 geliefert
wird.
Der Betrieb der vorstehenden Ausführungsform sowie ein
Klopfgrenzeregelverfahren zu ihrer Anwendung wird nun im
einzelnen unter Bezugnahme auf die Wellenformdarstellung
der Fig. 2 und die Ablaufdarstellung der Fig. 3
beschrieben. Zunächst erfaßt in der Stufe S1 jeder
Klopfsensor 101 die Schwingungen eines zugeordneten
Zylinders und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal A,
dessen Scheitelwertpegel Vp über dem A/D-Umsetzer 103 der
Motorregeleinheit 140 (ECU) bei jedem Zündvorgang des
Zylinders zugeführt wird. Insbesondere hält die
Scheitelwert-Halteschaltung 126 den Scheitelwertpegel des
Klopfsensorausgangssignals A während einer vorgegebenen
Periode eines jeden Motorzyklus (beispielsweise eines
Kurbelwinkelbereichs von 5° vor dem oberen Totpunkt eines
Motorzyklus bis zu 75° vor dem oberen Totpunkt des
nachfolgenden Motorzyklus) und dieser Scheitelwertpegel
wird durch den A/D-Umsetzer 103 von analoger in digitale
Form umgesetzt und dann der Motorregeleinheit 140
zugeführt.
Anschließend frägt in der Stufe S2 die Motorregeleinheit
140 (ECU) den Scheitelwertpegel Vp bei einer ersten
Bezugskurbelposition von beispielsweise 75° vor dem oberen
Totpunkt ab und erzeugt ein Maskierungssignal M, das
Rechteckimpulse enthält, von denen jeder bei einer ersten
Bezugskurbelstellung (beispielsweise 75° vor dem oberen
Totpunkt) eines Motorzyklus ansteigt und bei einer zweiten
Bezugskurbelstellung (beispielsweise 5° vor dem oberen
Totpunkt) des nachfolgenden Motorzyklus abfällt, der sich
nach dem Ablauf der vorgegebenen Periode nach der ersten
Bezugskurbelstellung anschließt. Das auf diese Weise
erzeugte Maskierungssignal M wird der Scheitelwert-
Halteschaltung 126 zugeführt, die an der ansteigenden
Flanke eines jeden Impulses des Maskierungssignals M
gesetzt wird. Die Scheitelwert-Halteschaltung 126 wird
rückgesetzt gehalten, solange das Maskierungssignal M auf
einem Hochpegel liegt, und sie beginnt an der abfallenden
Flanke eines jeden Impulses des Maskierungssignals M zu
arbeiten, beispielsweise an der zweiten
Bezugskurbelstellung von 5° vor dem oberen Totpunkt, so
daß die Motorregeleinheit 140 (ECU) wiederholt betrieben
wird, um ein Verarbeitungsprogramm gemäß Fig. 3 mittels
des Scheitelwertpegelsignals Vp an jeder ersten
Bezugswinkelstellung (beispielsweise 75° vor dem oberen
Totpunkt) zu starten.
Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ändert sich der
Scheitelwertpegel Vp des Klopfsensorausgangssignals A das
an jeder ersten Bezugskurbelstellung eines Zylinders
behalten wird, in Einklang mit den Anderungen im
Klopfsensorausgangssignal A für jeden Abfragezyklus.
Obgleich die Anderungen im Klopfsensorausgangssignal A
durch das Klopfen im Zylinder und desgleichen durch
Störspannungen verursacht werden, wird ein Grundpegel, der
den Änderungen im Scheitelwertpegel Vp in einem gewissen
Umfang folgt, benötigt, um das Klopfen genau zu erfassen,
da sich der Scheitelwertpegel Vp unter verschiedenen
bedingungen zeitlich ändert.
Zu diesem Zweck mittelt in der Stufe S3 das erste Filter
141 den Scheitelwertpegel Vp bei der ersten
Bezugskurbelstellung von 75° vor dem oberen Totpunkt, um
unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung einen ersten
Durchschnittswert VA1 zu liefern:
VA1 = (1-k1) × VA1* + k1 × Vp (2)
wobei VA1* der letzte Wert des ersten Durchschnitts ist,
und k1 eine Konstate ist, die ein Maß für den
Beitragsumfang des Scheitelwertpegels Vp in der
Durchschnittsverarbeitung darstellt. Dabei kann K1 auf
einen willkürlichen Wert innerhalb des Bereichs von
0 < k1 < 1 festgelegt werden.
Gemäß obiger Gleichung (2) verschiebt sich der erste
Durchschnitt VA1 auf einen Wert, der den zuletzt
berechneten ersten Durchschnitt VA1*, modifiziert durch
den vorliegenden Scheitelwertpegel Vp darstellt, und wird
somit laufend auf den neuen Stand gebracht. Die Konstante
k1 zur Bestimmung des Beitragsumfangs des
Scheitelwertpegels Vp wird beispielsweise auf 1/8
festgesetzt, jedoch wird um ein schnelleres Folgevermögen
der Pegelverschiebung des ersten Durchschnitts VA1 zu
ergeben, die Konstante k1 auf einen Wert festgelegt, der
größer als 1/8 ist.
Andererseits führt das zweite Filter 142 einen
Zeitgeberunterbrechungsvorgang für jede vorgegebene
Zeitperiode durch. Insbesondere wird in der Stufe S3′ der
erste Durchschnittswert VA1, der mittels des ersten
Filters 41 erhalten wurde, weiterhin gemittelt, um unter
Verwendung der nachfolgenden Gleichung einen zweiten
Durchschnittswert VA2 zu liefern:
VA2 = (1-k2) × VA2* + k2 × VA1 (3)
wobei VA2* der zuletzt berechnete zweite Durchschnittswert
ist, und k2 eine Konstante, die ein Maß für den
Beitragsumfang des ersten Durchschnittswerts VA1 bei der
Durchschnittsverarbeitung ist, und k2 kann auf einen
willkürlichen Wert innerhalb des Bereichs von 0 < k2 < 1
festgelegt werden.
Gemäß obiger Gleichung (3) verschiebt sich der zweite
Durchschnittswert VA2 auf einen Wert, der den zuletzt
berechneten zweiten Durchschnittswert VA2*, modifiziert
durch den vorliegenden ersten Durchschnittswert VA1,
darstellt, und somit wird er aufeinanderfolgend auf den
neuen Stand gebracht. Mit dieser
Durchschnittswertverarbeitungsstufe S3′ wird der zweite
Durchschnittswert VA2 ein Wert, der nicht wesentlich zu
den Schwankungen im Scheitelwertpegel Vp beiträgt.
Nachfolgend verstärkt in der Stufe S4 in dem bei 75° vor
dem oberen Totpunkt durchgeführten Verarbeitungsprogramm
der Rechner 143 den zweiten Durchschnittswert VA2 und fügt
eine Versetzung VOF hinzu, um einen Schwellenwert VTH zu
liefern, der schließlich unter Verwendung der
nachfolgenden Gleichung für die Klopfenermittlung
verwendet wird:
VTH = K × VA2 + VOF (4)
wobei K ein Verstärkungskoeffizient ist. In diesem Falle,
da der zweite Durchschnittswert VA2 ausreichend geglättet
ist, wird eine Änderung in den Schwankungen des
Schwellenwerts VTH zwischen aufeinanderfolgenden
Motorzyklen, der durch obige Gleichung (4) erhalten wird,
im wesentlichen unterdrückt, womit ein verläßlicher Wert
geliefert wird.
Anschließend berechnet in der Stufe S5 zwecks Vergleich
zwischen dem Scheitelwertpegel Vp und dem Schwellenwert
VTH, der Komparator 144, der als Klopfdetektor wirkt, eine
zwischen ihnen vorhandene Differenz Vk (Vk = Vp - VTH).
Anschließend wird in der Stufe S6 bestimmt, ob die
Differenz Vk positiv ist.
Nachfolgend wird, wenn der Scheitelwertpegel Vp den
Schwellenwert VTH übersteigt (d. h. Vk < 0), ein
Klopfenermittlungssignal VK erzeugt, das repräsentativ für
das Vorliegen eines Klopfens ist. In diesem Falle geht das
Programm zur Stufe S7, wo der Klopfwächter 145 einen
Verzögerungswinkel Delta Theta R berechnet, der für die
Klopfunterdrückungsregelung erforderlich ist, unter
Verwendung nachfolgender Gleichung:
Delta Theta R = (VK/VTH) × L′,
wobei L′ ein Modifizierungskoeffizient ist. In diesem
Falle wird, da der Verzögerungswinkel Delta Theta R
abhängig vom Verhältnis des Klopfenermittlungssignals Vk
zum Schwellenwert VTH berechnet wird, wie sich aus obiger
Gleichung (5) ergibt, immer ein geeigneter Wert für den
Verzögerungswinkel Delta Theta R erhalten, selbst wenn
eine Schwankung im Schwingungspegel Vp vorliegt.
Anschließend wird in der Stufe S8 abhängig von dem somit
erhaltenen Verzögerungswinkel Theta R ein entsprechender
Verzögerungssteuerwinkel R zur Verzögerung des
Zündzeitpunkts in einer Richtung zur Unterdrückung der
Klopfgrenze berechnet, unter Verwendung der vorstehend
aufgeführten Gleichung:
Theta R = Theta R* + Delta Theta R (1)
wobei Theta R* der letzte Verzögerungssteuerwinkel ist.
Wurde andererseits in der Stufe S6 die Beziehung Vk 0
ermittelt, so geht das Programm zur Stufe S9, wo ein
Klopfenermittlungssignal Vk erzeugt wird, und aus obiger
Gleichung (5) ergibt sich ein Verzögerungswinkel
Delta Theta R = 0. Daher bleibt in diesem Fall der
Verzögerungssteuerwinkel Theta R unverändert.
Abhängig von dem in dieser Weise erhaltenen
Verzögerungssteuerwinkel Theta R wird die
Zündzeitpunktlage für einen klopfenden Zylinder
korrigiert, um sie zwecks Unterdrückung der Klopfgrenze in
Zündverzögerungsrichtung zu verschieben.
Gemäß dieser Ausführungsform enthält nur die
Scheitelwert-Halteschaltung 126 einen Hardware-Anteil und
alle anderen Teile der Klopfenermittlungsvorrichtung sind
als Software in der elektronischen Regeleinheit 140 (ECU)
enthalten, so daß der Freiheitsgrad der Regelung erheblich
verbessert wird. In dieser Weise wird die Belastung des
Hardwareanteils erheblich verringert, womit es möglich
ist, die Fertigungskosten zu verringern.
Obgleich in der vorstehenden Ausführungsform der
Komparator 144 die Differenz zwischen dem
Scheitelwertpegel Vp und dem Schwellenwert VTH als
Klopfenermittlungssignal Vk ausgibt, kann er lediglich
derart aufgebaut sein, daß ein Hochpegel-Ausgangssignal
erzeugt wird, wenn der Schwingungspegel Vp den
Schwellenwert VTH überschreitet.
Darüber hinaus kann, obgleich in obiger Ausführungsform
die Schnittstellenschaltung 120 zur Erzeugung eines
Schwingungspegels eine Scheitelwert-Halteschaltung umfaßt,
die einen Scheitelwertpegel Vp ausgibt, kann sie einen
Integrator 25 umfassen, wie er in der bekannten
Vorrichtung nach Fig. 7 verwendet wird.
Fig. 4 stellt schematisch eine weitere Ausführungsform zur
Erfindung dar, bei der ein Integrator zur Erzeugung eines
Schwingungspegels in Form eines integrierten Werts VR
verwendet wird.
In Fig. 4 enthält eine Schnittstellenschaltung 220 einen
Integrator 225 zum Integrieren des Ausgangssignals A eines
Klopfsensors 201, und dieser gibt bei einer vorgegebenen
ersten und zweiten Bezugskurbelstellung eines jeden
Zylinders, die durch einen nicht dargestellten
Signalgenerator synchron mit der Motordrehung erzeugt
werden, einen analog/digital-umgesetzten integrierten Wert
VR ab, der den vom Integrator 225 gerade vor dessen
Rücksetzen durch ein Rücksetzsignal R aus der
Motorregeleinheit 240 (ECU) berechneten Wert darstellt.
Die Motorregeleinheit 240 (ECU) enthält ein Filter 241 zur
Mittelung des integrierten Werts VR2, der an der zweiten
Bezugskurbelposition (beispielsweise 5° vor dem oberen
Totpunkt) berechnet wurde, einen Rechner 243 zur Erzeugung
eines Schwellenwerts VTH , abhängig vom Durchschnittswert
VA aus dem Filter 241, einen Komparator 244 zum Vergleich
eines integrierten Werts VR1, der an der ersten
Bezugskurbelstellung (beispielsweise 75° vor dem oberen
Totpunkt) berechnet ist, mit dem Schwellenwert VTH, und
einem Klopfwächter 245 zur Erzeugung eines
Verzögerungssteuerwinkels R abhängig vom
Klopfenermittlungssignal Vk aus dem Komparator 244.
Der Betrieb der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
nach Fig. 4 und ein Klopfgrenzeregelverfahren, das mittels
dieser Ausführungsform durchgeführt wird, werden nunmehr
im einzelnen unter Bezugnahme auf die
Wellenformdarstellung der Fig. 5 und die Ablaufdarstellung
der Fig. 6 beschrieben.
Wie in Fig. 5 angegeben wird, wird das Ausgangssignal A
eines jeden Klopfsensors 201 durch den Integrator 225
integriert, um einen integrierten Wert zu liefern, der
gerade bevor ein Rücksetzsignal R aus der
Motorregeleinheit 240 (ECU) im Integrator 225 zugeführt
wird, diesem als erster integrierter Wert VR1 bei der
ersten Bezugskurbelstellung (beispielsweise 75° vor dem
oberen Totpunkt) eingegeben wird, wie einen zweiten
integrierten Wert VR2 an der zweiten Bezugskurbelstellung
(beispielsweise 5° vor dem oberen Totpunkt).
Abhängig von den jeweiligen integrierten Werten VR1, VR2,
führt die Motorregeleinheit 240 (ECU) eine
Klopfenermittlungsverarbeitung durch und eine
Verzögerungswinkelkorrekturverarbeitung zur Unterdrückung
der Klopfgrenze. Insbesondere werden die jeweiligen
Verarbeitungen gemäß Fig. 6 an der vorgegebenen ersten und
zweiten Bezugskurbelstellung (beispielsweise 75° vor dem
oberen Totpunkt und 5° vor dem oberen Totpunkt) eines
jeden Zylinders durchgeführt, die ein nicht dargestellter
Signalgenerator synchron mit der Motordrehung erzeugt.
Zunächst wird in der Stufe S11, in dem an der ersten
Bezugskurbelstellung (beispielsweise 75° vor dem oberen
Totpunkt) durchgeführten Verarbeitungsprogramm, der
Ausgang des Integrators 225 von analoger in digitale Form
umgesetzt, um einen ersten integrierten Wert VR1 an der
ersten Bezugskurbelstellung (beispielsweise 75° vor dem
oberen Totpunkt) zu liefern.
In der Stufe S12 wird der Integrator 225 durch ein
Rücksetzsignal R aus der Motorregeleinheit 240 (ECU)
rückgesetzt, und anschließend vergleicht in der Stufe S13
der Komparator 244 den ersten integrierten Wert VR1 mit
dem SchwelIenwert VTH und hält ein
Klopfenermittlungssignal Vk, unter Verwendung der
nachfolgenden Gleichung:
Vk = VR1 - VTH.
Dabei sei angemerkt, daß eine weitere Verarbeitung, die an
der zweiten Bezugskurbelstellung (beispielsweise 5° vor
dem oberen Totpunkt) erfolgt, um den Schwellenwert VTH zu
erhalten, später beschrieben wird.
Anschließend bestimmt der Komparator 244 in der Stufe S19,
ob das Klopfenermittlungssignal Vk größer als Null ist.
Ist die Antwort "ja" (d. h. daß ein Klopfen vorliegt) so
berechnet der Zündungsregler 245 einen Verzögerungswinkel
Delta Theta R in der Stufe S20 und einen
Verzögerungssteuerwinkel der Stufe S22 aus den
nachfolgenden Gleichungen:
Delta Theta R = Vk x L′′,
Theta R = Theta R* + Delta Theta R,
Theta R = Theta R* + Delta Theta R,
wobei L′′ ein Modifizierungskoeffizient ist.
Unmittelbar nachdem der Klopfwächter 244 einen
Klopfgrenzeregelvorgang abhängig von dem auf diese Weise
erhaltenen Verzögerungssteuerwinkel Theta R durchgeführt
hat,
wird der Integrator 225 durch ein Rücksetzsignal R
rückgesetzt , das ihm in der Stufe S23 aus der
Motorregeleinheit 240 (ECU) zugeführt wurde.
Dabei kann die Berechnung des vorstehend angegebenen
Verzögerungswinkels Delta Theta R in der Stufe S20
abhängig vom Verhältnis des Klopfenermittlungssignals Vk
zum Schwellenwert VTH durchgeführt werden. Wird
andererseits in der Stufe S19 ermittelt, daß Vk 0 gilt
(d. h. es liegt kein Klopfen vor), so wird der
Verzögerungswinkel Delta Theta R in der Stufe S21 auf Null
gesetzt, und anschließend werden die Stufen S22 und S23
durchgeführt.
Als nächstes wird nachfolgend das Verarbeitungsprogramm
beschrieben, das bei der zweiten Bezugskurbelstellung
(beispielsweise 5° vor dem oberen Totpunkt) zwecks
Berechnung des Schwellenwerts VTH, der in der Stufe S13
verwendet wird, durchgeführt wird.
Zunächst wird in der Stufe S14 ein zweiter integrierter
Wert VR2 an der zweiten Bezugskurbelposition
(beispielsweise 5° vor dem oberen Totpunkt) berechnet und
anschließend wird in der Stufe S15 der Integrator 225
durch ein Rücksetzsignal aus der Motorregeleinheit 240
(ECU) rückgesetzt. Anschließend wird in der Stufe S16 der
zweite integrierte Wert VR2 durch das Filter 241
gemittelt, um einen Durchschnittswert VA zu liefern, unter
Verwendung der nachfolgenden Gleichung:
VA = (1-k)×VA* + k×VR2,
wobei K ein Beitragskoeffizient des zweiten
Integrationswerts VR2 ist, und VA* den letzten
Durchschnitt darstellt.
In der Stufe S17 verstärkt der Rechner 243 den auf diese
Weise erhaltenen Durchschnittswert VA und fügt einen
Versetzungswert VOF hinzu, um einen Schwellenwert VTH zu
liefern, unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung:
VTH = K×VA + VOF,
wobei K ein Verstärkungskoeffizient ist.
Nachdem in dieser Weise der Schwellenwert VTH erhalten
wurde, erzeugt die Motorregeleinheit 240 (ECU) ein
Rücksetzsignal R für den Integrator 225 und setzt diesen
in der Stufe S18 zurück, womit das
Schwellenwertberechnungsprogramm beendet wird.
Bei der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform
wird es ebenfalls möglich, da der Aufbau der
Hardware-Bauelemente erheblich vereinfacht und die
Klopfenermittlung durch die Motorregeleinheit 240 (ECU)
durchgeführt wird, eine Klopfenermittlung für jeden
Zylinder bei geringen Kosten durchzuführen und somit eine
Klopfgrenzeregelvorrichtung mit einem hohen Freiheitsgrad
und verbesserter Regelfähigkeit zu schaffen.
Obgleich in der zweiten Ausführungsform der zweite
Integrationswert VR2 an der zweiten Bezugskurbelstellung
(beispielsweise 5° vor dem oberen Totpunkt) zur Berechnung
des Schwellenwerts VTH verwendet wird, damit lediglich der
Grundpegelanteil erfaßt wird, während jeglicher
Klopfpegelanteil ausgeschlossen wird, kann der erste
Integrationswert VR1 bei der ersten Bezugskurbelstellung
(beispielsweise 75° vor dem oberen Totpunkt) für eine
derartige Berechnung anstelle des zweiten
Integrationswerts VR2 ohne irgendwelche praktischen
Schwierigkeiten zur Verfügung stehen, da bei normalen
Motorbetriebsbedingungen ein Klopfen selten auftritt.
Claims (10)
1. Klopfgrenzeregelvorrichtung für eine
Brennkraftmaschine,
gekennzeichnet durch:
einen Klopfsensor (101) zur Erfassung eines Klopfens in einem Zylinder;
einen Signalprozessor (102) zur Erzeugung, abhängig vom Ausgangssignal des Klopfsensors, einen Schwingungspegel für einen vorgegebenen Kurbelwinkelbereich, ausgehend von einer Bezugskurbelstellung des Zylinders;
eine Filteranordnung (141, 142), die einen Durchschnittswert des Schwingungspegels erzeugt;
einen Rechner (143) zur Lieferung eines Klopfenermittlungsschwellenwertes (VTH), abhängig von dem Durchschnittswert;
einen Komparator (144) zum Vergleich des Schwingungspegels mit den Klopfenermittlungsschwellenwert (VTH) und Erzeugung eines Klopfenermittlungssignals, wenn der Schwingungspegel den Klopfenermittlungsschwellenwert überschreitet; und
einen Klopfwächter (145) zur Regelung, abhängig von dem Klopfenermittlungssignal, von Motorregelparametern in einer Richtung der Unterdrückung der Klopfgrenze im Zylinder.
einen Klopfsensor (101) zur Erfassung eines Klopfens in einem Zylinder;
einen Signalprozessor (102) zur Erzeugung, abhängig vom Ausgangssignal des Klopfsensors, einen Schwingungspegel für einen vorgegebenen Kurbelwinkelbereich, ausgehend von einer Bezugskurbelstellung des Zylinders;
eine Filteranordnung (141, 142), die einen Durchschnittswert des Schwingungspegels erzeugt;
einen Rechner (143) zur Lieferung eines Klopfenermittlungsschwellenwertes (VTH), abhängig von dem Durchschnittswert;
einen Komparator (144) zum Vergleich des Schwingungspegels mit den Klopfenermittlungsschwellenwert (VTH) und Erzeugung eines Klopfenermittlungssignals, wenn der Schwingungspegel den Klopfenermittlungsschwellenwert überschreitet; und
einen Klopfwächter (145) zur Regelung, abhängig von dem Klopfenermittlungssignal, von Motorregelparametern in einer Richtung der Unterdrückung der Klopfgrenze im Zylinder.
2. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Filteranordnung umfaßt:
ein erstes Filter (141) zum Ermitteln des Schwingungspegels zur Lieferung eines ersten Durchschnittswerts; und
ein zweites Filter (142) zur Ermittlung des ersten Durchschnittswerts zur Lieferung eines zweiten Durchschnittswerts.
ein erstes Filter (141) zum Ermitteln des Schwingungspegels zur Lieferung eines ersten Durchschnittswerts; und
ein zweites Filter (142) zur Ermittlung des ersten Durchschnittswerts zur Lieferung eines zweiten Durchschnittswerts.
3. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Signalgenerator (102) einen ersten
Schwingungspegel und einen zweiten Schwingungspegel
jeweils an einer ersten und einer zweiten
Bezugskurbelstellung erzeugt.
4. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Rechner (143) einen Schwellenwert abhängig vom
zweiten Schwingungspegel erzeugt.
5. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Komparator (144) ein Klopfenermittlungssignal
abhängig von einer Differenz zwischen dem ersten
Schwingungspegel und dem Schwellenwert erzeugt, der
vom Rechner (143) abhängig vom zweiten
Schwingungspegel erzeugt wird.
6. Klopfgrenzeregelvorrichtung zur Unterdrückung eines
Klopfens in einer Brennkraftmaschine,
gekennzeichnet durch
folgende Schritte:
Erzeugung eines Schwingungspegels, der ein Maß für die Schwingungen eines Zylinders des Motors ist;
Mitteln des Schwingungspegels zur Lieferung eines Durchschnittswerts (VA1, VA2);
Erzeugung eines Klopfenermittlungsschwellenwerts (VTH) abhängig von dem Durchschnittswert;
Vergleich des Schwingungspegels mit dem Schwellenwert zur Ermittlung, ob ein Klopfen im Zylinder stattfindet; und
Regelung der Motorregelparameter in einer Richtung zur Unterdrückung der Klopfgrenze im Zylinder, wenn der Schwingungspegel den Schwellenwert überschreitet.
Erzeugung eines Schwingungspegels, der ein Maß für die Schwingungen eines Zylinders des Motors ist;
Mitteln des Schwingungspegels zur Lieferung eines Durchschnittswerts (VA1, VA2);
Erzeugung eines Klopfenermittlungsschwellenwerts (VTH) abhängig von dem Durchschnittswert;
Vergleich des Schwingungspegels mit dem Schwellenwert zur Ermittlung, ob ein Klopfen im Zylinder stattfindet; und
Regelung der Motorregelparameter in einer Richtung zur Unterdrückung der Klopfgrenze im Zylinder, wenn der Schwingungspegel den Schwellenwert überschreitet.
7. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt zur Mittelung des Schwingungspegels zur
Lieferung eines Durchschnittswerts umfaßt:
Mittelung des Schwingungspegels zur Lieferung eines ersten Durchschnittswertes (VA1); und
Mittelung des ersten Durchschnittswerts zur Lieferung eines zweiten Durchschnittswerts (VA2).
Mittelung des Schwingungspegels zur Lieferung eines ersten Durchschnittswertes (VA1); und
Mittelung des ersten Durchschnittswerts zur Lieferung eines zweiten Durchschnittswerts (VA2).
8. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt der Erzeugung eines Schwingungspegels, der
ein Maß für die Schwingungen eines Zylinders des
Motors darstellt, die Erzeugung eines ersten
Schwingungspegels und eines zweiten Schwingungspegels
jeweils an einer ersten und einer zweiten
Bezugskurbelstellung umfaßt.
9. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt der Mittelung des Schwingungspegels zur
Lieferung eines Durchschnittswerts die Erzeugung eines
Schwellenwerts (VTH) abhängig vom zweiten
Schwingungspegel umfaßt.
10. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Schritt der Erzeugung eines
Klopfenermittlungsschwellenwerts (VTH) abhängig von
dem Durchschnittswert die Erzeugung eines
Klopfenermittlungssignals abhängig von einer Differenz
zwischen dem ersten Schwingungspegel und dem
Schwellenwert umfaßt, der abhängig vom zweiten
Schwingungspegel erzeugt wird.
Applications Claiming Priority (1)
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