JP2017528723A - センサ信号を伝送するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、センサ信号を伝送するための方法および装置に関する。センサ信号は、電気的なアナログセンサ信号が信号置換装置によって置換信号に変換され、この置換信号が制御器に伝送される形で伝送される。このようにしてセンサ信号を制御器に確実に伝送し、制御器によって評価することができる。

Description

本発明は、センサ信号を伝送するための方法であって、内燃機関の少なくとも１つのシリンダ内の燃焼室圧力を決定するための燃焼室圧力センサによって、圧力に対応する電気的なアナログセンサ信号が生成され、内燃機関を制御するための制御ユニットに伝送される方法に関する。

本発明は、センサ信号を伝送するための装置であって、内燃機関の少なくとも１つのシリンダ内に、接続ケーブルを介して制御ユニットに接続された燃焼室圧力センサを備える装置にも関する。

内燃機関を制御するためには、特に内燃機関のシリンダの燃焼室内に実際に生じている圧力を知ることが不可欠である。

このような目的で、圧力を測定し、アナログ電圧に置換する、いわゆる「燃焼室圧力センサ」が使用される。このアナログ電圧値は、次いで適切な線路によって制御器に伝送され、制御器によって評価される。

多くの場合、このようなセンサは、測定された圧力と生成されたアナログ電圧との間の直線関係によって作動し、したがって、制御器は、センサが受信したアナログ電圧から、燃焼室内の圧力を、例えば単位ｂａｒで推定することが可能である。

燃焼室圧力の例では、所定の圧力範囲に基づいてアナログ電圧を生成および伝送する場合に、ｂａｒ毎のボルトの分解能（Ｖ／ｂａｒ）が算出される。

燃焼室における圧力範囲が２００ｂａｒおよびセンサのための実効総電圧振幅が最大で４．５Ｖの場合には、ｂａｒ毎に２２．５ｍＶの分解能が生じる。

電圧振幅／圧力範囲＝分解能
（４．５Ｖ／２００ｂａｒ＝２２．５ｍＶ／１ｂａｒ）

このことは、わずかなｍＶのみの燃焼室圧力の小さい変化が生じており、したがって、この電圧値が線路において制御器へのアナログ伝送が行われる場合に強く妨害され得ることを意味する。

このような妨害は、例えば、駆動モータ、点火モジュールなどの隣接する電気または電子モジュールによって引き起こされる場合がある。

したがって、情報信号に重なる妨害によって、圧力、回転数または他の変数のようなパラメータの小さい変化を評価することが困難となるか、または不可能となる。

これに対して、独立請求項１に記載の特徴を有する本発明による方法は、電気的なアナログセンサ信号が信号置換装置によって置換信号に変換され、置換信号が制御器に伝送されるという利点を有する。

本発明によれば、電気的なアナログセンサ信号が、制御器に伝送される前に変換され、伝送線路に作用する妨害を受けにくい置換信号として伝送される。これにより、制御器でセンサ信号の確実な評価を行うことができる。

従属請求項に記載の措置により、請求項１に記載の方法の好ましい実施形態および改良形態が可能である。

このように、方法の好ましい構成では、センサ信号から計算可能な少なくとも１つの情報を表す信号がセンサ信号に加算され、置換信号が形成される。センサ信号によって計算可能な情報は、例えば燃焼室圧力を特徴づけてもよい。

センサ信号から計算可能な少なくとも１つの情報を含む信号を加算することにより、アナログ式の信号伝送の情報密度を著しく改善することが可能である。なぜなら、１つの線路で情報視点から、いわば「多チャンネル式に」送信を行うことができるからである。

センサ信号から計算される少なくとも１つの情報を、異なる形式で信号に加えることができる。好ましい構成では、加算される信号は、振幅変調または周波数変調された信号である。振幅変調の場合には、センサによって検出された信号は、固定された搬送周波数を有する変更可能な信号振幅に加えられる。周波数変調の場合には、センサによって検出された信号は、振幅が変化しない変更可能な信号周波数に加えられる。いずれの場合にも、外部から生じる妨害に対するロバスト性が得られる。

本発明による方法の代替的な構成では、置換信号は時間的にずらされたセンサ信号によって形成されており、低圧ループに割り当てられた少なくとも１つの時間範囲の信号が、先行する高圧ループの時間範囲に割り当てられた信号によって代替される。

この場合、好ましくは、先行する高圧ループの時間範囲に割り当てられた信号は、符号化、特に増幅されており、および／またはオフセットを有する。

高圧ループの時間範囲で信号置換装置によってセンサ信号が検出され、制御器への置換信号の伝送が低圧ループの時間範囲で行われることにより、時間的にずらされた信号が適切に生成される。

４サイクルエンジンは、２つの作動ループ、すなわち圧縮および燃焼プロセスを含む高圧ループと、排気および吸気プロセスを含む低圧ループとを有する。高圧ループでは、センサ部材、例えば燃焼室圧力センサのセンサ信号の検出が行われる。この信号は、信号置換装置によって低圧ループの時間範囲にシフトされ、低圧ループで制御器に伝送される。さらに、信号置換装置は制御器への伝送前に信号の増幅を行うこともできる。代替的には、信号を変調して低圧ループで伝送することもできる。

例えば、置換信号は低圧ループにシフトされる場合に、低圧ループの信号に追加的に重畳されるか、または低圧ループの時間範囲の信号が置換信号によって代替される。

さらに好ましくは、高圧ループおよび低圧ループのための時間範囲を検出するために、内燃機関のシリンダの上死点が検出される。

この方法では、高圧ループおよび／または低圧ループの検出も行われる。例えば、このために、センサ部材が組み込まれたシリンダに関して、圧縮サイクルの時間波形における上死点が特定され、これにより、高圧ループおよび低圧ループの時間的な割当を推定することができる。このようにして、置換信号の信号伝送が低圧ループに同期される。

検出のためには、排気弁または吸気弁の開放を検出することにより、圧縮、ピーク圧力、または負荷変動を評価するための既知の任意の方法を使用することができる。

信号置換装置では、センサ部材のセンサ信号の前処理を適切に行うことができる。この前処理された信号は、置換信号として制御器に伝送される。

好ましくは、例えばシリンダ圧力信号の５〜２０ｋＨｚの範囲の周波数帯域のエネルギーは、このような前処理の結果であってもよい。なぜなら、信号置換装置は、前処理のために必要な論理ユニットを提供するＡＳＩＣとして構成されているからである。

代替的に、様々な周波数帯域のエネルギーが前処理の結果であってもよい。

同様に、上記周波数帯域の数値的なピーク値を供給し、「ノッキング」のための参照値として使用することもできる。

制御器への伝送時には、高圧ループにおける最大圧力または最大圧力勾配を供給してもよい。

独立した請求項７の特徴を有する本発明による装置は、従来技術に対して、センサ部材と制御器との間に信号置換装置が配置されており、この信号置換装置が、入力側のアナログ‐デジタルコンバータおよび出力側のデジタル‐アナログコンバータを含み、入力側のアナログ‐デジタルコンバータはセンサ部材に接続されており、出力側のデジタル‐アナログコンバータは制御器に接続されているという利点を有する。

本発明によれば、センサ部材、例えば燃焼室圧力センサは、例えばＡＳＩＣのような信号置換装置に直接に接続されている。例えばセンサユニットのケーシング内で２つのモジュールがこのように直接に接続されていることにより、妨害信号が、センサによって生成される圧力値を歪曲する可能性が排除される。信号置換装置は入力信号を置換し、安定した置換信号を生成し、この置換信号は、評価のために通常の伝送線路を介して制御器に伝送される。

しかしながら、伝送線路に作用する妨害信号は、例えば変調方法によって情報が符号化されているので、置換信号に影響を及ぼさないか、またはわずかにしか影響を及ぼさない。

さらに好ましくは、信号置換装置はＡＳＩＣである。

いわゆる「特定用途向け集積回路（英語では、“application-specific integrated circuit, ASIC”）」は、集積回路として構成された電子回路である。

ＡＳＩＣは特定用途向けに構成されており、例えば携帯電話で信号を符号化し、データを処理するためのプロセッサとして大量に使用されている。この回路は、多数の論理機能を提供し、多くの場合、マイクロプロセッサまたは信号プロセッサをも提供する。

このために特別の構成されており、データ処理装置で実行可能なプログラムコードを含むコンピュータプログラムによって、センサ信号を伝送する方法のステップを適切に実行することができる。

さらに好ましくは、コンピュータプログラムは機械読取可能なメモリ媒体に記憶される。

センサ信号を伝送する方法は、このために、例えばデータ処理装置として、プログラムコードを処理するためのプロセッサを含む。プログラムコードを記憶するために、装置はＲＯＭ（読出し専用メモリ）、ＥＰＲＯＭ（消去可能プログラマブルＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（電気的消去可能ＲＯＭ）、またはフラッシュＥＥＰＲＯＭなどの不揮発性のメモリ媒体を備える。このメモリ媒体は、プログラムコードのようなデータを伝送するためにプロセッサに接続されている。

本発明の実施例が図面に示されており、以下に詳細に説明されている。

信号置換装置を備える本発明によるセンサ信号を伝送するための装置を示す図である、 本発明による方法を説明するためのフロー図である。

図１は、本発明による信号置換装置３を示し、センサモジュール１内に、センサ部材２、例えば燃焼室圧力センサが示されている。このセンサ部材は、内燃機関のシリンダ内の圧力を検出する。

好ましくは、センサ部材２は信号置換装置３に直接に接続されており、２つのモジュールの間には、妨害信号によって影響を及ぼし得る長い接続ケーブルは設けられていない。

信号置換装置３は、センサ部材２のアナログ電圧信号を、信号置換装置３によって処理することができるデジタル値に置換するアナログ‐デジタルコンバータ４を入力側に備える。

信号置換装置３は、本発明による信号置換ステップを実行し、置換されたセンサ信号を生成する。

信号置換装置３は出力側のデジタル‐アナログコンバータ５を備え、デジタル‐アナログコンバータ５は、信号置換装置３によって置換された信号を、制御器７への伝送前に再びアナログ信号に変換する。

この信号は、伝送線路６を介して制御器７に伝送される。この伝送時には、伝送信号が妨害されることもある。伝送される信号は置換信号であり、置換信号では、数ｍＶの極めて小さい電圧振幅ではなく、例えば搬送周波数を伴う信号周波数または信号振幅で情報が伝送されるので、妨害は置換信号の伝送にほとんど影響を及ぼさない。

制御器７は、伝送された信号を処理する信号処理ユニット８を有し、信号処理ユニット８は、内燃機関のシリンダ内の燃焼室圧力を表す値を出力する。信号処理ユニット８はデジタル式に作動するように構成されているので、伝送されたアナログ信号は、処理前に信号処理ユニット８によってアナログ‐デジタル変換される。

このような装置は、任意のセンサ２の信号を伝送するために使用することもできる。

本発明は、センサ２の低周波信号範囲を有効に利用し、例えば使用されていない高周波数範囲に情報を重畳することを可能にする。特に有利には、この着想を燃焼室圧力信号に適用することができる。燃焼室圧力信号は、燃焼物理特性に基づいて経時的な信号波形に高周波数および低周波数を有する部分を規則的に含む。

このようにして、例えば、燃焼室圧力センサ２によって検出され、基本圧力もしくはピーク圧力に比べて小さく、したがって、制御器７では劣悪にしか検出できないか、あるいは全く検出できない燃焼室圧力情報が、センサモジュール１のＡＳＩＣ３において高圧ループから低圧ループにシフトされる。これにより、制御器７で燃焼室圧力情報を極めて良好に検出することができる。

センサ２から制御器７へ燃焼室圧力情報がアナログ式に伝送されることに基づいて、小さい信号部分は電送線路６を介して著しく妨害され、したがって、評価できないか、または劣悪にしか評価できない（図１に概略的に矢印Ｓによって示す）。本発明を使用することにより、ディーゼルエンジンの場合に予備噴射によって引き起こされる燃焼プロセスに関する燃焼室圧力情報、またはガソリンエンジンの場合にノッキングによって引き起こされる高周波の小さい圧力振動に関する燃焼室圧力情報を制御器７で良好に評価可能である。

置換信号として情報を低圧ループに加える場合に、種々異なる方式で、例えば信号波形または計算された特徴として加えることができる。

このようにして、アナログ伝送の実質の情報密度を著しく改善することができる。なぜなら、情報視点から、線路でいわば「多重チャンネル式に」送信を行うことができるからである。

制御器７で真の低圧ループを再現できるように、または再現できないように、低圧ループへのシフトを行うことができる。

図２は、例示的な実施形態における本発明による方法の概略的なステップを示す。第１ステップ２１０では、センサ部材２によって出力されたセンサ信号が供給される。このセンサ信号はステップ２２０で処理され、ステップ２２０では、燃焼室圧力から算出可能な少なくとも１つの情報を表す信号、またはセンサによって出力された信号に加えることができる他の情報を含む信号が生成される。ステップ２３０で、この信号に、ステップ２２０で処理された信号を加算し、置換信号を生成することがきる。

代替的に、ステップ２３０では、所定の時間区分、例えば低圧ループに割り当てられた時間範囲にわたって、ステップ２１０で供給された信号を、ステップ２２０で処理された信号によって代替することができる。

ステップ２４０では、ステップ２３０で生成され、置換された信号が出力され、この信号が、デジタル‐アナログコンバータ５を通過した後に制御器７に伝送される。

好ましくは、本発明は、ＡＳＩＣ３でセンサ部材２の圧力情報を評価することによって、例えば指標となるシリンダの上死点（ＯＴ）の時点をおおまかに決定することが可能であり、これにより低圧ループと高圧ループとを識別することが可能になることを前提としている。

このようなことは、種々異なる方法によって、例えば、排気弁または吸気弁の開放に基づいて検出することができる圧縮、ピーク圧力、負荷変動を評価することによって可能になる。

代替的に、制御器によって別個の線路を介して角度情報を伝送することもでき、角度情報から、ＯＴとの関係や低圧ループおよび高圧ループに関する情報を得ることもできる。

上死点のこのような決定は、置換信号を低圧ループにシフトするための基礎となる。このようなシフトは、種々異なる形式で行うことができる：
１．高圧ループにおける特徴を計算し、続いて低圧ループに符号化／変調することによって、または高圧ループもしくは低圧ループとは無関係に続いて符号化／変調する。
２．高圧ループの時間波形を抽出し、増幅および／またはオフセット補償し、低圧ループの時間範囲に割り当てられた信号の代わりに伝送する。

この場合、符号化／変調は、センサ部材２（燃焼室圧力センサ）に接続されたセンサモジュール１の既知のＡＳＩＣ３により行うことができる。

項目１については、いわゆる「特徴」を一定の周波数を有する信号の振幅に符号化することが好ましい。この場合、搬送周波数は、低圧ループにおいて生じ得る最高の周波数よりも少なくとも大きくなるように選択される。随意に、高圧ループで生じる最高の周波数よりも大きくなるように選択される。

好ましくは、このような搬送周波数は、６ｋＨｚ、８ｋＨｚ，または１０ｋＨｚである。この置換信号の振幅は、次いで、伝送するために選択された特徴から、例えば直線関係により計算される。制御器７では、従来技術により既知の周波数によって、置換信号の振幅を推定することにより情報を得ることができる。

特徴の概念は、例えば、信号置換装置３によって前処理されたセンサ部材２のセンサ信号として理解される。

このような特徴は、例えばガソリンエンジンにおいては、高圧ループの関連範囲における５〜２０ｋＨｚの周波数帯域のシリンダ圧力信号のエネルギーであり、次いでこのシリンダ圧力信号は、低圧ループで置換信号として伝送される。

代替的には、異なる周波数帯域のエネルギーを伝送することもできる。

この場合、数値的なピーク値を上述の周波数帯域で伝送することもでき、ノッキングのための参照値として利用することができる。

別の特徴は、高圧ループにおける最大圧力または最大圧力勾配であってもよい。

代替的には、項目１における変調は、情報を周波数に符号化することによって行うこともでき、振幅は一定の値を含む。

特別な実施形態では、第１の特徴は信号の周波数を決定し、第２の特徴は第１の特徴によって決定された周波数の振幅である。

好ましくは、置換信号が、例えば低圧ループに加えられる所要時間は、ＡＳＩＣで計算された内燃機関の回転数の関数であってもよい。

別の実施形態では、低圧ループからの特徴も計算され、すなわち、前処理され、置換信号として残りの低圧ループまたは次の高圧ループの信号に変調される。

Claims (13)

1. センサ信号を伝送する方法であって、内燃機関の少なくとも１つのシリンダ内の燃焼室圧力を決定するためのセンサ部材（２）によって、圧力に対応した電気的なアナログセンサ信号が生成され、内燃機関を制御するための制御器（７）に伝送される方法において、
   電気的なアナログセンサ信号を信号置換装置（３）によって置換信号に変換し、該置換信号を制御器（７）に伝送することを特徴とするセンサ信号を伝送する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   センサ信号から計算可能な少なくとも１つの情報を表す信号をセンサ信号に加算し、置換信号を形成する方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   加算される信号は、振幅変調または周波数変調された信号である方法。
4. 請求項１に記載の方法において、
   低圧ループに割り当てられた少なくとも１つの時間範囲の信号を、先行する高圧ループの時間範囲に割り当てられた信号によって代替することにより、センサ信号を時間的にずらす、センサ信号によって置換信号を形成し、方法。
5. 請求項４に記載の方法において、
   先行する高圧ループの時間範囲に割り当てられた信号を符号化、特に増幅し、および／またはオフセットを設ける方法。
6. 請求項４または５に記載の方法において、
   高圧ループの時間範囲で信号置換装置によってセンサ信号を検出し、制御器への置換信号の伝送を低圧ループの時間範囲で行うことにより、時間的にずらされた信号を生成する方法。
7. 請求項６に記載の方法において、
   高圧ループおよび低圧ループのための時間範囲を検出するために、内燃機関のシリンダの上死点の検出を行う方法。
8. 請求項１から７までのいずれか一項に記載の方法において、
   信号置換装置（３）で、センサ部材（２）のセンサ信号の前処理を行い、前処理された信号を置換信号として伝送する方法。
9. 信号を伝送するための装置であって、該装置が内燃機関の少なくとも１つのシリンダ内にセンサ部材（２）を備え、該センサ部材（２）が、伝送線路（６）によって制御器（７）に接続されている装置において、
   センサ部材（２）と制御器（７）との間に信号置換装置（３）が配置されており、該信号置換装置が、入力側のアナログ‐デジタルコンバータ（４）および出力側のデジタル‐アナログコンバータ（５）を含み、入力側のアナログ‐デジタルコンバータ（４）がセンサ部材（２）に接続されており、出力側のデジタル‐アナログコンバータ（５）が制御器（７）に接続されていることを特徴とする信号を伝送するための装置。
10. 請求項９に記載の装置において、
    信号置換装置（３）がＡＳＩＣである装置。
11. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法のそれぞれのステップを実行するように構成されたコンピュータプログラム。
12. 請求項１１に記載のコンピュータプログラムが記憶された機械読取可能なメモリ媒体。
13. 請求項１から８までのいずれか一項に記載の方法のそれぞれのステップを実行するように構成された電子制御器。

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