DE3727018A1 - Messfuehler zur erfassung des luft/kraftstoff-verhaeltnisses - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung zur Erfassung des Verbrennungsflammen-Lichtes in einem Innenverbrennungs-Motor und betrifft insbesondere einen Meßfühler zur Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis­ ses einer Verbrennungs-Mischung auf der Basis der spektra­ len Eigenschaften des Verbrennungslichtes.

Es sind verschiedene Wege diesbezüglich vorgeschlagen worden, um das in der Maschine erzeugte Verbrennungsflammen- Lichtsignal herauszuführen, um es als die Verbrennung betreffende Information zu verwenden. Beispielsweise wird ein optisches Zündzeitpunkt-Erfassungssystem tatsächlich in Dieselmotoren und anderen Motoren eingesetzt.

Dagegen ist in der JP-A-58-82 039 ein System zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses durch Erfassung der von der Verbrennung innerhalb der Maschine ausgesandten Licht­ intensitäten und durch Verwendung der Intensitätsverhältnis­ se offenbart. Jedoch sind in dem vorbekannten System keine geeigneten Maßnahmen getroffen, um den Änderungen in der Durchlässigkeit (transmittivity) einer Verbrennungslicht- Erfassungselementfläche Rechnung zu tragen, die von Staub oder Verschmutzung herrühren. Folglich steht man der Schwie­ rigkeit gegenüber, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit einer genügend hohen Präzision zu erfassen.

Insbesondere wird das bislang bekannte System zur Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf der Basis des Intensitätenverhältnisses des Verbrennungsflammen-Lichtes betrieben, das besondere Wellenlängen hat, und zeigt verschie­ dene Nachteile wie beispielsweise eine Änderung in der Durchlässigkeit der ausgezeichneten Licht-Wellenlängen aufgrund von Ablagerung auf der erfassungsseitigen Ober­ fläche, eine Veränderung in dem Intensitätsverhältnisses aufgrund von Wärmestrahlung unter hohen Umgebungstemperatu­ ren, wodurch die Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit genügend hoher Genauigkeit sich ganz unzweckmäßig gestaltet.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Meßfühlersystem des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses für einen Innenverbrennungs-Motor zu schaffen, der zur Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit erheblich verbesserter Genauigkeit in der Lage ist, durch Bestimmung des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisses auf der Basis von Signalen ausgezeichneter elektrischer Wellenlänge, die durch fotoelektrische Umwand­ lung aus dem Verbrennungsflammen-Licht gewonnen werden, das in der Verbrennungskammer in jedem Verbrennungszyklus oder durch Mittelung über mehrere Zyklen für jeden Motor-Zylinder erzeugt wird.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden Licht­ signale zweier ausgezeichneter Wellenlängenbereiche, die aus dem in der Verbrennungskammer erzeugten Verbrennungsflammen- Licht gewonnen werden, zur Erfassung der Phasendifferenz bezüglich der Motor-Kurbelwinkel in den Zeitpunkten benutzt, bei denen die zwei ausgezeichneten Wellenlängen-Signale jeweils erzeugt werden, wobei das entsprechende Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis durch Auslesen der relevanten Information aus einem Speicher bestimmt wird, der darin vorausgehend festgestellte Verhältnisse oder Entsprechungen zwischen den Phasendifferenzen und den Luft/Brennstoff-Verhältnissen speichert oder alternativ durch arithmetische Bestimmung, die auf das aus dem Speicher ausgelesene Verhältnis gegründet ist. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß der Umstand ausgenützt, daß die Intensitäten von besonderen Licht-Wellenlängen, die durch Verbrennung innerhalb des Motors erzeugt werden, in der Stärke bzw. in dem Pegel variieren können aufgrund von verschiedenen vorausgehend erwähnten Faktoren, aber keinem nachteiligen Einfluß unterlie­ gen hinsichtlich der Zeitpunkte, an denen die betreffenden Licht-Wellenlängen erzeugt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Hauptteils eines Innenverbrennungs-Motors auf den das erfindungsgemäße Meßfühlersystem des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses angewandt werden kann;

Fig. 2 zeigt eine Ansicht, die eine Struktur eines Endteils des Meßfühlersystems des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 3a und 3b erläutern grafisch die Ergebnisse der spektra­ len Analyse des Lichtes, das durch Verbrennung der Luft/Kraft­ stoff-Mischung erzeugt wird;

Fig. 4 ist eine Ansicht zur grafischen Erläuterung von Verhältnissen der Spitzen (peak)-Zeitpunkte von spezifischen Wellenlängen-Signalen zu dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F);

Fig. 5 ist eine Ansicht zur grafischen Erläuterung der Eigenschaften der Wellenlängen-Signale;

Fig. 6 ist eine Ansicht zur Erläuterung von Verhältnissen zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis und dem Phasen­ differenz-Winkel ( ΔR ), der zwischen den Zeitpunkten auftritt, in denen die zwei ausgezeichneten Lichtwellenlängen-Signale jeweils erzeugt werden;

Fig. 7a, 7b und 7c sind Ansichten, die jeweils Systeme zum Aufspalten und Verarbeiten der zwei ausgezeichneten Lichtwel­ lenlängen-Signale zeigen, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung zu bestimmen;

Fig. 8, 9 und 10 zeigen Signal-Kurvenformdiagramme zur Erläuterung der Signalverarbeitungsvorgänge, die in den in den Fig. 7a, 7b und 7c jeweils gezeigten Systemen auftre­ ten;

Fig. 11 und 12 sind Ansichten zur Erläuterung der spektra­ len Empfindlichkeiten der fotoelektrischen Umwandlungs­ elemente;

Fig. 13 erläutert grafisch die Filtereigenschaften eines optischen Interferenzfilters;

Fig. 14 zeigt eine teilweise Abänderung, die in den in den Fig. 7a, 7b und 7c gezeigten Systemen vorgenommen werden und

Fig. 15 zeigt eine Funktionsstruktur eines Steuergerätes, das in dem erfindungsgemäßen System eingesetzt werden kann.

Fig. 1 zeigt eine allgemeine Anordnung eines Meßfühler­ systems des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses für einen Innenver­ brennungs-Motor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das zusammengesetzt ist aus einem Verbrennungsflam­ men-Licht-Erfassungsendteil 1, das in einer Verbrennungskammer 3 eines Motors 2 so montiert ist, daß es dem Inneren der Verbrennungskammer 3 ausgesetzt ist, einem Lichtleiter-Kabel 4, dessen eines Ende mit dem Verbrennungslicht-Erfassungsend­ teil 1 zur Übermittlung des dort gewonnenen Verbrennungs­ licht-Signals verbunden ist, und einem Lichtsignal-Verarbeitungskreis 5, der mit dem Lichtleiterka­ bel 4 an dessen anderem Ende betriebsfähig gekoppelt ist.

Das Verbrennungslicht-Erfassungsendteil 1 kann vorzugsweise einstückig mit einer Zündkerze wie in Fig. 2 gezeigt ausge­ bildet sein, um ebenso für die Funktion der Zündkerze zu dienen. Zu diesem Zweck wird das Verbrennungslicht-Er­ fassungsendteil 1 mit einem Zündimpulssignal von einem Steuergerät 7, das durch einen Mikroprozessor gebildet wird, durch ein Zündsteuerungssystem 6 versorgt.

Das Verbrennungslicht-Signal, das an den Lichtsignal-Verarbei­ tungskreis 5 angelegt wird, unterliegt einer fotoelektrischen Umwandlung, wobei das entstehende elektrische Kurvenform-Si­ gnal an das Steuergerät 7 angelegt wird, welches zusätzlich mit verschiedenen Informationssignalen versorgt wird, beispielsweise dem Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal, das durch einen O ₂-Meßfühler 8 erzeugt wird (innerer Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis-Meßfühler), einem Drosselklappen-Öffnungsgrad­ signal, das durch einen Meßfühler oder Schalter 9 erzeugt wird, um den Öffnungsgrad einer Drosselklappe zu erfassen, einem Luftfluß-Signal, das durch einen Luftfluß-Meßfühler 10 erfaßt wird, einem Motor-Kühlmitteltemperatur-Signal, das durch einen Wassertemperatur-Meßfühler 11 erzeugt wird, einem Motordrehzahl-Signal, das durch einen Rotationsmeß­ fühler 12 erfaßt wird (beispielsweise einen Kurbelwinkel-Meß­ fühler, einen Obertotpunkt-Meßfühler oder ähnliches), einem Kurbelwinkel-Signal und andere. Diese Eingangssignale werden arithmetisch verarbeitet durch das Steuergerät 7, um die optimale Menge an Kraftstoffversorgung, den optimalen Zündzeitpunkt und andere Parameter zu bestimmen, wodurch entsprechende Steuersignale als Ausgangssignale des Steuerge­ rätes 7 erzeugt werden. Der Kraftstoff wird in den Motor somit in der optimalen Menge durch eine Kraftstoffein­ spritzung 13 in Reaktion auf die entsprechenden Steuersignale eingespritzt, welche durch das Steuergerät 7 geliefert werden. Obwohl das in Fig. 1 gezeigte System für ein Vielpunkt-Kraftstoffeinspritzungssystem ausgelegt ist, ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, daß die Erfindung gleichermaßen auf andere Kraftstoffeinspritzungssysteme angewandt werden kann, beispielsweise das Vergasersystem, Einzelpunkt-Kraftstoffeinspritzungssystem und andere. Obwohl in dem in Fig. 1 gezeigten System ein direktes Luftfluß-Meß­ system einschließlich des Luftfluß-Meßfühlers eingesetzt werden kann, ist es jedoch offensichtlich, daß jedes ge­ eignete System verwendet werden kann, beispielsweise ein Geschwindigkeitsdichte-System zur arithmetischen Bestimmung des Einlaß-Luftflusses bzw. Saugluft-Flusses auf der Basis der Anzahl der Motorumdrehungen und des negativen (Vakuum) Ansaugdruckes, ein System zur arithmetischen Bestimmung des Einlaß-Luftflusses auf der Basis der Anzahl der Motorumdrehun­ gen und des Öffnungsgrades der Drosselklappe und dergleichen.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines Hauptteils der integrierten Struktur des Verbrennungslicht-Erfassungsendtei­ les, das einstückig mit der Zündkerze ausgebildet ist. In bezug auf die Figur weist die integrierte Struktur eine Mittelelektrode 21 der Zündkerze auf, und eine Quarz-Glas­ faser 14 mit einem Durchmesser in der Größenordnung von 1,0 bis 1,5 mm, die sich durch die Struktur längs der Mittelachse eines Hochspannungs-Anschlußelementes 22 erstreckt, um als ein Lichtleiter zu dienen. Die Mittelelektrode 21, das Hoch­ spannungs-Anschlußelement 22 und die optische Glasfaser 14 sind fest an einer elektrisch isolierenden Isolationshülse 15 an einem geschlossenen bzw. abgedichteten Teil 16 aus einem elektrisch leitenden Glas-Dichtungsmaterial durch thermische Fusion befestigt. Das durch die Quarz-Glasfaser 14 empfangene Verbrennungsflammen-Licht wird in ein Lichtlei­ ter-Kabel 18 mit einer hohen Flexibilität durch einen Koppler oder Verbinder 17 eingeführt, um schließlich auf den Lichtsignal-Verarbeitungskreis 5 gegeben zu werden. Der Verbinder 17 dient ebenso als eine Einrichtung zum Empfangen einer Hochspannung für die Zündkerze. Insbesondere wird die durch einen Hochspannungsleiter 19 gelieferte Hochspannung an die Mittelelektrode 21 durch den zuvor erwähnten Verbinder angelegt. Bezugszeichen 20 bezeichnet eine Schutzschicht zum Isolieren oder Schützen der Oberfläche des Isolators 15 gegen Kriech-Endladung, die sonst unter einer Hochspannung möglicherweise erzeugt wird.

Fig. 3a zeigt Kurvenformen von Signalen, die durch einen Fotomultiplexer 24 als Ergebnis der fotoelektrischen Umwand­ lung der Lichtintensitäten für gegebene Wellen-Komponenten des Verbrennungslichtes erzeugt werden, das von dem Ver­ brennungslicht-Erfassungsendteil 1 durch das Lichtleiter-Kabel 4 in ein Beugungs-Spektrometer 23 vom Gittertyp eingeführt wird. Da die Verbrennung nur intermittierend in dem Motor stattfinden kann und der Zustand der Verbrennung von Zyklus zu Zyklus mehr oder weniger variieren kann, sind die Signal- Kurvenformen wie in Fig. 3a gezeigt auf der Basis von Daten gezeichnet, die durch Abtasten und durch Mitteln über jedes 16-Zyklus-Intervall erhalten wurden. Die in Fig. 3a erläu­ terten Kurvenform-Komponenten sind bei einer Wellenlänge λ ₁ von 450 nm extrahiert, die im Bereich sichtbaren Lichts in der Nähe des ultravioletten Bereichs angesiedelt ist, und bei der Wellenlänge λ ₂ von 750 nm, die in der Nähe des infraroten Bereichs angesiedelt ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3a, zu weiterem Detail, wird das Zündimpuls-Signal an die Zündkerze angelegt, bevor der Kolben den oberen Totpunkt TDC erreicht, um das Auftreten einer Funken-Entladung zu veranlassen, worauf ein Flammen­ kern gebildet wird, der innerhalb einer relativ kurzen Zeit so sehr wächst, daß die Verbrennung des gesamten Luft/Kraft­ stoff-Gemisches in der Verbrennungskammer beginnt. Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich der Verbrennungsdruck in der Ver­ brennungskammer abrupt, wodurch der Kolben mit genügend Energie versorgt wird, um die Hin- und Herbewegung auszu­ führen. Weiterhin steigt die Verbrennungslicht-Intensität zu Beginn der Verbrennung auf eine Spitze (peak) zu grundsätz­ lich dem gleichen Zeitpunkt an, wie die Spitze der Verbren­ nung, gefolgt von einer allmählich fallenden Flanke. In diesem Zusammenhang ist experimentiell ermittelt worden, daß die Zeitpunkte A und B, an denen die Verbrennungslicht-Signalkurvenformen (entsprechend den durch λ ₁ und λ ₂ jeweils angezeigten) jeweilige Spitzen erreichen, bezüglich des Zeitpunkts P _p variieren, an dem die Spitze des Verbrennungsdruck-Signals als eine Funktion des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisses der der Verbrennungskammer zugeführten Gasmischung auftritt. Wenn die Zeitdifferenz zwischen den Spitzenzeitpunkten A und P _p des Lichtsignals mit der Wellen­ länge λ ₁ (=450 nm) und des Verbrennungsdruckes jeweils durch Δ t ₁ mit der Zeitdifferenz zwischen dem Spitzenzeitpunkt B der Signal-Kurvenform λ ₂ (=750 nm) dargestellt wird und die Spitzenzeit P _p durch Δ t ₂ dargestellt wird, ergibt sich insbesondere aus den experimentellen Messungen, daß eine Korrelation wie in Fig. 4 erläutert zwischen dem Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis (A/F) und den Zeitdifferenzen Δ t ₁ und Δ t ₂ jeweils besteht. Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, wird die Phase oder Zeitdifferenz Δ t ₁ negativ, wenn das Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis A/F erhöht wird, d. h. die Spitze des Lichtsignals λ ₁ tritt an einem früheren Zeitpunkt auf als die Spitze des Verbrennungsdruckes, die zum Zeitpunkt P _p entsteht. Andererseits wird die Zeit (Phasen)-Differenz Δ t ₂ größer, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) erhöht wird, d. h. das Lichtsignal λ ₂ erreicht die Spitze mit einer Verzögerung bezüglich der Spitzenzeit P _p des Verbrennungs­ druckes. Es wird mit anderen Worten angenommen, daß, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) hoch ist, das Licht­ signal der Kurvenform λ ₁ (=450 nm) repräsentativ für die an blau reiche Flamme zuerst erzeugt wird, welcher dann die Erzeugung des Lichtsignals der Wellenlänge λ ₂ (=750 nm) folgt, d. h. die Erzeugung der an rot reichen Flamme. Jedoch wird keine Korrelation zwischen der oben erwähnten Tendenz und den Spitzenwerten F ₁ und F ₂ (Fig. 3a) der Lichtsignale und λ ₂ gefunden, wie aus der Fig. 5 ersichtlich, in der die Spitzenwerte F ₁ und F ₂ als eine Funktion des Luft/Kraft­ stoff-Verhältnisses gezeichnet sind (A/F). Insbesondere nehmen die Spitzen F ₁ und F ₂ jeweils maximale Werte in der Nähe des theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnisses ein und nehmen ab, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis von dem theoretischen Luft/Kraftstoff-Verhältnis aus erhöht oder erniedrigt wird.

Es ist nun zu beachten, daß der Spitzenzeitpunkt des Licht­ signals an der gegebenen besonderen Wellenlänge in Abhän­ gigkeit von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis variiert. Jedoch ist die Spitzenzeit des Verbrennungsdruckes als ein Bezugs­ zeitpunkt weniger bedeutend für praktische Anwendungen. In diesem Zusammenhang bestehen jedoch die folgenden Gleichun­ gen:

Δ t = Δ t ₁ - Δ t ₂, und ΔR = f (Δ t, N)

Fig. 6 erläutert grafisch eine Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) und ΔR, welche die Phasen­ differenz (Grad) des Motor-Kurbelwinkels darstellt, der von den Zeitdifferenzen Δ t ₁ und Δ t ₂ auf der Basis der zuvor erwähnten Beziehung abgeleitet ist. Obwohl die Beziehung nicht linear ist, können somit bestimmte Eigenschaften der Größe ΔR für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) bestimmt werden. Dementsprechend kann somit das Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis in dem betrachteten Verbrennungs-Meßfühlersystem arithmetisch auf der Basis der Größe ΔR mittels des Steuer­ gerätes, das durch einen Mikroprozessor dargestellt wird, bestimmt werden, wobei die Größe ΔR ebenso arithmetisch abgeleitet werden kann. Beispielsweise sind Experimente für eine Anzahl von Lichtsignalen mit Wellenlängen ausgeführt worden, die von λ ₁ (=450 nm) und λ ₂ (=750 nm) zusätzlich zu den letzteren abweichen und eine Übereinstimmung (coinci­ dence) ist in der gesamten oben beschriebenen Tendenz unter den verschiedenen Lichtwellenlängen gefunden worden, obwohl eine Differenz hinsichtlich des Absolutwertes gefunden wurde. Dementsprechend sind die zwei ausgezeichneten Licht­ wellenlängen grundsätzlich nicht auf irgendwelche spezi­ fischen Wellenlängenwerte beschränkt.

Die Fig. 7a, 7b und 7c sind Blockdiagramme, welche jeweils Systemanordnungen zeigen zum Aufspalten (splitting) des Verbrennungsflammen-Lichtes in zwei spezifische Wellen­ längen und zum Verarbeiten der Lichtsignale mit dem Ziel, die beabsichtigte Aufgabe der Erfindung zu lösen, indem man von der experimentell bestätigten Tatsache, die oben ge­ schildert wurde, ausgeht.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7 wird das durch das Lichtlei­ ter-Kabel 25 übermittelte Verbrennungslicht-Signal in zwei Wellenlängenkomponenten g ₁ und λ ₂ aufgespalten und an die fotoelektrischen Umwandungselemente 26 und 27 angelegt, welche durch Fototransistoren, Fotodioden oder ähnliches dargestellt sein können, und welche maximale Empfindlichkei­ ten in den Wellenlängen-Bändern zeigen, die den zuvor erwähnten Wellenlängen λ ₁ und λ ₂ entsprechen. Nachdem die elektrischen Signale jeweils durch die fotoelektrischen Umwandlungskreise 28 und 29 verarbeitet wurden, werden die elektrischen Signale, die von der oben erwähnten foto­ elektrischen Umwandlung herrühren, durch zugeordnete Differenzierkreise 59 und 60 differenziert, und es folgt eine Erfassung der jeweiligen Spitzen durch jeweils die zugeordneten Spitzenerfassungskreise 61 und 62, deren Ausgangssignale einem Phasendifferenz-Impulssignal-Er­ zeugungskreis 38 zugeführt werden, um ein impulskodiertes Phasendifferenzsignal zu erzeugen, das dann dem Steuergerät 7 zugeführt wird, welches durch einen Mikrocomputer darge­ stellt ist.

Das in Fig. 7b gezeigte System unterscheidet sich von dem in Fig. 7a gezeigten darin, daß die Ausgänge der Kreise 28 und 29 an jeweilige Anstiegs-Zeitpunkt-Erfassungskreise 30 und 31 angelegt werden, wobei der Umstand beachtet wird, daß beide durch die Kreise 28 und 29 erzeugte Ausgangssignale eine im wesentlichen gleiche Tendenz zueinander im Vergleich zu dem Verhältnis zwischen der Signalspitze und dem Anstiegs- Zeitpunkt tragen. Die durch Kreise 30 und 31 erzeugten impulskodierten Signale, welche die Anstiegs-Zeitpunkte der jeweiligen Eingangssignale darstellen, werden dann an einen Phasendifferenz-Impulserzeugungskreis 38 angelegt, wobei die Phasendifferenz zwischen beiden Signalen erfaßt und impulsko­ diert wird. Das Ausgangssignal des Kreises 38 wird dem Steuergerät 7 zugeführt.

Die in Fig. 7c gezeigte Systemanordnung unterscheidet sich von der in Fig. 7a gezeigten darin, daß die Spitzen-Halte- (hold)Kreise 32 und 33, welche von Rücksetzkreisen (reset) 34 und 35 jeweils erfolgt sind, mit den fotoelektrischen Umwandlungskreisen 28 bzw. 29 verbunden sind, wodurch die geformten Spitzenhalte-Kurvenformen von den durch die Kreise 28 bzw. 29 ausgegebenen Signalen abgeleitet und den zugeordne­ ten Spitzenzeit-Erfassungskreisen 36 und 37 zugeführt werden, um die Spitzenzeit-Punkte der jeweiligen Eingangssi­ gnale zu erfassen. Die Ausgangssignale der Kreise 30 und 31 werden an den Phasendifferenz-Impulssignal-Erzeugungskreis 38 angelegt, welcher ein impulskodiertes Signal erzeugt, welches die Phasendifferenz zwischen den an ihn angelegten Eingangssignalen darstellt, wobei das impulskodierte Signal dann dem Steuergerät 7 zugeführt wird.

Die Fig. 8 zeigt ein Signal-Kurvenformdiagramm zur Erläu­ terung des Signalverarbeitungs-Verfahrens, das von dem in Fig. 7a gezeigten System durchgeführt wird. Das durch den fotoelektrischen Umwandlungskreis 28 ausgegebene Signal (a), das für Licht mit der Wellenlänge λ ₁ stellvertretend ist, wird durch den Differenzierkreis 59 differenziert, und die Erzeugung des Spitzensignal (c) durch den Spitzen-Erfassungs­ kreis 61 folgt. Andererseits wird das Signal (b), welches durch den fotoelektrischen Umwandlungskreis 29 erzeugt wird und für Licht mit der Wellenlänge λ ₂ stellvertretend ist, durch den Differenzkreis 60 differenziert, wodurch ein Spitzensignal (d) durch den Spitzen-Erfassungskreis 62 erzeugt wird. Beide Signale (c) und (d) werden an den Phasendifferenz-Impulserzeugungskreis 38 angelegt, der darauf anspricht, um ein Impulssignal (e) zu erzeugen, das einen hohen Pegel während einer Periode einnimmt, die zwischen Spitzensignalen (c) und (d) liegt. Das Impulssignal (e) wird dem Steuergerät 7 zugeführt, um zu ermöglichen, daß die Kurbelwellen-Impulse während der oben erwähnten Periode gezählt werden können, wodurch der Kurbelwinkel arithmetisch bestimmt wird, wie bei (f) in Fig. 8 erläutert ist.

Fig. 9 erläutert das Signalverarbeitungsverfahren in dem in Fig. 7b gezeigten System. Das Signal (a) welches durch den fotoelektrischen Umwandlungskreis 28 erhalten wird, und welches Licht der Wellenlänge λ ₁ darstellt, wird dem An­ stiegs-Zeitpunkt-Erfassungskreis 30 zugeführt, um mit einer Vorwahlspannung V _{R 1} verglichen zu werden. Dagegen wird das Signal, welches stellvertretend für das Licht mit der Wellenlänge λ ₂ ist, das durch den fotoelektrischen Umwandlungs­ kreis 29 gewonnen wird, an den Anstieg-Zeitpunkt-Erfassungs­ kreis 31 angelegt, um mit einer Vorwahlspannung V _{R 2} verglichen zu werden. Wenn die Spannungswerte der Signale (a) und (b) größer als die Vorwahlsignale V _{R 1} bzw. V _{R 2} werden, werden geformte Impulssignale (c) und (d) erzeugt und dem Phasen­ differenz-Impulserzeugungskreis 38 zugeführt, der dann ein Impulssignal (e) erzeugt, das einen hohen Pegel während einer Periode einnimmt, die der Zeitdifferenz zwischen den Anstiegsflanken der Impulssignale (c) und (d) entspricht. Das Phasendifferenz-Impulssignal (e) wird dem Steuergerät 7 zugeführt, um ermöglichen, daß die Kurbelwinkel-Impulse während der Periode gezählt werden, in der das Impulssignal (e) hoch ist, wobei die Phasendifferenz zwischen den Impuls­ signalen (c) und (d) hinsichtlich der Differenz in dem Kurbelwinkel arithmetisch bestimmt wird.

Fig. 10 erläutert das Signalverarbeitungsverfahren, das in dem in Fig. 7c gezeigten System durchgeführt wird. Die Signale (a) und (b) mit Wellenlängen λ ₁ und g ₂, werden durch die fotoelektrischen Umwandlungskreise 28 und 29 in Signale (c) bzw. (d) umgewandelt, durch die Spitzen-Haltekrei­ se 32 und 33 und die Rücksetzkreise 34 und 35. Die Signale (a) und (c) werden an den Spitzen-Zeiterfassungskreis 36 angelegt, wobei die Signale (b) und (d) an den Spitzen-Zeit­ punkt-Erfassungskreis 37 angelegt werden. Die Kreise 36 und 37 führen arithmetische Operationen "(c) - (a)" bzw. "(b) - (b)" aus, wobei die entstehenden Signale dann invertiert werden, um nachfolgend als die Signale (e) bzw. (f) erzeugt zu werden. Durch Vergleich der Signale (e) und (f) im Hinblick auf die Vorwahlsignale V _{R 3} und V _{R 4}, werden die Impulssignale (g) und (h) erzeugt, die einen hohen Pegel einnehmen, wenn die Signale (e) und (f) jeweils größer als die Vorwahlsignale V _{R 3} und V _{R 4} sind. Die Signale (g) und (h) werden an den Phasendifferenz-Impulssignalkreis 38 angelegt, wobei ein Impulssignal (i), welches nur während einer Periode hoch ist, die zwischen den Anstiegsflanken der Signale (g) und (h) liegt, an das Steuergerät 7 angelegt wird. Das Letztere zählt die Kurbelwinkel-Impulse während der Periode, in der das Signal (i) hoch ist, wie bei (j) erläutert ist, wodurch der Phasendifferenz-Winkel zwischen den Spitzen der Wellenlängensignale λ ₁ und λ ₂ bestimmt werden kann.

Fig. 11 erläutert grafisch typische spektrale Empfind­ lichkeitseigenschaften der fotoelektrischen Umwandlungs­ elemente 26 und 27, die jeweils in den in den Fig. 7a, 7b und 7c gezeigten Signalverarbeitungssystemen eingesetzt werden. Das fotoelektrische Umwandlungselement 26 sollte, so wie es eingesetzt wird, die Spitzenempfindlichkeit bei der Wellenlänge λ ₁ zeigen, wie angezeigt durch die durchgezogene Linienkurve in Fig. 11, während das fotoelektrische Umwand­ lungselement 27 die Spitzenempfindlichkeit bei Wellenlänge λ ₂ zeigen sollte, wie angezeigt durch die gestrichelte Linien­ kurve in Fig. 11. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß viele der gegenwärtig verfügbaren fotoelektrischen Umwandlungselemente mit scharfen spektralen Empfindlichkeits­ eigenschaften in spezifischen Wellenlängen-Bändern sehr teuer sind. Um dieses Problem zu handhaben und die Herstel­ lungskosten zu senken, lehrt die vorliegende Erfindung die Kombination einer billigen Fotodiode oder eines Fototransi­ stors und eines zu erläuternden Interferenzfilters.

Fig. 12 zeigt eine Empfindlichkeits-Kennlinie eines kommer­ ziell erhältlichen Fototransistors geringen Preises, der zur Erfassung von Licht mit einer realtiv großen Bandbreite von 400 nm bis 1100 nm in der Lage ist. Große Mengen dieses Typs von Fototransistor sind gegenwärtig auf dem Markt und einige der Fototransistoren haben die spektrale Empfindlichkeit über einen größeren Bereich als verglichen mit den in Fig. 11 erläuterten. Demgemäß können zwei dieser billigen Fotodio­ den in Kombination mit Interferenzfiltern eingesetzt werden, die vor den fotoelektrischen Umwandlungselementen angeordnet sind, wobei die Filter Eigenschaften wie in Fig. 13 erläu­ tert zeigen. Auf diese Weise können die Lichtwellenlängen- Signale λ ₁ und λ ₂ auf einfache Weise abgeleitet werden, ohne hohe Kosten zu verursachen.

Das Interferenzfilter mit einer solchen Durchlässigkeitsei­ genschaft, in dem eine hohe Durchlässigkeit auf ein relativ schmales spezifisches Wellenlängen-Band wie in Fig. 13 erläutert beschränkt ist, ist relativ leicht verfügbar. Demgemäß kann der Interferenzfilter mit der Kennlinie C wie in Fig. 13 gezeigt einem fotoelektrischen Umwandlungselement vorausgehend bzw. vorgestellt angeordnet werden, um das Licht in dem Wellenlängenband λ ₁ zu erfassen, während der andere Interferenzfilter mit der Kennlinie D in Fig. 13 gezeigt vor das andere fotoelektrische Umwandlungselement gestellt werden kann, um das Licht des Wellenlängen-Bandes λ ₂ zu erfassen.

Fig. 14 zeigt eine typische konkrete Anordnung der kombi­ nierten Filter und fotoelektrischen Umwandlungselementen. Wie dieser Figur zu entnehmen ist, sind die zwei fotoelektri­ schen Umwandlungselemente 39, von denen jedes die spektrale Empfindlichkeit über einen weiten Wellenlängenbereich wie in Fig. 12 gezeigt aufweist, mit Interferenzfiltern 40 und 41 ausgestattet, welche die Durchlässigkeitskennlinie C bzw. D wie in Fig. 13 gezeigt besitzen. Bei dieser Anordnung ist es möglich, nur das Verbrennungslicht der zwei spezifischen Wellenlängenbänder zu empfangen, um die fotoelektrische Umwandlung für eine nachfolgende Verarbeitung in grundsätzlich ähnlicher Weise zu bewirken, wie in Verbindung mit den in Fig. 7a, 7b und 7c gezeigten Systemen erwähnt wurde.

Fig. 15 zeigt schematisch eine Anordnung eines größeren Teils des Steuergeräts 7. Unter Bezugnahme auf die Figur werden die Meßfühler-Signale wie z. B. die durch den Luft­ fluß-Meßfühler 10 erzeugten, den Wassertemperatur-Meßfühler 11, den Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Meßfühler 8, den Drossel­ klappenstellung-Meßfühler 9 und andere, in einen Analog/- Digital-Wandler (A/D) 44 durch einen Multiplexer 43 eingege­ ben, wobei die Ausgangssignale des A/D-Wandlers 44 an ein Eingangs/Ausgangs (I/O)-Tor 45 gekoppelt werden. Es ist zu beachten, daß das durch einen Schalter erzeugte Signal zur Erfassung des völlig geöffneten Zustands der Drosselklappe (ebenso bezeichnet als der Leerlauföffnungs-Erfassungsschal­ ter) direkt an ein Eingangstor 46 gekoppelt ist. Andererseits wird das Motordrehsignal, das durch den Kurbelwinkel-Meßfühler 12 erzeugt wird, an ein Eingangstor 48 durch einen Kurvenform- Formungskreis 47 gekoppelt. Das von dem Verbrennungs-Meß­ fühlersystem 42 durch einen Signalverarbeitungskreis 5 abgeleitete Signal wird einem Zähler 49 zugeführt, der dazu dient, während einer Periode einzusetzen, die zwischen den Phasendifferenz-Impulsen der zwei Wellenlängen in jeweiligen Fig. 8, 9 und 10 erläutert liegt. Das Ausgangssignal des Zählers 49 wird einem A/D-Wandler 50 zugeführt, wobei der entstehende digitale Ausgang dessen einem I/O-Tor 51 zugeführt wird. Die Eingangs/Ausgangs-Tore ebenso wie die oben erwähnten Eingangstore sind mit einer CPU (central processing unit) 53, einem ROM 54 und einem RAM 55 durch einen Bus 52 für einen Signal-Transfer und die Ausführung von arithmetischen Operationen verbunden. Die Ergebnisse der arithmetischen Operationen werden an die Ausgangstore 56 und 57 ausgegeben, wodurch die Zündvorrichtung 6, welche auf das Signal von dem Ausgangstor 56 anspricht, aktiviert wird, während der Treiberkreis 56 zur Betätigung des Brennstoff-Ein­ spritzers 13 durch das von dem Ausgangstor 57 erzeugte Signal aktiviert wird.

Das ROM 54 speichert dabei Beziehungen zwischen den Phasen­ differenzwinkel-Signalen ΔR und den Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnissen (A/F) oder eine eindimensionale Abbildung von ΔR und A/F, so daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, welches dem Phasendifferenzwinkel-Signal ΔR entspricht, durch das Eingangs/Ausgangstor 51 arithmetisch bestimmt werden kann. Im Falle eines Mehrzylinder-Motorsystems, in dem jeder Zylinder mit dem Verbrennungs-Meßfühlersystem ausgestattet ist, können die Phasendifferenz-Impulssignale, die durch die einzelnen Verbrennungs-Meßfühlersysteme erzeugt werden, an den Zähler 49 durch einen Multiplexer (nicht gezeigt in Fig. 15) gekoppelt werden, um das A/F-Verhältnis für jeden der Zylinder zu erfassen. Wenn jeder der Zylinder als allein betrachtet wird, kann das Luft/Kraftstoff-Verhältnis der dem Zylinder zugeführten Gasmischung natürlich von Zyklus zu Zyklus variieren, was dazu führt, daß das Phasendifferenz­ winkel-Signal ΔR, welches durch den Zähler 49 gezählt wird, von Zyklus zu Zyklus sich verändernde Werte einnehmen kann. Dementsprechend, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Basis des sich ändernden Phasendifferenz-Winkelsignals ΔR bestimmt wird, um die geschlossene Schleifensteuerung bzw. Regelung für jeden variierenden Wert von ΔR durchzuführen, wird die Steuerungsstabilität erheblich verschlechtert. Um aus dieser Schwierigkeit zu umgehen, kann demgemäß der Phasendifferenzwinkel ΔR über mehrere Zyklen abgetastet und gemittelt werden, um nachfolgend in der arithmetischen Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) verwendet zu werden. Die Anzahl der Abtastungen zur Ableitung des ge­ mittelten Phasendifferenzwinkel-Signals ΔR kann optimal unter Maßgabe der Eigenschaften bzw. Leistung des einzelnen Motors gewählt werden, auf den die Erfindung anzuwenden ist.

Wie vorausgehend beschrieben, war es mit den bislang be­ kannten Verbrennungs-Meßfühlern unmöglich, das Luft/Kraft­ stoff-Verhältnis mit hoher Genauigkeit zu erfassen, und zwar aufgrund verschiedener fehlerinduzierenden Ursachen wie z. B. eine Änderung in der Durchlässigkeit der in Betracht stehenden Wellenlängen aufgrund von Ablagerung auf der Verbrennungslicht-Erfassungsfläche, und Änderungen aufgrund der Wärmestrahlung an der Peripherie des Verbrennungslicht- Erfassungselementes. Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Basis der Phasendifferenz zwischen den Zeitpunkten bestimmt wird, an denen spezifische Lichtwellenlängen (λ ₁ und λ ₂) erzeugt werden, ist es dagegen jetzt möglich, das Luft/Kraftstoff- Verhältnis mit einer erheblich verbesserten Genauigkeit zu bestimmen, ohne den verschiedenen ungünstigen Einflüssen wie oben beschrieben unterworfen zu sein. Somit hat die vorlie­ gende Erfindung ein Verbrennungs-Meßfühlersystem vorgeschla­ gen, das in praktischer Anwendung mit großem Vorteil einge­ setzt werden kann.

Claims (7)

1. Meßfühler-System zur Erfassung des Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnisses in einem Innenverbrennungsmotor, wobei das Verbrennungslicht, welches innerhalb einer Verbrennungs­ kammer des Motors erzeugt wird, durch transparente Verbrennungslicht-herausführende und -übermittelnde Einrichtungen extrahiert und durch eine fotoelektrische Wandlereinrichtung in elektrische Signale umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die Verbrennungslicht-Signale mit zwei gegebenen Wellenlängen in elektrische Wellenkurven-Signale durch die fotoelektrische Wandlereinrichtung (26, 27; 40, 41, 39; 28, 29) umgewandelt werden und daß
Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Bestimmungseinrichtungen (59, 60, 61, 62; 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37; 38, 7) vorgesehen sind, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Basis der Phasendifferenz zwischen den zwei Signa­ len zu bestimmen.

2. Meßfühler-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Wandlereinrichtung fotoelektri­ sche Wandlerelemente (26, 27) aufweist, die jeweils an gabelförmigen Enden eines Lichtleiter-Kabels angeordnet sind, welches zu dem Inneren der Verbrennungskammer führt, wobei die Elemente auf Lichtwellenlängen empfind­ lich sind, die sich voneinander unterscheiden.

3. Meßfühler-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Wandlereinrichtung Kombinationen von Interferenzfiltern (40, 41) aufweist, um durch sie hindurch jeweils die voneinander unterschiedlichen Wellenlängen zu leiten, und fotoelektrische Wandlerelemen­ te (39), wobei die Kombinationen (40, 39; 41, 39) an gabelförmigen Enden eines Lichtleiter-Kabels angeordnet sind, das zu dem Inneren der Verbrennungskammer führt.

4. Meßfühler-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Bestimmungseinrich­ tung eine Spitzen-Erfassungseinrichtung (61, 62) aufweist, um die Spitzen von zwei Wellenlängen-Signalen zu erfassen, die durch die fotoelektrische Wandlereinrich­ tung (28, 29) jeweils erzeugt wird, eine Winkeldifferenz- Erfassungseinrichtung (38) zur Erfassung der Winkel­ differenz zwischen den durch die Spitzen-Erfassungsein­ richtung erfaßten Spitzen, und eine Luft/Kraftstoff-Ver­ hältnis-Bestimmungseinrichtung (7) zur Bestimmung des entsprechenden Luft/Kraftstoff-Verhältnisses auf der Basis der Winkeldifferenz.

5. Meßfühler-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Bestimmungseinrich­ tung eine Anstiegs-Zeitpunkt-Erfassungseinrichtung (30, 31) aufweist, um die Zeitpunkte zu erfassen, an denen die zwei Wellenlängen-Signale von der fotoelektrischen Wandlereinrichtung (28, 29) jeweils ansteigen, eine Winkeldifferenz-Erfassungseinrichtung (38) zur Ablei­ tung einer Winkeldifferenz in dem Anstiegs-Zeitpunkt zwischen den zwei Wellenlängen-Signalen, die durch die Anstiegs-Zeitpunkt-Erfassungseinrichtung erfaßt werden, und eine Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Bestimmungseinrichtung (7) zur Bestimmung des entsprechenden Luft/Kraftstoff- Verhältnisses auf der Basis der Winkeldifferenz.

6. Meßfühler-System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die entsprechende Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Bestimmungseinrichtung (7) einen Funktions­ speicher (54) aufweist, der die Daten speichert, welche das Luft/Kraftstoff-Verhältnis und die Winkeldifferenzen definieren.

7. Meßfühler-System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Licht-Wellenlängen, welche der fotoelektrischen Umwandlung unterliegen, sichtbare Lichtstrahlen mit Wellenlängen sind, welche in der Nähe des infraroten bzw. ultravioletten Bereiches angesiedelt sind.