DE69105342T2

DE69105342T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfens in einem internen Verbrennungsmotor.

Info

Publication number: DE69105342T2
Application number: DE69105342T
Authority: DE
Inventors: Takanobu Ichihara; Kozo Katogi; Hiroatsu Tokuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-04-27
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2011-04-27
Also published as: DE69105342D1; EP0454486A3; US5230316A; EP0454486A2; EP0454486B1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Klopfens in einer Brennkraftmaschine und eine diesbezügliche Vorrichtung.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Es gibt verschiedene Arten von Klopferkennungsverfahren und diesbezüglichen Vorrichtungen, die dazu geeignet sind, einen in einer Brennkraftmaschine auftretenden Klopfzustand zu erkennen. In der japanischen Patentoffenlegungsschrift mit der Nummer 45520/1983 wird zum Beispiel eine Klopferkennungsvorrichtung offenbart, die dazu geeignet ist, eine Frequenz eines Ausgangssignals, die dem Klopfen eigen ist, aus einem Klopferkennungssensor zu filtern und das Auftreten eines Klopfzustands durch die Bewertung zu entscheiden, ob die Amplitude der Frequenzkomponente einen vorbestimmten Pegel überschreitet oder nicht.
Bei dieser früheren Vorrichtung wird ein Klopfsignal jedoch immer in dem gleichen Kurbelwinkelbereich bewertet, das heißt, daß eine vorbestimmte Fenster-Position und eine Bogenlänge der Kurbelwinkel für die Klopferkennung verwendet werden. Da der Bereich, in dem die Klopferkennung erfolgt, vorher festgelegt wird, ist es nicht möglich, den Kurbelwinkel genau zu bestimmen, bei dem die maximale Amplitude des Klopfens auftritt. Diesbezüglich gilt, daß sich die maximale Amplitude des Klopfens mit der Frequenz ändert, und die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben festgestellt, daß sich die Frequenz mit der Kurbelwinkelposition ändert. Es konnte festgestellt werden, daß wenn gemäß dem Stand der Technik ein übermäßig breites Fenster zur Erfassung der Klopffrequenz verwendet wird, wobei die Fensterposition ebenso feststehend ist, die Rauschfrequenzkomponenten, die zum Beispiel durch die Vibration eines Ventils bewirkt werden, eine wesentliche Auswirkung in dem Meβfenster haben und eine Fehleinschätzung der Klopffrequenz (und somit des Kurbelwinkels) haben können.
Hiermit wird festgestellt, daß der Motorblock eine bestimmte Eigenfrequenz aufweist und daß die Klopffrequenz gemäß dem Stand der Technik dadurch erkannt wird, daß die Vibrationsenergie bewertet wird. Wie dies bereits erwähnt worden ist, bewirkt die Vibration mechanischer Quellen, die zum Beispiel durch die Funktion von Einlaß- und Auslaßventilen erzeugt wird, andere Eigenfrequenzen. In der japanischen Patentoffenlegungsschrift mit der Nummer 63-219874 wird die Verwendung von mehr als einem Filter zur Trennung bestimmter Eigenfrequenzen offenbart. Normalerweise werden mehr als ein Filter verwendet, wenn analoge Elemente, die diskrete Teile umfassen, oder wenn digitale Filter verwendet werden.
In den japanischen Patentauszügen, Band 8, Nr. 183 (P-296) (1620), 23.08.84, wird offenbart, daß die Genauigkeit der Klopferkennung durch Filtern in einer Mehrzahl von Bandpaßfiltern verbessert werden kann, so daß einer der Filter die Klopf- Grundfrequenz weiterleitet, während die anderen Filter unterschiedliche Oberschwingungen der Grundfrequenz weiterleiten. Die Ausgaben der verschiedenen Filter werden gleichgerichtet, und in Abhängigkeit des gleichgerichteten Signals wird die Zündeinstellung des Motors verändert. In FR-A-2571141 wird ferner offenbart, daß ein durch die Kurbelwellenwinkel definiertes Winkelfenster so verwendet werden kann, daß die Position des Fensters auf vorbestimmte Weise so eingestellt wird, daß der beste Rauschabstand vorgesehen wird. Die Position des Fensters wird so ausgewählt, daß sie sich außerhalb der Kurbelwinkelposition befindet, an der die Ventile geschlossen sind, da der Verschluß der Ventile Vibrationen erzeugt, die fälschlicherweise als Klopfen interpretiert werden könnten. Wenn ein Klopfen auftritt, so existiert ein Signal mit hoher Amplitude, das sich innerhalb der Dauer des Winkelfensters befindet. Das Anliegen der in dem französischen Patent offenbarten Erfindung ist die Erkennung eines Fehlers des Systems zur Erkennung eines Klopfzustands, und das Winkelfenster wird in vorbestimmten Intervallen erweitert, so daß externe, mechanische Ceräusche, wie etwa durch das Schließen der Ventile verursachte Ceräusche, eingeschlossen werden. Zur Erkennung eines Klopfzustands wird somit ein Fenster θ&sub1; verwendet und ein Fenster mit erhöhter Länge θ&sub2; wird zu diagnostischen Zwecken verwendet. In beiden Fällen werden die Fensterlänge und die Position vorher festgelegt.
Jedoch sind alle obengenannten früheren Versuche zur genauen Erkennung der Frequenz und der Kurbelwinkelposition eines Klopfzustands nicht flexibel, und aufgrund der Tatsache, daß Filter verwendet werden, ist es unbedingt erforderlich, daß die Mittenfrequenzen der Filter vorher festgelegt werden. Dadurch wird es unmöglich, die Mittenfrequenzen der Filter in einer Situation, in der sich die Eigenfrequenzen aufgrund einer Veränderung der Betriebsbedingungen des Motors und der altersbedingten Verschlechterung des Motors an sich verändern, auf die Eigenfrequenzen einzustellen. Somit ist es gemäß dem Stand der Technik nicht möglich, eine hochgenaue Erkennung eines Klopfzustands in einer Brennkraftmaschine zu verwirklichen. Außerdem weist der dem Stand der Technik entsprechende Versuch den Nachteil auf, daß bei der Verwendung analoger Filter eine Anzahl an Filtern erforderlich ist, die der Anzahl der zu teilenden Frequenzen entspricht, so daß sich die Kosten der Filter und deren Größe erhöhen.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung bezüglich der Genauigkeit der Klopferkennung zu erzielen, die durch obige bekannte Techniken nicht vollständig erreicht werden kann, und zwar auf der Basis der Entdeckungen durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung bei ihren zahlreichen Versuchen bezüglich dem Verhältnis zwischen der Frequenz eines erfaßten Klopfsignals und einem Kurbelwinkel. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfens vorzusehen, wodurch es möglich ist, die Ausgangsleistung und den Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine zu verbessern.

Zusammenfassung der Erfindung

Vorgesehen ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Erkennung eines Klopfens in einer Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle und einem Klopferkennungssensor, durch Erkennung der durch Klopfen verursachten Motorvibration durch den Klopferkennungssensor, und zwar zwischen einem ersten und einem zweiten Winkel der Kurbelwelle, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ersten und zweiten Winkel abhängig von einem zu erkennenden Frequenzvibrationsspektrum unabhängig verändert wird.
Im weitesten Sinne der Erfindung ist die Anfangsposition des Fensters, in dem die Erkennung erfolgt, zeitlich veränderbar und die Periode des Erkennungsfensters ist zeitlich abhängig veränderbar, wobei es wesentlich ist, daß das Fenster so schmal wie möglich und so beweglich ist, daß die maximale Vibrationsfrequenz erkannt wird.
Da der Klopfzustand in einem Frequenzspektrum auftritt ist es wünschenswert, daß eine Mehrzahl von Frequenzspektren, die jeweils unterschiedliche erste und zweite Zeitpunkte aufweisen, zur Bestimmung der Klopfintensität getrennt analysiert werden.
Hiermit wird festgestellt, daß die ersten und zweiten Zeitpunkte durch erste und zweite Winkel der Kurbelwelle dargestellt werden können, wobei es nicht unbedingt erforderlich ist, die Zeitpunkte ins Verhältnis mit den Kurbelwellenwinkeln zu setzen, wobei dies aus praktischen Gründen erfolgt.
In vorteilhafter Weise wird eine Mehrzahl von Frequenzspektren erfaßt, die jeweils unterschiedliche Mittenfrequenzen aufweisen.
Wie dies vorstehend beschrieben ist, ist die Anfangsposition des Fensters in der Position veränderlich, so daß der erste Kurbelwinkel veränderlich ist, jedoch kann es unter bestimmten Umständen bevorzugt werden, die Fensterlänge vorher festzulegen, so daß der Unterschied zwischen den ersten und zweiten Kurbelwinkeln ebenso vorbestimmt werden kann. Hiermit wird jedoch festgestellt, daß der Bogenabstand zwischen den ersten und zweiten Kurbelwinkeln im Vergleich zum Stand der Technik geringer ist, da die Position der Meβfenster veränderlich ist, während die Fensterposition und die Fensterlänge bei früheren Techniken vorbestimmt waren und breit sein mußten, um den Klopfzustand zu erkennen. Somit ist der Kurbelwinkelbereich zwischen den ersten und zweiten Kurbelwinkeln beschränkt, so daß der durch mechanisches Rauschen, wie etwa durch hin- und hergehende Motoreinlaß- und Auslaßventile verursachte Vibrationseffekt verringert wird.
Vorzugsweise werden die Frequenzspektren zur Bestimmung eines Gesamtklopfsignalpegels analysiert, und wobei die Zündeinstellung des Motors verzögert wird, wenn der Pegel einen vorbestimmten Pegel übersteigt.
Bei einem gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Frequenzspektrum an einer Mehrzahl von Abtastpunkten in dem Spektrum erfaßt, wobei die Abtastwerte analylisiert werden. Bei der Analyse handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um eine schnelle Fouriertransformations- oder eine Walsh- Fouriertransformations-Analyse, die an sich bekannt sind.
Da sich das Motorklopfen abhängig von den Betriebsparametern ändert, werden die ersten und zweiten Winkel abhängig von der Motordrehzahl, der Motorwassertemperatur, der Ansauglufttemperatur, der Ansaugluftfeuchtigkeit oder der Motorkilometerlaufleistung verändert.
In vorteilhafter Weise stellt jedes der Frequenzspektren einen Vibrationsmodus in einem entsprechenden Zylinder des Motors dar. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Frequenz der maximalen Amplitude in vorteilhafter Weise für jedes Frequenzspektrum durch Datenanalyse an zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Frequenz-Abtastwerten erfaßt.
Zur Verbesserung der Genauigkeit der Klopferkennung wird die Frequenz der maximalen Amplitude mit einem Bewertungsfaktor multipliziert, und wobei die bewerteten Frequenzen der maximalen Amplitude für jeden Modus summiert werden, so daß ein Tonindex vorgesehen wird, wobei der Klopfzustand durch einen Vergleich des Tonindexes mit einem vorbestimmten Signal erkannt wird. Der verwendete Bewertungsfaktor verringert normalerweise den Rauschabstand, wobei das Signal die Klopffrequenz darstellt, und wobei das Rauschen das innere mechanische Rauschen des Motors darstellt, das durch die Einlaßventile, usw. erzeugt wird.
Wenn der Tonindex somit über einem vorbestimmten Signal liegt, so wird die Zündeinstellung verzögert.
In vorteilhafter Weise werden die ersten und zweiten Kurbelwinkel in den nächsten Zyklus geschoben, wenn sich die Frequenz der maximalen Amplitude nicht zentral in dem Frequenzspektrum befindet, so daß die Frequenz der maximalen Amplitude zentralisiert wird.
Vorgesehen ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Erkennung des Klopfens in einer Brennkraftmaschine, mit einem Klopferkennungssensor zur Erkennung des durch Motorvibration erzeugten Klopfens, und mit einer Verstelleinrichtung zur Bewertung der Signale des Klopferkennungssensors zwischen einem ersten und einem zweiten Winkel der Kurbelwelle, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur unabhängigen Veränderung mindestens eines der ersten und zweiten Winkel, und zwar abhängig von einem zu erkennenden Vibrationsspektrum.
Vorzugsweise werden die ersten und zweiten Zeipunkte durch erste und zweite Winkel einer Kurbelwelle des Motors dargestellt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfaßt die Vorrichtung eine Einrichtung zur Bewertung des erkannten Vibrationsfrequenzspektrums und eine Einrichtung zum Vergleich einer Ausgabe der Bewertungseinrichtung mit einer Einrichtung, welche einen vorbestimmten Signalpegel erzeugt, und eine Einrichtung zur Veränderung der Zündeinstellung des Motorsignals, wenn die Ausgabe der Bewertungseinrichtung einen vorbestimmten Signalpegel überschreitet.
Durch die vorliegende Erfindung kann somit das Fenster der Frequenzmessung bezüglich der Position und der Länge verändert werden, und die Mittenfrequenz des Fensters kann während dem Betrieb verschoben werden. Durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung wird die Klopferkennung optimiert, und das Ergebnis kann zur Korrektur der Zündeinstellung der Brennkraftmaschine verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen Klopfsensor mit linearer Frequenz, zur Funktion in einem Bereich, der ausreichend breit ist, um Klopferkennungssignale einzuschließen und um somit mehr als eine bestimmte Frequenz einzuschließen, die bei Auftreten eines Klopfzustands erzeugt wird, und wobei eine Mehrzahl von Klopfsignalen erkannt werden kann.
Die altersbedingte Verschlechterung des Motors wird in geeigneter Weise durch Erfassung der Kilometerlaufleistung des Kraftfahrzeugs gemessen, und die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfzustands kann die Verschlechterung des Motors bewerten und sie kann das Meβfenster zur Klopferkennung abhängig von der zeitlichen Verschlechterung des Motors verschieben, wodurch die Erkennung eines Klopfzustands optimiert wird. Für gewöhnlich wird ein Mikrocomputer zur Analysierung des Ergebnisses des Abtastens verwendet, so daß die Klopferkennung in Echt zeit ausgewertet wird, um die Motorleistung und den Wirkungsgrad der Verbrennung zu optimieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:
die Figuren 1(a) und 1(b) entsprechend ein Wellenformdiagramm und einen Craphen des grundlegenden Verhältnisses der vorliegenden Erfindung zwischen dem Bereich der Kurbelwinkel nach dem oberen Totpunkt (N.O.T.), wobei das Ausgangssignal von dem Klopfsensor und eine Vibrationskomponente aufgenommen (erfaßt) werden;
die Figuren 2(a) - 2(f) in graphischer Form ein Verfahren zur Bestimmung eines optimalen Kurbelwinkelbereichs gemäß den erfaßten Frequenzen;
Figur 3 das gesamte System einer Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfzustands verwendet wird;
Figur 4(a) ein Blockschaltungsdiagramm des inneren Teils eines Reglers, der in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfens bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in der Vorrichtung aus Figur 3 eingesetzt wird, verwendet wird;
Figur 4(b) ein schematisches Blockdiagramm der Konstruktion einer Klopfsignalaufnabme;
Figur 4(c) ein Zeitdiagramm, das die Funktionsweise des Klopfsignalsensors darstellt;
Figur 5 ein Flußdiagramm eines Signalverarbeitungsvorgangs zur Bewertung des Auftretens eines Klopfzustands in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3;
Figur 6 ein Flußdiagramm eines Signalverarbeitungsvorgangs zur Bewertung des Auftretens eines Klopfzustands in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3;
die Figuren 7(a) und 7(b) schematische Blockdiagramme eines anderen Reglers bzw. einer anderen Signalaufnahme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
Figur 8 eine Impulsübesicht, die den Signalaufnahmevorgang in dem Ausführungsbeispiel der Figuren 7(a) und 7(b) veranschaulicht;
Figur 9 ein Flußdiagramm, das einen Klopfbewertungsvorgang in dem Ausführungsbeispiel der Figuren 7(a) und 7(b) darstellt;
Figur 10 ein Blockdiagramm einer Brennkraftmaschine, bei der eine Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfens gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung angewandt wird;
die Figuren 11(a) und 11(b) eine erläuternde Darstellung eines Eigenschwingungsmoduses;
Figur 12 ein gegenwärtig bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Teils der in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 10 verwendeten Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfzustands;
die Figuren 13(a) - 13(h) zur Erklärung der Funktionsweise der Vorrichtung aus Figur 10 nützliche Wellenformen;
die Figuren 14(a) - 14(e) Flußdiagramme der Verfahren zur Klopferkennung in dem Ausführungsbeispiel aus Figur 10;
Figur 15 eine graphische Darstellung der für die Klopferkennung verwendeten Frequenzeigenschaften; und
Figur 16 eine graphische Darstellung der Veränderung der Frequenzen für die Klopferkennung bei einer altersbedingten Verschlechterung des Motors.
In den Figuren bezeichnen übereinstimmende Bezugsziffern die gleichen Teile.

Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In bezug auf die Figuren 1(a) und 1(b) der beigefügten Zeichnungen werden vor der Beschreibung der Ausführungsbeispiele die Tatsachen veranschaulicht, die die Erfinder der vorliegenden Erfindung in bezug auf das Verhältnis festgestellt haben, das zwischen einem Ausgangssignal von einem Klopferkennungs- Vibrationssensor und einem Kurbelwinkel besteht, an dem die Aufnahme des Ausgangssignals beginnt.
Die Figur 1(a) zeigt ein Ausgangssignal von einem Motorvibrations-Erkennungssensor und einen Kurbelwinkelbereich θ&sub1; (der bei 10º nach dem O.T. beginnt), an dem die Aufnahme des Ausgangssignals beginnt, sowie einen Bereich anderer Kurbelwinkel θ&sub2; (der bei 16º nach dem O.T. beginnt), zu dem θ&sub1; geändert wird, wobei O.T. für den oberen Totpunkt und N.O.T. für nach dem oberen Totpunkt steht. Zur leichteren Erklärung gleichen sich die Kurbelwinkelbereiche, das heißt die Zeit bzw. die Bogenlänge des Winkels θ&sub1; und des Winkels θ&sub2; sind gleich und nur deren Anfangsposition ändert sich. Jedoch ermöglicht es diese Erfindung auch, daß sowohl die Anfangsposition von θ&sub1; und θ&sub2; als auch die Zeit bzw. die Winkel θ&sub1; und θ&sub2; zueinander unterschiedlich sind. Die Ergebnisse einer bezüglich jedem dieser Kurbelwinkel ausgeführten Frequenzanalyse ist in Figur als m(θ&sub1;), m(θ&sub2;) dargestellt. Wie dies aus diesen Figuren deutlich wird, schwankt die charakteristische Klopffrequenz, wenn der Anfangspunkt der Erkennung für einen Kurbelwinkelbereich verändert wird (selbst wenn θ&sub1; gleich θ&sub2; ist). Es wird davon ausgegangen, daß die Ursache dafür in der Schwankung der Eigenfrequenzdes Klopfens liegt, die auf die unterschiedliche Temperatur während einem Arbeitshub in einem Zylinder zurückzuführen ist. Zur Bewertung des Auftretens eines Klopfzustands in bezug auf eine Vibrationskomponente auf einer bestimmten Frequenz wird aus diesem Grund im Kurbelwinkelbereich ein Signal aufgenommen, wobei die Klopfeigenschaften klar in bezug auf die Frequenz erscheinen, und somit verbessert sich die Genauigkeit der Klopferkennung.
Ein Verfahren zur Vorbestimmung des Kurbelwinkelbereichs, bei dem die Aufnahme des Signals in bezug auf jede Frequenz ausgeführt wird, wird nun in bezug auf Figur 2 beschrieben.
Die Figur 2(a) zeigt die Ausgabe eines Vibrationssensors, und Figur 2(b) zeigt den Bereich der Kurbelwinkel θ&sub1;, θ&sub2;,, ..., θn, in dem die Vibrationssensorausgabe erfaßt (aufgenommen) wird.
Die Figuren 2(c) und 2(d) zeigen die Ergebnisse der Bestimmung der spektralen Pegel unterschiedlicher Frequenzen f&sub1;, f&sub2;, f&sub3;, die mit dem Kurbelwinkel ausgeführt werden, wobei das Vibrationssensor-Ausgangssignal entsprechend in den Figuren 2(c) und 2(d) geändert wird. In Figur 2(c) entspricht der spektrale Pegel der Frequenz einem Fall, wo kein Klopfzustand erkannt wird, und in Figur 2(d) entspricht der spektrale Pegel der Frequenz dem Fall, wo ein Klopfzustand erkannt wird, und beide Craphen sind gemäß den Kurbelwinkeln in der Mitte der Kurbelwinkelbereiche dargestellt, in denen die Frequenzanalyse ausgeführt wird. Da der Zeitpunkt des Auftretens des Klopfens von Zündtakt zu Zündtakt geringfügig schwankt, werden diese spektralen Pegel dadurch bestimmt, daß ein Durchschnittswert der spektralen Pegel gemäß einer vorbestimmten Anzahl an Zündtakten (z.B. 50 Zündtakte) ermittelt wird. Die Figur 2(e) zeigt ein Verhältnis des spektralen Pegelns bei Auftreten eines Klopfens zu einem spektralen Pegel ohne Klopferkennung, d.h. einen Rauschabstand, der bezüglich jeder Frequenz und gemäß jedem Kurbelwinkelbereich auf der Basis der Darstellungen in den Figuren 2(c) und 2(d) bestimmt wird, wobei sich die Kurbelwinkelbereiche für f&sub1;, f&sub2;, f&sub3; voneinander unterscheiden können.
Der Kurbelwinkelbereich, in dem die Aufnahme eines Signals ausgeführt wird, wird auf der Basis der Darstellung in Figur 2(e) auf einen Bereich festgesetzt, in dem der Rauschabstand in bezug auf jede Frequenz einen vorbestimmten Pegel (zum Beispiel 1,5) nicht unterschreitet.
Wie dies in Figur 2(f) dargestellt ist, ermöglicht dieses Verfahren die Bestimmung eines Kurbelwinkels αfi (wobei sich i auf die Frequenz 1, 2, ... bezieht), bei dem die Aufnahme eines ignals beginnt und des Bereichs βfi (i=1, 2,...) der Kurbelwinkel gemäß der Zeit zwischen dem Beginn der Signalaufnahme und dem Ende der Aufnahme (diese Zeiten können aneinander entsprechen bzw. unterschiedlich zueinander sein).
Die Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Systemkonfiguration einer Steuervorrichtung für eine Brennkraftmaschine. Luft tritt in den Einlaß eines Luftfilters 1 ein und wird durch eine Röhrenleitung 3 in einen Zylinder eines Motors 7 gesaugt, wobei die Röhrenleitung ein Drosselgehäuse 5 mit einem Drosselventil und eine Ansaugleitung 6 umfaßt. Der Durchf luß der Ansaugluft wird zum Beispiel durch einen in der Röhrenleitung 3 vorgesehenen Hitzdraht-Luftströmungssensor 2 erfaßt und ebenso erfaßt wird ein das den Durchfluß darstellendes Signal, das in eine Motorsteuereinheit (ECU) 9 eingegeben wird. Von einer Einspritzeinrichtung 16 eingespritzter Kraftstoff wird mit der Ansaugluft gemischt, und das resultierende gasförmige Cemisch wird dem Zylinder des Motors 7 zugeführt. Eine in einer Zündspule 13 erzeugte Hochspannung wird über einen Verteiler 14 an eine Zündkerze 15 jedes Zylinders des Motors verteilt. Das in den Zylinder angesaugte gasförmige Cemisch wird dann in dem Motor 7 verdichtet, durch die Zündkerze 15 gezündet und danach aus einer Auspuffleitung 8 ausgestoßen. Die Auspuffleitung 8 kann mit einem Abgassensor 11 (zum Beispiel einem O&sub2;-Sensor) versehen sein, wobei ein Ausgangssignal dieses Sensors ebenfalls in die Steuereinheit 9 eingegeben wird.
Der Drehzustand des Motors wird durch einen POS- Kurbelwinkelsensor 18 der Kurbelwelle 4 erfaßt, wobei von dem Kurbelwinkelsensor ein POS-Signal (Kurbelwinkel-Positionssignal) ausgegeben wird, und von einem Kurbelwinkel-Bezugssensor 19, von dem ein REF-Signal abgegeben wird, das eine Kurbelwinkel- Bezugsposition anzeigt. Ein Vibrations-Erkennungssensor 17 ist an dem Motor 7 angebracht und ein Ausgangssignal dieses Sensors wird ebenfalls in die Steuereinheit 9 eingegeben. Die Steuereinheit 9 kann die Kraftstoff-Fördergeschwindigkeit und die Zündeinstellung auf der Basis der Signale der vorstehenden und zahlreichen anderen Sensoren (wie etwa der Wassertemperatur) berechnen und ein Steuersignal an jedes Stellglied des Motors abgeben.
Die Figur 4(a) zeigt den Aufbau eines Teils der Motorsteuereinheit 9. Diesbezüglich sei erwähnt, daß die Steuereinheit 9 eine CPU 20, einen Analog-Digital-Umsetzer 21, einen ROM-Speicher 22, eine Eingangs-E/A-Einrichtung 23, einen RAM-Speicher 24 und eine Ausgangs-E/A-Einrichtung 25 umfaßt. Das von dem Kurbelwinkelsensor 12 erfaßte REF-Signal und das POS- Signal werden über die Eingangs-E/A-Einrichtung 23 in die CPU 20 eingegeben. Ein Ausgangssignal des Vibrationssensors 17 wird über den Analog-Digital-Umsetzer 21 in die CPU 20 eingegeben. Die CPU 20 kann Berechnungen gemäß einem in dem ROM-Speicher 22 gespeicherten Programm ausführen, und das Ergebnis der Berechnung wird als Zündeinstellungssignal θign von der Ausgangs-E/A- Einrichtung 25 an das entsprechende Stellglied abgegeben. Der Kurbelwinkel, bei dem die Signalaufnahme durch den Vibrationssensor beginnt und der Kurbelwinkelbereich, werden durch den oben beschriebenen Vorgang auf optimale Werte eingestellt und so in dem ROM-Speicher 22 gespeichert, und das Halten der notwendigen Daten wird während der Berechnung von dem RAM-Speicher 24 ausgeführt.
Die Funktion der Aufnahme eines Signals von dem Vibrationssensor wird nun in bezug auf den Aufbau der Aufnahmeeinrichtung in Figur 4(b) und das in der Figur 4(c) dargestellte Zeitdiagramm beschrieben. In bezug auf Figur 4(b) dient ein Zähler 30 zur Bestimmung des Kurbelwinkels basierend auf dem ansteigenden Teil des REF-Signals, wobei der Zähler 31 dazu dient, die Veränderung des Kurbelwinkels während der Zeit nach dem Beginn der Aufnahme des Signals zu bestimmen, wobei das Vergleichsregister 32 dazu dient, einen Winkel αfi festzusetzen, bei dem die Aufnahme des Signals beginnt, und wobei das Vergleichsregister 33 dazu dient, den Bereich βfi der Kurbelwinkel gemäß der Zeit der Aufnahme des Signals festzusetzen (die Werte dieser Vergleichsregister 32, 33 werden durch die CPU 20 festgesetzt). Der Vergleicher 34 dient zur Überprüfung eines tatsächlichen Kurbelwinkels, ob dieser einem vorbestimmten Wert X entspricht, und der Vergleicher 35 dient zur Überprüfung der Veränderung des Kurbelwinkels während der Zeit zwischen dem Anfang und dem Ende der Aufnahme eines Signals, und zwar ob das Ausmaß der Veränderung mit einem anderen vorbestimmten Wert Y übereinstimmt. Wenn die oben erwähnte Übereinstimmung in den Vergleichern 34, 35 festgestellt wird, so werden Triggersignale zur Anordnung des Anfangs und des Endes der Analog-Digital-Umsetzung von den Vergleichern an den Analog- Digital-Umsetzer 21 abgegeben. Ein analog-digital umgesetztes Signal wird in die CPU 20 eingegeben. In diesem Ausführungsbeispiel entsprechen die durch die Zähler, Vergleichsregister, Vergleicher und Analog-Digital-Umsetzer festgelegten Zahlen der zu erfassenden Frequenz.
In bezug auf das Zeitdiagramm aus Figur 4(c) wird nun das Verfahren zur Ausführung eines Signalaufnahmevorgangs beschrieben. Der Zähler 30 ist dazu geeignet, das POS-Signal von dem Zeitpunkt der Auslösung des REF-Signals zu zählen. Der Kurbelwinkel αfi, bei dem die Aufnahme des Vibrationssensorsignals beginnt, wird durch die Anzahl der POS-Signale von der Auslösung des Signals bis zum Erreichen des vorbestimmten Wertes X, der von dem Vergleichsregister 32 vorausgesetzt wird, festgesetzt. Wenn der Wert in dem Zähler 30 somit mit dem von dem Vergleichsregister 32 vorausgesetzten vorbestimmten Wert X übereinstimmt, so steigt ein Ausgangssignal von dem Vergleicher 34 an und die Analog-Digital-Umsetzung beginnt. Der Zähler 31 zählt die POS-Signale von dem Zeitpunkt, von dem das Ausgangssignal des Vergleichers 34 ansteigt. Der Bereich βfi der Kurbelwinkel, der der Zeit entspricht, während welcher das Vibrationssensorsignal aufgenommen wird, wird als die Zahl der POS-Signale festgelegt, beginnend mit dem Anfangszeitpunkt der Analog-Digital-Umsetzung in dem Vergleichsregister 33. Wenn der Wert in dem Zähler 31 den Wert Y erreicht, steigt ein Ausgangssignal von dem Vergleicher 35 an und die Analog-Digital- Umsetzung endet. Diese Handlungen werden für jede der unterschiedlichen erfaßten Frequenzen ausgeführt.
In bezug auf das Flußdiagramm aus Figur 5 wird nun die Berechnung der CPU 20 zur Bestimmung des Auftretens bzw. des Nicht- Auftretens eines Klopfzustands beschrieben.
In dem Schritt 500 werden zuerst die Werte der Kurbelwinkel αf1 - αfn bei denen die Aufnahme der Signale beginnt, und die Bereiche βf1-βfn der Kurbelwinkel, in denen die Signalaufnahme ausgeführt wird, gemäß den erfaßten Frequenzen f&sub1;-fn der Ausgangssignale des Vibrationssensors, die in den Vergleichsregistern X&sub1;-Xn, Y&sub1;-Yn gelesen und festgelegt werden, gemäß dem oben beschriebenen Verfahren voreingestellt.
In dem Schritt 501 wird ein Signal gemäß dem oben beschriebenen Verfahren innerhalb des in dem Schritt 500 gemäß jeder erfaßten Frequenz festgelegten Bereichs aufgenommen. Die oben erwähnte Signalaufnabme erfolgt in einem vorbestimmten Abtastzyklus (zum Beispiel alle 12 Mikrosekunden).
In dem Schritt 502 werden die gemäß jeder erfaßten Frequenz empfangenen Daten einer Frequenzanalyse unterzogen, um die Größe mf1-mfn einer Vibrationskomponente zu bestimmen. Als Frequenzanalyseverfahren können die schnelle Fouriertransformation (FFT) oder die Walsh-Fouriertransformation (WFT, beschrieben von Nobuo Kurihara in 'Keisokujido-gakkai Ronbunshu 18, Nr. 10, Seiten 38-44 (Oktober 1982)'), beide an sich bekannt, verwendet werden.
In dem Schritt 503 werden mf1-mfn, ermittelt in dem Schritt 502. und die vorbestimmten Pegel lfi-lfn, die vorher in bezug auf jede erfaßte Frequenz festgesetzt worden sind, miteinander verglichen, und wenn zum Beispiel einer der Werte von mf1-mfn größer ist als die vorbestimmten Pegel lfi-lfn, so erfolgt eine Entscheidung, daß ein Klopfen auftritt. Wenn eine Entscheidung getroffen wird, daß ein Klopfzustand gegeben ist, so wird die Zündung in bezug auf die normale Zündeinstellung in dem Schritt 504 verzögert.
Folgend wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung bei einer Klopfvorrichtung angewandt, wobei die zu erfassende Frequenz gemäß dem Betriebszustand des Motors verändert wird, der durch die Anzahl der Umdrehungen des Motors je Minute dargestellt ist, um die Signalerfassungsgenauigkeit zu verbessern.
Der Aufbau der Vorrichtung in diesem Ausführungsbeispiel gleicht zwar dem Aufbau der Vorrichtung in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, doch unterscheiden sich die beiden Verfahren zur Erkennung eines Klopfzustands.
Eine zu erkennende Frequenz wird abhängig von der Anzahl der Umdrehungen je Minute des Motors in bezug auf die folgende Tabelle 1 verändert, und der Kurbelwinkelbereich, in dem die Aufnahme eines Signals ausgeführt wird, wird abhängig von der geänderten zu erkennenden Frequenz verändert. Tabelle 1 Anzahl der Motor-Umdrehungen je Minute (U/min.) Zu erfass. Frequenz Kurbelwink., bei d. die Aufnahme d. Sign. beginnt Kurbelwinkel bereich d. Sign.aufn.
Die in der CPU 20 ausgeführte Berechnung zur Entscheidung, ob ein Klopfen auftritt oder nicht, wird nun in bezug auf das Flußdiagramm in Figur 6 beschrieben.
In dem Schritt 600 dieses Flußdiagramms wird eine der vorbestimmten zu erfassenden Frequenzen gemäß der Anzahl der Motorumdrehungen je Minute ausgewählt. In dem Schritt 601 werden ein Kurbelwinkel α, bei dem die Aufnahme eines Signals beginnt, und ein Bereich von Kurbelwinkeln β, in dem die Aufnahme des Signals ausgeführt wird, in einem Register festgesetzt, wobei sowohl α als auch β für die bestimmte zu erfassende Frequenz, die in dem Schritt 600 ausgewählt worden ist, voreingestellt sind. In dem Schritt 603 wird eine Frequenzanalyse in bezug auf die in dem Schritt 602 festgesetzte zu erfassende Frequenz durch FFT oder WFT ausgeführt, um die Größe m einer Vibrationskomponente zu bestimmen. In dem Schritt 604 wird m mit einem vorbestimmten Pegel l verglichen, und wenn m größer ist als l, so erfolgt die Entscheidung, daß ein Klopfen auftritt. Wenn eine Entscheidung erfolgt, daß ein Klopfen auftritt, so wird die Zündung in dem Schritt 605 verzögert.
Folgend wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Systemkonfiguration dieses Ausführungsbeispiels entspricht der Konfiguration des Ausführungsbeispiels aus Figur 3. Der Aufbau einer Steuereinheit 9 in dem dritten Ausführungsbeispiel ist in den Figuren 7(a), 7(b) dargestellt. In Figur 7(a) ist ein Bandpaßfilter 40 zur Abtrennung einer Vibrationskomponente der Eigenfrequenz des Klopfens von einem Ausgangssignal des Vibrationssensors (nicht abgebildet) vorgesehen. Ferner vorgesehen ist ein Integrator 41 zur Ausführung einer Integration des Ausgangssignals von dem Bandpaßfilter 40 innerhalb eines vorbestimmten Kurbelwinkelbereichs. Die Anzahl der Bandpaßfilter 40, der Integratoren 41 und der Analog-Digital-Umsetzer 21 entspricht der Anzahl der bestimmten zu erfassenden Frequenzen.
Ein Vorgang zur Aufnahme eines Signals von einem Vibrationssensor wird in bezug auf die in der Figur 7(b) dargestellte Hardwaregestaltung und auf die Impulsübersicht der Figur 8 beschrieben. In bezug auf Figur 7(b) bestimmt der Zähler 30 basierend auf der Anstiegsflanke des REF-Signals einen Kurbelwinkel, wobei der Zähler 31 die nach dem Beginn der Aufnahme des Signals auftretende Veränderung des Kurbelwinkels bestimmt. Das Vergleichsregister 32 stellt den Winkel αfi ein, bei dem die Aufnahme des Signals ausgeführt wird. Der Wert in dem Vergleichsregister 32 ist X und der Wert in dem Register 33 ist Y, wobei beide Werte durch die CPU 20 festgelegt werden. Der Vergleicher 34 dient zur Überprüfung eines tatsächlichen Kurbelwinkels, und zwar ob der Wert dieses Winkels mit dem Wert in dem Vergleichsregister 32 übereinstimmt, und wobei der Vergleicher 35 die Veränderung des Kurbelwinkels darauf überprüft, ob der Wert der Veränderung mit dem Wert in dem Vergleichsregister 33 übereinstimmt.
In bezug auf die Impulsübersicht aus Figur 8 wird der Anstieg eines POS-Signals in dem Zähler 30 gezählt um den tatsächlichen Kurbelwinkel zu bestimmen. Wenn der erzielte Kurbelwinkel mit dem Wert X in dem Vergleichsregister 32 übereinstimmt, so steigt ein Ausgangssignal des Vergleichers 34 an und eine Integrationsoperation des Integrators 41 für eine Vibrationskomponente einer Ausgabe des Vibrationssensors beginnt, wobei die Vibrationskomponente durch den Bandpaßfilter 40 erhalten wird. Wenn der Wert in dem Zähler 31 mit dem Wert Y in dem Vergleichsregister 33 übereinstimmt, so steigt ein Ausgangssignal von dem Vergleicher 35 an und ein Ausgangssignal des Integrators wird dann einer Analog-Digital-Umsetzung unterzogen. Diese Operationen werden für jede Frequenz in bezug auf die Vibrationskomponente ausgeführt. Die obengenannten Operationen ermöglichen die Bestimmung des Pegels der Vibrationskomponente in dem voreingestellten Kurbelwinkelbereich.
Die obengenannte Berechnung, die in der CPU 20 ausgeführt wird, um zu entscheiden, ob ein Klopfen auftritt, wird nun in bezug auf das Flußdiagramm in Figur 9 beschrieben.
Zuerst werden in dem Schritt 900 die Kurbelwinkel αf1-αfn, bei denen die Integration jeder erkannten Frequenz beginnt, und die Bereiche βf1-βfn der Kurbelwinkel, in denen diese Integration ausgeführt wird, gelesen und in den Vergleichsregistern X&sub1;-Xn festgelegt. Diese Werte werden vorher festgelegt, wie dies oben beschrieben worden ist.
In dem Integrator in der Steuereinheit 9 wird die Integration jeder erkannten Frequenz innerhalb des Kurbelwinkelbereichs ausgeführt, der in dem Schritt 900 festgelegt worden ist. In dem Schritt 9θ&sub1; werden die Ergebnisse Sf1-Sfn der Integration der erfaßten Frequenzen f&sub1;-fn ausgelesen.
In dem Schritt 902 werden Sf1-Sfn mit den Pegeln lf1-lfn verglichen, die in bezug auf die erfaßten Frequenzen voreingestellt sind, und wenn in bezug auf eine vorbestimmte Frequenz zum Beispiel Sfi > lfi gilt, mit i=1-n für f&sub1;, so erfolgt die Entscheidung, daß ein Klopfzustand gegeben ist. Wenn in diesem Schritt eine Entscheidung erfolgt, daß ein Klopfen auftritt, so wird die Zündeinstellung in dem Schritt 903 verzögert.
Wie dies bereits oben erwähnt worden ist, erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel eine Entscheidung bezüglich dem Auftreten des Klopfens durch Verwendung der Ergebnisse der Integration einer Vibrationskomponente in dem Bereich der Kurbelwinkel, wobei die Klopfeigenschaften am deutlichsten in bezug auf jede erfaßte Frequenz auftreten. Demgemäß wird die Genauigkeit der Klopferkennung verbessert.
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt eine Entscheidung bezüglich dem Auftreten des Klopfens unter Verwendung einer Mehrzahl zur erkennender Frequenzen. Neben diesen Techniken können auch die Techniken zur Veränderung der zu erkennenden Frequenz, gemäß einer Veränderung des Betriebszustands des Motors, und die Veränderung des Kurbelwinkelbereichs, in dem die Integration gemäß der resultierenden zu erkennenden Frequenz ausgeführt wird, verwendet werden.
In bezug auf Figur 10 wird nun ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Die in der Figur 10 dargestellte Brennkraftmaschine wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erkennung eines Klopfens angewandt und entspricht dem Ausführungsbeispiel aus Figur 3, mit der Ausnahme, daß hier auch verschiedene Sensoren abgebildet sind, wie etwa ein Geschwindigkeitssensor 121, ein Wassertemperatursensor 106 und ein Drosselventilöffnungssensor 105. Die Signale der verschiedenen Sensoren werden analysiert, um eine geeignete Kraftstoffeinspritzmenge und eine passende Zündeinstellung für den Betrieb des Motors zu ermitteln. Folglich wird das Ergebnis der Analyse von der E/A-Einrichtung 23 ausgegeben, um die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 16 und die Zündspule 13 zu betreiben.
Der Wassertemperatursensor 106 mißt die Temperatur Tw des Kühlwassers für den Motor, und das Ergebnis wird dazu verwendet, die Motorsteuerung auszugleichen.
Die CPU 20 teilt den Ansaugluftstrom durch die Anzahl der Motorumdrehungen und addiert einen Berichtigungsfaktor, der etwa durch die Wassertemperatur bestimmt wird, zu dem Ergebnis, um die Einspritzmenge zu berechnen.
Der Grundwert der Zündeinstellung ist durch die Einspritzmenge und die Anzahl der Motorumdrehungen spezifiziert und er wird gemäß den Zuständen der Wassertemperatur und der Anzahl der Motorumdrehungen berichtigt.
Der Klopfsensor 17 ist an dem Zylinderblock des Motors angebracht, um die Vibration beim Auftreten eines Klopfens zu erkennen und um das Vibrationssignal in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das die Vibration darstellt.
Bei dem Klopfsensor kann es sich alternativ um einen Zylinderinnendrucksensor 117 handeln, der an der Verbrennungskammer zwischen der Zündkerze 15 und dem Motor angebracht ist, um eine Veränderung es Drucks in dem Zylinder festzustellen und um den Druck in ein Signal umzusetzen, das den Klopfzustand darstellt.
Die Motorsteuereinheit 9 weist einen Zeitgeber 102 auf, der dazu vorgesehen ist, die Gesamtbetriebszeit des Motors anzugeben. Ein Rad des Kraftfahrzeugs ist mit einem Geschwindigkeitssensor 121 versehen, so daß ein Ceschwindigkeitssignal VSP des Ceschwindigkeitssensors 121 in der Steuereinheit 9 von dem Zähler 103 gezählt werden kann, um die Gesamtstrecke zu ermitteln, welche das Kraftfahrzeug zurückgelegt hat.
Die Gesamtbetriebszeit und die Gesamtstrecke werden in einem nicht flüchtigen ROM-Speicher (nicht einzeln abgebildet) gehalten, und es ist eine eingebaute Reservebatterie 107 vorgesehen, so daß die Motorsteuereinheit 9 die Motor- und Fahrzeugdaten auch dann halten kann, wenn der Hauptbatterie (nicht abgebildet) die Stromzufuhr abgeschaltet wird.
Folgend wird die Klopferkennung in diesem Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wenn der Modus bezüglich dem Durchmesser eines Zylinders des Motors 7 n ist und der Modus bezüglich des Umfangs des Motorzylinders m ist, so weist weist die Vibration des Motors während der Verbrennung eine Frequenz pnm und eine entsprechende Eigenfrequenz fnm auf. Zum Beispiel ergaben sich bei einem in einem Versuch verwendeten Motor die in der Figur 11(a) dargestellten Werte bezüglich der Vibrationsfrequenz und der Eigenfrequenz.
Es wird nun davon ausgegangen, daß der an dem Zylinderblock des Motors angebrachte Klopfsensor 17 eine Frequenzcharakteristik aufweist, die alle obengenannten Frequenzen umfaßt, die für das Auftreten des Klopfens typisch und gleichmäßig empfindlich sind.
Eine Analyse eines Klopfsignals ergibt eine Verteilung gemäß der Darstellung in Figur 11(b).
Wenn folglich vorher bekannt ist, daß die Frequenzcharakteristik des Sensors nicht flach ist, so kann die Frequenzcharakteristik bzw. der Frequenzverlauf dadurch flach gestaltet werden, daß der Vorverstärker, der nachstehend beschrieben wird, mit einer Charakteristik versehen wird, die eine Umkehrung der bekannten Frequenzcharakteristik darstellt.
In bezug auf Figur 12 wird nun die Verarbeitung der Klopfsignale beschrieben.
Ein Klopfsignals wird durch einen Vorverstärker 120 verstärkt. Wie dies bereits oben angeführt worden ist, wird die Frequenzcharakteristik der Sensorausgabe durch einen Ausgleicher 121 umgekehrt verändert und durch einen Tiefpaßfilter 122 gefiltert sowie durch einen Regelverstärker 123 so verstärkt, daß sie sich in dem Spannungseingangsbereich eines Analog-Digital- Umsetzers 124 befindet. Die Höhe der Verstärkung durch den Regelverstärker 123 ist gemäß dem Pegel eines Eingangssignals oder der Anzahl der Motorumdrehungen als Folge auf Befehle von einer E/A-Vorrichtung 23 veränderbar. Die Höhe der Verstärkung ist jedoch während der Klopferkennungsdauer für die Klopfsignalfrequenzanalyse konstant.
Die Klopferkennungs-Abtastdauer 2n für die Klopfsignalfrequenzanalyse arbeitet bei einem vorbestimmten Winkel (Zeit) θoffen (Figur 13(c)) nach dem oberen Totpunkt, bei dem die Tendenz zum Auftreten eines Klopfzustands vorhanden ist. Dieser Winkel θoffen kann dadurch gefunden werden, daß die Anstiegsflanke des Bezugssignals REF (Figur 13(b)) als Null spezifiziert wird und daß das Positionssignal POS (Figur 13(a)) gemäß der Darstellung in Figur 13(c) gezählt wird.
Wenn das Zählergebnis mit dem Winkel θoffen zusammenfällt, so wird die CPU für eine Analog-Digital-Umsetzungs- Beendigungsunterbrechung freigegeben, Figur 13(d), wodurch die Verarbeitung durch den in der Figur 12 dargestellten Analog- Digital-Umsetzer 124 beginnt.
Diese Analog-Digital-Umsetzung wird gemäß der Darstellung in Figur 13(d) mit vorbestimmten Datenzyklen ausgeführt, die jeweils die Dauer τ aufweisen. Wenn die Analog-Digital-Umsetzung endet, erfolgt eine Unterbrechung an den Mikrocomputer, und während der Analog-Digital-Umsetzungs-Beendigungsunterbrechung werden konvertierte Signale sequentiell an den RAM-Speicher 13 übermittelt.
Hier wurde der Zyklus τ dieser Analog-Digital-Umsetzung vorher festgelegt, so daß dessen Umkehrwert eine Frequenz darstellen kann, die doppelt oder mehrmals so hoch wie die höchste zu analysierende Frequenz sein kann.
Der Tiefpaßfilter 122 sieht für die Frequenz fcut, die höher ist als 1/(2τ), eine ausreichende Dämpfung vor.
Wenn die Anzahl der Daten, die sich aus der Analog-Digital- Umsetzung ergibt, zum Zeitpunkt to, der in Figur 13(f) dargestellt ist, zum Beispiel 2n darstellt, so endet die Analog- Digital-Umsetzungs-Beendigungsunterbrechung. Zu diesem Zeitpunkt to wird ein Frequenzanalysemerker eingeschaltet und die Frequenzanalyse beginnt.
Die Frequenzanalyse wird dadurch ausgeführt, daß Abtastdaten (Block A) aus dem RAM 24 entnommen werden und daß eine schnelle Fouriertransformation 125 und eine Schmetterlingsberechnung ausgeführt werden (bezüglich dieses Verfahrens wird auf das Lehrbuch 'FFT Katsuyo Manyuaru,' von Kito, Nippon Noritsu Kyokai, vom 30. Oktober 1985, verwiesen), um die Daten B zu ermitteln, die insgesamt 2n ausmachen und die Amplitude der unterschiedlichen Abtastfrequenzen darstellen, und zwar jeweils von den Abtastdaten A, die insgesamt 2n ergeben.
Dann werden aus diesen 2n Frequenzen die Spektralabschnitte So bis Sk gemäß den Frequenzen fo bis fk, die insgesamt k (k > 1) ergeben, die durch Probieren vorbestimmt werden, in dem Block C als die Daten So bis Sk ermittelt. Bei den Daten C handelt es sich um Tongüteindizes gemäß dem Klopfen.
Die Spektralabschnitte So und Sk werden in dem Block 126 mit den Bewertungsfaktoren W&sub1; bis Wk multipliziert, so daß die Klopfsignalintensität I ermittelt wird.
In dem Vergleicher 127 wird die Signalintensität I mit einer Bezugsintensität Io verglichen, bei der es sich um eine Intenstität wt der Zeit handelt, daß kein Klopfen auftritt, und wenn der erste Wert höher ist als der zweite, so erfolgt die Entscheidung, daß ein Klopfen aufgetreten ist.
Wenn diese Entscheidung erfolgt, wird ein Klopfauftrittsmerker gesetzt, wie dies in Figur 13(g) dargestellt ist und die Zündeinstellung wird um einen vorbestimmten Winkel θref (Figur 13(h)) verzögert und dann wird die Taktung nach einem spezifizierten Intervall Tadv allmählich um +1º Schritte wiederhergestellt, wie dies in dem bekannten Verfahren zur Zündeinstellungsregelung der Fall ist.
Folgend wird in bezug auf die Figuren 14(a) bis 14(e) eine Mikrocomputerverarbeitung beschrieben, die für den obengenannten Vorgang erforderlich ist.
Als erstes wird der in der Figur 14(a) dargestellte Vorgang als Folge auf die Anstiegsflanke des Bezugssignals zur Identifizierung eines Zylinders ausgeführt, und der vorbestimmte Winkel θoffen wird vorgesehen.
Während dem obigen Vorgang, wenn der Winkel θoffen durch Zählen des Positionssignals gefunden wird, wird eine Winkelunterbrechung verursacht, um den in der Figur 14(b) dargestellten Vorgang zu starten. Während der Winkelunterbrechung wird die CPU für eine Analog-Digital-Umsetzungs-Beendigungsunterbrechung freigegeben und ein Abtastzähler wird nur auf Nuller initialisiert, wobei ein Abtastdatenspeicherzeiger auf die vordere Adresse in dem Speicherbereich gesetzt wird.
Diese Analog-Digital-Umsetzungs-Beendigungsunterbrechung startet den in der Figur 14(c) dargestellten Vorgang. Während diesem Vorgang wird das Ergebnis der Analog-Digital-Umsetzung in eine Adresse eingegeben, auf die der Abtastdatenspeicherzähler zeigt, so daß der Zähler und der Abtastdatenzähler (in den Schritten 1400) erhöht wird. Wenn der Abtastzähler 2n erreicht, so endet die Analog-Digital-Umsetzungs-Beendigungsunterbrechung und ein Frequenzanalysemerker wird eingeschaltet (in dem Schritt 1401).
Andererseits ist der in der Figur 14(d) dargestellte Vorgang mit einer Zeitgeberaufgabe versehen, die in einem vorbestimmten Zyklus aktiviert wird. Während diesem Vorgang wird ein Frequenzanalysemerker geprüft, und wenn der Frequenzanalysemerker eingeschaltet wird, wird eine schnelle Fouriertransformations- Unterroutine aktiviert (in Schritt 1402).
Nach Beendigung der schnellen Fouriertransformation wird in dem Schritt 1403 der Vorgang zur Ermittlung der Spektralabschnitte S&sub1; bis Sk gemäß den Frequenzen f&sub1; bis fk ausgeführt.
Jetzt verändern sich für das Auftreten des Klopfens typische Frequenzen geringfügig aufgrund der Anzahl der Motorumdrehungen und der Zündeinstellung, und die Frequenzen ändern sich auch durch andere Faktoren, wie etwa die Kolbenposition beim Auftreten des Klopfens, da es bei den gegebenen Werten der Spektralabschnitte S&sub1; bis Sk unmöglich ist, das Auftreten eines Klopfens genau zu bestimmen.
Wie dies in Figur 15 dargestellt ist, werden innerhalb des Bereichs, der Δf&sub1; bis Δfk entspricht, Spitzen der spektralen Abschnitte um die bestimmten Frequenzen f&sub1; bis fk ermittelt, und die Spitzen werden an Stelle einzelner Frequenzen der Frequenzen f&sub1; bis fk verwendet.
Hiermit wird festgestellt, daß alternativ der Durchschnitt der Abtastwerte in jedem Spektralabschnitt innerhalb des Bereichs gemäß Δf um die bestimmten Frequenzen verwendet werden kann.
Ferner wird hiermit festgestellt, daß die Spitzenfrequenz in einem Spektralabschnitt Δf als Mittenfrequenz für den nächsten Zündvorgang verwendet werden kann.
Die auf die oben beschriebene Art und Weise ermittelten Spektralabschnitte S&sub1; bis Sk werden mit den Bewertungskoeffizienten W&sub1; bis Wk multipliziert, welche abnehmen, wenn der Rauschabstand zunimmt, um die Klopfintensität I zu ermitteln (in Schritt 1404), und diese Intensität I wird in dem Schritt 1405 mit der Bezugsintensität Io verglichen.
Wenn die Klopfintensität größer ist als die Bezugsintensität, wird ein Klopfauftrittsmerker eingeschaltet (in Schritt 1406).
Die Figur 14(e) zeigt die Berechnung für die Zündeinstellung. Wenn ein Klopfauftrittsmerker gemäß obiger Beschreibung eingeschaltet wird, wird die Zündeinstellung um den Winkel θref verzögert und ein Zündeinstellungs-Speicherzeitgeber wird auf das Intervall Tadv gesetzt (in Schritt 1407).
Das Intervall Tadv wird von jedem Zeitpunkt abgezogen, wenn der Zyklus für die Zeitgeberaufgabe beendet ist. Wenn das Intervall Tadv Null erreicht, so wird der Winkel θref von Eins abgezogen. Wenn der Winkel θref als Ergebnis daraus nicht Null wird, so wird das Intervall Tadv erneut festgesetzt. Während diesem Vorgang wird die Zündeinstellung jedesmal verzögert, wenn ein Klopfen auftritt, was dazu führt, daß die Klopfregelung verwirklicht werden kann (Schritt 1408).
Jetzt unterliegen die Einzelfrequenzen f&sub1; bis fk zur Erkennung des Klopfens der Altersverschlechterung des Motors, wie dies in Figur 16 dargestellt ist.
In Anbetracht dieser Tatsache umfaßt dieses Ausführungsbeispiel, wie dies in bezug auf Figur 10 beschrieben ist, den Zeitgeber 102 und den Ceschwindigkeitssensor 121 zur Ermittlung der Gesamtbetriebszeit des Motors und der Gesamtstrecke, die das Fahrzeug zurückgelegt hat. Durch die eingebaute Batterie 107 werden die Gesamtbetriebszeit und die zurückgelegte Gesamtstrecke auch dann gespeichert gehalten, wenn die Stromzufuhr zu der Motorsteuereinheit 9 abgeschaltet wird.
Durch die Messung der Gesamtbetriebszeit und der Gesamtstrecke, werden die Einzelfrequenzen f&sub1; bis fk für die Erkennung des Klopfzustands so modifiziert, daß diese Altersverschlechterung ausgeglichen wird, welche die in der Figur 16 dargestellten Eigenschaften aufweist, wodurch die Erkennung des Klopfzustands mit höherer Genauigkeit bestimmt wird.
In diesem Ausführungsbeispiel wurde zwar wiederum die schnelle Fouriertransformation zur Frequenzanalyse verwendet, doch kann auch ein anderes Frequenzanalyseverfahren, wie etwa die an sich bekannte WHT-Transformation verwendet werden. Bei der WHT- Transformation können die Einzelfrequenzen f&sub1; bis fk ohne Verwendung der 2n Spektren ermittelt werden, wodurch die Berechnungszeit verkürzt werden kann.
Es kann aber auch eine andere Frequenzanalyse verwendet werden, wie etwa ein Verfahren zur Verwendung eines digitalen Bandpaßfilters für vorbestimmte Frequenzen f&sub1; bis fk und dadurch kann jeder Koeffizient in der Z-Transformation geringfügig verändert werden, so daß die Mittenfrequenz in der Bandpaßbreite geändert wird.
Aus obiger Erklärung wird deutlich, daß der Kurbelwinkelbereich, in dem ein Signal aufgenommen wird, in der vorliegenden Erfindung gemäß der zu erfassenden Frequenz verändert wird, so daß das Auftreten bzw. das Nicht-Auftreten eines Klopfens in einem Kurbelwinkelbereich bestimmt werden kann, in dem eine Vibrationskomponente der verwendeten Frequenz sehr kennzeichnend erscheint. Demgemäß ist das Fenster, in dem die Klopferkennung bewirkt wird, bezüglich der Position und der Länge einstellbar, so daß die Genauigkeit der Klopferkennung verbessert werden kann, und wobei die Anwendung dieser Techniken eine genauere Regelung der Zündeinstellung ermöglicht, und zwar abhängig von dem Auftreten eines Klopfens. Somit können die Motorausgangsleistung und der Kraftstoffverbrauch verbessert werden.
Die Mittenfrequenz beim Auftreten eines Klopfenss ändert sich ebenso mit der Temperatur des Kühlwassers, der Temperatur und der Feuchtigkeit der Ansaugluft und den Betriebsbedingungen. Somit ermöglicht eine Veränderung der Mittenfrequenz abhängig von diesen Bedingungen eine Klopferkennung mit höherer Genauigkeit.
Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, das Auftreten eines Klopfzustands immer mit hoher Genauigkeit zu bestimmen, und zwar durch Überprüfung kennzeichnender Klopffrequenzen im Zusammenklang mit den Betriebsbedingungen des Motors, so daß eine genaue Klopfregelung erreicht wird.
Ferner ermöglicht die Auswahl von mehr als einer Frequenz die Verwendung geeigneter Frequenzen zur Erkennung eines Klopfens selbst bei hoher Belastung sowie bei hoher Ceschwindigkeit des Motors. Ferner ist der proportionale Unterschied zwischen der Klopfintensität I und der Bezugsintensität Io zwischen dem Zustand des Auftretens eines Klopfens und dem Zustand ohne ein Klopfen ausreichend groß, was zu einer präzisen Entscheidung bezüglich dem Auftreten eines Klopfzustands führt.
Da die Klopfsteuerung ferner auch ausführbar ist, wenn der Motor unter hoher Belastung und mit hoher Geschwindigkeit betrieben wird, kann der Betriebspunkt des Motors näher an die für die MBT- Regelung erforderliche Zündeinstellung herangebracht werden, was zu einem Anstieg der Motorleistung und einem geringeren Kraftstoffverbrauch führt.

Claims

1. Verfahren zur Erkennung eines Klopfens in einer Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle (4) und einem Klopferkennungssensor (17), durch Erkennung der durch Klopfen verursachten Motorvibration durch den Klopferkennungssensor, und zwar zwischen einem ersten und einem zweiten Winkel der Kurbelwelle (4), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ersten und zweiten Winkel abhängig von einem zu erkennenden Frequenzvibrationsspektrum unabhängig verändert wird,

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von zwischen verschiedenen ersten und zweiten Kurbelwellenwinkeln auftretenden Frequenzspektren (βfl, ßfn) zur Bestimmung der Klopfintensität einzeln analysiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Mehrzahl von Frequenzspektren erfaßt wird, die jeweils unterschiedliche Mittenfrequenzen (fi, fk) aufweisen.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Kurbelwinkel veränderlich ist, und wobei der Unterschied zwischen den ersten und zweiten Winkeln fest vorbestimmt ist.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kurbelwinkelbereich zwischen den ersten und zweiten Kurbelwinkeln beschränkt ist, so daß der durch mechanisches Rauschen, wie etwa durch hin- und hergehende Motoreinlaß- und Auslaßventile, verursachte Vibrationseffekt verringert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Frequenzspektren zur Bestimmung eines Gesamtklopfsignalpegels (I) analysiert werden, und wobei die Zündeinstellung des Motors verzögert wird, wenn der Pegel einen vorbestimmten Pegel (Io) übersteigt.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Frequenzspektrum an einer Mehrzahl von Abtastpunkten (2n) in dem Spektrum erfaßt wird, wobei die Abtastwerte analylisiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei es sich bei der Analyse um eine schnelle Fouriertransformations- oder eine Walsh- Fouriertransformations-Analyse handelt, die an sich bekannt sind.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Winkel abhängig von der Motordrehzahl, der Motorwassertemperatur, der Ansauglufttemperatur, der Ansaugluftfeuchtigkeit oder der Motorkilometerzahl verändert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 3, wobei jedes der Frequenzspektren einen Vibrationsmodus (f&sub1;&sub0;, f&sub2;&sub0;) in einem entsprechenden Zylinder des Motors darstellt.

11. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Frequenz der maximalen Amplitude für jedes Frequenzspektrum durch Datenanalyse an zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Frequenz-Abtastwerten erfaßt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Frequenz der maximalen Amplitude mit einem Bewertungsfaktor (Wj) multipliziert wird, und wobei die bewerteten Frequenzen der maximalen Amplitude für jeden Modus summiert werden, so daß ein Tonindex (C) vorgesehen wird, wobei der Klopfzustand durch einen Vergleich des Tonindexes mit einem vorbestimmten Signal (Io) erkannt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die ersten und zweiten Kurbelwinkel in den nächsten Zyklus geschoben werden, wenn sich die Frequenz der maximalen Amplitude nicht zentral in dem Frequenzspektrum befindet, so daß die Frequenz der maximalen Amplitude zentralisiert wird.

14. Vorrichtung zur Erkennung des Klopfens in einer Brennkraftmaschine (7), mit einem Klopferkennungssensor (17) zur Erkennung des durch Motorvibration erzeugten Klopfens, und mit einer Verstelleinrichtung (20-34) zur Bewertung der Signale des Klopferkennungssensors zwischen einem ersten und einem zweiten Winkel der Kurbelwelle, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20) zur unabhängigen Veränderung mindestens eines der ersten und zweiten Winkel, und zwar abhängig von einem zu erkennenden Vibrationsspektrum.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, mit einer Einrichtung (Figur 14(d)) zur Bewertung des erkannten Vibrationsfrequenzspektrums und mit einer Einrichtung (1405) zum Vergleich einer Ausgabe der Bewertungseinrichtung mit einer Einrichtung, welche einen vorbestimmten Signalpegel (Io) erzeugt, und mit einer Einrichtung zur Veränderung der Zündeinstellung des Motorsignals, wenn die Ausgabe der Bewertungseinrichtung einen vorbestimmten Signalpegel überschreitet.