DE4113743C3 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung der Klopfgrenze in einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Ver­ fahren zur Regelung des Klopfens in einer Brennkraft­ maschine, beispielsweise in einem Fahrzeug-Benzinmo­ tor, die das Klopfen im Motor erfaßt und verschiedene Motorregelparameter in einer Weise überwacht, um das Klopfen zu unterdrücken. Insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Klopf­ grenze, die in der Lage sind, die Regelung der Klopf­ grenze zu verbessern und die Fertigungskosten der Vorrichtung zu verringern. Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der DE 39 11 748 A1 bekannt.

Im allgemeinen wird in einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einem Fahrzeug-Benzinmotor mit ei­ ner Anzahl Zylinder das Luftbrennstoffgemisch in je­ dem Zylinder verdichtet und an einem optimalen Zünd­ zeitpunkt gezündet, damit eine maximale Ausgangslei­ stung ohne Auftreten eines Klopfens erzeugt wird. Zur ordnungsgemäßen Regelung des Betriebs der jeweili­ gen Zylinder ist es übliche Praxis, einen Mikrocomputer einzusetzen, der den Zündzeitpunkt, die Brennstoffein­ spritzfolge, den Brennstoffeinspritzzeitpunkt und der­ gleichen für die jeweiligen Zylinder in optimaler Weise steuert.

Unter den Steuerparamentern, wie zum Beispiel Brennstoffeinspritzmenge für jeden Zylinder, Zündzeit­ punkt, etc., so treten, falls der Zündzeitpunkt auf eine zu große Vorzündung geregelt wird, Motorschwingungen, die als Klopfen bezeichnet werden, in Folge einer anor­ malen Verbrennung des Luft/Brennstoffgemisches in ei­ nem Zylinder auf, und der Zylinder kann beschädigt oder zerstört werden. Um eine derartige Situation zu vermeiden, sollten, wenn anormale Motorschwingungen durch einen Sensor erfaßt werden, die Motorregelungs­ parameter in einer Richtung zum Unterdrücken der Klopfgrenze geregelt werden. Beispielsweise wird der Zündzeitpunkt für einen klopfenden Zylinder verzögert oder die in den klopfenden Zylinder einzuspritzende Brennstoffmenge wird verringert.

Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild einer weiteren be­ kannten Vorrichtung zur Regelung der Klopfgrenze ei­ ner Brennkraftmaschine. In der Figur umfaßt die ge­ zeigte Vorrichtung einen Klopfsensor 1 in Gestalt eines Beschleunigungssensor und dergleichen, der auf einem Motor zum Erfassen eines Klopfens im Motor installiert ist, beispielsweise zum Erfassen von Schwingungsbe­ schleunigungen in den Zylindern als Folge der Klopf­ grenze und zur Erzeugung eines entsprechenden elek­ trischen Ausgangssignals A, eine Klopfen-Erfassungs­ schaltung 2 zur Identifizierung, von Signalen, die auf dem Klopfen im Ausgangssignal des Klopfsensors 1 be­ ruhen und zur Erzeugung eines Ausgangssignals VR in analoger Form bei Erfassen eines Klopfens, einen Ana­ log/Digital-Umsetzer 3 zum Umsetzen des analogen Ausgangssignals der Klopfen-Erfassungsschaltung 2 in ein digitales Signal, und eine Motorregeleinheit 4 (die anschließend als ECU bezeichnet wird) in Gestalt eines Mikrocomputers einschließlich eines Zündzeitpunkt­ reglers 5, der zum Empfang des digitalen Signals aus dem A/D-Umsetzer 3 angeschlossen ist, um den Zünd­ zeitpunkt des Motors in entsprechender Weise zu re­ geln, damit das Klopfen im Motor unterdrückt wird.

Die Klopfen-Erfassungsschaltung 2 umfaßt ein Band­ filter 22 zur Filterung eines besonderen Frequenzbands des Ausgangssignals A des Klopfsensors 1, eine Tor­ schaltung 23, die mittels der Wirkung eines Maskie­ rungssignals M aus der Motorregeleinheit 4 betrieben werden kann, um spezifische Abschnitte des Ausgangs­ signals des Bandfilters 22 hindurchzulassen, eine Grund­ pegel-Schaltung 24, die das Ausgangssignal der Tor­ schaltung 23 empfängt und ein Ausgangssignal A' eines Grundpegels erzeugt, einen Komparator 25 mit einer ersten Eingangsklemme zur Aufnahme des Ausgangssi­ gnals A' der Torschaltung 23 und einer zweiten Ein­ gangsklemme, die mit dem Ausgangssignal der Grund­ pegel-Schaltung 24 versorgt wird, um einen Vergleich zwischen diesen Eingangssignalen vorzunehmen, und einen Integrator 26 mit einer Eingangsklemme, die mit der Ausgangsklemme des Komparators 25 verbunden ist und einer Ausgangsklemme, die an die Eingangs­ klemme des A/D-Umsetzers 3 angeschlossen ist, um das Ausgangssignal des Komparators 25 zu integrieren und an den A/D-Umsetzer ein Analogsignal auszugeben, wobei der Integrator 26 ferner eine Rücksetzklemme hat, die mit der Motorregeleinheit 4 (ECU) derart ver­ bunden ist, daß sie durch ein Rücksetzsignal R aus der Motorregeleinheit 4 rückgesetzt wird.

Fig. 8 zeigt schematisch die Wellenformen des Aus­ gangssignals A des Klopfsensors 1, das Maskierungssi­ gnal M, das Torschaltungsausgangssignal A', das Grundpegelsignal und das Integratorausgangssignal VR der in Fig. 7 dargestellten Vorrichtung zur Regelung der Klopfgrenze.

Die vorausgehend aufgebaute bekannte Vorrichtung zur Regelung der Klopfgrenze arbeitet wie folgt. Zuerst erzeugt der Klopfsensor 1 ein Ausgangssignal, das dem Bandfilter 22 zugeführt wird, in dem ein spezifisches Frequenzband gefiltert und der Torschaltung 23 zuge­ führt wird. Die Torschaltung 23, die eine Torsteuerklem­ me aufweist, die von der Motorregeleinheit 4 (ECU) mit einem Maskierungssignal R versehen wird, das in vorge­ gebenen Abständen auftretende Rechteckimpulse auf­ weist, arbeitet, um das Ausgangssignal des Klopfsensors 1, wie es durch das Bandfilter 2 gefiltert ist, in solcher Weise zu maskieren, daß jene Abschnitte des Ausgangs­ signals A des Klopfsensors, die den jeweiligen Recht­ eckimpulsen des Maskierungssignal M entsprechen, entfernt werden, um ein Ausgangssignal zu ergeben, das keine Impulse an den Stellen enthält, die den jeweiligen Rechteckimpulsen des Maskierungssignals M entspre­ chen. Das Ausgangssignal der Torschaltung 23 wird der ersten Eingangsklemme des Komparators 25 zugeführt, und gleichzeitig der Eingangsklemme der Grundpegel­ schaltung 24, so daß die Grundpegelschaltung 24 ein Ausgangssignal erzeugt, das einen vorgegebenen Hin­ tergrund-Spannungspegel hat. Die Grundpegelspan­ nung der Grundpegelschaltung 24 wird der zweiten Ein­ gangsklemme des Komparators 25 zugeführt und mit dem Ausgangssignal der Torschaltung 23 verglichen, die der ersten Eingangsklemme des Komparators 25 zuge­ führt wurde, so daß der Komparator 25 ein Ausgangssi­ gnal erzeugt, wenn das Ausgangssignal der Torschal­ tung 23 höher als die Grundpegelspannung ist. Das Aus­ gangssignal des Komparators 25 wird dem Integrator 26 zugeführt, der eine Integration durchführt, um gemäß Fig. 8 ein Ausgangssignal zu erzeugen. Diesbezüglich wird angemerkt, daß bei einer Mehrzylinder-Brenn­ kraftmaschine, obgleich in Fig. 7 nicht dargestellt, eine Mehrzahl Klopfsensoren 1 verwendet werden, jeweils einer für jeden Motorzylinder, und daß die Ausgangssi­ gnale der jeweiligen Klopfsensoren 1 dem Integrator 26 parallel zueinander durch das Bandfilter 22, die Tor­ schaltung 23 und den Komparator 25 zugeführt werden, so daß sie jeweils durch den Integrator 26 zur Lieferung entsprechender Ausgangssignale integriert werden. Zu diesem Zweck speist die Motorregeleinheit 4 (ECU) ein Rücksetzsignal für jeden Klopfsensorausgang an die Rücksetzklemme des Integrators 26 unter entsprechen­ der Zeitsteuerung. Das integrierte Augangssignal, in analoger Form, des Integrators 26 wird darauf dem A/D-Umsetzer 3 zugeführt und dort in ein digitales Si­ gnal VR umgesetzt, das seinerseits in die Motorregel­ einheit 4 eingelesen wird, wo abhängig vom digitalen Signal VR der Zündzeitpunktregeler 5 aufeinanderfol­ gend einen entsprechenden Klopfunterdrückung-Ver­ zögerungswinkel R unter Verwendung folgender Glei­ chung berechnet:

Theta R = Theta R* + Delta Theta R (1)

wobei Theta R* der letzte Klopfunterdrückungsverzö­ gerungswinkel und Delta Theta R sich ergibt zu,

Delta Theta R = VR × L,

wobei L ein Modifizierungskoeffizient ist.

Bei der vorstehend aufgeführten bekannten Vorrich­ tung zur Regelung der Klopfgrenze zählt jedoch die Klopfen-Erfassungsschaltung 2, die ein Hardware-Bau­ teil ist, eine Klopfenbestimmungsvorrichtung für das Klopfen, die die Grundpegelschaltung 24, den Kompa­ rator 25 und den Intgrator 26 enthält, um zu bestimmen, ob ein Klopfen im Motor vorhanden oder nicht vorhan­ den ist. Eine derartige Verarbeitung zur Bestimmung eines Klopfens umfaßt eine ziemlich komplizierte Schal­ tungsanordnung und stellt eine beträchtliche Last für die Regelungs-Hardware dar, was zu hohen Fertigungs­ kosten führt.

Die Erfindung ist daher darauf abgestellt, die vorste­ hend aufgeführten Schwierigkeiten der bekannten Vor­ richtung zur Regelung der Klopfgrenze zu beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue und verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zur Re­ gelung der Klopfgrenze bei einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die sich dazu eignet, die verwendeten Hard­ ware-Bauteile zu vereinfachen und die an ihnen wirksa­ me Last zu verringern, und die somit geringe Ferti­ gungskosten hat, während die Freiheit der Regelung einer Motorregelungseinheit verbessert wird.

Zur Lösung der vorstehenden Aufgabenstellung wird gemäß einem Aspekt der Erfindung eine Klopfunter­ drückungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine ge­ schaffen, die gekennzeichnet ist durch: einen Klopfsen­ sor zur Erfassung eines Klopfens in einem Zylinder; einen Signalprozessor zur Erzeugung, abhängig vom Ausgangssignal des Klopfsensors, eines Schwingungs­ pegels für einen vorgegebenen Kurbelwinkelbereich, ausgehend von einer Bezugskurbelstellung des Zylin­ ders; eine Filteranordnung, die einen Durchschnittswert des Schwingungspegels erzeugt; einen Rechner zur Lie­ ferung eines Klopfenermittlungsschwellenwertes, ab­ hängig von dem Durchschnittswert; einen Komparator zum Vergleich des Schwingungspegels mit dem Klop­ fenermittlungsschwellenwert und Erzeugung eines Klopfenermittlungssignals, wenn der Schwingungspegel den Klopfenermittlungsschwellenwert überschreitet; und einen Klopfwächter zur Regelung, abhängig von dem Klopfenermittlungssignal, von Motorregelparame­ tern in einer Richtung der Unterdrückung der Klopf­ grenze im Zylinder.

Vorzugsweise umfaßt die Filtervorrichtung: ein er­ stes Filter zum Ermitteln des Schwingungspegels zur Lieferung eines ersten Durchschnittswerts; und ein zweites Filter zur Ermittlung des ersten Durchschnitts­ werts zur Lieferung eines zweiten Durchschnittswerts.

Vorzugsweise erzeugt der Signalprozessor einen er­ sten Schwingungspegel und einen zweiten Schwin­ gungspegel jeweils bei einer ersten und zweiten Kurbel­ stellung. Der Rechner erzeugt einen Schwellenwert, ab­ hängig vom zweiten Schwingungspegel. Der Kompara­ tor erzeugt ein Klopfenermittlungssignal abhängig von einem Unterschied zwischen dem ersten Schwingungs­ pegel und dem Schwellenwert, der vom Rechner abhän­ gig vom zweiten Schwingungspegel erzeugt wird.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Klopfgrenzeregelungsverfahren zur Unterdrückung eines Klopfens in einer Brennkraftmaschine geschaffen, das folgende Schritte umfaßt: Erzeugung eines Schwin­ gungspegels, der ein Maß für die Schwingungen eines Zylinders des Motors ist; Mitteln des Schwingungspe­ gels zur Lieferung eines Durchschnittswerts; Erzeugung eines Klopfenermittlungsschwellenwerts abhängig von dem Durchschnittswert; Vergleich des Schwingungspe­ gels mit dem Schwellenwert zur Ermittlung, ob ein Klopfen im Zylinder stattfindet; und Regelung der Mo­ torregelparameter in einer Richtung zur Unterdrüc­ kung der Klopfgrenze im Zylinder, wenn der Schwin­ gungspegel den Schwellenwert überschreitet.

Die vorstehenden und weitere Aufgabenstellungen, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung einiger bevor­ zugter Ausführungsformen der Erfindung in Verbin­ dung mit den anliegenden Zeichnungen; es zeigen

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Klopf­ grenzeregelvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Wellenformdarstellung, die jeweils die Wellenformen eines Maskierungssignals M, eines Klopfsensorausgangssignals A und eines Scheitelwertsi­ gnals Vp der Vorrichtung gemäß Fig. 1 zur Erläuterung des Betriebs derselben, angibt,

Fig. 3 eine Ablaufdarstellung, die den Betrieb der Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Fig. 1 darstellt,

Fig. 4 ein schematisches Blockschaltbild einer Klopf­ grenzeregelvorrichtung für eine Brennkraftmaschine gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Wellenformdarstellung, die jeweils die Wellenformen eines Kurbelwinkelsignals, eines Klopf­ sensorausgangssignals A und eines Integratorausgangs­ signals VR der Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Fig. 4 zur Erläuterung des Betriebs derselben angibt,

Fig. 6 eine Ablaufdarstellung, die den Betrieb der Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Fig. 4 darstellt,

Fig. 7 ein schematisches Blockschaltbild einer be­ kannten Klopfgrenzeregelvorrichtung, und

Fig. 8 eine Wellenformdarstellung, die jeweils die Wellenformen eines Klopfsensorausgangssignals A, ei­ nes Maskierungssignals M, eines Torschaltungaus­ gangssignals A', eines Grundpegelsignals (BGL) und ei­ nes Integratorausgangssignals VR der Klopfgrenzer­ egelvorrichtung nach Fig. 7 zur Erläuterung des Be­ triebs derselben angibt.

Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen unter Be­ zugnahme auf einige bevorzugte Ausführungsformen gemäß den anliegenden Zeichnungen beschrieben.

Es wird auf die Zeichnungen und zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, wo die allgemeine Anordnung einer Klopfgrenzeregelvorrichtung für eine Brennkraftma­ schine dargestellt ist, die im Einklang mit einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung aufgebaut ist. Die dargestellte Klopfgrenzeregelvorrichtung umfaßt Klopfsensoren 101 (wovon einer dargestellt ist) und jeder in Gestalt eines Beschleunigung- oder Schwingungssensors, etc. ausgeführt ist, eine Schnittstellenschaltung 102 in Ge­ stalt eines Signalprozessors, einen A/D-Umsetzer 103 und eine Motorregeleinheit 140 (ECU).

Die Klopfsensoren 101 sind jeweils auf einem Zylin­ der einer Brennkraftmaschine montiert, um Schwingun­ gen des Zylinders zu erfassen und ein Ausgangssignal A mit hohen Frequenzen zu erzeugen, wie in Fig. 2 darge­ stellt ist.

Die Schnittstellenschaltung 102 ist zwischen den Klopfsensoren 101 und dem A/D-Umsetzer 103 einge­ schoben und empfängt die Ausgangssignale A der Klopfsensoren 101 und erzeugt aufeinanderfolgend ein Ausgangssignal, das ein Maß für den Pegel der Zylinder­ schwingungen während jeder vorgegebenen Periode in Bezug auf eine vorgegebene Bezugsposition eines jeden Zylinders ist. In diesem Falle umfaßt die Schnittstellen­ schaltung 102 eine Scheitelwert-Halteschaltung 126, die ein Scheitelpegelsignal Vp ausgibt, das den sich ändern­ den Scheitelpegel des Klopfsensorausgangssignals A während jeder Periode darstellt, die sich beispielsweise von 5° vor dem oberen Totpunkt eines Motorzyklus bis zu 75° vor dem oberen Totpunkt des folgenden Motor­ zyklus erstreckt, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Insbesonde­ re wird ein Maskierungssignal M, das Rechteckimpulse enthält, die jeweils beispielsweise bei 75° vor dem obe­ ren Totpunkt ansteigen, und bei 5° vor dem oberen Totpunkt abfallen, wie in Fig. 2 dargestellt ist, durch die Motorregeleinheit 140 (ECU) synchron mit der Motor­ drehung erzeugt und der Scheitelwert-Halteschaltung 126 zugeführt. Somit gibt die Scheitelwert-Halteschal­ tung 126 den Scheitelpegel Vp des Klopfsensoraus­ gangssignals A bei jeder ersten Bezugskurbelposition (beispielsweise bei 75° vor dem oberen Totpunkt) an die Motorregeleinheit 140 (ECU) über den A/D-Umsetzer 103 ab.

Die Motorregeleinheit 140 (ECU) umfaßt ein erstes Filter 141 zur Mittelung des A/D-umgesetzten Scheitel­ pegels Vp, um einen ersten Mittelwert VA1 zu liefern, der einem ersten Grundpegel BGL entspricht, ein zwei­ tes Filter 142 zur Mittelung des ersten Durchschnitts­ werts VA1 für jede vorgegebene Periode zur Lieferung eines zweiten Durchschnittswerts VA2, der einem zwei­ ten Grundpegel entspricht, einen Rechner 143 zur Er­ zeugung eines Schwellenwerts VTH für die Klopfener­ mittlung abhängig vom zweiten Durchschnittswert VA2, einen Komparator 144 zum Vergleich des Schei­ telwerts Vp mit dem Schwellenwert VTH für die Klop­ fenermittlung zur Erzeugung eines Ausgangssignals in Gestalt eines Klopfenermittlungssignals in Differential­ form, wenn der Scheitelpegel Vp den Schwellenwert VTH für die Klopfenermittlung überschreitet, und einen Klopfwächter 145 zur Erzeugung eines Klopfgrenzer­ egelsignals in Form eines Zündverzögerung-Regelsi­ gnals R, abhängig von dem Klopfenermittlungssignal VK. Unter den vorstehenden Bauelementen bilden das erste und das zweite Filter 141, 142 eine Filteranord­ nung, um den Durchschnitt des Schwingungspegels in Gestalt des Scheitelwertpegels Vp zu liefern. Bei dieser Ausführungsform ist die Filteranordnung zweistufig aufgebaut und umfaßt das erste und zweite Filter 141, 142, und der Rechner 143 erzeugt den Schwellenwert VTH für die Klopfenermittlung abhängig vom zweiten Durchschnittswert VA2 aus dem zweiten Filter 142. Wird jedoch die Durchschnittsbildung des Scheitelwert­ pegels Vp ausreichend in einer einzigen Stufe ausge­ führt oder mittels Verwendung eines Einzelfilters (bei­ spielsweise des ersten Filters 141), so kann das zweite Filter 142 entfallen, so daß der Schwellenwert VTH für die Klopfenbestimmung abhängig vom ersten Durch­ schnittswert VA1 aus dem ersten Filter 141 geliefert wird.

Der Betrieb der vorstehenden Ausführungsform so­ wie ein Klopfgrenzeregelverfahren zu ihrer Anwen­ dung wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf die Wellenformdarstellung der Fig. 2 und die Ablaufdar­ stellung der Fig. 3 beschrieben. Zunächst erfaßt in der Stufe S1 jeder Klopfsensor 101 die Schwingungen eines zugeordneten Zylinders und erzeugt ein entsprechendes Ausgangssignal A, dessen Scheitelwertpegel Vp über dem A/D-Umsetzer 103 der Motorregeleinheit 140 (ECU) bei jedem Zündvorgang des Zylinders zugeführt wird. Insbesondere hält die Scheitelwert-Halteschaltung 126 den Scheitelwertpegel des Klopfsensorausgangssi­ gnals A während einer vorgegebenen Periode eines je­ den Motorzyklus (beispielsweise eines Kurbelwinkelbe­ reichs von 5° vor dem oberen Totpunkt eines Motorzy­ klus bis zu 75° vor dem oberen Totpunkt des nachfol­ genden Motorzyklus) und dieser Scheitelwertpegel wird durch den A/D-Umsetzer 103 von analoger in digitale Form umgesetzt und dann der Motorregeleinheit 140 zugeführt.

Anschließend frägt in der Stufe S2 die Motorregelein­ heit 140 (ECU) den Scheitelwertpegel Vp bei einer er­ sten Bezugskurbelposition von beispielsweise 75° vor dem oberen Totpunkt ab und erzeugt ein Maskierungs­ signal M, das Rechteckimpulse enthält, von denen jeder bei einer ersten Bezugskurbelstellung (beispielsweise 75° vor dem oberen Totpunkt) eines Motorzyklus an­ steigt und bei einer zweiten Bezugskurbelstellung (bei­ spielsweise 5° vor dem oberen Totpunkt) des nachfol­ genden Motorzyklus abfällt, der sich nach dem Ablauf der vorgegebenen Periode nach der ersten Bezugskur­ belstellung anschließt. Das auf diese Weise erzeugte Maskierungssignal M wird der Scheitelwert-Halteschal­ tung 126 zugeführt, die an der ansteigenden Flanke ei­ nes jeden Impulses des Maskierungssignals M gesetzt wird. Die Scheitelwert-Halteschaltung 126 wird rückge­ setzt gehalten, solange das Maskierungssignal M auf einem Hochpegel liegt, und sie beginnt an der abfal­ lenden Flanke eines jeden Impulses des Maskierungssi­ gnals M zu arbeiten, beispielsweise an der zweiten Be­ zugskurbelstellung von 5° vor dem oberen Totpunkt, so daß die Motorregeleinheit 140 (ECU) wiederholt betrie­ ben wird, um ein Verarbeitungsprogramm gemäß Fig. 3 mittels des Scheitelwertpegelsignals Vp an jeder ersten Bezugswinkelstellung (beispielsweise 75° vor dem obe­ ren Totpunkt) zu starten.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ändert sich der Scheitel­ wertpegel Vp des Klopfsensorausgangssignals A das an jeder ersten Bezugskurbelstellung eines Zylinders be­ halten wird, in Einklang mit den Änderungen im Klopf­ sensorausgangssignal A für jeden Abfragezyklus. Ob­ gleich die Änderungen im Klopfsensorausgangssignal A durch das Klopfen im Zylinder und desgleichen durch Störspannungen verursacht werden, wird ein Grundpe­ gel, der den Änderungen im Scheitelwertpegel Vp in einem gewissen Umfang folgt, benötigt, um das Klopfen genau zu erfassen, da sich der Scheitelwertpegel Vp unter verschiedenen bedingungen zeitlich ändert.

Zu diesem Zweck mittelt in der Stufe S3 das erste Filter 141 den Scheitelwertpegel Vp bei der ersten Be­ zugskurbelstellung von 75° vor dem oberen Totpunkt, um unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung einen ersten Durchschnittswert VA1 zu liefern:

VA1 = (1 - k1) × VA1* + k1 × Vp (2)

wobei VA1* der letzte Wert des ersten Durchschnitts ist, und k1 eine Konstate ist, die ein Maß für den Bei­ tragsumfang des Scheitelwertpegels Vp in der Durch­ schnittsverarbeitung darstellt. Dabei kann K1 auf einen willkürlichen Wert innerhalb des Bereichs von 0 < k1 < 1 festgelegt werden.

Gemäß obiger Gleichung (2) verschiebt sich der erste Durchschnitt VA1 auf einen Wert, der den zuletzt be­ rechneten ersten Durchschnitt VA1, modifiziert durch den vorliegenden Scheitelwertpegel Vp darstellt, und wird somit laufend auf den neuen Stand gebracht. Die Konstante k1 zur Bestimmung des Beitragsumfangs des Scheitelwertpegels Vp wird beispielsweise auf 1/8 fest­ gesetzt, jedoch wird um ein schnelleres Folgevermögen der Pegelverschiebung des ersten Durchschnitts VA1 zu ergeben, die Konstante k1 auf einen Wert festgelegt, der größer als 1/8 ist.

Andererseits führt das zweite Filter 142 einen Zeitge­ berunterbrechungsvorgang für jede vorgegebene Zeit­ periode durch. Insbesondere wird in der Stufe S3' der erste Durchschnittswert VA1, der mittels des ersten Fil­ ters 41 erhalten wurde, weiterhin gemittelt, um unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung einen zwei­ ten Durchschnittswert VA2 zu liefern:

VA2 = (1 - k2) × VA2* + k2 × VA1 (3)

wobei VA2* der zuletzt berechnete zweite Durch­ schnittswert ist, und k2 eine Konstante, die ein Maß für den Beitragsumfang des ersten Durchschnittswerts VA1 bei der Durchschnittsverarbeitung ist, und k2 kann auf einen willkürlichen Wert innerhalb des Bereichs von 0 < k2 < 1 festgelegt werden.

Gemäß obiger Gleichung (3) verschiebt sich der zwei­ te Durchschnittswert VA2 auf einen Wert, der den zu­ letzt berechneten zweiten Durchschnittswert VA2*, modifiziert durch den vorliegenden ersten Durch­ schnittswert VA1, darstellt, und somit wird er aufeinan­ derfolgend auf den neuen Stand gebracht. Mit dieser Durchschnittswertverarbeitungsstufe S3' wird der zwei­ te Durchschnittswert VA2 ein Wert, der nicht wesent­ lich zu den Schwankungen im Scheitelwertpegel Vp bei­ trägt.

Nachfolgend verstärkt in der Stufe S4 in dem bei 75° vor dem oberen Totpunkt durchgeführten Verarbei­ tungsprogramm der Rechner 143 den zweiten Durch­ schnittswert VA2 und fügt eine Versetzung VOF hinzu, um einen Schwellenwert VTH zu liefern, der schließlich unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung für die Klopfenermittlung verwendet wird:

VTH = K × VA2 + VOF (4)

wobei K ein Verstärkungskoeffizient ist. In diesem Falle, da der zweite Durchschnittswert VA2 ausreichend ge­ glättet ist, wird eine Änderung in den Schwankungen des Schwellenwerts VTH zwischen aufeinanderfolgen­ den Motorzyklen, der durch obige Gleichung (4) erhal­ ten wird, im wesentlichen unterdrückt, womit ein ver­ läßlicher Wert geliefert wird.

Anschließend berechnet in der Stufe S5 zwecks Ver­ gleich zwischen dem Scheitelwertpegel Vp und dem Schwellenwert VTH, der Komparator 144, der als Klopfdetektor wirkt, eine zwischen ihnen vorhandene Differenz Vk (Vk = Vp - VTH). Anschließend wird in der Stufe S6 bestimmt, ob die Differenz Vk positiv ist.

Nachfolgend wird, wenn der Scheitelwertpegel Vp den Schwellenwert VTH übersteigt (d. h. Vk < 0), ein Klopfenermittlungssignal VK erzeugt, das repräsentativ für das Vorliegen eines Klopfens ist. In diesem Falle geht das Programm zur Stufe S7, wo der Klopfwächter 145 einen Verzögerungswinkel Delta Theta R berech­ net, der für die Klopfunterdrückungsregelung erforder­ lich ist, unter Verwendung nachfolgender Gleichung:

Delta Theta R = (VK/VTH) × L',

wobei L' ein Modifizierungskoeffizient ist. In diesem Falle wird, da der Verzögerungswinkel Delta Theta R abhängig vom Verhältnis des Klopfenermittlungssignals Vk zum Schwellenwert VTH berechnet wird, wie sich aus obiger Gleichung (5) ergibt, immer ein geeigneter Wert für den Verzögerungswinkel Delta Theta R erhal­ ten, selbst wenn eine Schwankung im Schwingungspe­ gel Vp vorliegt.

Anschließend wird in der Stufe S8 abhängig von dem somit erhaltenen Verzögerungswinkel Theta R ein ent­ sprechender Verzögerungssteuerwinkel R zur Verzöge­ rung des Zündzeitpunkts in einer Richtung zur Unter­ drückung der Klopfgrenze berechnet, unter Verwen­ dung der vorstehend aufgeführten Gleichung:

Theta R = Theta R* + Delta Theta R (1)

wobei Theta R* der letzte Verzögerungssteuerwinkel ist.

Wurde andererseits in der Stufe S6 die Beziehung Vk ≦ 0 ermittelt, so geht das Programm zur Stufe S9, wo ein Klopfenermittlungssignal Vk erzeugt wird, und aus obiger Gleichung (5) ergibt sich ein Verzögerungs­ winkel Delta Theta R = 0. Daher bleibt in diesem Fall der Verzögerungssteuerwinkel Theta R unverändert.

Abhängig von dem in dieser Weise erhaltenen Verzö­ gerungssteuerwinkel Theta R wird die Zündzeitpunktla­ ge für einen klopfenden Zylinder korrigiert, um sie zwecks Unterdrückung der Klopfgrenze in Zündverzö­ gerungsrichtung zu verschieben.

Gemäß dieser Ausführungsform enthält nur die Scheitelwert-Halteschaltung 126 einen Hardware-An­ teil und alle anderen Teile der Klopfenermittlungsvor­ richtung sind als Software in der elektronischen Regel­ einheit 140 (ECU) enthalten, so daß der Freiheitsgrad der Regelung erheblich verbessert wird. In dieser Weise wird die Belastung des Hardwareanteils erheblich ver­ ringert, womit es möglich ist, die Fertigungskosten zu verringern.

Obgleich in der vorstehenden Ausführungsform der Komparator 144 die Differenz zwischen dem Scheitel­ wertpegel Vp und dem Schwellenwert VTH als Klop­ fenermittlungssignal Vk ausgibt, kann er lediglich derart aufgebaut sein, daß ein Hochpegel-Ausgangssignal er­ zeugt wird, wenn der Schwingungspegel Vp den Schwellenwert VTH überschreitet.

Darüber hinaus kann, obgleich in obiger Ausfüh­ rungsform die Schnittstellenschaltung 120 zur Erzeu­ gung eines Schwingungspegels eine Scheitelwert-Halte­ schaltung umfaßt, die einen Scheitelwertpegel Vp aus­ gibt, kann sie einen Integrator 25 umfassen, wie er in der bekannten Vorrichtung nach Fig. 7 verwendet wird.

Fig. 4 stellt schematisch eine weitere Ausführungs­ form zur Erfindung dar, bei der ein Integrator zur Er­ zeugung eines Schwingungspegels in Form eines inte­ grierten Werts VR verwendet wird.

In Fig. 4 enthält eine Schnittstellenschaltung 220 ei­ nen Integrator 225 zum Integrieren des Ausgangssi­ gnals A eines Klopfsensors 201, und dieser gibt bei einer vorgegebenen ersten und zweiten Bezugskurbelstellung eines jeden Zylinders, die durch einen nicht dargestell­ ten Signalgenerator synchron mit der Motordrehung erzeugt werden, einen analog/digital-umgesetzten inte­ grierten Wert VR ab, der den vom Integrator 225 gera­ de vor dessen Rücksetzen durch ein Rücksetzsignal R aus der Motorregeleinheit 240 (ECU) berechneten Wert darstellt.

Die Motorregeleinheit 240 (ECU) enthält ein Filter 241 zur Mittelung des integrierten Werts VR2, der an der zweiten Bezugskurbelposition (beispielsweise 5° vor dem oberen Totpunkt) berechnet wurde, einen Rechner 243 zur Erzeugung eines Schwellenwerts VTH, abhängig vom Durchschnittswert VA aus dem Filter 241, einen Komparator 244 zum Vergleich eines inte­ grierten Werts VR1, der an der ersten Bezugskurbelstel­ lung (beispielsweise 75° vor dem oberen Totpunkt) be­ rechnet ist, mit dem Schwellenwert VTH, und einem Klopfwächter 245 zur Erzeugung eines Verzögerungs­ steuerwinkels R abhängig vom Klopfenermittlungssi­ gnal Vk aus dem Komparator 244.

Der Betrieb der vorstehend beschriebenen Ausfüh­ rungsform nach Fig. 4 und ein Klopfgrenzeregelverfah­ ren, das mittels dieser Ausführungsform durchgeführt wird, werden nunmehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die Wellenformdarstellung der Fig. 5 und die Ab­ laufdarstellung der Fig. 6 beschrieben.

Wie in Fig. 5 angegeben wird, wird das Ausgangssi­ gnal A eines jeden Klopfsensors 201 durch den Integra­ tor 225 integriert, um einen integrierten Wert zu liefern, der gerade bevor ein Rücksetzsignal R aus der Motorre­ geleinheit 240 (ECU) im Integrator 225 zugeführt wird, diesem als erster integrierter Wert VR1 bei der ersten Bezugskurbelstellung (beispielsweise 75° vor dem obe­ ren Totpunkt) eingegeben wird, wie einen zweiten inte­ grierten Wert VR2 an der zweiten Bezugskurbelstel­ lung (beispielsweise 5° vor dem oberen Totpunkt).

Abhängig von den jeweiligen integrierten Werten VR1, VR2, führt die Motorregeleinheit 240 (ECU) eine Klopfenermittlungsverarbeitung durch und eine Verzö­ gerungswinkelkorrekturverarbeitung zur Unterdrüc­ kung der Klopfgrenze. Insbesondere werden die jeweili­ gen Verarbeitungen gemäß Fig. 6 an der vorgegebenen ersten und zweiten Bezugskurbelstellung (beispielswei­ se 75° vor dem oberen Totpunkt und 5° vor dem oberen Totpunkt) eines jeden Zylinders durchgeführt, die ein nicht dargestellter Signalgenerator synchron mit der Motordrehung erzeugt.

Zunächst wird in der Stufe S11, in dem an der ersten Bezugskurbelstellung (beispielsweise 75° vor dem obe­ ren Totpunkt) durchgeführten Verarbeitungspro­ gramm, der Ausgang des Integrators 225 von analoger in digitale Form umgesetzt, um einen ersten integrierten Wert VR1 an der ersten Bezugskurbelstellung (bei­ spielsweise 75° vor dem oberen Totpunkt) zu liefern.

In der Stufe S12 wird der Integrator 225 durch ein Rücksetzsignal R aus der Motorregeleinheit 240 (ECU) rückgesetzt, und anschließend vergleicht in der Stufe S13 der Komparator 244 den ersten integrierten Wert VR1 mit dem Schwellenwert VTH und hält ein Klopfen­ ermittlungssignal Vk, unter Verwendung der nachfol­ genden Gleichung:

Vk = VR1 - VTH.

Dabei sei angemerkt, daß eine weitere Verarbeitung, die an der zweiten Bezugskurbelstellung (beispielsweise 5° vor dem oberen Totpunkt) erfolgt, um den Schwel­ lenwert VTH zu erhalten, später beschrieben wird.

Anschließend bestimmt der Komparator 244 in der Stufe S19, ob das Klopfenermittlungssignal Vk größer als Null ist. Ist die Antwort "ja" (d. h. daß ein Klopfen vorliegt) so berechnet der Zündungsregler 245 einen Verzögerungswinkel Delta Theta R in der Stufe S20 und einen Verzögerungssteuerwinkel der Stufe S22 aus den nachfolgenden Gleichungen:

Delta Theta R = Vk × L'',
Theta R = Theta R* + Delta Theta R,

wobei L'' ein Modifizierungskoeffizient ist.

Unmittelbar nachdem der Klopfwächter 244 einen Klopfgrenzeregelvorgang abhängig von dem auf diese Weise erhaltenen Verzögerungssteuerwinkel Theta R durchgeführt hat, wird der Integrator 225 durch ein Rücksetzsignal R rückgesetzt, das ihm in der Stufe S23 aus der Motorregeleinheit 240 (ECU) zugeführt wurde.

Dabei kann die Berechnung des vorstehend angege­ benen Verzögerungswinkels Delta Theta R in der Stufe S20 abhängig vom Verhältnis des Klopfenermittlungssi­ gnals Vk zum Schwellenwert VTH durchgeführt wer­ den. Wird andererseits in der Stufe S19 ermittelt, daß Vk ≦ 0 gilt (d. h. es liegt kein Klopfen vor), so wird der Verzögerungswinkel Delta Theta R in der Stufe S21 auf Null gesetzt, und anschließend werden die Stufen S22 und S23 durchgeführt.

Als nächstes wird nachfolgend das Verarbeitungspro­ gramm beschrieben, das bei der zweiten Bezugskurbel­ stellung (beispielsweise 5° vor dem oberen Totpunkt) zwecks Berechnung des Schwellenwerts VTH, der in der Stufe S13 verwendet wird, durchgeführt wird.

Zunächst wird in der Stufe S14 ein zweiter integrier­ ter Wert VR2 an der zweiten Bezugskurbelposition (beispielsweise 5° vor dem oberen Totpunkt) berechnet und anschließend wird in der Stufe S15 der Integrator 225 durch ein Rücksetzsignal aus der Motorregeleinheit 240 (ECU) rückgesetzt. Anschließend wird in der Stufe S16 der zweite integrierte Wert VR2 durch das Filter 241 gemittelt, um einen Durchschnittswert VA zu lie­ fern, unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung:

VA = (1 - k) × VA* + k × VR2,

wobei K ein Beitragskoeffizient des zweiten Integra­ tionswerts VR2 ist, und VA* den letzten Durchschnitt darstellt.

In der Stufe S17 verstärkt der Rechner 243 den auf diese Weise erhaltenen Durchschnittswert VA und fügt einen Versetzungswert VOF hinzu, um einen Schwellen­ wert VTH zu liefern, unter Verwendung der nachfolgen­ den Gleichung:

VTH = K × VA + VOF,

wobei K ein Verstärkungskoeffizient ist.

Nachdem in dieser Weise der Schwellenwert VTH erhalten wurde, erzeugt die Motorregeleinheit 240 (ECU) ein Rücksetzsignal R für den Integrator 225 und setzt diesen in der Stufe S18 zurück, womit das Schwel­ lenwertberechnungsprogramm beendet wird.

Bei der vorstehend beschriebenen zweiten Ausfüh­ rungsform wird es ebenfalls möglich, da der Aufbau der Hardware-Bauelemente erheblich vereinfacht und die Klopfenermittlung durch die Motorregeleinheit 240 (ECU) durchgeführt wird, eine Klopfenermittlung für jeden Zylinder bei geringen Kosten durchzuführen und somit eine Klopfgrenzeregelvorrichtung mit einem ho­ hen Freiheitsgrad und verbesserter Regelfähigkeit zu schaffen.

Obgleich in der zweiten Ausführungsform der zweite Integrationswert VR2 an der zweiten Bezugskurbelstel­ lung (beispielsweise 5° vor dem oberen Totpunkt) zur Berechnung des Schwellenwerts VTH verwendet wird, damit lediglich der Grundpegelanteil erfaßt wird, wäh­ rend jeglicher Klopfpegelanteil ausgeschlossen wird, kann der erste Integrationswert VR1 bei der ersten Be­ zugskurbelstellung (beispielsweise 75° vor dem oberen Totpunkt) für eine derartige Berechnung anstelle des zweiten Integrationswerts VR2 ohne irgendwelche praktischen Schwierigkeiten zur Verfügung stehen, da bei normalen Motorbetriebsbedingungen ein Klopfen selten auftritt.

Claims (10)

1. Klopfgrenzeregelvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch:
einen Klopfsensor (101) zur Erfassung eines Klopfens in einem Zylinder;
einen Signalprozessor (120) mit einem A/D-Umsetzer (103) zur Erzeugung, abhängig vom Ausgangssignal des Klopfsensors, eines Schwingungspegels für einen vorgegebenen Kurbelwinkel­ bereich, ausgehend von einer Bezugskurbelstellung des Zylinders;
eine Filteranordnung (141, 142), die einen Durchschnittswert des Schwingungspegels erzeugt;
einen Rechner (143) zur Lieferung eines Klopfenermittlungs­ schwellenwertes (VTH), abhängig von dem Durchschnittswert;
einen Komparator (144) zum Vergleich des Schwingungspegels mit dem Klopfenermittlungsschwellenwert (VTH) und Erzeugung eines Klopfenermittlungssignals, wenn der Schwingungspegel den Klopfenermittlungsschwellenwert überschreitet; und
einen Klopfwächter (145) zur Regelung, abhängig von dem Klopfenermittlungssignal, von Motorregelparametern in einer Richtung der Unterdrückung des Klopfens im Zylinder,
wobei die Filteranordnung (141, 142), der Rechner (143), der Komparator (144) und der Klopfwächter (145) als Software verwirklicht wird.

2. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Filteranordnung umfaßt:
ein erstes Filter (141) zum Ermitteln des Schwingungspegels zur Lieferung eines ersten Durchschnittswerts, und
ein zweites Filter (142) zur Mittelung des ersten Durch­ schnittswerts zur Lieferung eines zweiten Durchschnitts­ werts.

3. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Signalprozessor (120) einen ersten Schwingungspegel und einen zweiten Schwingungspegel jeweils an einer ersten und einer zweiten Bezugskurbelstellung er­ zeugt.

4. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rechner (143) einen Schwellenwert ab­ hängig vom zweiten Schwingungspegel erzeugt.

5. Klopfgrenzeregelvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Komparator (144) ein Klopfenermitt­ lungssignal abhängig von einer Differenz zwischen dem ersten Schwingungspegel und dem Schwellenwert erzeugt, der vom Rechner (143) abhängig vom zweiten Schwingungspegel erzeugt wird.

6. Klopfgrenzeregelverfahren zur Unterdrückung eines Klopfens in einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Erzeugung eines Schwingungspegels, der ein Maß für die Schwingungen eines Zylinders des Motors ist;
Mitteln des Schwingungspegels zur Lieferung eines Durch­ schnittswertes (VA1, VA2);
Erzeugung eines Klopfenermittlungsschwellenwerts (VTH) abhängig von dem Durchschnittswert mit Hilfe eines Rechners;
Vergleich des Schwingungspegels mit dem Schwellenwert zur Ermittlung, ob ein Klopfen im Zylinder stattfindet; und
Regelung der Motorparameter in einer Richtung zur Unter­ drückung des Klopfens im Zylinder, wenn der Schwingungspegel den Schwellenwert überschreitet.

7. Klopfgrenzeregelverfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schritt zur Mittelung des Schwingungs­ pegels zur Lieferung eines Durchschnittswerts umfaßt:
Mittelung des Schwingungspegels zur Lieferung eines ersten Durchschnittswertes (VA1); und
Mittelung des ersten Durchschnittswerts zur Lieferung eines zweiten Durchschnittswerts (VA2).

8. Klopfgrenzeregelverfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schritt der Erzeugung eines Schwin­ gungspegels, der ein Maß für die Schwingungen eines Zylin­ ders der Motors darstellt, die Erzeugung eines ersten Schwingungspegels und eines zweiten Schwingungspegels je­ weils an einer ersten und einer zweiten Bezugskurbelstellung umfaßt.

9. Klopfgrenzeregelverfahren nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schritt der Mittelung des Schwingungs­ pegels zur Lieferung eines Durchschnittwerts die Erzeugung eines Schwellenwerts (VTH) abhängig vom zweiten Schwingungs­ pegel umfaßt.

10. Klopfgrenzeregelverfahren nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Schritt der Erzeugng eines Klopfen­ ermittlungsschwellenwerts (VTH) abhängig von dem Durch­ schnittswert die Erzeugung eines Klopfenermittlungssignals abhängig von einer Differenz zwischen dem ersten Schwin­ gungspegel und dem Schwellenwert umfaßt, der abhängig vom zweiten Schwingungspegel erzeugt wird.