DE10004166A1

DE10004166A1 - Vorrichtung zur Klopferkennung mit digitaler Signalauswertung

Info

Publication number: DE10004166A1
Application number: DE10004166A
Authority: DE
Inventors: Oskar Torno; Axel Heinstein; Carsten Kluth; Werner Haeming
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-02-01
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2001-08-02
Also published as: US6529817B2; US20010011204A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Klopferkennung bei einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem, einem Zylinder der Brennkraftmaschine zugeordneten Klopfsensor beschrieben, bei der die eigentliche Klopferkennung mit rein digital arbeitenden Bauteilen erfolgt, wobei aus den aufbereiteten und digitalisierten Ausgangssignalen des Klopfsensors oder der Klopfsensoren, die klopftypischen Bestandteile extrahiert und zur Klopferkennung mit vorgebbaren, gegebenenfalls veränderbaren Schwellen vergleicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Klopferkennung nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Es ist bekannt, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen bei einer Brennkraftmaschine eine klopfende Verbrennung auftreten kann, die es zu verhindern gilt. Zur Erkennung der klopfenden Verbrennung werden vorgebbaren Zylindern oder jedem Zylinder der Brennkraftmaschine Klopfsensoren zugeordnet, die Ausgangssignale liefern, die bei Auftreten von Klopfen klopftypische Schwingungsanteile aufweisen. Die Auswertung der von den Klopfsensoren gelieferten Signale ist schwierig, da neben den vom Klopfen verursachten Signalanteilen beträchtliche Hintergrund- bzw. Störgeräusche vorhanden sind und diese von verschiedenen Betriebsbedigungen, beispielsweise der Drehzahl oder der Last der Brennkraftmaschine abhängen.

Zur Lösung dieses Problems gibt es bereits eine Vielzahl von Vorschlägen, die üblicherweise eine analoge Signalverarbeitung beinhalten. Dabei werden sowohl die klopftypischen Signale als auch die Hintergrundsignale mittels analoger Signalverarbeitungen bestimmt.

Eine Vorrichtung zur Erkennung des Klopfens einer Brennkraftmaschine, bei der die Signalverarbeitung zumindest teilweise mit Hilfe eines Digitalbausteins erfolgt, ist beispielsweise aus der DE-PS 31 37 016 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung zur Klopferkennung wird das vom Klopfsensor gelieferte Signal, das die klopftypischen Anteile und die Hintergrundsignale umfasst, mit Hilfe analoger Bauteile verstärkt, gefiltert, gleichgerichtet und integiert. Das integrierte Signal wir mit einem Hintergrundsignal verglichen, das durch geeignete Filterung ebenfalls aus dem integrierten Signal erhalten wird. Zur Ermittlung des Hintergrundsignales wird das integrierte Signal zunächst analog/digital gewandelt und dann mit Hilfe eines Digitalfilters weiterverarbeitet. Der Vergleich der Integralwerte mit dem mittels Digitalfilter gewonnenen Hintergrundsignal ermöglicht die Klopferkennung. Weichen die Integralwerte in vorgebbarer Weise von den Hintergrundwerten ab, wird auf Klopfen erkannt.

Die analogen Auswerteschaltungen sind üblicherweise als integrierte Schaltkreise aufgebaut. Solche analogen ICs sind recht unflexibel und genügen den anwachsenden funktionellen Anforderungen an die Signalauswertung nicht immer. Bei diesen analogen Auswerte-ICs sind mehrere Filter fest abgelegt. Es muß dann jeweils das Filter mit der besten Klopferkennung ermittelt werden. Sind im Klopfsignal mehrere Resonanzfrequenzen deutlich ausgeprägt oder ist eine ausgeprägte Störfrequenz vorhanden, so können diese mit den auswählbaren Filtern üblicherweise nur unzureichend genutzt oder ausgeblendet werden.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Klopferkennung hat demgegenüber den Vorteil, dass mehrere Frequenzen gezielt ausgewertet und eventuell vorhandene Störfrequenzen im Sensorsignal gezielt unterdrückt werden können. Damit ergibt sich eine vorteilhafte projektspezifische Flexibilität, die zu einer verbesserten Klopferkennung führt, wie sie mit einer analogen Signalauswertung nicht erreichbar ist. Weiterhin ist eine differentielle Signalauswertung der angeschlossenen Klopfsensoren möglich, dies hat den Vorteil, dass die Einkopplung von Störungen zusätzlich minimiert wird.

Erzielt werden diese Vorteile durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Klopferkennung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese Vorrichtung weist nur eine analoge Eingangsschaltung auf, der die Sensorsignale zugeführt werden und die eine erste Signalverarbeitung vornimmt. Die eigentliche Signalauswertung und Klopferkennung erfolgt in einem rein digitalen Schaltungsteil. Dieses digitale Schaltungsteil umfasst Signalverarbeitungmittel, beispielsweise Filter, die leicht an die zu erwartenden Erfordernisse anpassbar sind und eine projektspezifische Flexibilität ermöglichen und zu einer verbesserten Klopferkennung führen. Die digitalen Signalverarbeitungsmittel ermöglichen in vorteilhafter Weise eine Energieauswertung oder eine Spitzenwertauswertung der Sensorsignale.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Es ist dabei besonders vorteilhaft, dass bei der Ausgestaltung der digitalen Signalverarbeitungsmittel ohne großen Aufwand verschiedene Varianten eingesetzt werden können. Dabei wird vorteilhafterweise der analoge Eingangsteil für alle digitalen Alternativlösungen identisch gewählt.

Als vorteilhafte Alternativen für die digitalen Signalverarbeitungsmittel zur Energieauswertung sind einsetzbar: aufeinanderfolgend Filter, Gleichrichter oder Quadrierer und Integrator oder Mittel zur Durchführung einer diskreten Fourier Transformation (DFT) oder Mittel zur Durchführung eine schnellen Fourier Transformation (FFT). Alle drei Alternativen erlauben dabei eine Auswertung von mehreren Frequenzbereichen sowie eine Unterdrückung von vorhandenen Störfrequenzen. Als Ergebnis solcher Auswertungen liegen dann pro Verbrennung ein oder auch mehrere Klopfindizes vor, die mit Schwellen verglichen werden, wobei aus dem Vergleichsergebnis dann auf Klopfen oder Nichtklopfen entschieden wird. Bei diesem Vergleich werden vorteilhafterweise auch Referenzwerte für den klopffreien Betrieb mitberücksichtigt.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen Figur der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung

Das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist beispielhaft für die Auswertung der Ausgangssignale zweier Klopfsensoren 10 und 11 angegeben, die beispielsweise jeweils einem Zylinder einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine 9 zugeordnet sind. Die Ausgangssignale S1 und S2 der Klopfsensoren 10 und 11 werden jeweils einer Signalanpassungsschaltung 12, 13 zugeführt und von dieser so aufbereitet, dass sie vom Multiplexer 14 in vorgebbarer Weise weitergeleitet werden können.

Der Multiplexer 14 mit den Eingängen E1 und E2, als symmetrische Klopfsensoreingänge sowie ein Filter 15, beispielsweise ein Antialiasingfilter, ein nachfolgender Verstärker 16 sowie ein Analog/Digital-Wandler 17 bilden den Analogteil 18 der Signalaufbereitung. Die eigentliche Klopferkennung erfolgt im Digitalteil 19, das sich an den Analogteil anschliesst. Dem Digitalteil 19 wird dazu das vom Analog/Digital-Wandler 17 gelieferte Signal SD, das ein Digitalsignal ist, zugeführt.

Die digitale Signalauswertung bzw. das Digitalteil 19 ist beispielhaft für drei verschiedene Ausführungsformen angegeben. Zum einen kann das Digitalteil 19 ein Filter 20, einen Gleichrichter 21 und einen Integrator 22 umfassen oder es kann Mittel zur Durchführung einer diskreten Fourier Transformation 23 oder Mittel zur Durchführung einer schnellen Fourier Transformation (Fast Fourier Transformation FFT) 24 umfassen. Welche Signalauswertung durchgeführt wird, hängt von vorgebbaren Gegebenheiten ab und kann an die zur Verfügung stehenden Signale SD angepaßt werden oder projektspezifisch gewählt werden. Am Ausgang der digitalen Signalauswertung 19 entsteht das Auswertesignal SA, das die Klopfindizes umfaßt. Ausgehend von diesen Klopfindizes wird dann im Block 25, beispielsweise einem Vergleicher, Klopfen erkannt. Block 25 kann auch ein Controller des Steuergerätes der Brennkraftmaschine sein, das die Klopferkennung zur Beeinflussung bestimmter Grössen der Brennkraftmaschine, beispielsweise der Zündung benötigt. Generell kann die gesamte Vorrichtung zur Klopferkennung auch Bestandteil des Steuergerätes der Brennkraftmaschine sein.

Mit dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel für eine differentielle Signalauswertung können mehrere Klopfsensoren 10, 11 über symmetrische Eingangsbeschaltungen an einen Multiplexer 14 angeschlossen werden. Dieser schaltet immer nur den Klopfsensor durch, der die gerade ablaufende Verbrennung am besten erfaßt. Anschließend wird das Ausgangssignal des Multiplexers 14 über das Filter 15, beispielsweise ein Antialiasingfilter sowie gegebenenfalls noch über einen Verstärker 16 zum Analog/Digital-Wandler 17 geführt.

Nachdem das Signal SD am Ausgang des Analog/Digital-Filters 17 digital vorliegt, kann die eigentliche digitale Signalauswertung erfolgen. Diese digitale Signalauswertung, die im Digitalblock 19 abläuft, beinhaltet üblicherweise eine Energieauswertung. Anstelle einer Energieauswertung könnte auch eine Spitzenwertermittlung zur nachfolgenden Klopferkennung durchgeführt werden.

Ein Verfahren für die Energieauswertung, das in Verbindung mit einer Analogschaltung bereits bekannt ist, besteht darin, das Signal des Klopfsensors zu filtern, das gefilterte Signal gleichzurichten und das gleichgerichtete Signal zu integrieren. Alternativ könnte auch eine diskrete Fourier Transformation (DFT) oder eine Fast Fourier Transformation (FFT) durchgeführt werden. Die drei genannten Auswerteverfahren erlauben jeweils eine Auswertung von mehreren Frequenzbereichen sowie eine Unterdrückung von vorhandenen Störfrequenzen. Als Ergebnis dieser Auswertung liegen dann pro Verbrennung in einem Zylinder der Brennkraftmaschine ein oder auch mehrere Klopfindizes vor. Auf Klopfen wird erkannt, wenn dieser Klopfindex oder diese Klopfindizes bestimmte vorgebbare und gegebenenfalls anpaßbare Schwellen überschreiten. Beispielsweise wird bei diesem Vergleich auch ein Referenzwert für den klopffreien Betrieb berücksichtigt. Ein solcher Referenzwert läßt sich mit der selben Auswerteeinrichtung immer dann gewinnen, wenn sichergestellt ist, dass klopffreier Betrieb vorliegt. Klopffreier Betrieb liegt dabei bei bekannten Bedingungen des Betriebes der Brennkraftmaschine vor. Da die erfindungsgemäße Klopferkennung in Verbindung mit einem Steuergerät für die Brennkraftmaschine eingesetzt wird, das diese Betriebsbedingungen erkennt, ist es möglich, aus den Signalen SA sowohl die Klopfwerte ikr als auch die Referenzwerte rkr zu ermitteln

Mit den üblichen Bezeichnungen für:

Klopfwert	ikr
Referenzwert	rkr
Klopferkennungsschwelle	ke

wird dann auf Klopfen erkannt, wenn gilt:

ikr/rkr < ke

Die obengenannte Bedingung für die Klopferkennung, die beispielsweise im Schaltungsteil 25 geprüft wird, wird auch bei herkömmlichen Klopferkennungssystemen verwendet, im Unterschied zu den herkömmlichen Systemen wird jedoch bei der beschriebenen Lösung die wesentliche Signalauswertung in einer digitalen Signalauswertung durchgeführt und Klopfwert, Referenzwert und Klopferkennungsschwelle sind jeweils Digitalwerte.

Die Signalauswertung erfolgt in verschiedenen Frequenzbereichen, wobei die Auswahl der Frequenzbereiche so erfolgt, dass die Frequenzbereiche mit hohem Klopfsignalanteil bevorzugt werden und die mit hohem Störantil (Störfrequenzen) unterdrückt werden. Die für einzelne Frequenzen ermittelten Klopfwerte ikr stellen Klopfindizes dar, die letztendlich zur Klopferkennung ausgewertet werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Klopferkennung bei einer Brennkraftmaschine, mit einem oder mehreren Klopfsensoren zum Erfassen der durch die klopfenden Verbrennungen ausgelösten Schwingungen und Mitteln zur Signalauswertung, die wenigstens einen Eingang, einen Multiplexer und einen Analog-/Digital-Wandler umfassen und das vom Klopfsensor oder von den Klopfsensoren gelieferte analoge Signal in ein digitales Signal wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang wenigstens zwei symmetrische Klopfsensoreingänge (E1, E2) umfasst, dass eine digitale Signalverarbeitung (19) vorhanden ist, die das digitalisierte Signal (SD) auswertet und die zur Klopferkennung erforderlichen digitalen Mittel, insbesondere wenigstens eine digitale Filtereinrichtung umfasst.

2. Vorrichtung zur Klopferkennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Signalauswertung (19) aus dem digitalisierten Signal (SD) wenigstens einen Klopfindex ermittelt, der aus wenigstens einem Frequenzbereich bestimmt wird.

3. Vorrichtung zur Klopferkennung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine auszuwertende Frequenzbereich zumindest von einem der Betriebsparameter der Brennkraftmaschine abhängig ist.

4. Vorrichtung zur Klopferkennung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Klopferkennung geprüft wird, ob ein Klopfindex oder mehrere Klopfindizes größer sind als eine oder mehrere Schwellen.

5. Vorrichtung zur Klopferkennung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwelle oder die Schwellen von wenigstens einem Betriebsparameter der Brennkraftmaschine abhängig sind.

6. Vorrichtung zur Klopferkennung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem mindestens einen Klopfindex auch der Referenzwert oder die Referenzwerte berücksichtigt werden, die für den klopffreien Betrieb ermittelt werden.

7. Vorrichtung zur Klopferkennung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Klopfen erkannt wird, wenn das Verhältnis eines digitalen Klopfwertes ikr zu einem zugehörigen Referenzwert rkr grösser ist als eine vorgebbare, gegebenenfalls variierbare Klopferkennungsschwelle ist.

8. Verfahren zur Klopferkennung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Trennung der klopftypischen Signale von den Hintergrundsignalen ablaufenden Auswertungen in einer Vorrichtung mit einem Digitalteil (19) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ablaufen.