DE19807215C2 - Steuersystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für eine Brennkraft­ maschine mit einem Motorsteuergerät und einem Sensor, der ei­ ne Schnittstelle zum Motorsteuergerät aufweist.

Zum Steuern von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen werden häufig Meßwerte von Abgassonden benötigt. Aufgrund der hohen Abgastemperaturen befindet sich die Auswerteeinheit für die Meßwerte regelmäßig nicht unmittelbar an der Abgassonde, son­ dern im Motorsteuergerät.

Zunehmend ist eine sehr hohe Auflösung der Meßwerte nötig. Ein Beispiel hierfür ist der Betrieb eines Speicherkatalysa­ tors, der Stickoxid im Magerbetrieb des Motors bei Sauer­ stoffüberschuß (λ < 1) anlagert. Steigt die Stickoxidkonzentra­ tion am Ausgang des Katalysators an, so müssen die im Spei­ cherkatalysator angelagerten Stickoxide durch Einstellung des Kraftstoffgemisches auf λ ≦ 1 wieder reduziert werden. Hierzu ist eine extrem genaue, hochauflösende und zuverlässige Ab­ gasmessung nötig, die eine Konzentration von 10 ppm noch re­ gistrieren kann. Dies bedeutet, daß Meßströme in der Größen­ ordnung von 50 nA ausgewertet werden müssen.

Aufgrund der hohen Betriebstemperatur am Ort der Abgassonde ist die zugehörige Auswerteeinheit regelmäßig im Motorsteuer­ gerät untergebracht.

Aus der Offenlegungsschrift DE 195 22 178 A1 ist eine Erfas­ sungsvorrichtung für eine Sauerstoffkonzentration mit einer Abgassonde und einem Motorsteuergerät bekannt. Das Steuerge­ rät umfaßt eine Heizungssteuerung für die Abgassonde, einen Stromerfassungskreis zum Detektieren eines von der Abgassonde erfaßten Stroms, einen Analog-/Digitalwandler zum Umsetzen des erfaßten Stroms in ein digitales Signal und einen Mikro­ prozessor zum Verarbeiten der digital umgesetzten Sensorsignale zur Steue­ rung einer Brennkraftmaschine. Aufgrund der im Motorraum ei­ nes Kraftfahrzeugs auftretenden elektromagnetischen Störungen und infolge von parasitären Leitwerten und Kapazitäten können lediglich Signale der Abgassonde ausgewertet und digital umgesetzt werden, die ei­ nen gewissen Pegel überschreiten.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 89 10 740 U1 ist ein Heiß­ film-Luftmassensensor mit einer Halterung bekannt, bei dem ein Sensor-Chip unmittelbar zusammen mit einer Auswerteschaltung als eine gesamte Einheit bzw. Sensoreinheit in dem zu messenden Luftstrom angeordnet ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Steuersystem für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen, das eine besonders exakte Steuerung oder Regelung einer Brennkraftmaschine in Bezug auf die Einhaltung von definierten Abgasgrenzwerten erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch ein Steuersystem entsprechend der Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen (Ansprüche 2 bis 13) angegeben.

Mit der Erfindung bzw. dem Gegenstand des Anspruchs 1 lassen sich durch die Integration der Auswerteeinheit in die Schnittstel­ le des Sensors als Voraussetzung für eine präzise Messung hohe Leckwiderstände erzielen. Der Signalpfad von dem Sensor bis hin zur Auswerteeinheit läßt sich problemlos und dauerhaft gegen das Eindringen von Feuchtigkeit schützen, so daß das Auftreten von parasitären Leitwerten und Kapazitäten minimiert werden kann.

Der Sensor und die Auswerteeinheit sind - obwohl voneinander beabstandet - zu einer funktionalen Einheit zusammengefaßt.

Durch die Übertragung digitaler Signale zwischen der Schnitt­ stelle des Sensors und dem Motorsteuergerät erhöht sich die Unempfindlichkeit des Systems gegenüber elektromagnetischen Störungen.

Umfaßt die Auswerteeinheit einen Mikroprozessor (vergl. Anspruch 5) oder eine Re­ cheneinheit, so kann in der Fertigung eine besonders einfache Kalibrierung des Sensors erfolgen. Außerdem ist ein Software- Update bei einem Fahrzeug möglich, das bereits an den Kunden ausgeliefert wurde (vergl. Anspruch 6).

Dabei sollen feindliche Umgebungsbedingungen im Bereich des Sensors keine Funktions­ störung der Auswerteeinheit verursachen.

Ein ohnehin notwendiger Steckverbinder für den Sensor kann um ein Gehäuse zur Unterbringung der Auswerteeinheit erweitert werden.

Die zur Verbindung von Sensor und Schnittstelle notwendigen Verbindungsleitungen können problemlos wasserdicht gestaltet, mit Zugentlastung und Knickschutz versehen werden.

Da der Sensor mit der in die Schnittstelle integrierten Aus­ werteeinheit eine "intelligente Schnittstelle" aufweist, bie­ tet sich eine Kommunikation zwischen dem Motorsteuergerät und der Auswerteeinheit über einen Systembus (vergl. Anspruch 4) an. An einen solchen Systembus können weitere Sensoren angeschlossen sein, die ebenfalls eine Auswerteeinheit vor Ort aufweisen. Der System­ bus erlaubt eine Verminderung der Zahl der Verbindungsleitun­ gen zum Motorsteuergerät. Dadurch ergibt sich ferner eine Re­ duzierung der Zahl der Steckerstifte an dem Motorsteuergerät, das sich infolgedessen kompakter aufbauen läßt.

Durch die Integration des Sensors und der Elektronik (Auswerteeinheit) kann ein individueller Abgleich des Sensors und der Elektronik zur Erhöhung der Meßgenauigkeit erfolgen. Die Auswerteeinheit kann den Sensor regeln, beispielsweise eine Heizung (vergl. Anspruch 7) des Sensors, und somit die Motorsteuerung entla­ sten. Ferner kann die Auswerteeinheit lokal die Funktionsfä­ higkeit des Sensors diagnostizieren. Bei einer Fehlfunktion kann die Einheit aus Sensor und Schnittstelle, einschließlich der integrierten Auswerteeinheit, einfach ausgetauscht wer­ den, ohne daß ein Abgleich mit dem Motorsteuergerät notwendig wäre.

Die Erfindung wird anhand der Beschreibung des Ausführungs­ beispiels in Verbindung mit der Zeichnung weiter erläutert.

Die Figur zeigt ein Steuersystem mit einem Steuergerät, einer Abgassonde und einer Schnittstelle.

Ein Motorsteuergerät 1 ist mit einem Sensor, bei dem es sich um eine Abgassonde 2 und genauer um eine Stickoxid-Sonde han­ delt, über eine Schnittstelle 21 verbunden.

Die Schnittstelle 21 besteht aus einem Steckverbinder, einem elektrisch leitendem Gehäuse 23 für den Steckverbinder und einer in dieses Steckergehäuse integrierten Auswerteeinheit 211. Das Gehäuse 23 weist eine metallische Kühlfläche 231 auf, die als Kühlflansch ausgebildet sein kann. Die Kühlflä­ che 231 ist über einen thermischen Pfad 232 mit der Oberflä­ che eines Leistungsbauelementes 212 verbunden. Die Auswerteein­ heit 211 ist zusammen mit den Enden von signalführenden Ver­ bindungsleitungen 22 mit Kunststoff, beispielsweise Silikon, vergossen, so daß eine optimale Abdichtung gegen Feuchtigkeit erzielt wird. Der thermische Pfad 232 stellt zusammen mit der Kühlfläche 231, trotz des Vergusses, eine ausreichende Wärme­ ableitung bereit.

Eine wasserabweisende (hydrophobe) Membran im Gehäuse 23 er­ laubt eine Luftzufuhr durch Verbindungsleitungen 11, die zum Motorsteuergerät 1 führen. Die Versorgung der Abgassonde 2 mit einer Sauerstoffreferenz erfolgt über eine Verbindungs­ leitung 22, die zur Beheizung der Abgassonde 2 dient, da die­ se, im Gegensatz zu einer Signalleitung unter den Verbin­ dungsleitungen 22, nicht zusammen mit der Auswerteeinheit 211 vergossen ist.

Die Verbindungsleitungen 22 zwischen der Abgassonde und der Schnittstelle 21 sind etwa 0,15 m bis 0,5 m lang. Die Verbin­ dungsleitungen 11 zwischen der Schnittstelle 21 und dem Mo­ torsteuergerät 1 sind etwa 1,5 m bis 5 m lang. Eine günstige Länge für die Verbindungsleitungen 11 zur Sonde 2, bei der einerseits die Elektronik der Auswerteeinheit 211 weit genug von dem wärmeerzeugenden Abgastrakt angeordnet ist, ohne daß zu hohe parasitäre Effekte auf den signalführenden Verbin­ dungsleitungen 22 auftreten würden, ist etwa 0,3 m. Typi­ scherweise beträgt dann die Länge der Verbindungsleitungen 11 zwischen der Schnittstelle 21 und dem Motorsteuergerät 1 etwa 2 m.

Wegen der geringen Entfernung zwischen der Schnittstelle 21 und der Abgassonde 2 lassen sich die Verbindungsleitungen 22 problemlos dicht gegen Feuchtigkeit und sicher gegen Abknic­ ken ausführen. Es treten daher nur extrem geringe parasitäre Leitwerte oder Leckwiderstände im Bereich von mehr als 10 MΩ auf. Wegen der kurzen Entfernung zwischen der Abgassonde 2 und der Schnittstelle 21, und genauer der Auswerteeinheit 211 sind die Verbindungsleitungen 22 wenig empfindlich gegen elektromagnetische Störungen. Die elektromagnetische Verträg­ lichkeit kann zusätzlich verbessert werden, wenn die Verbin­ dungsleitungen 22 abgeschirmt werden. Dies ist aufgrund der kurzen Entfernung, die nur wenig Flexibilität erfordert, pro­ blemlos und kostengünstig möglich.

Die erfindungsgemäße Auswerteeinheit 211 kann problemlos Meß­ ströme von 50 nA detektieren, ohne daß Rauschen oder Störun­ gen ein brauchbares Meßergebnis verhindern. Der Meßbereich der Stickoxidsonde reicht bis 10 ppm herab.

Zentraler Bestandteil der Meß- und Regelungselektronik der Auswerteeinheit 211 ist ein Mikroprozessor und genauer ein Mikrocontroller mit einem nichtflüchtigen Speicher und weni­ gen Hardware-Komponenten. Letztere umfassen einen Spannungs­ regler zum Betrieb des Mikrocontrollers, wenige aktive elek­ tronische Bauteile und schließlich die Abgassonde 2. Ferner weist die Auswerteeinheit 211 einen Impedanzwandler zur An­ passung der hochohmigen Signale der Abgassonde 2 an die Impe­ danz eines in den Mikrocontroller integrierten Analog- /Digital-Wandlers auf. Über einen Digital-/Analog-Wandler werden die an der Schnittstelle 21 an die Verbindungsleitun­ gen 22 auszugebenden Signale nochmals gemessen, um Steuersi­ gnale für den Betrieb der Abgassonde und ein Referenzsignal zu erzeugen.

Ferner umfaßt die Auswerteeinheit 211 einen Generator zur Er­ zeugung eines Prüfsignals, das zur indirekten Ermittlung der Sondentemperatur durch Bestimmung der Sondenimpedanz dient. Außerdem umfaßt die Auswerteeinheit 211 ein Leistungsbauele­ ment zum Steuern der Heizung der Abgassonde mittels Pulsbrei­ tenmodulation (PWM). Der Mikrocontroller steuert über das Leistungsbauelement die Pulsbreite derart, daß die Sondentem­ peratur innerhalb des zulässigen Betriebsbereichs bleibt. Dieser beträgt bei einer Stickoxidsonde typischerweise 750°C bis 850°C.

Ein Gegensteckverbinder 12 verbindet die als Steckverbinder ausgebildete Schnittstelle 21 mit einer Energiequelle und über einen Systembus 111 mit dem Motorsteuergerät 1. Der Sy­ stembus 111 ist als CAN-Bus ausgeführt.

An der Schnittstelle 21 werden digitale Signale oder puls­ breitenmodulierte (PWM) Signale, die als digitale Signale im Sinne der Erfindung betrachtet werden, ausgegeben. Diese di­ gitalen Signale können im Gegensatz zu den Meßsignalen der Abgassonde 2 problemlos über längere Strecken in einem Motor­ raum eines Kraftfahrzeugs geführt werden.

Aufgrund des Einsatzes eines Mikroprozessors in der Auswerte­ einheit 211 ergibt sich dauerhaft eine hohe Genauigkeit der Elektronik. Daneben können im Arbeitsspeicher des Mikropro­ zessors Fertigungsdaten der Abgassonde 2 zur Korrektur der Meß- und Regelgrößen gespeichert werden.

Aufgrund der digitalen Schnittstelle 21 zum Motorsteuergerät 1 kann die Zahl der Verbindungsleitungen 11 zum Motorsteuer­ gerät deutlich reduziert werden. Es kann beispielsweise auf Verbindungsleitungen für die Sondenheizung verzichtet werden. Es reichen zwei Verbindungsleitungen 11 als Systembus aus. Zudem können mehrere Einheiten aus Sensoren mit Auswerteein­ heiten an einem einzigen Systembus angeschlossen werden. Die Auswerteeinheiten müssen jeweils einen Buscontroller aufwei­ sen. Diese Funktion kann von dem Mikroprozessor der Auswerte­ einheit 211 übernommen werden.

Claims (13)

1. Steuersystem für eine Brennkraftmaschine, das aufweist:

• - ein Motorsteuergerät (1),
• - einen Sensor (2) mit einer Schnittstelle (21) zum Motorsteuergerät,
• - eine in die Schnittstelle (21) integrierte Auswerteeinheit (211) zur Digitalisierung von Meßwerten des Sensors (2),
• - eine Verbindungsleitung (22) zwischen dem Sensor (2) und der Schnittstelle (21) zur Übertragung von Meßwerten des Sensors, die gegen Feuchtigkeit abgedichtet ist,
• - eine Verbindungsleitung (11) zur Übertragung der digitalisierten Meßwerte von der Auswerteeinheit (211) an das Motorsteuergerät (1).

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle (21) ein Steckverbinder ist, in dessen Gehäuse (23) die Auswerteeinheit integriert ist.

3. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (2) eine Abgassonde ist.

4. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (11) zum Motorsteuergerät (1) ein Systembus ist.

5. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (211) einen Mikroprozessor aufweist.

6. Steuersystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor mit Software auf den individuellen Sensor (2) abstimmbar ist.

7. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizung des Sensors durch die Auswerteeinheit (211) regelbar ist.

8. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (211) durch die Motorsteuerung (1) mit Betriebsdaten einstellbar ist.

9. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittstelle (21) näher zum Sensor (2) als zum Motorsteuergerät (1) angeordnet ist.

10. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steckverbinder ein elektrisch leitendes Gehäuse (23) zur Schirmung der Auswerteeinheit (211) aufweist.

11. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Sonden oder Sensoren über einen Systembus mit dem Steuergerät (1) verbunden ist.

12. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steckverbinder oder der korrespondierende Gegensteckverbinder einen Kühlflansch oder eine Kühlfläche mit einer thermischen Verbindung zu wenigsten einem Leistungsbauelement der Auswerteeinheit (211) aufweist.

13. Steuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (22) zwischen dem Sensor (2) und der Schnittstelle (21) elektromagnetisch geschirmt ist.