DE4206809A1 - Verfahren und vorrichtung zur klopferfassung fuer verbrennungsmotoren - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur klopferfassung fuer verbrennungsmotorenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klopferfassungs
einrichtung für einen Verbrennungsmotor und ein hierfür
verwendetes Verfahren und insbesondere eine Klopferfas
sungseinrichtung für einen in einem Kraftfahrzeug verwen
deten Benzinmotor und ein hierfür verwendetes Verfahren.
Wenn in einem Motor Klopfen auftritt, wird eine Vibration
mit charakteristischen Resonanzfrequenzkomponenten her
vorgerufen. Daher wird das Auftreten des Klopfens durch
die Erfassung dieser Vibration festgestellt.
Für die jeweilige Beurteilung, ob ein Klopfen vorliegt,
ist es notwendig, aus einer von einem Vibrationssensor
erfaßten Motorvibration die durch ein Klopfen hervor
gerufene Vibration von einer Hintergrundvibration, die in
keinerlei Beziehung zum Klopfen steht, abzutrennen.
Daher werden in herkömmlichen Klopferfassungseinrichtun
gen, wie sie etwa aus JP 58-45 520-A (1983) bekannt sind,
vorgegebene Resonanzfrequenzkomponenten im Bereich von 5
bis 12 kHz aus dem Ausgangssignal eines Vibrationssen
sors mittels eines Bandpaßfilters ausgeblendet; dann wird
beurteilt, ob ein Klopfen vorliegt, indem geprüft wird,
ob der integrierte Wert des Ausgangs des Bandpaßfilters
einen vorgegebenen Schwellenwert übersteigt.
In dieser herkömmlichen Klopferfassungseinrichtung wird
die für die Feststellung des Vorliegens eines Klopfens
erforderliche Integration der Resonanzfrequenzkomponenten
mittels einer Analogschaltung ausgeführt.
In diesen oben angegebenen herkömmlichen Klopf
erfassungseinrichtungen werden die Einflüsse, die durch
im Ausgangssignal des Vibrationssensors enthaltene und
von der Klopfvibration verschiedene Vibrationen ver
ursacht werden, etwa Ventilsitz-Vibrationen und Kol
bengleit-Vibrationen, nicht ausreichend berücksichtigt,
so daß herkömmliche Klopferfassungseinrichtungen bei ho
hen Drehzahlen des Motors gegenüber Rauschen empfindlich
sind. Daher besteht bei derartigen herkömmlichen Einrich
tungen wegen der geringen Erfassungsempfindlichkeit be
züglich einer genauen Klopferfassung ein Problem.
Ferner werden in herkömmlichen Klopferfassungseinrichtun
gen Verfahren für eine genaue Verarbeitung der Ausgangs
signale vom Vibrationssensor, etwa eine schnelle Fourier-
Transformation, nicht berücksichtigt, um das Klopfen
festzustellen, so daß von der im Ausgangssignal des Vi
brationssensors enthaltenen Information kein ausreichen
der Gebrauch gemacht werden kann und somit das Problem
besteht, daß eine genaue Beurteilung, ob ein Klopfen vor
liegt, nicht erzielt werden kann.
Weiterhin wird bei herkömmlichen Klopferfassungseinrich
tungen die Tatsache nicht berücksichtigt, daß die durch
das Klopfen erzeugte Vibration nicht notwendig über die
gesamte Dauer eines Verbrennungshubes verteilt sein muß,
so daß Vibrationssignale der gesamten Periode des Ver
brennungshubes, die auch solche Vibrationen enthalten,
die nicht mit dem Klopfen in Beziehung stehen, für die
Beurteilung des Klopfens verwendet werden. Daher besteht
während des Betriebes des Motors mit hoher Last und mit
hoher Drehzahl, in dem der Pegel der Rauschvibration zu
nimmt, das Problem, daß die Erfassung der Klopfvibration
schwierig ist und somit die Beurteilung, ob ein Klopfen
vorliegt oder nicht, unmöglich ist, weil es schwierig
ist, das Klopfen in einem Motordrehzahlbereich von mehr
als 3000 min-1 und im Motorhochleistungsbereich genau zu
erfassen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Klopferfassungseinrichtung für Verbrennungsmotoren und
ein hierfür verwendetes Verfahren zu schaffen, mit denen
eine genaue Erfassung und eine genaue Beurteilung des
Klopfens im gesamten Betriebsbedingungsbereich des Ver
brennungsmotors, selbst im Bereich hoher Lasten und hoher
Drehzahlen des Motors, möglich sind.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorlie
genden Erfindung gelöst durch eine Klopferfassungsein
richtung für einen Verbrennungsmotor, die eine Einrich
tung für die Frequenzanalyse und Frequenzverarbeitung,
die nacheinander in mehreren Zeitperioden während eines
Verbrennungshubes des Motors Ausgangssignale des Vibra
tionssensors empfängt und diese mittels einer digitalen
Frequenzanalyse verarbeitet, und eine Hauptresonanzfre
quenz-Einstelleinrichtung, die eine für die Beurteilung
des Klopfens erforderliche Hauptresonanzfrequenz in Ab
hängigkeit von den Motorbetriebsbedingungen festlegt, um
faßt.
Die Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt der vorlie
genden Erfindung gelöst durch eine Klopferfassungsein
richtung, die eine Einrichtung für die vorherige Bestim
mung eines Zeitperioden-Teilabschnittes, in dem das Vi
brationssignal während eines Verbrennungshubes die größte
Intensität besitzt, und eine Einrichtung für die
Frequenzanalyse der Vibrationssignale, die die Vibrati
onssignale in der Mitte des bestimmten Abschnittes loka
lisiert, umfaßt.
Die Frequenzanalyse- und -verarbeitungseinrichtung und
die Hauptresonanzfrequenz-Einstelleinrichtung gemäß dem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung empfangen wäh
rend eines jeden Verbrennungshubes nacheinander die Aus
gangssignale des Vibrationssensors, wandeln diese in di
gitale Signale um und führen an den jeweiligen digitalen
Signalen eine Frequenzanalyse aus, wodurch es möglich
ist, nur diejenigen Daten auszublenden, die eine für das
Klopfen charakteristische Vibration in vergleichsweise
hohem Grad besitzen. Im Ergebnis wird das Vorhandensein
oder das Nichtvorhandensein des Klopfens selbst während
des Motorbetriebs mit hoher Last und hoher Drehzahl, in
dem der Hintergrundvibrationspegel ansteigt, genau fest
gestellt.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung su
chen die Einrichtung für die Bestimmung eines Zeitperi
oden-Teilabschnittes während eines Verbrennungshubes, in
dem das Vibrationssignal die größte Intensität besitzt,
und die Einrichtung für die Frequenzanalyse der Vibra
tionsintensitätssignale, die das Vibrationssignal im Mit
telpunkt des Teilabschnittes lokalisiert, denjenigen
Datenbereich, der unter den Ausgangssignalen des
Vibrationssensors die größte Vibrationsintensität be
sitzt, wobei die Frequenzanalyse auf diesen Datenbereich
konzentriert wird, um so ein Klopfen festzustellen. Im
Ergebnis kann selbst ein schwaches Klopfsignal erfaßt
werden, so daß ein Klopfen im gesamten Motorbetriebsbe
reich festgestellt werden kann.
Da das Klopfen kein statisches Phänomen ist, kann nicht
vorhergesagt werden, wann das Klopfen in einem Verbren
nungshub auftritt und wie lange es andauert, da der Zeit
punkt und die Dauer des Klopfens selbst unter gleichen
Motorbetriebsbedingungen ständig wechseln. Gemäß dem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das Inter
vall eines Verbrennungshubes in eine Mehrzahl von konti
nuierlichen Abschnitten unterteilt, so daß die Vibra
tionssignale in den jeweiligen Teilabschnitten lokal un
tersucht werden können und anschließend die Klopfanalyse
auf diejenigen Daten konzentriert werden kann, die mögli
cherweise Klopfvibrationssignale enthalten, so daß erfin
dungsgemäß die Erfassungsempfindlichkeit gesteigert wer
den kann.
Die Resonanzfrequenzen, anhand derer das Auftreten eines
Klopfens festgestellt wird, verändern sich in Abhängig
keit von den Motorbetriebsbedingungen, etwa in Abhängig
keit von der Motordrehzahl; gemäß dem ersten Aspekt der
vorliegenden Erfindung wird die Frequenzanalyse jedoch in
einem Frequenzbereich ausgeführt, in dem die für das
Klopfen charakteristischen Frequenzkomponenten in hohem
Grad auftreten, so daß selbst unter Motorbetriebsbedin
gungen mit hoher Last und hoher Drehzahl, in denen der
Hintergrundvibrationspegel ansteigt, genau festgestellt
werden kann, ob ein Klopfen vorliegt. Wenn die Vibra
tionssignale, die die für das Klopfen charakteristischen
Frequenzkomponenten enthalten, jeweils in mehrere Ab
schnitte unterteilt werden, können die für das Klopfen
charakteristischen Frequenzkomponenten sicher erfaßt wer
den, indem die Ausgangssignale des Vibrationssensors ana
lysiert werden, wobei die Teilabschnitte in jeweils glei
chem Ausmaß miteinander überlappt werden.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
zunächst der Datenbereich, in dem die mit einem Klopfen
in Beziehung stehenden Vibrationssignale mit größter
Wahrscheinlichkeit enthalten sind, gesucht und bestimmt,
woraufhin die Beurteilung des Klopfens auf der Grundlage
der so bestimmten Daten ausgeführt wird, so daß eine
Klopferfassung mit hoher Empfindlichkeit erzielt werden
kann.
Erfindungsgemäß kann selbst dann genau beurteilt werden,
ob ein Klopfen vorliegt, wenn der Motor unter hoher Last
oder mit hoher Drehzahl betrieben wird, so daß einerseits
die Ausgangsleistung und andererseits der Kraftstoffver
brauch des Verbrennungsmotors verbessert werden.
Darüber hinaus wird die in den Ausgangssignalen des Vi
brationssensors enthaltene Information effektiv genutzt,
so daß sowohl die Motorleistung als auch der Kraft
stoffverbrauch des Verbrennungsmotors optimal gesteuert
werden können.
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
sind in den Unteransprüchen, die sich auf bevorzugte Aus
führungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen, ange
geben.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Aus
führungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläu
tert; es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung für die Erläuterung des Funkti
onsprinzips einer Klopferfassungseinrichtung für
einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit
einer herkömmlichen Klopferfassungseinrichtung;
Fig. 2 verschiedene Klopfsensorsignaldiagramme, die in
der Erläuterung in Verbindung mit Fig. 1 verwen
det werden;
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines beispielhaften Motor
steuersystems für einen Verbrennungsmotor, das
eine Klopferfassungseinrichtung gemäß einer Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung enthält;
Fig. 4 ein Flußdiagramm für die Erläuterung der Klopf
steuerungsverarbeitung in einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform;
Fig. 5 ein Flußdiagramm für die Erläuterung der Klopfbe
urteilungsverarbeitung im Schritt 203 in dem in
Fig. 4 gezeigten Flußdiagramm;
Fig. 6 ein Flußdiagramm für die Erläuterung der Klopfbe
urteilung im Schritt 304 in dem Fig. 5 gezeigten
Flußdiagramm;
Fig. 7 eine Tabelle, in der die für die Klopfvibration
charakteristischen Resonanzfrequenzkomponenten
dargestellt sind und die im Schritt 3042 im Fluß
diagramm von Fig. 6 verwendet wird;
Fig. 8 eine Darstellung für die Erläuterung des Funkti
onsprinzips einer weiteren Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Klopferfassungseinrichtung für
einen Verbrennungsmotor; und
Fig. 9 ein Flußdiagramm für die Erläuterung der Klopf
steuerungsverarbeitung in der erfindungsgemäßen
Ausführungsform von Fig. 8.
Zunächst wird das Prinzip erläutert, gemäß dem mit der
erfindungsgemäßen Klopferfassungseinrichtung beurteilt
wird, ob ein Klopfen vorliegt.
Wie bekannt, sind in den Motorvibrationen eine Mehrzahl
von Vibrationskomponenten enthalten, die durch die Rei
bung der Kolben, die Drehung der Kurbelwelle und die Be
tätigung der Ein- und Auslaßventile erzeugt werden. Au
ßerdem verändern sich diese Vibrationskomponenten in Ab
hängigkeit von den Verbrennungsbedingungen im Motor. Wenn
im Motor ein Klopfen erzeugt wird, werden zu den durch
die Verbrennung verursachten Vibrationen solche Vibratio
nen, die durch Druckschwankungen in den einzelnen Zylin
dern des Motors erzeugt werden und die für ein Klopfen
charakteristisch sind, hinzugefügt. Die Feststellung, ob
ein Klopfen vorhanden ist oder nicht, wird durch die Aus
blendung der für das Klopfen charakteristischen Vibratio
nen aus den von einem Vibrationssensor erfaßten Gesamtmo
torvibrationen ausgeführt.
In den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wer
den die Ausgangssignale des Vibrationssensors unter Ver
wendung von Frequenzanalyseverfahren wie etwa einer
schnellen Fourier-Transformation oder einer Walsh/Fou
rier-Transformation analysiert, wobei die Vibrationssi
gnale des Vibrationssensors während eines Verbrennungshu
bes nacheinander in eine Mehrzahl von Datenbereichen un
terteilt werden, die durch Kurbelwinkelbereiche darge
stellt werden. Anschließend werden die Daten in den je
weiligen Bereichen unter Verwendung eines der oben er
wähnten Frequenzanalyseverfahren einer Frequenzanalyse
unterzogen, um die für das Klopfen charakteristischen
Frequenzkomponenten zu erhalten; die sich daraus erge
bende Frequenzanalyse, die in Form eines S/R-Verhältnis
ses in den Kurbelwinkelbereichen zwischen 10° und 21°,
zwischen 21° und 33°, zwischen 33° und 44° und zwischen
44° und 56° gegeben ist, verändert sich abschnittsweise,
wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Andererseits werden in der herkömmlichen Klopferfassungs
einrichtung die entsprechenden Vibrationssignale des Vi
brationssensors, die in einem vorgegebenen Kurbelwinkel
bereich zwischen 10° und 56° eines jeden Verbrennungshu
bes enthalten sind und ebenfalls in Fig. 1 gezeigt sind,
ausgeblendet, dann wird im herkömmlichen Fall eine vorge
gebene Frequenzkomponente in den ausgeblendeten Signalen,
die beim Auftreten eines Klopfens erzeugt wird, über den
vorgegebenen Kurbelwinkelbereich, in dem das Auftreten
des Klopfens überwacht wird, integriert, wobei jedoch ein
wesentlicher Teil dieser Periode keine Klopffrequenz ent
hält, so daß im herkömmlichen Fall ein unzureichendes
S/R-Verhältnis erhalten wird, durch das die Klopferfas
sungsempfindlichkeit abgesenkt wird.
Erfindungsgemäß werden, wie ebenfalls in Fig. 1 gezeigt,
die Ausgangssignale des Vibrationssensors während eines
Verbrennungshubes nacheinander in eine Mehrzahl von Ab
schnitten unterteilt, wobei nur diejenigen Daten für die
Feststellung des Klopfens verwendet werden, die sich in
einem besonderen Teilabschnitt befinden, der eine inten
sive für das Klopfen charakteristische Vibration enthält,
wodurch die Klopferfassungsempfindlichkeit verbessert
wird.
In Fig. 2 ist die Veränderung der Kurbelwinkelpositionen
gezeigt, bei denen durch die Verbrennung bei gleichem
Zündzeitpunkt, jedoch unter verschiedenen Motorbetriebs
bedingungen erzeugte Vibrationen auftreten. Wie aus Fig.
2 ersichtlich, sind in der nicht veränderbaren, kon
stanten Kurbelwinkelperiode, in der die Klopffrequenzkom
ponente gemäß dem herkömmlichen Verfahren mit breitem
Einzelfenster integriert wird, Vibrationssignale einer
Periode, in der keine Klopfvibrationen vorhanden sein
können, in diesem breiten Einzelfenster ebenfalls enthal
ten, so daß das S/R-Verhältnis für die Erfassung des
Klopfens abgesenkt wird.
Im folgenden wird die erfindungsgemäße Klopferfassungs
einrichtung mit Bezug auf die in den Figuren gezeigten
Ausführungsformen im einzelnen erläutert.
In Fig. 3 ist ein Beispiel eines Motorsteuersystems für
einen Verbrennungsmotor gezeigt, das eine Klopferfas
sungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorlie
genden Erfindung enthält. Das Motorsteuersystem umfaßt
ein Steuerblock, der aus einer Eingabe-Einheit 20 einer
Eingabe-/Ausgabe-Einheit, einem A/D-Umsetzer 21, einem
RAM 22, einer Ausgabe-Einheit 23 einer Eingabe-/Ausgabe-
Einheit, einem ROM 24 und einer CPU 25 aufgebaut ist, und
einen Motorvibrations-Aufnahmeblock, der aus einem Ver
stärker 26, einem Bandpaßfilter 27 und einem A/D-Umsetzer
28 aufgebaut ist. Das Motorsteuersystem nimmt Signale von
einem am Motor angebrachten Vibrationssensor 1, von einem
Kurbelreferenzpositionssensor 2, von einem Kurbelwinkel
sensor 3 und von einem Luftströmungsratensensor 4 auf,
berechnet auf der Grundlage der Eingangssignale ein
Kraftstoffeinspritzsignal Ti und ein Zündzeitpunktsignal
Rign und gibt die berechneten Signale aus.
Die Ansaugluftmenge Q, die vom Luftmengenmesser 4, etwa
einem Luftmengenmesser vom Hitzdrahttyp, erfaßt wird,
wird mittels des A/D-Umsetzers 21 in einen digitalen Wert
umgewandelt und in die CPU 25 eingegeben. Ein vom Kurbel
referenzpositionssensor 2 erfaßtes REF-Signal und ein vom
Kurbelwinkelsensor 3 erfaßtes POS-Signal werden über die
Eingabe-Einheit 20 der E/A-Einheit in die CPU 25 eingege
ben und von der CPU 25 für die Gewinnung der Motordreh
zahl verwendet.
Die CPU 25 führt eine Verarbeitung gemäß einem im ROM 24
gespeicherten Programm aus, bestimmt das Kraftstoffein
spritzsignal Ti und das Zündzeitpunktsignal Rign
überträgt über die Ausgabe-Einheit 23 der E/A-Einheit die
so bestimmten Signale an die jeweiligen (nicht gezeigten)
Betätigungselemente.
Andererseits wird das Ausgangssignal vom Vibrationssensor
1, der als Klopfsensor bezeichnet wird, über den Verstär
ker 26 und das Bandpaßfilter 27 in den A/D-Umsetzer 28
eingegeben, der das Signal aufgrund des REF-Signal-Erzeu
gungszeitpunktes digitalisiert und die für die Klopfer
fassung erforderlichen Daten abtastet. Wenn der A/D-Um
setzer 28 die für die Klopffeststellung erforderlichen
Daten aufnimmt, erzeugt er ein Unterbrechungssignal für
die CPU 25.
Aufgrund des Unterbrechungssignals vom A/D-Umsetzer 28
beginnt die CPU 25 mit der Verarbeitung des abgetasteten
Vibrationssensor-Ausgangssignals gemäß einem im ROM 24
gespeicherten Klopfbeurteilungsprogramm, stellt fest, ob
ein Klopfen vorhanden ist, und bewirkt, daß das Beurtei
lungsergebnis bei der Erzeugung des Zündzeitpunktsignals
Ti geeignet berücksichtigt wird, um so das Klopfen zu
steuern.
Zunächst wird die Zündzeitpunktverarbeitung in der CPU 25
mit Bezug auf das in Fig. 4 gezeigte Flußdiagramm erläu
tert. Die Verarbeitung in dem in Fig. 4 gezeigten Fluß
diagramm beginnt jeweils nach einem vorgegebenen Zyklus,
beispielsweise nach jeweils 20 ms.
Im Schritt 201 werden aus bestimmten Registern im RAM 22
die Motordrehzahl N und eine Ansaugluftmenge Q geholt. Im
Schritt 202 wird die Ansaugluftmenge pro Motorumdrehung
Q/N berechnet, anschließend werden auf der Grundlage des
Rechenergebnisses und unter Bezugnahme auf eine Basis-
Kraftstoffmengentabelle und auf eine Basis-Zündzeitpunkt
tabelle, die im ROM 24 gespeichert sind, eine Basis-Ein
spritzimpulsbreite Ti bzw. ein Basis-Zündzeitpunkt RBasis
erhalten. Im Schritt 203 wird unter Bezugnahme auf den
Informationsgehalt eines später erläuterten Klopf-Zu
standsbits festgestellt, ob ein Klopfen vorhanden ist
oder nicht.
Wenn im Schritt 203 festgestellt wird, daß ein Klopfen
auftritt, wird im Schritt 205 vom vorhergehenden Vorei
lungswinkel Radv ein vorgegebener Verzögerungswinkel Rret
subtrahiert, um den neuen Voreilungswinkel Radv zu be
stimmen. Durch diese Subtraktion wird der Zündzeitpunkt
im Vergleich zum vorhergehenden Zündzeitpunkt verzögert,
wodurch das Klopfen gesteuert bzw. unterdrückt wird.
Wenn andererseits im Schritt 203 festgestellt wird, daß
kein Klopfen vorliegt, wird im Schritt 204 zum vorherge
henden Voreilungswinkel Radv ein vorgegebener Voreilungs
winkel Radv1 addiert, um den neuen Voreilungswinkel Radv
zu bestimmen. Durch diese Addition wird nach der der
Klopfsteuerung dienenden Verzögerung der Zündzeitpunkt
schrittweise wieder auf den alten Wert eingestellt.
Im Schritt 206 wird der so erhaltene neue Voreilungswin
kel Radv zum Basis-Zündzeitpunkt RBasis addiert, um so den
Zündzeitpunkt Rign zu bestimmen. Im Schritt 207 wird auf
der Grundlage der Motordrehzahl N und der Ansaugluftmenge
pro Motordrehzahl Q/N der maximale Voreilungswinkel Rmax
bestimmt, indem auf die im ROM 24 gespeicherte Tabelle
für maximale Voreilungswinkel Bezug genommen wird.
Im Schritt 208 wird festgestellt, ob der Zündzeitpunkt
Rign den maximalen Voreilungswinkel Rmax übersteigt. Wenn
der Zündzeitpunkt Rign den maximalen Voreilungswinkel Rmax
übersteigt, geht die Verarbeitung weiter zum Schritt 209,
in dem der maximale Voreilungswinkel Rmax als Zündzeit
punkt Rign bestimmt wird, anschließend ist die Verarbei
tung bezüglich der Zündzeitpunktsteuerung beendet; wenn
andererseits festgestellt wird, daß der Zündzeitpunkt
Rign den maximalen Voreilungswinkel Rmax nicht übersteigt,
wird der berechnete Zündzeitpunkt Rign als tatsächlicher
Zündzeitpunkt bestimmt, woraufhin auch in diesem Fall die
Verarbeitung bezüglich der Zündzeitpunktsteuerung abge
schlossen ist.
Nun wird mit Bezug auf das in Fig. 5 gezeigte Flußdia
gramm die Verarbeitung im Schritt 203, in der durch die
CPU 25 festgestellt wird, ob ein Klopfen vorhanden ist,
erläutert. Die Verarbeitung gemäß dem in Fig. 5 gezeigten
Flußdiagramm beginnt, nachdem der A/D-Umsetzer 28, der
durch ein ein Unterbrechungssignal darstellendes REF-Si
gnal aktiviert worden ist, die Aufnahme und die Umsetzung
der für die in der CPU 25 ausgeführte Frequenzanalyse er
forderlichen Daten abgeschlossen hat.
Im Schritt 301 wird das Ausgangssignal des Vibrationssen
sors 1 auf der Grundlage der Daten des A/D-Umsetzers 28
einer Frequenzanalyse unterzogen. In der Frequenzanalyse,
die auf eine erstmalige Analyse folgt, kann der in der
vorherigen Frequenzanalyse verwendete Datenteil mit den
momentanen Daten überlappt werden; statt dessen kann zwi
schen den in der vorherigen Frequenzanalyse verwendeten
Daten und den momentanen Daten auch eine Lücke gebildet
werden.
Im Schritt 302 wird festgestellt, ob die vorgegebene An
zahl von Analysen, die für die Klopfbeurteilung während
eines Verbrennungshubes bestimmt wurde, erreicht ist.
Wenn die vorgegebene Anzahl von Analysevorgängen noch
nicht erreicht worden ist, geht die Verarbeitung weiter
zum Schritt 303, in dem auf den Abschluß der nachfolgen
den A/D-Umsetzung gewartet wird. Wenn die erforderliche
Anzahl von Analysevorgängen erreicht ist, wird im Schritt
304 eine Hauptresonanzfrequenz wie etwa 6,3 kHz, 10,4
kHz, 13,0 kHz, 14,3 kHz und 18,1 kHz eingelesen. Die im
Schritt 304 eingelesene Hauptresonanzfrequenz variiert in
Abhängigkeit von der Motordrehzahl und von der Motorlast.
Nun wird mit Bezug auf das in Fig. 6 gezeigte Flußdia
gramm die Verarbeitung im Schritt 304 im einzelnen erläu
tert. Zunächst werden in einem Schritt 3041 eine Motor
drehzahl und eine Motorlast geholt. Im Schritt 3042 wird
die in Fig. 7 dargestellte Tabelle anhand der geholten
Motordrehzahl und der geholten Motorlast abgerufen, um so
die bei der momentanen Klopfbeurteilung verwendete
Hauptresonanzfrequenz zu bestimmen; anschließend wird im
Schritt 3043 die bestimmte Hauptresonanzfrequenz eingele
sen, die in den folgenden Schritten verwendet wird.
Nun wird wieder auf das in Fig. 5 gezeigte Flußdiagramm
Bezug genommen. Im Schritt 305 wird gemäß der folgenden
Gleichung (1) unter Verwendung der im Schritt 304 erhal
tenen Hauptresonanzfrequenz für die jeweiligen Frequenz
analysedaten ein Klopfindex I bestimmt:
I = A₁X₁ + A₂X₂ + . . . + AnXn (1)
wobei Xi das Leistungsspektrum der Resonanzfrequenzkompo
nente ist und wobei gilt: Ai = 1 für eine vorgegebene An
zahl von größeren Xi; Ai = 0 für alle anderen Xi.
Im Schritt 306 wird das Produkt aus dem Hintergrundpegel
BGL und einem Kappungspegel Kr, der für die Klopfbeurtei
lung einen Schwellenpegel darstellt, mit dem größten im
Schritt 305 bestimmten Klopfindex I verglichen; wenn der
Klopfindex I größer als dieses Produkt ist, wird im
Schritt 307 festgestellt, daß ein Klopfen vorhanden ist,
so daß das Klopf-Zustandsbit auf den Wert "Klopfen = 1"
eingestellt wird und anschließend die Klopfbeurteilungs
verarbeitung abgeschlossen ist.
Wenn andererseits im Schritt 306 festgestellt wird, daß
der Klopfindex I kleiner als das erwähnte Produkt ist,
wird im Schritt 308 festgestellt, daß kein Klopfen vor
liegt, so daß das Klopf-Zustandsbit auf den Wert "Klopfen
= 0" eingestellt wird und der Hintergrundpegel BGL gemäß
der folgenden Gleichung (2) aktualisiert wird:
momentaner BGL = (1 - 1/N) · vorheriger BGL + (1/N) · Klopfindex I (2)
wobei N die Abtastanzahl ist. Anschließend ist die Klopf
beurteilungsverarbeitung auch in diesem Fall beendet.
Wie aus der obigen Erläuterung ersichtlich, wird erfin
dungsgemäß aus einer Mehrzahl von Datenbereichen, die in
einem Verbrennungshub nacheinander angeordnet sind, ein
Datenbereich, der die spezifische Resonanzfrequenzkompo
nente der größten Intensität enthält und der auf der
Grundlage der momentanen Motorbetriebsbedingungen be
stimmt worden ist, für die Klopfbeurteilung ausgewählt,
so daß eine genaue Klopfbeurteilung mit hoher Empfind
lichkeit möglich ist. Auf diese Weise kann daher eine
Klopfsteuerung des Motors leicht und zuverlässig ausge
führt werden.
Nun wird mit Bezug auf Fig. 8 eine weitere Ausführungs
form der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der
Klopfbeurteilung gemäß dieser Ausführungsform wird
zunächst ein Datenbereich gesucht, der unter den Aus
gangsdaten des Vibrationssensors die höchste Ausgabe be
sitzt. Danach wird die Ausgabe in einem begrenzten Kur
belwinkelbereich einer Frequenzanalyse für die Klopfbeur
teilung unterzogen, derart, daß der die höchste Ausgabe
besitzende Datenbereich im wesentlichen in der Mitte des
begrenzten Analysebereichs angeordnet ist.
Der Vibrationssensor erzeugt normalerweise während der
Verbrennung des Kraftstoffs in einem Verbrennungsmotor
ein Ausgangssignal, wie es in Fig. 8(a) gezeigt ist. In
der vorliegenden Ausführungsform wird das Vibrationssi
gnal während der Verbrennung in positiver Zeitrichtung in
eine Mehrzahl von Intervallen unterteilt, wie in Fig.
8(b) gezeigt ist. Anschließend werden die Vibrationsin
tensitäten in den jeweiligen Intervallen analysiert, wie
in Fig. 8(c) gezeigt ist. Wenn hierbei Intervalle auftre
ten, in denen die durch die vorhergehende Analyse be
stimmte Vibrationsintensität P das Produkt KBGL aus dem
Hintergrundpegel BGL und dem Kappungspegel Kr übersteigt,
wird ein Intervall, das die höchste Vibrationsfrequenz
enthält, als Bereich bestimmt, in dem während des Ver
brennungshubes möglicherweise die höchste Klopfintensität
vorhanden ist. Dann wird der Kurbelwinkelbereich dieses
Intervalls gespeichert, anschließend wird der Analysebe
reich oder der Klopfbeurteilungsabschnitt, mit dem der
gespeicherte Kurbelwinkelbereich vollständig abgedeckt
wird, bestimmt, wie in Fig. 8(d) gezeigt ist, derart, daß
der gespeicherte Kurbelwinkelbereich, in dem die die
höchste Intensität zeigende Vibration auftritt, im we
sentlichen in der Mitte des Analysebereichs angeordnet
ist. Anschließend wird das Vibrationssignal in diesem be
grenzten Bereich einer Frequenzanalyse unterzogen, um
festzustellen. Im Ergebnis wird eine Klopferfassung mit
hohem S/R-Verhältnis und mit hoher Empfindlichkeit er
zielt, wie in Fig. 8(e) gezeigt ist.
Nun wird mit Bezug auf das in Fig. 9 gezeigte Flußdia
gramm eine Klopferfassung gemäß dieser Ausführungsform
erläutert.
Wenn ein den Abschluß der A/D-Umsetzung anzeigendes Un
terbrechungssignal erzeugt wird, wird zunächst im Schritt
401 die Anzahl der Vibrationsintensitäts-Berechnungen ge
zählt. Im Schritt 402 werden die ausgegebenen Vibrations
komponenten innerhalb eines vorgegebenen, schmalen Kur
belwinkelbereichs analysiert, um deren Vibrationsintensi
tät P zu bestimmen. Im Schritt 403 wird die bestimmte Vi
brationsintensität P mit dem Produkt KBGL aus dem Hinter
grundpegel BGL und dem Kappungspegel Kr, das einen
Schwellenwert für die Vibrationsintensität darstellt,
verglichen, wobei die Verarbeitung zum Schritt 404 weiter
geht, wenn die bestimmte Vibrationsintensität die Schwel
len-Vibrationsintensität KBGL übersteigt, wobei der Da
tenbereich oder der Kurbelwinkelbereich, in dem die Vi
brationsintensitätsanalyse ausgeführt wird, gespeichert
wird.
Im Schritt 405 wird festgestellt, ob die vorgegebene An
zahl von Vibrationsintensitätsanalysen erreicht worden
ist. Wenn diese vorgegebene Anzahl von Analysen noch
nicht erreicht worden ist, geht die Verarbeitung weiter
zum Schritt 406 und wartet auf den Abschluß der A/D-Um
setzung. Wenn die vorgegebene Anzahl von Analysen er
reicht worden ist, geht die Verarbeitung weiter zum
Schritt 407, in dem auf der Grundlage des im Schritt 404
gespeicherten Datenbereichs der Frequenzanalysebereich
bestimmt wird, wie mit Bezug auf Fig. 8(d) erläutert
wurde; danach geht die Verarbeitung weiter zum Schritt
408, in dem das Vibrationssignal im begrenzten, bestimm
ten Kurbelwinkelbereich einer Frequenzanalyse für die
nachfolgende Klopfbeurteilung unterzogen wird.
Somit kann in dieser Ausführungsform eine Klopferfassung
mit hohem S/R-Verhältnis und hoher Empfindlichkeit er
zielt werden, wie in Verbindung mit Fig. 8 erläutert wor
den ist, so daß auf einfache und zuverlässige Weise eine
Klopfsteuerung für einen Verbrennungsmotor erhalten wird.
Claims (5)
1. Klopferfassungseinrichtung für Verbrennungsmoto
ren, die einen Vibrationssensor (1) aufweist, der die Mo
torvibration und/oder die Zylinderinnendruckvibration er
faßt,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (28) für die Aufnahme der vom Vibrationssensor (1) ausgegebenen Vibrationssignale in mehreren aufeinanderfolgenden Intervallen während eines Verbrennungshubes des Verbrennungsmotors;
eine Einrichtung (25) für die Verarbeitung der aufgenommenen Vibrationssignale in den jeweiligen aufein anderfolgenden Intervallen mittels einer digitalen Fre quenzanalyse;
eine Einrichtung (25) für die Festlegung einer für die Feststellung des Klopfens erforderlichen Hauptre sonanzfrequenz in Abhängigkeit vom momentanen Betriebszu stand des Verbrennungsmotors;
eine Einrichtung (25) für die Berechnung von Klopfindizes (I) für die einer digitalen Frequenzanalyse unterzogenen Vibrationssignale in den jeweiligen aufein anderfolgenden Intervallen auf der Grundlage der einge stellten Hauptresonanzfrequenzkomponente; und
eine Einrichtung (25) für den Vergleich des größ ten berechneten Klopfindexes (I) mit einem vorgegebenen Schwellenwert, der durch einen Hintergrundvibrationspegel (BGL) und einen Kappungspegel (Kr) gegeben ist, um so ein Auftreten des Klopfens zu bestimmen.
eine Einrichtung (28) für die Aufnahme der vom Vibrationssensor (1) ausgegebenen Vibrationssignale in mehreren aufeinanderfolgenden Intervallen während eines Verbrennungshubes des Verbrennungsmotors;
eine Einrichtung (25) für die Verarbeitung der aufgenommenen Vibrationssignale in den jeweiligen aufein anderfolgenden Intervallen mittels einer digitalen Fre quenzanalyse;
eine Einrichtung (25) für die Festlegung einer für die Feststellung des Klopfens erforderlichen Hauptre sonanzfrequenz in Abhängigkeit vom momentanen Betriebszu stand des Verbrennungsmotors;
eine Einrichtung (25) für die Berechnung von Klopfindizes (I) für die einer digitalen Frequenzanalyse unterzogenen Vibrationssignale in den jeweiligen aufein anderfolgenden Intervallen auf der Grundlage der einge stellten Hauptresonanzfrequenzkomponente; und
eine Einrichtung (25) für den Vergleich des größ ten berechneten Klopfindexes (I) mit einem vorgegebenen Schwellenwert, der durch einen Hintergrundvibrationspegel (BGL) und einen Kappungspegel (Kr) gegeben ist, um so ein Auftreten des Klopfens zu bestimmen.
2. Klopferfassungseinrichtung für Verbrennungsmoto
ren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Hintergrundvibrationspegel (BGL) unter Verwendung der be
rechneten Klopfindizes (I) aktualisiert wird, wenn kein
Klopfen festgestellt wird.
3. Klopferfassungseinrichtung für Verbrennungsmoto
ren, die einen Vibrationssensor (1) aufweist, der die Mo
torvibration und/oder die Zylinderinnendruckvibration er
faßt,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (28) für die Aufnahme der vom Vibrationssensor (1) ausgegebenen Vibrationssignale in mehreren aufeinanderfolgenden Intervallen während eines Verbrennungshubes des Verbrennungsmotors;
eine Einrichtung (25) für die Auswahl eines der aufeinanderfolgenden Intervalle, in dem die ausgegebenen Vibrationssignale die höchste Intensität oberhalb eines ersten vorgegebenen Schwellenwertes (KBGL) besitzen;
eine Einrichtung (25) für die Bestimmung eines Frequenzanalyse-Intervalls, derart, daß sich das ausge wählte Intervall im wesentlichen in der Mitte des Fre quenzanalyse-Intervalls befindet;
eine Einrichtung (25) für die Ausführung einer Frequenzanalyse an den Vibrationssignalen im bestimmten Frequenzanalyse-Intervall;
eine Einrichtung (25) für die Festlegung einer für die Feststellung des Klopfens erforderlichen Hauptre sonanzfrequenz in Abhängigkeit von der momentanen Be triebsbedingung des Verbrennungsmotors;
eine Einrichtung für die Berechnung eines Klopf indexes (I) für die einer Frequenzanalyse unterzogenen Vibrationssignale im bestimmten Frequenzanalyse-Intervall auf der Grundlage der eingestellten Hauptresonanzfre quenzkomponente; und
eine Einrichtung (25) für den Vergleich des be rechneten Klopfindexes (I) mit einem zweiten vorgegebenen Schwellenwert, der durch einen Hintergrundvibrationspegel (BGL) und einen Kappungspegel (Kr) gegeben ist, um da durch das Auftreten eines Klopfens festzustellen.
eine Einrichtung (28) für die Aufnahme der vom Vibrationssensor (1) ausgegebenen Vibrationssignale in mehreren aufeinanderfolgenden Intervallen während eines Verbrennungshubes des Verbrennungsmotors;
eine Einrichtung (25) für die Auswahl eines der aufeinanderfolgenden Intervalle, in dem die ausgegebenen Vibrationssignale die höchste Intensität oberhalb eines ersten vorgegebenen Schwellenwertes (KBGL) besitzen;
eine Einrichtung (25) für die Bestimmung eines Frequenzanalyse-Intervalls, derart, daß sich das ausge wählte Intervall im wesentlichen in der Mitte des Fre quenzanalyse-Intervalls befindet;
eine Einrichtung (25) für die Ausführung einer Frequenzanalyse an den Vibrationssignalen im bestimmten Frequenzanalyse-Intervall;
eine Einrichtung (25) für die Festlegung einer für die Feststellung des Klopfens erforderlichen Hauptre sonanzfrequenz in Abhängigkeit von der momentanen Be triebsbedingung des Verbrennungsmotors;
eine Einrichtung für die Berechnung eines Klopf indexes (I) für die einer Frequenzanalyse unterzogenen Vibrationssignale im bestimmten Frequenzanalyse-Intervall auf der Grundlage der eingestellten Hauptresonanzfre quenzkomponente; und
eine Einrichtung (25) für den Vergleich des be rechneten Klopfindexes (I) mit einem zweiten vorgegebenen Schwellenwert, der durch einen Hintergrundvibrationspegel (BGL) und einen Kappungspegel (Kr) gegeben ist, um da durch das Auftreten eines Klopfens festzustellen.
4. Verfahren zur Erfassung des in einem Verbren
nungsmotor erzeugten Klopfens,
gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
Aufnehmen von Vibrationssignalen, die von einem Vibrationen des Verbrennungsmotors erfassenden Vi brationssensor (1) ausgegeben werden, in mehreren aufein anderfolgenden Intervallen während eines Ver brennungshubes des Verbrennungsmotors;
Frequenzanalyse (301) der in den jeweiligen auf einanderfolgenden Intervallen aufgenommenen Vibrationssi gnale;
Festlegen (304) einer für die Feststellung des Klopfens erforderlichen Hauptresonanzfrequenz in Abhän gigkeit vom momentanen Betriebszustand des Verbrennungs motors;
Berechnen (305) von Klopfindizes (I) für die der Frequenzanalyse unterzogenen Vibrationssignale in den je weiligen aufeinanderfolgenden Intervallen auf der Grund lage der eingestellten Hauptresonanzfrequenzkomponente;
Vergleichen (306) des größten berechneten Klopf indexes (I) mit einem vorgegebenen Schwellenwert, der durch einen Hintergrundvibrationspegel (BGL) und einen Kappungspegel (Kr) gegeben ist, um damit das Auftreten von Klopfen zu bestimmen; und
Aktualisieren der jeweiligen Hintergrundvi brationspegel (BGL) durch die Verwendung der berechneten Klopfindizes (I), wenn kein Klopfen festgestellt wird.
Aufnehmen von Vibrationssignalen, die von einem Vibrationen des Verbrennungsmotors erfassenden Vi brationssensor (1) ausgegeben werden, in mehreren aufein anderfolgenden Intervallen während eines Ver brennungshubes des Verbrennungsmotors;
Frequenzanalyse (301) der in den jeweiligen auf einanderfolgenden Intervallen aufgenommenen Vibrationssi gnale;
Festlegen (304) einer für die Feststellung des Klopfens erforderlichen Hauptresonanzfrequenz in Abhän gigkeit vom momentanen Betriebszustand des Verbrennungs motors;
Berechnen (305) von Klopfindizes (I) für die der Frequenzanalyse unterzogenen Vibrationssignale in den je weiligen aufeinanderfolgenden Intervallen auf der Grund lage der eingestellten Hauptresonanzfrequenzkomponente;
Vergleichen (306) des größten berechneten Klopf indexes (I) mit einem vorgegebenen Schwellenwert, der durch einen Hintergrundvibrationspegel (BGL) und einen Kappungspegel (Kr) gegeben ist, um damit das Auftreten von Klopfen zu bestimmen; und
Aktualisieren der jeweiligen Hintergrundvi brationspegel (BGL) durch die Verwendung der berechneten Klopfindizes (I), wenn kein Klopfen festgestellt wird.
5. Verfahren zur Erfassung des in einem Verbren
nungsmotor erzeugten Klopfens,
gekennzeichnet durch folgende
Schritte:
Aufnehmen von Vibrationssignalen, die von einem die Vibrationen des Verbrennungsmotors erfassenden Vibra tionssensor (1) ausgegeben werden, in mehreren aufeinan derfolgenden Intervallen während eines Verbrennungshubes des Verbrennungsmotors;
Auswählen (401-406) eines der aufeinander folgenden Intervalle, in dem die ausgegebenen Vibrations signale die größte Intensität oberhalb eines ersten vor gegebenen Schwellenwertes (KBGL) besitzen;
Bestimmen (407) eines Frequenzanalyse-Intervalls, derart, daß sich das ausgewählte Intervall im we sentlichen in der Mitte des Frequenzanalyse-Intervalls befindet;
Frequenzanalyse (408) der ausgegebenen Vibrati onssignale im bestimmten Frequenzanalyse-Intervall;
Festlegen (304) einer für die Feststellung des Klopfens erforderlichen Hauptresonanzfrequenz in Ab hängigkeit vom momentanen Betriebszustand des Ver brennungsmotors;
Berechnen eines Klopfindexes (I) für die der Fre quenzanalyse unterzogenen Vibrationssignale im bestimmten Frequenzanalyse-Intervall auf der Grundlage der einge stellten Hauptresonanzfrequenzkomponente; und
Vergleichen des berechneten Klopfindexes (I) mit einem zweiten vorgegebenen Schwellenwert, der durch einen Hintergrundvibrationspegel (BGL) und einen Kappungspegel (Kr) gegeben ist, um damit das Auftreten eines Klopfens festzustellen.
Aufnehmen von Vibrationssignalen, die von einem die Vibrationen des Verbrennungsmotors erfassenden Vibra tionssensor (1) ausgegeben werden, in mehreren aufeinan derfolgenden Intervallen während eines Verbrennungshubes des Verbrennungsmotors;
Auswählen (401-406) eines der aufeinander folgenden Intervalle, in dem die ausgegebenen Vibrations signale die größte Intensität oberhalb eines ersten vor gegebenen Schwellenwertes (KBGL) besitzen;
Bestimmen (407) eines Frequenzanalyse-Intervalls, derart, daß sich das ausgewählte Intervall im we sentlichen in der Mitte des Frequenzanalyse-Intervalls befindet;
Frequenzanalyse (408) der ausgegebenen Vibrati onssignale im bestimmten Frequenzanalyse-Intervall;
Festlegen (304) einer für die Feststellung des Klopfens erforderlichen Hauptresonanzfrequenz in Ab hängigkeit vom momentanen Betriebszustand des Ver brennungsmotors;
Berechnen eines Klopfindexes (I) für die der Fre quenzanalyse unterzogenen Vibrationssignale im bestimmten Frequenzanalyse-Intervall auf der Grundlage der einge stellten Hauptresonanzfrequenzkomponente; und
Vergleichen des berechneten Klopfindexes (I) mit einem zweiten vorgegebenen Schwellenwert, der durch einen Hintergrundvibrationspegel (BGL) und einen Kappungspegel (Kr) gegeben ist, um damit das Auftreten eines Klopfens festzustellen.
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DE4206809A1 true DE4206809A1 (de) | 1992-09-10 |
DE4206809C2 DE4206809C2 (de) | 1995-10-05 |
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