DE4409103A1

DE4409103A1 - Verfahren zur Klopferkennung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4409103A1
Application number: DE4409103A
Authority: DE
Inventors: Helmut Schilly; Andreas Nithammer; Harald Krohm
Original assignee: AFT Atlas Fahrzeugtechnik GmbH
Current assignee: Schaeffler Engineering GmbH
Priority date: 1993-03-26
Filing date: 1994-03-17
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2014-03-18
Also published as: ATA29194A; DE4409103B4; AT405334B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klopferkennung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, deren Zy linder jeweils einen Drucksensor zur Aufnahme der Zy linderdruckkennlinie aufweisen.

Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades eines Ver brennungsmotors muß der Zündzeitpunkt so justiert wer den, daß der Motor seine höchste Leistung abgibt. Dies wird durch ein hohes Verdichtungsverhältnis angestrebt, wobei jedoch die Gefahr des Auftretens von Klopfer scheinungen, also unkontrolliert eintretende Selbstent zündungen des Kraftstoff-Luftgemisches mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis ansteigt. Das Klopfen erzeugt höchst unerwünschte Schwingungen, die zu einem hohen Verschleiß der bewegten Teile des Motors führen. Das Ziel besteht daher in der Vermeidung eines solchen Zu standes im Inneren der Brennkraftmaschine. Vorausset zung hierfür ist die Ermittlung dieses "Klopfzustandes", wobei als typische Zustandsgröße ne ben anderen der Brennraumdruck herangezogen wird, der die Erfassung der zeitlichen und räumlichen Ausbreitung des Verbrennungsvorganges erlaubt.

Da man einerseits die schädliche Wirkung des Klopfens vermeiden möchte aber andererseits bestrebt ist, den zur Verfügung stehenden Arbeitsbereich der Brennkraft maschine möglichst weitgehend auszunutzen, muß die Brennkraftmaschine so geregelt werden, daß sie stets unterhalb der Klopfgrenze betrieben wird.

Zur Bestimmung der Klopfgrenze eines bestimmten Motor typs bzw. um ein entsprechendes Zündkennlinienfeld zu erstellen, werden sogenannte Prüfstandklopferkennungs geräte als Bestandteil eines Motorprüfstandes einge setzt. Ist das Zündkennlinienfeld im Bezug auf Lei stung, Verbrauch und Abgas optimiert, berücksichtigt im späteren Betrieb des Motors das Zündsystem automatisch die von den Betriebsbedingungen abhängige Klopfgrenze.

Voraussetzung für die Erstellung des optimierten Zünd winkelkennfeldes ist die zuverlässige und störungsfreie Detektion des Klopfens. Hierbei besteht das Problem, daß die von dem Drucksensor erfaßten Schwingungen neben den für das Klopfen charakteristischen Frequenzen auch Motor-Eigenschwingungen erfaßt und somit als Hinter grundrauschen bzw. als Störsignal bezeichnet werden können. Ist beispielsweise der Drucksensor mit in den Zündkerzenadapter integriert, wird das Hintergrundrau schen als Störpegel insbesondere durch die Eigenschwin gungen dieses Zündkerzenadapters erzeugt. Erschwerend kommt hinzu, daß die Eigenschwingungen als auch das Klopfsignal annähernd die gleichen Frequenzen aufwei sen, der Störabstand also gering und außerdem nicht konstant ist und daß die Amplituden der Eigen- und Klopfschwingungen vom Motorbetriebspunkt abhängen. Es hat sich gezeigt, daß der Störpegel, also die Eigen schwingungen bei der Klopfauswertung nicht vernachläs sigt werden können.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Klopferkennung der eingangs genannten Art, das eine zuverlässige Detektion des Klopfens sicherstellt. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Hiernach erfolgt eine automatische Meßfenstereinstel lung in Abhängigkeit der Winkelposition des Druckmaxi mums, indem anhand eines differenzierten und zuvor nor mierten Sensorsignals diese Winkelposition ermittelt wird. Ein erstes Meßfenster wird bei einem festen Win kel nach der Zündung geöffnet und bei Erreichen des Druckmaximums geschlossen. Ein zweites Meßfenster wird darauffolgend mit gleicher Breite wie diejenige des er sten Meßfensters geöffnet. Gleichzeitig wird aus dem normierten Sensorsignal der niederfrequente Druckver lauf eliminiert, so daß die Frequenz der Eigen- und Druckschwingungen differenziert werden können. Diese gefilterten Sensorsignale werden zwecks Normierung mit einem bestimmten Verstärkungsgrad verstärkt und stellen das eigentliche Meßsignal dar. Die Erzeugung des Klopf signals erfolgt dadurch, daß das Meßsignal das erste und zweite Meßfenster durchläuft, anschließend gleich gerichtet und aufintegriert wird. Somit entsteht ein erstes und zweites Signalintegral, deren Differenz das Klopfsignal darstellt, das anschließend einer Auswer tung unterzogen wird.

Dieses erfindungsgemäße Verfahren läßt eine optimale Störunterdrückung zu, da die Eigenschwingungen schon vor dem Druckmaximum beginnen, während die Klopfsignale erst nach diesem Druckmaximum entstehen. Durch die Dif ferenzbildung der beiden Signalintegrale wird somit das Störsignal nahezu vollständig eliminiert.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsge mäßen Verfahrens wird die Differenzbildung zur Erzeu gung eines Klopfsignals mittels eines gewichteten er sten Signalintegrals durchgeführt. Durch diese Gewich tung können dynamische Störgrößenänderungen während der Meßfensterphase berücksichtigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit Vorteil für ein Prüfstandklopferkennungsgerät verwendet werden. Auch ist es geeignet, zur Steuerung des Zündzeitpunktes ei ner Brennkraftmaschine zur Verhinderung des Klopfens einzusetzen.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird eine Vorrich tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, die eine Regelschaltung zur Normierung des Sensorsignales sowie zur Einstellung des Verstär kungsgrades zur Verstärkung des Stör- und Nutzsignales enthält, indem zunächst die Istwerte festgestellt und entsprechend einem vorgegebenen Sollwert die Regelung bzw. die Einstellung vorgenommen wird. Hiermit wird ein automatischer Abgleich des von den Sensoren gelieferten Sensorsignales als auch der verstärkten und differen zierten Stör- und Nutzsignale erzielt. Ein weiterer Vorteil besteht in der Minimierung des Geräteeinsatzes und der Reduzierung des Bedienaufwandes beispielsweise in einem automatischen Motorprüfstand.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines Ausfüh rungsbeispieles im Zusammenhang mit den Zeichnungen dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens innerhalb eines Prüfstandklopferkennungsgerä tes,

Fig. 2 eine von dem Drucksensor nach Figur aufge nommene Druckkennlinie ohne Klopfschwingun gen,

Fig. 3 das nach Fig. 2 gefilterte Drucksignal,

Fig. 4 eine von dem Sensor nach Fig. 1 aufgenommene Druckkennlinie mit Klopfschwingungen,

Fig. 5 das nach Fig. 4 gefilterte Signal und

Fig. 6 Diagramme zur Erläuterung der Erzeugung des ersten und zweiten Meßfensters.

Das Blockschaltbild nach Fig. 1 stellt ein Prüfstand klopferkennungsgerät dar, wobei mit dem Bezugszeichen 1 die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt wird.

Hiernach nimmt ein Drucksensor 2, der als piezoelektri scher Druckaufnehmer an jedem Zylinder eines Ottomotors angebracht ist, die Druckkennlinie auf. Ein solcher Sensor kann als Miniaturdrucksensor in den Zündker zenadapter integriert sein, der beispielsweise von der Firma Kistler oder der Firma Beru auf dem Markt angebo ten werden.

Die Zylinderdrucksignale werden einem regelbaren Ver stärker 3 zugeführt, dem einerseits direkt eine erste Differenzierstufe 8 und andererseits über ein Hochpaß filter 10 eine zweite Differenzierstufe 9 nachgeschal tet ist. Mit der ersten Differenzierstufe 8 wird der niederfrequente Druckverlauf nach Fig. 2, Fig. 4 oder Fig. 6a differenziert. Mit dem Hochpaßfilter 10 werden die für das Hintergrundrauschen als auch die für die Klopfschwingungen charakteristischen Frequenzen ausgefiltert. Fig. 2 zeigt eine Druckkennlinie ohne Klopfschwingungen, dessen mit dem Hochpaßfilter 10 gefiltertes Signal in Fig. 3 dargestellt ist. Dagegen weist die Druckkennlinie nach Fig. 4 auch Klopfschwin gungen auf, die erst nach dem Druckmaximum entstehen. Das entsprechend gefilterte Signal ist in der Fig. 5 dargestellt.

Um ein einwandfreies Funktionieren der beiden Differen zierstufen 8 und 9 zu gewährleisten, werden die von dem Sensor 2 gelieferten Drucksignale mittels des regelba ren Verstärkers 3 auf einen bestimmten Wert normiert. Diesen Abgleich führt eine Regelschaltung 4 durch, in dem sie nach Feststellung des Istwertes des Verstär kungsgrades diesen anhand eines vorgegebenen Sollwertes einstellt. Diese Regelschaltung 4 nimmt auch eine Nor mierung der gefilterten und differenzierten Sensorsi gnale mit Hilfe einer der zweiten Differenzierstufe 9 nachgeschalteten regelbaren Verstärkerstufe 6 vor. Auch hier wird nach Feststellung des Istwertes des Verstär kungsgrades entsprechend einem vorgegebenen Sollwert dieser Verstärkungsgrad neu eingestellt. Am Ausgang dieser Verstärkerstufe 6 steht nun ein Meßsignal zur Verfügung, das sowohl das Hintergrundrauschen als auch die Frequenzen der Klopfschwingungen, also das Nutzsi gnal aufweist.

Zur Erzeugung eines Klopfsignals, das nur die Frequen zen der Klopfschwingungen enthält, dienen ein elektro nischer Schalter 7 zusammen mit einer Zeitsteuerschal tung 5, die mit dem differenzierten Drucksignal aus der ersten Differenzierstufe 8 als auch mit Informationen über den Zündzeitpunkt seitens eines Mikroprozessors 15 versorgt wird. Der elektronische Schalter 7 verbindet den Ausgang der Verstärkerstufe 6 mit einem Gleichrich ter 11.

Diese Zeitsteuerschaltung 5 erzeugt durch Ansteuerung des Schalters 7 ein erstes und zweites Meßfenster, wo bei mit dem ersten Meßfenster ausschließlich das Stör signal gemäß Fig. 3 und mit dem zweiten Meßfenster das Stör- als auch das Nutzsignal gemäß Fig. 5 erfaßt wer den. Da das Nutzsignal, also die Klopfschwingungen zeitlich erst nach dem Druckmaximum entstehen, muß da her das erste Meßfenster zeitlich vor diesem Druckmaxi mum liegen. Die Zeitsteuerschaltung 5 öffnet daher bei einem bestimmten Winkel nach dem Zündzeitpunkt das er ste Meßfenster (vergleiche Fig. 6c) und ermittelt an hand der negativen Steigungslinie des differenzierten niederfrequenten Drucksignals nach Fig. 6b die Winkel position des Druckmaximums. Bei Erkennen dieses Druck maximums wird das erste Meßfenster geschlossen und dar auffolgend das zweite Meßfenster mit gleicher Breite wie die des ersten Meßfensters erzeugt (vergleiche Fig. 6c).

Die mit dem ersten und zweiten Meßfenster erzeugten Meßsignale werden anschließend mit dem Gleichrichter 11 gleichgerichtet und mittels einer Integratorstufe 12 aufintegriert. Am Ausgang der Integratorstufe 12 steht somit ein erstes und zweites Signalintegral zur Verfü gung, die in einem Spitzenwertspeicher 13 gespeichert werden.

Bevor diese gespeicherten Werte zwecks Auswertung einem Mikroprozessor 15 zugeführt werden, ist mit einem A/D- Wandler 14 die Umwandlung in binäre Größen vorgesehen.

Da ein Meßzyklus einem Zyklus der Brennkraftmaschine entspricht, wird nach jedem Zyklus der Spitzenwertspei cher 13 durch die Zeitsteuerschaltung 5 zurückgesetzt.

Der Mikroprozessor 15 führt nun folgende Auswertung der beiden digitalisierten Signalintegrale durch. Der Wert MF₁ des ersten Signalintegrals gibt den Wert der Ampli tude des Störsignals, also der Eigenschwingungen an, während der Wert MF₂ des zweiten Signalintegrals dem Wert der Eigen- und Klopfschwingungsamplitude als Nutz signal entspricht. Die Eliminierung der Störgröße kann somit durch eine Differenzbildung der beiden Signalin tegrale MF₂ und MF₁ gemäß folgender Formel erfolgen:

K = MF₂ - MF₁,

wobei der Differenzwert K die Klopfintensität angibt.

Durch einen zusätzlichen Sicherheitsfaktor k werden dy namische Störgrößenänderungen während der Meßfenster phase berücksichtigt. Dieser Sicherheitsfaktor k kann frei vorgegeben werden. So ergibt sich für die Klopfva riable K:

K = MF₂ - (k · MF₁).

Anhand dieser Klopfvariablen K kann entschieden werden, ob "Klopfen" vorliegt, wenn also K positiv ist, oder kein "Klopfen" vorliegt, falls K negativ ist.

Diese Vorrichtung 1 erlaubt somit eine optimale Klopf grenzbestimmung durch Störsignalunterdrückung und auto matischer Positionierung der beiden Meßfenster. Schließlich ergibt sich für das Prüfstandklopferken nungsgerät nach Fig. 1 im Rahmen eines Motorprüfstan des ein hoher Bedienkomfort durch die automatische Ab gleichfunktion mittels der Regelschaltung 4, mit der eine automatische Selbsteinstellung der Vorrichtung 1 durchgeführt wird.

Der Mikroprozessor 15 des Prüfstandklopferkennungsge rätes erfaßt über ein Interface 17 weitere Motorbe triebsdaten, wie beispielsweise eine Nockenwellenrefe renzerkennung, eine Detektion des oberen Todpunktes (OT), die Zündfolge sowie den Saugrohrunterdruck. Diese Daten werden zur Erstellung des Zündkennlinienfeldes benötigt.

Schließlich ist noch eine I/O-Einheit 16 vorgesehen, die eine Tastatur, ein Display, einen Speicher sowie eine Druckerschnittstelle umfassen kann.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß das erfin dungsgemäße Verfahren nicht nur für ein Prüfstand klopferkennungsgerät im Rahmen eines Motorprüfstandes verwendbar ist, sondern auch zur Steuerung des Zünd zeitpunktes im normalen Betrieb eines Ottomotors zur Vermeidung von Klopferscheinungen einsetzbar ist.

Claims

1. Verfahren zur Klopferkennung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, deren Zylinder jeweils einen Druck sensor (2) zur Aufnahme der Zylinderdruckkennlinie auf weisen, dadurch gekennzeichnet, daß

a) zur Erzeugung von Meßfenstern folgende Verfahrens schritte durchgeführt werden:
- a1) Normierung des Wertes der Amplitude des nie derfrequenten Anteils der Sensorsignale,
- a2) Differenzierung der normierten Sensorsignale,
- a3) Bestimmung der Winkelposition des Druckmaxi mums mittels des differenzierten Sensor signals,
- a4) Erzeugung eines ersten Meßfensters, das bei einer bestimmten Winkelposition nach dem Zündzeitpunkt geöffnet und bei Erreichen des festgestellten Druckmaximums geschlossen wird und
- a5) Erzeugung eines zweiten Meßfensters mit einer dem ersten Meßfenster entsprechenden Breite, das sich disjunkt an das erste Meßfenster an schließt,
b) zur Erzeugung eines Meßsignals folgende Verfah rensschritte durchgeführt werden:
- b1) Ausfiltern der für das Grundrauschen als auch für das Klopfen typischen Frequenzen aus dem normierten Sensorsignal,
- b2) Differenzierung des gefilterten Sensorsi gnals,
- b3) Erzeugung des Meßsignals durch Verstärken des differenzierten, gefilterten Sensorsignals mit einem bestimmten Verstärkungsgrad und gleichzeitig
- b4) Einstellung des Verstärkungsgrades zur Nor mierung des Wertes der Amplitude des Meßsi gnals und
c) zur Erzeugung eines Klopfsignals folgende Verfah rensschritte durchgeführt werden:
- c1) Gleichrichtung und anschließende Integration des Meßsignals während der Dauer des ersten Meßfensters zur Erzeugung eines ersten Si gnalintegrals,
- c2) Gleichrichtung und anschließende Integration des Meßsignals während der Dauer des zweiten Meßfensters zur Erzeugung eines zweiten Signalintegrals und
- c3) Erzeugung eines Klopfsignals durch Differenz bildung aus dem ersten und zweiten Signalin tegral und dessen Auswertung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzbildung zur Erzeugung eines Klopfsi gnals mittels eines gewichteten ersten Signalintegrals durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung in einem Prüfstandklopferkennungsgerät.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Steuerung des Zündzeitpunktes einer Brennkraftmaschine zur Verhinde rung des Klopfens.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach ei nem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Normierung des Sensorsignals gemäß Merkmal a1) ein regelbarer Verstärker (3) vorgesehen ist und daß zur Regelung dieses Verstärkers (3) sowie zur Einstellung des Verstärkungsgrades gemäß Merkmal b4) eine Regel schaltung (4) vorgesehen ist, die zunächst die Istwerte feststellt und entsprechend einem vorgegebenen Sollwert die Regelung bzw. Einstellung vornimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Winkelposition des Druckmaximums eine Zeitsteuerschaltung (5) eingesetzt wird, daß zur Erzeugung des Meßsignals gemäß Merkmal b3) ein weiterer regelbarer Verstärker (6) vorgesehen ist und daß die Zeitsteuerschaltung (5) zur Erzeugung des ersten und zweiten Meßfensters einen dem weiteren Verstärker (6) nachgeschalteten elektrischen Schalter (7) steuert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, da durch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Signal integral in einem Spitzenwertspeicher (13) gespeichert werden.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß dem Spitzenwertspeicher (13) ein A/D-Wandler (14) nachgeschaltet wird.