DE102016208181A1

DE102016208181A1 - Steuergerät für eine Brennkraftmaschine und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102016208181A1
Application number: DE102016208181.0A
Authority: DE
Inventors: Claudius Bevot; Andreas Kneer; Axel Aue; Martin Gruenewald
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2017-11-16
Also published as: CN107387248A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät (100) für eine Brennkraftmaschine (20), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei der Brennkraftmaschine (20) mindestens eine Lambdasonde (22) zugeordnet ist, und wobei das Steuergerät (100) eine Recheneinheit (110) zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (110) wenigstens einen integrierten Analog/Digital, A/D,-Wandler (112) und einen dem wenigstens einen integrierten A/D-Wandler (112) zugeordneten Multiplexer (114) aufweist, und dass der Multiplexer (114) dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Eingang (ADC0, ADC1, ADC2, ADC3) des A/D-Wandlers (112) zumindest zeitweise mit einem Signalausgang (Lambda1, Lambda2, Lambda3, Lambda4) der Lambdasonde (22) zu verbinden.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei der Brennkraftmaschine mindestens eine Lambdasonde zugeordnet ist, und wobei das Steuergerät eine Recheneinheit zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine aufweist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Steuergeräts.
Ein derartiges Steuergerät ist aus der DE 10 2008 001 697 A1 bekannt. Das bekannte Steuergerät weist als Recheneinheit einen Mikrocontroller auf und erfordert überdies zur Ansteuerung und Auswertung der Lambdasonde eine separate, als ASIC (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis) ausgebildete, Steuer- und Auswerteeinheit. Der ASIC des konventionellen Systems steuert u.a. die Lambdasonde, empfängt ihre Signale, und kommuniziert mit dem Mikrocontroller der Recheneinheit über eine digitale Schnittstelle. Die Vorsehung des separaten ASIC bedingt hohe Kosten des konventionellen Systems. Zudem ergeben sich hierbei funktionale Nachteile, da die Recheneinheit nicht direkt auf die Lambdasonde einwirken bzw. deren Signale ermitteln kann.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuergerät und ein Betriebsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die vorstehend genannten Nachteile verringert bzw. vermieden werden.
Diese Aufgabe wird bei dem Steuergerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Recheneinheit wenigstens einen integrierten Analog/Digital, A/D,-Wandler und einen dem wenigstens einen integrierten A/D-Wandler zugeordneten Multiplexer aufweist, und dass der Multiplexer dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Eingang des wenigstens einen A/D-Wandlers zumindest zeitweise mit einem Signalausgang der Lambdasonde zu verbinden. Auf diese Weise wird der Recheneinheit des Steuergeräts vorteilhaft ermöglicht, direkt Ausgangssignale der Lambdasonde ("Lambdasignale") ermitteln zu können, wodurch – wenigstens in diesem Aspekt – auf eine entsprechende Funktionalität des von dem konventionellen System bekannten ASIC verzichtet werden kann, was Kosten spart. Des Weiteren ergeben sich bei der Verwendung des wenigstens einen in der Recheneinheit des Steuergeräts integrierten A/D- Wandlers zur Ermittlung von Ausgangssignalen der Lambdasonde funktionale Vorteile gegenüber dem bekannten System, weil die Ermittlung der Ausgangssignale der Lambdasonde direkt in der Recheneinheit (vermöge ihres integrierten A/D-Wandlers) erfolgt und somit geringere Latenzzeiten bezüglich der Ermittlung und ggf. Auswertung der Ausgangssignale der Lambdasonde sowie ggf. eine schnellere A/D-Wandlung an sich möglich sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Recheneinheit wenigstens einen Mikrocontroller oder einen digitalen Signalprozessor auf. Bevorzugt kann der Mikrocontroller über wenigstens einen integrierten A/D-Wandler verfügen, so dass es keines separaten externen A/D-Wandlers bedarf, wie er bei den konventionellen Systemen in einem separaten ASIC vorgehalten wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform verfügt der in die Recheneinheit bzw. den Mikrocontroller integrierte wenigstens eine A/D-Wandler über wenigstens einen Eingang bzw. Eingangskanal, bevorzugt wenigstens vier Eingänge bzw. Eingangskanäle. Der Multiplexer kann einer weiteren Ausführungsform zufolge dementsprechend dazu ausgebildet sein, den wenigstens einen Eingang des A/D-Wandlers zumindest zeitweise mit einem Signalausgang der Lambdasonde zu verbinden, wie vorstehend beschrieben.
Besonders bevorzugt kann der Multiplexer im Falle eines über mehrere Eingänge verfügenden in die Recheneinheit bzw. den Mikrocontroller integrierten A/D-Wandlers noch einer weiteren Ausführungsform zufolge dazu ausgebildet sein, entsprechend mehrere Eingänge des A/D-Wandlers mit entsprechenden Signalausgängen der einen bzw. ggf. mehreren vorhandenen Lambdasonden zu verbinden, so dass eine effiziente Signalermittlung und Auswertung möglich ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Recheneinheit einen ersten A/D-Wandler auf, der bevorzugt nach dem Prinzip der stufenweisen Annäherung, englisch: sukzessive approximation register (SAR), arbeitet, und zusätzlich einen zweiten A/D-Wandler, der bevorzugt nach dem Sigma-Delta (SD) Prinzip arbeitet, wobei der Multiplexer dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Eingang des ersten und zweiten A/D-Wandlers zumindest zeitweise mit einem Signalausgang der Lambdasonde zu verbinden, insbesondere um eine im wesentlichen gleichzeitige Wandlung desselben Ausgangssignals der Lambdasonde durch sowohl den ersten A/D-Wandler als auch den zweiten A/D-Wandler zu ermöglichen. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, zumindest zeitweise den Signalausgang der Lambdasonde mittels des Multiplexers mit sowohl einem Eingang des ersten A/D-Wandlers als auch mit einem Eingang des zweiten A/D-Wandlers zu verbinden. D.h., beide Eingänge der ersten und zweiten A/D-Wandler werden, bevorzugt i.w. zeitgleich, mit dem Signalausgang der Lambdasonde verbunden, so dass das entsprechende Ausgangssignal der Lambdasonde durch den ersten A/D-Wandler und durch den zweiten A/D-Wandler von der analogen Domäne in ein entsprechendes Digitalsignal gewandelt werden kann.
Besonders bevorzugt ist im Falle von zwei A/D-Wandlern auch der zweite A/D-Wandler in die Recheneinheit integriert.
Besonders bevorzugt ist im Falle von zwei A/D-Wandlern der erste A/D-Wandler als SAR-A/D-Wandler ausgebildet, und insbesondere kann dem ersten A/D-Wandler auch ein Abtast- und Halteglied (englisch: sample and hold, s&h oder "SH") zugeordnet sein, so dass die resultierende Konfiguration auch als SAR/SH bezeichnet werden kann.
Besonders bevorzugt ist im Falle von zwei A/D-Wandlern der zweite A/D-Wandler als Sigma-Delta-A/D-Wandler ausgebildet. Diese Kombination von A/D-Wandlertypen ermöglicht vorteilhaft, gleichzeitig eine hohe Auflösung und eine gute absolute Genauigkeit der erfassten (Lambda-)Signale zu erreichen.
Der Einfachheit halber ist nachstehend vorwiegend die Erfindungsvariante mit einem in die Recheneinheit integrierten A/D-Wandler beschrieben. Für alle nachstehenden Ausführungsformen ist es jedoch möglich, auch eine Konfiguration mit zwei (oder sogar mehr) A/D-Wandlern vorzusehen. In diesem Fall gelten die nachstehend beschriebenen Prinzipien für beide (bzw. alle) A/D-Wandler entsprechend.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Multiplexer dazu ausgebildet, den wenigstens einen Eingang des wenigstens einen A/D-Wandlers zumindest zeitweise mit einem Signalausgang einer weiteren, von der Lambdasonde verschiedenen Komponente, zu verbinden, wodurch andere Funktionalitäten realisiert werden können, die für eine Steuerung der Brennkraftmaschine von Bedeutung sind. Beispielsweise kann es sich bei der bzw. den weiteren Komponenten um andere Sensoren wie z.B. Temperatursensoren und dergleichen handeln. Vorteilhaft ermöglicht dieser Aspekt der Erfindung gleichsam eine Mehrfahrnutzung des integrierten A/D-Wandlers, so dass eine Ermittlung von Ausgangssignalen der Lambdasonde ("Lambdaerfassung") quasi parallel zu anderen Funktionen dargestellt wird und sich der Gebrauchsnutzen des erfindungsgemäßen Steuergeräts weiter steigert. Im Falle von zwei A/D-Wandlern ist es bei einer weiteren Variante auch denkbar, dementsprechend die Eingänge beider A/D-Wandler zumindest zeitweise mit einem Signalausgang der weiteren, von der Lambdasonde verschiedenen Komponente, zu verbinden, um auch für die Erfassung weiterer Signal die Vorteile beider A/D-Wandlertypen zu erzielen.
Beispielsweise kann der integrierte A/D-Wandler die Ausgangssignale von Temperatursensoren in einem ersten zeitlichen Raster von z.B. 10 Millisekunden (ms) wandeln, und für die Wandlung der Lambdasignale kann ein zweites zeitliches Raster von beispielsweise einigen hundert Mikrosekunden (µs) oder weniger vorgesehen sein. Bevorzugt beträgt die Wandlungsdauer für eine A/D-Wandlung durch den integrierten A/D-Wandler maximal etwa wenige µs, so dass dem erfindungsgemäßen Prinzip folgend in einem zeitlichen Multiplexbetrieb eine Vielzahl von analogen Sensor- bzw. sonstigen Ausgangssignalen, einschließlich der Lambdasignale der Lambdasonde, erfasst bzw. gewandelt werden kann. Damit kann die Funktion der Lambdaerfassung direkt in der Recheneinheit des Steuergeräts abgebildet werden, sodass die entsprechende Funktionalität in einem vom Stand der Technik bekannten ASIC entfallen kann. Insbesondere die Einsparung des gesonderten A/D-Wandlers des ASICs bedingt große Kostenvorteile gegenüber den bekannten Systemen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Multiplexer dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Eingang des wenigstens einen A/D-Wandlers zumindest zeitweise mit einem ein Bezugspotential charakterisierenden Schaltungsknotenpunkt zu verbinden, insbesondere niederohmig zu verbinden. Als Bezugspotential ist z.B. ein Massepotential bzw. ein virtuelles Massepotential verwendbar, ebenfalls wie ein einer Versorgungsspannung (z.B. Batteriespannung Ubat) bzw. Referenzspannung entsprechendes Potential. Im Falle von zwei A/D-Wandlern ist es bei einer weiteren Variante auch denkbar, dass der Multiplexer dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Eingang beider A/D-Wandler zumindest zeitweise mit einem ein Bezugspotential charakterisierenden Schaltungsknotenpunkt zu verbinden, insbesondere niederohmig zu verbinden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine digitale Signalverarbeitungseinheit in die Recheneinheit integriert ist, und dass die digitale Signalverarbeitungseinheit dazu ausgebildet ist, eine digitale Signalverarbeitung von mittels des wenigstens einen A/D-Wandlers, bzw. der A/D-Wandler im Falle von zwei A/D-Wandlern, erhaltenen Digitalsignalen bzw. Digitalsignale, insbesondere von Ausgangssignale der Lambdasonde repräsentierenden Digitalsignalen, auszuführen. Damit kann eine Signalauswertung bzw. Vorverarbeitung, wie sie bei den bekannten System durch den separaten ASIC erfolgt, vorteilhaft ebenfalls innerhalb der Recheneinheit des Steuergeräts ausgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann die digitale Signalverarbeitungseinheit auch zur Verarbeitung bzw. Vorverarbeitung anderer mittels des bzw. der in die Recheneinheit integrierten A/D-Wandler(s) erhaltener Signale (z.B. Temperatursignale usw.) verwendet werden, wodurch der Gebrauchsnutzen weiter verbessert wird. Die digitale Signalverarbeitungseinheit kann einer Ausführungsform zufolge ein in die Recheneinheit, insbesondere den Mikrocontroller, integrierter digitaler Signalprozessor (DSP) sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die digitale Signalverarbeitungseinheit dazu ausgebildet ist, einen Betrieb des A/D-Wandlers (bzw. wenigstens eines der A/D-Wandler im Falle von zwei A/D-Wandlern) und/oder des Multiplexers zu steuern, wodurch die Recheneinheit selber entlastet wird und auf den von konventionellen Systemen bekannten separaten ASIC ggf. ganz verzichtet werden kann. Insbesondere kann die digitale Signalverarbeitungseinheit folgende Funktionen bzw. Aspekte des Betriebs des A/D-Wandlers (bzw. wenigstens eines der A/D-Wandler im Falle von zwei A/D-Wandlern) steuern: eine zeitliche Rate, mit der die Analogsignale A/D-gewandelt werden, eine ggf. durch den A/D-Wandler erfolgende Verstärkung von analogen Eingangssignalen vor der A/D-Wandlung, eine Verbindung von Eingängen des A/D-Wandlers mit einem ein elektrisches Bezugspotential aufweisenden Schaltungsknotenpunkt (und/oder Signalausgängen von analogen Signalquellen bzw. Sensoren), eine Betriebsart betreffend differentielle/nicht-differentielle Erfassung von analogen Eingangssignalen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal der Lambdasonde auszuwerten und/oder eine elektrische Diagnose der Lambdasonde auszuführen und/oder einen elektrischen Innenwiderstand der Lambdasonde zu ermitteln.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Recheneinheit wenigstens einen integrierten Zeitgeberbaustein aufweist. Bei einer bevorzugten Variante weist der integrierte Zeitgeberbaustein zumindest teilweise die Funktionalität des in der Patentpublikation WO 2011/120823 A1 beschriebenen Systems auf. Bei dieser Erfindungsvariante kann besonders effizient auch eine komplette Regelung einer Heizung und/oder einer Ablaufsteuerung für den Betrieb der Lambdasonde(n) in der Recheneinheit implementiert werden. Ergänzend kann hierfür auch auf die Funktionalität der in die Recheneinheit integrierten digitalen Signalverarbeitungseinrichtung zurückgegriffen werden. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: Reduzierung einer Interaktion mit einem Rechenkern (CPU) der Recheneinheit und weniger Jitter (Taktzittern bzw. Phasenrauschen), da Ressourcen der Recheneinheit (Multiplexer und/oder der bzw. die A/D-Wandler und/oder digitale Signalverarbeitungseinrichtung) zwar geteilt werden, aber durch eine geeignete Anordnung und Einstellung und einen Betrieb des bzw. der A/D-Wandler(s) und der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung immer garantierte gleiche Ausführungszeiten, z.B. der für die A/D-Wandlung der Lambdasignale erforderlichen Funktionen, dargestellt werden können. Ein weiterer Vorteil besteht in der schnelleren Reaktion auf geänderte Ansteuerparameter, da die Ablaufsteuerung bzw. Regelung der Heizung lokal in der Recheneinheit ausgeführt wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Recheneinheit dazu ausgebildet ist, wenigstens ein Ansteuersignal für eine Heizung bzw. Betriebsspannungserzeugung der Lambdasonde(n) bereitzustellen, so dass auch hinsichtlich dieser Funktionalität auf einen separaten ASIC verzichtet werden kann.
Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 9 angegeben.
Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 schematisch ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung,
2 schematisch ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, und
3 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt schematisch ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der Erfindung. Abgebildet ist eine Brennkraftmaschine 20, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Der Brennkraftmaschine 20 ist eine Lambdasonde 22 zugeordnet, die vorliegend beispielhaft als sog. Breitband-Lambdasonde ausgebildet ist und dazu dient, ein Verhältnis aus einem Restsauerstoffgehalt in einem Abgas der Brennkraftmaschine 20 mit einem momentanen Sauerstoffgehalt der die Brennkraftmaschine 20 umgebenden Atmosphäre zu ermitteln. Das Ausgangssignal der Lambdasonde 22 kann in an sich bekannter Weise zur Steuerung bzw. Regelung eines Betriebs der Brennkraftmaschine 20, insbesondere im Sinne einer Emissionsreduzierung, verwendet werden.
Neben der Lambdasonde 22 sind der Brennkraftmaschine 20 weitere Sensoren wie z.B. ein erster Temperatursensor 24 und ein zweiter Temperatursensor 26 zugeordnet, die jeweils eine Temperatur zum Beispiel in einem ersten und zweiten Bereich eines Abgasstrangs (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine 20 ermitteln.
Wie ebenfalls aus 1 ersichtlich ist ein Steuergerät 100 für die Brennkraftmaschine 20 vorgesehen, welches den Betrieb der Brennkraftmaschine 20 steuert bzw. regelt. Das Steuergerät 100 weist hierzu eine Recheneinheit 110 auf, auf der beispielsweise ein oder mehrere Computerprogramme ablaufen, welche bestimmte Funktionen der vorgenannten Steuerung bzw. Regelung übernehmen. Insbesondere können die Computerprogramme auch zur Ausführung des nachstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet sein. Die Recheneinheit 110 ist beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Recheneinheit 110 einen integrierten Analog/Digital, A/D,-Wandler 112 und einen dem integrierten A/D-Wandler 112 zugeordneten Multiplexer 114 aufweist, und dass der Multiplexer 114 dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Eingang ADC0, ADC1, ADC2, ADC3 (2) des A/D-Wandlers 112 zumindest zeitweise mit einem Signalausgang Lambda1, Lambda2, Lambda3, Lambda4 der Lambdasonde 22 (1) zu verbinden. Auf diese Weise kann die Recheneinheit 110 des Steuergeräts 100 vorteilhaft direkt Ausgangssignale der Lambdasonde ("Lambdasignale") ermitteln.
Gleichzeitig bzw. in einem zeitlichen Multiplexbetrieb bezüglich der Ermittlung der Lambdasignale kann die Recheneinheit 110 des Steuergeräts 100 z.B. die Ausgangssignale der Temperatursensoren 24, 26 sowie ggf. weiterer nicht gezeigter Sensoren der Brennkraftmaschine 20 erfassen und einer A/D-Wandlung unterwerfen.
Vorliegend verfügt der in die Recheneinheit 100 integrierte A/D-Wandler 112 über vier Eingänge bzw. Eingangskanäle ADC0, ADC1, ADC2, ADC3, siehe 2. Der Multiplexer 114 kann einer weiteren Ausführungsform zufolge dementsprechend dazu ausgebildet sein, den wenigstens einen Eingang zumindest zeitweise mit einem Signalausgang der Lambdasonde zu verbinden, wie vorstehend beschrieben. Besonders bevorzugt kann der Multiplexer 114 im Falle eines wie vorliegend über mehrere (hier: vier) Eingänge bzw. Eingangskanäle ADC0, ..., ADC3 verfügenden A/D-Wandlers 112 dazu ausgebildet sein, entsprechend mehrere Eingangskanäle des A/D-Wandlers 112 mit entsprechenden Signalausgängen Labda1, Lambda2, Lambda 3, Lambda 4 der einen bzw. ggf. mehrerer vorhandener Lambdasonden 22 (1) zu verbinden, so dass eine effiziente Signalermittlung und Auswertung möglich ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind beispielhaft zwei Zellen (Pumpzelle und Referenzzelle) der Lambdasonde 22 (1) zwischen jeweils zwei Eingängen des A/D-Wandlers 112 geschaltet bzw. über den Multiplexer 114 schaltbar. Beispielsweise ist ein erster Ausgangsanschluss einer ersten Zelle (nicht gezeigt) der Lambdasonde 22 (1) in 2 mit dem Bezugszeichen Lambda1 bezeichnet und über den Multiplexer 114 an den ersten Eingang ADC0 des A/D-Wandlers 112 schaltbar, und ein zweiter Ausgangsanschluss der ersten Zelle der Lambdasonde 22 (1) ist in 2 mit dem Bezugszeichen Lambda2 bezeichnet und über den Multiplexer 114 an den zweiten Eingang ADC1 des A/D-Wandlers 112 schaltbar, so dass z.B. mittels einer differentiellen A/D-Wandlung der an den beiden Eingängen ADC0, ADC1 anliegenden elektrischen Potentiale ein Spannungsabfall an der ersten Zelle der Lambdasonde ermittelbar und in Form eines Digitalwerts erhaltbar ist. Vergleichbares gilt für die Ausgangsanschlüsse Lambda3, Lambda4 (2) der zweiten Zelle der Lambdasonde.
Ferner ist der Multiplexer 114 vorteilhaft dazu ausgebildet, den wenigstens einen Eingang ADC0 des A/D-Wandlers 112 zumindest zeitweise mit einem Signalausgang S1, S2, S3, S4 (2) einer weiteren, von der Lambdasonde 22 verschiedenen Komponente 24, 26 (1) zu verbinden, wodurch andere Funktionalitäten realisiert werden können, die für eine Steuerung der Brennkraftmaschine 20 von Bedeutung sind. Beispielsweise kann es sich bei der bzw. den weiteren Komponenten um andere Sensoren wie z.B. die vorstehend bereits beschriebenen Temperatursensoren 24, 26 handeln. Vorteilhaft ermöglicht dieser Aspekt der Erfindung gleichsam eine Mehrfachnutzung des integrierten A/D-Wandlers 112, so dass eine Ermittlung von Ausgangssignalen der Lambdasonde 22 quasi parallel zu anderen Funktionen dargestellt wird und sich der Gebrauchsnutzen des erfindungsgemäßen Steuergeräts weiter steigert.
Beispielsweise kann der integrierte A/D-Wandler 112 die Ausgangssignale der Temperatursensoren 24, 26 in einem ersten zeitlichen Raster von z.B. 10 Millisekunden (ms) von analog nach digital wandeln, und für die Wandlung der Lambdasignale kann ein zweites zeitliches Raster von beispielsweise einigen hundert Mikrosekunden (µs) oder weniger vorgesehen sein. Bevorzugt beträgt die Wandlungsdauer für eine A/D-Wandlung durch den integrierten A/D-Wandler 112 maximal etwa wenige µs, so dass dem erfindungsgemäßen Prinzip folgend in einem zeitlichen Multiplexbetrieb eine Vielzahl von analogen Sensor- bzw. sonstigen Ausgangssignalen, einschließlich der Lambdasignale der Lambdasonde, erfasst bzw. gewandelt werden kann. Damit kann die Funktion der Lambdaerfassung direkt in der Recheneinheit 110 des Steuergeräts abgebildet werden.
3 zeigt hierzu schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 200 ist wenigstens ein Eingang ADC0 des A/D-Wandlers 112 (1) durch den Multiplexer 114 mit einem Ausgangsanschluss Lambda1 (2) der Lambdasonde 22 verbunden, und in einem nachfolgenden Schritt 202 (3) ist derselbe Eingang ADC0 des A/D-Wandlers 112 durch den Multiplexer 114 mit einem Ausgangsanschluss S1 (2) des ersten Temperatursensors 24 (1) verbunden. Beispielsweise können die Schritte 200, 202 periodisch wiederholt werden. Ein entsprechender zeitlicher Multiplexbetrieb kann auch auf die anderen Eingänge des A/D-Wandlers 112 angewandt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Multiplexer 114 dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Eingang ADC0 des A/D-Wandlers 112 zumindest zeitweise mit einem ein Bezugspotential charakterisierenden Schaltungsknotenpunkt GND (Massepotential) (2) bzw. vGND (virtuelle Masse) zu verbinden, wobei insbesondere eine niederohmige Verbindung ermöglicht ist. Hierbei werden die schematisch in 2 angedeuteten und nicht näher bezeichneten Schalter des Multiplexers 114 in eine entsprechende und aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nicht in 2 abgebildete Schaltstellung gebracht. Elektronische Schaltungen zur Erzeugung der vorstehend genannten Bezugspotentiale sind an sich bekannt und werden daher vorliegend nicht näher beschrieben.
Über die verschiedenen Schaltstellungen der Schalter des Multiplexers 114 kann somit z.B. sowohl die Spannung der Lambdasonde, z.B. eine an einer der beiden Zellen abfallende Spannung, gemessen werden, als auch eine Diagnose bzw. eine Innenwiderstandsmessung durchgeführt werden. Auch können gezielt einzelne elektrische Potentiale, die Ausgangssignale der Lambdasonde bilden, durch die Recheneinheit 110 ermittelt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine digitale Signalverarbeitungseinheit in die Recheneinheit integriert ist, vgl. den in 2 mit gestrichelter Linie angedeuteten Block 116. Die digitale Signalverarbeitungseinheit 116 ist bevorzugt dazu ausgebildet, eine digitale Signalverarbeitung von mittels des A/D-Wandlers 112 erhaltenen Digitalsignalen ds, insbesondere von Ausgangssignale der Lambdasonde repräsentierenden Digitalsignalen, auszuführen. Damit kann eine Signalauswertung bzw. Vorverarbeitung, wie sie bei konventionellen Systemen durch einen separaten ASIC erfolgt, vorteilhaft ebenfalls innerhalb der Recheneinheit 110 des Steuergeräts 100 ausgeführt werden. Alternativ oder ergänzend kann die digitale Signalverarbeitungseinheit 116 auch zur Verarbeitung bzw. Vorverarbeitung anderer mittels des in die Recheneinheit 110 integrierten A/D-Wandlers 112 erhaltener digitaler Signale ds (z. B. Temperatursignale der Sensoren 24, 26 usw.) verwendet werden, wodurch der Gebrauchsnutzen weiter gesteigert wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die digitale Signalverarbeitungseinheit 116 dazu ausgebildet ist, einen Betrieb des A/D-Wandlers 112 und/oder des Multiplexers 114 zu steuern, vgl. den Pfeil 116a, wodurch die Recheneinheit 110 (1) selber entlastet wird und auf den von konventionellen Systemen bekannten separaten ASIC ggf. ganz verzichtet werden kann. Insbesondere kann die digitale Signalverarbeitungseinheit 116 folgende Funktionen bzw. Aspekte des Betriebs des A/D-Wandlers 112 und des Multiplexers 114 steuern: eine zeitliche Rate, mit der die Analogsignale A/D-gewandelt werden, um die Digitalsignale ds zu erhalten, eine ggf. durch den A/D-Wandler 112 erfolgende Verstärkung von analogen Eingangssignalen vor der A/D-Wandlung, eine Verbindung von Eingangskanälen ADC0, ADC1, ADC2, ADC3 mit einem ein elektrisches Bezugspotential aufweisenden Schaltungsknotenpunkt GND, vGND und/oder mit anderen Anschlüssen, z.B. Ausgangsanschlüssen der Lambdasonde 22 bzw. weiterer Sensoren 24, 26, eine Betriebsart betreffend eine differentielle/nicht-differentielle Erfassung von analogen Eingangssignalen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Recheneinheit 110 dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal der Lambdasonde 22 auszuwerten und/oder eine elektrische Diagnose der Lambdasonde 22 auszuführen und/oder einen elektrischen Innenwiderstand der Lambdasonde 22 bzw. wenigstens einer ihrer Zellen zu ermitteln.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Recheneinheit 110 wenigstens einen integrierten Zeitgeberbaustein GTM, vgl. 1, aufweist. Bei einer bevorzugten Variante weist der integrierte Zeitgeberbaustein GTM zumindest teilweise die Funktionalität des in der Patentpublikation WO 2011/120823 A1 beschriebenen Systems auf. Bei dieser Erfindungsvariante kann besonders effizient auch eine komplette Regelung einer Heizung und einer Ablaufsteuerung für den Betrieb der Lambdasonde(n) 22 in der Recheneinheit 110 implementiert werden. Ergänzend kann hierfür ggf. auch auf die Funktionalität der in die Recheneinheit 110 integrierten digitalen Signalverarbeitungseinrichtung 116 zurückgegriffen werden. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile: Reduzierung einer Interaktion mit einem Rechenkern (CPU) der Recheneinheit 110 und weniger Jitter (Taktzittern bzw. Phasenrauschen), da Ressourcen 112, 114, 116 der Recheneinheit 110 zwar geteilt werden, aber durch eine geeignete Anordnung und Einstellung und einen Betrieb des A/D-Wandlers 112 und der digitalen Signalverarbeitungseinrichtung 116 immer garantierte gleiche Ausführungszeiten, z.B. der für die A/D-Wandlung der Lambdasignale erforderlichen Funktionen, dargestellt werden können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Recheneinheit 110 dazu ausgebildet ist, wenigstens ein Ansteuersignal für eine Heizung bzw. Betriebsspannungserzeugung der Lambdasonde(n) bereitzustellen, so dass auch hinsichtlich dieser Funktionalität auf einen separaten ASIC verzichtet werden kann.
Durch die Anwendung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Prinzips kann vorteilhaft auf die seither in separaten ASICs vorhandene Funktionalität verzichtet werden, da diese durch die erfindungsgemäße Recheneinheit 110 bereitgestellt wird.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Recheneinheit 110 einen ersten A/D-Wandler 112 auf, der bevorzugt nach dem Prinzip der stufenweisen Annäherung, englisch: sukzessive approximation register (SAR), arbeitet, und zusätzlich einen zweiten A/D-Wandler, der bevorzugt nach dem Sigma-Delta Prinzip arbeitet, wobei der Multiplexer 114 dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Eingang des ersten und zweiten A/D-Wandlers zumindest zeitweise mit einem Signalausgang der Lambdasonde 22 zu verbinden, insbesondere um eine im wesentlichen gleichzeitige Wandlung desselben Ausgangssignals der Lambdasonde durch sowohl den ersten A/D-Wandler als auch den zweiten A/D-Wandler zu ermöglichen. Mit anderen Worten ist bei dieser Ausführungsform vorgesehen, zumindest zeitweise den Signalausgang der Lambdasonde 22 mittels des Multiplexers 114 mit sowohl einem Eingang des ersten A/D-Wandlers 112 als auch mit einem Eingang des zweiten A/D-Wandlers zu verbinden. D.h., beide Eingänge der ersten und zweiten A/D-Wandler werden bevorzugt i.w. zeitgleich mit dem Signalausgang der Lambdasonde 22 verbunden, so dass das entsprechende Ausgangssignal der Lambdasonde 22 jeweils durch den ersten A/D-Wandler und durch den zweiten A/D-Wandler von der analogen Domäne in ein entsprechend Digitalsignal gewandelt werden kann. Dieses Prinzip ist auch auf weitere Eingänge der A/D-Wandler anwendbar.
Der zweite A/D-Wandler ist der Übersichtlichkeit halber nicht in der 1 abgebildet, kann aber hinsichtlich seiner Eingangskonfiguration (Anzahl von Eingangskanälen) zu dem ersten A/D-Wandler 112 vergleichbar ausgebildet sein. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform mit zwei A/D-Wandlern der zweite A/D-Wandler ebenfalls vier Eingänge aufweisen, wie dies in 1 für den ersten A/D-Wandler 112 gezeigt ist. Beispielsweise kann jeweils ein erster Eingang ADC0 des ersten A/D-Wandlers 112 fest mit einem entsprechenden ersten Eingang (nicht gezeigt) des zweiten A/D-Wandlers (nicht gezeigt) verbunden sein, so dass gleichsam beide A/D-Wandler an diesem Eingang ein selbes Eingangssignal erhalten können, welches beispielsweise durch den Multiplexer 114 wie vorstehend beschrieben zumindest zeitweise an den bzw. die Eingänge schaltbar ist.
Alternativ kann mindestens ein Eingang des zweiten A/D-Wandlers auch lösbar mit einem entsprechenden Eingang ADC0 des ersten A/D-Wandlers 112 verbindbar ausgelegt sein, z.B. über entsprechende Analogschalter und/oder weitere Multiplexer (nicht gezeigt). Eine Steuerung der Analogschalter und/oder Multiplexer ist beispielsweise durch die Einheit 116 bewerkstelligbar.
Besonders bevorzugt ist im Falle von zwei A/D-Wandlern auch der zweite A/D-Wandler in die Recheneinheit 110 integriert. Besonders bevorzugt ist im Falle von zwei A/D-Wandlern der erste A/D-Wandler als SAR-A/D-Wandler ausgebildet, und insbesondere kann dem ersten A/D-Wandler auch ein Abtast- und Halteglied (englisch: sample and hold, s&h oder "SH") zugeordnet sein, so dass die resultierende Konfiguration auch als SAR/SH bezeichnet werden kann. Besonders bevorzugt ist im Falle von zwei A/D-Wandlern der zweite A/D-Wandler als Sigma-Delta(kurz: "SD")-A/D-Wandler ausgebildet. Diese Kombination von A/D-Wandlertypen ermöglicht, gleichzeitig eine hohe Auflösung und eine gute absolute Genauigkeit der erfassten (Lambda-)Signale zu erreichen.
Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass es für alle vorstehend unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsformen möglich ist, anstelle des beschriebenen (einzigen) A/D-Wandlers 112 auch eine Konfiguration mit zwei A/D-Wandlern vorzusehen, wobei die beiden A/D-Wandler bevorzugt unterschiedlichen Typs sind, z.B. SAR/SH und SD.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008001697 A1 [0003]
WO 2011/120823 A1 [0020, 0043]

Claims

Steuergerät (100) für eine Brennkraftmaschine (20), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei der Brennkraftmaschine (20) mindestens eine Lambdasonde (22) zugeordnet ist, und wobei das Steuergerät (100) eine Recheneinheit (110) zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (110) wenigstens einen integrierten Analog/Digital, A/D,-Wandler (112) und einen dem wenigstens einen integrierten A/D-Wandler (112) zugeordneten Multiplexer (114) aufweist, und dass der Multiplexer (114) dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Eingang (ADC0, ADC1, ADC2, ADC3) des A/D-Wandlers (112) zumindest zeitweise mit einem Signalausgang (Lambda1, Lambda2, Lambda3, Lambda4) der Lambdasonde (22) zu verbinden.
Steuergerät (100) nach Anspruch 1, wobei die Recheneinheit (110) einen ersten A/D-Wandler (112) aufweist, der bevorzugt nach dem Prinzip der stufenweisen Annäherung, englisch: sukzessive approximation register, arbeitet, und wobei die Recheneinheit (110) einen zweiten A/D-Wandler aufweist, der bevorzugt nach dem Sigma-Delta Prinzip arbeitet, und wobei der Multiplexer (114) dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Eingang (ADC0, ADC1, ADC2, ADC3) des ersten und zweiten A/D-Wandlers (112) zumindest zeitweise mit einem Signalausgang (Lambda1, Lambda2, Lambda3, Lambda4) der Lambdasonde (22) zu verbinden, insbesondere um eine im wesentlichen gleichzeitige Wandlung desselben Ausgangssignals der Lambdasonde (22) durch sowohl den ersten A/D-Wandler (112) als auch den zweiten A/D-Wandler zu ermöglichen.
Steuergerät (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Multiplexer (114) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Eingang (ADC0, ADC1, ADC2, ADC3) des wenigstens einen A/D-Wandlers (112) zumindest zeitweise mit einem Signalausgang (S1, S2, S3, S4) einer weiteren, von der Lambdasonde (22) verschiedenen Komponente (24, 26), zu verbinden.
Steuergerät (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Multiplexer (114) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Eingang (ADC0, ADC1, ADC2, ADC3) des wenigstens einen A/D-Wandlers (112) zumindest zeitweise mit einem ein Bezugspotential charakterisierenden Schaltungsknotenpunkt (GND, vGND) zu verbinden.
Steuergerät (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine digitale Signalverarbeitungseinheit (116) in die Recheneinheit (100) integriert ist, und wobei die digitale Signalverarbeitungseinheit (116) dazu ausgebildet ist, eine digitale Signalverarbeitung von mittels des wenigstens einen A/D-Wandlers (112) erhaltenen Digitalsignalen (ds), insbesondere von Ausgangssignale der Lambdasonde (22) repräsentierenden Digitalsignalen, auszuführen.
Steuergerät (100) nach Anspruch 5, wobei die digitale Signalverarbeitungseinheit (116) dazu ausgebildet ist, einen Betrieb des wenigstens einen A/D-Wandlers (112) und/oder des Multiplexers (114) zu steuern (116a).
Steuergerät (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (110) dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal der Lambdasonde (22) auszuwerten und/oder eine elektrische Diagnose der Lambdasonde (22) auszuführen und/oder einen elektrischen Innenwiderstand der Lambdasonde (22) zu ermitteln.
Steuergerät (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Recheneinheit (110) einen integrierten Zeitgeberbaustein (GTM) aufweist.
Verfahren zum Betreiben eines Steuergeräts (100) für eine Brennkraftmaschine (20), insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei der Brennkraftmaschine (20) mindestens eine Lambdasonde (22) zugeordnet ist, und wobei das Steuergerät (100) eine Recheneinheit (110) zur Steuerung des Betriebs der Brennkraftmaschine (20) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (110) wenigstens einen integrierten Analog/Digital, A/D,-Wandler (112) und einen dem wenigstens einen integrierten A/D-Wandler (112) zugeordneten Multiplexer (114) aufweist, und dass der Multiplexer (114) wenigstens einen Eingang (ADC0, ADC1, ADC2, ADC3) des A/D-Wandlers (112) zumindest zeitweise mit einem Signalausgang (Lambda1, Lambda2, Lambda3, Lambda4) der Lambdasonde (22) verbindet (200).
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Recheneinheit (110) einen ersten A/D-Wandler (112) aufweist, der bevorzugt nach dem Prinzip der stufenweisen Annäherung, englisch: sukzessive approximation register, arbeitet, und wobei die Recheneinheit (110) einen zweiten A/D-Wandler aufweist, der bevorzugt nach dem Sigma-Delta Prinzip arbeitet, und wobei der Multiplexer (114) wenigstens einen Eingang (ADC0, ADC1, ADC2, ADC3) des ersten und zweiten A/D-Wandlers (112) zumindest zeitweise mit einem Signalausgang (Lambda1, Lambda2, Lambda3, Lambda4) der Lambdasonde (22) verbindet, insbesondere um eine im wesentlichen gleichzeitige Wandlung desselben Ausgangssignals der Lambdasonde (22) durch sowohl den ersten A/D-Wandler (112) als auch den zweiten A/D-Wandler zu ermöglichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, wobei der Multiplexer (114) den wenigstens einen Eingang (ADC0, ADC1, ADC2, ADC3) des wenigstens einen A/D-Wandlers (112) zumindest zeitweise mit einem Signalausgang (S1, S2, S3, S4) einer weiteren, von der Lambdasonde (22) verschiedenen Komponente (24, 26), verbindet (202).
Verfahren nach einem der Ansprüche bis 11, wobei eine digitale Signalverarbeitungseinheit (116) in die Recheneinheit (100) integriert ist, und wobei die digitale Signalverarbeitungseinheit (116) eine digitale Signalverarbeitung von mittels des wenigstens einen A/D-Wandlers (112) erhaltenen Digitalsignalen (ds), insbesondere von Ausgangssignale der Lambdasonde (22) repräsentierenden Digitalsignalen, ausführt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die digitale Signalverarbeitungseinheit (116) einen Betrieb des wenigstens einen A/D-Wandlers (112) und/oder des Multiplexers (114) steuert (116a).