DE19755256A1 - Verfahren zur Erkennung von klopfender Verbrennung aus einem Ionenstromsignal bei Brennkraftmaschinen mit elektronischer Zündzeitpunktverstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von klopfender Ver­ brennung aus einem Ionenstromsignal bei Brennkraftmaschinen mit elektronischer Zündzeitpunktverstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die klopfende Verbrennung einer Brennkraftmaschine ist eine unkontrol­ lierte Explosion des noch nicht verbrannten Gemischs im Zylinder und kann bei starken Klopfschlägen zur Schädigung des Motors führen. Da jedoch gerade an der Klopfgrenze, also bei bereits leicht klopfender Verbrennung der Motor seine maximale Leistung freisetzt, ist es Ziel einer Motor­ steuerung, diesen möglichst nahe an der Klopfgrenze zu betreiben. Tritt Klopfen auf, wird der Zündzeitpunkt in Richtung späterer Zündung verschoben. Klopfende Verbrennung ist durch Schwingungen (5 bis 20 kHz) im Bereich nach dem Zylinderdruckmaximum charakterisiert und mittels des Ionenstroms ermittelbar. Das Ionenstromsignal weist jedoch bereits ein erstes Maximum sowie Schwankungen des Ionenstroms bei der sich ausbreitenden Flammfront auf. Dieses kann die Klopferkennung verfälschen, da diese Schwankungen auf Turbulenzen im Zylinder, nicht jedoch auf Klopfen zurückzuführen sind.

Verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Erkennung klopfender Verbrennung sind bspw. der DE 42 39 592 C2, der DE 21 782 C2, der DE 34 15 948 C2, der DE 30 27 103 sowie der GB 2 259 365 zu entnehmen.

Diese Verfahren nach dem Stand der Technik weisen den erheblichen Nachteil auf, daß die Zeitfenster mittels eines Kurbelwinkelpositions­ detektors zu einer festen Kurbelwinkelposition aktiviert werden und es bei einer kurbelwinkelpositionsbezogenen Steuerung des Zeitfensters und gleichzeitiger Verstellung des Zündzeitpunktes zu sehr starken Unter­ schieden des Ionenstromssignals kommen kann. So ist beabsichtigt, die Zündzeitpunkte in einem so großen Bereich zu verändern, daß ein an eine Kurbelwinkelposition gekoppeltes Zeitfenster zum Teil den für die Klopf­ erkennung relevanten Zeitbereich nur teilweise oder gar nicht erfaßt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erkennung von klopfender Verbrennung aus einem Ionenstromsignal bei Brennkraftmaschinen mit elektronischer Zündzeitpunktverstellung anzugeben, welches technisch einfach sowie störungssicher realisierbar ist und außerdem insbesondere auch für die Verstellung des Zündzeitpunktes geeignet ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter­ ansprüchen zu entnehmen. So wird durch die Nachführung des Zeitfensters nach dem Zündzeitpunkt eine kurbelpositionsunabhängige Erfassung des für eine klopfende Verbrennung signifikanten zeitlichen Bereich des Ionenstromsignals gewährleistet, die somit auch bei Verstellung des Zündzeitpunktes zuverlässig arbeitet. Eine vorteilhafte Weiterbildung davon ist, daß durch die Berücksichtigung des Betriebszustandes der Brennkraft­ maschine durch Veränderung des Anfangs und der Dauer des an den Zünd­ zeitpunkt gekoppelten Zeitfensters über Parameter eine noch genauere Erkennung der klopfenden Verbrennung bei den verschiedenen Betriebs­ zuständen möglich wird. Die zeitliche Bezugnahme auf den Anfangspunkt des Zündens als Zündzeitpunkt ist nicht begrenzend zu verstehen und kann aufgrund der konstanten oder zumindest bekannten Zünddauer auch auf das Ende des Zündens gelegt werden. Der Zeitabstand zwischen dem Zündende als Bezugszeitpunkt und dem Anfang des Zeitfensters ist dann um die Dauer des Zündfunkens entsprechend zu verkürzen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungs­ beispielen erläutert.

Kurze Beschreibung der Figuren

Fig. 1 Ionenstromsignal bei einer klopfenden Verbrennung,

Fig. 2 mittels eines Bandpasses auf den für das Klopfen signifikanten Frequenzbereich gefiltertes Ionenstromsignal gemäß Fig. 1,

Fig. 3 Lage des Zeitfensters (3a), Ergebnis des gleichgerichteten Ionenstromsignals innerhalb des Zeitfensters (3b) und Inte­ gration (3c) des Signals bei einem frühen Zündzeitpunkt und aufgrund starrer, an die Kurbelwinkelposition gekoppelter Zeitfensterung eine fehlerhafte Klopferkennung,

Fig. 4 Lage des Zeitfensters (4a), Ergebnis des gleichgerichteten Ionenstromsignals innerhalb des Zeitfensters (4b) und Inte­ gration (4c) des Signals bei einem an den Zündzeitpunkt gekoppelten Zeitfenster und folglich fehlerfreie Klopf­ erkennung,

Fig. 5 Lage des Zeitfensters (5a), Ergebnis des gleichgerichteten Ionenstromsignals innerhalb des Zeitfensters (5b) und Inte­ gration (5c) des Signals bei einem späten Zündzeitpunkt und aufgrund starrer, an die Kurbelwinkelposition gekoppelter Zeitfensterung eine fehlerhafte Klopferkennung,

Fig. 6 Ionenstromsignal bei einer klopffreien Verbrennung,

Fig. 7 bandpaßgefiltertes Ionenstromsignal gemäß Fig. 6,

Fig. 8 Lage des Zeitfensters (8a), Ergebnis des gleichgerichteten Ionenstromsignals innerhalb des Zeitfensters (8b) und Inte­ gration (8c) des Signals bei einem frühen Zündzeitpunkt und aufgrund starrer, an die Kurbelwinkelposition gekoppelter Zeitfensterung eine fehlerhafte Klopferkennung,

Fig. 9 Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Erkennung klopfender Verbrennung.

Fig. 1 zeigt zunächst den typischen verlauf des Ionenstromsignals i bei einer klopfenden Verbrennung. Deutlich sind die zwei zeitlich auseinander liegenden Amplitudenausschlagsbereiche zu erkennen. Während der erste Schwingungsbereich (Flammfrontsignalbereich 1) die Ionisation während der sich ausbreitenden Flammfront charakterisiert, tritt zeitlich verzögert ein zweiter Amplitudenausschlagsbereich (Klopfsignalbereich 2) mit einer für die klopfende Verbrennung charakteristischen Oberschwingung auf.

Während es bei einer normalen klopffreien Verbrennung zu einem nieder­ frequenten Amplitudenwechsel kommt, tritt beim Klopfen eine stoßweise, pulsierende Ionisation auf. Noch deutlicher ist dies zu erkennen, wenn man das bandpaßgefilterte Ionenstromsignal i_f in Fig. 2 betrachtet. Die niederfrequenten Anteile des Ionenstromsignals sind dabei ausgelöscht und der Flammfrontsignalbereich 1 ist leicht vom Klopfsignalbereich 2 zu unterscheiden. Die Amplituden im Flammfrontsignalbereich 1 sind jedoch auffällig höher als die Schwingungen im Klopfsignalbereich 2.

Betrachtet man nun in Fig. 3 die Auswirkungen eines starr an die Kurbel­ winkelposition gekoppelten Zeitfensters gemäß dem Stand der Technik, so wird deutlich, daß bei einem frühen Zündzeitpunkt das Zeitfenster 3 somit sehr spät einsetzt (Zeitfensteranfang ist jeweils als t₀ bezeichnet). Das Zeitfenster 3 kann somit den Klopfsignalbereich 2 nicht mehr vollständig erfassen. Das Zeitfenster 3 ist in seinem Anfang t₀ und seiner Dauer (bis t_E) dabei von anderen Zeitfenstern bspw. der Zündaussetzererkennung zu unterscheiden, da in für die Klopferkennung ein viel kleinerer Zeitbereich erfaßt wird. Das zeitgefensterte und gleichgerichtete Signal ist im Klopfsignalbereich 2 somit verkürzt (vgl. Fig. 3b), was bei der Integration (vgl. Fig. 3c) zu einem zu geringen Intralwert ∫ i dt führt, der die signifikante Klopfschwelle 4 nicht erreicht. Die Klopferkennung erkennt somit trotz auftretenden Klopfens eine klopffreie Verbrennung. Bei bestimmten, die Leistung optimierenden Steuerungsverfahren würde dann der Zündzeit­ punkt noch weiter nach vorne verschoben, um näher an die real bereits überschrittene, jedoch leistungsoptimale Klopfgrenze zu gelangen und damit die Brennkraftmaschine in einen noch stärker klopfenden Betriebs­ zustand gebracht. Eine derartige Steuerung würde also aufgrund der fehler­ haften Klopferkennung genau in die verkehrte Richtung steuern.

Im Vergleich dazu macht die Fig. 4 für ein dem Zündzeitpunkt nachgeführtes Zeitfenster deutlich, daß hier das Zeitfenster immer den Klopfsignalbereich 2 exakt erfaßt, dieser genau zwischen dem Anfang t₀ und dem Ende t_E inmitten des Zeitfensters 3. Das zeitgefensterte und gleich­ gerichtete Ionenstromsignal gemäß Fig. 4b kann somit unverfälscht inte­ griert werden und erreicht aufgrund der für die klopfende Verbrennung signifikanten Schwingungen im Klopfbereich 2 die Klopfschwelle 4 (vgl. Fig. 4C). Die Verbrennung wird korrekt als klopfend erkannt.

Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 5 wieder die Auswirkungen eines starr an die Kurbelwinkelposition gekoppelten Zeitfensters gemäß dem Stand der Technik bei klopfender Verbrennung, jedoch diesmal bei einem späten Zündzeitpunkt, so daß das Zeitfenster 3 somit sehr früh einsetzt (Zeit­ fensteranfang ist jeweils als t₀ bezeichnet). Am Anfang des Zeitfensters 3 wird dann noch teilweise der Flammfrontbereich 1 erfaßt (vgl. Fig. 5a). Das zeitgefensterte und gleichgerichtete Ionenstromsignal erhält somit, wie aus Fig. 5b deutlich zu entnehmen, neben dem Klopfsignalbereich 2 auch Anteile des Flammfrontbereichs 1, welcher zudem eine hohe Amplitude aufweist. Dies führt zu einem schnellen Anstieg des Integralwerts bereits auf Basis des aufintegrierten Flammfrontbereichs 1 (vgl. Fig. 5c), der in diesem Ausführungsbeispiel bereits ausreicht, um an bzw. über die Klopfschwelle zu kommen. Selbst wenn nachfolgend keine Klopfsignale mehr folgen würden, würde bereits Klopfen erkannt. Der Integralwert ∫ i dt steigt im Klopfsignalbereich 2 nochmals an.

Noch gravierender sind die Auswirkungen eines starr an die Kurbelwinkel­ position gekoppelten Zeitfensters bei zu frühem Zeitfenster und bei einem späten Zündzeitpunkt, wenn wir eine klopffreie Verbrennung betrachten. Fig. 6 zeigt zunächst das Ionenstromsignal i bei dem nun nach dem Flammfrontsignalbereich 1 keine Oberschwingungen mehr festzustellen sind, wie aus Fig. 7, dem bandpaßgefilterten Ionenstromsignal i_f noch besser zu erkennen ist. Wird dieses jetzt in Analogie zu Fig. 5 wieder mit einem starr an die Kurbelwinkelposition gekoppelten Zeitfenster gefiltert und tritt gleichzeitig ein sehr später Zündzeitpunkt auf, so setzt das Zeitfenster wieder sehr früh ein und erfaßt zumindest teilweise noch den Flammfrontsignalbereich 1, wie auch in Fig. 8b beim zeitgefensterten und gleichgerichteten Ionenstromsignal erkennbar. Dies führt zu einem schnellen Anstieg des Integralwerts ∫ i dt bereits auf Basis des auf­ integrierten Flammfrontbereichs 1 (vgl. Fig. 8c), der in diesem Ausführungs­ beispiel bereits ausreicht, um an bzw. über die Klopfschwelle zu kommen. Eine an sich klopffreie Verbrennung wird als klopfend erkannt. Bei bestimmten Steuerungsverfahren, bei denen das Klopfen vermieden werden soll, würde auf Basis dieser fehlerhaften Klopferkennung nun der Zündzeitpunkt nach hinten in den vermeintlich klopffreien Bereich ver­ schoben. Das starre Zeitfenster würde dann aber bezüglich des späteren Zündzeitpunktes noch früher beginnen und noch mehr des Flammfront­ bereichs 1 erfassen und somit genau in die verkehrte Richtung steuern.

Fig. 9 zeigt nun noch ergänzend ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Die Zündsteuerung 11 erhält Befehle 12 der Zündzeitpunktsteuerung und beeinflußt die Zündzeitpunkte entsprechend. Die Zündzeitpunkte werden dabei über eine Verbindung 13 an die Ionen­ stromerfassungseinheit 15 übertragen, welche darauf hin in dem vor­ bestimmten bzw. vorab ermittelten Abstand das Zeitfenster für die Inte­ gration des bandpaßgefilterten Ionenstromsignals i aktiviert. Die Dauer und/oder der Anfang t₀ des Zeitfensters 3 wird dabei aus wenigstens einem den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreibenden Parameter 14 (hier als Beispiel die Drehzahl n aufgeführt und weitere angedeutet) über eines oder mehrere Kennfelder aus dort abgespeicherten Daten ermittelt und entsprechend verändert. Der so während des Zeitfensters ermittelte Integralwert ∫ i dt wird an die Klopferkennung 16 weitergeleitet, die ihrerseits in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis mit einer Klopf­ schwelle 18 eines oder mehrere Klopfanzeigesignale 17 setzt. Die in den Ansprüchen 5 bis 8 beanspruchten bevorzugten Arbeitsbereiche sind neben dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel auch für eine Vielzahl von Brenn­ kraftmaschinen geeignet, können jedoch adaptiv jeweils noch nachgeprüft und entsprechend angepaßt werden. Die Umsetzung Zeitfensterung inner­ halb der Ionenstromerfassungseinheit 15 in Abhängigkeit von den Para­ metern 14 ist für den Fachmann ohne weiteres möglich.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erkennung von klopfender Verbrennung bei mittels eines Zündfunkens zu einem Zündzeitpunkt zu zündenden Gasgemischs bei Brennkraftmaschinen mit elektronischer Zündzeitpunktverstellung, bei dem ein Ionenstrom im Brennraum erfaßt, das Ionenstromsignal über ein Zeit­ fenster erfaßt und bandpaßgefiltert und das bandpaßgefilterte Signal zu einem Integralwert integriert wird, der Integralwert mit einem Schwellwert verglichen und bei einem Integralwert, der größer als der Schwellwert ist, eine klopfende Verbrennung erkannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitfenster in einem vorgegebenen zeitlichen Abstand dem Zündzeitpunkt nachgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene zeitliche Abstand zwischen Zündzeitpunkt und dem Anfang des Zeitfensters in Abhängigkeit von einem ersten, den aktuellen Betriebs­ zustand der Brennkraftmaschine beschreibenden Parameter verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Zeitfensters in Abhängigkeit von einem zweiten, den aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreibenden Parameter ver­ ändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und/oder der zweite den aktuellen Betriebszustand der Brenn­ kraftmaschine beschreibenden Parameter von einer Steuereinheit, der wenigstens ein Meßwert einer aktuellen Betriebszustandsgröße zugeführt wird, aus jeweils einem Kennfeld die Parameter ermittelt.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfang des Zeitfensters etwa zwischen 20 und 45 Grad Kurbelwinkel nach dem Zündzeitpunkt liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anfang des Zeitfensters bei niedriger Drehzahl zwischen 20 und 30 Grad Kurbelwinkel nach dem Zündzeitpunkt und bei hoher Drehzahl zwischen 30 und 40 Grad Kurbelwinkel nach dem Zündzeitpunkt liegt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Zeitfensters etwa zwischen 15 und 35 Grad Kurbelwinkel beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Zeitfensters bei niedriger Drehzahl zwischen 15 und 30 Grad Kurbelwinkel und bei hoher Drehzahl zwischen 20 und 35 Grad Kurbelwinkel beträgt.