JP2016528834A - 特にラムダセンサの動作のための汎用制御及び評価ユニット - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのセンサ（１０５）の動作及び評価のための制御及び評価ユニット、特に内燃機関の少なくとも１つのラムダセンサの動作及び評価のための制御及び評価ユニットに関する。当該ユニットは、少なくとも１つのセンサ（１０５）のアナログ測定信号の受信のための信号入力端（２０２）が配設されており、受信したアナログ測定信号が、アナログ／デジタル変換器（２１５）を用いてデジタル化され、信号伝送ユニット（２３９）が配設されており、信号伝送ユニット（２３９）を用いて、デジタル化された信号が計算ユニット（１１０，２３３）に伝送され、さらに信号入力端（２０２）が、マルチプレクサ（２００）を用いてスイッチング可能である。

Description

本発明は、請求項１の上位概念による、１つ以上のセンサの動作及び評価のための制御及び評価ユニット、特に内燃機関の少なくとも１つのラムダセンサの動作及び評価のための制御及び評価ユニットに関する。

広域ラムダセンサの動作のための制御ユニットは、独国特許出願公開第１０２００８００１６９７号明細書から公知である。この動作には、特にラムダセンサの制御、及び、ラムダセンサから供給された信号乃至データの評価が含まれている。この制御ユニットは、信号処理ユニット、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器、ポンプ電流制御器、デジタルインタフェース、制御部、ポンプ電流源、内部ポンプ電極端子、外部ポンプ電極端子及び基準電極端子を含んでいる。信号処理ユニットは、ポンプ電流制御器のための実際値を求め、広域ラムダセンサの動作状態に関するさらなる情報を求めるために設けられている。広域ラムダセンサの動作状態に関するさらなる情報は、デジタルインタフェースを介して出力可能である。

ディーゼルエンジン及びガソリンエンジンに適した広域ラムダセンサの制御のための集積回路（ＩＣ）の形態の相応の制御ユニットは、本件出願人からも“ＣＪ１３５”の名称で販売されている。この制御ユニットについては、以下で図１に基づいて説明する。

上記制御ユニットを用いて駆動制御、評価乃至診断が可能なのは、所定のプローブタイプの各ラムダセンサに対してだけである。そのため、異なるプローブタイプの少なくとも２つのラムダセンサの動作に対しては、相応の数の異なる制御ユニットが必要になる。

前述の複数のラムダセンサの制御に関しては、内燃機関又はそのような内燃機関を備えた自動車において、適用分野毎に特化された複数のさらなる制御ユニットが欠かせない。さらに付加的に内燃機関は、それ自体公知の方式でエンジン制御機器を用いて動作させられる。これらの制御ユニット乃至制御機器の一部は、例えば温度センサの評価に必要な分圧器や例えばプルアップ／ダウン構造で提供される複数のアナログ入力端及びデジタル入力端のような付加的機能を有している。この場合の基礎となる評価回路は、離散系の構成部品からなっているか、又は、複数の入／出力端が統合されたものによるか、又は、個々のＡＳＩＣ（特定用途向けＩＣ）からなり得る。

独国特許出願公開第１０２００８００１６９７号明細書

ここでは、このような異なる分野毎に特定の論理回路を備えた専用の制御ユニットが必要とされ、そのため、機能が変更される際には論理回路等のハードウエアの適合化も必要となり、各プリント基板設計に対する実装の留保条件も確保しておく必要がある。

発明の開示
本発明に係る、好適にはＡＳＩＣとして構成された制御及び評価ユニットは、１つ以上の外部センサの動作及び評価のために汎用的に用いることが可能である。この制御ユニットは、単一の評価乃至測定ユニットを有し、その複数の入力端乃至当該入力端に接続された複数の電流／信号スイッチが、マルチプレクサを用いてフレキシブルに相互接続可能であり、それによって汎用測定装置が提供される。この汎用測定装置は、所要のハードウエアの変更を強いることなく様々なセンサタイプに適応化可能である。

この制御及び評価ユニットは、前述の評価乃至測定ユニットに対して付加的に刺激ユニット（例えば電流源）を有し、その入力端乃至当該入力端に接続された電流／信号スイッチも、マルチプレクサを用いてフレキシブルに相互接続可能である。

この制御及び評価ユニットの信号入力端に印加されるセンサ信号、例えば電圧又は電流は、活性化された励起若しくは制御された励起なしで、制御ユニットによって引き起こされるか、又は、規模の定められた時間的な励起、例えば電流によって励起され、所定の期間内で検出乃至測定される。これは相応の実施例によれば、ステップ応答測定であってもよい。

それ故に上記評価乃至測定ユニットの入力端では、様々な電圧乃至電流測定が実施され、さらに任意の刺激ユニットを用いて様々な励起も実行される。この目的のために、マルチプレクサは、測定ユニットの各センサ特有の電圧／電流測定に要する入力端を活性化させる。測定ユニットによって検出された信号は、好ましくは実装された評価プログラムを用いたさらなる後処理の実行のために、外部計算ユニットに、例えばマイクロコントローラにデジタル伝送される。

このマルチプレクサは、時分割多重化方式で動作され得る。そのスイッチング周波数は設定可能である。これにより、線路リソースの節約が可能になる。その理由は、異なる信号に対して同じ線路を利用することができるからである。

測定ユニット内に設けられた前述したセンサ信号励起のための電流スイッチ及び／又は信号スイッチは、設定乃至プログラミング可能な各分野毎のシーケンス制御を用いて時系列での制御が相応に可能である。

本発明を用いれば、いくつかのコスト的な利点が得られる。というのも、例えば２つのプローブの評価が、２つのＡＳＩＣの代わりに、１つのＡＳＩＣを用いるだけで実行できるからであり、それらの製造や品質検査に関しても複数のＡＳＩＣを用いた場合に比較して、１つの構成部材の実装と検査のみで足りるからである。また、電流コストの相応の低減も可能となる。

さらに、融通性に関する利点も得られる。その理由は、必要とされるハードウエアの変更も僅かであり、様々なセンサに対する所要の適応化はプログラミング技術によるスイッチング作業のみで行うことができるからである。

本発明に係る制御ユニットは、電圧又は電流測定によって評価される、異なる構造形式の少なくとも２つのセンサの制御及び／又は測定及び／又は評価及び／又は診断が可能である。これらのセンサは、好適には自己着火式内燃機関又は火花点火式内燃機関のセンサであり、特にそのような内燃機関における排ガス後処理に用いられる異なるプローブタイプの少なくとも２つのラムダセンサである。本発明に係る制御ユニットは、好適には前述したＡＳＩＣモジュールの形態で実施される。

本発明を用いれば、１つの制御ユニット及び１つの外部接続のみで、あらゆるタイプのラムダセンサ、例えば広域ラムダセンサ、ステップチェンジセンサ、シングルセルセンサ、ダブルセルセンサ等の組合せが、ハードウエアの取り替えを必要とすることなく可能になる。また、この制御ユニットを用いることにより、機関の燃焼制御に必要な他のセンサや付加的なセンサ、例えば燃料蓄圧器（コモンレール）の燃圧センサや温度センサ等を動作させることも可能である。

本発明のさらなる利点及び構成は、以下の明細書及び添付の図面からも明らかとなる。

前述の明細書及び以下の明細書において説明する特徴は、それぞれ提示した組合せだけに適用されるのではなく、他の組合せにおいても又は個々の各形態においても、本発明の範囲から逸脱することなく適用することができるものであることを理解されたい。

広域ラムダセンサの動作のための従来技術から公知の制御ユニットを示した図。 広域ラムダセンサの動作のための本発明に係る制御ユニットを示した図。 図２による制御ユニットの例示的なピン割当てを示した図。

実施例の説明
図１に示されているその構造自体が公知の制御ユニット１００（冒頭でも述べたようにＣＪ１３５の標識を有するＩＣ）は、その機能性において、広域ラムダセンサのための評価モジュールに相当する。それ故、この制御ユニットは、広域ラムダセンサ１０５と技術的に信号乃至データ伝送可能に接続されている。さらに外部のマイクロコントローラ（μＣ）１１０とも信号伝送可能に接続される。

制御ユニット１００は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１１５、フィルタ１２０、並びにＳＰＩ（Serial Peripheral Interface）シフトレジスタ１４０を含む。ラムダセンサ１０５から供給されたアナログ測定データは、Ａ／Ｄ変換器１１５を用いて、デジタル後処理のためにデジタル化される。フィルタ１２０、好適にはローパスフィルタを用いることにより、センサから供給された測定信号の信号ノイズが軽減される。そのようにしてフィルタリングされたデジタルデータはマイクロコントローラ１１０に伝送される。

制御ユニット１００はさらにスイッチングマトリックス１２５を含み、このスイッチングマトリックス１２５は、制御モジュール１３０を用いて動作させられ、電流発生器１３５から給電される。このスイッチングマトリックス１２５を用いることにより、制御ユニットの入力端並びに測定信号の評価タイプがフレキシブルに適合化乃至変更され得る。

図２に示されている汎用制御ユニットは、第１のアナログ回路部分と第２のデジタル回路部分とを有し、第２のデジタル回路部分は、破線２０１によって、アナログ回路部分の構成要素から画定されている。

このアナログ回路部分は、特に本発明によれば外方に繋がる８つの入力端乃至ピン２０２（ピン１乃至ピン８）に接続されたマルチプレクサ２００を含む。このマルチプレクサ２００は、本発明の実施例によれば、ラムダセンサ１０５から供給された測定信号を測定ユニットに供給する高抵抗の信号スイッチと、外部からピン２０２に接続された構造体、例えばラムダセンサ１０５の励起を可能にさせる低抵抗な電流スイッチとからなっている。このマルチプレクサは、本発明の実施例によれば、それ自体公知の時分割多重化方式で動作し、即ち、本発明によれば、設定可能なスイッチング周波数によって動作している。この時分割多重化方式によれば、好適には線路リソースが節約される。その理由は、異なる信号に対して同じ線路を利用することが可能だからである。

汎用制御ユニット乃至評価回路は、本発明による８つのピン２０２において異なる電圧測定を実施し得る。詳細には差動方式でも接地基準方式でも実施し得る。

この評価乃至測定ユニットは、ＡＳＩＣ２１３内部又は外部で実施されるローパスフィルタと、設定可能な増幅率を備えた信号測定増幅器、本発明の実施例によれば差動演算増幅器２２０と、Ａ／Ｄ変換器２１５とを含む。デジタル化された信号は、例えば適切な評価プログラムを用いたさらなる後処理の実行のために、エンジン制御機器内にある計算ユニットに伝送されてもよい。この計算ユニットは、本発明の実施例によれば、外部に設けられたマイクロコントローラ１１０である。いずれにせよ、ここでは、外部の計算ユニットの代わりに、制御機器内の既存のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２３３等がこの機能を引き継ぐことが可能であることを指摘しておく。

さらにアナログ回路部分には、給電電圧（ＵＢ）２０３の安定化のための電圧制御回路２０５が設けられており、この電圧制御回路は、本発明によれば、外部ＡＳＩＣ内に設けられた基準電圧２１３（例えばバンドギャップ）とそれに接続される電流源２１０とを用いて安定化される。図示の回路装置の下方領域には、複数の電流及び電圧スイッチ（ＣＡＬ，ＲＧ，ＭＵＭ，ＭＵＰ等）を備えたスイッチングマトリックス２１９が設けられている。１つ以上の電圧比較器２１２は、ピン監視のために用いられる。付加的に位相同期回路（ＰＬＬ）２１７が設けられており、この位相同期回路２１７は、マイクロコントローラから端子（ＥＣＫ）２１８を介して供給される基準クロック（この基準クロックを用いることによって、当該制御ユニットは、マイクロコントローラ１１０と同期可能である）から内部クロックを生成している。

デジタル回路部分２０１は、特にデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）２３３及びシーケンス制御部２３５を含む。これらのデジタル信号プロセッサ２３３及び／又はシーケンス制御部２３５は、電子制御方式で（即ち、ハードウエアとして）固定的にプログラミングされて例えば前述のＳＰＩシフトレジスタを介して構成可能に、又は、例えばフラッシュメモリを用いてプログラミング可能に構成されている。固定的な配線構成又は自由なプログラミング性は、この場合、回路全体のうちの一部において行われてもよいし、又は、２つの変形実施例の組合せによって行われてもよい。

さらに前記デジタル回路部分２０１は、特に検出されたセンサ信号に対応するデータの一時記憶のためのメモリユニット２４０を含む。それにより、これらのデータは、例えばＤＳＰ２３３を用いたさらなる内的後処理のために、又は、メモリユニット２４０からマイクロコントローラ１１０へ伝送するために呼び出される。

さらに付加的に前記デジタル回路部分２０１内には、マイクロコントローラ１１０と制御ユニットの構成のための１つ以上のデジタルデータインタフェース２３９が設けられている。これは、ここでは通常のデータバス又は公知のポイントツーポイント接続である。第１の変形実施例によれば、マイクロコントローラ１１０へのデータ伝送と制御ユニットの構成のために１ＸＳＰＩバスが設けられていてもよい。第２の変形実施例によれば、制御ユニットの構成のために比較的僅かな伝送速度の１ＸＳＰＩバス及び高速な伝送区間（例えばＵＡＲＴ（Universal Asynchronous Receiver Transmitter）を用いた非同期伝送区間）が設けられていてもよい。その場合には、マイクロコントローラ１１０内でポンプ電流制御器が実現される。

デジタル回路２０１は、ＡＳＩＣによって実現される。このＡＳＩＣは、これまでに説明したようなアナログ構成要素と通信する。ＡＳＩＣ内には１つ又は２つのＤＳＰ２３３が設けられており、このＤＳＰ２３３は、ＡＤＣ２１５を用いてデジタル化されたセンサ測定データを処理する。このＤＳＰ２３３は、例えば広域ラムダセンサのためのポンプ電流制御器として構成可能である。

この内部ＤＳＰ２３３の性能に対する要求は、次のことによって低減することが可能である。即ち、所定の測定データをデジタルインタフェース２３９又は固有のポイントツーポイント接続を介して外部マイクロコントローラ１１０へ高速に伝送し、そこで処理することによって低減することが可能である。この外部処理の結果として得られた情報は、その後、再びＡＳＩＣ２０１に送信される。この変形実施例では、可及的に僅かな潜在能力しかデータの伝送及び処理に必要とされない。上述したように、例えば前記ポンプ電流制御器は、このような態様でマイクロコントローラ１１０へスワップされ得る。上述したように、ここでは前記２つの手段の組み合わせも可能である。即ち、例えば２つのポンプ電流制御器のケースにおいては（図３参照、特にこのケースは、例えば内部ポンプ電極及び外部ポンプ電極のための第１の相互接続例に該当する。）、これらの制御器のうちの一方はＡＳＩＣ２０１内で計算を実行し、他方は外部マイクロコントローラ内で計算を実行し得る。

本発明による８つのピン２０２を介したアナログ入力端は、以下のように相互接続乃至動作可能である。即ち、
ａ．電圧測定、シーケンス制御部２３５による制御、
ｂ．信号生成、例えば電流源又はプルアップ／ダウンリソースとして、シーケンス制御部２３５による制御、
ｃ．静電放電（ＥＳＤ）に対する保護、
ｄ．例えば短絡識別のためのピン電圧の監視、
ｅ．エラー時の１つ以上のピン２０２の高抵抗接続、
ｆ．過電圧に対するピン２０２の電圧耐性の提供。

本発明に係る汎用制御ユニットは、出力端２１８，２１９を介して前述の制御ユニット外に設けられたマイクロコントローラ１１０と接続されている。このマイクロコントローラは、好適には内燃機関の制御機器内、例えばエンジン制御機器内に収容されている。

これにより、図２による制御ユニットは、図１に示された制御ユニットのさらなる発展型として理解されよう。この発展型ユニットは、好ましくは全特性と機能性において少なくとも図１に示した制御ユニットの性能は備えており、さらにここでは前述したような融通性も、入出力端の相互接続の多様性（Flex Ｉ／Ｏ）と、シーケンス制御部２３５を用いたフレキシブルなプログラミング可能性とによって加えることができる。

図３には、図２に示されている１つのＡＳＩＣのみで実現された制御ユニットの実施可能な相互接続の組合せが例示的なテーブルで示されている。このテーブルで示されている４つの例１乃至４では、第１列の表記に従って、自己着火式ディーゼルエンジン（ＤＳ＝ディーゼルシステム）の分野への適用も、ガソリン燃料で動作する火花点火式ガソリンエンジン（ＧＳ＝ガソリンシステム）の分野への適用も含まれている。

第１例のディーゼルエンジンにおいては、ピン１乃至４が、広域ラムダセンサの内部ポンプ電極（ＬＳＵ１）の給電とデータ乃至信号検出のために使用され、ピン５乃至８は、前記ラムダセンサの外部ポンプ電極（ＬＳＵ２）の対応する給電及び信号検出に使用されている。

第２例のガソリンエンジンにおいても、ピン１乃至４は広域ラムダセンサ（ＬＳＵ）のポンプ電極（即ち、当該実施例では外部ポンプ電極と内部ポンプ電極）の給電及び信号検出に使用され、ピン５及び６は、ステップチェンジセンサ（ＬＳＦ）の電圧乃至電流供給と信号検出とに使用され、ピン７は、空気温度を検出するための温度センサの信号検出に使用され、ピン８は、場合によって存在し得るコモンレールシステム内の燃料圧力を検出する圧力センサの信号検出に使用される。

第３例のガソリンエンジンにおいても、ピン１乃至４は、ガソリンエンジンの吸気管内に設けられた広域ラムダセンサ（ＬＳＵ）の電圧乃至電流供給と信号検出とのために使用され、ピン５及び６は、ステップチェンジセンサの内部ポンプ電極（ＬＳＦ１）の電圧乃至電流供給と信号検出とのために使用され、ピン７及び８は、ステップチェンジセンサの外部ポンプ電極（ＬＳＦ２）の電圧乃至電流供給と信号検出とのために使用される。

第４例のディーゼルエンジンにおいては、ピン１は、空気質量センサの信号検出のために使用され、ピン２は、油圧センサの信号検出のために使用され、ピン３は、スイッチ、例えば空調装置スイッチの位置の信号検出に使用され、ピン４は、（任意の）さらなるセンサの信号検出に使用される。ピン５及び６並びにピン７及び８は、当該実施例によれば広域ラムダセンサの電圧乃至電流供給並びに信号検出に使用される。図示のセンサタイプＬＳＵ５.１は、特にディーゼルエンジンに適したシングルセル広域ラムダセンサに相応する。

図３に示されている本発明に係る制御ユニットの相互接続における融通性に基づいて、この制御ユニットは、包含されている評価回路も含めて、制御ユニットの電子回路や論理回路（即ち、ハードウエア）の変更を強いることなく新たなセンサとそれらの要求に容易に適応化させることが可能である。

Claims (12)

1. 少なくとも１つのセンサ（１０５）の動作及び評価、特に内燃機関の少なくとも１つのラムダセンサの動作及び評価のための制御及び評価ユニットであって、
   少なくとも１つのセンサ（１０５）のアナログ測定信号の受信のための複数の信号入力端（２０２）が配設されており、
   受信された前記アナログ測定信号は、アナログ／デジタル変換器（２１５）を用いてデジタル化され、
   信号伝送ユニット（２３９）が配設されており、当該信号伝送ユニット（２３９）を用いて、前記デジタル化された信号が計算ユニット（１１０，２３３）に伝送される、制御及び評価ユニットにおいて、
   前記複数の信号入力端（２０２）は、マルチプレクサ（２００）を用いてスイッチング可能であることを特徴とする、制御及び評価ユニット。
2. 前記少なくとも１つのセンサ（１０５）の受信された前記アナログ測定信号は、時間特性及び／又は信号量に関して定められた励起信号によって励起される、請求項１に記載の制御及び評価ユニット。
3. 前記少なくとも１つのセンサ（１０５）の励起によって引き起こされたステップチェンジ応答が、予め定められた時間窓内で検出され、評価される、請求項２に記載の制御及び評価ユニット。
4. 前記マルチプレクサ（２００）を用いて、センサ固有の電圧及び／又は電流測定のために必要となる信号入力端（２０２）が活性化可能である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の制御及び評価ユニット。
5. 前記マルチプレクサ（２００）は、時分割多重化方式で動作する、請求項４に記載の制御及び評価ユニット。
6. 前記マルチプレクサ（２００）のスイッチング周波数は、設定可能である、請求項５に記載の制御及び評価ユニット。
7. 前記計算ユニット（２３３）は、制御ユニット内に設けられたデジタル信号プロセッサ（２３３）によって構成されており、前記デジタル信号プロセッサ（２３３）を用いて、デジタル化された測定信号が評価される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御及び評価ユニット。
8. 前記計算ユニット（１１０）は、前記制御ユニット外部に配設され、自身に伝送されるデジタル化された信号を評価し、当該評価の結果を前記制御ユニットへ返送する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の制御及び評価ユニット。
9. 複数の電流スイッチ及び／又は信号スイッチが配設されており、前記スイッチは、設定可能又はプログラミング可能なシーケンス制御部（２３５）を用いて各適用に応じた時系列的制御が可能である、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の制御及び評価ユニット。
10. １つ以上の電流スイッチ及び／又は信号スイッチが、スイッチングマトリックス（２１９）を用いて構成可能である、請求項９に記載の制御及び評価ユニット。
11. 位相制御ループ（２１７）を用いて内部クロックが、外部計算ユニット（１１０）から供給された基準クロックに基づいて生成され、前記内部クロックを用いて前記制御ユニットは、前記外部計算ユニット（１１０）と同期可能である、請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の制御及び評価ユニット。
12. 検出されたセンサ信号に対応するデータをバッファ記憶するデータメモリ（２４０）が配設されている、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の制御及び評価ユニット。

Images