DE19755256A1 - Engine knock detection method for IC engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von klopfender Ver brennung aus einem Ionenstromsignal bei Brennkraftmaschinen mit elektronischer Zündzeitpunktverstellung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for detecting knocking Ver Combustion from an ion current signal in internal combustion engines electronic ignition timing according to the preamble of Claim 1.
Die klopfende Verbrennung einer Brennkraftmaschine ist eine unkontrol lierte Explosion des noch nicht verbrannten Gemischs im Zylinder und kann bei starken Klopfschlägen zur Schädigung des Motors führen. Da jedoch gerade an der Klopfgrenze, also bei bereits leicht klopfender Verbrennung der Motor seine maximale Leistung freisetzt, ist es Ziel einer Motor steuerung, diesen möglichst nahe an der Klopfgrenze zu betreiben. Tritt Klopfen auf, wird der Zündzeitpunkt in Richtung späterer Zündung verschoben. Klopfende Verbrennung ist durch Schwingungen (5 bis 20 kHz) im Bereich nach dem Zylinderdruckmaximum charakterisiert und mittels des Ionenstroms ermittelbar. Das Ionenstromsignal weist jedoch bereits ein erstes Maximum sowie Schwankungen des Ionenstroms bei der sich ausbreitenden Flammfront auf. Dieses kann die Klopferkennung verfälschen, da diese Schwankungen auf Turbulenzen im Zylinder, nicht jedoch auf Klopfen zurückzuführen sind.The knocking combustion of an internal combustion engine is an uncontrolled one explosion of the not yet burned mixture in the cylinder and can lead to damage to the engine in the event of strong knocking. However, since just at the knock limit, i.e. when the combustion is already knocking slightly the engine releases its maximum power, it is the target of an engine control to operate it as close as possible to the knock limit. Kick Knock on, the ignition point is in the direction of later ignition postponed. Knocking combustion is caused by vibrations (5 to 20 kHz) characterized in the area after the cylinder pressure maximum and by means of of the ion current can be determined. However, the ion current signal already indicates first maximum and fluctuations in the ion current at the spreading flame front. Knock detection can do this falsify, as these fluctuations on turbulence in the cylinder, do not knocking, however.
Verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Erkennung klopfender Verbrennung sind bspw. der DE 42 39 592 C2, der DE 21 782 C2, der DE 34 15 948 C2, der DE 30 27 103 sowie der GB 2 259 365 zu entnehmen.Various devices and methods for detecting knocking Combustion are, for example, DE 42 39 592 C2, DE 21 782 C2, the DE 34 15 948 C2, DE 30 27 103 and GB 2 259 365.
Diese Verfahren nach dem Stand der Technik weisen den erheblichen Nachteil auf, daß die Zeitfenster mittels eines Kurbelwinkelpositions detektors zu einer festen Kurbelwinkelposition aktiviert werden und es bei einer kurbelwinkelpositionsbezogenen Steuerung des Zeitfensters und gleichzeitiger Verstellung des Zündzeitpunktes zu sehr starken Unter schieden des Ionenstromssignals kommen kann. So ist beabsichtigt, die Zündzeitpunkte in einem so großen Bereich zu verändern, daß ein an eine Kurbelwinkelposition gekoppeltes Zeitfenster zum Teil den für die Klopf erkennung relevanten Zeitbereich nur teilweise oder gar nicht erfaßt.These prior art methods show the considerable Disadvantage that the time window by means of a crank angle position be activated to a fixed crank angle position and it at a crank angle position-related control of the time window and simultaneous adjustment of the ignition timing to very strong under can differ from the ion current signal. So it is intended that To change ignition times in such a large range that one to one Crank angle position coupled time window in part that for the knock detection of the relevant time range only partially or not at all.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erkennung von klopfender Verbrennung aus einem Ionenstromsignal bei Brennkraftmaschinen mit elektronischer Zündzeitpunktverstellung anzugeben, welches technisch einfach sowie störungssicher realisierbar ist und außerdem insbesondere auch für die Verstellung des Zündzeitpunktes geeignet ist.The object of the invention is to provide a method for detecting knocking Combustion from an ion current signal in internal combustion engines electronic ignition timing to specify which technical is simple and fail-safe to implement, and in particular is also suitable for adjusting the ignition timing.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unter ansprüchen zu entnehmen. So wird durch die Nachführung des Zeitfensters nach dem Zündzeitpunkt eine kurbelpositionsunabhängige Erfassung des für eine klopfende Verbrennung signifikanten zeitlichen Bereich des Ionenstromsignals gewährleistet, die somit auch bei Verstellung des Zündzeitpunktes zuverlässig arbeitet. Eine vorteilhafte Weiterbildung davon ist, daß durch die Berücksichtigung des Betriebszustandes der Brennkraft maschine durch Veränderung des Anfangs und der Dauer des an den Zünd zeitpunkt gekoppelten Zeitfensters über Parameter eine noch genauere Erkennung der klopfenden Verbrennung bei den verschiedenen Betriebs zuständen möglich wird. Die zeitliche Bezugnahme auf den Anfangspunkt des Zündens als Zündzeitpunkt ist nicht begrenzend zu verstehen und kann aufgrund der konstanten oder zumindest bekannten Zünddauer auch auf das Ende des Zündens gelegt werden. Der Zeitabstand zwischen dem Zündende als Bezugszeitpunkt und dem Anfang des Zeitfensters ist dann um die Dauer des Zündfunkens entsprechend zu verkürzen.This object is achieved by the characterizing features of claim 1 solved. Advantageous developments of the invention are the sub claims. This is done by tracking the time window after the ignition point a detection of the crank position independent for a knocking combustion significant time range of the Guaranteed ion current signal, which thus even when adjusting the Ignition timing works reliably. An advantageous further training thereof is that by taking into account the operating condition of the internal combustion engine machine by changing the start and duration of the ignition time-coupled time window via parameters an even more precise Detection of the knocking combustion at the different companies conditions is possible. The temporal reference to the starting point Ignition as the ignition point is not to be understood as limiting and can due to the constant or at least known ignition duration the end of the ignition will be put. The interval between the Then the ignition point is the reference point and the beginning of the time window to shorten the duration of the spark accordingly.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungs beispielen erläutert. The invention is described below with reference to figures and design examples explained.
Fig. 1 Ionenstromsignal bei einer klopfenden Verbrennung, Fig. 1 ion current signal for knocking combustion,
Fig. 2 mittels eines Bandpasses auf den für das Klopfen signifikanten Frequenzbereich gefiltertes Ionenstromsignal gemäß Fig. 1, Fig. 2 filtered by a band-pass filter on the significant for knocking frequency range ionic current signal shown in FIG. 1,
Fig. 3 Lage des Zeitfensters (3a), Ergebnis des gleichgerichteten Ionenstromsignals innerhalb des Zeitfensters (3b) und Inte gration (3c) des Signals bei einem frühen Zündzeitpunkt und aufgrund starrer, an die Kurbelwinkelposition gekoppelter Zeitfensterung eine fehlerhafte Klopferkennung, Fig. 3 position of the time window (3 a), a result of the rectified ion current signal within the time window (3 b) and inte gration (3 c) of the signal at an early ignition and due to rigid, coupled to the crank angle position of time-gating an erroneous detection of knocking,
Fig. 4 Lage des Zeitfensters (4a), Ergebnis des gleichgerichteten Ionenstromsignals innerhalb des Zeitfensters (4b) und Inte gration (4c) des Signals bei einem an den Zündzeitpunkt gekoppelten Zeitfenster und folglich fehlerfreie Klopf erkennung, Fig. 4 position of the time window (4 a), a result of the rectified ion current signal within the time window (4 b) and inte gration (4 c) of the signal at an output coupled to the ignition timing time window and detection thus error-free knock,
Fig. 5 Lage des Zeitfensters (5a), Ergebnis des gleichgerichteten Ionenstromsignals innerhalb des Zeitfensters (5b) und Inte gration (5c) des Signals bei einem späten Zündzeitpunkt und aufgrund starrer, an die Kurbelwinkelposition gekoppelter Zeitfensterung eine fehlerhafte Klopferkennung, Fig. 5 position of the time window (5 a), a result of the rectified ion current signal within the time window (5 b) and inte gration (5 c) of the signal at a late ignition timing, and due to rigid, coupled to the crank angle position of time-gating an erroneous detection of knocking,
Fig. 6 Ionenstromsignal bei einer klopffreien Verbrennung, Fig. 6 ion current signal during a knock-free combustion,
Fig. 7 bandpaßgefiltertes Ionenstromsignal gemäß Fig. 6, Fig. 7 bandpass filtered ion current signal of FIG. 6,
Fig. 8 Lage des Zeitfensters (8a), Ergebnis des gleichgerichteten Ionenstromsignals innerhalb des Zeitfensters (8b) und Inte gration (8c) des Signals bei einem frühen Zündzeitpunkt und aufgrund starrer, an die Kurbelwinkelposition gekoppelter Zeitfensterung eine fehlerhafte Klopferkennung, Fig. 8 position of the time window (8 a), a result of the rectified ion current signal within the time window (8 b) and inte gration (8 c) of the signal at an early ignition and due to rigid, coupled to the crank angle position of time-gating an erroneous detection of knocking,
Fig. 9 Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Erkennung klopfender Verbrennung. Fig. 9 block diagram of an arrangement for performing the method for detecting knocking combustion.
Fig. 1 zeigt zunächst den typischen verlauf des Ionenstromsignals i bei einer klopfenden Verbrennung. Deutlich sind die zwei zeitlich auseinander liegenden Amplitudenausschlagsbereiche zu erkennen. Während der erste Schwingungsbereich (Flammfrontsignalbereich 1) die Ionisation während der sich ausbreitenden Flammfront charakterisiert, tritt zeitlich verzögert ein zweiter Amplitudenausschlagsbereich (Klopfsignalbereich 2) mit einer für die klopfende Verbrennung charakteristischen Oberschwingung auf. Fig. 1 shows the typical course first the ion current signal i when a knocking combustion. The two amplitude deflection ranges, which are separated in time, can be clearly seen. While the first oscillation range (flame front signal range 1 ) characterizes the ionization during the spreading flame front, a second amplitude deflection range (knock signal range 2 ) occurs with a harmonic characteristic of the knocking combustion.
Während es bei einer normalen klopffreien Verbrennung zu einem nieder frequenten Amplitudenwechsel kommt, tritt beim Klopfen eine stoßweise, pulsierende Ionisation auf. Noch deutlicher ist dies zu erkennen, wenn man das bandpaßgefilterte Ionenstromsignal if in Fig. 2 betrachtet. Die niederfrequenten Anteile des Ionenstromsignals sind dabei ausgelöscht und der Flammfrontsignalbereich 1 ist leicht vom Klopfsignalbereich 2 zu unterscheiden. Die Amplituden im Flammfrontsignalbereich 1 sind jedoch auffällig höher als die Schwingungen im Klopfsignalbereich 2.While a normal, knock-free combustion results in a low-frequency amplitude change, knocking causes pulsed, pulsating ionization. This can be seen even more clearly when one considers the bandpass-filtered ion current signal i f in FIG. 2. The low-frequency components of the ion current signal are extinguished and the flame front signal area 1 can easily be distinguished from the knock signal area 2 . However, the amplitudes in the flame front signal area 1 are markedly higher than the vibrations in the knock signal area 2 .
Betrachtet man nun in Fig. 3 die Auswirkungen eines starr an die Kurbel winkelposition gekoppelten Zeitfensters gemäß dem Stand der Technik, so wird deutlich, daß bei einem frühen Zündzeitpunkt das Zeitfenster 3 somit sehr spät einsetzt (Zeitfensteranfang ist jeweils als t0 bezeichnet). Das Zeitfenster 3 kann somit den Klopfsignalbereich 2 nicht mehr vollständig erfassen. Das Zeitfenster 3 ist in seinem Anfang t0 und seiner Dauer (bis tE) dabei von anderen Zeitfenstern bspw. der Zündaussetzererkennung zu unterscheiden, da in für die Klopferkennung ein viel kleinerer Zeitbereich erfaßt wird. Das zeitgefensterte und gleichgerichtete Signal ist im Klopfsignalbereich 2 somit verkürzt (vgl. Fig. 3b), was bei der Integration (vgl. Fig. 3c) zu einem zu geringen Intralwert ∫ i dt führt, der die signifikante Klopfschwelle 4 nicht erreicht. Die Klopferkennung erkennt somit trotz auftretenden Klopfens eine klopffreie Verbrennung. Bei bestimmten, die Leistung optimierenden Steuerungsverfahren würde dann der Zündzeit punkt noch weiter nach vorne verschoben, um näher an die real bereits überschrittene, jedoch leistungsoptimale Klopfgrenze zu gelangen und damit die Brennkraftmaschine in einen noch stärker klopfenden Betriebs zustand gebracht. Eine derartige Steuerung würde also aufgrund der fehler haften Klopferkennung genau in die verkehrte Richtung steuern. If one now considers in FIG. 3 the effects of a time window rigidly coupled to the crank angle position according to the prior art, it becomes clear that the time window 3 begins very late at an early ignition point (time window start is in each case designated as t 0 ). The time window 3 can therefore no longer fully detect the knock signal area 2 . In its beginning t 0 and its duration (to t E ), the time window 3 is to be distinguished from other time windows, for example misfire detection, since a much smaller time range is detected for the knock detection. The time-windowed and rectified signal is thus shortened in the knock signal area 2 (see FIG. 3b), which leads to an insufficient intral value ∫ i dt during integration (see FIG. 3c), which does not reach the significant knock threshold 4 . The knock detection thus recognizes knock-free combustion despite knocking occurring. With certain control methods that optimize performance, the ignition point would then be shifted even further forward in order to get closer to the knock limit that had already been exceeded but was optimal in terms of performance and thus brought the internal combustion engine into an even stronger knocking operating state. Such a control would therefore control precisely in the wrong direction due to the faulty knock detection.
Im Vergleich dazu macht die Fig. 4 für ein dem Zündzeitpunkt nachgeführtes Zeitfenster deutlich, daß hier das Zeitfenster immer den Klopfsignalbereich 2 exakt erfaßt, dieser genau zwischen dem Anfang t0 und dem Ende tE inmitten des Zeitfensters 3. Das zeitgefensterte und gleich gerichtete Ionenstromsignal gemäß Fig. 4b kann somit unverfälscht inte griert werden und erreicht aufgrund der für die klopfende Verbrennung signifikanten Schwingungen im Klopfbereich 2 die Klopfschwelle 4 (vgl. Fig. 4C). Die Verbrennung wird korrekt als klopfend erkannt.In comparison to this, FIG. 4 makes clear for a time window that follows the ignition point in time that the time window always detects the knock signal area 2 exactly, this precisely between the beginning t 0 and the end t E in the middle of the time window 3 . The time-windowed and rectified ion current signal according to FIG. 4b can thus be integrated in an unadulterated manner and reaches the knocking threshold 4 due to the vibrations in the knocking area 2 that are significant for the knocking combustion (cf. FIG. 4C). The combustion is correctly recognized as knocking.
Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 5 wieder die Auswirkungen eines starr an die Kurbelwinkelposition gekoppelten Zeitfensters gemäß dem Stand der Technik bei klopfender Verbrennung, jedoch diesmal bei einem späten Zündzeitpunkt, so daß das Zeitfenster 3 somit sehr früh einsetzt (Zeit fensteranfang ist jeweils als t0 bezeichnet). Am Anfang des Zeitfensters 3 wird dann noch teilweise der Flammfrontbereich 1 erfaßt (vgl. Fig. 5a). Das zeitgefensterte und gleichgerichtete Ionenstromsignal erhält somit, wie aus Fig. 5b deutlich zu entnehmen, neben dem Klopfsignalbereich 2 auch Anteile des Flammfrontbereichs 1, welcher zudem eine hohe Amplitude aufweist. Dies führt zu einem schnellen Anstieg des Integralwerts bereits auf Basis des aufintegrierten Flammfrontbereichs 1 (vgl. Fig. 5c), der in diesem Ausführungsbeispiel bereits ausreicht, um an bzw. über die Klopfschwelle zu kommen. Selbst wenn nachfolgend keine Klopfsignale mehr folgen würden, würde bereits Klopfen erkannt. Der Integralwert ∫ i dt steigt im Klopfsignalbereich 2 nochmals an.In contrast, FIG. 5 again shows the effects of a time window rigidly coupled to the crank angle position in accordance with the prior art with knocking combustion, but this time at a late ignition point, so that the time window 3 begins very early (time window start is in each case as t 0 designated). At the beginning of the time window 3 , the flame front area 1 is then partially detected (cf. FIG. 5a). The time-windowed and rectified ion current signal thus, as can be clearly seen from FIG. 5b, not only receives knock signal area 2 but also portions of flame front area 1 , which also has a high amplitude. This leads to a rapid increase in the integral value based on the integrated flame front area 1 (cf. FIG. 5c), which in this exemplary embodiment is already sufficient to reach or reach the knock threshold. Even if knocking signals would no longer follow, knocking would already be recognized. The integral value ∫ i dt increases again in the knock signal area 2 .
Noch gravierender sind die Auswirkungen eines starr an die Kurbelwinkel position gekoppelten Zeitfensters bei zu frühem Zeitfenster und bei einem späten Zündzeitpunkt, wenn wir eine klopffreie Verbrennung betrachten. Fig. 6 zeigt zunächst das Ionenstromsignal i bei dem nun nach dem Flammfrontsignalbereich 1 keine Oberschwingungen mehr festzustellen sind, wie aus Fig. 7, dem bandpaßgefilterten Ionenstromsignal if noch besser zu erkennen ist. Wird dieses jetzt in Analogie zu Fig. 5 wieder mit einem starr an die Kurbelwinkelposition gekoppelten Zeitfenster gefiltert und tritt gleichzeitig ein sehr später Zündzeitpunkt auf, so setzt das Zeitfenster wieder sehr früh ein und erfaßt zumindest teilweise noch den Flammfrontsignalbereich 1, wie auch in Fig. 8b beim zeitgefensterten und gleichgerichteten Ionenstromsignal erkennbar. Dies führt zu einem schnellen Anstieg des Integralwerts ∫ i dt bereits auf Basis des auf integrierten Flammfrontbereichs 1 (vgl. Fig. 8c), der in diesem Ausführungs beispiel bereits ausreicht, um an bzw. über die Klopfschwelle zu kommen. Eine an sich klopffreie Verbrennung wird als klopfend erkannt. Bei bestimmten Steuerungsverfahren, bei denen das Klopfen vermieden werden soll, würde auf Basis dieser fehlerhaften Klopferkennung nun der Zündzeitpunkt nach hinten in den vermeintlich klopffreien Bereich ver schoben. Das starre Zeitfenster würde dann aber bezüglich des späteren Zündzeitpunktes noch früher beginnen und noch mehr des Flammfront bereichs 1 erfassen und somit genau in die verkehrte Richtung steuern.Even more serious are the effects of a time window that is rigidly coupled to the crank angle position if the time window is too early and if the ignition timing is late, if we consider knock-free combustion. Fig. 6 shows first of the ion current signal i are observed at the well after the flame front area signal 1 no harmonics as shown in FIG. 7, the bandpass filtered ion current signal i f better be seen. If this is filtered again in analogy to FIG. 5 with a time window rigidly coupled to the crank angle position and at the same time a very late ignition time occurs, the time window starts again very early and at least partially still covers the flame front signal area 1 , as also in FIG. 8b recognizable in the time-windowed and rectified ion current signal. This leads to a rapid increase in the integral value ∫ i dt based already on the integrated flame front area 1 (cf. FIG. 8c), which in this embodiment is already sufficient to get to or via the knock threshold. A knock-free combustion is recognized as knocking. In certain control methods in which knocking is to be avoided, the ignition timing would now be shifted back into the supposed knock-free area based on this faulty knock detection. The rigid time window would then start earlier with respect to the later ignition timing and capture even more of the flame front area 1 and thus control precisely in the wrong direction.
Fig. 9 zeigt nun noch ergänzend ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Die Zündsteuerung 11 erhält Befehle 12 der Zündzeitpunktsteuerung und beeinflußt die Zündzeitpunkte entsprechend. Die Zündzeitpunkte werden dabei über eine Verbindung 13 an die Ionen stromerfassungseinheit 15 übertragen, welche darauf hin in dem vor bestimmten bzw. vorab ermittelten Abstand das Zeitfenster für die Inte gration des bandpaßgefilterten Ionenstromsignals i aktiviert. Die Dauer und/oder der Anfang t0 des Zeitfensters 3 wird dabei aus wenigstens einem den Betriebszustand der Brennkraftmaschine beschreibenden Parameter 14 (hier als Beispiel die Drehzahl n aufgeführt und weitere angedeutet) über eines oder mehrere Kennfelder aus dort abgespeicherten Daten ermittelt und entsprechend verändert. Der so während des Zeitfensters ermittelte Integralwert ∫ i dt wird an die Klopferkennung 16 weitergeleitet, die ihrerseits in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis mit einer Klopf schwelle 18 eines oder mehrere Klopfanzeigesignale 17 setzt. Die in den Ansprüchen 5 bis 8 beanspruchten bevorzugten Arbeitsbereiche sind neben dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel auch für eine Vielzahl von Brenn kraftmaschinen geeignet, können jedoch adaptiv jeweils noch nachgeprüft und entsprechend angepaßt werden. Die Umsetzung Zeitfensterung inner halb der Ionenstromerfassungseinheit 15 in Abhängigkeit von den Para metern 14 ist für den Fachmann ohne weiteres möglich. Fig. 9 shows still now additionally shows a block diagram of an arrangement for carrying out the method. The ignition control 11 receives commands 12 of the ignition timing control and influences the ignition timing accordingly. The ignition times are transmitted via a connection 13 to the ion current detection unit 15 , which then activates the time window for the integration of the bandpass-filtered ion current signal i at a predetermined or previously determined distance. The duration and / or the beginning t 0 of the time window 3 is determined from at least one parameter 14 describing the operating state of the internal combustion engine (here the speed n is given here as an example and further ones are indicated) via one or more characteristic maps from data stored there and changed accordingly. The integral value ∫ i dt thus determined during the time window is passed on to the knock detection 16 , which in turn sets one or more knock display signals 17 as a function of the comparison result with a knock threshold 18 . In addition to the exemplary embodiment shown here, the preferred working areas claimed in claims 5 to 8 are also suitable for a large number of internal combustion engines, but can still be checked adaptively and adapted accordingly. The implementation of time window within the ion current detection unit 15 as a function of the parameters 14 is readily possible for the person skilled in the art.
Claims (8)
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