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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses und/oder des Zündzeitpunktes 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, wobei die Auswerteinrichtung eine Einrichtung zur Ermittlung des Intensitätsmaximums der Lichtemission jedes Verbrennungszyklus in dem entsprechenden elektrischen Signal umfasst, wobei die Auswerteinrichtung eine Regeleinheit umfasst.
Es wurde bereits vorgeschlagen, die bei der Verbrennung in einem Brennraum hervorgerufene Lichtemission auszunutzen, um Motorparameter zu regeln. Über einen optischen Aufnehmer, der am Motor befestigt ist und im allgemeinen ein in den Brennraum führendes lichtleitendes Element (im einfachsten Fall ein sogenanntes Brennraumfenster) wird das Licht aus dem Motor herausgeführt, ohne die sonstigen Verbrennungsabläufe zu stören. Der optische Aufnehmer kann auch in der Zündkerze integriert sein.
Bisher wurde hauptsächlich aus der Lage der Lichtemission im zeitlichen Ablauf ein Regelsignal zur Regelung des Zündzeitpunkte gewonnen.
Aus der DE-OS 35 05 063 ist eine Einrichtung zur Regelung der Verbrennung in Brennräumen bekannt, bei der zunächst ein dem Intensitätsmaximum der Lichtemission im Brennraum proportionales elektrisches Signal erzeugt wird. In einer folgenden Stufe erfolgt dann eine Differenzbildung zwischen dem aktuellen Wert des elektrischen Signals und dem Mittelwert des Signals. Es erfolgt dann eine Regelung der
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Motorparameter in-Abhängigkeit von diesem Differenzsignal. Die bekannte Regeleinrichtung erlaubt zwar eine Laufunruheregelung, jedoch ist nicht vorhersagbar, bei welchem Kraftstoff-Luft-Verhältnis (und damit bei welcher Schadstoffemission) sich die Motorparameter einstellen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der es möglich ist, das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und/oder den Zündzeitpunkt präzise auf einen vorgebbaren Wert zu regeln.
Erfindungsgemäss wird dies bei einer Einrichtung der eingangs genannten Gattung dadurch erreicht, dass der optische Aufnehmer - wie an sich bekannt - in den direkt oberhalb des Kolben liegenden Brennraum des Verbrennungsmotors reicht und die Regeleinheit in Abhängigkeit von den Intensitätsmaxima als solchen bzw. einem daraus über mehrere Verbrennungszyklen gebildeten Mittelwert das Kraftstoff-Luft-Verhältnis und/oder den Zündzeitpunkt regelt.
Während bei den meisten 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 über eine Regeleinheit Motorparameter zu regeln. Ein solcher
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tors widerspiegelt, lässt sich leicht durch eine elektronische Auswerteinrichtung ermitteln und dem Istwert-Eingang in einer Regeleinrichtung zuführen, die dann in Ab-
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hängigkeit davon zumindest einen Moterparameter verstellt bzw. regelt.
Gegenüber der Regelung in der DE-OS 35 05 063 unterscheidet sich die erfindungsgemässe Lösung darin, dass beim Stand der Technik durch die Differenzbildung die Information über den Absolutwert der Lichtemission verlorengeht, während dies gemäss der Erfindung gerade nicht der Fall ist. Da dieser Absolutwert mit Motorparametern, insbesondere dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis, direkt korreliert ist, kann gemäss diesem Stand der Technik keine gezielte Regelung auf bestimmte vorgebbare Motorparameter erfolgen. Die Erfindung nutzt die Erkenntnis aus, dass die Intensitätsmaxima als solche mit dem Kraftstoff-Luft-Verhältnis und dem Zündzeitpunkt korreliert sind und benutzt dies, um über eine Regelung auf einen bestimmten Wert der Lichtemission diese Motorparameter zu regeln.
Aus der DE-OS 34 19 069 ist es zwar bereits bekannt, die Intensitätsmaxima als solche (also den Absolutwert der Intensitätsmaxima) zur Regelung heranzuziehen. Es erfolgt dort jedoch keine Regelung des Zündzeitpunktes oder des Kraftstoff-Luft-Gemisches, sondern nur eine Korrektur in der in Abhängigkeit von vielen weiteren Parametern geregelten Abgasrückführung. Ausserdem ist dort der optische Aufnehmer in einer Vorkammer eines Dieselmotors und nicht wie bei der Erfindung im Brennraum angeordnet.
Um Schwankungen der Lichtemission in einzelnen aufeinanderfolgenden Verbrennungszyklen zu glätten) ist es günstig, wenn der Einrichtung zur Ermittlung des Intensitätsmaximums ein Mittelwertbildner nachgeschaltet ist, der àus den Intensitätsmaxima einer vorgebbaren Zahl von Verbrennungszyklen ein dem Mittelwert entsprechendes Signal abgibt, und dass der Ausgang des Mittelwertbildners mit dem Istwert-Eingang der Regeleinheit in Verbindung
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steht. Das Intensitätsmaximum kann dabei beispielsweise ., über 20 bis 100 Zyklen gemittelt werden. Die Absolutwertinformation wird zwar gemittelt, geht aber nicht verloren.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung eine Einrichtung zur Erfassung von Verbrennungsaussetzern aufweist, welche einerseits mit der Lichtemission zusammenhän-
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gende Signale und andererseits von einem Aufnehmer 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 Kolbenstellung abhängigen Zeitpunkt bzw. Zeitfenster, in dem normalerweise die Zündung erfolgt, auf ihrem Ausgang ein Ausgangssignal liefert. Die von der Einrichtung zur Erfassung von Verbrennungsaussetzern abgegebenen Signale können beispielsweise gezahlt unddeiei 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 Mittelwertbildner zuzuführen. Dieser kann dann zur Vermeidung von verfälschten Mittelwerten Verbrennungszyklen mit Verbrennungsaussetzern bei der Mittelwertbildung einfach unberücksichtigt lassen.
Es hat sich insbesondere bei der Untersuchung an Gasmotoren gezeigt, dass das bei der Entflammung entstehende Radikale Licht in einem bestimmten Frequenzbereich, besonders 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 heranziehen. Bei einem Gasmotor hat sich herausgestellt, dass
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kleineren Lambdawerten eine höhere Intensität auftritt. Dies kann genutzt werden, um auf der Basis der Lichtintensität der UV-Emission eine Lambdaregelung zu erzie-
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Aus konstruktiver Sicht ist es besonders günstig, wenn im bzw. am optischen Aufnehmer ein Bandpassfilter, vorzugsweise ein Farbglasfilter angeordnet ist, wobei es beispielsweise durch Verwendung speziell dotierter Glassorten ermöglicht ist, dass das nicht aus dem Brennraum nach aussen leitende Material selbst bandpassfilternde 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 Verbrennungsmotor zur zylinderselektiven Regelung der Motorparameter, 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 entsprechenden elektrischen Signalen und einstellbaren Sollwerten die Motorparameter des jeweiligen Zylinders regelt. Die zylinderselektive Regelung von Motorparametern, beispielsweise 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-
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in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erl u- tert.
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Es zeigen : Fig. l 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.
Der insgesamt mit l bezeichnete optische Aufnehmer (Sonde) ist in dem Zylinderkopf 7 eines Zylinders eines Verbrennungsmotors eingesetzt und mittels einer Überwurfmutter 3 gehalten. Der optische Aufnehmer. l umfasst einen lichtleitenden Glasstab 2, der bis in den Brennraum 9 oberhalb des Kolbens 8 reicht. Ausserdem umfasst der optische Aufnehmer einen Lichtwellenleiter-Steckeradapter 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 Richtung des Pfeiles 10 in den Lichtwellenleiter-Steckeradapter 4 eingesteckt werden.
Damit ist es möglich, dass Licht, das bei der Verbrennung im Brennraum 9 entsteht, zunächst über den Glasstab 2 und dann über die flexible Lichtleitfaser 6 einer Auswerteinrichtung zugeführt
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tung und kann im Falle von Beschädigungen leicht ausgetauscht werden.
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Fig. 2 ist nun ein Ausführungsbeispiel einer solchen Auswerteinrichtung 11. Das von einem optischen Aufnehmer 1 aus einem Brennraum erfasste Licht wird über eine (beispielsweise speziell für den UV-Bereich durchlässige) Lichtleitfaser 6 der elektronischen Auswerteinrichtung 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 Bandpassfilter 14 gefiltert werden.
Hierauf gelangen die der Lichtemission entsprechenden elektrischen Signale einer Einrichtung 15 zur Ermittlung des Intensitätsmaximums der Lichtemission jedes Verbrennungszyklus. Das auf Leitung 16 anstehende Ausgangssignal spiegelt also das Intensitätsmaximum der Lichtemission jedes Verbrennungszyklus wieder, wobei beispielsweise im optischen Aufnehmer selbst ein Bandpassfilter integriert sein kann (beispielsweise mit einer Durchlässigkeit bei 300 nm +/- 50 nm) um lediglich ein spektrales Fenster zu beobachten. Der Bandpassfilter kann durch den Glasstab 2 gebildet sein, welcher aus speziellem Glas besteht. Es ist aber auch möglich, ein gesondertes Filterelement einzusetzen.
Grundsätzlich könnte das auf Leitung 16 anstehende Signal gleich der Regeleinheit 17 zugeführt werden, die dann über einen Ausgangsverstärker 18 und eine Motorparameter-Verstellvorrichtung (beispielsweise eine Gemischverstellvorrichtung 19) einen Motorparameter (beispielsweise das Kraftstoff-Luftverhältnis) regelt.
Um Schwankungen der einzelnen Verbrennungszyklen zu glätten, ist es aber günstiger, wenn man die Ausgangssignale auf der Leitung 16 über mehrere beispielsweise
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20 bis 100 Zyklen mittelt, also über eine vorgebbare Zahl von Verbrennungszyklen den Mittelwert der Intens- tätsmaxima ermittelt. Dies erfolgt im Mittelwertbildner 18,- dessen Ausgang 19 mit dem Istwert-Eingang 20 der Regeleinheit 17 verbunden ist.
Ausserdem ist eine Einrichtung 21 zur Erfassung von Verbrennungsaussetzern vorgesehen, welche einerseits über die Leitung 16 mit der Lichtemission zusammenhängende Signale und andererseits über einen Aufnehmer 22 vom Kurbelwellenwinkel bzw. der Kolbenlager des Motors abhängige Signale empfängt. Aufnehmer zur Erkennung des Kurbelwellenwinkels bzw. der Kolbenlager des Motors sind dem Fachmann bestens bekannt und brauchen hier nicht näher beschrieben werden. Sie geben im allgemeinen bei einer bestimmten Mbtorstellung ein bestimmtes Triggersignal ab. Die Einrichtung 21 zur Erkennung von Verbrennungsaussetzern überprüft nun, ob in einem bestimmen Zeitfenster das vom Triggersignal aus dem Aufnehmer 22 festgelegt wird, eine Lichtemission auftritt.
Dies müsste bei erfolgter Zündigung normalerweise 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 Signal kann einem Logikbaustein 24 im Mittelwertbildner 18 zugeführt werden, welcher bewirkt, dass bei der Mittel- wertbi1dung jene Verbrennungszyklen ausser àcht gelassen werden, bei denen Verbrennungsaussetzer auftreten. Damit kommt es zu keiner Verfälschung des Mittelwertes bei einzelnen Verbrennungsaussetzern.
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aber bestimmten Häufigkeit von Verbrennungsaussetzern den Motor abstellt.
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Die Regeleinheit 17 umfasst einen Sollwertgeber 25 über den der gewünschte Sollwert des Motorparameters einstellbar ist. Aus dem Vergleich des eingestellten Sollwertes w mit dem Istwert x (über mehrere Zyklen gemitteltes 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 abgibt. Somit ist der Regelkreis geschlossen.
In der Stufe 14 können, wie dies durch strichlierte Linien 28 angedeutet ist, Regeldifferenzen xd mehrerer optischer Aufnehmer 1 angeschlossen werden. Diese Stufe nimmt dann beispielsweise den grössten Wert aller angeschlossenen Regeldifferenzen für die Berechnung der Stellgrösse y. Beispielsweise kann damit bei einer mehrzylindrigen Verbrennungskraftmaschine die nur mit einem einzigen Gas-Luftmischer ausgestattet ist, das Verbren- nungsgas-Luftverhältnis in Abhängigkeit von der Lichtemission 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 jedes Zylinders reichen die optischen Aufnehmer 1, die jeweils über flexible Lichtleitfasern 6 mit der elektronischen Auswerteinrichtung 11'verbunden sind. Diese elektronische Auswerteinrichtung 111 umfasst im wesentlichen fünf Auswerteinrichtungen 11, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind. Jede dieser Auswerteinrichtungen 11 empfängt über eine Leitung 30 ein von einem Aufnehmer 31 ermitteltes Signal, das den Kurbelwellenwinkel angibt. Über die Auswerteinrichtungen 11 erfolgt eine zylinderselektive Regelung von Motorparametern, bei dem in Fig.
3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Verbrennungs-
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gas-Luftverhältnisses jedes einzelnen Zylinders. Dazu führt von jeder Auswerteinrichtung 11 eine Steuerleitung 32 zu den einzelnen Verstelleinrichtungen 33 für das-Verbrennungsgas-Luftverhältnis. Mit dieser Einrichtung ist es also möglich, zylinderselektiv bestimmte Motorparameter in Abhängigkeit von der Lichtemission jedes Verbrennungszyklus zu regeln.