DE2917412A1

DE2917412A1 - Vorrichtung zur klopfsteuerung

Info

Publication number: DE2917412A1
Application number: DE19792917412
Authority: DE
Inventors: Hideo Arakawa; Toshimitsu Ito; Takayuki Kato; Masakatsu Sanada; Kazumasa Sumi
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1978-04-28
Filing date: 1979-04-28
Publication date: 1979-11-08
Also published as: JPS54142425A; US4271799A; JPS5813749B2

Description

BLUMBACH · WESER · B]ER(3EM · KRÄMER

ZWIRNER. BREHM - - ■

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN 2917412

Patenlconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Patentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

KABUSHIKI KAISHA TOYOTA CHÜO KENKYUSHO

2-12, Hisakata, Tempaku-ku, Nagoya-shi, Aichi-ken

TOYOTA JIDOSHA KOGYO KABUSHIKI KAISHA 1, Toyota-cho, Toyota-shi, Aichi-ken

Vorrichtung zur Klopfsteuerung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Klopfsteuerung in Brennkraftmaschinen.

Das sogenannte "Klopfen"/ bei dem anomale hammerartige Töne beim Lauf eines Fahrzeugmotors erzeugt werden, ist bekannt. Dieses Klopfen tritt häufig auf, wenn die Last über einem bestimmten Wert liegt und der Zündzeitpunkt übermäßig vorgestellt ist. Dieses Klopfen ist unerwünscht, da es ein störendes Geräusch verursacht und da starkes Klopfen starke Gasvibrationen im Zylinder und anomal hohe lokale Temperaturen im Zylinder hervorruft, was die Maschine beschädigen kann.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W.Weser Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. · H.P.Brehm Dipl.-Chem. Dr. phil. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jur. · G. Zwirner Dipl.-Ing. Dipl.-W.-Ing.

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Fig. 1 zeigt die Änderungen des Zylinderinnnendrucks bezogen auf den Kurbelwellenwinkel der Maschine. Wie aus dieser Figur hervorgeht, werden die Druckvibrationen vom Klopfen hervorgerufen, wenn der Kurbelwellenwinkel im Bereich von 10° bis 30° nach dem oberen Totpunkt liegt. Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung der auf dem Klopfen gemäß Fig. 1 beruhenden Druckvibrationen. Diese auf dem Klopfen beruhende Vibrationskomponente stellt ein gedämpftes Schwingungssignal dar, dessen Frequenzen mehrere Kilohertz betragen.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, überlagert sich während des Klopfens die Klopfvibration dem normalen Zylinderinnendruck, so daß Gasvibrationen und stehende Wellen im Zylinder erzeugt werden, deren Folge die störenden Klopfgeräusche und im schlimmsten Fall lokal hohe Temperaturen im Zylinder sind, die zur Beschädigung der Maschine führen. Die Klopferscheinung selbst beeinträchtigt die Maschine an sich nicht. Selbst wenn das Klopfen auf einem vorgestellten Zündzeitpunkt beruht, kann der Brennstoffverbrauch des Fahrzeugs durch Steigerung des Verbrennungswirkungsgrads des Motors verbessert werden. Angesichts des verbesserten Brennstoffverbrauchs erscheint das Inkaufnehmen eines angemessenen Klopfens zur Schaffung höchst wirksamer Laufbedingungen für den Motor zulässig.

Zur Erzielung des bestgeeigneten Motorbetriebswirkungsgrads und zur Beibehaltung des Klopfgeräuschpegels unter einem bestimmten Wert ist es notwendig, die Klopfstärke abhängig von verschiedenen Bedingungen zu steuern.

Die Schaffung einer Vorrichtung, die es ermöglicht, die Klopfstärke frei zu steuern, unterlag daher einer starken

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Nachfrage der Hersteller zur Erzielung von Daten betreffend die Ausführung von Antiklopfmotoren durch exakte Untersuchung der Klopferscheinung und Annäherung an die beste Oktanzahl des Brennstoffs.

Bislang wurde das Klopfen mittels des Gehörs des Fahrers oder Mechanikers erfaßt, wobei eine geringe Genauigkeit und Schwankungen in Kauf genommen werden müssen. Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, müßte der Zylinderinnendruck zur Erfassung der Klopfstärke verwendet werden. Nichtsdestotrotz wurde das Gehör zur Erfassung der Klopfstärke eingesetzt.

Es sei angemerkt, daß bei dieser Methode das Geräusch festgestellt wird, das eine Folge der Druckänderungen im Zylinder ist. Dieses Geräusch erreicht das Ohr durch den Zylinderblock, den Zylinderkopf oder ähnliches. FoIglieh ist das Geräusch gedämpft oder in seiner Qualität geändert, so daß es sich von der tatsächlichen Druckänderung im Zylinder erheblich unterscheidet. Daher kann die herkömmliche Methode der KlopfStärkemessung nicht zu einer genauen KlopfStärkeerfassung führen. Es War daher auch unmöglich, mit hoher Genauigkeit eine Zündsteuerung so durchzuführen, daß die Klopfstärke in einem gewünschten zulässigen Bereich gehalten werden kann, der vom Wirkungsgrad des Motors und vom Geräusch bestimmt wird.

Bei den Herstellern wird zur Abschätzung der Fahrzeug- oder Brennstoff-Antiklopfeigenschaft der Fahrzeug-Vollbeschleunigungstest ausgeführt. Allgemein werden Daten für die Maschinenauslegung gewonnen durch Messen der Fahrzeuglaufoktanzahlert oder der Brennstoffoktanzahlen entsprechend einer korrektiven Grenzlinienmethode.

Der Test wird durchgeführt unter Einsatz des Gehörs einer Person und durch manuelle Zündzeitpunktsteuerung.

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Die gewonnenen experimentellen Daten sind nicht reproduzierbar. Zur Beseitigung dieses Nachteils oder zur Beibehaltung der Klopfstärke präzise im gewünschten zulässigen Bereich war der Wunsch nach Schaffung einer Vorrichtung groß, die die freie Steuerung der Klopfstärke mit hoher Genauigkeit zuläßt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung zur Klopfsteuerung zu schaffen, die die Klopfstärke mit hoher Genauigkeit ohne Einsatz eines Sinnesorgans erfaßt und eine den Eigenschaften einer Maschine angemessene KlopfStärkesteuerung durchführt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Änderung des ZyIinderinnendrucks infolge von Klopfen als Druckänderung selbst oder als eine auf der Druckänderung beruhende Änderüngsgröße erfaßt. Ein der Klopfenergie entsprechender Detektorwert wird durch Ermittlung des Mittelwerts des erfaßten elektrischen Signals mit hoher Genauigkeit ausgegeben. Mittels dieses Ausgangssignals kann der Zündzeitpunkt der Maschine auf beste Weise gesteuert werden.

Das Klopfen wird dabei in gewissem Ausmaß akzeptiert, so daß der Verbrennungswirkungsgrad und der Brennstoffverbrauch erheblich verbessert werden können. Die Klopfstärke kann unter einem vorgegebenen Bezugswert gehalten werden und sogar abhängig von einem veränderlichen Bezugswert entsprechend dem menschlichen Empfinden unter Berücksichtigung der Motordrehzahl oder verschiedenen anderen Faktoren unterdrückt werden. Als Folge davon ist es

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möglich, Entwurfsdaten für eine Antiklopfmaschine und Informationen über Fahrzeuglaufoktanzahlen und Brennstoffoktanzahlen zu erhalten.

Das KlopfStärkesignal wird erfindungsgemäß als ein der Klopfenergie entsprechendes Signal ermittelt, weshalb das Ausgangssignal des Klopfdetektors gemittelt wird. Dabei braucht die Mittelwertbildung nicht nur durch Bildung einfacher Mittelwerte ausgeführt zu werden. Vielmehr kann auch der positive oder negative kontinuierliche Zeitmittelwert der Hüllkurve der Klopfänderungen, die in gedämpfter Weise schwingen, gebildet werden, Daten also, die der Klopfenergie der Maschine entsprechen. Schließlich kann der Mittelwert auch durch Addieren und Aufsummieren der Amplitudenwerte der Änderungsdaten in bestimmten Zeitintervallen, der maximalen Amplitudenwerte dieser Änderungsdaten oder des kontinuierlichen Zeitmittelwerts der Hüllkurve der Klopfänderungen gewonnen werden.

Insbesondere beim praktischen Einsatz der Vorrichtung in einem Fahrzeug können ihr verschiedene Eigenschaften entsprechend dem Empfinden einer Person gegeben werden. Als Folge der Berücksichtigung solcher Eigenschaften kann die Zündzeitpunktsteuerung ohne Verursachung störenden Geräuschs höchst effektiv durchgeführt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt die automatische Steuerung der Klopfstärke auf einen bestimmten Wert, bzw. erlaubt es, die Klopfstärke unterhalb eines bestimmten Bezugswerts zu halten. Dieser Bezugswert kann entsprechend dem Empfinden einer Person durch Berücksichtigung der Drehzahl oder anderer Faktoren veränderlich sein. Mit der Er-

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findung wird eine Vorrichtung zur Klopfsteuerung geschaffen, die einen einfachen Aufbau besitzt und leicht in einem Fahrzeug installiert werden kann. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das ermittelte Klopfsignal zur Steuerung in logarithmische Daten umgesetzt wird. Auch der Bezugswert kann als logarithmische Funktion der Maschinendrehzahl geändert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 3 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 4 eine Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Fig. 5 ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In den Schaltbildern ist mit 1oo eine Zündschaltung, mit 2oo eine Zündsteuerschaltung, mit 3oo eine Kurbelwellenwinkel-Detektorschaltung (im folgenden: Winkeldetektor), mit 4oo eine Klopf-Detektorschaltung (im folgenden: Klopfdetektor), mit 5oo eine Mittelwertschaltung, mit 6oo eine Vergleichsschaltung und mit 7oo eine Klopfstärkesignal-Urnsetzerschaltung (im folgenden: umsetzer) bezeichnet.

Bei der ersten Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 3 wird die Klopfstärke in Form eines elektrischen Signals erfaßt, das dem Druck in einem Zylinder entspricht. Durch Umwandeln dieses Klopfstärkesignals in

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ein Hüllkurvensignal, das die Hüllkurve der Schwingungsamplituden des KlopfStärkesignals darstellt, wird der Mittelwert eines Klopfsignals gebildet. Der Mittelwert wird mit einem Bezugswert verglichen und der Zündsteuerschaltung geliefert. Mit dieser Ausführungsform ist es möglich, die Stärke des Klopfens der im folgenden vereinfacht als Motor bezeichneten Maschine so zu steuern, daß sie zu allen Zeiten unter einem vorgegebenen Wert liegt.

Gemäß Fig. 3 wird der Zündzeitpunkt einer Zündschaltung 1oo, die ein Zündsignal an eine Zündkerze liefert/ von einer Zündsteuerschaltung 2oo gesteuert. Ein Kurbelwellenwinkel-Signal vom Winkeldetektor 3oo und ein Klopfsignal vom Klopfdetektor 4oo werden an die Zündsteuerschaltung 2oo angelegt. Mit Hilfe dieser beiden Signale wird die Klopfstärke so gesteuert, daß sie in einem vorgegebenen Bereich liegt, während der Zündzeitpunkt so ausgewählt wird, daß der Motorwirkungsgrad optimal ist.

Der Klopfdetektor 4oo enthält einen piezoelektrischen Aufnehmer 4o1, der zwischen der Zündkerze und einem Motorkopf angeordnet ist, so daß die Größe einer Änderung entsprechend dem Zylinderinnendruck aus den mechanischen Vibrationen, denen der Aufnehmer 4o1 ausgesetzt ist, erfaßt wird. Der Aufnehmer 4o1 ist zusammen mit einem Widerstand 4o2 an den nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 4o3 angeschlossen. Der Operationsverstärker bildet mit Widerständen 4o4 und 4o5 eine Verstärkerschaltung, die das erfaßte Signal vom Aufnahmer 4o1 verstärkt und dann an den Eingang der Mittelwertschaltung 5oo liefert.

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Die Mittelwertschaltung 5oo enthält ein Hochpaßfilter mit einem Kondensator 5o1 und einem Widerstand 5o2, das aus dem Signal vom Klopfdetektor 4oo nur das Klopfsignal mit einer Frequenz größer als 5 bis 6 KHz auswählt. Das Klopfsignal wird nach Durchlaufen eines Operationsverstärkers 5o3 mittels einer Diode 5o4, eines Kondensators 5o5 und eines Widerstands 5o6 gleichgerichtet und integriert und stellt dann das gestrichelt in Fig. 2 gezeigte Hüllkurvensignal dar. Das Hüllkurvensignal wird an die Vergleichsschaltung 6oo angelegt, in der es mit einem Bezugssignal verglichen wird.

Die Vergleichsschaltung 6oo enthält einen Widerstand 6o1, der an den Widerstand 5o6 angeschlossen ist, eine Bezugsspannungsquelle -E, einen veränderbaren Widerstand 6o3, der mit der Bezugsspannungsquelle verbunden ist, und einen Widerstand 6o2, der mit dem Schleifer des veränderbaren Widerstands 6o3 verbunden ist und eine Bezugsspannung vom Hüllkurvensignal abzieht. Ein Integrationsverstärker der Mittelwertschaltung 5oo enthält einen Operationsverstärker 5o7 und einen Kondensator 5o8 und bildet den zeitlichen Mittelwert des Differenzsignals zwischen dem Hüllkurvensignal und der Bezugsspannung. In diesem Operationsverstärker 5o7 wird das Klopf- oder Hüllkurvensignal mit der Klopf-Bczugsspannung -E verglichen und ein integriertes Ausgangssignal geliefert. Das Ausgangssignal vom Operationsverstärker 5o7 wird über einen Widerstand 2o2 an einen Operationsverstärker 2o1 in der Zündsteuerschaltung 2oo angelegt, um mit dem später beschriebenen Kurbelwellenwinkel-Signal verglichen zu werden. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 2o1 wird über einen

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Widerstand 2o3 an die Zündschaltung 1oo angelegt. Eine Diode 2o4 liegt zwischen dem Widerstand 2o3 und Masse.

Das Steuersignal von der Zündsteuerschaltung 2oo wird in der Zündschaltung 1oo über einen Widerstand 1o2 an die Basis eines Transistors 1o1 angelegt. Wenn das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 2o1 einen dem Binärwert 1 entsprechenden Pegel -aufweist, wenn also, vereinfacht ausgedrückt, dieses Ausgangssignal "1" ist, wird der Transistor 1o1 in der Zündschaltung 1oo leitend.

Der Emitter des Transistors 1o1 ist an Masse geschaltet, während sein Kollektor mit der Basis eines Transistors To3 und einem Widerstand 1o4 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 1o3 ist an Masse geschaltet, während sein Kollektor an die Primärwicklung 1o5 und die Sekundärwicklung 1o6 einer Zündspule angeschlossen ist. Wenn der Transistor 1o1 leitend wird, wird der Transistor 1o3 nicht-leitend, so daß ein Zündsignal an die Zündkerze geliefert wird.

Dem Operationsverstärker 2o1 der Zündsteuerschaltung 2oo werden das Klopfsignal und das Kurbelwellenwinkel-Signal zugeführt. Der Zeitpunkt der Umkehrung des Zustands des Ausgangssignals des Operationsverstärkers 2o1 abhängig vom Kurbelwellenwinkel wird daher von der Größe des Klopfsignals gesteuert. Das Kurbelwellenwinkel-Signal wird vom Wankeldetektor 3oo geliefert. Der Winkeldetektor 3oo enthält eine Scheibe 3o1, die direkt oder indirekt mit der Kurbelwelle des Motors verbunden ist, sowie einen Magneten 3o3, auf den eine Aufnehmerspule 3o2 gewickelt ist. Nahe dem Außenrand der Scheibe 3o1 ist eine magnetische Substanz 3o4 an einer dem oberen Totpunkt eines beliebig ausgewählten Zylinders entsprechenden Stelle fest angebracht. In ähnlicher Weise sind magnetische Substanzen 3o5, 3o6 und 3o7 fest an Stellen

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vorgesehen, die 90° vor dem oberen Totpunkt, dem unteren Totpunkt bzw. 90° hinter dem oberen Totpunkt entsprechen. Die Kurbelwellenwinkel-Signale werden daher von der Auf" nehmerspule 3o2 an der Stelle des oberen Totpunkts, an der Stelle 9 0° nach dem oberen Totpunkt, an der Stelle des unteren Totpunkts und an der Stelle 90° vor dem oberen Totpunkt geliefert und einem Flipflop 3o8 des Winkeldetektors 3oo zugeführt. Das von der Zündsteuerschaltung 2oo abgegebene Zündsteuersignal wird dem Rücksetzanschluß des Flipflops 3o8 zugeführt. Das Flipflop 3o8 wird von der Vorderflanke dieses Zündsteuersignals zurückgesetzt. Das Flipflop 3o8 bleibt daher zurückgesetzt, bis die dem oberen Totpunkt entsprechende Stelle und die dem unteren Totpunkt des Zylinders entsprechende Stelle der Scheibe 3o1 an der Aufnehmerspule 3o2 vorbeilaufen. Das Ausgangssignal des Flipflops wird "1", wenn der Kurbelwellenwinkel dem oberen Totpunkt (magnetische Substanz 3o4) oder dem unteren Totpunkt (magnetische Substanz 3o6) entspricht. Das Ausgangssignal des Flipflops 3o8 wird "0" (soll heißen, nimmt einen dem Binärwert 0 entsprechenden Pegel an), wenn der Kurbelwellenwinkel der Stellung 90° nach dem oberen Totpunkt (magnetische Substanz 3o7) oder 90° vor dem oberen Totpunkt (magnetische Substanz 3o5) entspricht. Das Flipflop 3o8 des Winkeldetektors 3oo liefert der Basis eines Transistors 2o5 der Zündsteuerschaltung 2oo über einen Widerstand 2o6 ein "0"-Signal bei 90° vor dem oberen Totpunkt. Der Transistor 2o5 dient als Rücksetzschalter für einen einen Operationsverstärker 2o7 und einen Kondensator 2o8 enthaltenden Integrator. Dem Eingang dieses Integrators wird ein Integrationssignal geliefert, das dem Ausgangssignal des einen Vergleicher darstellenden Ope-

rationsverstärkers 2o1 entspricht. Das Ausgangssignal dieses Operationsverstärkers 2o1 wird einer monostabilen Kippstufe 2o9 geliefert, die zu jedem Zündzeitpunkt einen Impuls mit bestimmter Pulsbreite abgibt. Dieser Impuls wird mittels einer Glättungsschaltung geglättet, die einen Operationsverstärker 21o, einen Kondensator 211 sowie Widerstände 212 und 213 aufweist. Der Operationsverstärker 2o7 des Integrators erhält über einen Widerstand 214 daher eine Gleichspannung, die dem Zündinter-

To vall proportional ist. Folglich wird die Integration 90° vor dem oberen Totpunkt begonnen und am Ausgang des Operationsverstärkers 207 ein Sägezahnsignal abgegeben, das rampenartig ansteigt und zum Zündzeitpunkt zurückfällt. Da das dem Eingang des Integrators zugeführte Integrationssignal in beschriebener Weise von der Zündsteuerschaltung kommt, entspricht der Signalwert der Amplitude des Sägezahnsignals dem Zündzeitpunkt, d.h. der Motordrehzahl, während die Ausgangsspannung zu einem beliebigen Kurbelwellenwinkel konstant unabhängig von der Motordrehzahl ist. Wenn nun das Klopfsignal niedriger als die Bezugsspannung ist, führt der Operationsverstärker 2o1 die Zündsteuerung unter Verwendung dieses Zündsteuersignals bei einem zu allen Zeitpunkten konstant bleibenden Kurbelwellenwinkel aus. Steigt jedoch die Klopfstärke über den vorgegebenen Bezugswert an, dann erhöht sich das von der Vergleichsschaltung 6oo an die Zündsteuerschaltung 2oo gelieferte Klopfstärkesignal entsprechend dem Ausmaß der KlopfStärkezunahme. Als Folge davon wird der Zündzeitpunkt verzögert, bis das Rampenausgangssignal vom Operationsverstärker 2o7 das so erhöhte Klopfstärkesignal übersteigt. Auf diese Weise wird die Verzögerung des Zündzeitpunkts erzielt.

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Bei dieser ersten Ausführungsform werden die Druckänderungen im Zylinder, die vom Klopfen herrühren, als mechanische Vibration durch den Aufnehmer 4o1 erfaßt. Aus dem so erfaßten Schwingungssignal wird das Hüllkurvensignal entsprechend dem Klopfsignal gewonnen und der Mittelwert des Klopfsignals gebildet. Das so gemittelte Klopfsignal wird mit dem Bezugswert verglichen. Wenn das Klopfsignal den Bezugswert übersteigt, wird der Zündzeitpunkt entsprechend der Klopfstärke gesteuert.

Diese beschriebene Ausführungsform der Erfindung eignet sich sehr gut dafür, die Klopfstärke unter dem unter Berücksichtigung der Motoreigenschaften vorgegebenen Wert zu halten.

Fig. 4 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sie ist gegenüber der ersten Ausführungsform verbessert, so daß der Schaltungsteil sehr viel einfacher ist, die Vorrichtung leicht in einem Fahrzeug eingebaut werden kann, der Verbrennungswirkungsgrad und der Brennstoffverbrauch des Motors merklich verbessert werden und die Klopfstärke automatisch auf einen vorbestimmten Wert gesteuert wird, bei dem der Fahrer das Klopfen nicht merkt. Bei dieser zweiten Ausführungsform wird die auf dem Klopfen beruhende Druckänderung im Zylinder als Vibrationsbeschleunigung des Motors selbst erfaßt. Das gewonnene Klopfsignal wird gleichgerichtet und zur Erzielung eines Hüllkurvensignals geglättet, von dem dann der Mittelwert gebildet wird. Dies ist eines der speziellen Merkmale der zweiten Ausführungsform. Das Klopfstärkesignal wird mit einem Bezugswert verglichen, um die Zündwinkelvorstellung des Motors zu steuern.

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Bei der zweiten Ausführungsform wird ein Kurbelwellenwinkel-Signal mittels einer RC-Integrationsschaltung von einem Kontaktpunkt bzw. von den Zündkontakten abgeleitet. Das Motorgeräusch nimmt mit der Drehzahl des Motors zu, so daß ein Teil des Klopfgeräusches vom Motorgeräusch überdeckt wird. Aufgrund dieses Sachverhalts wird der Wert der zulässigen Klopfstärke erhöht, wenn der Motor mit hoher Drehzahl läuft, so daß der Wirkungsgrad des Motors verbessert wird. Dies ist ein weiteres spezielles Merkmal des zweiten Ausführungsform.

Der Klopfdetektor 4oo enthält einen piezoelektrischen Beschleunigungs-Aufnehmer 411 am Zylinderblock des Motors, der eine Änderungsgröße entsprechend dem Innendruck eines Zylinders als elektrisches Signal durch Erfassen der Vibrationsbeschleunigung des Motorblocks erzeugt. Der Aufnehmer 411 ist über einen Widerstand 512 mit einem Operationsverstärker 511 der Mittelwertschaltung 5oo verbunden. Ein Widerstand 513 und eine Diode 514 sind zwischen den Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers 511 geschaltet, wodurch eine Halbwellen-Gleichrichterverstärkerschaltung gebildet wird. Grundsätzlich kann der Aufnehmer 411 durch eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Signalquelle dargestellt werden. Die Ersatzschaltung aus Aufnehmer 411 und Widerstand 512 bildet ein Hochpaßfilter, Es ist daher möglich, durch Wahl eines bestimmten Wertes für den Widerstand 512 ein Klopfsignal mit einer gewünschten Frequenzkomponente auszuwählen. Der gemittelte Wert des Ausgangssignals vom Operationsverstärker 511 wird mittels einer Glättungsschaltung gewonnen, die einen Widerstand 515 und einen Kondensator 516 enthält. Das vom Aus-

gang des Operationsverstärkers 511 stammende und geglättete Signal wird mittels eines Operationsverstärkers 517 verstärkt und als gemitteltes Klopfsignal von der Mittelwertschaltung 5oo abgegeben.

Ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform nach Fig. 3 wird das Ausgangssignal der Mittelwertschaltung 5oo einem Operationsverstärker 6o1 in der Vergleichsschaltung 6oo zugeführt, wo es mit einem Klopf-Bezugswert verglichen wird, der mittels eines veränderbaren Widerstands 6o5 zugeführt wird. Ebenfalls ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform wird das Ausgangssignal der Vergleichsschaltung 6oo zusammen mit einem Kurbelwellenwinkel-Signal an einen Operationsverstärker 2o1 in der Zündsteuerschaltung 2oo angelegt. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 2o1^ wird einer nicht gezeigten Zündschaltung zur Steuerung des Ausmaßes der Zündwinkelvorstellung geliefert.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 2o1 wird außerdem an eine monostabile Kippstufe 61o geliefert, die in der Vergleichsschaltung 6oo enthalten ist. Hierdurch wird mit jedem Zündsignal ein Ausgangsiinpuls bestimmter Breite über einen Widerstand 611 an einen Operationsverstärker 612 angelegt. Ein Widerstand 613 und ein Kondensator 614 sind zwischen den Eingang und den Ausgang des Operationsverstärkers 612 geschaltet und bilden ein Integrationsnetzwerk, so daß am Ausgang des Operationsverstärkers 612 eine Gleichspannung auftritt, die einem Zündintervall, d.h. der Motordrehzahl, proportional ist. Diese Gleichspannung wird über einen Widerstand 615 zusammen mit der Bezugsspannung von dom veränderbaren Widerstand 6o5 an den Operationsverstärker 6o1 angelegt, so daß bei Verstärkung dos Motorgeräur.ches selbst infolge erhöhter Motordrehzahl der zulässige Klopf-Bezugswert erhöht wird. Dies läßt die Erzeugung eines Klopfens

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mit einer Klopfstärke zu, die größer als im Normalzustand ist. Auf diese Weise ist es möglich, den Motorwirkungsgrad bei hoher Motordrehzahl zu erhöhen.

Die Zündsteuerschaltung 2oo der zweiten Ausführungsform enthält einen Rampenspannungsgenerator mit einem Widerstand 22o und einem Kondensator 221, die über einen Widerstand 215 an den nicht-invertierenden Eingang des· Operationsverstärkers 2o1 angeschlossen sind. Der Verbindung spunk t zwischen dem Widerstand 22o und dem Kondensator 221 ist mit dem Kontakt im Winkeldetektor 3oo verbunden. Jedesmal wenn sich der Kontakt schließt, wird der Kondensator 221 über diesen Kontakt entladen. Der Kondensator 221 wird über den Widerstand 22o zum Zündzeitpunkt, d.h. wenn sich der Kontakt öffnet, geladen. Folglich wird ein Kurbelwellenwinkel-Signal durch die Ladecharakteristik des Kondensators 221 bestimmt und dem Operationsverstärker 2o1 geliefert.

Bei der beschriebenen zweiten Ausführungsform ist der Kontakt des Winkeldetektors 3oo so eingestellt, daß sich eine stärkere Winkelvorstellung von etwa 2o bis 3o° des Kurbelwellenwinkels ergibt, als dies bei einem normalen Motor der Fall ist. Auf diese Weise verursacht der Kontakt bei seinem öffnen und Schließen ständig ein Klopfen. Im so eingestellten Zustand wird der Kontakt bei etwa 30 bis 40° im Leerlauf und bei etwa 50 bis 60° bei hoher Drehzahl geöffnet. Die Vorstellung erfolgt mittels bekannter Mechanismen. Aufgrund dieses Öffnungsbetriebs steigt die Spannung am Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 22o und dem Kondensator 221 in beschriebener Weise rampenartig an. Diese Rampenspannung wird mit der Ausgangsspannung der Vergleichsschal-

tung 600 im Operationsverstärker 2o1 verglichen. Wenn das Kurhelwellenwinkel-Signal vom Kondensator 221 größer wird als das KlopfStärkesignal vom Operationsverstärker 60I, wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 2o1 in der anhand von Fig. 3 beschriebenen Weise "1", so daß ein Zündsteuersignal erzeugt wird. Wenn demzufolge die Klopfstärke zunimmt, so daß auch das KlopfStärkesignal von der Vergleichsschaltung 600 zunimmt/ wird der Zündzeitpunkt verzögert. Als Folge davon bleibt das Klopfen auf konstantem Pegel. Die Vorteile der zweiten Ausführungsform sind die, daß der Verbrennungswirkungsgrad und der Brennstoffverbrauch des Motors verbessert werden, daß keine Beschädigung des Motors auftritt und daß der Fahrer kein unangenehmes Klopfgeräusch hört.

5 Fig.· 5 zeigt eine dritte bevorzugte Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese Ausfuhrungsform zeichnet sich dadurch aus, daß der Zündzeitpunkt so gesteuert wird ,daß dieKlopfstärke unterhalb eines vorbestimmten niedrigen Pegels gehalten wird, bei dem die Bedienungsperson bzw. der Fahrer im Fall eines Fahrzeugs noch nicht gestört ist. Zu diesem Zweck wird bei der dritten Ausführungsform das KlopfStärkesignal entsprechend der menschlichen Empfindung erfaßt.

Eines der speziellen Merkmale dieser dritten Ausführungsform liegt darin, daß zur Erzielung einer für ein Fahrzeug geeigneten Klopfsteuerung bei der Beurteilung einer Klopfstärke von einer dem Empfinden einer Person entsprechenden KlopfStärkeermittlung ausgegangen wird und die durch eine Vielfalt von Störungen kaum beeinflußte Steuerung ausgeführt wird, indem mit diesen gewonnenen Signalen der Zündzeitpunkt gesteuert wird.

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Die Klopfstärkeermittlung und Umwandlung werden bei der dritten Ausführungsform unter Berücksichtigung nachstehender Eigenschaften ausgeführt:

Die erste Eigenschaft ist die, daß ein Teil des störenden Klopfgeräusches vom Motorgeräusch ausgelöscht bzw. übertönt wird. Genauer gesagt wird ein durch Subtraktion eines vorgegebenen, vom Geräusch des Motors selbst bestimmten Bezugswerts von einem ermittelten Klopfsignal gewonnenes Signal als Klopfdetektorsignal eingesetzt. In einem gewöhnlichen Fahrzeug wird der Klopfton vom Geräusch des Fahrzeugs übertönt. Selbst wenn also bis zu einem gewissen Ausmaß ein Klopfen auftritt, ist es oft schwierig, dieses Klopfen zu hören. Gemäß der dritten Ausführungsform ist es möglich, eine für solche tatsächlichen Bedingungen geeigneten Feststellung durchzuführen.

Die zweite Eigenschaft ist die, daß die Klopfstärke kollektiv nicht nur unter Berücksichtigung einzelner Klopfstärken,' sondern auch der Häufigkeit des Klopfens pro Zeiteinheit bestimmt wird. Wenn die einzelnen Klopferscheinungen in gleicher Stärke mit geringer Frequenz auftreten, wird die Klopfstärke als schwach empfunden. Ist jedoch die Klopffrequenz hoch, ist die Empfindung der Klopfstärke stark. Demzufolge wird bei dieser dritten Ausführungsform das Produkt aus Klopfstärke und Klopfhäufigkeit als Klopfstärke für die Steuerung eingesetzt.

Die dritte Eigenschaft ist die, daß auf der Basis der Tatsache, daß das Klopfen die Sinne einer Person in logarithmischer Funktion anregt, ein ermitteltes Klopf-

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signal in logarithmische Daten zur Steuerung umgesetzt wird.

Die vierte Eigenschaft liegt darin, daß mit zunehmendem Geräusch bei steigender Motordrehzahl, ähnlich wie bei der ersten Eigenschaft, die Klopfwahrnehmungsempfindlichkeit einer Person durch das Motorgeräusch selbst vermindert wird, so daß auch ein stärkeres Klopfen akzeptiert werden kann. Das heißt, die vierte Eigenschaft zeichnet sich dadurch aus, daß entsprechend den oben beschriebenen drei Eigenschaften das umgesetzte Klopfsignal mit einem Bezugswert verglichen wird, der abhängig von der Motordrehzahl geändert wird. Auf diese Weise wird die zulässige Klopfstärke bei hoher Motordrehzahl erhöht. Versuche haben ergeben, daß die zulässige Klopfstärke bezüglich der Zunahme der Motordrehzahl logarithmisch ansteigt.

Wenn daher der Bezugswert in logarithmischer Weise geändert wird, kann die Klopfsteuerung jederzeit in günstigster Weise ausgeführt werden.

Gemäß den beschriebenen vier Eigenschaften kann bei dieser Ausführungsform ein Zündzeitpunkt-Steuersignal dadurch gewonnen werden, daß. das Klopfsignal einer Wahrnehmung und Umsetzung unterworfen wird. Bei dieser dritten Ausführungsform wird das Zündzeitpunktsteuersignal für eine intermittierende Steuerung verwendet. Grundsätzlich gilt, daß die Häufigkeit, mit der das Klopfen pro Zeiteinheit auftritt, mit abnehmender Klopfstärke ebenfalls abnimmt. Daher wird in einem solchen Fall anstelle einer kontinuierlichen Zündzeitpunktsteuerung eine intermittierende Steuerung eingesetzt, bei der der Zündzeitpunkt um eine vorgegebene Winkeleinheit von beispielsweise 1° pro konstanter Periode vorgerückt oder verzögert wird. Bei dieser Ausführungsform wird die Zündzeitpunktsteuerung mit einer

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Periode von ο,5 Sekunden ausgeführt. Diese intermittierende Steuerung kann den Steuerungswirkungsgrad merklich verbessern. Darüberhinaus liegt das spezielle Merkmal der Steuerung der dritten Ausführungsform darin, daß die Differenz zwischen dem erfaßten Klopfsignal und dem Bezugswert nicht so wie es ist als Steuersignal verwendet wird. Das heißt, wenn die Differenz einen bestimmten Wert übersteigt, wird der Winkel in vorgegebener Weise vorgerückt oder verzögert.

Es soll nun der Schaltungsaufbau der dritten Ausführungsform im einzelnen erläutert werden. Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung zur Steuerung des Klopfens ist bei einem Vierzylindermotor eingesetzt.

Der Klopfdetektor 4oo enthält piezoelektrische Aufnehmer 421V 422, 423 und 424, die dem Aufnehmer der ersten Ausführungsform ähnlich sind. Die Aufnehmer sind jeweils über Widerstände 425, 426, 427 und 428 mit einem Lastwiderstand 429 verbunden. Bei diesem Klopfdetektor 4oo wird daher der Reihe nach zu unterschiedlichen Zeitpunkten von jedem Zylinder ein Klopfsignal an den Umsetzer 7oo angelegt.

Der Umsetzer 7oo mittelt die Detektorsignale, indem er sie addiert und die maximalen Detektoramplituden der AusgangssignaIe des Klopfdetektors 4oo zu jeweils bestimmten Zeitpunkten mittelt, um den Mittelwert der Änderungsgrößen infolge der vom Klopfen herrührenden Änderungen des Zylinderinnendrucks zu erhalten und die Signalumsetzung entsprechend der oben erwähnten ersten, zweiten und dritten Eigenschaft auf der Basis der Empfindung einer Person auszuführen.

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Das Ausgangssignal des Klopfdetektors 4oo ist eine positive Spannung, wenn der Druck in positiver Richtung steigt. Das Ausgangssignal des Klopfdetektors 4oo wird über ein Hochpaßfilter mit einem Kondensator 7o1 und einem Widerstand 7o2 an einen Differenzverstärker 7o3 des Umsetzers 7oo angelegt. Das Hochpaßfilter läßt nur Frequenzkomponenten über 5 bis 6 KHz durch. Daher gelangt nur das Klopfsignal an den Differenzverstärker 7o3.

Der Differenzverstärker 7o3 ist ein Polaritätsumkehrverstärker mit einem Operationsverstärker 7o4, Widerständen 7o5 und 7o6 und einer Spannungsquelle 7o7. Im Differenzverstärker 7o3 werden das Klopfdetektorsignal und der negative Bezugswert von der Spannungsquelle 7o7 subtrahiert. Die Spannung der Spannungsquelle 7o7 entspricht dem gewöhnlichen Geräuschpegel des Motors selbst, wodurch die~ genannte erste Eigenschaft erzielt werden kann. Nur wenn das Klopfdetektorsignal größer als die Spannung der Spannungsquelle 7o7 wird, gibt der Differenzverstärker 7o3 ein negatives Ausgangssignal ab.

Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 7o3 gelangt über einen Analogschalter 71o an eine Frequenzrechenschaltung zur Realisierung der zweiten Eigenschaft. Der Analogschalter 71 ο besteht aus einem Feldeffekttransistor, der während des Auftretens des Klopfens, während der Periode also, während derer der Kurbelwellenwinkel 1o bis 3o° nach dem oberen Totpunkt beträgt, leitend gemacht wird und im übrigen nicht-leitend ist, so daß ein Einmischen von Störungen verhindert wird. Das Kurbelwellenwinkel-Signal vom Winkeldetektor 3oo, der in der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, wird dem Gate des Analogschalters 71o zugeführt, so daß dieser Analogschalter nur im gewünschten Kurbelwellenwinkelbereich durchschaltet.

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Der Winkeldetektor 3oo besitzt dieselbe Scheibe 3o1, wie sie in Verbindung mit der ersten Ausführungsform erläutert wurde und die mit den magnetischen Substanzen 3o4, 3o5, 3o6 und 3o7 versehen ist. Magnetische Substanzen 311 und 312 sind auf einem konzentrischen Kreis auf der Scheibe an Stellen angeordnet, die 10° bzw. 30° hinter der magnetischen Substanz 3o4 am oberen Totpunkt in Drehrichtung liegen. Der Durchmesser dieses konzentrischen Kreises ist geringer als der der Scheibe. Außerdem sind magnetische Substanzen 313 und 314 vorgesehen und zwar an Stellen/ die zu den Stellen der magnetischen Substanzen 311 bzw. 312 axial_symmetrisch sind. Ein magnetischer Aufnehmer 31 ο mit einem Magnet 3o9 und einer Wicklung ist so angeordnet, daß er bei 10° und 30° nach o.T., wenn die magnetischen Substanzen 311 und 312 vorbeilaufen, eine Spannung abgibt. Der Ausgang dieses Aufnehmers 31 ο ist mit- einem zusätzlich vorgesehenen Flipflop 315 verbunden. Das Flipflop 315 gibt während einer Zeitspanne entsprechend 10° bis 30° nach o.T. jedes Zylinders eine positive Spannung und in der übrigen Zeit eine Spannung von 0 Volt ab. Der Ausgang des Flipflops 315 ist mit dem Gate des Analogschalters 71 ο verbunden. Die übrigen Funktionen des Winkeldetektors 3oo sind ähnlich wie bei der ersten Ausführung sform.

Die Frequenzrechenschaltung enthält eine Spitzenwerthalteschaltung 711 sowie eine erste, eine zweite und eine dritte Halteschaltung 712, 713 bzw. 714. Die Frequenzrechenschaltung tastet zu einem bestimmten Zeitintervall die maximalen Amplitudenwerte des Klopfsignals ab und gibt das Produkt aus der Häufigkeit des Klopfens in einer vorgegebenen Zeitspanne und der Klopfstärke zu dieser Zeitspanne ab. Hierdurch wird die zur Realisierung der zweiten Eigenschaft geeignete Signalumsetzung

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ausgeführt. Bei der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist das Zeitintervall auf die Schwingungsperiode eines Oszillators 715 oder o,5 Sekunden eingestellt.

Die Spitzenwerthalteschaltung 711 weist einen Operationsverstärker 716, eine Diode 717, einen Kondensator 718 und einen Analogschalter 719 auf. Der Kondensator 718 hält den Wert der maximalen negativen Amplitude der Klopfsignale vom Differenzverstärker 7o3. Der vom Kondensator 718 gehaltene Wert wird gelöscht, wenn der Kondensator bei leitend werdendem Analogschalter 719 entladen wird. Das Gate des Analogschalters 719 erhält über einen Inverter 72o von dem Winkeldetektor 3oo ein Steuersignal, das beim oberen Totpunkt abfällt (Ausschalten) und 90° nach dem oberen Totpunkt ansteigt (Einschalten). Demzufolge beginnt der Kondensator 718 die Haltefunktion bei dem dem oberen Totpunkt entsprechenden Kurbelwellenwinkel. Der Analogschalter 719 wird zu einem 90° nach dem oberen Totpunkt entsprechenden Zeitpunkt leitend und bewirkt durch Entladung des Kondensators die Rückstellung.

Der Ausgang der Spitzenwerthalteschaltung 711 ist mit der ersten Halteschaltung 712 verbunden, die die einzelnen Werte aufsummiert. Die erste Halteschaltung 712 umfaßt Operationsverstärker 721, 722 und 723, Widerstände 724, 725, 726 und 727, eine Diode 728, einen Kondensator 729 und einen Analogschalter 73o. Im Operationsverstärker 721 werden die Eingangssignale von der Spitzenwerthalteschaltung und der zweiten Halteschaltung addiert. Das Additionsergebnis wird einmal im Kondensator 729 gehalten.

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Der Ausgang der ersten Halteschaltung 712 ist über die zweite Halteschaltung 713 mit dem Operationsverstärker 721 der ersten Halteschaltung 712 verbunden, so daß die maximalen Amplitudenwerte des Klopfsignals während einer gewünschten Kumulationsperiode aufsummiert werden. Die zweite Halteschaltung 713 umfaßt einen Operationsverstärker 731, einen Kondensator 732 und Analogschalter 733 und 734.Dem Gate des Analogschalters 733 wird zum Zeitpunkt des Kurbelwellenwinkels von 90° nach dem oberen Totpunkt über eine monostabile Kippstufe 735 vom Ausgang des Inverters 72o ein Triggerimpuls zugeführt. Hierdurch wird der Analogschalter 733 für kurze Zeit leitend. Der Analogschalter 734 erhält für eine kurze Zeit nach einer gewünschten Kumulationsperiode über einen Inverter 74o und eine monostabile Kippstufe 741 einen Triggerimpuls von einem Oszillator 715, so daß der Speicherwert des Kondensators 732 zurückgesetzt wird. Der Ausgang des Operationsverstärkers 731 der zweiten Halteschaltung 713 ist mit dem nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 721 der ersten Halteschaltung 712 verbunden. Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 731 wird kumulativ den KlopfSignalen hinzuaddiert, die dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 721 von der Spitzenwerthalteschaltung 711 geliefert werden.

Das auf diese Weise durch Aufsummieren entstandene Ausgangssignal der ersten Halteschaltung 712 wird jeweils zu gewünschten Zeitpunkten an die dritte Halteschaltung 714 geliefert und von deren Kondensator 742 gehalten. Die dritte Halteschaltung 714 enthält einen Operationsverstärker 743 und einen Analogschalter 744. Der Ausgang des Oszillators 715 ist mit dem Gate des Analogschalters 744 verbunden, so daß der Analogschalter 744

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jeweils zu gewünschten Zeitpunkten leitend wird und das erwähnte aufsummierte Signal von der ersten Halteschaltung 712 zum Kondensator 742 der dritten Halteschaltung 714 überführt.

Die Funktion der in beschriebener Weise aufgebauten Frequenzrechenschaltung soll nun erläutert werden. Allgemein liegt die tatsächliche Drehzahl des Motors in der Größenordnung von 6oo bis 6ooo Upm, während im Fall eines 4-Zylinder-Motors die Zündung zehn- bis hundertmal in o,5 Sekunden ausgeführt wird. Dies ist die vorgegebene Frequenzrechenperiode. Folglich werden 1o bis 1oo Klopfsignale maximal der Aufsummierung unterzogen. Es sei der Fall betrachtet, daß die Ausgangssignale vom Oszillator 715 und der monostabilen Kippstufe 741 "0" sind. Die Analogschalter 73o, 734 und 744 in den jeweiligen Halteschaltungen 712, 713 und 714 sind dann ausgeschaltet. Wenn irgendeiner der Zylinder des Motors ein Klopfen hervorruft, hält die Spitzenwerthalteschaltung 711 den maximalen Amplitudenwert des Klopfsignals in der Zeitspanne entsprechend dem Kurbelwellenwinkel vom oberen Totpunkt bis 90° nach dem oberen Totpunkt. Dieser Amplitudenwert wird vom Kondensator 729 der ersten Halteschaltung gehalten und steht als Ausgangsspannung am Ausgang der Halteschaltung 712 an.

Wenn der Kurbelwellenwinkel 90° nach dem oberen Totpunkt erreicht, wird der vom Kondensator 718 in der Spitzenwerthalteschaltung 711 gehaltene Wert gelöscht, da nun der Analogschalter 719 leitend wird. Währenddessen wird der Analogschalter 733 in der zweiten Halteschaltung 713 vom Triggerimpuls von der monostabilen Kippstufe 735 kurzzeitig durchgeschaltet, so daß das Ausgangssignal der ersten Halteschaltung 712 vom Kondensator 732 gehalten wird. Der vom Kondensator 732 gehaltene Wert

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wird über den Operationsverstärker 731 an die erste Halteschaltung 712 angelegt und erneut im Kondensator

712 gehalten. Da das Ausgangssignal der Spitzenwerthalteschaltung 711 infolge der Rückstellung des Kondensators 718 Null ist, hält der Kondensator 729 der ersten Halteschaltung 712 nur das von der zweiten Halteschaltung

713 zugeführte Signal.

Falls unter diesen Umständen erneut ein Klopfen auftritt und das Klopfsignal von der Spitzenwerthalteschaltung 711 dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 721 zugeführt wird, wird dieses Eingangssignal dem erwähnten Ausgangssignal der zweiten Halteschaltung 713 im Operationsverstärker 721 hinzuaddiert und vom Kondensator 729 gehalten. Diese Addition wird andauernd wiederhol.t, so daß sich ein Spannungswert am Ausgang der ersten Halteschaltung 712 ergibt, der die Summe einer der Anzahl von Klopferzeugungen entsprechenden Anzahl maximaler Amplitudenwerte des Klopfsignals darstellt.

Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit wird der rasch ansteigende Impuls (Einschaltbetrieb) vom Oszillator 715 dem Analogschalter 744 der dritten Halteschaltung 714 zugeführt, so daß das bis zu diesem Zeitpunkt aufsummierte Ausgangssignal der ersten Halteschaltung 712 vom Kondensator 742 gehalten wird. Der vom Oszillator 715 abgegebene Impuls wird über den Inverter 74o und die monostabile Kippstufe 741 den Analogschaltern 73o und 734 der ersten bzw. zweiten Halteschaltung 712 und 713 zugeführt, woraufhin deren Kondensatoren 729 und 732 zurückgesetzt werden. Hierdurch wird der Aufsummierungsstartzustand für die nächste Frequenzberechnung wiederhergestellt.

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Das so erhaltene Ausgangssignal ist das Klopfsignal, das unter Berücksichtigung des Geräuschpegels des Motorblocks selbst und der Frequenz der Klopferzeugung gewonnen wurde. Dieses Ausgangssignal wird mittels eines logarithmischen Umsetzers 75o in ein Signal mit gewünschter logarithmischer Funktion umgesetzt und als KlopfStärkesignal vom Umsetzer 7oo ausgegeben. Die oben beschriebene dritte Eigenschaft kann dadurch erzielt werden, daß die logarithmische Funktion des logarithmischen Umsetzers 75o auf einen gewünschten Wert eingestellt wird.

Das Ausgangssignal des Umsetzers 7oo als einer Mittelwertschaltung wird in der an den Umsetzer 7oo angeschlossenen Vergleichsschaltung 600 mit einem zulässigen Bezugswert verglichen. Abhängig vom Vergleichsergebnis wird ein Zündzeitpunkt-Steuersignal ausgegeben. Die Vergleichsschaltung 600 umfaßt einen Differenzdetektor 6 5o, der das Klopfsignal mit dem Bezugswert vergleicht, und eine Zündzeitpunktspeicherschaltung 651 zur Steuerung des Zündzeitpunkts durch Abtasten des Ausgangssignals des Differenzdetektors 6 5o, was jeweils zu vorbestimmten Zeitpunkten entsprechend dem Umsetzer 7oo erfolgt.

Der Differenzdetektor 65o umfaßt einen Differenzverstärker mit einem Operationsverstärker 652 und Widerständen 653, 654, 655 und 656, Z-Dioden 657 und 658, die gegenpolig in Reihe an den Ausgang des Differenzverstärkers ange-• schlossen sind, und einen Verstärker mit einem Operationsverstärker 659 und Widerständen 660 und 661. An den nicht-invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 652 im Differenzverstärker sind das Ausgangssignal des Umsetzers 7oo über den Widerstand 654 und ein später beschriebenes Bezugssignal über den Widerstand 653 ange-

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legt. Das Bezugssignal wird als eine der Drehzahl des Motors proportionale Gleichspannung zugeführt, wodurch die oben genannte vierte Eigenschaft entsprechend der Empfindung einer Person realisiert wird. Da das mittels des Widerstands 653 eingegebene Bezugssignal mit der Drehzahl des Motors ansteigt, nimmt auch der zulässige Klopfstärke-Bezugswert mit der Motordrehzahl zu, so daß sich eine dem menschlichen Empfinden ähnliche Steuercharakteristik ergibt.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 652 im Differenzverstärker gelangt an den Operationsverstärker 6 59 nur dann, wenn es die Schwellenspannung der Z-Dioden 657 und 6 58 übersteigt. Das heißt, wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 652 im Differenzverstärker eine von den beiden Z-Dioden 657 und 658 vorgegebene positive oder negative Spannung übersteigt, vermindert sich der wirksame Widerstand der beiden Z-Dioden, so daß die Ausgangsspannung vom Operationsverstärker 652 an den Eingang des einen Umkehrverstärker bildenden Operationsverstärker 659 gelangt. Wegen der Umkehrfunktion des Operationsverstärkers 659, wegen dessen hoher Verstärkung und weil der wirksame oder Ersatzwiderstand der beiden Z-Dioden der Eingangswiderstand des Operationsverstärkers 659 ist, gelangt dieser dann in die Sättigung und gibt eine negative oder positive konstante Spannung ab. Wenn bei dieser dritten Ausführungsform das Klopfen zunimmt und die Differenz einen vorgegebenen Wert übersteigt, gibt der Operationsverstärker 659 bzw. der Differenzdetektor 65o eine negative konstante Spannung, nämlich die Sättigungsspannung des Operationsverstärkers 659 ab, die -1° Kurbelwellenwinkel entspricht. Ist die Differenz kleiner als der vorgegebene Wert, wird eine positive Spannung entsprechend +1° ausgegeben.

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Solange die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 652 innerhalb eines von den Z-Dioden vorgegebenen positiven oder negativen Spannungsbereichs liegt, stellen die beiden Z-Dioden 65 7 und 658 erhebliche Widerstände dar_f so daß der Operationsverstärker 659 ein relativ kleines Eingangssignal erhält. Da der hohe äquivalente Widerstand der Z-Dioden der äquivalente Eingangswiderstand des Operationsverstärkers 659 wird, ist dessen Verstärkungsmaß ebenfalls sehr gering, so daß in diesem .

Fall das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 659 Null wird.

Die vorangegangene Beschreibung zeigt, wie bei der dritten Ausführungsform das Steuersignal aufgrund der Klopfstärke entsprechend den beschriebenen vier Eigenschaften erhalten werden kann. Dieses Steuersignal wird mittels einer Zündzeitpunktspeicherschaltung 651, die den Zündzeitpunkt in bestimmten Zeitabständen intermittierend steuert, umgeformt.

Die Zündzeitpunktspeicherschaltung 651 umfaßt einen Differenzverstärker 675 mit einem Operationsverstärker 67o und Widerständen 671, 672, 673 und 674. Der Differenzverstärker addiert und subtrahiert das jeweils vorhandene Zündzeitpunktsteuersignal und das Differenzsignal vom Differenzdetektor 65o. Die Zündzeitpunktspeicherschaltung 651 umfaßt ferner eine vierte Halteschaltung 676 und eine fünfte Halteschaltung 677, die das Zündzeitpunktsteuersignals intermittierend zu den vom Oszillator 715 bestimmten Zeitabständen erneuern.

Die vierte Halteschaltung 676 enthält einen Operationsverstärker 678, einen Kondensator 679 und einen Analog-

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schalter 680. Ähnlich enthält die fünfte Halteschaltung 677 einen Operationsverstärker 681, einen Kondensator 682, einen Widerstand 683, eine Z-Diode 684 und einen Analogschalter 69o. Das Ausgangssignal der fünften Halteschaltung 677 wird über einen Umkehrverstärker 688 mit einem Operationsverstärker 685 und Widerständen 686 und 687 der Zündsteuerschaltung 2oo geliefert.

Die Arbeitsweise der Zündzeitpunktspeicherschaltung 651 soll nun im einzelnen beschrieben werden:

Wenn die Klopfstärke einen bestimmten Wert übersteigt, gibt der Differenzdetektor 6 5o die negative Spannung entsprechend -1° Kurbelwellenwinkel ab. Dieses Ausgangssignal wird dem Komparator oder Differenzverstärker 675 der Zündzeitpunktspeicherschaltung 651 zugeführt, woraufhin am Ausgang des Operationsverstärkers 67o eine positive Spannung auftritt. Falls hierbei die normale positive Spannung, die dem Zündzeitpunkt, zu dem die Zündung im Moment ausgeführt wird, entspricht, am Ausgang des Operationsverstärkers 681 der fünften Halteschaltung 677 vorhanden ist, werden, da dieses Ausgangssignal dem anderen Eingang des Operationsverstärkers 67o zugeführt ist, dessen beide Eingangssignale subtrahiert. Der Differenzverstärker 675 gibt dann ein positives Signal ab, um den Kurbelwellenwinkel um 1° zu verringern.

Dieses neue Zündzeitpunktsteuersignal wird vom Kondensator 679 gehalten, wenn der Oszillator 715 einen kurzen positiven Impuls abgibt, der den Analogschalter 68o der vierten Halteschaltung 676 durchschaltet. Wenn dieser Impuls des Oszillators 715 negativ wird, gelangt er über die monostabile Kippstufe 741 an den Analogschalter 69o

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der fünften Halteschaltung 677, woraufhin der vom Kondensator 679 gehaltene Wert in den Kondensator 682 übernommen wird. Dieses neue Zündzeitpunktsteuersignal wird von der Halteschaltung 677 dem Umkehrverstärker 688 geliefert. Auf diese Weise wird das Zündzeitpunktsteuersignal abhängig von der Klopfstärke intermittierend unter der Steuerung des Oszillators 715 alle 0,5 Sekunden erneuert.

Die Wirkung der Vergleichsschaltung 6oo führt dazu, daß das Zündzeitpunktsteuersignal abhängig vom Ausgangssignal des Differenzdetektors 65o winkelmäßig vorgestellt oder verzögert wird. Dieses Steuersignal steht dann als Ausgangsspannung der fünften Halteschaltung 677 zu Verfügung. Falls in diesem Zusammenhang von der fünften Halteschaltung 677 ein Signal abgegeben wird, das den Zündzeitpunkt infolge irgendeines anomalen Zustands erheblich verzögert, kann der Motor merklich nachteilig beeinflußt werden. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit ist eine Schutzschaltung mit einem Widerstand 683 und eine Z-Diode 684 am Ausgang des Operationsverstärkers 681 vorgesehen, die ein Steuersignal mit einer größeren Amplitude als sie der Z-Spannung entspricht, verhindert.

Das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 681 ist immer eine positive Spannung. Bei starkem Klopfen, wenn also der Zündzeitpunkt verzögert werden muß, nimmt diese positive Spannung zu. Bei geringem Klopfen oder gar keinem Klopfen, wenn also der Zündzeitpunkt vorgestellt werden muß, vermindert sich diese positive Spannung in Richtung Null. Entsprechend nimmt die negative Spannung, d.h. das Ausgangssignal des Umkehrverstärkers mit dem Operationsverstärker 68 5 bzw. das Ausgangssignal der Vergleichsschal-

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tung 600 zu, wenn der Zündzeitpunkt verzögert werden muß, während die negative Spannung gegen Null abnimmt, wenn der Zündzeitpunkt vorgestellt werden muß.

Das Zündzeitpunktsteuersignal, das von der Vergleichsschaltung 600 geliefert wird, wird in der Zündsteuerschaltung 2oo mit dem Kurbelwellenwinkel verglichen und dann in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform der Zündschaltung I00 zugeführt. Die Zündsteuerschaltung 2oo der dritten Ausführungsform ist derjenigen der ersten Ausführungsform ähnlich ausgenommen, daß das Motordrehzahlsignal zur Erzeugung des Kurbelwellenwinkel-Signals von einem Frequenz/Spannungs-Wandler mit einer Schutzschaltung gewonnen wird.

Der. Frequenz/Spannungs-Wandler 25o setzt die Frequenz des Zündsignals in eine Gleichspannung um. Dieser Wandler und ein Verstärker mit einem Operationsverstärker 251 und Widerständen 252 und 253 zur Verstärkung des Ausgangssignals des Wandlers 25o sind zur Lieferung einer Rampenspannung an den Eingang eines Operationsverstärkers 2o7 angeschlossen. Die Frequenz des Zündsignals wird also in eine Gleichspannung umgesetzt und diese Gleichspannung nach Polaritätsumkehr an einen den Operationsverstärker 2o7 und einen Kondensator 2o8 aufweisenden Integrator angelegt. Die der Frequenz des Zündsignals und damit der Motordrehzahl proportionale invertierte Spannung wird dem Differenzdetektor 65o in der Vergleichsschaltung 600 geliefert und stellt die der Motordrehzahl entsprechende Referenzspannung zur Erzielung der vierten Eigenschaft dar.

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Wenn das Zündzeitpunktsteuersignal, das über einen Widerstand 2o2 an den Operationsverstärker 2o1, der dieses Signal mit dem Kurbelwellenwinkel-Signal vergleich, angelegt ist, auf nahezu Null infolge eines anomalen Zustands, etwa einer Störung, abnimmt, wird das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 2o1 zu einem Signal für eine erhebliche Zündwinkelvorstellung, das den Zündbetrieb stark beeinträchtigen könnte. Zur Verhinderung des Auftretens solch eines anomalen Zustands ist an den anderen Eingang des Operationsverstärkers 2o1 eine Spannungsquelle 254 angeschlossen, die die maximale Zündwinkelvorstellung steuert. Daher kann die Zündwinkelvorstellung bei dieser dritten Ausführungsform nie mehr als 4o bis 5o° im schlimmsten Fall betragen.

Das so gewonnene Zündsteuersignal wird über einen Umschalter 11o an die bei der ersten Ausführungsform erläuterte Zündschaltung 1oo angelegt. Durch Umschalten des Umschalters 11o kann gewählt werden, ob das Zündsteuersignal für die Zündschaltung 1oo von der beschriebenen Klopfsteuerspannung gesteuert werden oder vom üblichen Kontakt abgeleitet werden soll. Im Fall der Verwendung des Zündkontakts ist ein Widerstand 8oo für einen Vorstrom mit dem Kontakt verbunden.

Aus der voranstehenden Beschreibung ergibt sich, daß die Klopfstärke bei der dritten Ausführungsform auf einem geringen konstanten Pegel gehalten wird. Daher kann die dritte Ausführungsform für verschiedene Maschinentests verwendet werden, die durch Änderung der Belastung und Drehzahl einer Maschine ausgeführt werden. Dadurch wird es möglich, Gestaltungsdaten für Antiklopfmaschinen sowie Informationen über Oktanzahlen zu erhalten. Wegen der auf niedrigem konstantem Pegel gehaltenen Klopfstärke kann

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die dritte Ausführungsform auch für einen Maschinentest entsprechend einer korrektiven Grenzlinienmethode verwendet werden, der allgemeinen Methode der Abschätzung der Antiklopfeigenschaft eines Fahrzeugs oder Brennstoffs, was es möglich macht, verläßliche Informationen über Fahrzeuglaufoktanzahlen und BrennstoffOktanzahlen und somit nützliche Daten zur Maschinenauslegung zu gewinnen.

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Claims

BLUM BACH · WESER · SERGEN ■ KRAMER ZWIRNER. BREHM

PATENTANWÄLTE IN MÜNCHEN UND WIESBADEN

Patentconsult Radeckestraße 43 8000 München 60 Telefon (089)883603/883604 Telex 05-212313 Telegramme Pafentconsult Patentconsult Sonnenberger Straße 43 6200 Wiesbaden Telefon (06121) 562943/561998 Telex 04-186237 Telegramme Patentconsult

Kabushiki Kaisha Toyota. Chuo Kenkyusho

2-12, Hisakata, Ternpaku-ku, Nagoya-shi Aichi-ken 79/8.725"

Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha

1, Toyota-cho, Toyota-shi, Aichi-ken

Patentansprüche

f 1.j Vorrichtung zur Klopfsteuerung bei einer Brennkraftmaschine , gekennzeichnet durch einen Klopfdetektor (4oo), der als ein elektrisches Signal eine Änderungsgröße entsprechend einer Änderung des Innendrucks eines Zylinders der Maschine infolge eines Klopfens erfaßt, eine Mittelwertschaltung (5oo) zur Umsetzung des elektrischen Signals vom Klopfdetektor in ein der Klopfenergie entsprechendes Signal, einen Winkeldetektor (3oo) zur Erfassung der Drehphase der Maschine, eine Vergleichsschaltung (6oo) zum Vergleich des der Klopfenergie entsprechenden Signals von der Mittelwertschaltung mit einem Bezugswert, der einen zulässigen Klopfpegel festlegt, zum Erhalt eines Steuersignals, mittels dessen die Klopfstärke in einem vorgegebenen Bereich haltbar ist, und eine mit einer Zündschaltung (1oo) verbundene Zündsteuerschaltung (2oo) zur Steuerung des Zündzeitpunkts der Zündschaltung durch das Steuersignal von der Vergleichsschaltung.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittelwertschaltung (5oo) das elektrische Signal vom Klopfdetektor (4oo) zeitlich mittelt.

München: R. Kramer Dipl.-Ing. · W. Weser Diol.-Phys. Dr. rci. nat. · H. P. Brehm Dipl.-Chem. Dr. ptiü. nat. Wiesbaden: P.G. Blumbach Dipl.-Ing. · P. Bergen Dipl.-Ing. Dr. jür. . G. Zwirner Dipl.-Ing. Dip!.-W.-Ing.

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3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittelwertschaltung (5oo) ein Hüllkurvensignal des elektrischen Signals vom Klopfdetektor (4oo) zeitlich mittelt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittelwertschaltung (Umsetzer 7oo) den Amplitudenwert, den maximalen Amplitudenwert oder den Zeitmittelwert einer Hüllkurve des elektrischen Signals vom Klopfdetektor (4oo) in bestimmten Zeitabständen addiert und aufsummiert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ze.ichnet , daß die Mittelwertschaltung (Umsetzer 7oo) eine Amplitude des elektrischen Signals vom Klopfdetektor mit der Anzahl multipliziert, mit der das Klopfsignal in einem bestimmten Zeitintervall auftritt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittelwertschaltung (5oo) ein elektrisches Signal, das sich durch Subtraktion eines Geräuschbezugssignals abhängig vom Geräusch-. pegel des Motors von dem elektrischen Signal des Klopfdetektors (4oo) ergibt, zu dem der Klopfenergie entsprechenden Signal umformt.

7· Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet, daß das Geräuschbezugssignal sich als logarithmische Funktion von der Drehzahl der Maschine ändert.

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