DE4239592C2 - Klopfdetektor für Brennkraftmaschine - Google Patents

Klopfdetektor für Brennkraftmaschine

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Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Klopfdetektor für eine Brennkraftmaschine.
Herkömmliche Klopfdetektoren für Brennkraftmaschinen benützen einen Beschleunigungssensor befestigt neben einem Zylinder der Motoren und unterwerfen ein elektrisches Signal, das von dem Beschleunigungssensor ausgegeben wird, einer Frequenzanalyse, um zu beurteilen ob oder ob nicht Klopfen aufgetreten ist, dessen Auftreten von Betriebsbedingungen des Automobils usw. abhängt.
Die herkömmlichen Klopfdetektoren für Brennkraftmaschinen, welche wie oben beschrieben aufgebaut sind, haben als Basis für eine Klopfbeurteilung das Ausgabeniveau des an den Motoren befestigten Beschleunigungssensors. Deshalb wird ebenfalls Rauschen (z. B. Ventilrauschen) verschieden vom Klopfen durch den Beschleunigungssensor aufgegriffen, was es erforderlich gemacht hat, das Klopfen und anderes Rauschen einer Frequenzanalyse zur Klopfbeurteilung zu unterwerfen.
Aus DE 33 38 271 A1 ist eine Schaltung zur Klopferkennung für Ottomotoren bekannt, welche eine Ionenstromerfassungseinrichtung zum Erfassen des über die Zündkerze fließenden Ionenstroms und eine Klopfbeurteilungseinrichtung zum Erzeugen eines Klopfen kennzeichnenden Signals umfaßt, wenn ein Ionenstromsignal in einem vorgegebenen Zeitfenster eine der akustischen Eigenfrequenz des Brennraumes entsprechende Frequenzkomponente aufweist. Zur Erfassung dieser Frequenzkomponente umfaßt der Klopfdetektor einen Bandpaßfilter.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Klopfdetektor für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, der in der Lage ist, Klopfen einfach und sicher ohne eine Frequenzanalyse zu erfassen.
Erfindungsgemäß wird die obige Aufgabe gelöst wie im Anspruch 1 angegeben.
Gemäß dieser Erfindung wird der Ionenstrom über der Zündspule zur Zeit der Zündung erfaßt und erlaubt dadurch, daß Klopfen erfaßt wird anhand der Tatsache, daß der Ionenstrom oberhalb eines vorbestimmten Pegels nach einer vorbestimmten Zeit oder einem Kurbelwinkel von der Zündung anliegt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung selbst jedoch kann am besten verstanden werden aus der detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
Fig. 1 ein Diagramm eines Klopfdetektors für eine Brennkraftmaschine einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 einen Zeitablaufplan, zu dem Betrieb des Klopfdetektors von Fig. 1;
Fig. 3 einen Zeitablaufplan für den Betrieb eines Klopfdetektors einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 4 ein Diagramm eines Klopfdetektors für eine Brennkraftmaschine einer dritten Ausführungsform;
Fig. 5 einen Zeitablaufplan zu dem Betrieb des Klopfdetektors von Fig. 4; und
Fig. 6 einen Zeitablaufplan zu dem Betrieb eines Klopfdetektors für eine Brennkraftmaschine einer vierten Ausführungsform.
1. Ausführungsform
Bezugszeichen 1 bezeichnet in Fig. 1 eine Zündspule mit einer Primärseite 1a und einer Sekundärseite 1b; 2 einen Leistungstransistor verbunden mit der Primärseite 1a zum Abschalten des Primärstroms; 3 eine Zündkerze verbunden mit der Sekundärseite 1b zum Entflammen eines Gasgemischs einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine durch Anlegen einer Zündhochspannung; 4 einen Kondensator verbunden mit dem positiven Pol der Sekundärseite 1b; 5 einen Widerstand eingesetzt zwischen dem Kondensator 4 und Masse zum Umwandeln eines Ionenstroms in eine Spannung; 6 eine Diode parallel verbunden mit dem Widerstand 5; und 7 eine Zenerdiode eingesetzt zwischen der Sekundärseite 1b und einer Detektor-Stromversorgung 10.
Bezugszeichen 8 bezeichnet einen Wechselstrom-Kopplerschaltkreis zum Extrahieren von nur einer Wechselstromkomponente aus der an dem Widerstand 5 erhaltenen Spannung; 9 einen Komparatorschaltkreis zum Vergleichen der Wechselstromkomponente mit einem vorbestimmten Bezugsspannungspegel; 11 einen Ausgangsanschluß zum Ausgeben eines Verbrennungsimpulses, wenn der Ionenstrom erfaßt worden ist; 12 einen Mikrocomputer zum Bewirken verschiedener Arten von Steuerung; 13 einen Eingangsanschluß des Mikrocomputers 12 zum Eingeben eines Umdrehungsbezugssignals; 14 einen Eingangsanschluß des Mikrocomputers 12 zum Eingeben von Lastinformation; und 15 einen Ausgangsanschluß des Mikrocomputers 12 zum Ausgeben eines Steuersignals für den Leistungstransistor 2.
Wenn der Strom an der Primärseite 1a unterbrochen wird durch ein Zündsignal von dem Mikrocomputer 12 gleichzeitig mit dem Zünden der Brennkraftmaschine, wird eine negative Zündhochspannung (etwa -10 bis -25 kV) an der Sekundärseite 1b erzeugt, wobei ein Funkenstrom durch den durch angedeuteten Weg fließt. Dieser Funkenstrom verursacht einen Funken über den Elektroden der Zündkerze 3 und somit das Entflammen des Gasgemischs in der Brennkraftmaschine. Dieser Funkenstrom lädt ebenfalls den Kondensator 4 in der gezeigten Polarität und die aufgeladene Spannung kann auf einen beliebigen Wert durch die Zenerdiode gesetzt werden. An diesem Punkt findet eine Ionisierung statt, wenn das Gasgemisch verbrannt wird und Ionen erzeugt.
Hierbei bewegen sich Elektronen bei positiv vorgespanntem Kondensator 4 (etwa 50 bis 300 V) und der Ionenstrom fließt durch den mit angedeuteten Weg in Fig. 1. Die Erzeugung des Ionenstroms erzeugt eine Spannung über den Anschlüssen des Widerstands 5. Die Wechselstromkomponente dieser erzeugten Spannung wird durch den Wechselstrom-Kopplerschaltkreis 8 extrahiert und die Wechselstromkomponente wird dann mit einem Bezugspegel durch den Komparatorschaltkreis 9 verglichen, um dadurch einen Verbrennungsimpuls von dem Ausgangsanschluß 11 davon zu erhalten. Der erhaltene Verbrennungsimpuls wird an den Mikrocomputer 12 angelegt, um zu Beurteilen ob oder ob nicht ein Klopfen stattgefunden hat anhand der Bedingung (hoch oder niedrig) des Verbrennungsimpulses, nachdem eine vorbestimmte Zeit t (ms) verstrichen ist seit einem vorbestimmten Zündzeitpunkt auf der Basis eines Umdrehungsbezugssignals und Lastinformation, welche separat angelegt werden.
Fig. 2 verdeutlicht den Zeitablaufplan obigen Betriebs. Eine Wellenform (a) zeigt ein Umdrehungsbezugssignal des Motors; (b) ein Zündsignal berechnet aus dem Umdrehungsbezugssignal und der Lastinformation, wobei die führende Flanke mit dem Zündzeitpunkt übereinstimmt; (c) den Ionenstrom, der durch die Zündspule 1 fließt, wobei i den Bezugspegel des Komparatorschaltkreises 9 andeutet; und (d) einen von dem Ausgangsanschluß 11 ausgegebenen Verbrennungsimpuls, wobei t die vorbestimmte Zeit t in ms nach dem Zündzeitpunkt ist. Wenn es in dem Motor kein Klopfen gibt, wird der Ionenstrom rasch gedämpft. Somit wird, wenn der Verbrennungsimpuls nach t seit dem Zündzeitpunkt niedrig ist, befunden, daß kein Klopfen stattgefunden hat, wohingegen befunden wird, daß Klopfen stattgefunden hat, falls der Verbrennungsimpuls hoch ist.
2. Ausführungsform
Fig. 3 ist ein Zeitablaufplan, der den Betrieb einer zweiten Ausführungsform zeigt. Ein Auftreten von Klopfen wird beurteilt durch die Verbrennungsimpulsbedingung zu einem vorbestimmten Kurbelwinkel, z. B. ATDC20° (das Acronym ATDC steht für "after top dead center - nach oberem Todpunkt"). In diesem Fall wird, da das Zündsignal in Übereinstimmung mit dem Drehbezugssignal bestimmt wird, ein Auftreten von Klopfen beurteilt aus der Verbrennungsimpulsbedingung nach einem vorbestimmten Kurbelwinkel seit dem Zündzeitpunkt.
3. Ausführungsform
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform, bei der Bezugszeichen 16 eine Hochspannungsdiode, eingesetzt zwischen der Zündkerze 3 und der Sekundärseite 1b, bezeichnet; 17 eine Hochspannungsdiode, eingesetzt zwischen der Zündkerze 3 und dem Wechselstrom-Kopplerschaltkreis 8; 18 eine Spulenstromversorgung, eingesetzt zwischen dem Widerstand 5 und Masse. Der Widerstand 5, der Wechselstrom-Kopplerschaltkreis 8, der Komparatorschaltkreis 9 und die Spulenstromversorgung 18 stellen einen Ionenstromdetektorschaltkreis 19 dar. Andere Aspekte der Organisation sind dieselben wie die bei dem schon beschriebenen Beispiel.
Bei der obigen Ausführungsform wird, wenn der Leistungstransistor 2 zu einem Zündzeitpunkt der Brennkraftmaschine abgeschaltet wird, der Primärstrom, der durch die Primärseite 1a fließt, abgeschaltet, was wiederum eine negative Zündhochspannung an der Sekundärseite 1b erzeugt. Daraus resultierend tritt ein Funken über den Elektroden der Zündkerze 3 auf, wodurch das Gasgemisch in der Brennkraftmaschine entflammt. Dabei findet eine Ionisierung in Verbindung mit der Verbrennung des Gasgemischs, wobei Ionen produziert werden, statt. Hierbei fungieren die Elektroden der Zündkerze 3 als Elektroden zum Erfassen des Ionenstroms nach dem Funken. Der Ionenstrom fließt, durch die Bewegung von Elektronen verursacht, aufgrund der negativen Vorspannung der Spulenstromversorgung 18. Derselbe Ionisierungsvorgang findet statt, wenn Klopfen in dem Motor auftritt, was bewirkt, daß der Ionenstrom fließt.
Die Erzeugung des Ionenstroms wiederum erzeugt eine Spannung über dem Widerstand 5. Die Wechselstromkomponente dieser Spannung wird durch den Wechselstrom-Kopplerschaltkreis 8 extrahiert, und die extrahierte Wechselstromkomponente wird mit dem Bezugspegel im Komparatorschaltkreis 9 verglichen, wodurch ein Verbrennungsimpuls an dem Ausgangsanschluß 11 erhalten wird. Der Verbrennungsimpuls wird dann an den Mikrocomputer 12 eingegeben, um Klopfen anhand der Verbrennungsimpulsbedingung (hoch oder niedrig) zu beurteilen, nachdem eine vorbestimmte Zeit t seit einem Zündzeitpunkt, vorbestimmt durch die Anzahl von Umdrehungen der Maschine und die Belastung, verstrichen ist.
Fig. 5 ist ein Zeitablaufplan, der den obigen Betrieb zeigt, wobei eine Wellenform (a) ein Umdrehungsbezugssignal andeutet; (b) ein Zündsignal zum Antreiben der Zündspule 1; (c) den Innendruck eines Zylinders, verursacht durch eine Verbrennung; (d) einen Ionenstrom, erzeugt durch die Verbrennung, wobei i der Bezugspegel des Komparatorschaltkreises 9 ist; und (e) einen Verbrennungsimpuls, der eine Ausgabe des Komparatorschaltkreises 9 ist. Die Klopfbewertung erfolgt analog zur obigen Beschreibung.
4. Ausführungsform
Fig. 6 zeigt einen Zeitablaufplan des Betriebs einer vierten Ausführungsform. Ein Auftreten von Klopfen wird beurteilt durch eine Verbrennungsimpulsbedingung, die von einem vorbestimmten Kurbelwinkel abhängt. In diesem Fall wird, da das Zündsignal bestimmt wird in Übereinstimmung mit dem Umdrehungsbezugssignal, ein Auftreten von Klopfen beurteilt aus einer Verbrennungsimpulsbedingung nach einem vorbestimmten Kurbelwinkel seit einem Zündzeitpunkt.
Wie oben beschrieben, wird Klopfen in Abhängigkeit davon festgestellt, ob oder ob nicht der Ionenstrom, der erzeugt wird ab dem Zeitpunkt der Zündung, oberhalb eines vorbestimmten Pegels nach einer vorbestimmten Zeit oder Kurbelwinkel (in einem Bereich von 10° bis 20°) nach diesem Zeitpunkt liegt. Deshalb kann Klopfen einfach und sicher ohne Hinzunahme einer Frequenzanalyse erfaßt werden.

Claims (6)

1. Klopfdetektor für eine Brennkraftmaschine mit
  • - einer Zündspule (1) zum Erzeugen einer Hochspannung zum Zünden der Brennkraftmaschine;
  • - einer Zündkerze (3) zum Entflammen eines Gasgemisches in der Brennkraftmaschine durch Anlegen der Hochspannung zum Erzeugen eines Funkens;
  • - einer Ionenstromerfassungseinrichtung (4-7; 5, 18) zum Erfassen des über die Zündkerze (3) fließenden Ionenstroms; und
  • - einer Klopfbeurteilungseinrichtung (8, 9, 12) zum Erzeugen eines Klopfen kennzeichnenden Signals, wenn der Ionenstrom zu einem Zeitpunkt nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit (t) seit dem Zündzeitpunkt oberhalb eines vorbestimmten Pegels liegt, oder
  • - wenn der Ionenstrom bei einem auf den Zündzeitpunkt bezogenen, vorbestimmten Kurbelwinkel oberhalb eines vorbestimmten Pegels liegt;
  • - wobei die vorbestimmte Zeit (t) bzw. der vorbestimmte Kurbelwinkel größer gewählt ist als die Dauer bzw. der auf den Zündzeitpunkt bezogene Kurbelwinkel, während welcher bzw. welchem der Ionenstrom im Fall, daß kein Klopfen auftritt, oberhalb des vorbestimmten Pegels ist.
2. Klopfdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Kurbelwinkel in einem Bereich von 10° bis 20° liegt.
3. Klopfdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenstromerfassungseinrichtung einen Kondensator (4) umfaßt, der zur Erzeugung des Ionenstroms auf 50-300 Volt aufladbar ist.
4. Klopfdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündspule eine Primärseite (1a) und eine Sekundärseite (1b) umfaßt.
5. Klopfdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenstromerfassungseinrichtung umfaßt:
  • - einen Kondensator (4)
  • - einen zwischen dem Kondensator (4) und Masse eingesetzten Widerstand (5);
  • - eine Zenerdiode (7) zwischen der Sekundärseite (1b) und einer Stromversorgung für die Ionenstromerfassungseinrichtung;
  • - eine mit den Widerstand (5) verbundene Diode (6);
  • - einen Wechselstrom-Koppelschaltkreis (8) zum Extrahieren von nur einer Wechselstromkomponente aus der Spannung über dem Widerstand (5),
  • - einen Komparatorschaltkreis (9) zum Vergleichen der Wechselstromkomponente mit einem vorbestimmten Bezugspegel, und
  • - einen Mikrocomputer (12) zum Bewirken verschiedener Arten von Steuerung.
6. Klopfdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärseite (1b) mit einer Leistungsdiode (16) verbunden ist.
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