DE3686747T2

DE3686747T2 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung des verbrennungsdrucks eines motors.

Info

Publication number: DE3686747T2
Application number: DE8686305290T
Authority: DE
Inventors: Matsuo Amano; Masayuki Miki; Takao Sasayama; Seikoo Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-07-10
Filing date: 1986-07-09
Publication date: 1993-04-08
Anticipated expiration: 2006-07-10
Also published as: DE3686747D1; JPS6212827A; EP0208545B1; EP0208545A2; EP0208545A3; US4781059A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Verbrennungsdruckes einer Verbrennungskraftmaschine. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Verbrennungsdruckes für den Motor, um den erfaßten Verbrennungsdruck gemäß der Messung zu korrigieren.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Es gibt verschiedene bekannte Drucksensoren zur Bestimmung des Verbrennungsdruckes in einem Motor, wie zum Beispiel piezoelektrische, Halbleiter-, kapazitive Sensoren usw. Jeder dieser bekannten Sensoren hat jedoch Schwierigkeiten, den Verbrennungsdruck mit angemessen hoher Genauigkeit über einen längeren Zeitraum (Lebensdauer) und unter ungünstigen Umgebungsbedingungen wie hohe Spannung, hohe Temperatur und hoher Druck, zu bestimmen. Somit ist keiner dieser Sensoren zum Einbau in Kraftfahrzeuge geeignet. Neben den oben genannten Sensoren sei ein Drucksensor erwähnt, in dem optische Fasern benutzt werden. Zum Beispiel offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Nr. 59-60334 ein typisches Beispiel für die bisher bekannten Drucksensoren, wo optische Fasern verwendet werden.
Der bekannte Drucksensor, der optische Fasern benutzt, ist allgemein für die Verwendung in Prozeßsteuerungseinrichtungen bestimmt. Wenn dieser Sensor als Vorrichtung zur Bestimmung des Verbrennungsdruckes in einem Motor eingesetzt wird, tritt das Problem auf, daß die Temperatur der Druckbestimmungsvorrichtung selbst unter dem Einfluß der Verbrennungstemperatur im Motor in einem sehr großen Bereich schwankt, so daß die Vorrichtung den Nachteil hat, daß es unmöglich ist, den Verbrennungsdruck exakt zu messen.
Aus der GB-A-2 149 535 ist es bekannt, ein Verfahren zur Einstellung des Kraftstoff-Luft-Verhältnisses, das einer Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird, vorzusehen, indem der Druck mit einem piezoelektrischen Druckgeber bei einem vorbestimmten Drehwinkel des Motors gemessen wird, und der gemessene Druck mit einem entsprechenden Sollwert verglichen wird, um auf diese Weise die Einstellung des Kraftstoff- Luft-Verhältnisses auszuführen und zu erreichen, daß sich der gemessene Wert dem Sollwert annähert. So ein piezoelektrischer Druckgeber weist jedoch die Nachteile elektrischer Signalstörungen auf, wenn er im Umfeld einer Verbrennungskraftmaschine arbeitet, und daher wird ein Drucksensor mit optischer Faser bevorzugt.

ZUSAMMENFASSUNG

Ein Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Bestimmung des Verbrennungsdruckes vorzusehen, die den Verbrennungsdruck selbst unter dem ungünstigen Einfluß von Umgebungsfaktoren wie, unter anderen, eine starke Schwankung der Umgebungstemperatur, genau bestimmen kann.
Die vorliegende Erfindung besteht darin, eine Korrektureinrichtung für die Verbrennungsdruckbestimmungsvorrichtung vorzusehen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung des Verbrennungsdruckes einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, um in Abhängigkeit von dem Druck ein elektrisches Signal zu erzeugen, umfassend die folgenden Schritte: Erzeugen eines elektrischen Signals auf der Basis des Verbrennungsdruckes bei einem vorbestimmten Drehwinkel des Motors mit Hilfe einer optischen Sensoreinrichtung, die eine Lichtsendeeinrichtung und eine Lichterfassungseinrichtung aufweist, Ermitteln eines Korrekturwertes zwischen dem erfaßten Wert und einem vorbestimmten Bezugswert, um ein Differenzsignal zwischen diesen herzuleiten, und Verwendung des Differenzsignals zur Durchführung von Korrekturmaßnahmen, um die Differenz auf Null zu bringen durch Steuern des Ausgangssignals von mindestens einer der Lichterfassungseinrichtung und der Lichtsendeeinrichtung.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen zur Bestimmung des Druckes in der Verbrennungskammer zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von einem Verbrennungsdruck in einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend eine Einrichtung, die einen vorbestimmten Drehwinkel des Motors ermittelt, eine Einrichtung, die ein erfaßtes elektrisches Signal auf der Basis des Verbrennungsdruckes bei dem ermittelten vorbestimmten Winkel erzeugt, eine Einrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Bezugswertes, eine Vergleichseinrichtung, die das erfaßte elektrische Signal mit dem vorbestimmten Bezugswert vergleicht, um eine Differenz dazwischen herzuleiten, und eine Korrektureinrichtung, die Korrekturmaßnahmen durchführt, um die Differenz auf Null zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung eine optische Sensoreinrichtung ist mit einer Lichtsendeeinrichtung und einer Lichterfassungseinrichtung, wodurch die optische Sensoreinrichtung das elektrische Signal der Vergleichseinrichtung zuführt, und beim Erfassen des vorbestimmten Winkels vergleicht die Vergleichseinrichtung das erfaßte elektrische Signal mit dem Bezugswert, und ein Korrektursignal wird erzeugt, um den Ausgang von mindestens einer der Lichterfassungseinrichtung und der Lichtsendeeinrichtung zu steuern.
In dem Korrekturverfahren kann die Abweichung des Ausgangssignals des Drucksensors von einem vorbestimmten Wert bei einem vorbestimmten Drehwinkel einer Welle des Motors ermittelt werden, wobei ein Korrekturwert, der dazu dient, die Abweichung auf Null zu bringen, zum Variieren der Betriebsbedingungen des Sensors benutzt wird. Der so erzeugte Korrekturwert kann zur Korrektur des Sensorausgangssignals und/oder des Ausgangssignals der Erfassungseinrichtung benutzt werden, um den korrigierten Meßwert zu erhalten. Der Korrekturwert kann zum Beispiel dazu benutzt werden, die Vorspannung des Sensors zu variieren. Vorzugsweise wird ein Sensor mit optischen Fasern benutzt, und der Korrekturwert kann dazu verwendet werden, die Intensität der Lichtabgabe der Lichtsendeeinrichtung und/oder der Lichterfassungseinrichtung zu steuern. Der Sensor, der zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen ist, sollte vorzugsweise eine erhöhte Störunempfindlichkeit aufweisen, und in diesem Zusammenhang weist ein Sensor mit optischen Fasern eine ausgezeichnete Störunempfindlichkeit auf. Dementsprechend wird in der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung vorausgesetzt, daß ein Sensor mit optischen Fasern als ein typisches Beispiel verwendet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nun anhand eines Beispiels beschrieben, bei dem:
Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einer Form einer Lern-/Korrekturschaltung zeigt;
Fig. 2 eine Ansicht ist, die schematisch eine Struktur eines Erfassungsbereichs eines Verbrennungsdrucksensors zeigt, in dem optische Fasern verwendet werden;
Fig. 3 eine Ansicht ist, die die Form zeigt, in der die optischen Fasern innerhalb eines Glasrohrs befestigt sind;
Fig. 4 eine Ansicht ist, die die Beziehung zwischen der Menge reflektierten Lichts und eines Spalts zeigt;
Fig. 5 eine Ansicht ist, die die Beziehung zwischen dem Verbrennungsdruck und der Lichtaufnahmeempfindlichkeit darstellt;
Fig. 6 eine Ansicht ist, die eine Wellenform des Verbrennungsdruckes und einen Korrekturvorgang darstellt;
Fig. 7 eine Ansicht ist, die den Verlauf der Ausgangssignale des Verbrennungsdrucksensors darstellt;
Fig. 8 eine Ansicht ist, die eine Signalverarbeitungsschaltung im Detail zeigt;
Fig. 9 ein Blockdiagramm ist, das eine andere Ausführungsform der Lern-/Korrekturschaltung zeigt;
Fig. 10 ein Flußdiagramm ist, das die arithmetische Bestimmung eines Korrekturfaktors darstellt; und
Fig. 11 ein Flußdiagramm ist, das die arithmetische Bestimmung des tatsächlichen Druckes aus dem gemessenen Wert darstellt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Bestimmung des Verbrennungsdruckes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Fig. 2 zeigt ein Detail ihres Erfassungsbereiches. Der Erfassungsbereich (Sensor) besteht aus einem Rohr l aus Bor-Silikatglas, optischen Fasern 2, die mittels eines hitzebeständigen Klebstoffes fest im Rohr 1 befestigt sind, und eine Silikonmembran 3 mit einer Aussparung in der Nähe des Endes der Fasern 2, die einen Spalt dazwischen begrenzt, wobei die Membran anodisch an eine Endfläche des Glasrohres 1 geschweißt ist.
Die Form der optischen Fasern 2, die innerhalb des Glasrohres 1 befestigt sind, ist in Fig. 3 gezeigt. In Fig. 3 ist ein Faserbündel, das Licht projizierende Fasern 21 und Licht aufnehmende Fasern 22 umfaßt, mittels eines hitzebeständigen Klebstoffes 4 aus anorganischem Material, wie zum Beispiel pulverisiertem Glas, fest innerhalb der Bohrung des Glasrohrs 1 befestigt. Nach der Fixierung der Fasern werden die Endflächen des Glasrohrs 1, die Licht projizierenden optischen Fasern 22 und die Licht empfangenden Fasern 22 geschliffen und poliert, bis sie die Qualität eines Spiegels erreichen, so daß die Endflächen in einer einzigen Ebene liegen. Indem die Endfläche des Glasrohrs 1 so poliert wird, daß sie die Qualität einer Spiegeloberfläche erreicht, wird es möglich, die Silikonmembran 3 mit hoher Verbindungskraft mittels des anodischen Schweißverfahrens (d. h. elektrochemisches Schweißen bei hoher Spannung und Temperatur) anzuschweißen. Da sowohl das Glasrohr 1, die Licht projizierenden Fasern 21 und die Licht aufnehmenden Fasern 22 als auch der hitzebeständige Klebstoff 4 aus anorganischem Material, beispielsweise aus glasartigen Massen hergestellt sind, widerstehen diese Bauteile thermischen Verformungen sogar dann, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Demzufolge wird jegliche Tendenz zur Rißbildung in den geschweißten Bereichen dieser Bauteile auf ein Minimum unterdrückt. Weiterhin können die Endflächen des Glasrohrs 1, die Licht projizierenden optischen Fasern und die Licht aufnehmenden optischen Fasern in Positionen gehalten werden, die im wesentlichen auf ein und derselben Ebene liegen, unabhängig von Änderungen der Umgebungstemperatur. Der Ermittlungsbereich oder Sensor wird dazu benutzt, den Verbrennungsdruck zu messen, indem die Lichtmenge bestimmt wird, die von der verformbaren Silikonmembran reflektiert und von den Licht aufnehmenden optischen Fasern 22 aufgenommen wird, wobei das Licht ursprünglich von den Licht projizierenden Fasern 21 projiziert wurde.
Im folgenden wird ein Verfahren zur Messung des Verbrennungsdruckes mittels der Menge des reflektierten Lichtes beschrieben. Eine Beziehung zwischen der Menge reflektierten Lichtes und einem Spalt ist in Fig. 4 dargestellt. Wenn der Radius der optischen Faser ist, während der Spalt zwischen der Silikonmembran und der Endfläche der optischen Faser ist, dann ist die Menge des reflektierten Lichts so wie in Fig. 4 dargestellt. Es wird sich zeigen, daß die Menge des reflektierten Lichts das Maximum erreicht, wenn /r = 0,35. Von den Erfindern durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß der Verbrennungsdruck bei den in Fig 4 dargestellten Gebieten und linear bestimmt werden kann. Unter dem Gesichtspunkt der Miniaturisierung des Ermittlungsbereiches oder Sensors wird das Gebiet bevorzugt, wo sich die Menge des reflektierten Lichtes stärker ändert.
Als nächstes wird eine Vorrichtung zur Bestimmung des Verbrennungsdruckes im Motor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben. Ein Meßkanal wird gebildet von einem Ermittlungsbereich 5, einem Bündel optischer Fasern 6 und einer Lern-/Korrektureinheit 7. Die letztere besteht ihrerseits aus einem Lichtsendeelement 8, wie zum Beispiel ein LED, einem Lichterfassungselement 9, wie zum Beilspiel eine Silikonnadelphotodiode, und einer Signalverarbeitungsschaltung 10 zur Steuerung der Lichtmenge, die von dem Lichtsendeelement 8 in Abhängigkeit von einem Signal, das von einem Sensor 11 für den unteren Totpunkt erzeugt wurde, abgegeben wurde. Die Signalverarbeitungsschaltung 10 erzeugt dann ein Ausgangsspannungssignal EO proportional zum Verbrennungsdruck P, das zu einem den Motor steuernden Mikrocomputer 12 übertragen wird.
Wie oben beschrieben ist die Silikonmembran des Ermittlungsbereiches 5 fest an das Glasrohr angeschweißt, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der im wesentlichen dem der Membran gleich ist. Selbst wenn die Temperatur des Ermittlungsbereiches 5 unter dem Einfluß der Verbrennungstemperatur im Motor über einen großen Bereich schwankt, bleibt folglich jegliche Änderung in dem Spalt zwischen der Endfläche des Bündels optischer Fasern und der Silikonmembran unbedeutend, wenn der Verbrennungsdruck P im wesentlichen gleich dem Atmosphärendruck ist, wenn der Motor in der unteren Totpunktstellung ist. Mit anderen Worten, diese Erfindung sieht eine Vorrichtung zur Bestimmung des Verbrennungsdruckes vor, in der ein Bezugswertausgangssignal in einer Verbrennungskammer erzeugt wird, wenn der Druck darin im wesentlichen gleich dem Atmosphärendruck ist, und dieses Ausgangssignal wird nicht durch die Temperatur beeinflußt, so daß die Messung des Verbrennungsdruckes P mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Außerdem, da der Ermittlungsbereich 5 aus Elementen besteht, die aus ähnlichen, glasartigen Materialien hergestellt sind mit im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wird der Ermittlungsbereich 5 nicht durch die ungünstigen Umgebungsbedingungen von hoher Temperatur und hohem Druck geschädigt, die durch die Verbrennung verursacht werden, und so wird die hohe Zuverlässigkeit der Messung des Verbrennungsdruckes über einen längeren Zeitraum sichergestellt. Der Ermittlungsbereich 5 ist auf einer Zündkerze angebracht und wird daher in der Nähe des Punktes benutzt, an den eine Zündspannung von mehreren tausend Volt angelegt wird. Da der Ermittlungsbereich 5 mittels der Bestimmung der reflektierten Lichtmenge arbeitet, ist es jedoch unwahrscheinlich, daß der Ermittlungsbereich 5 dem Einfluß der hohen Spannung ausgesetzt wird. Es sei erwähnt, daß der Spalt bei Atmosphärendruck so gewählt ist, daß er sich in einem Bereich von mehreren Mikrometern bis mehreren zig Mikrometern bewegt.
Im folgenden wird das Lern-/Korrektursystem beschrieben. Die Beziehung zwischen dem Verbrennungsdruck P und der Lichtaufnahmeempfindlichkeit wird in Fig. 5 dargestellt, wobei der Druck P als absoluter Druck angesehen wird unter der Annahme, daß der Spalt zwischen der Silikonmembran und der Endfläche des Bündels optischer Fasern entsprechend dem in Fig. 3 gezeigten Gebiet eingestellt ist. Der Spalt wird linear verkleinert als eine Funktion des steigenden Verbrennungsdruckes P. Folglich wird die Lichtaufnahmeempfindlichkeit des Lichtaufnahmeelementes 9 verringert, wenn sich der Verbrennungsdruck P vergrößert, wie in Fig. 5 dargestellt. Die Beziehung zwischen der Lichtaufnahmeempfindlichkeit und dem Verbrennungsdruck wird, wie von den Kennlinien X, Y und Z gezeigt, infolge der Lichtintensität, die vom Lichtsendeelement 8 abgegeben wird, der Lichtübertragungskonstanten von optischen Kopplern (oder nicht gezeigten optischen Verbindern), die jeweils zwischen dem Bündel optischer Fasern 6 und jedem der Lichtsendeelemente 8 und der Lichtaufnahmeelemente 9 angeordnet sind, modifiziert, wobei sich die Lichtübertragungskonstante des Bündels optischer Fasern und der Reflexionsfaktor der Membranoberfläche wegen äußerer Faktoren wie Temperaturveränderung, Verschmutzung, Vibration und anderen verändern.
Wie man sieht, ändern sich alle durch die Kennlinien X, Y und Z dargestellten Lichtaufnahmeempfindlichkeiten linear. Glücklicherweise ist experimentell festgestellt worden, daß die Kennlinien X, Y und Z über den gesamten Meßbereich des Verbrennungsdruckes P zur perfekten Übereinstimmung gebracht werden können, indem man die Lichtaufnahmeempfindlichkeiten (die in Fig. 5 durch Kreise angedeuteten Werte) auf den Kennlinien bei einem vorbestimmten Druckwert PK auf den gleichen Wert einstellt, indem man die Lichtintensität des Lichtsendeelements 8 mittels der Signalverarbeitungsschaltung 10 in vorbestimmter Weise verändert. Insbesondere entspricht der Druck PK dem Verbrennungsdruck bei einem vorbestimmten Motorzustand, z. B. dem Zustand, in dem sich der Kolben im Motorzylinder am unteren Totpunkt befindet, wie im folgenden beschrieben.
Die Möglichkeit, daß die Übereinstimmung der Kennlinien X, Y und Z hergestellt werden kann, ergibt sich aus der Tatsache, daß die Nullpunktabweichung der Lichtaufnahmeempfindlichkeit in bezug auf den Verbrennungsdruck P praktisch nicht stattfindet, sondern sich nur die Spanne ändert. Das ist so, weil sich die Beziehung zwischen Verbrennungsdruck P und Spalt selbst durch äußere Störungen wie Temperaturwechsel nicht wesentlich ändert, wie bereits beschrieben. Genauer gesagt, da der Ermittlungsbereich 5 aus Komponenten besteht, die etwa denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, und da außerdem die anodische Schweißung zwischen Rohr 1 und Membran 3 keinen Klebstoff erfordert, kann die Änderung im Spalt sehr gering bleiben, trotz äußerer Störungen wie zum Beispiel Temperaturänderungen.
Ein Kurvenverlauf, der für die Änderung im Verbrennungsdruck typisch ist, wird in Fig. 6 dargestellt. In Abhängigkeit vom Verbrennungszustand im Motor kann ein sogenanntes Klopfphänomen auftreten, das in einer Ausgangssignalkurvenform hoher Frequenz resultiert. In Fig. 6 repräsentieren Kreise den Motorzustand, in dem sich der Kolben im unteren Totpunkt befindet. Der Spitzenwert PT des Verbrennungsdruckes tritt periodisch auf und ändert sich in Abhängigkeit von solchen Faktoren wie Kraftstoff-Luft-Verhältnis, Zündzeitpunkt etc. Der Verbrennungsdruck PK am unteren Totpunkt ist jedoch im wesentlichen unabhängig vom Verbrennungszustand und nimmt einen im wesentlichen konstanten Wert an (der im wesentlichen gleich dem Atmosphärendruck ist, obwohl er im strengen Sinne vom letzteren abweicht). Durch Ausnutzung dieser Eigenschaft kann die Lern-/Korrekturfunktion des Verbrennungsdrucksensors realisiert werden.
Ein Lern-/Korrekturprozeß wird in Verbindung mit dem in Fig. 1 gezeigten System beschrieben. Auf der Basis eines Ausgangssignals des Sensors 11, der den unteren Totpunkt des Motors ermittelt (statt diesen Sensor vorzusehen, kann der untere Totpunkt alternativ vom Ausgangssignal eines Kurbelwellenwinkelsensors berechnet werden), wird die von dem Lichtsendeelement 8 abgegebene Lichtintensität durch die Signalverarbeitungsschaltung 10 gesteuert (z. B. durch Steuern der Spannung, die dem Lichtsendeelement zugeführt wird), so daß die Lichtaufnahmeempfindlichkeit des Lichtaufnahmeelements 9 bei jedem unteren Totpunkt konstant bleibt. Als Resultat wird das Ausgangssignal des Verbrennungsdrucksensors automatisch und periodisch durch den Lernprozeß korrigiert, wie in Verbindung mit Fig. 5 beschrieben.
Die Ausgangskennlinien des Verbrennungsdrucksensors werden in Fig. 7 dargestellt. Die Ausgangskennlinien werden erhalten, indem die Änderungen in der Lichtaufnahmeempfindlichkeit des Lichtaufnahmeelementes 9 durch die Signalverarbeitungsschaltung 10 verarbeitet werden. In der Figur ist die normalisierte Ausgangskennlinie ohne Erfassungsfehler durch eine Kurve dargestellt.
Wenn der Lern-/Korrekturprozeß nach dieser Ausführungsform nicht durchgeführt wird, dann sieht die Ausgangskennlinie aus, wie die mit dargestellte Kurve unter der Annahme, daß die Lichtaufnahmeempfindlichkeit erhöht wird, während man die Kennlinie erhält, wenn die Lichtaufnahmeempfindlichkeit verringert wird. Es sei erwähnt, daß durch Einsatz des regelmäßig durchgeführten Lern-/Korrekturverfahrens die Ausgangskennlinie immer der normalisierten Kennlinie folgt, selbst wenn die Lichtaufnahmeempfindlichkeit wegen anderer äußerer Faktoren neben den Änderungen im Verbrennungsdruck P beträchtlich erhöht oder verringert ist.
Einzelheiten der Signalverarbeitungsschaltung 10 der Fig. 1 sind in Fig. 8 gezeigt. In Abhängigkeit von der Ermittlung des unteren Totpunktes produziert der untere Totpunktsensor 11 ein Ausgangssignal, und ein Schalter 20 wird geschlossen, um zu bewirken, daß die Lichtaufnahmeempfindlichkeit des Lichtaufnahmeelements 9 von einem Kondensator 21 gehalten wird. Die Anodenspannung des Lichtsendeelements 8 wird durch eine Vergleichseinrichtung 23 gesteuert, so daß die Ausgangsspannung einer Abtast- und Halteschaltung 30, die durch den Schalter 20, den Kondensator 21 und den Trennverstärker 22 gebildet wird, gleich einer eingestellten Spannung Vs ist. Als Ergebnis wird die Lichtaufnahmeempfindlichkeit bei jedem unteren Totpunkt konstant, unabhängig von der Temperaturveränderung und/oder anderen äußeren Störungen. Weiterhin wird die Lichtaufnahmeempfindlichkeit des Lichterfassungselements 9 durch eine Signalwandlerschaltung 24 in eine Ausgangsspannung Eo umgewandelt, die dem Verbrennungsdruck entspricht, und die Ausgangsspannung Eo wird zum Mikrocomputer 12 übertragen. Insbesondere wird die Impulsdauer des vom unteren Totpunktsensor 11 abgegebenen Impulssignals für die Öffnung und Schließung des Schalters 20 so ausgewählt, daß sie weniger als einige hundert Mikrosekunden (us) beträgt.
Im folgenden wird eine andere Lern-/Korrekturmethode beschrieben. Diese Methode besteht darin, das Ausgangssignal des Verbrennungsdrucksensors in einen Digitalcomputer einzugeben, z. B. in einen Mikrocomputer, der so ausgelegt ist, daß er arithmetisch korrigiert wird. Ein Lern/Korrektursystem auf der Basis eines solchen Mikrocomputers wird in Fig. 9 gezeigt. Die Lichtaufnahmeempfindlichkeit (die in Fig. 5 gezeigte Empfindlichkeit) des in den Verbrennungsdrucksensor eingebauten Lichtaufnahmeelementes 9 wird in einen entsprechenden Spannungswert umgewandelt, der dann dem Mikrocomputer zugeführt wird, wobei der Spannungswert, der der in Fig. 5 dargestellten Lichtaufnahmeempfindlichkeit entspricht, durch einen Analog-Digital-Umsetzer 13 in einen digitalen Wert umgewandelt wird, der der Mikroprozessoreinheit (MPU) 15 durch einen Eingabeanschluß 14 eingegeben wird.
In diesem Fall umfaßt die Signalverarbeitungsschaltung 10 weder die Abtast- und Halteschaltung 30, noch die Vergleichseinrichtung 23, wobei die Spannung Vs(Fig. 8) als Anodenspannung an das Lichtsendeelement 8 angelegt wird. Der Spannungspegel des Ausgangssignals wird durch die Signalwandlerschaltung 24 verschoben und verstärkt, um danach dem Eingang des Mikrocomputers 12 zugeführt zu werden. Fig. 10 und 11 zeigen Signalverarbeitungsflußdiagramme.
Bei jedem unteren Totpunkt wird die MPU 15 durch das Ausgangssignal des unteren Totpunktsensors 11 unterbrochen, um den in Fig. 10 dargestellten Verarbeitungsfluß auszuführen. Bei einem Schritt 102 wird ein Drucksignal PD abgerufen, das den Druck im Inneren des Motorzylinders beim unteren Totpunkt des Kolbens darstellt. Bei einem Schritt 104 wird entschieden, ob das Drucksignal PD einen Meßwert innerhalb eines vorbestimmten Bereichs darstellt, um dadurch den Einfluß von Störungen, wie zum Beispiel Zündrauschen, auszuschalten. Bei einem Schritt 106 wird der Meßwert PD durch einen Bezugswert PR dividiert, um einen Quotienten α zu erhalten, der einen Korrekturwert darstellt. Bei einem Schritt 108 wird dieser Wert α im RAM 17 gespeichert.
Die Messung wird normalerweise in Übereinstimmung mit dem in Fig 11 gezeigten Flußdiagramm durchgeführt. Der dargestellte Verarbeitungsfluß wird jedes Mal ausgeführt, wenn die Kurbelwelle einen vorbestimmten Winkel erreicht, oder jedes Mal, wenn sich das Verbrennungsraumvolumen um einen vorbestimmten Betrag verändert. Ein System zur Bestimmung des Verbrennungsdruckes bei jeder vorbestimmten Veränderung des Verbrennungsraumvolumens wird im U.S. Patent Nr. 4,455,980 offenbart. Der Ausgang der Signalverarbeitungsschaltung 10 wird bei einem Schritt 112 als ein Durcksignal P ermittelt und mit dem im RAM 17 gespeicherten Korrekturfaktor α multipliziert, um den echten Druck PT arithmetisch zu bestimmen.
Insbesondere kann der untere Totpunkt auf der Basis eines Ausgangssignals von einem Kurbelwellenwinkelsensor bestimmt werden.
Entsprechend der oben beschriebenen Ausführungsform kann ein Verbrennungsdrucksensor realisiert werden, der dem Temperatureinfluß widersteht und in dem sich der Spalt zwischen Membran und der optischen Faser nicht mit der Temperatur ändert, weil der Druckerfassungsbereich von Komponenten gebildet wird, die im wesentlichen den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Da weiterhin die thermische Verformung des Druckerfassungsbereichs infolge der Verbrennungstemperatur unbedeutend ist, wird der Druckerfassungsbereich unter thermischer Belastung nicht geschädigt oder beschädigt. Daher wird ein Verbrennungsdrucksensor mit hoher Zuverlässigkeit realisiert. Da die Messung durch den Gebrauch von Licht durchgeführt wird, wird die Erfassungsgenauigkeit außerdem selbst in der Hochspannungsumgebung der Zündkerze nicht schlechter werden.
Auf Grund des Merkmals, daß das Ausgangssignal des Verbrennungsdrucksensors mit Hilfe des Verbrennungsdruckes am unteren Totpunkt periodisch einem Lern-/Korrekturprozeß unterzogen wird, kann der Verbrennungsdruck außerdem mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Verbrennungsdrucks einer Verbrennungskraftmaschine, um in Abhängigkeit von dem Druck ein elektrisches Signal zu erzeugen, umfassend die folgenden Schritte: Erzeugen eines elektrischen Signals auf der Basis des Verbrennungsdrucks bei einem vorbestimmten Drehwinkel des Motors mit Hilfe einer optischen Sensoreinrichtung (5, 6, 8, 9), die eine Lichtsendeeinrichtung (8) und eine Lichterfassungseinrichtung (9) aufweist, Ermitteln eines Korrekturwertes zwischen dem erfaßten Wert und einem vorbestimmten Bezugswert, um ein Differenzsignal zwischen diesen herzuleiten, und Verwendung des Differenzsignals zur Durchführung von Korrekturmaßnahmen, um die Differenz auf null zu bringen durch Steuern des Ausgangssignals von mindestens einer der Lichterfassungseinrichtung und der Lichtsendeeinrichtung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Korrekturwert entsprechend dem Differenzsignal zwischen dem erfaßten Wert und dem Bezugswert arithmetisch ermittelt wird und gespeichert wird, um damit das Differenzsignal auf null zu bringen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Drehwinkel des Motors der untere Totpunkt der Kurbelwelle ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sensoreinrichtung ferner eine Membran (3) umfaßt, die in der Verbrennungskammer des Motors liegt, optische Fasern (2), die sich von der Membran zu der Lichtsendeeinrichtung (8) und der Lichterfassungseinrichtung (9) erstrecken, wobei die Membran unter dem Verbrennungsdruck des Motors verformbar ist, und die optischen Fasern leiten Licht von der Lichtsendeeinrichtung zu einer lichtreflektierenden Fläche der Membran, und sie leiten Licht von der reflektierenden Fläche zu der Lichterfassungseinrichtung, wobei das reflektierte Licht von der Lage der Membran in bezug auf die Lichterfassungseinrichtung abhängt, und das Ausgangssignal der Lichterfassungseinrichtung, das am unteren Totpunkt der Kurbelwelle erzeugt wurde, wird mit dem Bezugssignalwert verglichen, und eine Korrektureinrichtung ist vorgesehen, um das Ausgangssignal der Lichterzeugungseinrichtung dahingehend zu ändern, daß der Differenzwert auf null gebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Lichtausgangs der Lichterzeugungseinrichtung (8) und/oder der Lichterfassungseinrichtung (9) bei dem vorbestimmten Drehwinkel des Motors auf einen im wesentlichen konstanten Wert gesteuert wird/werden.

6. Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks in der Verbrennungskammer zum Erzeugen eines elektrischen Signals in Abhängigkeit von einem Verbrennungsdruck in einer Verbrennungskraftmaschine, umfassend eine Einrichtung (11), die einen vorbestimmten Drehwinkel des Motors ermittelt, eine Einrichtung (8, 9, 30), die ein erfaßtes elektrisches Signal auf der Basis des Verbrennungsdrucks bei dem ermittelten vorbestimmten Winkel erzeugt, eine Einrichtung zum Erzeugen eines vorbestimmten Bezugswertes, eine Vergleichseinrichtung (23), die das erfaßte elektrische Signal mit dem vorbestimmten Bezugswert vergleicht, um eine Differenz dazwischen herzuleiten, und eine Korrektureinrichtung, die Korrekturmaßnahmen durchführt, um die Differenz auf null zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung eine optische Sensoreinrichtung (5, 6, 8, 9) ist mit einer Lichtsendeeinrichtung (8) und einer Lichterfassungseinrichtung (9), wodurch die optische Sensoreinrichtung das elektrische Signal der Vergleichseinrichtung (23) zuführt, und beim Erfassen des vorbestimmten Winkels vergleicht die Vergleichseinrichtung das erfaßte elektrische Signal mit dem Bezugswert, und ein Korrektursignal wird erzeugt, um den Ausgang von mindestens einer der Lichterfassungseinrichtung (9) und der Lichtsendeeinrichtung (8) zu steuern.

7. Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks in der Verbrennungskammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rechen- und Speichereinrichtung (13-17) vorgesehen ist, die einen Korrekturwert entsprechend der Differenz zwischen dem erfaßten elektrischen Signal und dem Bezugswert erzeugt, und die zur Korrektur des erfaßten elektrischen Signals verwendet wird.

8. Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks in der Verbrennungskammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechen- und Speichereinrichtung einen Mikroprozessor (15) und eine Speichereinrichtung (16, 17) umfaßt.

9. Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks in der Verbrennungskammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Lichtausgangs der Lichtsendeeinrichtung (8) und/oder der Lichterfassungseinrichtung (9) bei dem vorbestimmten Drehwinkel des Motors auf einen im wesentlichen konstanten Wert gesteuert wird/werden.

10. Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks in der Verbrennungskammer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Ausgang der Lichterfassungseinrichtung als auch der Ausgang der Lichtsendeeinrichtung durch das Korrektursignal verändert wird.

11. Vorrichtung zur Bestimmung des Verbrennungsdrucks nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sensoreinrichtung die Lichtsendeeinrichtung (8) umfaßt, die Lichterfassungseinrichtung (9), eine Membran (3) mit einer lichtreflektierenden Fläche, die unter dem Verbrennungsdruck des Motors verformbar ist, optische Fasern (2), die Licht von der Lichtsendeeinrichtung zu der lichtreflektierenden Fläche leiten, und die das von der lichtreflektierenden Fläche reflektierte Licht zu der Lichterfassungseinrichtung leiten, und eine Signalverarbeitungseinrichtung (10), die den Verbrennungsdruck anhand des Ausgangssignals der Lichterfassungseinrichtung ermittelt, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung die Vergleichseinrichtung (23) und die Korrektureinrichtung umfaßt.

12. Vorrichtung zur Bestimmung des Drucks in der Verbrennungskammer nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Bestimmen des vorbestimmten Drehwinkels des Motors ein Kurbelwellenwinkeldetektor (11) ist, der in der Lage ist, ein Ausgangssignal zu erzeugen, wenn der untere Totpunkt der Kurbelwelle erfaßt wird.