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EP4237672A1 - Verfahren zur robusten klopferkennung in einer verbrennungskraftmaschine, steuergerät und kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zur robusten klopferkennung in einer verbrennungskraftmaschine, steuergerät und kraftfahrzeug

Info

Publication number
EP4237672A1
EP4237672A1 EP21786368.7A EP21786368A EP4237672A1 EP 4237672 A1 EP4237672 A1 EP 4237672A1 EP 21786368 A EP21786368 A EP 21786368A EP 4237672 A1 EP4237672 A1 EP 4237672A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
knocking
internal combustion
combustion engine
signal
factor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP21786368.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rene Weiss
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP4237672A1 publication Critical patent/EP4237672A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D35/00—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for
    • F02D35/02—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions
    • F02D35/027—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using knock sensors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D13/00—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing
    • F02D13/02—Controlling the engine output power by varying inlet or exhaust valve operating characteristics, e.g. timing during engine operation
    • F02D13/0223—Variable control of the intake valves only
    • F02D13/0226—Variable control of the intake valves only changing valve lift or valve lift and timing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/24—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means
    • F02D41/2406—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents characterised by the use of digital means using essentially read only memories
    • F02D41/2425—Particular ways of programming the data
    • F02D41/2429—Methods of calibrating or learning
    • F02D41/2451—Methods of calibrating or learning characterised by what is learned or calibrated
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L23/00—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid
    • G01L23/22—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines
    • G01L23/221—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines for detecting or indicating knocks in internal combustion engines
    • G01L23/222—Devices or apparatus for measuring or indicating or recording rapid changes, such as oscillations, in the pressure of steam, gas, or liquid; Indicators for determining work or energy of steam, internal-combustion, or other fluid-pressure engines from the condition of the working fluid for detecting or indicating knocks in internal-combustion engines; Units comprising pressure-sensitive members combined with ignitors for firing internal-combustion engines for detecting or indicating knocks in internal combustion engines using piezoelectric devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D2200/00—Input parameters for engine control
    • F02D2200/02—Input parameters for engine control the parameters being related to the engine
    • F02D2200/10—Parameters related to the engine output, e.g. engine torque or engine speed
    • F02D2200/101—Engine speed
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to a method for automatic knock detection in an internal combustion engine, a correspondingly set up control device and a motor vehicle equipped therewith.
  • knocking can occur under certain conditions due to irregular or uncontrolled combustion with an additional ignition core within a cylinder volume at correspondingly high pressures and temperatures. Such knocking can lead to knocking damage, which can range from damage to a piston to major engine damage, ie failure of the respective internal combustion engine.
  • knock sensors which can detect acoustic signals caused by knocking, for example. If knocking is detected, an ignition angle or ignition point can then be adjusted, for example, in order to avoid further knocking.
  • a method for knock control of an internal combustion engine with at least one cylinder is described, for example, in AT 517 396 B1.
  • An intake valve is assigned to the at least one cylinder, and if knocking occurs in at least one cylinder, the knocking in this cylinder is reduced by actuating the intake valve associated with the cylinder identified as knocking in such a way that the temperature of the charge in this cylinder is lowered.
  • a cylinder-specific and/or a global measure for power compensation of the internal combustion engine is taken.
  • the respective intake valve can be closed earlier in the intake stroke via a variable valve train.
  • the temperature of the cylinder charge can be lowered to avoid knocking by supplying an increased amount of cooled exhaust gas to the relevant cylinder. In particular, this is intended to avoid a loss of efficiency as part of the knock control.
  • DE 11 2015 0 02437 T5 deals with valve fault detection.
  • a method is described in which an engine having a plurality of cylinders is operated in a cylinder deactivation mode.
  • a useful torque to be expected during an operating window is estimated there by means of a torque model.
  • a parameter indicative of actual engine torque during the operating window is measured. It is then determined within an engine cycle whether a valve actuation failure has occurred based on a comparison of the measured parameter to an expected parameter value based on the expected net torque.
  • An accelerometer can also be used as a knock sensor as part of this procedure. Knock may result in a corresponding vibration pattern of the engine and thus a signature in an accelerometer output signal associated with the knock. Thus, engine knock can be detected by searching for knock signatures in a corresponding frequency range.
  • DE 11 2010 004 825 B4 describes an internal combustion engine control device that includes intake pipe temperature transient behavior calculation means for estimating the transient behavior of an intake pipe temperature based on a flow rate of gas flowing into an intake pipe, a flow rate of gas flowing out of the Inlet pipe flows, an inlet pipe pressure and a rate of change of time Includes inlet pipe pressure.
  • the aim is to provide an engine control apparatus capable of accurately estimating the behavior of the intake pipe temperature during a transient period even in a variable valve engine or a turbocharger.
  • transient knocking can be suitably prevented, for example, by calculating the timing at the time during the transient period of the engine based on the estimated transient behavior of the intake pipe. This is intended to avoid the problem that an empirical determination of a correction extent for a suitable prevention of temporary knocking is too complex, since a large number of actuators work in typical internal combustion engines, which can lead to innumerable superimposed acceleration patterns.
  • the object of the present invention is to enable a particularly reliable and robust knock detection of an internal combustion engine.
  • the method according to the invention is used for automatic knock detection in an internal combustion engine with multiple cylinders, variable intake valve lift and at least one knock sensor.
  • the internal combustion engine can be, for example, a drive motor of a motor vehicle.
  • the internal combustion engine is operated with an intake valve closing during, ie before the end of, the intake stroke.
  • the intake valves of the cylinders are therefore already closed before a bottom dead center or reversal point of their respective piston or a respective connecting rod and crankshaft connected thereto. Compression within the cylinders is therefore smaller in this operation than a respective expansion in the subsequent power stroke.
  • the internal combustion engine can be operated in the so-called Miller cycle or Miller mode.
  • a sensor signal recorded by the knock sensor in a predefined measurement time window is evaluated with regard to a predefined criterion for detecting knocking.
  • the measurement time window is shorter than a respective period or cycle times internal combustion engine.
  • the measurement time window can cover an angular range between 30° and 60° in relation to a rotational movement of a crankshaft of the internal combustion engine.
  • a plurality of measurement time windows for example a pre-ignition measurement time window and a main measurement time window, can also be specified, ie defined, which can partially overlap or follow one another.
  • the predetermined measurement time window can begin, for example, at approximately 20° crankshaft angle or crankshaft movement after a respective top dead center of the cylinder.
  • the measurement time window of the plurality of cylinders can therefore begin at the same point in time relatively, that is to say in relation to their respective top dead center, but viewed in absolute terms at different points in time.
  • a particularly effective and efficient knocking detection can be implemented since, for example, a data processing effort is limited and outside of the respective measurement time window in which knocking can occur, external or interference signals are automatically disregarded.
  • the sensor signal or a signal based on the sensor signal or an output of the knock sensor must at least reach or exceed a predetermined basic threshold value.
  • a large part of the unavoidable extraneous or disturbing noise and noise which can originate from the operation of the internal combustion engine, possibly from the components surrounding it and/or from other external influences, can already be effectively filtered out.
  • an intake valve closure i.e. a point in time at which an intake valve closes
  • the method according to the invention therefore provides for the basic threshold value for knock detection to be modified by means of a predefined variable interference factor which is dependent on a relative point in time at which an intake valve of at least one of the cylinders closes in relation to a predefined reference point.
  • This reference point can be, for example act at a defined reference point in time or a reference event or its point in time, for example the respective top dead center.
  • the relative point in time at which the intake valve closes can then be given, for example, by a specific crankshaft angle after the specified reference point, it also being possible for a current speed of the internal combustion engine to be taken into account.
  • the reference point can indicate, for example, when a maximum stroke or a zero position has been reached in the respective cylinder, ie generally indicate a position or position of the crankshaft or a respective piston.
  • a corresponding sensor for example a sensor wheel or the like, can be provided for detecting the reference point.
  • the basic threshold value In order to modify the basic threshold value, it can be multiplied by the respective interference factor, for example, with the interference factor being able to be greater than 1 in particular.
  • the resulting modified basic threshold value can therefore in particular be greater than the originally specified basic threshold value.
  • Due to the disruptive factor it can be taken into account here that the closing of an intake valve can generate a signal that can be detected by the knock sensor, for example an acoustic signal or a vibration signal, in at least one part of the internal combustion engine and in the Miller mode of the internal combustion engine the intake valve closing of a cylinder in the Measuring time window for regular knock detection of another cylinder can fall.
  • intake valve closing of one cylinder may interfere with or affect knock detection of another cylinder.
  • the intake valve lift of the internal combustion engine is variable and the intake valve closing can therefore take place at different relative times depending on the activation, the corresponding variability of the disruptive factor can ultimately result in a particularly precise, reliable and robust knock detection.
  • the closing of the intake valve is controlled, its respective point in time is at least essentially known, so it can be used or taken into account without further ado as part of the knock detection, for example by a correspondingly set up control unit.
  • the sensor signal or the signal based on it is only recognized as knocking, ie as a signal caused by uncontrolled combustion in the respective cylinder, if it is at least reaches or exceeds the appropriately modified base threshold.
  • the present invention is based, among other things, on the knowledge that, precisely in the operating mode described, the inlet valve can be closed early enough and the inlet valve can be closed at different relative points in time by means of the variable inlet valve lift, i.e. a corresponding valve train control regular knock detection can be disturbed or influenced to a correspondingly different extent or in different ways.
  • the conventional use of the constant base threshold value could accordingly lead to false detections (English: false positives) of knocking or signals or events or, if the base threshold value is selected too high, to non-detection of real knocking.
  • the knock sensor can include a piezo element, for example, which outputs a voltage, ie a voltage signal, as the sensor signal. This voltage varies with sound waves or vibrations impinging on the knock sensor or piezo element.
  • a piezo element for example, which outputs a voltage, ie a voltage signal, as the sensor signal. This voltage varies with sound waves or vibrations impinging on the knock sensor or piezo element.
  • a plurality of knock sensors can be arranged spatially distributed on the internal combustion engine and their signal can be used in a corresponding manner, ie evaluated.
  • a respective knock sensor can be provided for each cylinder or, for example, for each two adjacent cylinders. The evaluation of the sensor signal described here and thus the knock detection can be carried out in every cycle, ie in every working cycle of the engine or the individual cylinders.
  • the sensor signal is filtered by means of a predetermined bandpass filter for the evaluation.
  • the resulting filtered sensor signal is then integrated over the measurement time window, i.e. its time or duration.
  • a resulting integral value is then compared to the modified base threshold.
  • an individual interference factor is specified for each cylinder and taken into account for the evaluation.
  • different cylinders can have different acoustic properties or vibration properties, for example due to microscopic differences in the area of the intake valves, material differences, manufacturing tolerances, a relative arrangement of the knock sensor and/or the like.
  • Each cylinder can therefore have an individual signal characteristic, which can be taken into account by means of the correspondingly adapted individual interference factor.
  • a standard interference factor can first be specified for all cylinders, which can be individually adapted to each of the cylinders as a function of measured values or sensor signals from the knock sensor. Overall, the knock detection can be further improved in this way.
  • an adaptive mechanism is used to identify a signal as knocking, which is set up over time to detect external signals, i.e. extraneous or disturbing noises, which are not caused by an actual knocking, i.e. not by an uncontrolled Combustion in one of the cylinders, are generated, learns and disregards for the detection of knocking.
  • the mechanism for knock detection can detect external signals, for example based on their time or time intervals between the occurrence of the external signals that do not correlate with the relative time position of the measurement time window or a corresponding change, based on peaks or signal shapes and/or the like.
  • an external signal with a constant frequency can also occur over changed speeds of the internal combustion engine or always at exactly the same time interval from a specific specified reference point, which is not consistent with knocking as the cause.
  • Identified external signals can, for example, be automatically filtered out of the sensor signal before the further evaluation, ie the actual knock detection, is carried out based on a residual signal that then remains.
  • the adaptive mechanism can be implemented, for example, as a trainable algorithm or by a machine learning facility. In this way, the knock detection can be automatically improved, in particular against the background that a corresponding manual programming of the knock detection with all actually or potentially occurring external signals in advance is not practicable.
  • the disruptive factor is reduced in a predetermined manner, in particular gradually or in steps, with increasing adaptation of the mechanism for knock detection.
  • the disruptive factor or its application to the basic threshold value is increasingly masked out over the course of the operating time of the internal combustion engine, during which the mechanism learns to identify external signals.
  • This can be implemented, for example, according to a predetermined ramp function or the like.
  • the adaptive mechanism also learns, ie recognizes, the disturbances or disturbance signals caused by the intake valve closing as external signals. False detection of knocking can then be avoided or reduced by the appropriately trained adaptive mechanism.
  • the modified Base threshold can be reduced to the originally specified base threshold, whereby the risk of non-detection of a knock, for example relatively weakly pronounced, can be reduced.
  • a rate of reduction in the interference factor or its application or influence on the basic threshold value is varied as a function of a speed of the internal combustion engine.
  • the reduction of the disruptive factor can therefore be accelerated or decelerated within a corresponding reduction phase. For example, at a lower speed, in particular with a relatively high load at the same time, the reduction, ie ramping out, of the disruptive factor can be slowed down.
  • the embodiment proposed here is based on the finding that the malfunctions in knock detection caused by the closing of the intake valve can be more serious or relevant in such operating states of the internal combustion engine than at higher speeds and/or lower loads.
  • the interference factor is modified by a predetermined running time factor, which increases with increasing operating time of the internal combustion engine or with an increasing number of work cycles performed or completed by the internal combustion engine and reduces the interference factor accordingly.
  • the disruptive factor is reduced to an ever greater extent with increasing operating time or an increasing number of work cycles carried out or completed by the internal combustion engine.
  • the intake valves hit their valve seat over time, burrs, bumps or mismatches change over time, which means that the intake valves can generally undergo an adaptation or aging process.
  • the interfering influence of the closing of the intake valve on the knock detection can decrease.
  • a reliable and robust knock detection can thus be maintained over time by the modification of the interference factor specified here based on the runtime or operating time, although a corresponding characteristic of the internal combustion engine can change in the process.
  • a hysteresis factor in particular a variable one, is specified for the evaluation, which takes into account that an interference signal caused by the closing of the inlet valve in each case of one of the cylinders, which influences the sensor signal recorded by the knock sensor, covers an interference period that can be shifted relative to the measuring time window for knock detection, i.e. can be shifted in time relative to it.
  • the hysteresis factor defines for which part of the measuring time window the interference factor is to be used or to what extent. In other words, the closing of the intake valve does not, or not always, produce a sharply defined individual peak, but can be characterized, i.e.
  • the signal form generated as a result can migrate completely or partially into or out of the measurement time window. This can also be determined or influenced by the relative point in time at which the intake valve closes, ie a corresponding spread. This can be taken into account by the hysteresis factor, thereby making the knock detection even more precise, reliable and robust.
  • a further aspect of the present invention is a control unit for an internal combustion engine, in particular a motor vehicle, for automatically detecting, ie recognizing, knocking of the internal combustion engine or in at least one cylinder of the internal combustion engine.
  • the control unit has an input interface for acquiring a sensor signal from a knock sensor, a data memory and a processor device connected thereto for processing the sensor signal, and an output interface for outputting a detection signal that indicates detection of knocking.
  • the control device is set up to carry out, in particular automatically, at least one variant or embodiment of the method according to the invention.
  • a corresponding program code or a corresponding computer program that represents the method steps, sequences or measures of the corresponding method, ie encoded or implemented, can be stored on the data memory.
  • a further aspect of the present invention is a motor vehicle which has an internal combustion engine with multiple cylinders, variable intake valve lift, at least one knock sensor and a control unit according to the invention.
  • the motor vehicle according to the invention can therefore be set up to carry out or use the method according to the invention.
  • the motor vehicle according to the invention can be the motor vehicle mentioned in connection with the other aspects of the invention.
  • the parts or components mentioned in connection with the various aspects of the present invention i.e. the method according to the invention, the control unit according to the invention and the motor vehicle according to the invention, can each be the same or the same parts or components or refer to the same or the same parts or obtain components.
  • the drawing shows a schematic representation of a motor vehicle with knock detection.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a motor vehicle 10 with an internal combustion engine 12, which can in particular be an Otto engine, which closes the intake valve before the end of the intake stroke in each working cycle, i.e. in particular in the Miller cycle or in the Miller -Operation, is operated or is operable.
  • the internal combustion engine 12 includes a plurality of cylinders 14, for example four or six, of which two are indicated here by way of example. Specifically, these are a first cylinder 16 with a first piston 18 and a second cylinder 20 with a second piston 22.
  • the pistons 18, 22 are connected here to a crankshaft 24, indicated schematically.
  • the first is an example Piston 18 here close to an ignition position, while the second piston 22 is on the way to its bottom dead center.
  • the cylinders 14 each have an input valve 26 with a controlled variable valve train 28 .
  • the variable valve trains 28 are connected to a control device 30 for control purposes.
  • the control unit 30 has a data memory 32 and a processor 34 connected thereto for executing an operating or control program stored on the data memory 32, indicated schematically here.
  • the processor 34 may be and/or include a microchip, a microprocessor, a microcontroller, a hardware circuit and/or the like, for example.
  • Control unit 30 also has an input interface 36 via which a knock sensor 38 of internal combustion engine 12 is connected. The control unit 30 can therefore use the input interface 36 to record a sensor signal received or provided by the knock sensor 38 for processing by means of the processor 34 and the data memory 32 .
  • Control unit 30 is set up here for knocking detection based on the detected sensor signal from knock sensor 38 . If knocking is detected, control unit 30 can control intake valves 26 or their variable valve drives 28 via an output interface 40, for example, in order to avoid or reduce further knocking.
  • This structure-borne noise due to intake valve 26 seating in its valve seat and/or due to mechanical relaxation of variable valve drive 28 when inlet valve 26 closes can lead to a corresponding interference signal in the sensor signal of knock sensor 38, since structure-borne noise or a noise generated by intake valve 26 originating acoustic signal can reach the knock sensor 38, for example by appropriate propagation or transport in a housing or component of the internal combustion engine 12, on which the Knock sensor 38 is arranged.
  • Such a spurious signal can have a significant negative impact on knock detection, so such spurious signals should be eliminated or filtered out as far as possible for accurate, reliable and robust knock detection. In the present case, this is achieved by the correspondingly configured control unit 30 by automatically processing the sensor signal from the knock sensor 38 .
  • a reference variable can be specified for this purpose, which outputs a respective point in time at which the intake valve closes the intake valves 26 based on the profile of a camshaft of the internal combustion engine 12 and a current spread, which defines a basic position of the camshaft. This can be done, for example, by a current angular position of the crankshaft 24 relative to a respective top dead center.
  • a cylinder-specific interference factor can be added to a predefined basic threshold value, i.e. a knock threshold for knock detection in a predefined measurement time window, for example in a main and in a pre-ignition measurement time window.
  • a corresponding characteristics map of a relative cylinder filling and a speed of the internal combustion engine 12 can be specified, for example stored in the data memory 32 .
  • the pre-ignition measurement time window can begin, for example, at about top dead center at a crank angle of 0° and extend, for example, over a crankshaft movement of 20°. Following this or overlapping, the main measurement time window can extend, for example, up to a crank angle of 60° to 70°.
  • a hysteresis value can be used to take account of a particular point in time at which the intake valve closes or a migration of the interference signal caused by the intake valve closing relative to the measurement time window.
  • the hysteresis value can be interpreted as a characteristic value for an angular position of the crankshaft 24, which defines or takes into account where the interference signal extends or how this occurs or moves relative to the measuring time window. In this way it can be taken into account that the intake valve closing is never completely constant, but ultimately only the range defined by the predetermined measurement time window should be taken into account for the knock detection.
  • the initially applied cylinder-specific interference factor can be reduced as a function of time, i.e. it can be ramped out again from the signal processing, especially if for the Knock detection an adaptive or learning mechanism is used. Over the course of time, such a mechanism can learn and filter out background noise that is not caused by actual knocking or background noise that is effectively unavoidable in the operation of internal combustion engine 12 or can ignore it for the actual knocking detection.
  • a ramping out that is to say a stepwise or gradual reduction, can take place, for example, over a few 100 working cycles of the internal combustion engine 12 .
  • the ramping out of the disruptive factor can be varied as a function of a current rotational speed of internal combustion engine 12, that is to say slowed down or accelerated. For this purpose, for example, a corresponding characteristic curve can be specified via the speed, in particular stored in the data memory 32 .
  • the disruption factor can also be modified, for example multiplied, by means of a predetermined running time factor, which takes into account aging, ie a change over time, and increasingly reduces the disruption factor with increasing operating time or aging of internal combustion engine 12 .
  • a predetermined running time factor which takes into account aging, ie a change over time, and increasingly reduces the disruption factor with increasing operating time or aging of internal combustion engine 12 .
  • the running time factor could therefore be reset, for example, when the internal combustion engine 12 or the intake valves 26 for the motor vehicle 10 are replaced.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Klopferkennung in einer Verbrennungskraftmaschine mit mehreren Zylindern, variablem Einlassventilhub und einem Klopfsensor. Die Erfindung betrifft weiter ein entsprechendes Steuergerät sowie ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug. Bei dem Verfahren wird die Verbrennungskraftmaschine mit einem Einlassventilschließen noch im Ansaugtakt betrieben. In einem vorgegebenen Messzeitfenster wird dabei ein Sensorsignal des Klopfsensor aufgenommen und hinsichtlich eines Kriteriums zum Detektieren eines Klopfens ausgewertet. Ein für die Klopferkennung vorgegebener Basisschwellenwert wird dabei mittels eines vorgegebenen variablen Störfaktors modifiziert, der abhängig ist von einem relativen Zeitpunkt eines Schließens eines Einlassventils wenigstens eines der Zylinder bezogen auf einen vorgegebenen Referenzpunkt. Ein auf dem Sensorsignal basierendes Signal wird nur dann als Klopfen erkannt, wenn es wenigstens den modifizierten Basisschwellenwertes erreicht.

Description

Verfahren zur robusten Klopferkennung in einer Verbrennungskraftmaschine, Steuergerät und Kraftfahrzeug
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Klopferkennung in einer Verbrennungskraftmaschine, ein entsprechend eingerichtetes Steuergerät und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.
Verbrennungskraftmaschinen sind zwar bereits seit langer Zeit bekannt, es besteht aber nach wie vor Interesse und Bedarf an Weiterentwicklungen, beispielsweise hinsichtlich der Effizienz und der Zuverlässigkeit. Ein bekanntes Problem liegt in dem sogenannten Klopfen, das unter bestimmten Bedingungen durch eine unregelmäßige oder unkontrollierte Verbrennung mit einem zusätzlichen Zündkern innerhalb eines Zylindervolumens bei entsprechend hohen Drücken und Temperaturen auftreten kann. Derartiges Klopfen kann zu Klopfschäden führen, die von Beschädigungen eines Kolbens bis hin zu kapitalen Motorschäden, also zum Ausfall der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine reichen können. Es gibt daher bereits Ansätze für eine automatische Klopferkennung mittels entsprechender Klopfsensoren, die beispielsweise durch das Klopfen verursachte akustische Signale erfassen können. Wird ein Klopfen detektiert, kann daraufhin beispielsweise ein Zündwinkel oder Zündzeitpunkt angepasst werden, um weiteres Klopfen zu vermeiden. Problematisch kann dabei jedoch sein, dass ein Klopfsensor nicht nur durch ein tatsächliches Klopfen verursachte Signale, sondern auch eine Vielzahl von Fremd- oder Steuersignalen aus anderen Quellen erfassen kann und dadurch eine zuverlässige Erkennung des Klopfens erschwert wird. Ein Verfahren zur Klopfregelung einer Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Zylinder ist beispielsweise in der AT 517 396 B1 beschrieben. Dem wenigstens einen Zylinder ist dabei ein Einlassventil zugeordnet, wobei bei Auftreten von Klopfen in wenigstens einem Zylinder durch Aktuieren des zu dem als klopfend erkannten Zylinder gehörigen Einlassventils solchermaßen, dass die Temperatur der Ladung dieses Zylinders gesenkt wird, das Klopfen in diesem Zylinder reduziert wird. Bei diesem Aktuieren des zu dem als klopfend erkannten Zylinder zugehörigen Einlassventils wird eine zylinderindividuelle und/oder eine globale Maßnahme für eine Leistungskompensation der Verbrennungskraftmaschine getroffen. Dabei kann beispielsweise das jeweilige Einlassventil über einen variablen Ventiltrieb im Einlasstakt früher geschlossen werden. Ebenso kann die Temperatur der Zylinderladung dadurch zum Vermeiden des Klopfens gesenkt werden, dass dem betreffenden Zylinder eine vergrößerte Menge an gekühltem Abgas zugeführt wird. Damit soll insbesondere ein Wirkungsgradverlust im Rahmen der Klopfregelung vermieden werden.
In der DE 11 2015 0 02437 T5 ist eine Ventilfehlerdetektion thematisiert. Dazu ist ein Verfahren beschrieben, bei dem ein Motor, der mehrere Zylinder aufweist, in einem Zylinderabschaltmodus betrieben wird. Mittels eines Drehmomentmodells wird dort ein während eines Betriebsfensters zu erwartendes Nutzdrehmoment abgeschätzt. Zudem wird ein Parameter, der das tatsächliche Motordrehmoment während des Betriebsfensters angibt, gemessen. Basierend auf einem Vergleich des gemessenen Parameters mit einem erwarteten Parameterwert, der auf dem erwarteten Nutzdrehmoment basiert, wird dann innerhalb eines Motorzyklus bestimmt, ob ein Ventilbetätigungsfehler aufgetreten ist. Im Rahmen dieses Verfahrens kann auch ein Beschleunigungsmesser als Klopfsensor verwendet werden. Ein Klopfen kann zu einem entsprechenden Vibrationsmuster des Motors und damit zu einer mit dem Klopfen verbundenen Signatur in einem Ausgangssignal des Beschleunigungsmessers führen. Somit kann das Motorklopfen durch Suchen nach Klopfsignaturen in einem entsprechenden Frequenzbereich detektiert werden.
In der DE 11 2010 004 825 B4 ist eine Verbrennungsmotor-Steuervorrichtung beschrieben, die ein Einlassrohrtemperatur-Übergangsverhalten-Berechnungsmittel zum Abschätzen des Übergangsverhaltens einer Einlassrohrtemperatur auf der Basis einer Durchflussrate von Gas, das in ein Einlassrohr strömt, einer Durchflussrate von Gas, das aus dem Einlassrohr strömt, eines Einlassrohrdrucks und einer Zeitänderungsrate des Einlassrohrdrucks umfasst. Damit soll eine Verbrennungsmotor-Steuervorrichtung geschaffen werden, die das Verhalten der Einlassrohrtemperatur während einer Übergangszeit selbst in einem Verbrennungsmotor mit variablen Ventilen oder einem Turbolader genau abschätzen kann. Damit kann vorübergehendes Klopfen beispielsweise durch Berechnen des zum Zeitpunkt während der Übergangszeit des Verbrennungsmotors auf Basis des abgeschätzten Übergangsverhaltens des Einlassrohrs geeignet verhindert werden. Damit soll die Problematik umgangen werden, dass ein empirisches Bestimmen eines Korrekturausmaßes für ein geeignetes Verhindern des vorübergehenden Klopfens zu aufwendig ist, da in typischen Verbrennungsmotoren eine Vielzahl von Aktuatoren arbeitet, was zu unzähligen überlagerten Beschleunigungsmustern führen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders zuverlässige bzw. robuste Klopferkennung einer Verbrennungskraftmaschine zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Mögliche Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur automatischen Klopferkennung in einer Verbrennungskraftmaschine mit mehreren Zylindern, variablem Einlassventilhub und wenigstens einem Klopfsensor. Bei der Verbrennungskraftmaschine kann es sich beispielsweise um einen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs handeln. Bei dem Verfahren wird die Verbrennungskraftmaschine mit einem Einlassventilschließen jeweils noch während, also vor Ende des Ansaugtakts betrieben. Dabei werden also die Einlassventile der Zylinder bereits vor einem unteren T otpunkt oder Umkehrpunkt ihres jeweiligen Kolbens bzw. einer jeweiligen damit verbundenen Pleuelstange und Kurbelwelle geschlossen. Eine Verdichtung innerhalb der Zylinder ist in diesem Betrieb also kleiner als eine jeweilige Expansion im nachfolgenden Arbeitstakt. Beispielweise kann die Verbrennungskraftmaschine also im sogenannten Miller-Zyklus oder Miller-Betrieb betrieben werden. Weiter wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein in einem vorgegebenen Messzeitfenster durch den Klopfsensor aufgenommenes Sensorsignal hinsichtlich eines vorgegebenen Kriteriums zum Detektieren eines Klopfens ausgewertet. Das Messzeitfenster ist dabei kürzer als eine jeweilige Periode oder Zykluszeiten der Verbrennungskraftmaschine. Beispielsweise kann das Messzeitfenster bezogen auf eine Drehbewegung einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine einen Winkelbereich zwischen 30° und 60° überdecken.
Es können auch mehrere Messzeitfenster, beispielsweise ein Vorentflammungsmesszeitfenster und ein Hauptmesszeitfenster vorgegeben, also definiert sein, die sich teilweise überlappen oder aneinander anschließen können. Das vorgegebene Messzeitfenster kann beispielsweise bei etwa 20° Kurbelwellenwinkel oder Kurbelwellenbewegung nach einem jeweiligen oberen Totpunkt der Zylinder beginnen. Die Messzeitfenster der mehreren Zylinder können also relativ, das heißt bezogen auf ihren jeweiligen oberen Totpunkt zum gleichen Zeitpunkt, absolut betrachtet aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten beginnen. Dadurch, dass für das Detektieren oder Erkennen des Klopfens nur das in dem jeweiligen Messzeitfenster aufgenommene Sensorsignal ausgewertet wird, kann eine besonders effektive und effiziente Klopferkennung realisiert werden, da beispielsweise ein Datenverarbeitungsaufwand begrenzt und außerhalb des jeweiligen Messzeitfensters, in dem es zum Klopfen kommen kann, liegende Fremd- oder Störsignale automatisch unberücksichtigt bleiben. Um ein Klopfen zu erkennen, muss das Sensorsignal oder ein auf dem Sensorsignal bzw. einer Ausgabe des Klopfsensors basierendes Signal wenigstens einen vorgegebenen Basisschwellenwert erreichen oder überschreiten. Dadurch kann bereits ein Großteil von unvermeidlichen Fremd- oder Störgeräuschen und Rauschen, die etwa aus dem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine, gegebenenfalls diese umgebender Komponenten und/oder aus anderen äußeren Einflüssen stammen können, effektiv herausgefiltert werden.
Es hat sich jedoch gezeigt, dass aufgrund der zueinander phasenversetzten Bewegung der Zylinder ein Einlassventilschließen, also ein Zeitpunkt eines Schließens eines Einlassventils, eines Zylinders in das Messzeitfenster für die Klopferkennung eines anderen Zylinders fallen kann, insbesondere wenn die Verbrennungskraftmaschine mit dem genannten frühen Einlassventilschließen bzw. in oder mit dem Miller-Zyklus betrieben wird. In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es daher vorgesehen, dass der Basisschwellenwert für die Klopferkennung mittels eines vorgegebenen variablen Störfaktors modifiziert wird, der abhängig ist von einem relativen Zeitpunkt eines Schließens eines Einlassventils wenigstens eines der Zylinder bezogen auf einen vorgegebenen Referenzpunkt. Bei diesem Referenzpunkt kann es sich beispielsweise um einen definierten Referenzzeitpunkt oder ein Referenzereignis bzw. dessen Zeitpunkt handeln, beispielsweise den jeweiligen oberen Totpunkt. Der relative Zeitpunkt des Einlassventilschließens kann dann beispielsweise gegeben sein durch einen bestimmten Kurbelwellenwinkel nach dem vorgegebenen Referenzpunkt, wobei auch eine jeweils aktuelle Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine berücksichtigt werden kann. Der Referenzpunkt kann beispielsweise angeben, wann in dem jeweiligen Zylinder ein maximaler Hub bzw. eine Nullstellung erreicht ist, im Allgemeinen also eine Position oder Stellung der Kurbelwelle bzw. eines jeweiligen Kolbens angeben. Zum Erfassen des Referenzpunktes kann ein entsprechender Sensor, beispielsweise ein Sensorrad oder dergleichen vorgesehen sein.
Zum Modifizieren des Basisschwellenwertes kann dieser beispielsweise mit dem jeweiligen Störfaktor multipliziert werden, wobei der Störfaktor insbesondere größer als 1 sein kann. Der resultierende modifizierte Basisschwellenwert kann also insbesondere größer als der ursprünglich vorgegebenen Basisschwellenwert sein. Durch den Störfaktor kann hier berücksichtigt werden, dass das Schließen eines Einlassventils ein durch den Klopfsensor detektierbares Signal, beispielsweise ein akustisches Signal oder ein Vibrationssignal, in zumindest einem Teil der Verbrennungskraftmaschine erzeugen kann und in dem Miller-Betrieb der Verbrennungskraftmaschine das Einlassventilschließen eines Zylinders in das Messzeitfenster zur regulären Klopferkennung eines anderen Zylinders fallen kann. Somit kann das Einlassventilschließen eines Zylinders die Klopferkennung eines anderen Zylinders stören oder beeinflussen. Da der Einlassventilhub der Verbrennungskraftmaschine variabel ist und dementsprechend das Einlassventilschließen je nach Ansteuerung zu unterschiedlichen relativen Zeitpunkten erfolgen kann, kann durch die entsprechende Variabilität des Störfaktors letztlich eine besonders genaue, zuverlässige und robuste Klopferkennung erreicht werden. Da das Einlassventilschließen gesteuert erfolgt, ist dessen jeweiliger Zeitpunkt dabei zumindest im Wesentlichen bekannt, kann also ohne Weiteres im Rahmen der Klopferkennung verwendet oder berücksichtigt werden, beispielsweise durch ein entsprechend eingerichtetes Steuergerät.
Weiter wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Sensorsignal bzw. das darauf basierende Signal nur dann als Klopfen, also als durch eine unkontrollierte Verbrennung in dem jeweiligen Zylinder verursachtes Signal, erkannt, wenn es wenigstens den entsprechend modifizierten Basisschwellenwert erreicht oder wenn es diesen überschreitet.
Die vorliegende Erfindung beruht unter anderem auf der Erkenntnis, dass gerade in der beschriebenen Betriebsart bzw. dem beschriebenen Betriebsmodus durch das entsprechend frühe Einlassventilschließen sowie dadurch, dass das Einlassventilschließen mittels des variablen Einlassventilhubs, also einer entsprechenden Ventiltriebsteuerung, zu unterschiedlichen relativen Zeitpunkten erfolgen kann, die reguläre Klopferkennung in entsprechend unterschiedlichem Maße oder auf unterschiedliche Weise gestört oder beeinflusst werden kann. Die herkömmliche Verwendung des konstanten Basisschwellenwertes könnte dementsprechend zu Falscherkennungen (englisch: false positives) von Klopfen oder Signalen bzw. Ereignissen oder, wenn der Basisschwellenwert zu hoch gewählt wird, zu einer Nichterkennung realen Klopfens führen. Eine Falscherkennung eines Klopfens könnte durch eine entsprechende Steuerung der Verbrennungskraftmaschine dann zu unberechtigten Zündwinkelrückzügen und damit zu einer letztlich unnötigen Erhöhung von Verbrauch, Emissionen und Bauteilbelastungen aufgrund von erhöhten Abgastemperaturen sowie zu einer negativen Beeinflussung eines Fahrverhaltens eines mit der Verbrennungskraftmaschine ausgestatteten Kraftfahrzeugs führen. Eine Nichterkennung tatsächlichen Klopfens kann hingegen zu verstärkten Klopfschäden, also beispielsweise zu Beschädigungen der Kolben oder einem kompletten Ausfall der Verbrennungskraftmaschine führen. Diese Probleme können durch die vorliegende Erfindung vermieden oder reduziert werden.
Zum Erfassen der genannten Signale kann der Klopfsensor etwa ein Piezo-Element umfassen, das als das Sensorsignal eine Spannung, also ein Spannungssignal ausgibt. Diese Spannung variiert mit auf den Klopfsensor bzw. das Piezo-Element auftreffenden Schallwellen oder Vibrationen. Obwohl hier der Einfachheit halber die Erfindung nur mit Bezug auf einen einzelnen Klopfsensor beschrieben ist, können mehrere Klopfsensoren räumlich verteilt an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet sein und deren Signal in entsprechender Weise verwendet, also ausgewertet werden. Beispielsweise kann für jeden Zylinder oder beispielsweise für jeweils zwei benachbarte Zylinder ein jeweiliger Klopfsensor vorgesehen sein. Die hier beschriebene Auswertung des Sensorsignals und damit also die Klopferkennung kann in jedem Zyklus, also in jedem Arbeitsspiel des Motors bzw. der einzelnen Zylinder durchgeführt werden.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird für die Auswertung das Sensorsignal mittels eines vorgegebenen Bandpassfilters gefiltert. Das sich daraus ergebende gefilterte Sensorsignal wird dann über das Messzeitfenster, also dessen Zeit oder Dauer, integriert. Ein daraus resultierender Integralwert wird dann mit dem modifizierten Basisschwellenwert verglichen. Dies stellt eine praktikable Möglichkeit dar, relativ einfach eine signalbasierte Klopferkennung zu realisieren. Dabei kann es ebenso möglich sein, das Messzeitfenster in mehrere Teile oder Abschnitte zu unterteilen, für die dieses Verfahren jeweils individuell angewendet wird. Je nach relativem Zeitpunkt des Einlassventilschließens kann dann für einen oder mehrere dieser Teile oder Abschnitte der modifizierte Basisschwellenwert und für den oder die übrigen Teile oder Abschnitte der ursprünglich vorgegebenen Basisschwellenwert als Vergleichsgröße für die Klopferkennung verwendet werden. Dadurch kann besonders einfach und effektiv berücksichtigt werden, dass das Einlassventilschließen und damit das durch dieses verursachte Störsignal nicht notwendigerweise über das gesamte Messzeitfenster hinweg auftritt. Dadurch kann gegebenenfalls eine weiter verbesserte, also genauere oder zuverlässigere Klopferkennung realisiert werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird für jeden Zylinder ein individueller Störfaktor vorgegeben und für die Auswertung berücksichtigt. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass verschiedene Zylinder unterschiedliche akustische Eigenschaften oder Vibrationseigenschaften aufweisen können, beispielsweise aufgrund von mikroskopischen Unterschieden im Bereich der Einlassventile, Materialunterschieden, Fertigungstoleranzen, einer relativen Anordnung des Klopfsensors und/oder dergleichen mehr. Jeder Zylinder kann also eine individuelle Signalcharakteristik aufweisen, die durch den entsprechend angepassten individuellen Störfaktor berücksichtigt werden kann. Beispielsweise kann zunächst ein Standard-Störfaktor für alle Zylinder vorgegeben sein, der abhängig von Messwerten oder Sensorsignalen des Klopfsensors an jeden der Zylinder individuell angepasst werden kann. Insgesamt kann auf diese Weise die Klopferkennung weiter verbessert werden. In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird für die Erkennung eines Signals als Klopfen ein adaptiver Mechanismus angewendet, der dazu eingerichtet ist, im Laufe der Zeit Fremdsignale, also Fremd- oder Störgeräusche, die nicht durch ein tatsächliches Klopfen, also nicht durch eine unkontrollierte Verbrennung in einem der Zylinder, erzeugt werden, lernt und für das Erkennen des Klopfens unberücksichtigt lässt. Der Mechanismus für die Klopferkennung kann Fremdsignale beispielsweise anhand von deren Zeitpunkt bzw. zeitlichen Abständen eines jeweiligen Auftretens der Fremdsignale, die nicht mit der relativen zeitlichen Lage des Messzeitfensters oder einer entsprechenden Veränderung korrelieren, anhand von Peakoder Signalformen und/oder dergleichen mehr erkennen. Beispielsweise kann ein Fremdsignal mit konstanter Frequenz auch über veränderte Drehzahlen der Verbrennungskraftmaschine hinweg oder immer im exakt gleichen zeitlichen Abstand zu einem bestimmten vorgegebenen Referenzpunkt auftreten, was nicht mit einem Klopfen als Ursache konsistent ist. Identifizierte Fremdsignale können beispielsweise automatisch aus dem Sensorsignal herausgefiltert werden, bevor basierend auf einem dann verbleibenden Restsignal die weitere Auswertung, also die eigentliche Klopferkennung durchgeführt wird. Der adaptive Mechanismus kann beispielsweise als lernfähiger Algorithmus oder durch eine Einrichtung des maschinellen Lernens realisiert werden. Auf diese Weise kann die Klopferkennung automatisch verbessert werden, insbesondere vor dem Hintergrund, dass eine entsprechende manuelle Programmierung der Klopferkennung mit sämtlichen tatsächlich oder potenziell auftretenden Fremdsignalen im Vorhinein nicht praktikabel möglich ist.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird der Störfaktor mit zunehmender Adaption des Mechanismus für die Klopferkennung in vorgegebener Weise, insbesondere graduell oder schrittweise, reduziert. Mit anderen Worten wird also der Störfaktor bzw. dessen Anwendung auf den Basisschwellenwert im Laufe einer Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine, während derer der Mechanismus lernt, Fremdsignale zu identifizieren, zunehmend ausgeblendet. Dies kann beispielsweise gemäß einer vorgegebenen Rampenfunktion oder dergleichen realisiert werden. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass der adaptive Mechanismus auch die durch das Einlassventilschließen verursachten Störungen oder Störsignale als Fremdsignale lernt, also erkennt. Durch den entsprechend angelernten adaptiven Mechanismus kann dann eine Falscherkennung von Klopfen vermieden oder reduziert werden. Gleichzeitig kann durch die schrittweise oder graduelle Reduzierung des Störfaktors der modifizierte Basisschwellenwert bis auf den ursprünglich vorgegebenen Basisschwellenwert reduziert werden, wodurch die Gefahr einer Nichterkennung eines, beispielsweise relativ schwach ausgeprägten, Klopfens reduziert werden kann.
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird eine Rate der Reduzierung des Störfaktors bzw. von dessen Anwendung oder Einfluss auf den Basisschwellenwert in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine variiert. Die Reduzierung des Störfaktors kann also innerhalb einer entsprechenden Reduktionsphase beschleunigt oder verlangsamt werden. Beispielsweise kann bei niedrigerer Drehzahl, insbesondere bei gleichzeitig relativ hoher Last, die Reduzierung, also ein Herausrampen, des Störfaktors verlangsamt werden. Die hier vorgeschlagene Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass die durch das Einlassventilschließen verursachten Störungen der Klopferkennung in derartigen Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine schwerwiegender oder relevanter sein können als bei höheren Drehzahlen und/oder geringerer Last.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird der Störfaktor durch einen vorgegebenen Laufzeitfaktor modifiziert, der mit zunehmender Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine bzw. mit zunehmender Anzahl von von der Verbrennungskraftmaschine ausgeführten oder durchlaufenen Arbeitsspielen ansteigt und den Störfaktor entsprechend reduziert. Mit anderen Worten wird der Störfaktor also mit zunehmender Betriebszeit bzw. zunehmender Anzahl von ausgeführten oder durchlaufenen Arbeitsspielen der Verbrennungskraftmaschine in immer stärkerem Maße verkleinert. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass sich die Einlassventile im Laufe der Zeit in ihren Ventilsitz einschlagen, Grate, Unebenheiten oder Fehlanpassungen sich im Laufe der Zeit verändern, es im Allgemeinen also zu einem Anpassungs- oder Alterungsvorgang der Einlassventile kommen kann. Dies führt dazu, dass mit zunehmender Betriebszeit ein Störeinfluss des Einlassventilschließens auf die Klopferkennung abnehmen kann. Durch die hier vorgegebene laufzeit- oder betriebszeitbasierte Modifizierung des Störfaktors kann also eine zuverlässige und robuste Klopferkennung im Laufe der Zeit aufrechterhalten werden, obwohl sich eine entsprechende Charakteristik der Verbrennungskraftmaschine dabei verändern kann.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird für die Auswertung ein, insbesondere variabler, Hysteresefaktor vorgegeben, der berücksichtigt, dass ein durch das Einlassventilschließen jeweils eines der Zylinder verursachtes Störsignal, welches das durch den Klopfsensor aufgenommene Sensorsignal beeinflusst, einen Störzeitraum überdeckt, der relativ zu dem Messzeitfenster für die Klopferkennung verschieblich ist, sich also relativ dazu zeitlich verlagern kann. Der Hysteresefaktor definiert dabei, für welchen Teilbereich des Messzeitfensters der Störfaktor zu verwenden bzw. in welchem Maße anzuwenden ist. Das Einlassventilschließen erzeugt mit anderen Worten also nicht oder nicht immer einen scharf definierten einzelnen Peak, sondern kann durch eine verbreitete, gegebenenfalls mehrere Peaks umfassende oder einhüllende Signalform charakterisiert sein, also beschrieben werden. Dies kann beispielsweise durch ein asymptotisches Aufsetzen der Einlassventile auf ihrem jeweiligen Ventilsitz bzw. eine dabei auftretende Vibration des Ventils bei Annäherung und/oder nach erstmaliger Berührung des Ventilsitzes verursacht werden. Da das Aufsetzen eines Einlassventils auf seinem jeweiligen Ventilsitz nicht immer in der exakt gleichen Weise erfolgt, kann die dadurch erzeugte Signalform ganz oder teilweise in das Messzeitfenster hinein oder aus diesem heraus wandern. Dies kann auch durch den relativen Zeitpunkt des Einlassventilschließens, also eine entsprechende Spreizung, bestimmt oder beeinflusst werden. Durch den Hysteresefaktor kann dies berücksichtigt werden und dadurch die Klopferkennung noch genauer, zuverlässiger und robuster gemacht werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Steuergerät für eine Verbrennungskraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, zum automatischen Detektieren, also Erkennen eines Klopfens der Verbrennungskraftmaschine bzw. in wenigstens einem Zylinder der Verbrennungskraftmaschine. Das Steuergerät weist dabei eine Eingangsschnittstelle zum Erfassen eines Sensorsignals eines Klopfsensors, einen Datenspeicher und eine damit verbundene Prozessoreinrichtung zum Verarbeiten des Sensorsignals und eine Ausgabeschnittstelle zum Ausgeben eines Detektionssignals, das eine Detektion eines Klopfens anzeigt, auf. Das Steuergerät ist dabei zur, insbesondere automatischen, Durchführung wenigstens einer Variante oder Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Dazu kann ein entsprechender Programmcode oder ein entsprechendes Computerprogramm, das die Verfahrensschritte, Abläufe oder Maßnahmen des entsprechenden Verfahrens repräsentiert, also codiert oder implementiert, auf dem Datenspeicher hinterlegt sein. Dieses Computerprogramm kann dann durch die Prozessoreinrichtung ausgeführt werden, um die Durchführung oder Ausführung des entsprechenden Verfahrens zu veranlassen. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das eine Verbrennungskraftmaschine mit mehreren Zylindern, variablem Einlassventilhub, wenigstens einen Klopfsensor und einem erfindungsgemäßen Steuergerät aufweist. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug also zur Ausführung oder Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug das im Zusammenhang mit den übrigen Aspekten der Erfindung genannte Kraftfahrzeug sein.
Entsprechend können auch die im Zusammenhang mit den verschiedenen Aspekten der vorliegenden Erfindung, also dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Steuergerät und dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug, genannten Bauteile oder Komponenten jeweils die gleichen oder dieselben Bauteile oder Komponenten sein bzw. sich auf die gleichen oder dieselben Bauteile oder Komponenten beziehen.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer Klopferkennung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10 mit einer Verbrennungskraftmaschine 12, bei der es sich insbesondere um einen Otto-Motor handeln kann, der mit einem Einlassventilschließen jeweils vor Ende des Ansaugtakts in jedem Arbeitsspiel, also insbesondere im Miller-Zyklus oder im Miller-Betrieb, betrieben wird bzw. betreibbar ist. Die Verbrennungskraftmaschine 12 umfasst mehrere, beispielsweise vier oder sechs, Zylinder 14, von denen hier beispielhaft zwei angedeutet sind. Konkret sind dies ein erster Zylinder 16 mit einem ersten Kolben 18 und ein zweiter Zylinder 20 mit einem zweiten Kolben 22. Die Kolben 18, 22 sind hier mit einer schematisch angedeuteten Kurbelwelle 24 verbunden. Beispielhaft befindet sich der erste Kolben 18 hier nahe einer Zündstellung, während sich der zweite Kolben 22 auf dem Weg zu seinem unteren Totpunkt befindet.
Die Zylinder 14 weisen jeweils ein Eingangsventil 26 mit einem gesteuerten variablen Ventiltrieb 28 auf. Die variablen Ventiltriebe 28 sind zur Steuerung mit einem Steuergerät 30 verbunden.
Das Steuergerät 30 weist hier schematisch angedeutet einen Datenspeicher 32 und einen damit verbundenen Prozessor 34 zur Ausführung eines auf dem Datenspeicher 32 hinterlegten Betriebs- oder Steuerprogramms auf. Der Prozessor 34 kann beispielsweise ein Mikrochip, ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller, eine Hardwareschaltung und/oder dergleichen mehr sein und/oder einen solchen bzw. eine solche umfassen. Das Steuergerät 30 weist weiter eine Eingangsschnittstelle 36 auf, über die ein Klopfsensor 38 der Verbrennungskraftmaschine 12 angebunden ist. Über die Eingangsschnittstelle 36 kann das Steuergerät 30 also ein von dem Klopfsensor 38 aufgenommenes bzw. bereitgestelltes Sensorsignal zur Verarbeitung mittels des Prozessors 34 und des Datenspeichers 32 erfassen.
Das Steuergerät 30 ist hier zur Klopferkennung anhand des erfassten Sensorsignals des Klopfsensors 38 eingerichtet. Wird ein Klopfen erkannt, so kann das Steuergerät 30 über eine Ausgabeschnittstelle 40 beispielsweise die Einlassventile 26 bzw. deren variable Ventiltriebe 28 ansteuern, um weiteres Klopfen zu vermeiden oder zu reduzieren.
Insbesondere bei aufgeladenen Ottomotoren kann es in Verbindung mit dem Miller- Zyklus, also im Miller-Brennverfahren bedingt durch das dabei auftretende vorzeitige Einlassventilschließen zu einer signifikanten Störung in einer Erkennung oder Detektion des ottomotorischen Klopfens kommen. Das Einlassventilschließen, vorliegend also beispielsweise das Schließen des Einlassventils 26 des zweiten Zylinders 20, kann Körperschall verursachen. Dieser Körperschall aufgrund eines Aufsetzen des Einlassventils 26 in seinen Ventilsitz und/oder durch ein mechanisches Entspannen des variablen Ventiltriebs 28 beim Schließen des Einlassventils 26 kann zu einem entsprechenden Störsignal in dem Sensorsignal des Klopfsensors 38 führen, da der Körperschall bzw. ein von dem Einlassventil 26 stammendes akustisches Signal zu dem Klopfsensor 38 gelangen kann, beispielsweise durch entsprechende Ausbreitung oder Transport in einem Gehäuse oder Bauteil der Verbrennungskraftmaschine 12, an dem der Klopfsensor 38 angeordnet ist. Ein solches Störsignal kann einen signifikanten negativen Einfluss auf die Klopferkennung haben, sodass solche Störsignal für eine genaue, zuverlässige und robuste Klopferkennung weitestgehend eliminiert oder herausgefiltert werden sollten. Dies wird vorliegend durch das entsprechend eingerichtete Steuergerät 30 durch automatische Verarbeitung des Sensorsignals des Klopfsensors 38 erreicht.
Vorliegend kann dazu eine Führungsgröße vorgegeben sein, welche anhand des Verlaufs einer Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine 12 und einer jeweils aktuellen Spreizung, über welche eine Grundstellung der Nockenwelle definiert ist, einen jeweiligen Zeitpunkt des Einlassventilschließens der Einlassventile 26 ausgibt. Dies kann beispielsweise durch eine aktuelle Winkelstellung der Kurbelwelle 24 bezogen auf einen jeweiligen oberen Totpunkt erfolgen. Abhängig von dieser Führungsgröße, also einem jeweiligen Zeitpunkt des Einlassventilschließens kann ein zylinderindividueller Störfaktor auf einen vorgegebenen Basisschwellenwert, also eine Klopfschwelle für die Klopferkennung in einem vorgegebenen Messzeitfenster, beispielsweise in einem Haupt- sowie in einem Vorentflammungsmesszeitfenster, aufgeschlagen werden. Dazu kann beispielsweise ein entsprechendes Kennfeld über eine relative Zylinderfüllung und eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 12 vorgegeben, beispielsweise in dem Datenspeicher 32 hinterlegt sein. Dass Vorentflammungsmesszeitfenster kann beispielsweise etwa am oberen Totpunkt bei einem Kurbelwinkel von 0° beginnen und sich beispielsweise über eine Kurbelwellenbewegung von 20° erstrecken. Daran anschließend oder überlappend kann das Hauptmesszeitfenster sich beispielsweise bis zu einem Kurbelwinkel von 60° bis 70° erstrecken.
Über einen Hysteresewert kann ein jeweiliger Zeitpunkt des Einlassventilschließens bzw. ein Wandern des durch das Einlassventilschließen verursachten Störsignals relativ zu dem Messzeitfenster berücksichtigt werden. Der Hysteresewert kann als Kennwert über eine Winkelstellung der Kurbelwelle 24, der definiert oder berücksichtigt, wo sich das Störsignal erstreckt bzw. wie dieses zeitlich relativ zu dem Messzeitfenster auftritt oder sich bewegt, aufgefasst werden. Auf diese Weise kann berücksichtigt werden, dass das Einlassventilschließen nie ganz konstant ist, aber letztlich für die Klopferkennung nur der durch das vorgegebenen Messzeitfenster definierte Bereich berücksichtigt werden soll.
Der initial angewendete zylinderindividueller Störfaktor kann zeitabhängig reduziert, also aus der Signalverarbeitung wieder herausgerampt werden, insbesondere wenn für die Klopferkennung ein adaptiver oder lernfähiger Mechanismus eingesetzt wird. Ein solcher Mechanismus kann im Laufe der Zeit nicht durch tatsächliches Klopfen verursachte Neben- und Störgeräusche bzw. ein im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 12 effektiv unvermeidliches Grundrauschen lernen und herausfiltern bzw. für die eigentliche Klopferkennung unberücksichtigt lassen. Ein solches Herausrampen, also schrittweises oder graduelles Reduzieren kann beispielsweise über einige 100 Arbeitsspiele der Verbrennungskraftmaschine 12 erfolgen. Dabei kann das Herausrampen des Störfaktors abhängig von einer jeweils aktuellen Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 12 variiert, also verlangsamt bzw. beschleunigt werden. Dazu kann beispielsweise eine entsprechende Kennlinie über die Drehzahl vorgegeben, insbesondere in dem Datenspeicher 32 hinterlegt sein.
Ebenso kann der Störfaktor mittels eines vorgegebenen Laufzeitfaktors modifiziert, beispielsweise multipliziert werden, der eine Alterung, also eine zeitliche Veränderung berücksichtigt und mit zunehmender Betriebszeit bzw. Alterung der Verbrennungskraftmaschine 12 den Störfaktor zunehmend reduziert. Dabei ist eine tatsächliche Betriebszeit bzw. eine tatsächlich durchlaufende Anzahl von Arbeitsspielen der Verbrennungskraftmaschine 12 und nicht etwa eine Betriebszeit des Kraftfahrzeugs 10 relevant. Der Laufzeitfaktor könnte also beispielsweise bei einem Austausch der Verbrennungskraftmaschine 12 oder der Einlassventile 26 für das Kraftfahrzeug 10 zurückgesetzt werden.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine Reduktion eines Einflusses einer mechanischen Störgröße - hier des Einlassventilschließens - auf die Klopferkennung bei der Auswertung der ottomotorischen Verbrennung realisiert werden kann.
Bezugszeichenliste
10 Kraftfahrzeug
12 Verbrennungskraftmaschine
14 Zylinder
16 erster Zylinder
18 erster Kolben
20 zweiter Zylinder
22 zweiter Kolben
24 Kurbelwelle
26 Einlassventil
28 variabler Ventiltrieb
30 Steuergerät
32 Datenspeicher
34 Prozessor
36 Eingangsschnittstelle
38 Klopfsensor
40 Ausgangsschnittstelle

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur automatischen Klopferkennung in einer Verbrennungskraftmaschine (12) mit mehreren Zylindern (14), variablem Einlassventilhub und einem Klopfsensor, bei dem
- die Verbrennungskraftmaschine (12) mit einem Einlassventilschließen vor Ende des Ansaugtaktes betrieben wird,
- ein in einem vorgegebenen Messzeitfenster durch den Klopfsensor (38) aufgenommenes Sensorsignal hinsichtlich eines vorgegebenen Kriteriums zum Detektieren eines Klopfens ausgewertet werden, wobei ein darauf basierendes Signal wenigstens einen vorgegebenen Basisschwellenwert erreichen muss, um als Klopfen erkannt zu werden,
- der Basisschwellenwert mittels eines vorgegebenen variablen Störfaktors modifiziert wird, der abhängig ist von einem relativen Zeitpunkt eines Schließens eines Einlassventils (26) wenigstens eines der Zylinder (14) bezogen auf einen vorgegebenen Referenzpunkt, und
- das Signal nur dann als Klopfen erkannt wird, wenn es wenigstens den modifizierten Basisschwellenwertes erreicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Auswertung das Sensorsignal mittels eines vorgegebenen Bandpassfilters gefiltert wird, das sich daraus ergebende gefilterte Sensorsignal über das Messzeitfenster integriert wird und ein daraus resultierender Integralwert mit dem modifizierten Basisschwellenwert verglichen wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Zylinder (14) ein individueller Störfaktor vorgegeben und für die Auswertung angewendet wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erkennung eines Signals als Klopfen ein adaptiver Mechanismus angewendet wird, der dazu eingerichtet ist, im Laufe der Zeit Fremdsignale, die nicht durch ein Klopfen erzeugt werden, lernt und für das Erkennen des Klopfens unberücksichtigt lässt. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Störfaktor mit zunehmender Adaption des Mechanismus in vorgegebener Weise reduziert wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rate der Reduzierung des Störfaktors in Abhängigkeit von einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine (12) variiert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Störfaktor durch einen vorgegebenen Laufzeitfaktor modifiziert wird, der mit zunehmender Betriebszeit der Verbrennungskraftmaschine (12) ansteigt und den Störfaktor entsprechend reduziert. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Auswertung ein Hysteresefaktor vorgegeben wird, der berücksichtigt, dass ein durch ein Schließen eines Einlassventils (26) eines der Zylinder (14) verursachtes Störsignal, welches das durch den Klopfsensor (38) aufgenommene Sensorsignal beeinflusst, einen Störzeitraum überdeckt, der relativ zu dem Messzeitfenster für die Klopferkennung verschieblich ist, und definiert, für welchen Teilbereich des Messzeitfensters der Störfaktor zu verwenden ist. Steuergerät (30) für eine Verbrennungskraftmaschine (12) zum automatischen Detektieren eines Klopfens, wobei das Steuergerät (30) eine Eingangsschnittstelle (36) zum Erfassen eines Sensorsignals eines Klopfsensors (38), einen Datenspeicher (32) und eine damit verbundene Prozessoreinrichtung (34) zum Verarbeiten des Sensorsignals und eine Ausgabeschnittstelle (40) zum Ausgeben 18 eines Detektionssignals, das eine Detektion eines Klopfens anzeigt, umfasst und zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist. 10. Kraftfahrzeug (10), aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (12) mit mehreren Zylindern (14), variablem Einlassventilhub, einem Klopfsensor (38) und einem Steuergerät (30) nach Anspruch 9.
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