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WO1994017297A1 - Einrichtung zur erfassung von motorparametern eines verbrennungsmotors - Google Patents

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Publication number
WO1994017297A1
WO1994017297A1 PCT/AT1993/000164 AT9300164W WO9417297A1 WO 1994017297 A1 WO1994017297 A1 WO 1994017297A1 AT 9300164 W AT9300164 W AT 9300164W WO 9417297 A1 WO9417297 A1 WO 9417297A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
engine
internal combustion
light emission
combustion engine
combustion
Prior art date
Application number
PCT/AT1993/000164
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ingobert Adolf
Günther HERDIN
Michael HÖTGER
Walter Picker
Franz Pockstaller
Original Assignee
Jenbacher Energiesysteme Aktiengesellschaft
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 Jenbacher Energiesysteme Aktiengesellschaft filed Critical Jenbacher Energiesysteme Aktiengesellschaft
Priority to AT94900001T priority Critical patent/ATE155850T1/de
Priority to EP94900001A priority patent/EP0632864B1/de
Priority to JP6516476A priority patent/JPH07505694A/ja
Priority to DE59306980T priority patent/DE59306980D1/de
Priority to US08/307,565 priority patent/US5505177A/en
Publication of WO1994017297A1 publication Critical patent/WO1994017297A1/de

Links

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
    • F02D35/022—Controlling engines, dependent on conditions exterior or interior to engines, not otherwise provided for on interior conditions using an optical sensor, e.g. in-cylinder light probe
    • 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
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1497—With detection of the mechanical response of the engine

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting engine parameters of an internal combustion engine, in particular a gasoline engine operated with gaseous fuels, with at least one optical sensor for observing the light emission caused by the combustion in a combustion chamber of the internal combustion engine and with at least one photodetector Conversion of the light emission into electrical signals, which are processed in an evaluation device.
  • a control signal for controlling the ignition timing has mainly been obtained from the position of the light emission over time.
  • the object of the invention is to create a device of the type mentioned at the outset with which it is possible to precisely control at least one engine parameter.
  • Evaluation device comprises a device for determining the intensity maximum of the light emission of each combustion cycle in the corresponding electrical signal and the evaluation device further comprises a control unit which controls at least one engine parameter as a function of the intensity maxima.
  • intensity maximums of the light emission in order to record an engine parameter and preferably to control engine parameters via a control unit.
  • an engine parameter is, in particular, the fuel-air ratio (lambda).
  • other engine parameters such as the ignition timing, the boost pressure, the engine temperature etc. can in principle be regulated depending on the intensity maximum or the integral value of the intensity of the light emission of each combustion cycle.
  • the maximum of the light emission, which is reflected in the electrical signal of the photodetector can easily be determined by an electronic evaluation device and fed to the actual value input of a control device which then adjusts or controls at least one motor parameter as a function thereof.
  • the device for determining the intensity maximum In order to smooth fluctuations in the light emission in individual successive combustion cycles, it is expedient for the device for determining the intensity maximum to be followed by an averager which emits a signal corresponding to the mean value from the intensity max a of a predeterminable number of combustion cycles, and that the output of the mean value generator is connected to the actual value input of the control unit.
  • the maximum intensity can be averaged over 20 to 100 cycles, for example.
  • a further preferred embodiment is characterized in that the evaluation device has a device for detecting misfires, which on the one hand receives signals related to the light emission and on the other hand receives signals dependent on a sensor from the crankshaft angle or the piston position of the engine and which provides an output signal at its output for an electrical signal below a threshold value at a point in time or time window dependent on the crankshaft angle or on the piston position in which the ignition normally takes place.
  • the signals emitted by the device for detecting misfires can, for example, be counted and can cause an emergency shutdown of the engine if there are a certain number or frequency of misfires.
  • the radicals formed during the ignition emit light in a certain frequency range, particularly in the ultraviolet range (approx. 200 nm to 350 nm).
  • an optical bandpass filter which is preferably connected upstream of the photodetector, one can now specifically evaluate a specific spectral range, a so-called spectral window, and use the maximum light emission occurring in this spectral window to regulate motor parameters.
  • the intensity of the radiation in the UV region is strongly dependent on the combustion gas / air ratio, a higher intensity occurring with smaller lambda values. This can be used to achieve lambda control on the basis of the light intensity of the UV emission.
  • a bandpass filter preferably a colored glass filter
  • the optical pickup for example by using specially doped
  • the material which does not conduct outward from the combustion chamber itself has bandpass filtering properties and can therefore form a bandpass filter per combustion chamber if this is desired.
  • a further advantageous embodiment of the invention consists in that in a multi-cylinder internal combustion engine for cylinder-selective control of the engine parameters, an optical pickup is arranged on the combustion chamber of each cylinder, each with its own photodetector and its own evaluation device belongs to a control unit which controls the engine parameters of the respective cylinder as a function of the electrical signals and adjustable setpoints corresponding to the light emission of the respective cylinder.
  • the cylinder-selective control of engine parameters for example the fuel-air ratio for each cylinder individually, permits more precise control and operation of the engine.
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through the cylinder head area of a cylinder with an optical pick-up inserted
  • FIG. 2 shows in a block diagram the evaluation device for an exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 3 schematically shows a multi-cylinder internal combustion engine with a cylinder-selective combustion gas Air-mixture control as a function of the light emission from the individual combustion chambers.
  • Fig. 4 shows a self-calibration device in one
  • the optical sensor (probe), designated overall by 1, is inserted in the cylinder head 7 of a cylinder of an internal combustion engine and held by means of a union nut 3.
  • the optical pickup 1 comprises a light-conducting glass rod 2, which extends into the combustion chamber 9 above the bulb 8.
  • the optical pickup comprises an optical waveguide plug adapter 4, which makes it possible to detachably connect an optical waveguide to the outer end of the glass rod 2, in particular in the form of a flexible optical fiber 6, via an optical waveguide plug 5.
  • only the optical fiber connector 5 must be inserted into the optical fiber connector adapter 4 in the direction of the arrow 10. So it is possible that
  • Light that is generated during combustion in the combustion chamber 9 is first fed to an evaluation device via the glass rod 2 and then via the flexible optical fiber 6.
  • the flexible optical fiber allows the electronic evaluation device to be installed remotely and can be easily replaced in the event of damage.
  • the light detected by an optical pick-up 1 from a combustion chamber is supplied to the electronic evaluation device 11 via an optical fiber 6 (for example, which is particularly transparent to the UV range).
  • the optical fiber 6 can also be detachably connected to the evaluation device.
  • a photodetector 12 for example a UV photodiode with a spectral sensitivity range from 185 to 1150 nm converts the light into electrical signals, which are then amplified in an amplifier 13 and in one
  • High pass or band pass filter 14 are filtered.
  • the electrical signals corresponding to the light emission are then passed by a device 15 for determining the intensity maximum of the light emission of each combustion cycle.
  • the output signal present on line 16 thus reflects the maximum intensity of the light Emission of each combustion cycle again, it being possible, for example, for a high-pass filter or band-pass filter to be integrated in the optical pickup in order to observe only one spectral window.
  • the filter can be formed by the glass rod 2, which consists of special glass. However, it is also possible to use a special filter element. Measurements have shown, among other things, that the radicals which arise during the ignition emit light in the ultraviolet range (approx. 200 nm to 350 nm). The intensity of this
  • an optical high-pass filter is sufficient for this, which is only permeable to wavelengths smaller than 600 nm.
  • the signal present on line 16 could be fed to the control unit 17, which then controls an engine parameter (for example the fuel / air ratio) via an output amplifier 18 and a motor parameter adjustment device (for example a mixture adjustment device 19).
  • an engine parameter for example the fuel / air ratio
  • a motor parameter adjustment device for example a mixture adjustment device 19
  • the output signals on line 16 are averaged over a number of, for example, 10 to 100 cycles, for example 30 cycles, that is to say the mean value of the intensity maxima is determined over a predeterminable number of combustion cycles. This takes place in the mean value generator 18, the output 19 of which is connected to the actual value input 20 of the control unit 17.
  • the integral value of the light intensity can be used for the averaging during the burning period.
  • the probe drift (eg due to contamination of the combustion chamber probe) can be compensated for by a self-calibration device which acts, for example, on an additional input 36 of the amplifier 14 for the drift correction.
  • a self-calibration device which acts, for example, on an additional input 36 of the amplifier 14 for the drift correction.
  • the contamination can be determined during engine operation and a respective correction signal can be generated (FIG. 4).
  • a light pulse is fed into the optical waveguide from the self-calibration device 37 at an arc-controlled angle. This light pulse continues via the optical waveguide 6 and the combustion chamber window 6 into the combustion chamber, from where it is reflected. The reflected pulse then returns to the self-calibration device 37.
  • the intensity of the reflected pulse is a measure of the pollution of the combustion chamber window. With this size can then For example, the evaluation device is tracked (input 36).
  • the self-calibration process is started by the self-calibration trigger device 38 whenever no combustion is taking place (e.g. change TDC or during compression). This is the same combustion chamber window and the same optical waveguide as in the evaluation unit described above.
  • the evaluation device and the self-calibration device are decoupled via optics.
  • a device 21 for detecting misfires is provided in FIG. 2, which signals are related to the light emission via the line 16 and signals dependent on the crankshaft angle or the piston bearing of the engine via a sensor 22 receives.
  • Transducers for detecting the crankshaft angle or the piston bearings of the engine are well known to the person skilled in the art and need not be described in more detail here. They generally emit a certain trigger signal at a certain motor position.
  • the device 21 for the detection of misfires now checks whether light emission occurs in a certain time window, which is determined by the trigger signal from the sensor 22. This should normally be the case if the ignition is successful. If this is not the case, it outputs a corresponding signal at its output 23, which indicates a misfire.
  • This signal can be supplied to a logic block "inhibit" in the mean value generator 18, which causes those combustion cycles in which combustion misfires occur to be disregarded when averaging. This means that there is no falsification of the mean value for individual misfires. Misfires can also be communicated via line 34 to the emergency shutdown device 35, which, however, switches off the engine at a certain frequency of misfires.
  • the part of the evaluation device essentially comprising parts 1, 6, 12, 13, 14, 15 (and possibly 18) represents an "optical lambda probe M , which is a function of the absolute value of the fuel-air ratio provides a corresponding analog signal at output 19.
  • an "optical lambda probe M which is a function of the absolute value of the fuel-air ratio provides a corresponding analog signal at output 19.
  • Such a lambda probe can also be marketed and used independently of the following control unit, but it is of course also possible to implement the electrical components of the lambda probe and control unit 17 together.
  • the control unit 17 comprises a setpoint generator 25 via which the desired setpoint of the motor parameter can be set.
  • a control difference xd results from the comparison of the set value w with the actual value x (intensity maximum averaged over several cycles in a spectral window). This is fed to stage 26, which then emits an actuating signal for regulating an engine parameter at its output. The control loop is thus closed.
  • control differences xd of several optical sensors 1 can be connected. This level then takes, for example, the greatest value of all connected control differences for the calculation of the manipulated variable y.
  • the combustion gas / air ratio can be regulated as a function of the light emission in all cylinders.
  • cylinder-selective control is also conceivable and inexpensive, as is shown, for example, in FIG. 3.
  • a five-cylinder internal combustion engine 29 is shown there as an example.
  • the optical pickups 1, which are each connected to the electronic evaluation device 11 'via flexible optical fibers 6, extend into the combustion chamber of each cylinder.
  • This electronic evaluation device 11 essentially comprises five evaluation devices 11, as shown in FIG. 2. Each of these evaluation devices 11 receives, via a line 30, a signal determined by a transducer 31, which indicates the crankshaft angle. A cylinder-selective control of engine parameters takes place via the evaluation devices 11, in the embodiment of the combustion gas shown in FIG. Air ratio of each individual cylinder. For this purpose, a control line 32 leads from each evaluation device 11 to the individual adjusting devices 33 for the combustion gas / air ratio. With this device it is therefore possible to regulate specific engine parameters in a cylinder-selective manner as a function of the light emission of each combustion cycle.

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Abstract

Einrichtung zur Erfassung von Motorparametern eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines mit gasförmigen Kraftstoffen betriebenen Ottomotors, mit mindestens einem optischen Aufnehmer zur Beobachtung der bei der Verbrennung in einem Brennraum des Verbrennungsmotors hervorgerufenen Lichtemission und mit mindestens einem Photodetektor zur Umwandlung der Lichtemission in elektrische Signale, die in einer Auswerteinrichtung verarbeitet werden. Zur Erzielung einer raschen und präzisen Regelung wird vorgeschlagen, daß die Auswerteinrichtung (11) eine Einrichtung (15) zur Ermittlung des Maximums oder des Mittlewertes der Intensität der Lichtemission jedes Verbrennungszyklus in dem entsprechenden elektrischen Signal umfaßt und die Auswerteinrichtng (11) weiters eine Regeleinheit (17) umfaßt, die in Abhängigkeit von den Intensitätsmaxima zumindest einen Motorparameter regelt.

Description

Einrichtung zur Erfassung von Motorparametern eines
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-
ßBUtfT(REGEL26} 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 LambdasondeM 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.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e :
1. Einrichtung zur Erfassung von Motorparametern eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines mit gasförmigen Kraftstoffen betriebenen Ottomotors, mit mindestens einem optischen Aufnehmer zur Beobachtung der bei der Verbrennung in einem Brennraum des Verbrennungsmotors hervorgerufenen Lichtemission und mit mindestens einem Photodetektor zur Umwandlung der Lichtemission in elektrische Signale, die in einer Auswerteinrichtung verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung (11) eine Einrichtung (15) zur Er¬ mittlung des Maximums oder des Integralwertes der Lichtemission jedes Verbrennungszyklus in dem entspre- chenden elektrischen Signal umfaßt und vorzugsweise ein den Absolutwert des Maximums oder des Integral¬ wertes widerspiegelndes Ausgangssignal liefert.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einrichtung (15) zur Ermittlung des Maximums oder des Integralwertes ein Mittelwertbildner (18) nachgeschaltet ist, der aus den Intensitätsmaxima bzw. Intensitätsintegralwerten einer vorgebbaren Zahl von Verbrennungszyklen ein dem Mittelwert entsprechendes Signal abgibt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Auswerteinrichtung eine Einrichtung (21)zur Erfassung von Verbrennungsaussetzern aufweist, welche einerseits mit der Lichtemission zusammenhän¬ gende Signale und andererseits von einem Aufnehmer (22) vom Kurbelwellenwinkel bzw. der Kolbenlage des Motors abhängige Signale empfängt und welche bei einem elektrischen Signal unterhalb eines Schwellwerts zu einem vom Kurbelwellenwinkel bzw. von der Kolben¬ stellung abhängigen Zeitpunkt bzw. Zeitfenster, in dem normalerweise die Zündung erfolgt, auf ihrem Ausgang (23) ein Ausgangssignal liefert.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekenn- zeichnet, daß der Ausgang (23) der Einrichtung (21) zur Erfassung von Verbrennungsaussetzern mit dem Mittelwertbildner (18)in Verbindung steht, und der Mittelwertbildner (18) derart ausgebildet ist, daß er Verbrennungszyklen mit Verbrennungsaussetzern bei der Mittelwertbildung unberücksichtigt läßt.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Ausgang (23) der Einrichtung (21) zur Erfassung von Verbrennungsaussetzern mit einer Notabschalteinrichtung (35) verbunden, die ab einer bestimmten Zahl oder einer bestimmten Häufigkeit von Verbrennungsaussetzern ein Abstellen des Verbrennungs¬ motors bewirkt.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Filter (2) , vorzugs¬ weise Hochpaßfilter dem Photodetektor (1) vorgeschal¬ tet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtercharakteristik des Filters und der Emp¬ findlichkeitsbereich des Photodetektors derart gewählt sind, daß sich ein auch im UV-Bereich liegendes wel¬ lenlängenmäßiges Beobachtungsfenster ergibt.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der erfaßte Wellenlängenbereich zwischen 150 und 650 nm liegt.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen optischem Aufnehmer (1) am Motor (29) und der Auswerteinrichtung (11) zumin¬ dest eine flexible Lichtleitfaser (6) angeordnet ist.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im bzw. am optischen Aufnehmer (1) ein optischer Filter, vorzugsweise ein Farbglasfilter (2) angeordnet ist.
11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht aus dem Brennraum nach außen leitend Ma¬ terial (2) , vorzugsweise Glas, selbst bandpaßfilternde Eigenschaften hat und vorzugsweise den einzigen opti¬ schen Bandpaßfilter pro Brennraum bildet.
12. Einrichtung zur Regelung von Motorparametern mit einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteinrichtung (11) wei¬ ters eine Regeleinheit (17) umfaßt, die in .Abhängig¬ keit von den Intensitatsmaxima bzw. Integralwerten der Intensität zumindest einen Motorparameter regelt.
13. Einrichtung nach Anspruch 2 und 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Ausgang (19) des Mittelwertbildners (18) mit dem Istwert-Eingang (29) der Regeleinheit (17) in Verbindung steht.
14. Einrichtung zur Regelung von Motorparametern eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines mit gasförmigen Kraftstoffen betriebenen Ottomotors, mit mindestens einem optischen Aufnehmer zur Beobachtung der bei der Verbrennung in einem Brennraum des Verbrennungsmotors hervorgerufenen Lichtemission und mit mindestens einem Photodetektor zur Umwandlung der Lichtemission in elektrische Signale, die in einer Auswerteinrichtung verarbeitet werden, insbesondere nach einem der An¬ sprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem mehrzylindrigen Verbrennungsmotor (29) zur zy¬ linderselektiven Regelung der Motorparameter, am Brennraum (9) jedes Zylinders ein optischer Aufnehmer (1) angeordnet ist, zu dem jeweils ein eigener Photo- detektor und eine eigene Auswerteinrichtung (11) mit einer Regeleinheit gehört, die in Abhängigkeit von den der Lichtemission des jeweiligen Zylinders entspre¬ chenden elektrischen Signalen und einstellbaren Soll¬ werten die Motorparameter des jeweiligen Zylinders re- gelt.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Auswerteinrichtungen (11) eine gemeinsame Einrichtung (31) zur Erfassung von Kurbelwellenwinkel oder Kolbenlage vorgesehen ist.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gemischverstellvorrichtung (19,33) vorgesehen ist, über die die Zusammensetzung des dem Verbrennungsmotor zugeführten Kraftstoff-Luft- Gemisches in Abhängigkeit von der Lichtemission im Brennraum regelbar ist.
17. Einrichtung zur Kalibrierung eines optischen Aufneh- mers in einem Verbrennungsmotor insbesondere für eine
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekenn¬ zeichnet durch eine Lichtquelle, die Licht zum Aufneh¬ mer sendet, und weiters eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen des vom Aufnehmer zurückkehrenden Lichtan- triebs.
18. Einrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht dann zum Aufnehmer gesandt wird, wenn dieser kein beispielsweise durch eine Verbrennung im Brennraum hervorgerufenes Meßlicht empfängt.
19. Verwendung einer Einrichtung nach einem der .Ansprüche 1 bis 18 zur Regelung von Motorparametern eines Ver¬ brennungsmotors, bei dem das Gas-Luft-Gemisch vor dem Einlaß in die Brennräume durch einen Verdichter, vor- zugsweise einen Turbolader geführt ist.
20. Verwendung eines optischen Aufnehmers, mit dem die Lichtemission in einem Brennraum eines Verbrennungs¬ motors erfaßt wird, und einer daran angeschlossenen Auswerteinrichtung, die eine dem Maximum oder dem In¬ tegralwert der Lichtemission eines Verbrennungszyklus entsprechendes elektrisches Signal liefert, zur Rege¬ lung des Kraft-Luft-Verhältnisses des Verbrennungs¬ motors auf einen vorbestimmten Wert.
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