PrüfSchaltung
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zum Prüfen des Funktionszustandes einer Sensoreinrichtung, insbesondere eines Klopfsensors zur Motoruberwachung.
Obwohl auf beliebige Sensoreinrichtungen anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problema- tik in bezug auf einen Klopfsensor erläutert, der zur Überwachung eines Motorzylinders im Kfz-Bereich einsetzbar ist.
Allgemein kann eine Sensoreinrichtung entweder funktionsfähig sein, oder sie kann ein fehlerhaftes Signal ausgeben, was ins- besondere durch einen Schluss gegen Masse oder durch eine Unterbrechung bedingt ist.
Besonders wichtig ist eine selbsttätige Statuserkennung für solche Sensoren, die nur in größeren Zeitabständen beobachtet und kontrolliert werden können oder die ihre Signale vollautomatisch arbeitenden Einrichtungen zuführen. In solchen Fällen ist es üblich, Betriebsparameter laufend zu kontrollieren und den Funktionszustand der Sensoreinrichtung zu prüfen.
Klopfsensoren dienen im allgemeinen der Erfassung von Maschinenschwingungen zur Produktions- und/oder Prozessüberwachung. Es werden Überwachungssignale von einem Korperschallsensor geliefert und an eine Rechnereinheit bzw. einen Mikrocontroller
weitergeleitet . Aus den Überwachungssignalen kann der entsprechende Prozess mittels Steuereinheiten eventuell optimiert werden. Im Kfz-Bereich wandeln die KlopfSensoren die Korper- schallschwmgungen m ein elektrisches Signal derart um, dass ein charakteristisches Klopfspektru des Motors sofort und eindeutig detektierbar ist. Der Mikrocontroller steuert entsprechend den empfangenen Daten die Einspritz- und Zundparame- ter, um für den nächsten Verbrennungsvorgang des entsprechenden Zylinders ein Klopfen zu vermeiden.
Für eine derartige optimierte Steuerung ist ein Funktionsnachweis des Klopfsensors unbedingt erforderlich. Somit muss er- fasst werden, ob der Klopfsensor aufgrund einer Unterbrechung, beispielsweise an einem Anschlusskabel, oder durch einen Kurz- schluss eines Kontaktes gegen Masse funktionsuntauglich ist.
Die der vorliegende Erfindung zugrundeliegende Problematik besteht also allgemein darin, den Funktionszustand eines Klopfsensors wahrend eines Betriebszustandes zu prüfen.
Momentan finden sich im Stand der Technik folgende Ansätze zur Losung dieses Problems.
Beispielsweise wird über einen Spannungsteiler das Vorhanden- sein des hochohmigen Ableitwiderstandes nachgewiesen. Im Falle eines Anschlusses dieses Strompfaαes kann mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Funktionsfahigkeit des Klopfsensors ausgegangen werden. Jedoch weist dieser Ansatz den Nachteil auf, dass das Verfahren bei den bisher üblichen iderstands- großen von ca. 5 MΩ sehr ungenau ist. Insbesondere bei feuchter Witterung und Betauung oder bei alteren, porösen und/oder verschmutzten Kabeln können sich Parallelstrompfade zum Klopf-
sensor bilden, welche im worst case die Ergebnisse des Prüfverfahrens verfalschen wurden.
Bei einem weiteren Ansatz wird die Signalbeschaffenheit des Klopfsensors auf Plausibilitat überprüft, d.h. falls das Sensorsignal nicht in vorgegebenen Grenzen für den gewählten Betriebspunkt liegt, wird auf "Sensordefekt" erkannt. Auch die Kombination mit logischer Verknüpfung mehrerer Methoden wird angewandt. Allerdings weist dieser Ansatz den Nachteil auf, dass eine geringe Empfmdlichkeitsstreuung des verwendeten Klopfsensors und eine geringe Streuung des Motorklopfgerau- sches notwendig ist. Die Empfindlichkeit des entsprechenden Klopfsensors darf sich wahrend der Lebensdauer des Systems "Klopfsensor/Motor" nicht ändern. Anderenfalls muss auf das Sensorsignal verzichtet und eine Sicherheits-NotlaufSteuerung durchgef hrt werden.
Somit ist lediglich eine enge Empfindlichkeitstoleranz für den Klopfsensor erforderlich, um eine sichere Prüfung des selben durchfuhren zu können. Da die Anforderungen immer strenger werden, fallen mehr Teile als Ausschuss an, die zwar für die Klopferkennung uneingeschränkt tauglich waren, aber die Prüfung derselben wäre unsicher, da die Empfindlichkeit außerhalb der vorgegebenen Toleranz liegt. Dadurch werden die anfallen- den Herstellungskosten der tauglichen Klopfsensoren deutlich erhöht .
VORTEILE DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemaße PrüfSchaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das entsprechende Verfahren gemäß Anspruch 16 weisen gegenüber den bekannten Losungsansatzεn den Vorteil auf, dass sowohl eine Unterbrechung als auch ein Schluss gegen
Masse schnell und sicher erfassbar ist. Ferner kann auf eng tolerierte, teure Klopfsensoren verzicntet werden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, dass die PrüfSchaltung mindestens eine Schaltemrich- tung zum Aktivieren des Prüfschaltekreises; eine Wechselspannungsquelle zum Liefern einer Wechselspannung an die zu prüfende Sensoreinrichtung; eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines der Kapazität der Sensoreinrichtung zugeordneten Prufsignals; und eine Auswerteeinrichtung zum auswerten des der Kapazität zugeordneten Prufsignals für eine Bestimmung des Funktionszustandes der Sensoreinrichtung aufweist.
Dadurch kann, wie bereits erwähnt, auf eng tolerierte, relativ teure Klopfsensoren verzichtet und ein System geschaffen werden, das kostengünstiger ist und ohne Einschränkungen sicher über die Fahrzeuglebensdauer funktionstüchtig die entsprechende Sensoreinrichtung prüfen kann.
In den Unteranspruchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der m Anspruch 1 angegebenen Pruf- schaltung und des in Anspruch 16 angegebenen entsprechenden Verfahrens .
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die Erfassungseinrichtung einen m Reihe mit der Sensoreinrichtung geschalteten Vorwiderstand, insbesondere einen Ohmschεn Widerstand oder einen Kondensator, für eine Spannungsteilung auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Erfassungseinrichtung eine Demodulatoremrichtung für eine Gleichrichtung, Filterung und/oder Glattung der abgegriffenen Spannung der Sensoreinrichtung als Prüfsignal auf.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Auswerteeinrichtung einen Analog/Digital-Wandler auf, der mit der Demodulatoreinrichtung verbunden ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Auswerteeinrichtung eine Rechnereinheit auf, die über den Analog/Digital-Wandler die auszuwertenden Gleichspannungswerte empfangt .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Wechselspannungsquelle als Oszillator gebildet, der vorzugsweise eine sinusförmige Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 1 bis 100 kHz, insbesondere 20 kHz, erzeugt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Prüfschaltung eine Bandfiltereinrichtung zum Trennen der Signalpfade für das Prüfsignal und das Klopfdetektiersignal auf. Dadurch kann die Sensoreinrichtung auch dann geprüft werden, wenn sie gerade die entsprechenden Motorzylindersignale detek- tiert .
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Erfassungseinrichtung als Oszillator gebildet, in den die Kapazität der Sensoreinrichtung frequenzbestimmend eingebunden ist. Die restlichen Bauteile des Oszillators können im jeweiligen Steuergerät integriert sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Aus- Werteeinrichtung einen Frequenzzähler auf, der mit dem Oszillator verbunden ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Aus- werteemrichtung eine Rechnereinheit auf, die über den Frequenzzahler auszuwertenden Frequenzwerte empfangt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die mindestens e ne Schalteinrichtung aus mehreren rechnergesteuerten e- le tronischen Schaltern gebildet. Somit können αiese elektro- niscn geöffnet bzw. geschlossen und entsprechende Schaltpfade aktiviert bzw. deaktiviert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Pruf- schaltung mindestens eine Umpolschalteinrichtung für eine Ver- polung der beiden Anschlüsse der Sensore3 nnchtung auf. Die minαestens eine Umpolschalteinrichtung kann vorzugsweise aus zwei rechnergesteuerten elektronischen Schaltern gebildet sein. Dadurch kann entweder der eine oder der andere Pol des Klopfsensors mit der Masseseite verbunden sein, wodurch ein Kurzschluss jedes Kontaktes nur durch die PrüfSchaltung feststellbar ist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist der Pruf- schaltkreis mittels der mindestens einen Schalteinrichtung im leerlaufnahεn Bereich oder zwischen den Zeitfenstern der Klopferkennung bzw. Klopfdetektierung aktivierbar. Vorzugsweise werden die Zeitfenster zur Prüfung des Klopfsensors ausgenutzt, m denen die jeweilige Sensoreinrichtung nicht aktiv ein Klopfen des jeweiligen Motorzylinders überprüft.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Fre- quenz der Wechselspannungsquelle großer als der Auswertebereich des KlopfSpektrums . Somit kann die Prüfung des KlopfSensors gleichzeitig mit der Klopferkennung durchgeführt werden.
ZEICHNUNGEN
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung naher erlau- tert.
Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 einen PrüfSchaltkreis eines Klopfsensors gemäß einem ersten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Schaltung zur Prüfung des Klopfsensors und zur Klopferkennung gemäß dem ersten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ein PrüfSchaltkreis eines Klopfsensors gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Schaltung zum Prüfen des Klopfsensors und zur
Klopferkennung gemäß dem zweiten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Schaltung zum Prüfen des Klopfsensors und zur Klopferkennung gemäß einem dritten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. β eine schematische Darstellung der Spannungsverläufe am Demodulatoreingang beim Auftreten verschiedener
Defekte.
BESCHREIBUNG DER AUSFUHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Fig. 1 illustriert einen PrüfSchaltkreis einer PrüfSchaltung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Sensoreinrichtung 2, vorzugsweise ein Klopfsensor 2, be- sitzt eine den Klopfsensor 2 repräsentative Kapazität 20. Beim Detektieren bzw. Erkennen beispielsweise von Motorschwingungen können insbesondere, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, folgende drei Fehler A, B und C auftreten:
A) einen Kurzschluss des oberen Kontaktes 10 nach Masse. Da- bei ergibt sich dasselbe Fehlerbild wie bei einem externen
Kurzschluss eines Kabels;
B) einen Kurzschluss des unteren Kontaktes 11 nach Masse; und
C) eine Unterbrechung, beispielsweise eines Kabels.
Vorzugsweise ist eine Wechselspannungsquelle 3 in Form eines
Oszillator 3 und ein Vorwiderstand 40 in Reihe mit der Sensoreinrichtung 2 geschaltet. Der Oszillator 3 liefert vorzugsweise eine sinusförmige Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 1 bis 100 kHz, insbesondere 20 kHz, wobei, wie in Fig. 1 ersichtlich, beispielsweise der Anschluss 10 der Sensoreinrichtung 2 mit dem Oszillator 3 verbunden ist. Der andere Anschluss 11 der Sensoreinrichtung 2 liegt an Masse. Der Vorwiderstand 40 ist beispielsweise als Ohmscher Widerstand o- der Kondensator ausgebildet.
Am Klopfsensor 2 fällt somit die vom Oszillator 3 gelieferte Wechselspannung ab, wobei durch die oben beschriebene Span- nungsteilungsanordnung des Vorwiderstandes 40 und der Kapazi-
tat 20 des Klopfsensors 2 letztere gemessen ozw. über den entsprechenden Spannungsabfall nachgewiesen werden kann.
Ferner weist der Prüfschalt kreis eine Erfassungseinrichtung 4 auf, die vorzugsweise den Vorwiderstand 40 und eine Demodula- toremrichtung 41 oemhaltet. Die Demodulatoremrichtung 41 ist derart mit dem Klopfsensor 2 verbunden, dass das entsprechend empfangene Spannungssignal vorzugsweise mittels eines Gleichrichters 42 gleichgerichtet, gegebenenfalls gefiltert und mittels eines ^onαensators 43 _nd eines Widerstandes 44 geglättet wird.
Zudem ist eine Ausjerteemrichtung 5 mit der Demodulatoremrichtung 41 verbunden, wobei die Auswerteeinrichtung 5 gemäß dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel beispielsweise einen Ana- log/Digital-Wandler 50 und eine Rechnereinheit 51, beispielsweise einen Mikrocontroller 51 aufweist. Anstatt des Ana- log/Digital-Wandlers 50 kann auch ein Komperator verwendet werden.
Somit kann die vom Demodulator 41 ausgegebene Gleichspannung über den Analog/Digital-Wandler 50 in die Rechnereinheit 51 eingelesen und ausgewertet werden. Wie eingangs bereits erwähnt, erfolgt beispielsweise aufgrund dieser ausgewerteten Daten eine Steuerung der Einspritz- und Zundparameter für die nächste Verbrennung des detektierten Zylinders derart, dass ein Klopfen vermieden wird.
Somit kann aus der Hone der in die Rechnereinheit 51 emgele- senen Gleichspannung geschlossen werden, ob der Klopfsensor 2 normal funktionstüchtig angeschlossen oder ob dieser funkti- onsuntuchtig aufgrund beispielsweise einer Kabelunterbrechung oder eines Kurzschlusses ist.
In Fig. 6 sind typische Spannungsverläufe am Eingang des Ana- log/Digital-Wandlers der Auswerteeinrichtung 5 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Fig. 6a zeigt den Span- nungsverlauf im Falle eines Fehlers nach Variante A, d.h. bei einem Kurzschluss des oberen Kontaktes 10 nach Masse. Im Normalfall stellt sich eine stabile Gleichspannung mit einem ü- berlagerten Wechselspannungsanteil wie zu Beginn der dargestellten Kurve ein. Im durch den Pfeil in Fig. 6a gekennzeich- neten Zeitpunkt tritt ein Kurzschluss des Anschlusses 10 der Sensoreinrichtung 2 auf, wobei das Potenzial nach Masse abfällt.
Fig. 6b zeigt einen Spannungsverlauf gemäß der Fehlervariante C, bei der eine Unterbrechung, beispielsweise eine Kabelunterbrechung, auftritt. Hierbei wird im durch den Pfeil in Fig. 6b dargestellten Fehlerzeitpunkt die Wechselspannung nicht herabgeteilt, sondern sie fällt vollständig am Vorwiderstand 40 ab, wodurch der Gleichspannungsanteil am Demodulator 41 ein Maxi- mum anstrebt.
Aus diesen Spannungsverläufen ist somit eine fehlerhafte Funktion des Klopfsensors 2 erkennbar und die Fehlerart spezifizierbar .
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer PrüfSchaltung 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei der Prüfschaltkreis gemäß Fig. 1 und der Detektier- bzw. Klopferkennungs- schaltkreis mit einer Klopfauswerteschaltung 13 zusammen in eine gemeinsame Schaltung 1 integriert sind.
Der Klopfsensor 2 ist vorzugsweise über zwei Schalteinrichtungen 8, beispielsweise zwei rechnergesteuerte elektronische
Schalter 8, mit der entsprechenden Klopfauswerteschaltung 13 verbunden. Zudem ist der Anschluss 10 des Klopfsensors 2 sowohl mit dem die sinusförmige Wechselspannung liefernden Pfad als auch mit der De odulatoreinrichtung 42 über jeweils eine Schalteinrichtung 7, vorzugsweise rechnergesteuerte elektronische Schalter 7, verbunden. Der Anschluss 11 des Klopfsensors 2 ist ebenfalls vorzugsweise über einen rechnergesteuerten e- lektronischen Schalter 7 an Masse angeschlossen.
Somit kann über die Schalteinrichtungen 7 und 8 die Fiufzeit der Sensorεinrichtung 2 gesteuert und der Sensor 2 vom normalen Klopferkennungspfad zum Prüfpfad und umgekehrt umgeschaltet werden.
Dabei erfolgt die Prüfung des Klopfsensors 2 vorzugsweise in den Zeitbereichen, in denen keine Klopfauswertung erfolgt, d.h. im leerlaufnahen Zeitbereich oder zwischen den Zeitfenstern für die jeweilige Klopferkennung. Allerdings kann die Prüfung auch gleichzeitig mit der Klopferkennung durchgeführt werden, falls die Signalpfade für das Klopferkennungs- bzw. - detektiersignal und das Prüfsignal beispielsweise durch Bandfilter voneinander getrennt werden.
In Fig. 2 kennzeichnen die Schalter 7 beispielhaft einen ge- öffneten und die Schalter 8 einen geschlossenen Zustand. Somit ist in Fig. 2 der Klopfsensor-PrüfSchaltkreis deaktiviert und der Klopfdetektierschaltkreis aktiviert. Ein solcher Schaltzustand der entsprechenden Schalter 7 und 8 wird vorzugsweise nach der Zündung des entsprechenden Zylinders in einem kurzen Zeitpunkt hergestellt. Zur KlopfSensorfehlerdiagnose sind die Schalter 7 und 8 umgekehrt geschaltet.
Fig. 3 illustriert einen PrüfSchaltkreis einer PrüfSchaltung 1 gemäß einem zweiten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In diesem Ausfuhrungsbeispiel ist der Klopfsensor 2 vorzugsweise in Serie mit einem Oszillator 3 verbunden, wobei die zu prüfende Sensorkapazitat 20 direkt in den Oszillator mit eingebunden ist. Die restlichen Bauteile des Oszillators 3 befinden sich vorzugsweise in der Erfassungseinrichtung 4. M t dem Oszillator 3 ist vorzugsweise eine Auswerteeinrichtung 5 verbunden, die gemäß dem vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel aus einem Frequenzzahler 52 und einer mit diesem verbundenen Rech- nereinheit 51 besteht.
Da die Sensorkapazitat 20 in diesem Ausfι_hrungsbeιspιel direkt frequenzbestimmend an der Entstehung einer Os∑illatorspannung beteiligt ist, ergibt sich die richtige Frequenz lediglich dann, falls die richtige Gesamt- bzw. Sensorkapazitat anliegt. Der Oszillator 3 erzeugt beispielsweise eine Rechteck- Ausgangsspannung, die an den Frequenzzahler 52 und schließlich an die Rechnereinheit 51 der Auswerteeinrichtung 5 weiterge- leitet wird. Bei einem Abfall bzw. einer Unterbrechung (Feh- lervariante C) des Klopfsensors 2 liegen lediglich die Kabel- kapazitat und die Storschutzkapazitat vor, wodurch eine viel höhere resultierende Frequenz als im Normalzustand mittels des Frequenzzanlers 52 bzw. der Rechnereinheit 51 erfasst wird.
Im Gegensatz dazu kommt bei einem Kurzschluss (Fehlervariante A) der Sensoreinrichtung 2 keinerlei Schwingung zustande und demnach kann auch der Frequenzzahler 52 keine Frequenz detek- tieren .
Fig. 4 zeigt eine PrüfSchaltung 1, bei der der PrüfSchaltkreis gemäß Fig. 1 in einen Klopferkennungs- bzw. -detektier- schaltkreis integriert ist.
Analog zum ersten Ausfuhrungsbeispiel ist wiederum eine
Klop auswerteschaltung 13 über vorzugsweise zwei rechnergesteuerte elektronische Schalter 8 mit der Sensoreinrichtung 2 verbunden. Der Anschluss 10 des Klopfsensors 2 ist ebenfalls vorzugsweise über einen rechnergesteuerten elektronischen Schalter 7 mit der Auswerteeinrichtung 4 und der Anschluss 11 der Sensoreinrichtung über einen rechnergesteuerten elektronischen Schalter 7 mit Masse verbunden. Somit kann analog zum ersten Ausfuhrungsbeispiel der Pfad vom Klopfsensor 2 zum PrüfSchaltkreis und/oder zum Klopferkennungsschaltkreis durch die Schalter 7 und 8 wechselweise freigegeben werden.
Vorzugsweise erfolgt die Prüfung des Klopfsensors 2 wiederum im leerlaufnahen Bereich oder zwischen den Zeitfenstern der Klopferkennung. Analog zum ersten Ausfuhrungsbeispiel kann al- lerdmgs auch eine gleichzeitige Aktivierung der beiden Pfade erfolgen .
Mit den bisher beschriebenen Schaltungen gemäß dem ersten und zweiten Ausfuhrungsbeispiel sind lediglich die Fehlervarianten A und C detektierbar . Die Fehlervariante B, d.h. ein Masse- kurzschluss des unteren Kontaktes 11 der Sensoreinrichtung 2, kann mit den vorher beschriebenen Ausfuhrungsbeispielen nicht erfasst werden, wenn die Fahrzeugmasse 14 mit der Steuergeratemasse 15 m Kontakt steht, da sich keinerlei Fehlerbild er- gibt.
Daher weist die PrüfSchaltung 1 gemäß einem dritten Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorzugsweise zwei Um-
polschaltemrichtungen 9, vorzugsweise rechnergesteuerte e- lektronische Schalter 9, derart auf, dass ein verpolter Anschluss der Sensoreinrichtung 2 oei entsprechend geschalteten Schalteinrichtungen 7 bzw. 9 möglich ist. Die Schalter 7 bzw. 9 können vorzugsweise rechnergesteuert derart umgeschaltet werden, dass einmal die obere Anschlussstelle 10 und zum anderen Mal die untere Anschlussstelle 11 geprüft, d.h. nicht mit der Masseseite verbunden wird.
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausfuh- rungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschrankt, sondern auf vielfaltige Weise modifizierbar.
Insbesondere kann die Prüfung des Klopfsensors auch dann gleichzeitig mit der Klopferkennung ausgeführt werden, falls die Oszillatorfrequenz hoher gelegt wird als der Auswertebereich des aufgenommenen Gerauschspektrums.
BEZUGSZEICHENLISTE