DE3727018C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In der JP 58-82 039 (A) ist eine Vorrichtung zur Bestimmung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses durch Erfassung der von der Verbrennung innerhalb der Maschine ausgesandten Lichtintensitäten und durch Verwendung der Intensitätsverhältnisse offenbart. Jedoch sind in der vorbekannten Vorrichtung keine geeigneten Maßnahmen getroffen, um den Änderungen in der Durchlässigkeit einer Verbrennungslicht-Erfassungselementfläche Rechnung zu tragen, die von Staub oder Verschmutzung herrühren. Folglich steht man der Schwierigkeit gegenüber, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis mit einer genügend hohen Präzision zu erfassen.

Die bekannte Vorrichtung zur Erfassung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses auf der Basis des Intensitätsverhältnisses des Verbrennungsflammen-Lichtes zeigt verschiedene Nachteile, wie beispielsweise eine Änderung in der Durchlässigkeit der ausgezeichneten Licht-Wellenlängen aufgrund von Ablagerung auf der erfassungsseitigen Oberfläche oder eine Veränderung in dem Intensitätsverhältnis aufgrund von Wärmestrahlung unter hohen Umgebungstemperaturen, wodurch die Erfassung des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses mit genügend hoher Genauigkeit sich ganz unzweckmäßig gestaltet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß die Ermittlung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses mit erheblich verbesserter Genauigkeit ermöglicht wird, ohne daß sich z. B. Verschmutzungen nachteilig auswirken.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die in dessen kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Lichtsignale zweier ausgezeichneter Wellenlängenbereiche, die aus dem in der Verbrennungskammer erzeugten Verbrennungsflammen-Licht gewonnen werden, zur Erfassung der Phasendifferenz bezüglich der Motor-Kurbelwinkel (= Motor-Kurbelwellenwinkel) in den Zeitpunkten benutzt, bei denen die zwei ausgezeichneten Wellen-Signale jeweils erzeugt werden, wobei das entsprechende Luft/Kraftstoff-Verhältnis durch Auslesen der relevanten Information aus einem Speicher bestimmt wird, in dem vorausgehend festgestellte Verhältnisse oder Entsprechungen zwischen den Phasendifferenzen und den Luft/Kraftstoff- Verhältnissen gespeichert wurden, oder alternativ durch arithmetische Bestimmung, die auf das aus dem Speicher ausgelesene Verhältnis gegründet ist. Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß der Umstand ausgenutzt, daß die Intensität 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 unterliegen hinsichtlich der Zeitpunkte, an denen die betreffenden Licht-Wellenlängen erzeugt werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielhaft beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Hauptteils eines Verbrennungs-Motors, auf den die Vorrichtung angewandt werden kann;

Fig. 2 zeigt eine Ansicht, die eine Struktur eines Endteils der Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform zeigt;

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

Fig. 4 ist eine Ansicht zur grafischen Erläuterung von Verhältnissen der Spitzen-Zeitpunkte von spezifischen Wellenlängen-Signale 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 Phasendifferenz- 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 Lichtwellenlängen- Signale zeigen, um das Luft/Kraftstoff-Verhältnis gemäß einer beispielhaften Ausführungsform 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 Vorrichtungen auftreten;

Fig. 11 und 12 sind Ansichten zur Erläuterung der spektralen Empfindlichkeiten der fotoelektrischen Umwandlungselemente;

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 Vorrichtungen vorgenommen werden; und

Fig. 15 zeigt eine Funktionsstruktur eines Steuergerätes, das in der Vorrichtung eingesetzt werden kann.

Fig. 1 zeigt eine allgemeine Anordnung einer Vorrichtung zum Erfassen des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses für einen Verbrennungs- Motor, die zusammengesetzt ist aus einem Verbrennungslicht- 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-Erfassungsendteil 1 zur Übermittlung des dort gewonnenen Verbrennungslicht- Signals verbunden ist, und einem Lichtsignal-Verarbeitungskreis 5, der mit dem Lichtleiterkabel 4 an dessen anderem Ende betriebsfähig gekoppelt ist.

Das Verbrennungslicht-Erfassungsendteil 1 kann einstückig mit einer Zündkerze wie in Fig. 2 gezeigt ausgebildet sein, um ebenso für die Funktion der Zündkerze zu dienen. Zu diesem Zweck wird das Verbrennungslicht-Erfassungsendteil 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-Verarbeitungskreis 5 angelegt wird, unterliegt einer fotoelektrischen Umwandlung, wobei das entstehende elektrische Kurvenform-Signal an das Steuergerät 7 angelegt wird, welches zusätzlich mit verschiedenen Informationssignalen versorgt wird, beispielsweise dem Luft/Kraftstoff-Verhältnissignal, das durch einen O₂-Meßfühler erzeugt wird (Luft/Kraftstoff- Verhältnis-Meßfühler 8), einem Drosselklappen-Öffnungsgradsignal, das durch einen Drosselklappenstellungs-Meßfühler 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 Rotationsmeßfühler erfaßt wird (beispielsweise einen Kurbelwellenwinkel-Meßfühler 12, einen Meßfühler für den oberen Totpunkt oder ähnliches), einem Kurbelwellenwinkel-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 Steuergerätes 7 erzeugt werden. Der Kraftstoff wird in den Motor somit in der optimalen Menge durch eine Kraftstoffeinspritzung 13 in Reaktion auf die entsprechenden Steuersignale eingespritzt, welche durch das Steuergerät 7 geliefert werden. Obwohl die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung für ein Kraftstoffeinspritzungssystem, bei dem an mehreren Punkten bzw. Stellen Kraftstoff eingespritzt wird, ausgelegt ist, ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, daß die Vorrichtung gleichermaßen auf andere Kraftstoffeinspritzungssysteme angewandt werden kann, beispielsweise auf das Vergasersystem, Kraftstoffeinspritzsystem, bei dem an einer einzigen Stelle Kraftstoff eingespritzt wird, und andere. Obwohl in der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ein direktes Luftfluß-Meßsystem einschließlich des Luftfluß-Meßfühlers eingesetzt werden kann, ist es jedoch offensichtlich, daß jedes geeignete System verwendet werden kann, beispielsweise ein Geschwindigkeit/Dichte-System zur arithmetischen Bestimmung des Einlaß-Luftflusses bzw. Saugluft-Flusses auf der Basis der Anzahl der Motorumdrehungen und des Ansaugunterdrucks (Vakuum), ein System zur arithmetischen Bestimmung des Einlaß-Luftflusses auf der Basis der Anzahl der Motorumdrehungen und des Öffnungsgrades der Drosselklappe und dergleichen.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines Hauptteils der integrierten Struktur des Verbrennungs-Erfassungsendteiles, 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-Glasfaser 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 Hochspannungs- Anschlußelement 22 und die Quarz-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 Lichtleiter- 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 der Isolationshülse 15 gergen Kriech-Entladung, die sonst unter einer Hochspannung möglicherweise erzeugt wird.

Fig. 3a zeigt Kurvenformen von Signalen, die durch einen Fotomultiplexer 24 als Ergebnis der fotoelektrischen Umwandlung der Lichtintensitäten für gegebene Wellen-Komponenten des Verbrennungslichtes erzeugt werden, das von dem Verbrennungslicht- Erfassungsendteil 1 durch das Lichtleiterkabel 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 Intervall mit 16 Verbrennungszyklen erhalten wurden. Die in Fig. 3a erläuterten Kurvenform-Komponenten sind bei einer Wellenlänge λ₁ von 450 nm abgeleitet, die im Bereich sichtbaren Lichts in der Nähe des ultravioletten Bereichs liegt, und bei der Wellenlänge λ₂ von 750 nm, die in der Nähe des infraroten Bereichs liegt.

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 Flammenkern gebildet wird, der innerhalb einer relativ kurzen Zeit so sehr wächst, daß die Verbrennung des gesamten Luft/Kraftstoff- Gemisches in der Verbrennungskammer beginnt. Zu diesem Zeitpunkt erhöht sich der Verbrennungsdruck in der Verbrennungskammer abrupt, wodurch der Kolben mit genügend Energie versorgt wird, um die Hin- und Herbewegung auszuführen. Weiterhin steigt die Verbrennungslicht-Intensität zu Beginn der Verbrennung auf eine Spitze zu grundsätzlich dem gleichen Zeitpunkt an, wie die Spitze der Verbrennung, gefolgt von einer allmählich fallenden Flanke. In diesem Zusammenhang ist experimentell ermittelt worden, daß die Zeitpunkte A und B, an denen die Verbrennungslicht-Signalkurvenformen (entsprechend den durch λ₁ und λ₂ jeweils angezeigten) jeweilige Spitzen erreichen, bezüglich des Zeitpunktes P _p variieren, an dem die Spitze des Verbrennungsdruck-Signals als eine Funktion des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses der der Verbrennungskammer zugeführten Gasmischung auftritt. Wenn die Zeitdifferenz Δ t₁ zwischen dem Spitzenzeitpunkt A des Lichtsignals bei der Wellenlänge λ₁ (= 450 nm) und des Verbrennungsdruckes P _p zusammen mit der Zeitdifferenz Δ t₂ zwischen dem Spitzenzeitpunkt B der Signal-Kurvenform bei der Wellenlänge λ₂ (= 750 nm) und die Spitzenzeit P _p dargestellt werden, ergibt sich insbesondere aus den experimentellen Messungen, daß eine Korrelation wie in Fig. 4 erläutert zwischen dem Luft/Kraftstoff- Verhältnis (A/F) und den Zeitdifferenzen Δ t₁ und Δ t₂ jeweils besteht. Wie der Fig. 4 zu entnehmen ist, wird die Phase oder Zeitdifferenz Δ t₁ negativ, wenn das Luft/Kraftstoff- Verhältnis A/F erhöht wird, d. h. die Spitze des Lichtsignals bei der Wellenlänge λ₁ tritt an einem früheren Zeitpunkt auf als die Spitze des Verbrennungsdruckes, die zum Zeitpunkt P _p entsteht. Andererseits wird die Zeit(Phasen-Differenz Δ t₂ größer, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) erhöht wird, d. h. Lichtsignal bei der Wellenlänge λ₂ erreicht die Spitze mit einer Verzögerung bezüglich der Spitzenzeit P _p des Verbrennungsdruckes. Es wird mit anderen Worten angenommen, daß, wenn das Luft-Kraftstoff-Verhältnis (A/F) hoch ist, das Lichtsignal der Kurvenform (λ₁ = 450 nm) repräsentativ für die an blau reiche Flamme zuerst erzeugt wird, welcher dann die Erzeugung des Lichtsignals der Wellenlänge λ₂ (= 750 nm) folgt, d. h. die Erzeugung der an rot reichen Flamme. Jedoch wird keine Korrelation zwischen der oben erwähnten Tendenz und den Spitzenwerten F₁ und F₂ (Fig. 3a) der Lichtsignale (λ₁ und λ₂) gefunden, wie aus der Fig. 5 ersichtlich, in der die Spitzenwerte F₁ und F₂ als eine Funktion des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses gezeichnet sind (A/F). Insbesondere nehmen die Spitzen F₁ und F₂ 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 Lichtsignals an der gegebenen besonderen Wellenlänge in Abhängigkeit von dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis variiert. Jedoch ist die Spitzenzeit des Verbrennungsdruckes als ein Bezugszeitpunkt weniger bedeutend für praktische Anwendungen. In diesem Zusammenhang bestehen jedoch die folgenden Gleichungen:

Δ t = Δ t₁ - Δ t₂, und Δ R = f(Δ t, N)

Fig. 6 erläutert grafisch eine Beziehung zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) und Δ R, welche die Phasendifferenz (Grad) des Motor-Kurbelwellenwinkels darstellt, der von den Zeitdifferenzen Δ t₁ und Δ t₂ auf der Basis der zuvor erwähnten Beziehung abgeleitet ist. Obwohl die Beziehung nicht linear ist, können somit bestimmte Eigenschaften der Größe Δ R für das Luft/Kraftstoff-Verhältnis (A/F) bestimmt werden. Dementsprechend kann somit das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem betrachteten Verbrennungs-Meßfühlersystem arithmetisch auf der Basis der Größe Δ R mittels des Steuergerätes, das durch einen Mikroprozessor dargestellt wird, bestimmt werden, wobei die Größe Δ R ebenso arithmetisch abgeleitet werden kann. Beispielsweise sind Experimente für eine Anzahl von Lichtsignalen mit Wellenlängen ausgeführt worden, die von λ₁ (= 450 nm) und λ₂ (= 750 nm) zusätzlich zu den letzteren abweichen, und eine Übereinstimmung 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 Lichtwellenlängen grundsätzlich nicht auf irgendwelche spezifischen Wellenlängenwerte beschränkt.

Die Fig. 7a, 7b und 7c sind Blockdiagramme, welche jeweils Systemanordnungen zeigen zum Aufspalten des Verbrennungsflammen-Lichtes in zwei spezifische Wellenlängen und zum Verarbeiten der Lichtsignale.

Unter Bezugnahme auf Fig. 7a wird das durch das Lichtleiter- Kabel 25 übermittelte Verbrennungslicht-Signal in zwei Wellenlängen λ₁ und λ₂ aufgespalten und an die fotoelektrischen Umwandlungselemente 26 und 27 angelegt, welche durch Fototransistoren, Fotodioden oder ähnliches dargestellt sein können, und welche maximale Empfindlichkeiten in den Wellenlängen-Bändern zeigen, die den zuvor erwähnten Wellenlängen λ₁ und λ₂ entsprechen. Nachdem die elektrischen Signale jeweils durch die fotoelektrischen Umwandlungskreise 28 und 29 verarbeitet wurden, werden die elektrischen Signale, die von der oben erwähnten fotoelektrischen Umwandlung herrühren, durch zugeordnete Differenzierkreise 59 und 60 differenziert, und es folgt eine Erfassung der jeweiligen Spitzen als spezifische Signalpunkte durch jeweils die zugeordneten Spitzenerfassungskreise 61 und 62, deren Ausgangssignale einem Phasendifferenz-Impulssignal-Erzeugungskreis 38 zugeführt werden, um ein impulskodiertes Phasendifferenzsignal zu erzeugen, das dann dem Steuergerät 7 zugeführt wird, welches durch einen Mikrocomputer dargestellt ist.

Die in Fig. 7b gezeigte Vorrichtung unterscheidet sich von dem in Fig. 7a gezeigten darin, daß die Ausgänge der fotoelektrischen Umwandlungskreise 28 und 29 an jeweilige Anstiegszeitpunkt-Erfassungskreise 30 und 31 angelegt werden, wobei der Umstand beachtet wird, daß beide durch die fotoelektrischen Umwandlungskreise 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 Anstiegszeitpunkt-Erfassungskreise 30 und 31 erzeugten impulskodierten Signale, welche die Anstiegs-Zeitpunkte als spezifische Zeitpunkte der jeweiligen Eingangssignale darstellen, werden dann an einen Phasendifferenz-Impulssignal-Erzeugungskreis 38 angelegt, wobei die Phasendifferenz zwischen beiden Signalen erfaßt und impulskodiert wird. Das Ausgangssignal des Phasendifferenz-Impulssignal-Erzeugungskreises 38 wird dem Steuergerät 7 zugeführt.

Die in Fig. 7c gezeigte Systemanordnung unterscheidet sich von der in Fig. 7a gezeigten darin, daß die Spitzen-Haltekreise 32 und 33, welche von Rücksetzkreisen 34 und 35 jeweils gefolgt sind, mit den fotoelektrischen Umwandlungskreisen 28 bzw. 29 verbunden sind, wodurch die geformten Spitzenhalte-Kurvenformen von den durch die fotoelektrischen Umwandlungskreise 28 bzw. 29 ausgegebenen Signalen abgeleitet und den zugeordneten Spitzenzeitpunkt-Erfassungskreisen 36 und 37 zugeführt werden, um die Spitzenzeitpunkte der jeweiligen Eingangssignal zu erfassen. Die Ausgangssignale der Anstiegszeitpunkt-Erfassungskreise 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 Erläuterung des Signalverarbeitungs-Verfahrens, das von der in Fig. 7a gezeigten Vorrichtung durchgeführt wird. Das durch den fotoelektrischen Umwandlungskreis 28 ausgegebene Signal (a), das für Licht mit der Wellenlänge λ₁ stellvertretend ist, wird durch den Differenzierkreis 59 differenziert, und die Erzeugung des Spitzensignal (c) durch den Spitzen-Erfassungskreis 61 folgt. Andererseits wird das Signal (b), welches durch den fotoelektrischen Umwandlungskreis 29 erzeugt wird und für Licht mit der Wellenlänge λ₂ stellvertretend ist, durch den Differenzierkreis 60 differenziert, wodurch ein Spitzensignal (d) durch den Spitzen-Erfassungskreis 62 erzeugt wird. Beide Signale (c) und (d) werden an den Phasendifferenz-Impulssignalerzeugungskreis 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 Kurbelwinkel-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 der in Fig. 7b gezeigten Vorrichtung. Das Signal (a), welches durch den fotoelektrischen Umwandlungskreis 28 erhalten wird, und welches Licht der Wellenlänge λ₁ darstellt, wird dem Anstiegszeitpunkt- Erfassungskreis 30 zugeführt, um mit einer Vorwahlspannung V _R1 verglichen zu werden. Dagegen wird das Signal, welches stellvertretend für das Licht mit der Wellenlänge λ₂ ist, das durch den fotoelektrischen Umwandlungskreis 29 gewonnen wird, an den Anstiegszeitpunkt-Erfassungskreis 31 angelegt, um mit einer Vorwahlspannung V _R2 verglichen zu werden. Wenn die Spannungswerte der Signale (a) und (b) größer als die Vorwahlsignale V _R1 bzw. V _R2 werden, werden geformte Impulssignale (c) und (d) erzeugt und dem Phasendifferenz- Impulssignalerzeugungskreis 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 zu ermöglichen, daß die Kurbelwinkel-Impulse während der Periode gezählt werden, in der das Impulssignal (e) hoch ist, wobei die Phasendifferenz zwischen den Impulssignalen (c) und (d) hinsichtlich der Differenz in dem Kurbelwinkel arithmetisch bestimmt wird.

Fig. 10 erläutert das Signalverarbeitungsverfahren, das in der in Fig. 7c gezeigten Vorrichtung durchgeführt wird. Die Signale (a) und (b) mit Wellenlängen λ₁ und λ₂ werden durch die fotoelektrischen Umwandlungskreise 28 und 29 in Signale (c) bzw. (d) umgewandelt, durch die Spitzen-Haltekreise 32 und 33 und die Rücksetzkreise 34 und 35. Die Signale (a) und (c) werden an den Spitzenzeitpunkt-Erfassungskreis 36 angelegt, wobei die Signale (b) und (d) an den Spitzenzeitpunkt- Erfassungskreis 37 angelegt werden. Die Spitzenzeitpunkt-Erfassungskreise 36 und 37 führen arithmetische Operationen "(c)-(a)" bzw. "(d) (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 _R3 und V _R4, werden die Impulssignale (g) und (h) erzeugt, die einen hohen Pegel einnehmen, wenn die Signale (e) und (f) jeweils größer als die Vorwahlsignale V _R3 und V _R4 sind. Die Signale (g) und (h) werden an den Phasendifferenz-Impulssignal-Erzeugungskreis 38 angelegt, wobei ein Impulssignal (i), welches nur während einer Periode bzw. Zeitdifferenz 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 Signale bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂ bestimmt werden kann.

Fig. 11 erläutert grafisch typische spektrale Empfindlichkeitseigenschaften der fotoelektrischen Umwandlungselemente 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 Wellenlängef λ₁ zeigen, wie angezeigt durch die durchgezogene Linienkurve in Fig. 11, während das fotoelektrische Umwandlungselement 27 die Spitzenempfindlichkeit bei Wellenlänge λ₂ zeigen sollte, wie angezeigt durch die gestrichelte Linienkurve in Fig. 11. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß viele der gegenwärtig verfügbaren fotoelektrischen Umwandlungselemente mit scharfen spektralen Empfindlichkeitseigenschaften in spezifischen Wellenlängen-Bändern sehr teuer sind. Um dieses Problem zu handhaben und die Herstellungskosten zu senken, wird die Kombination einer billigen Fotodiode oder eines Fototransistors und eines zu erläuternden Interferenzfilters verwendet.

Fig. 12 zeigt eine Empfindlichkeits-Kennlinie eines kommerziell erhältlichen Fototransistors geringen Preises, der zur Erfassung von Licht mit einer relativ großen Bandbreite von 400 nm bis 1100 nm in der Lage ist. Große Mengen dieses Typs von Fototransistoren 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 Fotodioden in Kombination mit Interferenzfiltern eingesetzt werden, die vor den fotoelektrischen Umwandlungselementen angeordnet sind, wobei die Filter Eigenschaften wie in Fig. 13 erläutert zeigen. Auf diese Weise können die Signale bei den Wellenlängen λ₁ und λ₂ auf einfache Weise abgeleitet werden, ohne hohe Kosten zu verursachen.

Das Interferenzfilter mit einer solchen Durchlässigkeitseigenschaft, in dem eine hohe Durchlässigkeit auf ein relativ schmales spezifisches Wellenlängenband wie in Fig. 13 erläutert beschränkt ist, ist relativ leicht verfügbar. Demgemäß kann das Interferenzfilter mit der Kennlinie C wie in Fig. 13 gezeigt einem fotoelektrischen Umwandlungselement vorausgehend bzw. vorgestellt angeordnet werden, um das Licht bei der Wellenlänge λ₁ zu erfassen, während das andere Interferenzfilter mit der Kennlinie D in Fig. 13 gezeigt, vor das andere fotoelektrische Umwandlungselement gestellt werden kann, um das Licht bei der Wellenlänge λ₂ zu erfassen.

Fig. 14 zeigt eine typische konkrete Anordnung der kombinierten Filter und fotoelektrischen Umwandlungselemente. Wie dieser Figur zu entnehmen ist, sind die zwei fotoelektrischen 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 Vorrichtungen 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 Luftfluß- Meßfühler 10 erzeugten, den Wassertemperatur-Meßfühler 11, den Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Meßfühler 8, den Drosselklappenstellungs- Meßfühler 9 und andere, in einen Analog/- Digital-Wandler (A/D) 44 durch einen Multiplexer 43 eingegeben, 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-Erfassungsschalter) direkt an ein Eingangstor 46 gekoppelt ist. Andererseits wird das Motordrehsignal, das durch den Kurbelwellenwinkel-Meßfühler 12 erzeugt wird, an ein Eingangstor 48 durch einen Kurvenform- Formungskreis 47 gekoppelt. Das von dem Verbrennungs-Meßfühlersystem 42 durch einen Lichtsignal-Verarbeitungskreis 5 abgeleitete Signal wird einem Zähler 49 zugeführt, der dazu dient, während einer Periode einzusetzen, die zwischen den Phasendifferenz-Impulsen der zwei Wellenlängen wie in den 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 53, einem ROM 54 und einem RAM 55 durch einen Bus 52 für den Signal-Transfer und die Ausführung von arithmetischen Operationen verbunden. Die Ergebnisse der arithmetischen Operationen werden an die Ausgangstore 56 und 57 ausgegeben, wodurch das Zündsteuersystem 6, welches auf das Signal von dem Ausgangstor 56 anspricht, aktiviert wird, während der Treiberkreis 58 zur Betätigung der Kraftstoffeinspritzung 13 durch das von dem Ausgangstor 57 erzeugte Signal aktiviert wird.

ROM 54 speichert dabei Beziehungen zwischen den Phasendifferenzwinkel- Signalen Δ R und den Luft/Kraftstoff-Verhältnissen (A/F) oder eine eindimensionale Abbildung von Δ R und A/F, so daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis, welches dem Phasendifferenzwinkel-Signal Δ R 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 Phasendifferenzwinkel- Signal Δ R, welches durch den Zähler 49 gezählt wird, von Zyklus zu Zyklus sich verändernde Werte annehmen kann. Dementsprechend, wenn das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Basis des sich ändernden Phasendifferenz-Winkelsignals Δ R bestimmt wird, um die geschlossene Schleifensteuerung bzw. Regelung für jeden variierenden Wert von Δ R durchzuführen, wird die Steuerungsstabilität erheblich verschlechtert. Um diese Schwierigkeit zu umgehen, kann demgemäß der Phasendifferenzwinkel Δ R 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 gemittelten Phasendifferenzwinkel-Signals Δ R kann optimal unter Maßgabe der Eigenschaften bzw. Leistung des einzelnen Motors gewählt werden, auf den die Vorrichtung anzuwenden ist.

Wie vorausgehend beschrieben, war es mit den bislang bekannten Verbrennungs-Meßfühlern unmöglich, das Luft/Kraftstoff- 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. Dadurch, daß das Luft/Kraftstoff-Verhältnis auf der Basis der Phasendifferenz zwischen den Zeitpunkten bestimmt wird, an denen spezifische Lichtwellenlängen (λ₁ und λ₂) 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.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Erfassung des Verbrennungslichtes in einem Verbrennungsmotor zur Regelung des Luft/Kraftstoff- Verhältnisses

• - mit Lichtleitmitteln, deren eines Ende in der Verbrennungskammer und deren anderes Ende kann einer fotoelektrischen Wandlereinrichtung angeordnet sind, wobei die fotoelektrische Wandlereinrichtung zur getrennten Erfassung von zwei vorgegebenen Wellenlängen des entstehenden Verbrennungslichtes und zur Erzeugung von den zwei vorgegebenen Wellenlängen entsprechenden elektrischen Signalen ausgebildet ist, und
• - mit einer Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Bestimmungseinrichtung, die aufgrund der elektrischen Signale das Luft/Kraftstoff-Verhältnis ermittelt,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Bestimmungseinrichtung (7, 38, 59, 60, 61, 62; 7, 30, 31, 38; 7, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38) das Luft/Kraftstoff-Verhältnis aus der Phasendifferenz (Δ t) ermittelt, die dem zeitlichen Abstand einander entsprechender Signalpunkte (V _R1, V _R2; V _R3, V _R4; F ₁, F ₂) der beiden elektrischen Signale entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Lichtleitmittel ein Licht-Leiter-Kabel (4; 25) mit gabelförmigen Enden aufweisen, und
• - das die fotoelektrische Wandlereinrichtung fotoelektrische Umwandlungselemente (26, 27) aufweist, die auf unterschiedliche Wellenlängen (λ₁, λ₂) empfindlich sind und jeweils an den gabelförmigen Enden angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor den fotoelektrischen Umwandlungselementen (26, 27) Interferenzfilter (40, 41) angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Bestimmungseinrichtung (7, 38, 59, 60, 61, 62) aufweist Spitzen-Erfassungskreise (61, 62), um die Spitzen als Signalpunkte der beiden elektrischen Signale zu erfassen, die durch die photoelektrische Wandlereinrichtung (26, 27, 28, 29) jeweils erzeugt werden, um einen Phasendifferenz- Impulssignal-Erzeugungskreis (38) zur Erzeugung eines Impulssignals, das die Phasendifferenz zwischen den durch die Spitzen-Erfassungskreise (61, 62) erfaßten Spitzen angibt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Bestimmungseinrichtung (7, 30, 31, 38) aufweist Anstiegszeitpunkt-Erfassungskreise (30, 31), um die Zeitpunkte zu erfassen, an denen die zwei elektrischen Signale von der fotoelektrischen Wandlereinrichtung (26, 27, 28, 29) jeweils ansteigen, und einen Phasendifferenz-Impulssignal- Erzeugungskreis (38) zur Erzeugung eines Impulssignals, das die Phasendifferenz zwischen den durch die Anstiegszeitpunkt- Erfassungskreise (30, 31) ermittelten Anstiegszeitpunkten angibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Impulssignale das Motordrehsignal, das dem Kurbewellenwinkel entspricht, verwendet wird, so daß das Impulssignal ein Maß für die Winkeldifferenz des Kurbelwellenwinkels ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Bestimmungseinrichtung einen Speicher für den Zusammenhang zwischen dem Luft/Kraftstoff-Verhältnis und der Winkeldifferenz aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Wellenlängen (λ₁, λ₂) im sichtbaren Spektrum in der Nähe des infraroten bzw. ultravioletten Bereichs liegen.