Verbrennungsmotors

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung von Motorparametern eines Verbrennungsmotors, insbeson- dere eines mit gasförmigen Kraftstoffen betriebenen Ottomotors, mit mindestens einem optischen Aufnehmer zur Beobachtung der bei der Verbrennung in einem Brenn¬ raum des Verbrennungsmotors hervorgerufenen Lichtemis- sion und mit mindestens einem Photodetektor zur Umwand- lung der Lichtemission in elektrische Signale, die in einer Auswerteinrichtung verarbeitet werden.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die bei der Verbrennung in einem Brennraum hervorgerufene Lichtemission auszu- nutzen, um Motorparameter zu regeln. Über einen opti¬ schen Aufnehmer, der am Motor befestigt ist und im all¬ gemeinen ein in den Brennraum führendes lichtleitendes Element (im einfachsten Fall ein sogenanntes Brennraum¬ fenster) wird das Licht aus dem Motor herausgeführt, ohne die sonstigen Verbrennungsabläufe zu stören. Der optische Aufnehmer kann auch in der Zündkerze inte¬ griert sein.

Bisher wurde hauptsächlich aus der Lage der Lichtemis- sion im zeitlichen Ablauf ein Regelsignal zur Regelung des Zündzeitpunktes gewonnen.

Aus der DE-OS 35 05 063 ist eine Regeleinrichtung für einen Motor bekannt, bei der die Differenz zwischen Ma- ximalwert der Lichtintensität und einem aus mehreren

Maximalwerten gebildeten Mittelwert die Regelgröße dar¬ stellt. Bei dieser Differenzbildung geht die Informa¬ tion über den Absolutwert; des Maximalwertes verloren. Die bekannte Regeleinrichtung dient dazu, letztlich die Laufunruhe des Motors ^u regeln. Bei welchen Motorpara¬ metern, insbesondere bei welchem Kraftstoff-Luft-Ver-

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hältnis (Lambda) die gewünschte Laufruhe sich ein¬ stellt, ist dort unerheblich. Es erfolgt also keine Re¬ gelung auf ein bestimmtes Kraftstoff-Luft-Verhältnis.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der ein¬ gangs genannten Gattung zu schaffen, mit der es möglich ist, zumindest einen Motorparameter präzise zu regeln.

Erfindungsgemäß wird dies bei einer Einrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch erreicht, daß die

Auswerteinrichtung eine Einrichtung zur Ermittlung des Intensitätsmaximums der Lichtemission jedes Verbren¬ nungszyklus in dem entsprechenden elektrischen Signal umfaßt und die Auswerteinrichtung weiters eine Regel- einheit umfaßt, die in Abhängigkeit von den Intensi- tätsmaxima zumindest einen Motorparameter regelt.

Während bei den bekannten Vorschlägen die Lage der Lichtemission im zeitlichen Ablauf ausgewertet wurde, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Höhe des

Intensitätsmaximums der Lichtemission zu verwenden, um einen Motorparameter zu erfassen und vorzugsweise über eine Regeleinheit Motorparameter zu regeln. Ein solcher Motorparameter ist insbesondere das Kraftstoff-Luftver- hältnis (Lambda) . Aber auch andere Motorparameter wie beispielsweise der Zündzeitpunkt, der Ladedruck, die Motortemperatur etc. können grundsätzlich in Abhängig¬ keit vom Intensitätsmaximum oder des Integralwerts der Intensität der Lichtemission jedes Verbrennungszyklus geregelt werden. Das Maximum der Lichtemission, welches sich im elektrischen Signal des Photodetektors wider¬ spiegelt, läßt sich leicht durch eine elektronische Auswerteinrichtung ermitteln und dem Istwert-Eingang einer Regeleinrichtung zuführen, die dann in Abhän- gigkeit davon zumindest einen Motorparameter verstellt bzw. regelt.

Um Schwankungen der Lichtemission in einzelnen aufein¬ anderfolgenden Verbrennungszyklen zu glätten ist es günstig, wenn der Einrichtung zur Ermittlung des Inten- sitätsmaximums ein Mittelwertbildner nachgeschaltet ist, der aus den Intensitätsmaxi a einer vorgebbaren Zahl von Verbrennungszyklen ein dem Mittelwert entspre¬ chendes Signal abgibt, und daß der Ausgang des Mittel¬ wertbildners mit dem Istwert-Eingang der Regeleinheit in Verbindung steht. Das Intensitätsmaximum kann dabei beispielsweise über 20 bis 100 Zyklen gemittelt werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch ge¬ kennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung eine Einrich- tung zur Erfassung von Verbrennungsaussetzern aufweist, welche einerseits mit der Lichtemission zusammenhän¬ gende Signale und andererseits von einem Aufnehmer vom Kurbelwellenwinkel bzw. der Kolbenlage des Motors ab¬ hängige Signale empfängt und welche bei einem elektri- sehen Signal unterhalb eines Schwellwerts zu einem vom Kurbelwellenwinkel bzw. von der Kolbenstellung abhängi¬ gen Zeitpunkt bzw. Zeitfenster, in dem normalerweise die Zündung erfolgt, auf ihrem Ausgang ein Ausgangssi¬ gnal liefert. Die von der Einrichtung zur Erfassung von Verbrennungsaussetzern abgegebenen Signale können bei¬ spielsweise gezählt und bei einer bestimmten Anzahl bzw. Häufigkeit von Verbrennungsaussetzern etwa eine Notabschaltung des Motors hervorrufen.

Außerdem ist es möglich, die Signale der Einrichtung zur Erfassung von Verbrennungsaussetzern auch dem Mit¬ telwertbildner zuzuführen. Dieser kann dann zur Vermei¬ dung von verfälschten Mittelwerten Verbrennungszyklen mit Verbrennungsaussetzern bei der Mittelwertbildung einfach unberücksichtigt lassen.

Es hat sich insbesondere bei der Untersuchung an Gasmo¬ toren gezeigt, daß das bei der Entflammung entstehende Radikale Licht in einem bestimmten Frequenzbereich, be¬ sonders im ultravioletten Bereich (ca. 200nm bis 350nm) emitiert. Mittels eines optischen Bandpaßfilters, der vorzugsweise dem Photodetektor vorgeschaltet ist, kann man nun gezielt einen bestimmten spektralen Bereich, ein sogenanntes spektrales Fenster, auswerten und die in diesem spektralen Fenster auftretende maximale Lichtemission zur Regelung von Motorparametern heran¬ ziehen. Bei einem Gasmotor hat sich herausgestellt, daß die Intensität der Strahlung im UV-Bereich stark vom Verbrennungsgas-Luft-Verhältnis abhängig ist, wobei bei kleineren Lambdawerten eine höhere Intensität auftritt. Dies kann genutzt werden, um auf der Basis der Lichtin¬ tensität der UV-Emission eine Lambdaregelung zu erzie¬ len. Gleichzeitig ist es natürlich auch möglich, andere Motorparameter, beispielsweise den Zündzeitpunkt auf¬ grund der Lichtemission jedes Verbrennungszyklus zu re- geln.

Aus konstruktiver Sicht ist es besonders günstig, wenn im bzw. am optischen Aufnehmer ein Bandpaßfilter, vor¬ zugsweise ein Farbglasfilter angeordnet ist, wobei es beispielsweise durch Verwendung speziell dotierter

Glassorten ermöglicht ist, daß das nicht aus dem Brenn¬ raum nach außen leitende Material selbst bandpaßfil¬ ternde Eigenschaften hat und somit pro Brennraum einen Bandpaßfilter bilden kann, wenn dies gewünscht ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß bei einem mehrzylindrigen Verbren¬ nungsmotor zur zylinderselektiven Regelung der Motorpa¬ rameter, am Brennraum jedes Zylinders ein optischer Aufnehmer angeordnet ist, zu dem jeweils ein eigener Photodetektor und eine eigene Auswerteinrichtung mit

einer Regeleinheit gehört, die in Abhängigkeit von den der Lichtemission des jeweiligen Zylinders entsprechen¬ den elektrischen Signalen und einstellbaren Sollwerten die Motorparameter des jeweiligen Zylinders regelt. Die zylinderselektive Regelung von Motorparametern, bei¬ spielsweise des Kraftstoff-Luftverhältnisses für jeden Zylinder einzeln erlaubt eine präzisere Regelung und Betriebsweise des Motors. Grundsätzlich ist es natür¬ lich auch denkbar und möglich, in Abhängigkeit von der Lichtemission zumindest eines Brennraums einen oder mehrere Motorparameter für mehrere Brennräume gleich¬ zeitig zu regeln.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläu¬ tert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch den Zy- linderkopfbereich eines Zylinders mit einge¬ setztem optischem Aufnehmer, Fig. 2 in einem Blockdiagramm die Auswerteinrichtung für ein Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 3 schematisch einen mehrzylindrigen Verbren¬ nungsmotor mit einer zylinderselektiven Ver¬ brennungsgas-Luft-Gemisch-Regelung in Abhän¬ gigkeit von der Lichtemission aus den einzel¬ nen Brennräumen. Fig. 4 eine Selbstkalibrierungsvorrichtung in einem

Blockdiagramm

Der insgesamt mit 1 bezeichnete optische Aufnehmer (Sonde) ist in dem Zylinderkopf 7 eines Zylinders eines Verbrennungsmotors eingesetzt und mittels einer Über¬ wurfmutter 3 gehalten. Der optische Aufnehmer 1 umfaßt

einen lichtleitenden Glasstab 2, der bis in den Brenn¬ raum 9 oberhalb des Kolbens 8 reicht. Außerdem umfaßt der optische Aufnehmer einen Lichtwellenleiter-Stecker¬ adapter 4, der es ermöglicht, an das äußere Ende des Glasstabes 2 einen Lichtwellenleiter, insbesondere in der Form einer flexiblen Lichtleitfaser 6 über einen Lichtwellenleiterstecker 5 lösbar anzuschließen. Dazu muß lediglich der Lichtwellenleiterstecker 5 in Rich¬ tung des Pfeiles 10 in den Lichtwellenleiter-Steckerad- apter 4 eingesteckt werden. Damit ist es möglich, das

Licht, das bei der Verbrennung im Brennraum 9 entsteht, zunächst über den Glasstab 2 und dann über die flexible Lichtleitfaser 6 einer Auswerteinrichtung zugeführt wird. Die flexible Lichtleitfaser erlaubt eine ent- fernte Aufstellung der elektronischen Auswerteinrich¬ tung und kann im Falle von Beschädigungen leicht ausge¬ tauscht werden.

Fig. 2 ist nun ein Ausführungsbeispiel einer solchen Auswerteinrichtung 11. Das von einem optischen Aufneh¬ mer 1 aus einem Brennraum erfaßte Licht wird über eine (beispielsweise speziell für den UV-Bereich durchläs¬ sige) Lichtleitfaser 6 der elektronischen Auswertein¬ richtung 11 zugeführt. Die Lichtleitfaser 6 kann auch an der Auswerteinrichtung lösbar mit dieser verbunden sein. Am Eingang der Auswerteinrichtung wandelt ein Photodetektor 12 (beispielsweise eine UV-Photodiode mit einem spektralen Empfindlichkeitsbereich von 185 bis 1150 nm) das Licht in elektrische Signale um, welche dann in einem Verstärker 13 verstärkt und in einem

Hochpaß oder Bandpaßfilter 14 gefiltert werden. Hierauf gelangen die der Lichtemission entsprechenden elektri¬ schen Signale einer Einrichtung 15 zur Ermittlung des Intensitätsmaximums der Lichtemission jedes Verbren- nungszyklus. Das auf Leitung 16 anstehende Ausgangssi¬ gnal spiegelt also das Intensitätsmaximum der Licht-

emission jedes Verbrennungszyklus wieder, wobei bei¬ spielsweise im optischen Aufnehmer selbst ein Hochpaß oder Bandpaßfilter integriert sein kann, um lediglich ein spektrales Fenster zu beobachten. Der Filter kann durch den Glasstab 2 gebildet sein, welcher aus spe¬ ziellem Glas besteht. Es ist aber auch möglich, ein ge¬ sondertes Filterelement einzusetzen. Bei Messungen hat sich u. a. gezeigt, daß die bei der Entflammung entste¬ henden Radikale Licht im ultravioletten Bereich (ca. 200 nm bis 350 nm) emittieren. Die Intensität dieser

Strahlung ist sehr stark vom Lambda abhängig (hohe In¬ tensität bei kleinem Lambda) . Somit kann eine relativ genaue Lambdaregelung auf der Basis der Lichtintensität der UV-Emission realisiert werden. Weiters kann mittels UV-Emission Klopfen detektiert werden.

Ebenso verhält es sich bei den Wellenlängen um 600 nm (Festkörperstrahler) , wobei sich diese Wellenlängen er¬ heblich leichter übertragen und detektieren lassen. Klopferkennung ist jedoch bei diesen Wellenlängen schwerer möglich, da die Festkörper bei Klopfen nach¬ leuchten und die höherfrequente KlopfInformation somit teilweise verlorengeht. Als Kompromiß ist es günstig, effektiv ein Wellenlängenfenster von etwa 185 bis 600 nm zu beobachten. Da die UV-Photodiode unterhalb von

185 nm ohnehin unempfindlich ist, reicht dazu ein opti¬ scher Hochpaßfilter aus, der nur für Wellenlängen klei¬ ner 600 nm durchlässig ist.

Grundsätzlich könnte das auf Leitung 16 anstehende Si¬ gnal gleich der Regeleinheit 17 zugeführt werden, die dann über einen Ausgangsverstärker 18 und eine Motorpa- rameter-VerstellVorrichtung (beispielsweise eine Ge- mischverstellvorrichtung 19) einen Motorparameter (beispielsweise das Kraftstoff-Luftverhältnis) regelt. Um Schwankungen der einzelnen Verbrennungszyklen zu

glätten, ist es aber günstiger, wenn man die Ausgangs¬ signale auf der Leitung 16 über mehrere beispielsweise 10 bis 100 Zyklen, beispielsweise 30 Zyklen, mittelt, also über eine vorgebbare Zahl von Verbrennungszyklen den Mittelwert der Intensitätsmaxima ermittelt. Dies erfolgt im Mittelwertbildner 18, dessen Ausgang 19 mit dem Istwert-Eingang 20 der Regeleinheit 17 verbunden ist.

Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform kann anstelle des Maximalwertes auch der Integralwert der Lichtintensität während der Brenndauer für die Mittel¬ wertbildung verwendet werden. An und für sich sind die Signale beider Verfahren identisch, die Integralwerte weisen jedoch einen glatteren Verlauf über das Lambda auf als die Spitzenwerte (= Maximalwerte) . Dafür bedarf es jedoch zur Gewinnung der Integralwerte eines größe¬ ren Rechenaufwandes.

Der Sondendrift (z. B. durch Verschmutzung der Brenn¬ raumsonde) kann durch eine Selbstkalibrierungsvorrich¬ tung ausgeglichen werden, die beispielsweise auf einen zusätzlichen Eingang 36 des Verstärkers 14 zur Drift¬ korrektur einwirkt. Mit dieser Vorrichtung kann während des Motorbetriebs die Verschmutzung ermittelt und ein jeweiliges Korrektursignal erzeugt werden (Fig. 4) .

Es wird von der Selbstkalibrierungsvorrichtung 37 win- kel arkengesteuert ein Lichtimpuls in den Lichtwellen- leiter eingespeist. Dieser Lichtimpuls setzt sich über den Lichtwellenleiter 6 und das Brennraumfenster 6 in den Brennraum fort, von wo er reflektiert wird. Der re¬ flektierte Impuls gelangt anschließend wieder zur Selbstkalibrierungsvorrichtung 37. Die Intensität des reflektierten Impulses ist ein Maß für die Verschmut¬ zung des Brennraumfensters. Mit dieser Größe kann dann

beispielsweise die Auswerteinrichtung nachgeführt wer¬ den (Eingang 36) . Der Selbstkalibrierprozeß wird von der Selbstkaiibrierauslösevorrichtung 38 immer dann ge¬ startet, wenn gerade keine Verbrennung stattfindet (z. B. Wechsel O.T. oder während der Verdichtung) . Es han¬ delt sich hierbei um dasselbe Brennraumfenster und den¬ selben Lichtwellenleiter, wie bei der oben beschriebe¬ nen Auswerteeinheit. Die Auswerteinrichtung und die Selbstkalibrierungsvorrichtung sind über eine Optik entkoppelt.

Außerdem ist in Fig. 2 eine Einrichtung 21 zur Erfas¬ sung von Verbrennungsaussetzern vorgesehen, welche ei¬ nerseits über die Leitung 16 mit der Lichtemission zu- sammenhängende Signale und andererseits über einen Auf¬ nehmer 22 vom Kurbelwellenwinkel bzw. der Kolbenlager des Motors abhängige Signale empfängt. Aufnehmer zur Erkennung des Kurbelwelle winkels bzw. der Kolbenlager des Motors sind dem Fachmann bestens bekannt und brau- chen hier nicht näher beschrieben werden. Sie geben im allgemeinen bei einer bestimmten motorstellung ein be¬ stimmtes Triggersignal ab. Die Einrichtung 21 zur Er¬ kennung von Verbrennungsaussetzern überprüft nun, ob in einem bestimmten Zeitfenster das vom Triggersignal aus dem Aufnehmer 22 festgelegt wird, eine Lichtemission auftritt. Dies müßte bei erfolgter Zündigung normaler¬ weise der Fall sein. Ist dies einmal nicht der Fall, so gibt sie an ihrem Ausgang 23 ein entsprechendes Signal ab, das einen Verbrennungsaussetzer anzeigt. Dieses Si- gnal kann einem Logikbaustein "Inhibit" im Mittelwert¬ bildner 18 zugeführt werden, welcher bewirkt, daß bei der Mittelwertbildung jene Verbrennungszyklen außer acht gelassen werden, bei denen Verbrennungsaussetzer auftreten. Damit kommt es zu keiner Verfälschung des Mittelwertes bei einzelnen Verbrennungsaussetzern.

Verbrennungsaussetzer können auch über die Leitung 34 der Notabschalteinrichtung 35 mitgeteilt werden, die aber bestimmten Häufigkeit von Verbrennungsaussetzern den Motor abstellt.

Der im wesentlichen die Teile 1, 6, 12, 13, 14, 15 (und gegebenenfalls 18) umfassende Teil der Auswerteinrich¬ tung stellt eine "optische Lambdasonde ^M dar, die in Ab¬ hängigkeit vom Absolutwert des Kraftstoff-Luft-Verhält- nisses ein entsprechendes analoges Signal am Ausgang 19 liefert. Eine solche Lambdasonde kann auch unabhängig von der folgenden Regeleinheit vermarktet und einge¬ setzt werden. Es ist natürlich aber auch möglich, die elektrischen Komponenten der Lambdasonde und die Regel- einheit 17 zusammen zu implementieren.

Die Regeleinheit 17 umfaßt einen Sollwertgeber 25 über den der gewünschte Sollwert des Motorparameters ein¬ stellbar ist. Aus dem Vergleich des eingestellten Soll- wertes w mit dem Istwert x (über mehrere Zyklen gemit- teltes Intensitätsmaximum in einem spektralen Fenster) ergibt sich eine Regeldifferenz xd. Dieses wird der Stufe 26 zugeführt, welche dann an ihrem Ausgang ein Stellsignal für die Regelung eines Motorparameters ab- gibt. Somit ist der Regelkreis geschlossen.

In der Stufe 14 können, wie dies durch strichlierte Li¬ nien 28 angedeutet ist, Regeldifferenzen xd mehrerer optischer Aufnehmer 1 angeschlossen werden. Diese Stufe nimmt dann beispielsweise den größten Wert aller ange¬ schlossenen Regeldifferenzen für die Berechnung der Stellgröße y. Beispielsweise kann damit bei einer mehr- zylindrigen Verbrennungskraftmaschine die nur mit einem einzigen Gas-Liftmischer ausgestattet ist, das Verbren- nungsgas-Luftverhältnis in .Abhängigkeit von der Licht¬ emission in allen Zylindern geregelt werden.

Es ist jedoch auch eine zylinderselektive Regelung denkbar und günstig, wie dies beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist. Dort ist als Beispiel ein fünfzylindriger Verbrennungsmotor 29 dargestellt. In den Brennraum je¬ des Zylinders reichen die optischen Aufnehmer 1, die jeweils über flexible Lichtleitfasern 6 mit der elek¬ tronischen Auswerteinrichtung 11' verbunden sind. Diese elektronische Auswerteinrichtung 11' umfaßt im wesent- liehen fünf Auswerteinrichtungen 11, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind. Jede dieser Auswerteinrichtungen 11 emp¬ fängt über eine Leitung 30 ein von einem Aufnehmer 31 ermitteltes Signal, das den Kurbelwellenwinkel angibt, über die Auswerteinrichtungen 11 erfolgt eine zylinder- selektive Regelung von Motorparametern, bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Verbrennungs- gas-Luftverhältnisses jedes einzelnen Zylinders. Dazu führt von jeder Auswerteinrichtung 11 eine Steuerlei¬ tung 32 zu den einzelnen VerStelleinrichtungen 33 für das Verbrennungsgas-Luftverhältnis. Mit dieser Einrich¬ tung ist es also möglich, zylinderselektiv bestimmte Motorparameter in Abhängigkeit von der Lichtemission jedes Verbrennungszyklus zu regeln.