DE69001114T2

DE69001114T2 - Vorrichtung zum Erkennen des Klopfens, Zylinder für Zylinder, in einem Verbrennungsmotor.

Info

Publication number: DE69001114T2
Application number: DE90830422T
Authority: DE
Inventors: Franco Maloberti; Gino Polito; Franco Salerno
Original assignee: Marelli Autronica SpA
Current assignee: Marelli Europe SpA
Priority date: 1989-10-03
Filing date: 1990-09-26
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2010-09-27
Also published as: IT8967846A0; EP0421952B1; IT8967846A1; ES2039124T3; IT1237595B; JP2915124B2; EP0421952A1; DE69001114D1; BR9005073A; US5146777A; JPH03149336A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf das Problem der Feststellung des Klopfens (Klingelns) in Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere in bezug auf Verbrennungskraftmaschinen mit gesteuerter Zündung (Otto-Motoren) für Kraftfahrzeuge. Wie bekannt, tritt Klopfen in diesen Maschinen infolge Selbstzündung des explosiven Gemisches aus verschiedenen Gründen auf (zu große Kraftstoffzufuhr, hohes Kompressionsverhältnis, bestimmte Belastungsverhältnisse usw.), wenn der Kolben nahe am oberen Totpunkt (TDC) ist
Das Klopfen verursacht keine wesentlichen Äiiderungen in der Form des Druckzyklus zwischen den Kompressions-, Verbrennungs- und Expansionsphasen der Maschine, ruft aber Schwingungen hervor, die dem normalen Zyklus an seiner Spitze überlagert sind.
Die Frequenzen der Schwingungen werden von den Abmessungen der Verbrennungskammer und deren Temperatur bestimmt, wenn das Klopfen auftritt. Die typischen Resonanzfrequenzen dieser Schwingungen können theoretisch mit guter Näherung berechnet werden, wie es z. B. in der älteren Europäischen Patentanmeldung EP-A- 0 361 057 erklärt ist. Da die Temperatur des Fluids in den Zylindern im allgemeinen mit Steigerungen der Drehgeschwindigkeit (Umdrehungen/Minute) der Maschine zunimmt, können die Resonanzfrequenzen höher werden, wenn die Drehgeschwindigkeit zunimmt.
Die beim Klopfen erzeugten Druckschwingungen breiten sich durch die Wände des Zylinders aus und können durch einen Sensor festgestellt werden. Der Sensor erfaßt jedoch auch Vibrationen aufgrund normaler Verbrennung und solcher aufgrund der sich bewegenden Maschinenelemente. Das Ausgangssignal des Sensors muß daher manipuliert werden, um das dem Klopfen beizumessende Nutzsignal von dem Störgeräusch zu trennen, das sich in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit (Umdrehungen/Minute) der Maschine und dem Ausmaß des Verschleißes ändern kann.
Genauer gesagt, kann Klopfen mittels eines Drucksensors, der zur Verbrennungskammer ausgerichtet ist, oder mit einem beschleumgungsmessenden Sensor, insbesondere einem piezoelektrischen Sensor, auf dem Maschinenblock festgestellt werden. Der letztere Sensortyp wird gewöhnlich aus Kosten- und Zuverlässigkeitsgründen bevorzugt.
Um Klopfen festzustellen, wird der beschleunigungsmessende Sensor auf dem Maschinenblock, in der Regel auf dem Kopf oder nahe am Ansaugluftverteiler, montiert.
Das von einem solchen Sensor gelieferte Signal enthält somit einen Rauschanteil und einen Nutzsignalanteil (d. h. eine Komponente die tatsächlich mit dem Klopfen verbunden ist), deren Spektrum Spitzen haben kann, die in einer Vieizahl von Frequenzbereichen auf Klopfen hinweisen. Auf diese Weise können z. B. bei einem Zylinder mit einem Durchmesser (Bohrung) von ungefähr 80 mm Peaks im wesentlichen bei Frequenzen von 8, 13.8, 15.8 und 18.2 kHz festgestellt werden.
Der Schlüsselfaktor für die richtige Feststellung des Klopfens ist deshalb die Entwicklung eines Kriteriums, das die Trennung des Nutzsignals von dem Rauschanteil des Ausgangssignals des Sensors ermöglicht.
Verschiedene Vorrichtungen wurden demgemäß vorgeschlagen und diese werden in der Einführung zu der Europäischen Patentanmeldung Nr. 0 361 ()57, die oben zitiert ist, analysiert und kritisch gewürdigt.
Eine verbesserte Leistung kann durch die Vorrichtung erzielt werden, die den besonderen Gegenstand jener Europäischen Patentanmeldung bildet.
Der Oberbegriff des beigefügten Anspruchs 1 bezieht sich auf diese Vorrichtung.
Die Vorrichtung gemäß der Europäischen Anmeldung EP-0 361 057 erzielt ein besseres Signal/Rauschverhältnis als frühere Vorrichtungen kraft eines Kanals, der die Charakteristik des Störgeräusches in einem Gebiet des Spektrums bewertet, das relativ unempfindlich für das Klopfen ist. Die Strategie dieser Einrichtung zum Feststellen des Klopfens ist jedoch stark vereinfacht und setzt eine gut definierte und vorherbestimmte Kenntnis des von dem beschleunigungsmessenden Sensor gelieferten Signals voraus. Überdies eignet sich die Einrichtung nicht zum Eeststellen des Klopfens Zylinder für Zylinder, da das Referenzsignal, mit dem das von der Verarbeitung der Signale in den ersten beiden Kanälen stammende Signal verglichen wird, das Durchschnitts- geräusch aller Zylinder und nichi dasjenige darstellt, das sich auf jeden einzelnen Zylinder bezieht.
Schließlich war in der bekannten Vorrichtung die Strategie für den Vergleich zwischen den von den ersten beiden Kanälen verarbeiteten Signalen und dem vom dritten Kanal verarbeiteten Signal ziemlich kompliziert und für einen vorläufigen Vergleich zwischen den von den ersten beiden Kanälen verarbeiteten Signalen vorgesehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden diese Beschränkungen und Nachteile der bekannten Vorrichtung nach der Anmeldung Nr. EP-A-0 361 057 durch eine Vorrichtung der oben gekennzeichneten Art überwunden, deren Merkmale in den Ansprüchen definiert sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter bezug auf die beigefügte Zeichnung ersichtlich, die den Aufbau einer Vorrichtung gemäß der Erfindung in Eorm eines Blockdiagramms zeigt.
In der Zeichnung ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung allgemein mit 1 bezeichnet und enthält einen beschleunigungsmessenden Sensor S zur Feststellung des Klopfens (Klingelns) in einer nicht dargestellten Otto-Verbrennungskraftmaschine. Der Sensor S ist von bekannter Art.
Ein Filter (PA) ist mit dem Sensor S verbunden und soll die Anteile des Frequenzsignals dämpfen, die niedriger als die tiefste der mit dem Klopfen verbundenen Resonanzfrequenzen sind.
Der Ausgang des Filters (PA), der ein Hochpaß- oder Bandpaß-Typ sein kann, ist mit drei signalverarbeitenden Kanälen verbunden, die jeweils allgemein mit A, B und C bezeichnet sind. Diese Kanäle enthalten jeweils Filter F1, F2 und F3, deren Ausgänge jeweils mit Vollweggleichrichtern R1, R2 und R3 verbunden sind. Die Ausgänge der Gleichrichter sind der Reihe nach mit den Eingängen entsprechender Integratorschaltungen INT1, INT2 und INT3 verbunden.
Die Integratoren werden periodisch in Synchronismus mit der Drehung der Maschine von einer Steuereinheit (6) (typischerweise ein Mikroprozessor) freigegeben, die ein entsprechendes Signal auf einer Steuerleitung (7) erzeugt. Jedesmal, wenn das Synchronisiersignal die Leitung beaufschlagt, gibt es die Integratoren ftir ein Zeitintervall frei, das einem Beobachtungs- oder Eeststellungsfenster entspricht, um ein "Horchfenster" um den TDC in der Verbrennungsphase zu erzeugen.
Der Mikroprozessor (6) steuert auch die Abstimmfrequenzen der (Bandpaß)-Filter F1 und F2 mittels digitaler Signale, die jeweils auf Leitungen f1 und f2 ausgesandt werden. Insbesondere kann der Mikroprozessor so eingerichtet werden, daß er diese Frequenzen verändert, um die Änderungen der Resonanzfrequenzen zu berücksichtigen, die von Ändeningen der Drehgeschwindigkeit der Maschine verursacht werden.
Der Mikroprozessor (6) steuert die Abstimmfrequenz des Filters F3 mittels einer Leitung f3. Dieser Filter ist auf eine von der Resonanzfrequenz verschiedene Frequenz innerhalb eines Frequenzbereiches, der für das vom Sensor aufgenommene Störgeräusch bedeutsam ist, abgestimmt. Wenn die Frequenzen f1 und f2 den ersten beiden Resonanzspitzen entsprechen, ist die Frequenz f3 z. 13. eine Frequenz zwischen f1 und f2 liegend.
Die Bandbreiten der Filter F1, F2 und E3 sind z. B. ungefähr 2 KHz.
Das vom Mikroprozessor (6) auf die Leitung (7) in jeder Verbrennungsphase übertragene Signal ist derart, daß es die Integratoren INT1-3 befähigt, während Zeitperioden zu arbeiten, die z. B. einem Winkelfenster t = 70º, beginnend vom TDC, entsprechen.
Die Augenblicke, an denen die verschiedenen Zylinder jeweils durch den TDC hindurchlaufen und die Drehgeschwindigkeit der Maschine werden vom Mikroprozessor (6) auf der Grundlage von Daten festgestellt, die ihm ein Sensor (50) von bekannter Art, z. B. der Art eines phonischen Rades mit veränderlichem magnetischem Widerstand, zuftihrt.
Die Ausgänge der Integratoren INT1 und INT2 sind jeweils mit den nichtinvertierenden Eingängen von Schwellwertkomparatoren COMP1 und COMP2 verbunden, deren Ausgänge in der dargestellten Aushhrungsform an zwei Eingänge einer logischen Schaltung des ODER-Typs angeschlossen sind.
Der Ausgang des Integrators INT3 ist mit dem Eingang eines Multiplexers (60) verbunden, der eine Vielzahl von Ausgängen (vier in der in der Aeichnung dargestellten Ausführungsform) hat, von denen jeder einem entsprechenden Zylinder der Maschine zugeordnet ist. Der Multiplexer (60) kann als Satz von N Schaltern S1 - SN angesehen werden, von denen jeder zwischen dem Eingang und jeweils einem Ausgang des Multiplexers geschaltet ist. Diese Schalter werden vom Mikroprozessor (6) durch N Leitungen, die mit Si bezeichnet sind, in der unten erklärten Art gesteuert.
Die Ausgänge des Multiplexers (6()) sind der Reihe nach jeweils mit Filter- und Speichervorrichtungen FM&sub1; - FMN verbunden, deren Ausgänge an einem Knoten (70) zusammenlaufen, der mit dem Eingang eines Verstärkers (71) verbunden ist, dessen Verstärkung Km vom Mikroprozessor (6) auf eine programmierte Weise mittels Signalen verändert werden kann, die an einen Satz von Leitungen angelegt sind, der auch mit Km bezeichnet ist.
Im Betrieb steuert der Mikroprozessor (6) den Multiplexer (60) so, daß zyklisch nur eine Filter- und Speichereinrichtung FM zu gleicher Zeit, d. h. in jeder Verbrennungsphase, mit dem Rauschkomponenten-Integrator INT3 verbunden ist. Insbesondere wird bei jeder Verbrennungsphase diejenige Schaltung FM, die dem Zylinder zugeordnet ist, in dem die Vetrennung statffindet, mit dem Integrator INT3 verbunden.
Jede Filter- und Speichereinheit FM ist so ausgebildet, daß sie ein gemitteltes Signal ausgibt, das einen gewichteten Durchschnitt von (zumindest) den letzten und vorletzten Signalwerten anzeigt, die ihr durch den Integrator INT3 über den Multiplexer (60) zugehhrt werden. Dieses Durchschnittssignal kann z. B. durch eine Kombination gebildet werden, bei der 1/10 des letzten empfangenen Signalwerts zu 9/10 des zuvor gemittelten Wertes addiert werden.
Die Filter- und Speichereinrichtung FM (die mit Hilfe von CMOS-artigen Schaltungen mit geschalteten Kapazitäten integriert ausgebildet sein können) werden durch eine Leitung f vom Mikroprozessor (6) gesteuert, der sie zyklisch freigibt, jede unmittelbar vor dem Ende des Integrationsfensters, während dem die Integratoren INT1 - INT3 freigegeben sind.
Jede der Anordnungen FM gibt daher ein gemitteltes Signal aus, das ein durchschnittliches Störgeräusch anzeigt das sich auf den zugeordneten Zylinder bezieht; und der Durchschnitt wird zyklisch für je N Betriebszyklen der Maschine während des Integrationsfensters aktualisiert, das sich auf den TDC des zugeodneten Zylinders bezieht.
Jede Einrichtung FM hat Speicherflihigkeit, so daß sie den aktualisierten Wert während jedes aktiven Stadiums speichern und während des nächsten aktiven Stadiums, das sich auf den gleichen Zylinder bezieht, zur Verfügung stellen kann.
Die Speicherkapazität kann z. 13. durch Benutzung eines Kondensators gebildet werden.
Die Folge der gemittelten Signale, die am Knoten (70) vorliegt, wird mit einem Verstärkungsfaktor Km verstärkt den der Prozessor (6) in einer vorbestimmten Art (d.h. z.B. gemäß einer gespeicherten Tabelle) in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Maschine verändert, die noch z. B. vom Sensor (50) festgestellt wird. Das Augangssignal des Verstärkers (71) erreicht die invertierenden Eingänge der Komparatoren COMP1 und COMP2, nachdem sein Durchschnitüspegel durch das Hinzufügen einer Offset- Spannung V&sub0; angehoben wurde, die von einem einstellbaren Spannungsgenerator G geliefert wird. Dieser Oftset trägt zur Festsetzung der Schaltschwellen der Komparatoren bei und ermöglicht faktisch die Einstellung der Empfindlichkeit der Vorrichtung.
Sobald im Betrieb einer der Komparatoren COMP1 oder COMP2 feststellt, daß das ihm vom Integrator, mit dem er verbunden ist, gelieferte Signal das Schwellensignal, das ihm vom Addierer (80) geliefert wird, überschreitet, gibt der Ausgang O der logischen Schaltung L ein Signal mit einem logischen Pegel "1" aus, der auf Klopfen hinweist. In einem elektronischen Zündsystem kann dieses Signal zur Korrektur der Voreilung benutzt werden, um Klopfen zu verhindern.
Die vorstehende Erklärung zusammenzufassend kann gesagt werden, daß die oben beschriebene Vorrichtung ein auf Klopfen hinweisendes Signal erzeugt wenn:
max [VSi1, VSi2 - KmVMi > V&sub0;,
wobei
der Index i sich auf den i-ten Zylinder bezieht, der innerhalb des betrachteten Integrationsfensters in der Verbrennungsphase ist,
VSi1 das Ausgangssignal des Integrators INT1 bei auf eine erste Resonanzftequenz f1 abgestimmtem Filter F1 während der Integrationsperiode ist, die sich auf die Verbrennung im i-ten Zylinder bezieht,
VSi2 das Ausgangssignal des Integrators INT2 bei auf eine zweite Resonanzfrequenz f2 abgestimmtem Filter F2 während der Integrationsperiode ist, die sich auf die Verbrennung im i-ten Zylinder bezieht,
VMi der Durchschnitt der am Ausgang des Integrators INT3 entnommenen Signalwerte bei auf eine Frequenz zwischen f1 und f2 abgestimmtem Filter F3 nahe am Ende der Integrationsperiode ist, die sich auf die Verbrennungsphase im i-ten Zylinder bezieht,
Km der Verstärkungsfaktor des Verstärkers (71) ist dessen Wert vom Mikroprozessor (6) in programmierter Weise in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit der Maschine verändert werden kann, und
V&sub0; die Offset-Spannung ist, die eingestellt werden kann, wenn die Anordnung kalibriert wird, und die es erlaubt, die Empfindlichkeit der Feststellung des Klopfens zu verändern.

Claims

1.Vorrichtung zum Feststellen des Klopfens in einem Vielzylinder-Ottomotor enthaltend:

einen dem Motor zugeordneten Sensor (S), der für die Erzeugung eines Signals mit einem Rauschanteil und einem Nutzsignalanteil verwendet wird, dessen Spektrum Spitzenwerte haben kann, die das Klopfen in einer Vielzahl von Frequenzbereichen anzeigen;

wenigstens erste und zweite signalverarbeitende Kanäle (A, B), die mit dem Sensor (S) verbunden sind und für jede Verbrennungsphase des Motors jeweils zur Lieferung erster und zweiter Feststellungssignale verwendet werden, die für den Nutzsignalanteil jeweils in ersten und zweiten Frequenzbereichen charakteristisch sind;

einen dritten, auch mit dem Sensor (S) verbundenen, signalverarbeitenden Kanal (C), der in jeder Verbrennungsphase des Motors zur Liefening eines dritten Feststellungssignals verwendet wird, das für den Rauschanteil in einem von den vorher erwähnten Frequenzbereichen verschiedenen Frequenzband charkteristisch ist, und

Vergleichs- und Verarbeitungseinrichtungen (COMP1, COMP2; 71, 80, G; 60, FM&sub1;-FMN), die zur Erzeugung eines das Klopfen anzeigenden Signals auf der Basis von Vergleichen vorgesehen sind, die mit Daten durchgeführt werden, die von den ersten, zweiten und dritten Feststellungssignalen hergeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung auch umfaßt

eine Multiplexeranordnung (60), die einen mit dem Ausgang des dritten Kanals (C; F3; R3, INT3) verbundenen Eingang und eine Vielzahl von Ausgängen hat, von denen jeder einem entsprechenden Zylinder des Motors zugeordnet ist, wobei die Multiplexeranordnung in jeder Verbrennungsphase für die Erzeugung eines Abfragewerts des dritten Feststellungssignals an denjenigen Ausgang eingerichtet ist, der dem Zylinder zugeordnet ist, der sich in der Verbrennungsphase befindet,

eine jeweilige Filter- und Speicheranordnung (FM&sub1;-FMN), die mit jedem Ausgang der Multiplexeranordnung (6()) für die Versorgung der Vergleichs- und Verarbeitungseinrichtungen (COMP1, COMP2, L, 71, 80, G) mit einem gemittelten Signal verbunden ist das für einen gewichteten Durchschnitt wenigstens derjenigen Abfragewerte des dritten Feststeilungssignals charakteristisch ist, die als letzte und vorletzte empfangen wurden, wobei die Vergleichs- und Verarbeitungseinrichtungen eingerichtet sind, um in jeder Verbrennungsphase das auf Klopfen hinweisende Signal auf der Grundlage von mit den ersten und zweiten Feststellungssignalen und den von den Filter- und Speicheranordnung (FM&sub1;-FMN) erzetigten gemittelten Signalen durchgeführten Vergleichen zu erzeugen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jeder der signalverarbeitenden Kanäle (A, B, C) jeweils ein Eingangs-Bandpassfilter (F1, F2, F3) und einen Gleichrichter (R1, R2, R3), vorzugsweise des Vollwegtyps, in Kaskadenschaltung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Kanäle (A, B, C) nach dem jeweiligen Gleichrichter (R1, R2, R3) je einen Integrator (INT1, INT2, INT3) aufweist und daß der Integrator (INT3) des dritten Kanals (C) mit dem Eingang der Multiplexeranordnung (60) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- und Verarbeitungseinrichtungen (COMP1, COMP2, L, 8(), 71, G) für die Ausgabe eines das Klopfen während einer Verbrennungsphase eines Zylinders anzeigenden Signals eingerichtet sind, wenn das vom Integrator (INT1, INT2) entweder des ersten oder zweiten Kanals (A, B) erzeugte Signal ein Referenzsignal überschreitet, das von dem gemittelten Signal abhängt, das dem jeweiligen Zylinder entspricht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- und Verarbeitungseinrichtungen einen mit den Ausgängen der Filter- und Speicheranordnuugen (FM&sub1;-FMN) verbundenen Verstärker (71) aufweisen, der zur Multiplikation des gemittelten Signals mit einem vorbestimmten Skalierfaktor (Km) eingerichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzechnet, daß der Verstärkter (71) vom Typ des Skalierfaktors oder des programinierbaren Verstärkungsfaktors ist und daß eine Einrichtung (6) zur Modifikation des Werts des Skalierfaktors oder des Verstärkungsfaktors auf vorbestimmte Art in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Motors vorgesehen ist.

6. Vornchtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichs- und Verarbeitungseinrichtungen einen Addierer (8()) zur Addition einer OWet-Spannung (V&sub0;) zum Signalausgang des Verstärkers (71) aufweisen, wobei die Offset-Spannung im Kalibrierstadium verändert werden kann, und wobei der Signalausgang des Addierers (80) das Bezugssignal für die Vergleichs- und Verarbeitungseinrichtungen bildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzechnet, daß die Vergleichs- und Verarbeitungseinrichtungen wenigstens erste und zweite Schwellwertkomparatoren (COMP1, COMP2) aufweisen, die jeweils mit ersten Eingängen mit den Ausgängen der Integratoren (INT1, INT2) jeweils der ersten und zweiten Kanäle (A, B) und jeweils mit zweiten Eingängen mit dem Ausgang des Addierers (80) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochpass- oder Bandpassfilter (PA) vorgesehen ist, das zwischen dem Sensor (S) und den ersten, zweiten und dritten Kanälen (A, B, C) angeordnet und für die Dämpfung derjenigen Anteile des Signals des ersten Sensors (S) eingerichtet ist, die eine Frequenz haben, die niedriger als der unterste der Frequenzbereiche ist.