DE4409103B4

DE4409103B4 - Verfahren zur Klopferkennung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE4409103B4
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: 2006-07-13
Anticipated expiration: 2014-03-18
Also published as: DE4409103A1; AT405334B; ATA29194A

Abstract

Verfahren zur Klopferkennung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, deren Zylinder jeweils einen Drucksensor (2) zur Aufnahme der Zylinderdruckkennlinie in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels aufweisen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
– das Sensorsignal wird in der Weise verstärkt, dass das verstärkte Signal zumindest in einem charakteristischen Signalwert – beispielsweise dem Maximalwert – einem vordefinierten Wert entspricht,
– das verstärkte Signal wird aufgeteilt, wobei der eine Teil des verstärkten Signals direkt einer Differenzierung unterzogen wird, während der andere Teil des verstärkten Signals vor dem Differenzieren einer Hochpass-Filterung unterzogen wird,
– ein erstes Messfenster wird von einer bestimmten Winkelposition nach dem Zündzeitpunkt geöffnet und bei Erreichen des festgestellten Druckmaximums geschlossen,
– ein zweiten Messfenster – in gleicher Breite wie das erste Messfenster – schließt sich disjunkt an das erste Messfenster an,
– die verstärkten Signale des ersten und des zweiten Messfensters werden gleichgerichtet und aufintegriert,
– durch Differenzbildung...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klopferkennung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, deren Zylinder jeweils einen Drucksensor zur Aufnahme der Zylinderdruckkennlinie aufweisen.
Zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades eines Verbrennungsmotors muss der Zündzeitpunkt so justiert werden, dass der Motor seine höchste Leistung abgibt. Dies wird durch ein hohes Verdichtungsverhältnis angestrebt, wobei jedoch die Gefahr des Auftretens von Klopferscheinungen, also unkontrolliert eintretende Selbstentzündungen 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 Zustandes im Inneren der Brennkraftmaschine. Voraussetzung hierfür ist die Ermittlung dieses „Klopfzustandes", wobei als typische Zustandsgröße neben 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 Brennkraftmaschine möglichst weitgehend auszunutzen, muss die Brennkraftmaschine so geregelt werden, dass sie stets unterhalb der Klopfgrenze betrieben wird.
Zur Bestimmung der Klopfgrenze eines bestimmten Motortyps bzw. um ein entsprechendes Zündkennlinienfeld zu erstellen, werden so genannte Prüfstandsklopferkennungsgeräte als Bestandteil eines Motorprüfstandes eingesetzt. Ist das Zündkennlinienfeld im Bezug auf Leistung, 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 Zündwinkelkennfeldes 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 Frequen zen auch Motor-Eigenschwingungen erfasst und somit als Hintergrundrauschen bzw. als Störsignal bezeichnet werden können. Ist beispielsweise der Drucksensor mit in den Zündkerzenadapter integriert, wird das Hintergrundrauschen als Störpegel insbesondere durch die Eigenschwingungen dieses Zündkerzenadapters erzeugt. Erschwerend kommt hinzu, dass die Eigenschwingungen als auch das Klopfsignal annähernd die gleichen Frequenzen aufweisen, der Störabstand also gering und außerdem nicht konstant ist und dass die Amplituden der Eigen- und Klopfschwingungen vom Motorbetriebspunkt abhängigen. Es hat sich gezeigt, dass der Störpegel, also die Eigenschwingungen bei der Klopfauswertung nicht vernachlässigt werden können.

Die Bestimmung des Drucks in Zylinderköpfen ist aus der DE 4036 080 A1 bekannt. Die DE 40 34 523 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Unterscheidung, ob ein Klopfsignal durch Klopfen oder durch Störungen der Messung bewirkt wird. Die DE 39 34 758 A1 beschreibt ein Verfahren zur Einstellung des Zündzeitpunktes bei verschiedenen Betriebszuständen einer Brennkraftmaschine.

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 Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Hiernach erfolgt eine automatische Messfenstereinstellung in Abhängigkeit der Winkelposition des Druckmaximums, indem mittels Differenzierung des niederfrequenten Sensorsignals (4), dessen Verstärkung zuvor automatisch angepasst wurde, diese Winkelposition ermittelt wird. Ein erstes Messfenster wird bei einem festen Winkel nach der Zündung geöffnet und bei Erreichen des Druckmaximums geschlossen. Ein zweites Messfenster wird darauffolgend mit gleicher Breite wie diejenige des ersten Messfensters geöffnet. Gleichzeitig wird aus dem Sensorsignal der niederfrequente Druckverlauf eliminiert, so dass die Frequenz der Eigen- und Druckschwingungen differenzierte werden können. Diese gefilterten Sensorsignale werden wiederum mit einem bestimmten regelbaren Verstärkungsgrad automatisch verstärkt und stellen das eigentliche Messsignal dar.

Die Erzeugung des Klopfsignals erfolgt dadurch, dass das Messsignal das erste und zweite Messfenster durchläuft, anschließend gleichgerichtet und aufintegriert wird. Somit entsteht ein erstes und zweites Signalintegral, deren Differenz das Klopfsignal darstellt, das anschließend einer Auswertung 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 Differenzenbildung der beiden Signalintegrale wird somit das Störsignal nahezu vollständig eliminiert.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Differenzbildung zur Erzeugung eines Klopfsignals mittels eines gewichteten ersten Signalintegrals durchgeführt. Durch diese Gewichtung 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 einer Brennkraftmaschine zur Verhinderung des Klopfens einzusetzen.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, die eine Regelschaltung zur automatischen Anpassung der Verstärkung des Stör- und Nutzsignals enthält, indem zunächst die Istwerte festgestellt und entsprechend vorgegebener Sollwerte oder -bereiche die Regelung bzw. die Einstellung vorgenommen wird. Hiermit wird ein automatischer Abgleich des von den Sensoren gelieferten Sensorsignals als auch der verstärkten und differenzierten 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 Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit den Zeichnungen dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens innerhalb eines Prüfstandklopferkennungsgerätes,
2 eine von dem Drucksensor nach 1 aufgenommene Druckkennlinie ohne Klopfschwingungen,
3 das nach 2 gefilterte Drucksignal.
4 eine von dem Sensor nach 1 aufgenommene Druckkennlinie mit Klopfschwingungen,
5 das nach 4 gefilterte Signal,
6 Diagramme zur Erläuterung der Erzeugung des ersten und zweiten Messfensters,
6a) Spannungsamplitude des niederfrequenten Sensorsignals,
6b) Spannungsamplitude des differenzierten Sensorsignals und
6c) Darstellung der Messfenster.
Das Blockschaltbild nach 1 stellt ein Prüfstandklopferkennungsgerät dar, wobei mit dem Bezugszeichen 1 die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt wird.
Hiernach nimmt ein Drucksensor 2, der als piezoelektrischer Druckaufnehmer an jedem Zylinder eines Ottomotors angebracht ist, die Druckkennlinie auf. Ein solcher Sensor kann als Miniaturdrucksensor in den Zündkerzenadapter integriert sein, der beispielsweise von der Firma Kistler oder der Firma Beru auf dem Markt angeboten wird.
Die Zylinderdrucksignale werden einem regelbaren Verstärker 3 zugeführt, dem einerseits direkt eine erste Differenzierstufe 8 und andererseits über ein Hochpassfilder 10 eine zweite Differenzierstufe 9 nachgeschaltet ist. Mit der ersten Differenzierstufe 8 wird der niederfrequente Druckverlauf nach 2, 4 oder 6a differenziert. Mit dem Hochpassfilter 10 werden die für das Hintergrundrauschen als auch die für die Klopfschwingungen charakte ristischen Frequenzen ausgefiltert. 2 zeigt eine Druckkennlinie ohne Klopfschwingungen, dessen mit dem Hochpassfilter 10 gefiltertes Signal in 3 dargestellt ist. Dagegen weist die Druckkennlinie nach 4 auch Klopfschwingungen auf, die erst nach dem Druckmaximum entstehen. Das entsprechend gefilterte Signal ist in der 5 dargestellt.
Um ein einwandfreies Funktionieren der beiden Differenzierstufen 8 und 9 zu gewährleisten, werden die von den Sensoren 2 gelieferten Drucksignale mittels des regelbaren Verstärkers 3 angepasst. Diesen Abgleich führt eine Regelschaltung 4 durch, indem sie nach der Feststellung des Istwertes des Verstärkungsgrades diesen anhand von vorgegebener Sollwerte oder -bereiche einstellt. Diese Regelschaltung 4 nimmt auch eine automatische Verstärkungsanpassung der gefilterten und differenzierten Sensorsignale mit Hilfe einer der zweiten Differenzierstufe 9 nachgeschalteten regelbaren Verstärkerstufe 6 vor.
Auch hier wird nach Feststellung des Istwertes des Verstärkungsgrades 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 Nutzsignal aufweist.
Zur Erzeugung eines Klopfsignals, das nur die Frequenzen der Klopfschwingungen enthält, dienen ein elektronischer Schalter 7 zusammen mit einer Zeitsteuerschaltung 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 Gleichrichter 11.
Diese Zeitsteuerschaltung 5 erzeugt durch Ansteuerung des Schalters 7 ein erstes und zweites Messfenster, wobei mit dem ersten Messfenster ausschließlich das Störsignal gemäß 3 und mit dem zweiten Messfenster das Stör- als auch das Nutzsignal gemäß 5 erfasst wird. Da das Nutzsignal, also die Klopfschwingungen zeitlich erst nach dem Druckmaximum entstehen, muss daher das erste Messfenster zeitlich vor diesem Druckmaximum liegen. Die Zeitsteuerschaltung 5 öffnet daher bei einem bestimmten Winkel nach dem Zündzeitpunkt das erste Messfenster (vergleiche 6c) und ermittelt anhand der negativen Steigungslinie des differenzierten niederfrequenten Drucksignals nach 6b die Winkelposition des Druckmaximums. Bei Erkennen dieses Druckmaximums wird das erste Messfenster geschlossen und darauffolgend das zweite Messfenster mit gleicher Breite wie die des ersten Messfensters erzeugt (vergleiche 6c; 6a stellt das vom Drucksensor kommende Signal über dem Kurbelwinkel dar).
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 Verfügung, 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 Brennmaschine entspricht, wird nach jedem Zyklus der Spitzenwertspeicher 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 Amplitude des Störsignals, also der Eigenschwingungen an, während der Wert MF₂ des zweiten Signalintegrals dem Wert der Eigen- und Klopfschwingungsamplitude als Nutzsignal entspricht. Die Eliminierung der Störgröße kann somit durch eine Differenzbildung der beiden Signalintegrale MF₂ und MF₁
gemäß folgender Formel erfolgen: K = MF2 – MF1,wobei der Differenzwert K die Klopfintensität angibt.
Durch einen zusätzlichen Sicherheitsfaktor k werden dynamische Störgrößenänderungen während der Messfensterphase berücksichtigt. Dieser Sicherheitsfaktor k kann frei vorgegeben werden. So ergibt sich für die Klopfvariable K: K = MF2 – (k·MF1).
Anhand dieser Klopfvariable 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 Klopfgrenzbestimmung durch Störsignalunterdrückung und automatischer Positionierung der beiden Messfenster. Schließlich ergibt sich für das Prüfstandsklopferkennungsgerät nach 1 im Rahmen eines Motorprüfstandes ein hoher Bedienkomfort durch die automatische Abgleichfunktion mittels der Regelschaltung 4, mit der eine automatische Selbsteinstellung der Vorrichtung 1 durchgeführt wird.
Der Mikroprozessor 15 des Prüfstandklopferkennungsgerätes erfasst über ein Interface 17 weitere Motorbetriebsdaten, wie beispielsweise eine Nockenwellenreferenzerkennung, 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 erfindungsgemäße Verfahren nicht nur für ein Prüfstandsklopferkennungsgerät im Rahmen eines Motorprüfstandes verwendbar ist, sondern auch zur Steuerung des Zündzeitpunktes im normalen Betrieb eines Ottomotors zur Vermeidung von Klopferscheinungen einsetzbar ist.

Claims

Verfahren zur Klopferkennung für eine fremdgezündete Brennkraftmaschine, deren Zylinder jeweils einen Drucksensor (2) zur Aufnahme der Zylinderdruckkennlinie in Abhängigkeit des Kurbelwellenwinkels aufweisen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: – das Sensorsignal wird in der Weise verstärkt, dass das verstärkte Signal zumindest in einem charakteristischen Signalwert – beispielsweise dem Maximalwert – einem vordefinierten Wert entspricht, – das verstärkte Signal wird aufgeteilt, wobei der eine Teil des verstärkten Signals direkt einer Differenzierung unterzogen wird, während der andere Teil des verstärkten Signals vor dem Differenzieren einer Hochpass-Filterung unterzogen wird, – ein erstes Messfenster wird von einer bestimmten Winkelposition nach dem Zündzeitpunkt geöffnet und bei Erreichen des festgestellten Druckmaximums geschlossen, – ein zweiten Messfenster – in gleicher Breite wie das erste Messfenster – schließt sich disjunkt an das erste Messfenster an, – die verstärkten Signale des ersten und des zweiten Messfensters werden gleichgerichtet und aufintegriert, – durch Differenzbildung des ersten und zweiten Messfenster-Integrals wird ein Zahlenwert gefunden, der die Qualität des Klopfsignals repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzbildung zur Erzeugung eines Klopfsignals mittels eines gewichteten ersten Messfenster-Integrals durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Verwendung in einem Prüfstandklopferkennungsgerät.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Steuerung des Zündzeitpunktes einer Brennkraftmaschine zur Verhinderung des Klopfens.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstärkung des Sensorsignals ein regelbarer Verstärker (3) vorgesehen ist und dass zur Regelung dieses Verstärkers (3) sowie zur Einstellung des Verstärkungsgrades eine Regelschaltung (4) vorgesehen ist, die zunächst die Istwerte des Signals feststellt und entsprechend einem vordefinierten Sollwert die Regelung bzw. Einstellung vornimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Winkelposition des Druckmaximums eine Zeitsteuerschaltung (5) eingesetzt wird, dass zur Erzeugung des Messsignals 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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Signalintegral in einem Spitzenwertspeicher (13) gespeichert werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem Spitzenwertspeicher (13) ein A/D-Wandler (14) nachgeschaltet wird.