DE19822296C2 - Klopferfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klopferfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, und insbesondere eine Vorrichtung zur Erfas­ sung eines Maschinenklopfens auf der Basis eines Ionenstroms im Innern einer Brennkammer.

Bei einer Benzin-Brennkraftmaschine wird das in der Nähe einer Zündkerze befindliche Luft-Brennstoffgemisch mittels eines durch die Zündkerze erzeugten Zündfunkens gezündet, und die Verbren­ nung des Brennstoffs (Benzin) erfolgt durch eine Ausbreitung der Zündflamme über das gesamte Luft-Brennstoffgemisch. Ein Phänomen einer abnormalen Verbrennung, das zu diesem Zeitpunkt auftreten kann, wird als Klopfen bezeichnet. Ein Klopfen liegt dann vor, wenn ein unverbranntes Gasgemisch selbst gezündet wird, bevor die Flammenfront eintrifft, infolge eines abnormal schnellen An­ stiegs des Drucks während der Flammenausbreitung. Tritt ein Klopfen auf, dann schwingen die Verbrennungsgase und ermöglichen eine freizügigere Ausbreitung der Wärme, wobei in einigen Fällen eine Beschädigung der Brennkraftmaschine aufgetreten ist. Ein Klopfen ist sehr eng mit dem Zündzeitpunkt verbunden. Wird der Zündzeitpunkt voreilend eingestellt, dann steigt der maximale Verbrennungsdruck an, wobei gleichzeitig die Neigung zum Klopfen der Brennkraftmaschine ansteigt.

Demgegenüber ist es wünschenswert, das Kompressionsverhältnis zur Vergrößerung des thermischen Wirkungsgrads und zur Verminde­ rung des Brennstoffverbrauchs zu vergrößern. Um dieses Ziel zu erreichen, werden Maßnahmen als Teil einer Zündzeitpunktsteue­ rung durchgeführt, wobei der Zündzeitpunkt bis zu der Grenze voreilend eingestellt wird, bei der eine Neigung zum Klopfen vorliegt, während das Auftreten eines Klopfens erfaßt wird. Bei dieser Art des Klopferfassungsverfahrens war es bislang üblich, durch Klopfen angeregte Schwingungen unter Verwendung eines am Zylinderblock oder dergleichen angeordneten Schwingungssensors (Vibrationssensor) zu erfassen, wobei jedoch in jüngster Zeit ein Klopferfassungsverfahren vorgeschlagen wurde unter Verwen­ dung einer Änderung, die im Ionenstrom innerhalb eines Zylinders beim Auftreten von Klopfen vorliegt.

Wird im einzelnen ein Zündfunke an der Zündkerze erzeugt, und verbrennt das Luft-Brennstoffgemisch in der Brennkammer, dann wird das Luft-Brennstoffgemisch ionisiert. Wird an die Zündkerze eine Spannung angelegt, während sich das Gemisch im ionisierten Zustand befindet, dann fließt ein Ionenstrom. Das Auftreten von Klopfen kann erfaßt werden durch Erfassen und Analysieren dieses Ionenstroms. Beim Auftreten von Klopfen tritt üblicherweise eine Schwingungskomponente von 6 kHz bis 7 kHz im Ionenstrom auf. Die Klopferfassungsvorrichtung auf der Basis des Ionenstroms greift diese für das Klopfen charakteristische Frequenzkomponente mit­ tels eines Filters heraus und bewertet die Klopfbedingung auf der Basis der Stärke dieser Komponente.

Aus der JP 4-136 485 ist beispielsweise eine Vorrichtung be­ kannt, bei der ein Kondensator als Ionenstromerzeugungsquelle bis zu einer vorgegebenen Spannung mittels eines Sekundärstroms aufgeladen wird, der fließt, wenn der Primärstrom der Zündspule abgeschaltet wird, und es wird ein nach der Zündfunkenentladung durch eine geschlossene Schaltung - bestehend aus dem Kondensator, der Sekundärwicklung der Zündspule, der Zündkerze und einem Stromerfassungswiderstand - fließender Ionenstrom gemessen. Da die Sekundärwicklung der Zündspule (Sekundärspule) im Ionenstrompfad angeordnet ist, wird bei einer derartigen Vorrichtung eine LC- Resonanzschaltung durch ihre Induktivität L und die Streukapazi­ tät C in Verbindung mit der Spule und der Zündkerze gebildet. Im Ergebnis erzeugt der Resonanzstrom ein Rauschen, wenn der LC- Resonanzstrom durch den Ionenstrompfad fließt. Zur Vermeidung eines derartigen Rauschens (Störungen) wird gemäß dem vorstehend angegebenen Stand der Technik vorgeschlagen, daß ein Ionenstrom­ signal während Perioden (Zeitdauer) maskiert wird, die nicht den Perioden entsprechen, in denen durch Klopfen bedingte Schwingun­ gen auftreten.

Wenn jedoch, wie beim vorstehend angegebenen Stand der Technik das Ionenstromsignal während Perioden maskiert wird, die nicht Perioden sind, in welchen durch Klopfen bedingte Schwingungen auftreten, dann nimmt das Ionenstromsignal, bei welchem die Mas­ kierung angewendet wird, einen Signalverlauf an, der sich zum Zeitpunkt des Entfernens der Maske abrupt und diskontinuierlich ändert. Da eine derartige stufenförmige Signaländerung (Sprungfunktion) Frequenzkomponenten über einen sehr breiten Frequenzbereich aufweist, gelangen einige der Frequenzkomponen­ ten unvermindert durch ein Bandpaßfilter (BPF), das in der nach­ folgenden Stufe als Klopffrequenzkomponentenerfassungsfilter dient, und diese Frequenzkomponenten verursachen ein Rauschen (Störungen). Tritt ein derartiges Rauschen auf, dann kann eine fehlerhafte Erfassung vorgenommen werden, bei der auf ein Klop­ fen geschlossen wird, auch wenn tatsächlich kein Klopfen aufge­ treten ist.

Ferner tritt das folgende Problem auf. Die Periode (Zeitdauer), während der die durch Klopfen bedingten Schwingungen auftreten, hängt von der Kurbelwellenwinkelposition ab und entspricht bei­ spielsweise der Position von 15° bis 60° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt (CA ATDC, crankshaft angle after top dead center). In einem hohen Maschinendrehzahlbereich wird die Zeit­ dauer zwischen dem Ende der Zündfunkenentladung und dem Start des Klopfens kurz. Andererseits ist die Periode, in welcher ein LC-Resonanzrauschen auftritt, im wesentlichen konstant und unab­ hängig von der Maschinendrehzahl, und damit eine feste Zeitdauer nach dem Ende der Zündfunkenentladung. Bei einer hohen Maschi­ nendrehzahl kann daher die LC-Resonanzrauschen-Periode mit der Klopfschwingungsperiode überlappen. In diesem Fall kann eben­ falls eine fehlerhafte Erfassung auftreten, so daß auf ein Klop­ fen geschlossen wird, auch wenn tatsächlich kein Klopfen aufge­ treten ist.

Aus der Druckschrift DE 196 01 353 A1 ist ein Verbrennungszustandsdetektor für eine Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung bekannt, bei der an eine Zündkerze eine Spannung zur Erfassung des Ionenstroms im Fall eines Klopfens der Brennkraftmaschine angelegt wird. Ein Ionenstrom-Spannungswandler wandelt den in Abhängigkeit von der angelegten Spannung erzeugten Ionenstrom in eine Spannung entsprechend dem Ionenstrom um und eine Filter­ schaltung entfernt vorbestimmte Frequenzkomponenten aus dem gebildeten Spannungssignal. Die Ionenstromerfassung erfolgt innerhalb eines Meßzeitraums gemäß dem Verbrennungszustand der Brennkraftmaschine, wobei eine Meßzeitraumeinstell­ schaltung den Meßzeitraum dadurch festlegt, daß ein Zeitraum bestimmt wird, in welchem das Ausgangssignal der Filterschaltung größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, und gibt darüberhinaus ein Fehlzündungsbestimmungs­ signal auf der Grundlage der Tatsache aus, ob das Ausgangssignal der Filterschaltung größer oder gleich einem vorbestimmten Wert ist. Der Maskierungsvorgang wird freigegeben, wenn die Meßzeitraum-Einstellschaltung bestimmt, daß ein vorbestimmter Betrag an Ionenstrom gemessen wird.

Aus der Druckschrift DE 33 38 271 A1 ist ferner eine Schaltung zur Klopferkennung für Ottomotoren bekannt, bei der die die positive Spannung des Zündimpulses führende Seite einer Sekundärspule einer Zündanlage über eine Vorfunkenstrecke mit der Hochspannungselektrode einer im Brennraum des Ottomotors angeordneten Zündkerze verbunden ist. Eine Meßanordnung mit einem Hochspannungsgenerator ist über eine Meßleitung mit einem Meßwiderstand und einer Hochspannungsdiode an zumindest eine Zündkerze angeschlossen. Ein auf die akustische Eigenfrequenz des Brennraums abgestimmtes und an die Meßleitung angeschlossenes Bandpaßfilter gibt ein weiter auszuwertendes Klopfsignal ab.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Klopferfassungsvorrichtung für Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art derart auszugestalten, daß eine fehlerhafte Erfassung infolge stufenförmiger Signal­ änderungen zum Zeitpunkt des Entfernens einer Maske oder bei der Überlappung zwischen der LC-Resonanzerregung und einer Periode des Auftretens von Klopfen in einem hohen Maschinendrehzahlbereich vermieden wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bezüglich einer Klopferfassungsvorrichtung mit den im Patentanspruch angegebenen Mitteln gelöst.

Die erfindungsgemäße Lösung betrifft somit im einzelnen eine Klopferfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, bei der eine Ionenstromerfassungseinrichtung zur Bildung eines Ionenstrompfads vorgesehen ist. Hierbei wird an die Zündkerze zur Erfassung des Ionenstroms eine Spannung angelegt. Ein Hochpaßfilter entfernt eine Niederfrequenz­ komponente aus dem Ausgangssignal der Stromerfassungs­ einrichtung und eine Signalmaskierungseinrichtung maskiert das Ausgangssignal des Hochpaßfilters während einer Zeitdauer, in welcher ein LC-Resonanzrauschen infolge der Induktivität der Sekundärseite der Zündspule und der im Ionenstrompfad gebildeten Streukapazität auftreten kann. Mittels eines Bandpaßfilters wird eine Klopffrequenz­ komponente aus dem Ausgangssignal der Signalmaskier­ einrichtung herausgegriffen und es wird mittels des Ausgangssignals des Bandpaßfilters auf das Vorliegen, eines Klopfens geschlossen. Im einzelnen entfernt die Signalmaskiereinrichtung die Maskierung zu einem Zeitpunkt, wenn eine Kurbelwellendrehposition erreicht ist, bei der ein Klopfen beginnt, oder zu einem Zeitpunkt, wenn eine Zeit gleich der Zeitdauer des LC-Resonanzrauschens seit dem Ende der Zündfunkenentladung an der Zündkerze abgelaufen ist, je nach dem, welcher Zeitpunkt später auftritt.

Auf diese Weise wird die Klopferfassung der Vorrichtung verbessert und die Genauigkeit vergrößert, da keine Möglichkeit zur Durchführung einer fehlerhaften Entscheidung auch in einem hohen Maschinendrehzahlbereich, bei dem die Zeitdauer des Auftretens des LC-Resonanz­ rauschens in Überlappung mit der Periode des Auftretens von Klopfen vorliegen kann, besteht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung des Schaltungsaufbaus einer Klopferfassungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung des Entladestroms, wenn an der Zündkerze eine Zündfunkenentladung auftritt;

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung eines Ionenstroms nach der Zündfunkenentladung;

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Aufbaus einer Verarbeitungsschaltung der Klopferfassungsvorrichtung;

Fig. 5A, 5B, 5C, 5D, 5E und 5F Signalzeitverläufe (Zeitdiagramme) von verschiedenen Signalen zur Veranschaulichung der Art der Probleme bei der Durchführung einer Klopferfassung auf der Basis eines Ionenstroms, falls in der Verarbeitungs­ schaltung ein Hochpaßfilter nicht vorgesehen ist;

Fig. 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F und 6G Signalzeitverläufe von verschiedenen Signalen, wenn ein Hochpaßfilter in der Verarbei­ tungsschaltung vorgesehen ist;

Fig. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F, 7G, 7H und 7I Signalzeitver­ läufe von verschiedenen Signalen zur Veranschaulichung der Ein­ stellung einer Torperiode in einer Spitzenwerthalteschaltung;

Fig. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F und 8G Signalzeitverläufe von verschiedenen Signalen zur Veranschaulichung von Problemen, die auftreten können, wenn eine Maskierperiode als eine feste Peri­ ode in Ausdrücken des Kurbelwellenwinkels eingestellt ist; und

Fig. 9A, 9B, 9C, 9D, 9E, 9F, 9G und 9H Signalzeitverläufe von verschiedenen Signalen gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei welchem eine Verbesserung bezüglich der Maskierungsentfernungs­ zeit vorgenommen wurde.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Veranschaulichung des Schaltungsaufbaus einer Zündeinrichtung und einer Klopferfas­ sungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ein Anschluß der Primärwicklung 1a einer Zündspule 1 ist mit der positiven Elektrode einer Batterie 2 verbunden, und der andere Anschluß derselben ist mit dem Kollektor eines als Schalteinrichtung die­ nenden Transistors 3 verbunden. Der Emitter des Transistors 3 ist mit Masse verbunden, während an seine Basis ein Zündsignal angelegt wird. Ein Anschluß der Sekundärwicklung 1b der Zündspu­ le 1 ist mit der Mittelelektrode 4a einer Zündkerze 4 verbunden. Die Außenelektrode 4b der Zündkerze 4 ist mit Masse verbunden.

Eine Ionenstromerfassungsschaltung 10 ist am anderen Anschluß der Sekundärwicklung 1b der Zündspule 1 verbunden. Ein als Io­ nenstromerzeugungsquelle dienender Kondensator 11 ist mit der Sekundärwicklung 1b verbunden. In Parallelschaltung zu dem Kon­ densator 11 ist eine Spannungsregelungsdiode (Zener-Diode) 12 vorgesehen, mittels der die Spannung, bis zu der der Kondensator mittels des Zündspulen-Sekundärstroms aufgeladen wird, auf einen vorbestimmten Wert beschränkt wird. Der andere Anschluß des Kon­ densators 11 ist über eine Diode 13 mit Masse verbunden, wobei die Diode 13 einen Strom zum Massepotential ermöglicht, und ist ferner über einen Ionenstromerfassungswiderstand 14 mit Masse verbunden.

Der Knoten zwischen dem Kondensator 11 und dem Ionenstromerfas­ sungswiderstand 14 ist mit einer invertierenden Verstärkerschal­ tung 16 verbunden. Die invertierende Verstärkerschaltung 16 be­ steht aus einem Operationsverstärker 17, dessen nicht invertie­ render Eingangsanschluß (+ Anschluß) mit Masse verbunden ist, einem mit dem invertierenden Eingangsanschluß (- Anschluß) des Operationsverstärkers 17 verbundenen Eingangswiderstand 18, und einem Rückkopplungswiderstand 19 zwischen dem Ausgangsanschluß und dem invertierenden Eingangsanschluß (- Anschluß) des Opera­ tionsverstärkers 17. Weist der Eingangswiderstand 18 einen Wi­ derstandswert von R_a und weist der Rückkopplungswiderstand 19 ei­ nen Widerstandswert von R_f auf, dann wird der Spannungsverstär­ kungsfaktor bekanntermaßen durch -R_f/R_a bestimmt. Der Ausgangsan­ schluß der invertierenden Verstärkerschaltung 16 wird zur einer Verarbeitungsschaltung 20 geführt, die zur Klopfbestimmung und für weitere Maßnahmen eine Signalverarbeitung durchführt. Im vorliegenden Falle sind die Werte R_a und R_f sehr große Werte im Vergleich zu dem Widerstandswert R₁ des Ionenstromerfassungswi­ derstands 14.

Nachstehend wird nun die Wirkungsweise der Ionenstromerfassungs­ schaltung 10 beschrieben. Nimmt zuerst das Zündsignal einen ho­ hen Pegel an, und wird der Transistor 3 eingeschaltet, dann fließt ein Strom durch die Primärwicklung 1a der Zündspule. Wird sodann das Zündsignal auf einen niedrigen Pegel gesetzt, und wird der Transistor 3 ausgeschaltet, dann wird der Primärstrom abgeschaltet und induziert eine hohe Spannung in der Sekundär­ wicklung 1b der Zündspule 1 und bewirkt damit das Auftreten ei­ nes Zündfunkens an der Zündkerze 4. Wird hierbei eine hohe nega­ tive Spannung an die Mittelelektrode 4a der Zündkerze 4 ange­ legt, dann wird ein elektrischer Lichtbogen oder ein Zündfunke zwischen der Mittelelektrode 4a und der Außenelektrode (Masseelektrode) 4b gebildet, und ein Strom fließt von der Se­ kundärspule 1b der Zündspule 1, wobei der Stromrückfluß zur Se­ kundärwicklung 1b über den Kondensator 11, die Spannungsrege­ lungsdiode 12, die Diode 13 und die Zündkerze 4 gemäß der Dar­ stellung in Fig. 2 erfolgt. Während dieses Ablaufs wird der Kon­ densator 11 auf eine Spannung gleich der Zenerspannung (von etwa 100 Volt) der Spannungsregelungsdiode 12 aufgeladen.

Wird das Luft-Brennstoffgemisch innerhalb der Brennkammer nach der Zündung durch den Zündfunken der Zündkerze 4 verbrannt, dann wird das Luft-Brennstoffgemisch ionisiert. Befindet sich das Ge­ misch im ionisierten Zustand, dann wird eine Leitfähigkeit über den Spalt der beiden Elektroden der Zündkerze 4 aufrechterhal­ ten. Da ferner eine Spannung zwischen den beiden Elektroden der Zündkerze 4 durch die Aufladungsspannung des Kondensators 11 an­ gelegt wird, wird ein Ionenstrom erzeugt. Der Ionenstrom fließt vom einen Anschluß des Kondensators zurück zum anderen Anschluß desselben unter Durchlaufen der Sekundärwicklung 1b der Zündspu­ le, der Zündkerze 4 und des Ionenstromerfassungswiderstands 14, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Sodann wird eine Spannung gleich "- Ionenstromwert × Erfassungswiderstandswert" am Knoten zwischen dem Ionenstromerfassungwiderstand 14 und dem Kondensator 11 auf­ treten, und diese Spannung wird mittels der invertierenden Ver­ stärkerschaltung 16 invertiert und verstärkt. Schließlich wird das Ausgangssignal der invertierenden Verstärkerspannung 16 als ein Ionenstromsignal der Verarbeitungsschaltung 20 zugeführt.

Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Auf­ baus der Verarbeitungsschaltung 20. In Fig. 4 bezeichnet Bezugs­ zeichen 21 ein Hochpaßfilter (HPF), dem an seinem Eingang das Ionenstromsignal als Ausgangssignal der invertierenden Verstär­ kerschaltung 16 zugeführt wird, und das eine darin enthaltene niedere Frequenzkomponente entfernt. Die Bereitstellung des Hochpaßfilters 21 bildet ein charakteristisches Merkmal der vor­ liegenden Erfindung. Die Notwendigkeit dieses Filters wird nach­ stehend noch beschrieben. Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Mas­ kierschaltung zur Maskierung des Ausgangssignals des Hochpaßfil­ ters 21 während einer aktiven Periode eines zugeführten Maskie­ rungssignals. Ferner bezeichnet Bezugszeichen 23 ein Bandpaßfil­ ter (BPF), dem das Ausgangssignal der Maskierschaltung 22 als Eingangssignal zugeführt wird und das eine für das Klopfen ei­ gentümliche Frequenzkomponente (nachstehend als Klopffrequenz bezeichnet) aus dem Eingangssignal herausgreift. Bezugszeichen 24 bezeichnet eine Spitzenwerthalterschaltung, die den Spitzen­ wert des Ausgangssignals des Bandpaßfilters 23 während einer ak­ tiven Periode eines der Spitzenwerthalteschaltung zugeführten Torsignals (Toröffnungssignal) ermittelt und hält. Eine Integra­ torschaltung kann auch anstelle der Spitzenwerthalteschaltung 24 verwendet werden. Bezugszeichen 25 bezeichnet eine A/D- Wandlerschaltung zum Umwandeln einer analogen Ausgangsspannung der Spitzenwerthalteschaltung 24 in eine digitale Ausgangsspan­ nung. Schließlich bezeichnet Bezugszeichen 26 eine Zentralverar­ beitungseinheit (CPU) zur Durchführung einer Zündzeitsteuerung einschließlich einer Klopfsteuerung. Die Zentralverarbeitungs­ einheit 26 bestimmt, daß ein Klopfen aufgetreten ist, auf der Basis des Ausgangssignals der A/D-Wandlerschaltung 25, wenn der Wert dieses Signals einen Bezugswert überschreitet. Auf der Ba­ sis der Ausgangssignale verschiedener Sensoren erfaßt die Zen­ tralverarbeitungseinheit verschiedene Maschinenbetriebsbedingun­ gen, bewertet in umfassender Weise die Maschinenbetriebsbedin­ gungen sowie das Vorliegen oder Nichtvorliegen von Klopfen, be­ stimmt eine optimale Zündzeit und gibt ein Zündsignal aus. Die Zentralverarbeitungseinheit 26 bestimmt ferner die Maskierungs­ zeitdauer der Maskierschaltung 22 und die Torperiode der Spit­ zenwerthalteschaltung 24, und führt das Maskierungssignal der Maskierschaltung 22 und das Torsignal der Spitzenwerthalteschal­ tung 24 zu.

Die Fig. 5A, 5B, 5C, 5D, 5E und 5F sind Signalzeitverläufe verschiedener Signale zur Veranschaulichung der Art der auftre­ tenden Probleme bei der Durchführung einer Klopferfassung auf der Basis des Ionenstroms, falls das Hochpaßfilter 21 nicht vor­ gesehen ist. Gemäß der Darstellung in den Fig. 5A und 5B tritt zum Zeitpunkt des Ausschaltens des Zündsignals (bei t₀) ei­ ne Zündfunkenentladung an der Zündkerze 4 auf, und der Entlade­ strom fließt. Nach dem Ende der Zündfunkenentladung (bei t₁) ver­ sucht sodann die Zündspule eine verbleibende magnetische Energie zu entladen, wobei im Ergebnis dieser Entladung eine LC-Resonanz zwischen der Induktivität L₁ der Sekundärwicklung 1b der Zündspu­ le 1 und der (gemäß Fig. 1) in der Hochspannungsleitungsführung ausgebildeten Streukapazität C₂ auftritt, und es fließt ein LC- Resonanzstrom. Da dieser LC-Resonanzstrom mittels des Ionen­ stromerfassungswiderstands erfaßt wird, tritt eine plötzliche Änderung im Signalverlauf (Wellenform) des Ionenstroms nach dem Ende der Zündfunkenentladung auf, wie es in Fig. 5C gezeigt ist, wobei jedoch diese Änderung nicht durch den Ionenstrom bedingt ist, sondern das verbleibende magnetische Rauschen (LC- Resonanzrauschen) kennzeichnet.

Nach dem Fließen des LC-Resonanzstroms infolge der verbleibenden magnetischen Energie fließt der Ionenstrom. Bei Hochlastbe­ triebsbedingungen tritt ein Niederfrequenzsignal in Synchronis­ mus mit dem Zylinderdruck im Ionenstromsignal auf. Tritt zu die­ sem Zeitpunkt ein Klopfen auf, dann werden Schwingungen in Ver­ bindung mit dem Klopfen dem Signalverlauf nach Überschreiten des Maximums überlagert, d. h. nach dem der maximale Zylinderdruck (üblicherweise bei oder in der Nähe von 15° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt) erreicht ist.

Zum lediglichen Herausgreifen der Klopfschwingungskomponente aus dem Ionenstromsignal wird nur das Signal der Periode, in welchem die klopfbezogenen Schwingungen auftreten, herausgegriffen und gefiltert. Die Periode, in welcher die klopfbezogenen Schwingun­ gen auftreten, bleibt relativ konstant in Ausdrücken des Kurbel­ wellenwinkels unabhängig von der Maschinendrehzahl und ent­ spricht im wesentlichen einer Kurbelwellendrehwinkelposition von 15° bis 60° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt. Gemäß Fig. 5D wird das der Maskierschaltung 22 zugeführte Maskierungs­ signal derart eingestellt, daß die Maskierschaltung 22 das un­ veränderte Durchlaufen des Ionenstromsignals durch die Maskier­ schaltung 22 während der Periode von 15° bis 60° Kurbelwellen­ winkel nach dem oberen Totpunkt ermöglicht (vom Zeitpunkt t₂ bis zum Zeitpunkt t₄) und das Ionenstromsignal während der anderen Perioden maskiert.

In diesem Fall ändert sich das Ausgangssignal der Maskierschal­ tung 22 diskontinuierlich zu dem Zeitpunkt, zu dem die Maskie­ rung entfernt wird (bei t₂), wie es in Fig. 5E gezeigt ist. Die­ ses stufenförmige Signal weist eine Frequenzkomponente über ei­ nen weiten Frequenzbereich auf. Wie es in Fig. 5F gezeigt ist, durchlaufen daher einige der Frequenzkomponenten das als Klopf­ frequenzkomponenten-Erfassungsfilter in den nachfolgenden Stufen vorgesehene Bandpaßfilter 23, und diese Frequenzkomponenten verursachen ein Rauschen. Tritt ein derartiges Rauschen auf, dann wird eine fehlerhafte Messung in der Weise durchgeführt, daß angenommen wird, es sei ein Klopfen aufgetreten, wenn jedoch tatsächlich kein Klopfen aufgetreten ist.

Die Fig. 6A, 6B, 6C, 6D, 6E, 6F und 6G zeigen Signalzeitver­ läufe verschiedener Signale, wenn das Hochpaßfilter 21 vor der Maskierschaltung 22 vorgesehen ist zur Lösung der vorstehend angegebenen Probleme. Die Signalverläufe (Wellenformen) der Fig. 6A, 6B, 6C und 6E sind jeweils die gleichen wie die in den Fig. 5A, 5B, 5C und 5D gezeigten Signalzeitverläufe. Hat das Ionenstromsignal das Hochpaßfilter 21 durchlaufen, dann weist das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 21 einen flachen Signalverlauf mit einer entfernten Niederfrequenzkomponente auf, wie es in Fig. 6D gezeigt ist. Wird das Ausgangssignal des Hoch­ paßfilters 21 der Maskierschaltung 22 zugeführt, dann ist die im Ausgangssignal der Maskierschaltung 22 zum Zeitpunkt der Entfernung der Maskierung auftretende Diskontinuität in vorteil­ hafter Weise vermindert, wie es in Fig. 6F gezeigt ist. Im Er­ gebnis wird das in das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 23 eingebrachte Rauschen auf einen derartigen Pegel vermindert, daß dieser die Klopferfassung nicht mehr beeinträchtigen kann und daher die Klopferfassungsfähigkeit verbessert ist.

Die Fig. 7A, 7B, 7C, 7D, 7E, 7F, 7G, 7H und 7I sind Signal­ zeitverläufe von verschiedenen Signalen zur Darstellung der Ein­ stellung der Torperiode (Toröffnungszeit) in der Spitzenwerthal­ teschaltung 24.

Hierbei sind die Signalzeitverläufe der Fig. 7A bis 7G je­ weils die gleichen wie die in den Fig. 6A bis 6G gezeigten Signalzeitverläufe. Gemäß der vorstehenden Beschreibung kann auch bei der Einbeziehung des Hochpaßfilters 21 die Diskon­ tinuität im Signal in Verbindung mit dem Entfernen der Maskie­ rung nicht vollständig beseitigt werden, und es verbleibt im Ausgangssignal des Bandpaßfilters 23 ein kleiner Rauschan­ teil. In Bezug auf dieses Problem wird die Zeit (t₃) zur Bildung des Torsignals, das verwendet wird zur Bestimmung der Periode, während der der Signalspitzenwert in der Spitzenwerthalteschal­ tung 24 gehalten wird, in Bezug auf die Maskierungsentfernungs­ zeit (t₂) leicht verzögert, wie es in Fig. 7H gezeigt ist, zum Entfernen des in Verbindung mit der Maskierungsentfernung auf­ tretenden Rauschens und zur Verbesserung der Genauigkeit der Klopfbewertung. Mit dieser Maßnahme können Einflüsse durch im Ausgangssignal der Spitzenwerthalteschaltung 24 auftretendes Rauschen gemäß der Darstellung in Fig. 7I vermieden werden. Hierbei ist der Verzögerungsbetrag entweder in Ausdrücken der Zeit oder in Ausdrücken des Kurbelwellenwinkels zu bestimmen.

Nachstehend wird nun ein Ausführungsbeispiel bezüglich der Ver­ besserung der Maskierungsentfernungszeit beschrieben. Fig. 8A, 8B, 8C, 8D, 8E, 8F und 8G zeigen Signalzeitverläufe von ver­ schiedenen Signalen zur Veranschaulichung des Problems, das auf­ treten kann, wenn die Maskierungsperiode als feste Periode in Ausdrücken des Kurbelwellenwinkels eingestellt ist. In einigen Fällen kann eine Situation auftreten, bei der nach dem Ablaufen des abrupten LC-Resonanzstroms infolge der verbleibenden magne­ tischen Energie in der Zündspule 1 ein stark variierender Ionen­ strom durch die Zündspule fließt und die Erzeugung einer sehr kleinen LC-Resonanz auslöst, wobei dieser sehr kleine LC- Resonanzstrom gemäß der Darstellung in Fig. 8C als Rauschen dem Ionenstromsignal überlagert ist. Das LC-Resonanzrauschen dauert während einer festgelegten Zeitdauer nach dem Ende der Zündfun­ kenentladung (t₁) unabhängig von der Maschinendrehzahl an.

Demgegenüber ist die Periode, in welcher die klopfbezogenen Schwingungen auftreten, von der Drehposition der Kurbelwelle ab­ hängig und entspricht beispielsweise der Position von 15° bis 60° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt, wie es vorste­ hend beschrieben ist. Bei hohen Maschinendrehzahlen wird das Zeitintervall von der Zündfunkenanregung und der Verbrennung bis zum Auftreten des Klopfens kurz, so daß folglich das Zeitinter­ vall vom Ende der Zündfunkenentladung (t₁) bis zum Start der Klopfperiode (15° Kurbelwellenwinkel nach dem oberen Totpunkt) ebenfalls kurz wird. Im Ergebnis tritt bei hohen Maschinendreh­ zahlen die Möglichkeit auf, daß das LC-Resonanzrauschen bis in die Klopfschwingungsperiode andauert. Insbesondere kann dabei das LC-Resonanzrauschen im Ausgangssignal des Hochpaßfilters 21 nach der Maskierungsentfernungszeit (t₂) verbleiben, wie es in den Fig. 8C und 8D gezeigt ist, und im Ergebnis kann in das Ausgangssignal der Maskierschaltung 22 und das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 23 ein Rauschen eingebracht werden, wie es in den Fig. 8F und 8G gezeigt ist.

Die Fig. 9A, 9B, 9C, 9D, 9E, 9F, 9G und 9H zeigen Signalzeit­ verläufe verschiedener Signale gemäß dem Ausführungsbeispiel zur Lösung der vorstehenden Probleme durch Verbessern der Maskenent­ fernungszeit. Die in den Fig. 9A bis 9E gezeigten Signalzeit­ verläufe sind jeweils die gleichen wie die in den Fig. 8A bis 8E gezeigten Signalzeitverläufe. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zu dem Maskensignal (Fig. 9E), das verwendet wird zur Steuerung, daß die Maske während einer festgelegten Periode entsprechend einem vorbestimmten Kurbelwellenwinkelbereich (Winkelpositionsbereich, beispielsweise 15° bis 60° Kurbelwel­ lenwinkel nach dem oberen Totpunkt) entfernt wird, ein zweites Maskensignal (Fig. 9F) vorgesehen, das verwendet wird zur Steue­ rung, daß die Maskierung zu einer Zeit (t_2a) entfernt wird, wenn eine vorbestimmte Zeitdauer seit dem Ende der Zündfunkenentla­ dung (t₁) abgelaufen ist, wobei die vorbestimmte Zeitdauer gleich der Zeitdauer ist, die zum Abklingen des LC-Resonanzrauschens erforderlich ist. Hierbei kann das Ende der Zündfunkenentladung (t₁) als die Anstiegszeit des verbleibenden magnetischen Rau­ schens (LC-Resonanzrauschen) ermittelt werden.

Die Maskierschaltung 22 ist ausgelegt zum unveränderten Durch­ lassen des Eingangssignals lediglich während der Periode, wäh­ rend der beide Maskierungssignale gemäß den Fig. 9E und 9F aktiviert sind. Im Ergebnis wird auch in Situationen, in welchen das LC-Resonanzrauschen bis in die Periode des Auftretens von Klopfen andauert, die Möglichkeit des Einbringens von Rauschen in das Ausgangssignal der Maskierschaltung 22 vermieden, wie es in Fig. 9G gezeigt ist, und es ist daher das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 23 gemäß der Darstellung in Fig. 9H frei von ei­ nem Rauschen.

Wird gemäß der vorstehenden Beschreibung das Maskierungssignal zur Berücksichtigung der Zeitdauer des Auftretens des LC- Resonanzrauschens bereitgestellt, dann ist es möglich, daß die Klopferfassungsfähigkeit verschlechtert wird, da der Anfangsbe­ reich der Klopfschwingungen maskiert wird, wobei jedoch in der Realität das Bandpaßfilter 23 eine befriedigende Reaktion (Anwort) zeigt, falls ein Teil der Klopfschwingungen maskiert wird, d. h. die Verschlechterung der Erfassungsfähigkeit liegt in diesem Fall sicher innerhalb erlaubter Grenzen im Vergleich zur Verschlechterung der Erfassungsfähigkeit infolge eines Rau­ schens.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde die Maskierungsentfernungszeit (t_2a) zur Berücksichtigung der Zeit­ dauer des LC-Resonanzrauschens relativ zum Ende der Zündfunken­ entladung (t₁) eingestellt, wobei diese Einstellung jedoch auch relativ zum Zündzeitpunkt (t₀) eingestellt werden kann. Der Grund liegt darin, daß die Zündfunkenzeitdauer (t₁-t₀) ebenfalls re­ lativ unbeeinflußt von der Maschinendrehzahl ist und daher als feste Zeit angenommen werden kann. Insbesondere ändert sich je­ doch die Zündfunkenzeitdauer in erheblichem Umfang zwischen den Zündzyklen, und die feste Zeitdauer muß daher im Hinblick auf diese Änderung geringfügig länger eingestellt werden. Da die Maskierungsentfernungszeit entsprechend verzögert ist, kann der letzte Fall etwas nachteilig sein im Vergleich zu dem Fall, bei welchem die Zeit relativ zum Ende der Zündfunkenentladung einge­ stellt wird.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird eine Klopferfassungs­ vorrichtung bereitgestellt, die in der Lage ist, eine fehlerhaf­ te Erfassung infolge einer stufenförmigen Signaländerung zum Zeitpunkt des Entfernens der Maskierung oder bei der Überlage­ rung der LC-Resonanzerzeugung und der Klopfauftreteperiode bei hohen Maschinendrehzahlbedingungen zu vermeiden. Insbesondere wird einerseits der Betrag der Ionenstromsignaländerung zum Zeitpunkt der Entfernung der Maskierung vermindert, da das Io­ nenstromsignal der Maskiereinrichtung nach Entfernen der darin enthaltenen Niederfrequenzkomponente zugeführt wird, so daß die­ se Maßnahme der Verminderung des Rauschens in Verbindung mit der Signaländerung dient. Andererseits wird die Genauigkeit der Klopferfassung weiter verbessert, da eine Klopfsignalverarbei­ tung durchgeführt wird durch Vermeiden der Periode, in der ein kleiner Betrag eines Rauschens nach der Entfernung der Maskie­ rung verbleibt. Desweiteren wird die Zeitdauer (das Andauern) des nach dem Ende der Zündfunkenentladung auftretenden LC- Resonanzrauschens berücksichtigt, und die Verarbeitung zur Klop­ ferfassung wird auf der Basis eines nach dieser Zeitdauer akti­ vierten Signals durchgeführt. Dies gewährleistet auch bei hohen Maschinendrehzahlbedingungen eine hohe Klopferfassungsgenauig­ keit.

Die Klopferfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine dient somit zur Verhinderung einer fehlerhaften Erfassung infolge ei­ ner stufenförmigen Signaländerung zum Zeitpunkt des Entfernens einer Maskierung oder infolge eines Überlappens der LC- Resonanzerzeugungszeitdauer und einer Klopfauftreteperiode bei hohen Maschinendrehzahlbedingungen. Eine Niederfrequenzkomponen­ te wird aus einem Ionenstromsignal mittels eines Hochpaßfilters entfernt, und das geglättete resultierende Signal wird einer Maskierschaltung zugeführt, wodurch der Betrag einer Diskonti­ nuität vermindert wird, die zum Zeitpunkt einer Maskierungsent­ fernung auftritt, und wobei in einem Ausgangssignal eines Band­ paßfilters ein Rauschen bis auf einen Pegel unterdrückt wird, der die Klopferfassung nicht mehr beeinträchtigt. Durch die Ein­ stellung einer Torperiode (Toröffnungszeit) in einer Spitzen­ werthalteschaltung mit einer geringen Verzögerung bezüglich der Maskierungsentfernungszeit wird ferner ein Rauschen in Verbin­ dung mit der Maskierungsentfernung vollständig entfernt. Als Maskierungssignale zur Verwendung bei der Bestimmung der Maskie­ rungsperiode wird zusätzlich zu einem Maskierungssignal zum Entfernen der Maskierung bei Erreichen eines vorbestimmten Kurbel­ wellenwinkels ein zweites Signal bereitgestellt zum Entfernen der Maskierung, wenn eine vorbestimmte, zum Abklingen des LC- Resonanzrauschens erforderliche Zeitdauer seit dem Ende der Zündfunkenentladung abgelaufen ist, und die Maskierung wird le­ diglich dann entfernt, wenn beide Maskierungssignale nicht akti­ viert sind.

Claims (1)

1. Klopferfassungsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit:
einer Zündspule (1),
einer Schalteinrichtung (3, 20), die zum Aus- und Einschalten des Primärstroms mit der Primärseite (1a) der Zündspule (1) verbunden ist,
einer mit der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) verbundene Zündkerze (4) zum Zünden eines Luft- Brennstoffgemischs in einem Zylinder mittels einer in der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) induzierten Hochspannung, wenn mittels der Schalteinrichtung (3, 20) der Primärstrom ausgeschaltet wird,
einer Ionenstromerfassungseinrichtung (14, 16, 20) zur Bildung eines Ionenstrompfads zusammen mit der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) und der Zündkerze (4), zum Anlegen einer Spannung an die Zündkerze (4) zur Erfassung eines Ionenstroms, der infolge von im Zylinder bei der Verbrennung des Luft-Brennstoffgemischs erzeugten Ionen durch die Zündkerze fließt,
einem Hochpaßfilter (21) zur Entfernung einer Niederfrequenzkomponente aus dem Ausgangssignal der Ionenstromerfassungseinrichtung (14, 16, 20),
einer Signalmaskiereinrichtung (22) zum Maskieren eines Ausgangssignals des Hochpaßfilters (21) während einer Zeitdauer, in welcher ein LC-Resonanzrauschen infolge der Induktivität der Sekundärseite (1b) der Zündspule (1) und der im Ionenstrompfad gebildeten Streukapazität auftreten kann,
einem Bandpaßfilter (23) zum Herausgreifen einer Klopffrequenzkomponente aus dem Ausgangssignal der Signalmaskiereinrichtung (22), und
einer Klopfbestimmungseinrichtung (26) zur Bestimmung des Vorliegens oder Nichtvorliegens eines Klopfens auf der Basis eines Ausgangssignals des Bandpaßfilters (23), wobei
die Signalmaskiereinrichtung (22) die Maskierung zu einem Zeitpunkt entfernt, wenn eine Kurbelwellendrehposition erreicht ist, bei der ein Klopfen beginnt, oder zu einem Zeitpunkt, wenn eine Zeit gleich der Zeitdauer des LC-Resonanzrauschens seit dem Ende der Zündfunkenentladung an der Zündkerze (4) abgelaufen ist, je nach dem, welcher Zeitpunkt später auftritt.