DE3342466A1 - Vorrichtung zur erkennung klopfender verbrennungen bei brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

R. 19060

2.11. 1983 Ko/Pi

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 STUTTGART 1

Vorrichtung zur Erkennung klopfender Verbrennungen bei Brennkraftmaschinen

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur -Erkennung klopfender Verbrennungen bei Brennkraftmaschinen nach der Gattung des Hauptanspruches.

Aus der DE-OS 31 37 016 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung des Klopfens bei Brennkraftmaschinen bekannt. Hierbei wird ein dem Klopfvorgang zugeordnetes Nutzsignal mit wenigstens einem Referenzsignal verglichen, das entsprechend einer Ausgangsfolge eines Digitalfilters gebildet wird. Bei Überschreiten des Referenzsignales durch das ülutzsignal wird ein Erkennungssignal für ein Klopfen abgegeben. Das von einem Klopfsensor gelieferte Signal wird auf einen Verstärker mit steuerbarer Verstärkung gegeben, wobei die Verstärkung über einen Bandpaß, einen Demodulator und ein Regelglied so gesteuert wird, daß das Ausgangssignal des Demodulators weitgehend konstant und unabhängig

von der Motordrehzahl ist. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß der schaltungstechnische bzw. programmiertechnische Aufwand groß ist. Die Übertragungsfunktion des digitalen Filters ist nicht allgemein angebbar, sondern ein Filterfaktor k muß emperisch gebildet werden und soll vorzugsweise drehzahl- oder lastabhängig gewählt werden. Damit ist das Referenzsignal für jeden Motortyp erst in umfangreichen Versuchsreihen zu ermitteln und eine Konstanz der Ansprechempfindlichkeit der Klopferkennung ist für die vielen möglichen Betriebsfälle einer Brennkraftmaschine nicht klar gesichert.

Aus der DE-OS 32 15 683 ist ein Verfahren und eine Einrichtung zum Feststellen des Motorklopfens bekannt. Dabei durchläuft ein von einem Klopfsensor geliefertes Signal einen Bandpaß und einen Gleichrichter. Daraus wird über eine erste Glättungsschaltung ein Signal gewonnen, daß aus Motorklopfgeräusch und Hintergrundgeräusch besteht, sowie parallel dazu über eine zweite Glättungschaltung ein Signal gewonnen, das nur aus Hintergrundgeräusch besteht. Durch Differenzbildung dieser beiden Signale wird ein Klopfsignal gewonnen. Von Nachteil an dieser Schaltung ist, daß das Motorklopfgeräusch selbst in das Hintergrundgeräusch mit eingeht. Bei wachsender Klopfintensität sinkt somit die Empfindlichkeit der Klopferkennung. Durch den Speicher- und Integrationseffekt der zweiten Glättungsschaltung hinkt die Leistungsdichte des Hintergrundgeräuschsignals hinter dem des Motorklopfsignales5 bezogen auf das ursprüngliche Sensorsignal um etwa den Faktor 30 hinterher. Damit ist die Dynamik des Verfahrens und der Einrichtung zum Feststellen des Motorklopfens stark eingeschränkt, und eine schnelle Klopfregelung ist nicht möglich.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgemäß den Vorteil, daß durch den Verstärker mit steuerbarer Verstärkung eine Anpassung möglich ist, um auf unterschiedliche Leistungsdichten des von einem Klopfsensor gelieferten Eingangssignales zu reagieren. Das Filter, dessen Frequenzgang einem zu erwartenden Klopfsignal angepaßt ist, mindert die Fehlerwahrscheinlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in dem eine Klopferkennung nur durch Signale in einem typischen Frequenzbereich möglich ist. Der erste Schwellwertschalter liefert ein definiertes logisches Ausgangssignal, so daß eine eindeutige Aussage möglich ist, ob eine klopfende Verbrennung vorliegt. Durch seine Hysterese und zugeführte Spannung wird der Signalabstand über dem Grundgeräuschpegel erhöht. Daß die Verstärkung des Verstärkers in Abhängigkeit des Ausgangssignales des Verstärkers gesteuert wird, hat den Vorteil, daß bereits im Eingangskreis eine automatische Verstärkungsregelung möglich wird, die die Leistungsdichte des Ausgangssignales des Verstärkers unabhängig vom Eingangssignal, und damit von Last und/oder Drehzahl, konstant hält.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Erweiterungen und Verbesserungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich. Durch die Steuerung der Verstärkung durch den Gleichrichter und den nachfolgenden ersten Integrierer ist eine unaufwendige und zuverlässige automatische Verstärkungsregelung möglich. Durch die Steuerung der Verstärkung durch den zweiten Schwellwertschalter, der eine Hysterese auf-

weist, und den ersten Integrierer ist eine schnelle und genaue automatische Verstärkungsregelung nach der Art eines Proportionalreglers möglich. Daß bei Erkennung klopfender Verbrennung der erste Integrierer seinen Wert nicht ändert, hat den Vorteil, daß das Auftreten einer Klopferkennung nicht zu einer Verminderung der Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt. Es ist vorteilhaft, daß dem ersten Schwellwertschalter ein zweiter Integrierer nachgeschaltet ist, um so in einfacher Weise das Ausgangssignal des zweiten Integrierers als Maß für die Klopfintensität heranzuziehen. Es ist vorteilhaft, daß der zweite Integrierer aus einer geschalteten Stromquelle besteht, die einen Kondensator auflädt^ um so eine einfache Anpassung an verschiedene gewünschte Signalpegel zu erreichen. Durch den dem ersten Schwellwertschalter nachgeschalteten Schalter, der in dem Kurbelwellenwinkelbereich geschlossen ist, in dem klopfende Verbrennungen auftreten, ist eine sicherere Klopferkennung gewährleistet. Daß dem ersten Schwellwertschalter eine retriggerbare monostabile Kippstufe nachgeschaltet ist, hat den Vorteil, in besonders einfacher Weise ein logisches Signal zu bilden, das anzeigt, ob eine klopfende Verbrennung vorliegt. Die Verwendung eines dem ersten Schwellwertschalter nachgeschalteten Mikrorechner erlaubt es, die Anzahl der Wechsel des Ausgangssignales des ersten Schwellwert schalters als Bedingung heranzuziehen, ob eine klopfende Verbrennung als ausreichend für den Einsatz in einer Regelung erachtet wird.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Figur 1 ein Ausführungs-

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beispiel einer Vorrichtung zur Erkennung klopfender Verbrennungen mit Gleichrichter im Verstärkungsregelungskreis und monostabiler Kippstufe. Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit Regeltrigger im Verstärkungsregelungskreis und geschalteter Stromquelle. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem Regeltrigger und einem Mikrocomputer. Es zeigt Figur h ein Signaldiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der drei Ausführungsbeispiele.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Zur Vereinfachung der Darstellung und der Beschreibung sind" in Figur 1 bis 3 einander entsprechende Teile gleich beziffert, selbst wenn sie einer anderen Figur angehören.

In Figur 1 liefert ein Sensor 1 ein Signal an einen Eingang 11. Der Eingang 11 ist mit dem Eingang eines Verstärkers 2 verbunden. Vom Eingang des Verstärkers 2 führt ein Gleichrichter 7 auf einen ersten Integrierer 8, dessen Ausgang mit dem Steuereingang 27 des Verstärkers 2 sowie mit einem Hintergrundgeräuschausgang 13 verbunden ist. Der Ausgang des Verstärkers 2 führt über einen Bandpaß 3 auf den nicht invertierenden Eingang eines Klopftriggers h. Der invertierende Eingang des Klopftriggers k ist mit einer Klemme 15 verbunden. Der Ausgang des Klopftriggers h führt über eine Klemme 1 Ij- an den Eingang eines Schalters 5. Der Ausgang des Schalters·5 ist mit dem Eingang einer monostabilen Kippstufe 6 verbunden, deren Ausgang an einem Klopfausgang 12 liegt. Eine Klemme 17 führt auf den Steuereingang 51 des Schalters 5·

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Es ist unwesentlich, welcher Art der Sensor 1 ist. In den Figuren 1 bis 3 ist dargestellt, daß der Sensor 1 im wesentlichen aus einem piezokeramischen Element besteht. Genausogut können an dessen Stelle optische Sensoren, Druckumformer, Biegeschwinger oder ähnliche Sensoren treten.

Der Ausgang des Verstärkers 2 ist über den Gleichrichter T und den ersten Integrierer 8 auf den Steuereingang 27 des Verstärkers 2 rückgekoppelt. Hiermit ist eine automatische Verstärkungsregelung erreicht, wie sie beispielsweise in weitem Maße aus der Rundfunkempfängertechnik bekannt ist. Der Verstärker 2 ist ein "operational transconductance amplifier", d.h. die Steilheit des Verstärkers (Spannungsverstärkung) wird über den Eingangsstrom am Steuereingang 27 eingestellt. Am Hintergrundgeräuschausgang 13 stellt sich somit ein Stromsignal ein, das umgekehrt proportional zum Signalpegel am Eingang 11 ist.

Das geregelte Ausgangssignal des Verstärkers 2 durchläuft einen Bandpaß 3, dessen Frequenzgang auf den typischen Frequenzgang eines zu erwartenden Klopfsignales abgestimmt ist. Somit können nur Signalspitzen innerhalb dieses Frequenzbereiches, also vorzugsweise Klopfimpulse, den nicht invertierenden Eingang des Klopftriggers h erreichen.

Der Klopftrigger h ist ein hysteresebehafteter Schmitt-Trigger. Die Hysterese bewirkt einen besseren Geräuschabstand zwischen Klopfsignal und Grundgeräusch auf dem Grundgeräuschpegel. An der Klemme 15 wird dem invertierenden Eingang des Klopftriggers h eine Spannung als Klopfschwelle zugeführt. Bei Überschreit en dieser Klopfschwelle plus der halben

Hysteresebreite durch das Signal am nichtinvertierenden Eingang des Klopftriggers h liegt ein positives Signal an der Klemme 1U an. Bei Unterschreiten der Klopfschwelle minus der halben Hysteresebreite nimmt die Klemme 1H negatives Potential an. Positives oder negatives Potential an der Klemme 1U sind hier im Sinne logischer Pegel zu verstehen. Die Klopfschwelle und die Hysteresebreite des Klopftriggers k sind so dimensioniert, daß sich für den Ausgang des Klopftriggers k, bzw. für das Signal an der Klemme 1h, eine eindeutige Vorzugslage ergibt. Das bedeutet, daß bei Abwesenheit eines Ausgangssignales des Filters 3, also bei "Leerlauf" am nichtinvertierenden Eingang des Klopftriggers k, dieses Ruhepotential außerhalb des Hysteresebereiches liegt. Damit ist sichergestellt, daß für jeden neuen Verbrennungszyklus und damit neuer Klopferkennung die gleiche Ruhelage und damit die gleiche Ansprechempfindlichkeit vorliegt.

Das Ausgangssignal des Klopftriggers U führt auf einen Schalter 5. Dieser Schalter 5 wird durch ein Fenstersignal, das an der Klemme 17 anliegt, geschlossen. Eine klopfende Verbrennung tritt in einem bestimmten Winkelbereich einer Kurbelwellenumdrehung auf. Außerhalb dieses Winkelbereiches ist eine klopfende Verbrennung nicht möglich, weil beispielsweise bei einer Viertakt-Brennkraftmaschine Ein- oder Auslaßventile geöffnet sind. Somit wird durch den Schalter 5 eine Zeitfilterung des Ausgangssignales des Klopftriggers h durchgeführt. Klopfähnliche Schwingungen der Maschine bzw. des von ihr angetriebenen Fahrzeuges können außerhalb dieses Fenstersignales nicht zu einer Klopfregelung beitragen.

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Das Signal an der Klemme \h wird auf die monostabile Kippstufe 6 geleitet, wenn der Schalter 5 geschlossen ist. Die monostabile Kippstufe 6 ist retriggerbar, und wird innerhalb ihrer Zeitkonstanten ein positives Signal am Klopfausgang 12 abgeben, solange sie durch Klopf impuls an der Klemme 1 h angestoßen -wird.

In Figur h ist eine Periode einer klopfenden Verbrennung einer Brennkraftmaschine dargestellt. Zeile h.A) zeigt ein Ausgangssignal des Verstärkers 2, der das Ausgangssignal des piezokeramischen, druckempfindlichen Sensors 1 geregelt verstärkt. Am Ausgang des Filters 3 liegt ein Signal nach Zeile k.B) an. Zeile k.C) zeigt erkannte Klopfimpulse an der Klemme 1U. Zeile k.D) stellt ein Fenstersignal zur Steuerung des Schalters an der Klemme 17 dar. Der Klopfausgang 12 liefert das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe 6 gemäß Zeile U.E).

Figur 2 zeigt eine geänderte Version der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Sie unterscheidet sich in drei Merkmalen vom Ausführungsbeispiel nach Figur 1. Erstens ist der Gleichrichter nach Figur 1 durch den Regeltrigger 23 ersetzt, zweitens ist die monostabile Kippstufe 6 durch eine geschaltete Stromquelle 22 als zweiten Integrierer ersetzt und drittens ist zusätzlich gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 dem ersten Integrierer 8 ein gesteuerter Schalter 20 vorgeschaltet.

Der Regeltrigger 23 weist die gleichen Merkmale wie der Klopftrigger k auf. Das Ausgangssignal des Verstärkers 2 führt auf den invertierenden Eingang des hysteresebehafteten Regeltriggers 23. Der nichtinver-

tierende Eingang ist mit einer Klemme 16 verbunden, über deren Spannungspotential die Triggerschwelle des Regeltriggers 23 festgelegt, ist. Der Ausgang des Regeltriggers 23 führt auf den Eingang des Schalters 20, dessen Ausgang auf den Eingang des Integrieres 8 führt.

An der Klemme lh anliegende Klopfimpulse innerhalb des Fenstersignals schalten die Stromquelle 22 ein und aus, so daß der Quellenstrom einen Kondensator auflädt. Der so integrierte Strom bildet am Kondensator ein Spannungssignalj so daß bei Überschreiten einer Schwelle eines nicht dargestellten Komparators sich ein Klopfsignal am Klopfausgang 12 ergibt. Über einen Rücksetzimpuls an einer Klemme 18 wird der Kondensator entladen, so daß der zweite Integrierer für die nächste Verbrennung erneut bereit ist.

Bei Vorliegen von Klopf impulsen an der Klemme '\k, die mit dem Steuereingang 21 des Schalters 20 verbunden ist, ist der Schalter 20 geöffnet. Das bedeutet, daß bei erkanntem Klopfen der Eingang des ersten Integrierers 8 abgeschaltet ist. Somit behält der erste Integrierer 8 seinen Wert bei, und der Verstärker 2 weist während der Klopferkennung eine konstante Verstärkung auf. Damit ist gewährleistet, daß die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Ausführungsbeispiel nach Figur 2 während der Klopferkennung nicht abnimmt, da starke Klopfimpulse nicht aufintegriert werden können. Der Einsatz des Regeltriggers 23 erlaubt eine schnelle und präzise automatische Verstärkungsregelung nach der Art eines Proportionalreglers.

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 2 weist in seiner Funktionsweise die gleichen Merkmale auf, wie sie zu

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Figur 1 bezüglich der Zeilen U.A) "bis h. D) der Figur h beschrieben wurden. Zeile U.F) zeigt, wie Klopfimpulse an der Klemme lh - Zeile k.C) - integriert werden. Bei Überschreiten der Komparatorschwelle ergibt sich am Klopf ausgang 12 ein Klopf signal gemäß Zeile h.n,).

Figur 3 zeigt ein drittes Anwendungsbeispiel, das sich vom Anwendungsbeispiel nach Figur 2 darin unterscheidet, daß der Schalter 5 und die geschaltete Stromquelle 22 durch einen Mikrocomputer 9 ersetzt sind. Die Klemme 1k führt dabei auf einen Eingang 91 > die Klemme 17 auf einen Eingang 93 des Mikrocomputers 9· Ein Ausgang 9^ ist mit dem Steuereingang 21 des Schalters 20 verbunden, ein Ausgang 92 führt auf den Klopfausgang 12.

Der Mikrocomputer 9 führt programmgemäß eine Entscheidung durch, ob ein Klopfen in Abhängigkeit der Klopfimpulse an der Klemme ^k vorliegt. Hineingerechnet wird das Fenstersignal an der Klemme 17· Über den Ausgang 9^ schaltet der Mikrocomputer 9 den Schalter 20. Entscheidungskriterium für den Mikrocomputer 9 ist die Anzahl der Impulse an der Klemme 1k. So wird ein Klopfen dann als gültig erkannt, wenn innerhalb des Zeitfensters mindestens drei Impulse an der Klemme 1U vorliegen.

Es gelten für das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 die Signalverläufe gemäß Figur k, Zeilen k.A) bis U.D), wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen. In Zeile h.H) ist das Signal am Klopfausgang 12 dargestellt. Dieses Signal wird vom Mikrocomputer 9 geliefert, wenn er an seinem Eingang 91 die erste Flanke eines dritten Pulses, innerhalb eines Zeitfensters

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an der Klemme 1T₅ an der Klemme 1^ erkennt. Weiterhin ist dargestellt, daß der Impuls in der Zeile h.H) durch das Ende des Zeitfensters an der Klemme 17 - Zeile U.D) - festgelegt ist.

Der Eingang 91 des Mikrocomputers 9 ist ein Interrupt-Eingang, um den Mikrocomputer 9 die Möglichkeit zu geben, dieses Signal sofort zu bearbeiten. Vom Mikrocomputer 9 werden darüber hinaus noch Funktionen in einer hier nicht dargestellten Klopfregelung ausgeführt. Weiterhin ist es durch verschiedene Programm-Variationen möglich, die Dauer des Klopfsignales nach der Zeile k .E) in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern zu gestalten, um so einen Einfluß auf die Regelung zu nehmen.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht nur auf diese drei Ausführungsbeispiele beschränkt. Es können auch sinnvolle Kombinationen der Merkmale der drei Ausführungsbeispiele gebildet werden. Ebenso ist es äquivalent möglich, das Sensorsignal durch einen Analog-Digital-Wandler zu wandeln, und die erfindungsgemäße Vorrichtung oder Teile von ihr durch Programmroutinen innerhalb eines Mikrocomputers zu realisieren.

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Claims (10)

1. 3341466

   R. 19060
2. 2.11.1983 Ko/Pi

   ROBERT BOSCH GMBH, TOOO STUTTGART 1

   Ansprüche

   ί 1 /) Vorrichtung zur Erkennung klopfender Verbrennungen bei Brennkraftmaschinen mit einem Klopfsensor (1), einem Verstärker (2) und einem Filter (3)_s dessen Frequenzgang einem zu erwartenden Klopfsignal angepaßt ist, wobei ein von dem Klopfsensor (1) geliefertes Signal auf den Verstärker (2), der Ausgang des Verstärkers (2) auf das Filter (3) führt und die Verstärkung des Verstärkers (2) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Filters (3) auf einen ersten Schwellwertschalter (k) führt, der eine Hysterese aufweist, und daß die Verstärkung des Verstärkers (2) in Abhängigkeit des Ausgangssignales des Verstärkers (2) gesteuert wird.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Verstärkers (2) auf einen Gleichrichter (1) geführt wird, dem ein erster Integrierer (8) nachfolgt, dessen Ausgang über einen Steuereingang (27) die Verstärkung des Verstärkers (2) steuert.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal des Verstärkers C2.) auf einen zweiten Schwellwertschalter (23), der eine Hysterese aufweist,geführt wird, dem ein erster Integrierer (8) nachfolgt, dessen Ausgang über einen Steuereingang (27) die Verstärkung des Verstärkers (2) steuert.
4. k. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Integrierer (8) dann seinen Wert im wesentlichen nicht ändert, insbesondere durch einen ersten Schalter (20), wenn eine klopfende Verbrennung erkannt wird.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Schwellwertschalter (h) ein zweiter Schalter (5) nachgeschaltet ist, der in dem Kurbelwellenwinkelbereich geschlossen ist, in dem klopfende Verbrennungen zu erwarten sind.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schalter (5) eine monostabile retriggerbare Kippstufe (6) nachgeschaltet ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Schalter (5) ein zweiter Integrierer, der als geschaltete Stromquelle (22) ausgebildet ist, nachgeschaltet ist.
8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Schwellwertschalter (h) ein Mikrocomputer (9) nachgeschaltet ist, daß der Mikrocomputer (9) in Abhängigkeit von Anzahl oder Dauer von Klopfimpulsen des Schwellwert schalters (k) ein Ausgangssignal an einem Ausgang (92) abgibt, daß der Mikrocomputer (9) den ersten Schalter (20) betätigt und daß der Mikrocomputer (9) in eine Regelung in Abhängigkeit der Erkennung klopfender Verbrennungen eingreift.
9. 9· Schaltungsanorndung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschalter {h, 23) eine Vorzugslage besitzen.
10. 10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß der erste Integrierer (8) als geschaltete Stromquelle ausgebildet ist.