DE69615595T2

DE69615595T2 - Vor-Zündungserfassungssystem

Info

Publication number: DE69615595T2
Application number: DE69615595T
Authority: DE
Inventors: Katsushi Hashizume; Kazuhisa Mogi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1995-03-23
Filing date: 1996-03-21
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2016-03-22
Also published as: EP0733891A3; JP3082634B2; DE69628770T2; EP0733891A2; EP0733891B1; DE69628770D1; EP1098184B1; EP1098184A1; EP1098185A1; DE69625832T2; DE69625832D1; EP1098185B1; JPH08319931A; DE69615595D1; US5632247A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Frühzündungserfassungssystem und ein Frühzündungserfassungsverfahren in einem Verbrennungsmotor und insbesondere auf ein Frühzündungserfassungssystem und ein Frühzündungserfassungsverfahren, die zu einem schnellen Erfassen der Frühzündungsbedingung in der Lage sind.
Bei einem Verbrennungsmotor ist das Frühzünden eine Erscheinung, bei der Restwärme, die eine Zündkerze oder eine Ablagerung in einem Zylinder besitzt, einen Wärmepunkt erzeugt, der eine Selbstzündung des Luft-Kraftstoff-Gemischs im Verdichtungstakt bewirkt. Frühzündungen bewirken nicht nur eine steile Abnahme der Ausgangsleistung des Verbrennungsmotors oder eine Änderung der Rotation vom Verbrennungsmotor, sondern verursachen in Extremfällen sogar eine Beschädigung des Verbrennungsmotors.
Aus der US-A-5.347.846 ist eine Klopferfassungsvorrichtung bekannt, bei der die Zeit, in der Klopfen auftreten kann, in eine Vielzahl von Zeitintervallen unterteilt wird, wobei die Intervalle durch die Position des Kurbelwellenwinkels bestimmt sind. Es wird bestimmt, in welchen Zeitfenster die höchste Signalamplitude vorliegt. Für die Klopferfassung wird ein etwas größeres Fenster, das um das vorstehende Fenster zentriert ist, verwendet.
Die US-A-4.643.846 offenbart eine Vibrationstestvorrichtung zum Erfassen von (übermäßigen) Vibrationen in einem rotierenden Verbrennungsmotor. Zeitfenster, die durch das reale Zünden der Zylinder ausgelöst werden, werden erzeugt, um die Ereignisse, die sich auf die unterschiedlichen Zylinder beziehen, zu trennen.
Die DE-A-3102299 zeigt ein Zündsystem mit einer Klopfmeßeinrichtung. Das Zeitfenster für die Signalanalyse wird durch das wahre Zündsignal ausgelöst und nicht durch ein bestimmtes Kurbelwellensensor-Signal. Es liegt jedoch kein Vibrationssensor, sondern eine Ionenstrommessung vor.
Die japanische Gebrauchsmuster-Veröffentlichung (Kokai) Nr. 1-88042 schlägt eine Vorrichtung zum Steuern eines Verbrennungsmotors vor, die somit bestimmt, daß Frühzünden aufgetreten ist, wenn eine Vibration, die größer als ein vorbestimmter Pegel ist, vor dem Zünden in jedem Zylinder erfaßt wird, und die die Kraftstoffzufuhr zum Zylinder unterbricht. Bei dieser bekannten Vorrichtung zum Steuern des Verbrennungsmotors, die das Auftreten von Frühzünden erfaßt, wenn eine Vibration, die größer als ein vorbestimmter Pegel ist, vor dem Zünden erfaßt wird, kann jedoch das Auftreten von Frühzünden erst dann erfaßt werden, wenn das Frühzünden in einem beträchtlichen Maße fortgeschritten ist. Zu dieser Zeit ist es nicht länger möglich, die Wahrscheinlichkeit, daß am Verbrennungsmotor Schäden verursacht werden, auszuschließen; außerdem verschlechtert sich das Fahrverhalten aufgrund des Unterbrechens der Kraftstoffzufuhr.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Umstände getätigt; es ist ihre Aufgabe, ein Frühzündungserfassungssystem bzw. ein Frühzündungserfassungsverfahren vorzusehen, die zum schnellen Erfassen einer Frühzündungsbedingung in der Lage sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Ansprüche 1 bzw. 2 gelöst.
Somit wird entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Frühzündungserfassungssystem vorgesehen, das aufweist: eine Zündzeitpunktsteuereinrichtung zum Bestimmen eines Zündzeitpunktes in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen der Verbrennungsmotor betrieben wird, eine Bestimmungseinrichtung für abnorme Vibration zum Bestimmen, daß abnorme Vibration auftritt, wenn eine Vibrationskomponente innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches als ein Ergebnis des Erfassens der Vibration des Verbrennungsmotors größer als ein vorbestimmter Pegel ist oder wenn eine Vibration innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches häufiger als eine vorbestimmte Frequenz auftritt, nachdem das Zünden durch die Zündzeitpunkt-Steuereinrichtung bewirkt wurde, eine Erfassungseinrichtung für den Zeitpunkt der abnormen Vibration zum Erfassen eines Zeitpunkts, zu dem durch die Bestimmungseinrichtung für die abnorme Vibration bestimmt wurde, daß abnorme Vibration auftritt, und eine Frühzündungs-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen im Abhängigkeit von einer Zeitdifferenz zwischen dem Zündzeitpunkt, der durch die Zündzeitpunkt-Steuereinrichtung bestimmt wurde, und dem Zeitpunkt von abnormen Vibrationen, die durch die Erfassungseinrichtung für den Zeitpunkt von abnormen Vibrationen erfaßt wurde, daß ein Frühzünden auftritt.
Entsprechend einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Frühzündungserfassungsverfahren vorgesehen, das aufweist: einen Zündzeitpunkt-Steuerschritt zum Bestimmen eines Zündzeitpunktes in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen ein Verbrennungsmotor betrieben wird, einen Bestimmungsschritt für abnorme Vibration zum Bestimmen, daß abnorme Vibration auftritt, wenn eine Vibrationskomponente innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches als ein Ergebnis des Erfassens der Vibration des Verbrennungsmotors größer als ein vorbestimmter Pegel ist und wenn die Vibration innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs häufiger als eine vorbestimmte Frequenz auftritt, nachdem das Zünden im Zündzeitpunkt-Steuerschritt bewirkt wurde, ein Erfassungsschritt für den Zeitpunkt der abnormen Vibration zum Erfassen eines Zeitpunktes, zu dem im Bestimmungsschritt für abnorme Vibration bestimmt wird, daß abnorme Vibration auftritt, und einen Frühzündung- Bestimmungsschritt zum Bestimmen in Abhängigkeit von einer Zeitdifferenz zwischen dem Zündzeitpunkt, der im Zündzeitpunkt-Steuerschritt bestimmt wurde, und dem Zeitpunkt der abnormen Vibration, die im Erfassungsschritt für den Zeitpunkt der abnormen Vibration bestimmt wurde, daß Frühzünden auftritt.
Das Frühzündungserfassungssystem und das Frühzündungserfassungsverfahren bestimmen somit auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem Zeitpunkt, zu dem abnorme Vibration auftritt, und dem Zündzeitpunkt, ob das Frühzünden auftritt oder nicht.
Nachfolgend wird eine detailliertere Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung vorgenommen, die im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen zu sehen ist, in denen:
Fig. 1 eine graphische Darstellung ist, die den Aufbau eines Frühzündung-Erfassungssystems illustriert,
Fig. 2 ein Fließbild einer Routine zum Erfassen des Kurbelwinkels ist,
Fig. 3 ein Fließbild einer Routine zum Steuern des Zündzeitpunktes bzw. der Zündsteuerzeit, und
Fig. 4 ein Fließbild einer ersten Verarbeitung zum Erfassen des Frühzündens ist.
Fig. 1 ist eine graphische Darstellung, die den Aufbau eines Frühzündung-Erfassungssystems entsprechend der vorliegenden Erfindung illustriert, wobei ein Verbrennungsmotor 10 einen Kolben 103 hat, der sich in einem in einem Zylinderblock 101 ausgebildeten Zylinder 102 auf und ab bewegt.
In einem oberen Teil des Zylinders 102 sind ein Ansaugventil 104, ein Auslaßventil 105 und eine Zündkerze 106 angeordnet. Das durch das Ansaugventil 104 zugeführte Luft- Kraftstoff-Gemisch wird verdichtet und durch die Zündkerze 106 entzündet, so daß der Kolben 103 heruntergedrückt wird und eine Antriebskraft erzeugt.
Die Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens 103 wird durch eine Kurbelwelle (nicht gezeigt) in eine Rotationskraft umgewandelt. Am vorderen Endabschnitt der Kurbelwelle ist ein Zeitgeberrotor 107 befestigt.
Der Zeitgeberrotor 107 hat Zähne, die einen Winkel von 30 Grad haben (insgesamt 12 Zähne); ein Kurbelpositionssensor 111, der benachbart zum Zeitgeberrotor 107 installiert ist, gibt zu jedem Zeitpunkt, zu dem ein Zahn vorbeiläuft, einen elektrischen Impuls ab. Daher kann der Kurbelpositionssensor 111 den Kurbelwellenwinkel alle 30 Grad erfassen.
An einer das Ansaugventil 104 antreibenden Ansaugnockenwelle (nicht gezeigt) ist ein Vorsprung ausgebildet; ein Nockenwellensensor 112, der zur Ansaugnockenwelle benachbart angeordnet ist, gibt zu jedem Zeitpunkt, zu dem der Vorsprung vorbeiläuft einen elektrischen Impuls ab. Somit ermöglicht der Nockenwellensensor 112, daß eine Drehung der Nockenwelle erfaßt wird, d. h. daß ein Zyklus des Verbrennungsmotors erfaßt wird.
Darüber hinaus ist am Zylinderblock 101 ein Vibrationssensor 113 befestigt, um die durch den Verbrennungsmotor erzeugten Vibrationen zu erfassen.
Die Ausgänge des Kurbelpositionssensor 111, des Nockenwellensensors 112 und des Vibrationssensors 113 werden zu einer Steuereinrichtung 12 geleitet.
Die Steuereinrichtung 12 wird durch einen Mikrocomputer mit einer CPU 122, einem Speicher 123, einer Eingabeschnittstelle 124 und einer Ausgabeschnittstelle 125 gebildet, wobei sich ein Datenbus 121 in der Mitte befindet. Ausgänge der Sensoren werden über die Eingabeschnittstelle 124 zur CPU 124 geleitet.
Ein Zündbefehlssignal wird von der Ausgabeschnittstelle 125 der Steuereinrichtung 12 ausgegeben und über eine Zündeinrichtung 131 und eine Zündspule 132 der Zündkerze 106 zugeleitet.
Fig. 2 ist ein Fließbild einer Routine zum Erfassen des Kurbelwinkels, die durch die CPU 122 ausgeführt wird; diese wird als ein Unterbrechprozeß zu jedem Zeitpunkt, zu dem ein Impuls vom Kurbelpositionssensor 111 ausgegeben wird, ausgeführt.
In einem Schritt 21 wird ein Index i, der den Kurbelwinkel darstellt, erhöht; in einem Schritt 22 wird bestimmt, ob der Index i 12 erreicht hat oder nicht.
Wenn die Bestimmung in Schritt 22 bejaht wird, d. h. wenn der Index i 12 beträgt, wird der Index i dann in Schritt 23 zurückgesetzt und geht die Steuerung zu einem Schritt 24.
Wenn die Bestimmung in Schritt 22 negativ ist, geht die Steuerung direkt zu Schritt 24.
In Schritt 24 wird die Zeit TF, die von einem freilaufenden Timer abgerufen wurde, wenn die Routine zum vorherigen Mal ausgeführt wurde, in TB gespeichert; in einem Schritt. 25 wird die Zeit TF des freilaufenden Timers abgerufen, um die Routine zu beenden.
Fig. 3 ist ein Fließbild einer Routine zum Steuern des Zündzeitpunktes, die durch die CPU 122 jedesmal dann ausgeführt wird, wenn ein vorbestimmter Zeitintervall vergangen ist.
In einem Schritt 31 wird ein Vibrationspegel R des Verbrennungsmotors, der durch den Vibrationssensor 113 erfaßt wurde, abgerufen; in einem Schritt 32 wird ein Vibrationspegel K als eine Funktion des Vibrationspegels R bestimmt, d. h. K=K(R).
Als diese Funktion kann ein gleitender Durchschnitt des Vibrationspegels R verwendet werden.
In einem Schritt 33 wird bestimmt, ob der Vibrationspegel K größer als ein vorbestimmte Schwellpegel &epsi; ist oder nicht.
Bei den vorstehend genannten Ausführungsbeispiel wird in Abhängigkeit von der Größe des Vibrationspegels K bestimmt, ob abnorme Vibration auftritt oder nicht. Das Auftreten von abnormer Vibration kann jedoch ebenfalls auf der Grundlage der Frequenz des Vibrationspegels K bestimmt werden, der einen vorbestimmten zweiten Schwellwert η innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums TP überschreitet. Hierbei kann der zweite Schwellwert η kleiner als der Schwellwert &epsi; sein.
Wenn die Bestimmung in Schritt 33 negativ ist, d. h. wenn Somit bestimmt wird, daß keine abnorme Vibration auftritt, geht die Steuerung zu einem Schritt 34, in dem ein Prozeß zum Vorverschieben des Zündzeitpunkts ausgeführt wird.
Anders ausgedrückt wird in Schritt 34 der Zündzeitpunkt TI' vorverschoben, indem ein vorbestimmter Vorschubwinkel ΔTL voll, einem Referenzzündzeitpunkt TI abgezogen wird.
Es ist bekannt, daß der Referenzzündzeitpunkt TI als eine Funktion der Verbrennungsmotordrehzahl Ne und des Ansaugluftstroms GN bestimmt wird, d. h. TI = TI (Ne, GN).
In einem Schritt 35 wird die Zündsteuerzeit TI' durch eine maximale Vorschubsteuerzeit TL begrenzt und die Routine beendet.
Wenn die Bestimmung in Schritt 33 bejaht wird, d. h. wenn eingeschätzt wird, daß abnorme Vibration auftritt, geht die Steuerung zu einem Schritt 36, in dem die Zündsteuerzeit TI' verzögert wird, indem ein vorbestimmter Verzögerungswinkel ΔTD zur Referenzsteuerzeit TI addiert wird. Hierbei ist der vorbestimmte Verzögerungswinkel ΔTD größer als der vorbestimmte Vorschubwinkel ΔTL, so daß abnorme Vibration schnell unterdrückt werden kann.
In einem Schritt 37 wird die Zündsteuerzeit TI' durch eine maximale Verzögerungssteuerzeit TD begrenzt. Die Steuerung geht dann zu einem Schritt 38, in dem eine Verarbeitung ausgeführt wird, um das Frühzünden zu erfassen; die Routine wird beendet.
Fig. 4 ist ein Fließbild eines ersten Prozesses zum Erfassen des Frühzündens, der in Schritt 38 in der Routine zum Steuern der Zündsteuerzeit von Fig. 3 ausgeführt wird. In Schritt 41 wird eine Zeit TN, zu der abnorme Vibration erfaßt wird, aus einem freilaufenden Timer gelesen.
Wenn eine Bedingung, bei der der Vibrationspegel K den vorbestimmten zweiten Schwellwert η mehr als eine vorbestimmte Anzahl an Malen innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums überschreitet, als eine Basis zum Bestimmen des Auftretens von abnormer Vibration verwendet wird, wird die Zeit TN, bei der eine abnorme Vibration, die größer als der zweite Schwellwert η ist, als erstes innerhalb des vorbestimmten Zeitraums TP erfaßt wird, aus dem freilaufenden Timer gelesen. Hierbei kann die Zeit TN, bei der Vibration erfaßt wird, nicht die sein, bei der eine Vibration, die größer als der zweite Schwellwert η ist, als erstes innerhalb des vorbestimmten Zeitraums TP erfaßt wird, sondern kann die Zeit sein, bei der die Vibration erfaßt wird, nachdem die vorhergehenden Vibrationen mehrere Male erfaßt wurde, z. B. die Zeit, zu der die Vibration zum zweiten oder dritten Male erfaßt wird.
In Schritt 42 wird die Zeit TK, bei der abnorme Vibration erfaßt wird, entsprechend der folgenden Gleichung berechnet:
TK = it + (TN - TB)/(TF - TB)
wobei "it" eine vorherige Zeit ist, zu der ein Impuls vom Kurbelpositionssensor 111 erfaßt wurde.
Anders ausgedrückt wird die Zeit auf der Grundlage eines Impulsausgangs vom Kurbelpositionssensor 111 mit einem Verhältnis der Zeit bis zum Erfassen der abnormen Vibration zu der Zeit zwischen den Impulsen korrigiert.
In einem Schritt 43 wird bestimmt, ob eine Differenz zwischen der Zeit TK des Erfassens von abnormer Vibration und der Zeit, die aus der Zündsteuerzeit TI' unter Verwendung der vorliegenden Motordrehzahl Ne umgewandelt wurde, kleiner als der vorbestimmte Schwellwert δ ist oder nicht. Der Schwellwert δ wird als ein positiver Wert bestimmt. Der Schritt 43 kann eine Änderung der Zeit TK, bei der abnorme Vibration erfaßt wird, erfassen, d. h. kann erfassen, ob abnorme Vibration häufig auftritt.
Wenn die Bestimmung in Schritt 43 bejaht wird, d. h. wenn die Differenz zwischen der Zeit TK des Erfassen von abnormer Vibration und der Referenzzündsteuerzeit TI kleiner als der vorbestimmte Schwellwert δ ist, wird so bestimmt, daß das Frühzünden aufgetreten ist und wird in einem Schritt 44 ein Alarm erzeugt.
In einem Schritt 45 wird die Operation zum Vermeiden des Frühzündens ausgeführt und wird die Routine dann beendet.
Die folgenden Operationen können ausgeführt werden, um das Frühzünden zu vermeiden:
1. Einstellen der Zündsteuerzeit auf eine maximale Verzögerungssteuerzeit TD.
2. Erhöhen der Kraftstoffeinspritzmenge, um das Luft/Kraftstoffverhältnis kleiner einer unteren Grenze für den Verbrennungsbereich oder gleich dieser zu setzen.
3. Verringern der Kraftstoffeinspritzmenge, um das Luft/Kraftstoffverhältnis höher als eine obere Grenze für den Verbrennungsbereich oder gleich dieser zu setzen.
4. Schließen des Drosselventils.
Anders ausgedrückt wird entsprechend der vorliegenden Erfindung bestimmt, daß Frühzünden auftritt, wenn die Zeit TK des Erfassens von abnormer Vibration nahe der vorliegenden Zündsteuerzeit TI ist, so daß ermöglicht wird, daß das Auftreten des Frühzündens zu einem frühen Zeitpunkt erfaßt wird.
Das Frühzünden kann jedoch in Abhängigkeit von einem Schwellwert, mit dem abnorme. Vibration bestimmt wird, oder einem Schwellwert einer Differenz zwischen der Zeit des Erfassens von abnormer Vibration und der vorliegenden Zündsteuerzeit nicht mit ausreichend hoher Genauigkeit erfaßt werden.
Entsprechend dem Frühzündungserfassungssystem der vorliegenden Erfindung wird somit bestimmt, daß das Frühzünden auftritt, wenn eine Differenz zwischen der Klopfsteuerzeit und der Zündsteuerzeit kleiner als ein vorbestimmter Wert wird. Daher wird das Frühzünden ohne Verwendung von zusätzlichen Sensoren zuverlässig erfaßt.

Claims

1. Frühzündungserfassungssystem, das aufweist

eine Zündzeitpunkt-Steuereinrichtung zum Bestimmen eines Zündzeitpunktes in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen ein Verbrennungsmotor (10) betrieben wird,

eine Bestimmungseinrichtung für abnorme Vibration zum Bestimmen, daß, wenn eine Vibrationskomponente innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches als ein Ergebnis des Erfassens der Vibration des Verbrennungsmotors (10) größer als ein vorbestimmter Pegel ist oder wenn eine Vibration innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches häufiger als eine vorbestimmte Frequenz auftritt, nachdem die Zündung durch die Zündzeitpunkt-Steuereinrichtung bewirkt wurde, abnorme Vibration auftritt,

eine Erfassungseinrichtung für den Zeitpunkt der abnormen Vibration zum Erfassen eines Zeitpunktes, bei dem durch die Bestimmungseinrichtung für abnorme Vibration bestimmt wird, daß abnorme Vibration auftritt, und

eine Frühzündung-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen in Abhängigkeit von einer Zeitdifferenz zwischen dem Zündzeitpunkt, der durch die Zündzeitpunkt-Steuereinrichtung bestimmt wurde, und dem Zeitpunkt der abnormen Vibration, der durch die Erfassungseinrichtung für den Zeitpunkt der abnormen Vibration erfaßt wurde, daß eine Frühzündung auftritt.

2. Frühzündungserfassungsverfahren, das aufweist:

einen Zündzeitpunkt-Steuerschritt zum Bestimmen eines Zündzeitpunktes in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen ein Verbrennungsmotor (10) betrieben wird,

einen Bestimmungsschritt für abnorme Vibration zum Bestimmen, daß, wenn eine Vibrationskomponente innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches als ein Ergebnis des Erfassens der Vibration des Verbrennungsmotors (10) größer als ein vorbestimmter Pegel ist oder wenn eine Vibration innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereiches häufiger als eine vorbestimmte Frequenz auftritt, nachdem die Zündung im Zündzeitpunkt-Steuerschritt bewirkt wurde, abnorme Vibration auftritt,

einen Erfassungsschritt für den Zeitpunkt der abnormen Vibration zum Erfassen eines Zeitpunktes, zu dem im Bestimmungsschritt für abnorme Vibration bestimmt wird, daß abnorme Vibration auftritt, und

einen Frühzündung-Bestimmungsschritt zum Bestimmen in Abhängigkeit von einer Zeitdifferenz zwischen dem Zündzeitpunkt, der im Zündzeitpunkt-Steuerschritt bestimmt wurde, und dem Zeitpunkt der abnormen Vibration, der im Erfassungsschritt für den Zeitpunkt der abnormen Vibration erfaßt wurde, daß Frühzündung auftritt.