DE102008040860A1

DE102008040860A1 - Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anzahl Einspritzventile

Info

Publication number: DE102008040860A1
Application number: DE102008040860A
Authority: DE
Inventors: Helmut Denz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2009-07-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung (90), die zum Betreiben einer Anzahl von Einspritzventilen ausgebildet ist und einen Boosterkondensator (4) aufweist, der zum Austausch von elektrischer Energie mit Spulen (42, 44, 46, 48) der Einspritzventile ausgebildet ist, wobei der Boosterkondensator (4) auf einer Spannung (7) einer Batterie (6) angebunden ist. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben einer Anzahl von Einspritzventilen, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anzahl Einspritzventile, ein Verfahren zum Betreiben einer Anzahl Einspritzventile, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
Stand der Technik
Bei BDE- bzw. Benzindirekteinspritzungs-Systemen ist es insbesondere im Zusammenhang mit Mehrfacheinspritzungen ein Ziel, die Energie für das häufigere Öffnen von Hochdruckeinspritzventilen (HDEV) mit möglichst wenig Verlustleistung und möglichst kleinen Bauteilen zu realisieren. Ferner wird angestrebt, die Toleranz der Einspritzmenge bei geringen Einspritzzeiten weiter zu reduzieren.
Im Stand der Technik wird bei Ansteuerung eines Hochdruckeinspritzventils (HDEV) üblicherweise an dessen Spule eine Spannung angelegt, die deutlich höher als eine Batteriespannung ist. Dies führt zu einem schnellen Anstieg eines Stroms der Spule auf einen Wert, bei dem sich das Ventil bzw. HDEV öffnet. Beim Schließen des Ventils wird eine hohe Gegenspannung angelegt, die zu einem schnellen Abfall des Stroms der Spule bis auf Null führt. Durch den schnellen Stromanstieg und -abfall werden die Toleranzen der Einspritzzeiten gering gehalten.
Bei bekannten Vorgehensweisen wird dazu eine Spannungshochsetzschaltung mit einer großen Induktivität und Kapazität im Steuergerät zur Erzeugung einer Anzugs- bzw. Boosterspannung verwendet, was mit einem DC/DC-Wandler umgesetzt werden kann. Durch diese hohe Spannung steigt der Strom sehr schnell an, was zu dem erwähnten schnellen Öffnen des Einspritzventils führt. Ausgehend von dem hohen Strom in der Öffnungsphase erfolgt nach einer Freilaufphase eine Phase der Schnelllöschung, mit der der Strom schnell auf einen Haltestrom verringert wird. Am Ende der Phase mit geregeltem Haltestrom erfolgt zur schnellen Abschaltung des Stroms bzw. dem schnellen Schließen des Ventils erneut eine Schnelllöschphase.
Üblicherweise werden in einer bankweisen Ansteuerung von Zylindern eines Verbrennungsmotors die Spulen von zwei Einspritzventilen über einen hochseitigen Schalter bzw. High-Side-Schalter an die Anzugs- und somit Boosterschaltung geschaltet, so dass gewisse Überlappungen der Ansteuerung nicht möglich sind.
Eine Boosterschaltung zur Spannungshochsetzung benötigt im Steuergerät typischerweise eine große Drossel und einen großen Kondensator, die viel Platz erfordern und aufgrund ihrer Verlustleistung als Wärmequellen wirken.
Aus der Druckschrift DE 197 46 980 A1 ist ein Verfahren zur Ansteuerung wenigstens eines elektromagnetischen Verbrauchers, insbesondere eines Magnetventils zur Steuerung der Einspritzung von Kraftstoff in eine Brennkraftmaschine, bekannt. Dabei wird Strom, der durch den Verbraucher fließt, in verschiedenen Phasen der Ansteuerung auf einen ersten Stromwert und einen zweiten Stromwert geregelt, wobei beim Übergang von dem ersten Stromwert auf den zweiten Stromwert die in dem Verbraucher gespeicherte Energie in einem Speichermittel gespeichert und beim Beginn der Ansteuerung in den Verbraucher umgeladen wird. Außerdem wird nach dem Übergang von dem ersten Stromwert auf den zweiten Stromwert der Strom wenigstens einmal auf einen Wert oberhalb des zweiten Stromwerts angehoben, um anschließend dem Speichermittel Energie zuzuführen.
Eine Vorrichtung zur Ansteuerung wenigstens eines elektromagnetischen Verbrauchers, insbesondere eines Magnetventils zur Steuerung der Kraftstoffzumessung in einer Brennkraftmaschine, ist in der Druckschrift DE 195 39 071 A1 beschrieben. Diese Vorrichtung umfasst ein erstes Schaltmittel, das zwischen einem ersten Anschluss einer Versorgungsspannung und einem ersten Anschluss wenigstens eines Verbrauchers angeordnet ist, und zweite Schaltmittel, die zwischen einem zweiten Anschluss eines zugeordneten Verbrauchers und dem zweiten Anschluss der Spannungsversorgung angeordnet sind. Außerdem sind Ansteuermittel vorgesehen, die die Schaltmittel derart ansteuern, dass wenigstens die beim Übergang von einem Anzugstromwert auf einen Haltestromwert sowie die beim Abschalten des Haltestroms am Ende der Einspritzung frei werdende Energie in einem als Kondensator ausgebildeten Speichermittel speicherbar ist.
Mit der Vorrichtung aus der Druckschrift DE 195 39 071 A1 ist eine Rückspeisung von Energie aus der Spule des Einspritzventils in einen Boosterkondensator am Ende der Boosterphase oder der Haltephase einer laufenden Einspritzung möglich. Außerdem ist vorgesehen, in einer Nachladephase nach einem Einspritzpuls oder während der Haltephase Energie aus der Ventilspule in den Boosterkondensator zu übertragen.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung, die zum Betreiben einer Anzahl von Einspritzventilen ausgebildet ist und einen Boosterkondensator aufweist, der zum Speichern von Energie innerhalb eines DC/DC-Wandlers sowie Austausch von elektrischer Energie mit Spulen der Einspritzventile ausgebildet ist, wobei der Boosterkondensator auf einer Spannung einer Batterie und nicht wie beim Stand der Technik auf dem Massepunkt der Batterie angebunden ist. Vorzugsweise wird der Boosterkondensator für mindestens zwei Einspritzventile verwendet.
Innerhalb der Schaltungsanordnung ist, wie im Stand der Technik vorgesehen, dass eine Spule eines Einspritzventils dazu ausgebildet ist, nach Beendigung eines Einspritzvorgangs, bspw. nach Beendigung eines Boosterbetriebs, und/oder bei einer Schnelllöschung elektrische Energie in den Boosterkondensator zurück zu laden und somit zu übertragen.
Alternativ ist vorgesehen, dass eine erweiterte Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anzahl von Einspritzventilen den zum Austausch von elektrischer Energie mit Spulen der Einspritzventile vorgesehenen Boosterkondensator aufweist. Dabei ist die erweiterte Schaltungsanordnung dazu ausgebildet, zum schnelleren Schließen eines Einspritzventils einer Spule diesem Einspritzventil am Ende eines Einspritzvorgangs einen Inversstrom zum Abbau einer Restmagnetisierung im magnetischen Kreis des Einspritzventils bereitzustellen.
Durch diese Maßnahme kann das Schließen des Einspritzventils beschleunigt werden. Bei dieser erweiterten Schaltungsanordnung kann der Boosterkondensator entweder an der Batteriespannung oder an der Masse angebunden sein.
Die erweiterte Schaltungsanordnung kann einen hochseitigen Stromumkehrschalter und einen niedrigseitigen Stromumkehrschalter aufweisen. Dabei ist der hochseitige Stromumkehrschalter üblicherweise einem hochseitigen Punkt des Boosterkondensators zugeordnet. Der niedrigseitige Stromumkehrschalter ist einem niedrigseitigen Punkt des Boosterkondensators zugeordnet. Diese Stromumkehrschalter sind bspw. als Feldeffekttransistoren (FET) ausgebildet und können Inversdioden umfassen. Es ist vorgesehen, dass der Inversstrom über die genannten Stromumkehrschalter fließt.
In Ergänzung kann die vorgenannte Schaltungsanordnung in Verbindung mit einem ansteuernden Microcontroller ein Modul zur Kontrolle von Ansteuervorgängen der Einspritzventile aufweisen, wobei dieses Modul dazu ausgebildet ist, mindestens eine Komponente der Schaltungsanordnung derart zu steuern, dass in Abhängigkeit einer Abfolge der Ansteuervorgänge der Austausch der elektrischen Energie zwischen dem Boosterkondensator und den Spulen der Einspritzventile erfolgt. Typischerweise ist jede Spule eines Einspritzventils einem Zylinder der Verbrennungsmaschine zugeordnet. Der Boosterkondensator dient in Ausgestaltung als Zwischenspeicher von elektrischer Energie, die die Spulen über den Boosterkondensator je nach Betriebssituation des jeweiligen Einspritzventils und/oder des jeweiligen Zylinders untereinander austauschen. Dabei laden eine oder mehrere Spulen gespeicherte Energie in den Boosterkondensator, wohingegen eine andere Spule benötigte Energie aus dem Boosterkondensator aufnimmt. Dies ist dadurch möglich, dass alle betroffenen Ventile ihre Boosterenergie aus demselben Boosterkondensator beziehen.
Das Verfahren und die Schaltungsanordnung sind dazu ausgebildet, während einer Vormagnetisierungs- oder Einspritzphase eines ersten Einspritzventils elektrische E nergie aus den Spulen momentan nicht einspritzender Einspritzventile in den Boosterkondensator umzuladen, wodurch dieser kleiner dimensioniert werden kann. Da im Falle eines Vier-Zylindermotors nur ein oder zwei Einspritzventile gleichzeitig einspritzen können, können die Induktivitäten der Spulen der jeweils nicht einspritzenden Einspritzventile zur Aufrechterhaltung der Boosterspannung der Spulen der jeweils anderen momentan einspritzenden Einspritzventile verwendet werden. Dabei können die Einspritzventile in einer Bankschaltung oder zylinderselektiv steuerbar sein.
Im vorgesehenen Verfahren wird ggf. auch während der Vormagnetisierungs- oder Einspritzphase der Spule eines ersten Einspritzventils die Spule von mindestens einem anderen Einspritzventil, das sich nicht in der Phase der Vormagnetisierung oder der Einspritzung befindet, aus der Batterie gerade soweit bestromt, dass das Ventil nicht reagiert und danach schnell gelöscht wird. Dies wird zyklisch wiederholt, so dass auch während der aktiven Phase des ersten Einspritzventils die Spule des mindestens einen anderen Einspritzventils Energie in den Boosterkondensator einspeist. Dabei wird die hier als Boosterspannung U_Boost ausgebildete Spannung, bezogen auf Masse und/oder der Strom durch die Boosterdrossel von einem Microcontroller (μC) als Komponente der Schaltungsanordnung erfasst, wobei die Aufladetaktung der nicht aktiven Einspritzventile in Abhängigkeit von diesen elektronischen Größen erfolgt.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass bei einer zu hohen Boosterspannung durch sprunghaften Anstieg der Batteriespannung wegen Abschaltung von Verbrauchern eine Entladetaktung durch nicht aktive Einspritzventile erfolgt, bei der diese gerade soweit bestromt werden, dass sie nicht reagieren. Dadurch kann die Verlustleistung in einer als Schutzbeschaltung erforderlichen Zenerdiode reduziert werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Anzahl von Einspritzventilen, bei dem elektrische Energie zwischen einem Boosterkondensator, der auf einer Spannung einer Batterie angebunden ist, und Spulen der Einspritzventile ausgetauscht wird.
Im Rahmen des Verfahrens kann eine Boosterspannung U_Boost und somit eine Kondensatorspannung, die an dem Boosterkondensator anliegt, auf einen Fußpunkt jeweils einer Spule eines Einspritzventils eingekoppelt werden. Ein hochseitiger (high-side) Punkt der Spule kann auf einen Fußpunkt des auf der Spannung der Batterie angebundenen Boosterkondensators durchgeschaltet werden.
Dabei kann einer Spule mindestens eines ersten Einspritzventils zum Umsetzen eines Boosterbetriebs bzw. einer Boosterphase elektrische Energie aus dem Boosterkondensator bereitgestellt werden, wobei elektrische Energie von der Spule des mindestens einen ersten Einspritzventils nach Beendigung eines Einspritzvorgangs und/oder Boosterbetriebs bzw. bei einer Schnelllöschung wieder in den Boosterkondensator geladen werden kann.
Weiterhin ist möglich, dass bei einer zu hohen Boosterspannung U_Boost eine Entladeaktivierung durch nicht aktive Einspritzventile erfolgt.
Ein zusätzliches Verfahren zur Verringerung der Toleranz der Abfallzeit des HDEVs besteht darin, dass am Ende der Einspritzzeit der Strom nicht nur schnell auf Null reduziert wird, sondern zudem in die Spule des Einspritzventils ein Inversstrom eingeprägt wird. Dadurch wird der Restmagnetismus im magnetischen Kreis des Ventils reduziert. Dadurch wird auch die verbleibende Magnetkraft reduziert, die der Federkraft entgegenwirkt und die Schließfeder kann das Ventil schneller schließen. Dies wird typischerweise durch die erweiterte Schaltungsanordnung erreicht.
Zur Inversbestromung wird die Boosterspannung auf den Fußpunkt der Spule eingekoppelt und der high-side Punkt bzw. hochseitige Punkt der Spule auf den Fußpunkt des auf der Spannung der Batterie angebundenen Boosterkondensators durchgeschaltet.
Dabei ist vorgesehen, dass auch dieser Inversstrom und die dabei in der Spule gespeicherte Energie zur Aufrechterhaltung der Boosterspannung in den Boosterkondensator rückgeführt wird. In der vorgesehenen Schaltung kann diese Rückspeisung in den Boosterkondensator C_B aus der Spule des Einspritzventils über die ohnehin vorhandenen Inversdioden des Highside- und des Lowsideschalters sowie die Batterie erfolgen. Der artige Highside- bzw. Lowsideschalter sind in Ausgestaltung als FETs (Feldeffekttransistoren) ausgebildet und weisen Inversdioden auf.
Die Erfindung betrifft demnach u. a. eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Spannungshochsetzung, die es ermöglichen, den verwendeten Kondensator und die Drossel in einem DC/DC-Wandler kleiner zu dimensionieren und die Aufladung des Boosterkondensators auch bei hohen Einspritzfrequenzen sowie sich überlappenden Einspritzungen zu gewährleisten.
Die Erfindung betrifft typischerweise Schaltungsanordnungen mit mehreren Einspritzventilen bzw. HDEVs, die es ermöglichen, auch während der Boosterphase einzelner HDEVs Energie aus der Batterie in momentan nicht einspritzenden HDEVs und von dort in den Boosterkondensator umzuladen, wodurch dieser und eine Drossel des DC/DC-Wandlers kleiner dimensioniert werden können.
Eine beschriebene Schaltungsanordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte eines vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten der Schaltungsanordnung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen der Schaltungsanordnung oder Funktionen von einzelnen Komponenten der Schaltungsanordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines beschriebenen Verfahrens durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, ausgeführt wird.
Das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, ist zum Durchführen aller Schritte eines beschriebenen Verfahrens ausgebildet, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in Verbindung mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, ausgeführt wird.
Zusammenfassend ist es somit ein wichtiger Aspekt der Erfindung, dass der Fußpunkt des Boosterkondensators auf der Batteriespannung U_Bat und demnach nicht auf Masse angebunden ist. Dadurch verringert sich die Verlustleistung in der Drossel des DC/DC-Wandlers, da ein Teil der Boosterenergie direkt aus der Batterie und nicht über die Drossel kommt. Da sich die Boosterspannung nur zu einem Teil aus der Spannung des Boosterkondensators und zum anderen Teil aus der Batteriespannung U_Bat ergibt, kann ein Boosterkondensator mit geringerer Spannungsfestigkeit gewählt werden.
Ferner besteht durch die gewählte Schaltungsanordnung mit einem gemeinsamen Boosterkondensator für mehrere Magnetventile die Möglichkeit, die Induktivität der Spule eines nicht einspritzenden Magnetventils zur Erzeugung oder Aufrechterhaltung der Boosterspannung in erweitertem Maße einzusetzen. Da immer nur ein oder zwei Einspritzventile, im Falle eines Vier-Zylindermotors, gleichzeitig für eine Einspritzung vormagnetisiert oder geöffnet werden können, können die Induktivitäten der Spulen der jeweils nicht einspritzenden Einspritzventile zur Aufrechterhaltung der Boosterspannung der jeweils anderen Einspritzventile verwendet werden, auch wenn sich diese in einer Phase der Vormagnetisierung oder der Einspritzung befinden. Demnach kann eine Drossel im Steuergerät zur Spannungshochsetzung deutlich kleiner als üblich ausgeführt und deren Verlustleistung zusätzlich verringert werden.
Ein zusätzlicher Aspekt der Erfindung zur Reduzierung der Einspritztoleranzen besteht darin, dass ein Inversstrom in die Spule bzw. Magnetspule des Einspritzventils eingebracht wird, wodurch der Restmagnetismus im magnetischen Kreis des Ventils reduziert wird. Dadurch wird die verbleibende Magnetkraft, die der Federkraft entgegenwirkt, reduziert und die bereitgestellte Federkraft kann die Nadel des Einspritzventils schneller schließen.
Auch dieser Inversstrom und die dabei in der Spule gespeicherte Energie kann im Ausführungsbeispiel zusätzlich zur Aufrechterhaltung der Boosterspannung in den Boosterkondensator rückgeführt werden.
Um die Inversbestromung zu realisieren, wird bisher der Einsatz eines zweiten HDEV-Endstufenbausteins, bspw. CJ 840 der Robert Bosch GmbH, für vier Hochdruckein spritzventile vorgeschlagen. Diese Vorgehensweise ist jedoch kostenintensiv und benötigt wegen eines zweiten integrierten Schaltkreises (ICs) und der Zusatzbeschaltung erhebliche zusätzliche Fläche auf einer Leiterplatte eines hierfür vorgesehenen Steuergeräts.
Mit der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung kann in einfacher Weise am Ende der Ventilansteuerung und bei Beginn der Schnelllöschphase die Boosterspannung auf den Fußpunkt der Spule des Einspritzventils eingekoppelt und aufrecht erhalten werden, bis der gewünschte Inversstrom erreicht ist. Über der Spule liegt dann bei Anbindung des Boosterkondensators an der Batteriespannung U_Bat nicht die vollständige Boosterspannung, sondern nur die Spannung des Boosterkondensators an. Da der Stromanstieg jedoch in seiner steilsten Phase ist und kein hoher Endwert bis zu einem Ankerabfall der Spule erreicht werden muss, ergibt sich kein nennenswerter Unterschied gegenüber einer vollständigen Umpolung.
Mit der vorliegenden Erfindung kann daher deutlich einfacher als durch Einsatz eines zweiten CJ 840 Endstufenbausteins eine Stromumkehr im Einspritzventil umgesetzt werden. Es können in einer Variante die schon vorhandene Dioden bspw. durch Feldeffekttransistoren mit ihren Inversdioden ersetzt werden.
Die Schaltungsanordnung kann wahlweise in einer bankweisen Anordnung oder auch in einer Einzelzylinderanordnung eingesetzt werden.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer Anbindung eines Boosterkondensators an eine Batteriespannung (U_Bat).
2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform einer Schaltungsanordnung bei Bereitstellung eines Inversstroms.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung mit einer bankweisen Anordnung für Einspritzventile in schematischer Darstellung.
4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung für eine Einzelzylinderanordnung in schematischer Darstellung,
5 zeigt in schematischer Darstellung eine fünfte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung mit Anbindung des Boosterkondensators an Masse mit Ergänzung durch eine Inversstrombeschaltung.
6 zeigt in schematischer Darstellung Diagramme zu Stromverläufen für eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Ausführungsformen der Erfindung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Komponenten.
Die in 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung 2 umfasst einen Boosterkondensator 4 C_B, an dem eine Kondensatorspannung 5 U_CB anliegt und eine Batterie 6. Hierbei ist vorgesehen, dass der Boosterkondensator 4 auf einer Batteriespannung 7 U_Bat der Batterie 6 angebunden ist. Dadurch ergibt sich die Boosterspannung 28 U_Boost aus der Kondensatorspannung 5 U_CB plus der Batteriespannung 7 U_Bat.
Weiterhin umfasst die Schaltungsanordnung 2 eine Boosterdiode 8 und einen Boosterladeschalter 10, die beide parallel zu dem Boosterkondensator 4 C_B und der Batterie 6 geschaltet sind. Zwischen der Boosterdiode 8 und der Batterie 6 ist weiterhin eine Boosterdrossel 12 geschaltet. Parallel zu dem Boosterladeschalter 10, der als FET ausgebildet ist, ist dessen Inversdiode 11 geschaltet. Die Schaltungsanordnung 2 umfasst des weiteren einen hochseitigen, als FET ausgebildeten Boosterschalter 14 mit seiner Inversdiode 16, eine an der Batterie 6 anliegende Diode 18, einen niedrigseitigen Schalter 20, der als FET ausgebildet ist, mit seiner Inversdiode 23, eine Löschdiode 22 und eine Zener-Diode 24.
Diese hier vorgestellte Ausführungsform der Schaltungsanordnung 2 ist dazu ausgebildet, eine Spule 26 eines Einspritzventils derart mit elektrischer Energie zu versorgen, dass das Einspritzventil während eines Einspritzvorgangs in gewünschter Weise geöffnet, offengehalten und wieder geschlossen wird. Hierzu wird über die Schaltungsanordnung 2 in der Spule 26 eine Kraft erzeugt, über die eine Nadel gegen die Schließfeder des Einspritzventils in geeigneter Weise bewegt wird.
In einer möglichen Ausführungsform des im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Verfahrens ist bei einem Einspritzvorgang vorgesehen, dass zunächst eine Boosterphase erfolgt, während der zwischen dem hochseitigen Boosterschalter 14 und dem niedrigseitigen Schalter 20 und demnach an der Spule 26 die Boosterspannung 28 U_Boost von ca. 65 Volt anliegt. Durch den damit verbundenen schnellen Stromanstieg wird das Einspritzventil geöffnet. Hierbei fließt ein Strom über den hochseitigen Boosterschalter 14 und den niedrigseitigen Schalter 20.
Danach erfolgt eine sog. Anzugsphase mit einem Freilauf, während der der Strom aus der Spule 26 über den hochseitigen Boosterschalter 14 und die Löschdiode 22 fließt. Nach dieser Anzugsphase bzw. Freilaufphase ist eine Schnelllöschung des durch die Spule 26 fließenden Stroms vorgesehen, wobei der Strom im Kreis aus der Spule 26 über die Löschdiode 22 in den Boosterkondensator 4 und durch die Diode 18 fließt. Bei diesem Vorgang wird Energie aus der Spule 26 in den Boosterkondensator 4 übertragen, so dass dieser aufgeladen wird. Danach ist eine Haltephase des Einspritzventils vorgesehen. Hierbei erfolgt ein Stromanstieg ausgehend von der Batteriespannung 7 U_Bat an der Batterie 6 mit Stromfluss über die Diode 18 und den niedrigseitigen Schalter 20. Danach ist wieder ein Freilauf vorgesehen, bei dem der Strom über den hochseitigen Schalter 14 und die Löschdiode 22 fließt. Diese Stromanstiegs- und Freilaufphasen können sich in der Haltephase abhängig von der Einspritzdauer mehrfach wiederholen. Bei einer nachfolgenden Schnelllöschung der Spule 26, die nach der Haltephase am Ende der Einspritzung erfolgt, ist ebenfalls eine Aufladung des Boosterkondensators 4 vorgesehen.
Jene Komponenten der Schaltungsanordnung 2, die in 1 durch eine gestrichelte Linie umschlossen sind, bilden einen DC/DC-Wandler 13. Die Boosterspannung 28 U_Boost wird dadurch erzeugt, dass im DC/DC-Wandler 13 über den Boosterladeschalter 10 ein Strom aus der Batterie 6 durch die Drossel 12 fließt, der Boosterladeschalter 10 dann geöffnet wird und der Strom durch die Boosterdiode 8 in den Boosterkondensator 4 fließt. Dies erfolgt wiederholt getaktet, bis die Boosterspannung 28 U_Boost den gewünschten Wert erreicht. Unterstützend kann die Spule 26 des Einspritzventils in nicht aktiven Phasen der Einspritzung durch Einschalten des niedrigseitigen Schalters 20 gerade soweit bestromt werden, dass das Einspritzventil noch nicht reagiert und anschließend durch Öffnen des Schalters 20 eine Schnelllöschphase mit Aufladung des Boosterkondensators 4 erfolgt. Dies wird nachfolgend als Rückspeistaktung bezeichnet.
In dieser Schaltungsanordnung 2 wird die Boosterspannung 28 U_Boost bezogen auf Masse und optional ergänzend auch der Strom durch die Boosterdrossel 12 von einem Microcontroller der Schaltungsanordnung 2 erfasst, wobei die Rückspeistaktung abhängig von diesen Größen erfolgt, um einerseits bei Schwankungen von der Batteriespannung 7 U_Bat die Boosterspannung 28 U_Boost möglichst konstant und die Verlustleistung in der Boosterdrossel 12 gering zu halten.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform einer Schaltungsanordnung 30, die zusätzlich zu den bereits anhand von 1 vorgestellten Komponenten einen hochseitigen Stromumkehrschalter 32 als FET mit seiner Inversdi ode 34 als Ersatz für die Löschdiode 22 sowie einen am Fußpunkt des Boosterkondensators 4 C_B anliegenden niedrigseitigen Stromumkehrschalter 36 mit seiner Inversdiode 38 als Ersatz für die Diode 18 aufweist.
Die in 2 gezeigt Ausführungsform der Schaltungsanordnung 30 ist zur Bereitstellung eines Inversstroms durch die Spule 26 ausgelegt, wobei dieser über die beiden Stromumkehrschalter 32, 36 aus dem Boosterkondensator 4 C_B fließt. Hierbei wird an der Spule 26 eine Spannung angelegt, die in etwa der negativen Kondensatorspannung 5 U_CB des Boosterkondensators 4 C_B entspricht. Dadurch wird ein Strom in umgekehrter Richtung erzeugt, der den Restmagnetismus im magnetischen Kreis des Ventils reduziert. Auch bei der Schnelllöschung des Inversstroms über die hochseitige Inversdiode 16 und die niedrigseitige Inversdiode 23 wird der Boosterkondensator 4 mit elektrischer Energie aus der Spule 26 aufgeladen.
Die in 3 dargestellte dritte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung 40 für eine Bankanordnung von Einspritzventilen ist dazu ausgebildet, eine erste Spule 42 eines ersten Einspritzventils, eine zweite Spule 44 eines zweiten Einspritzventils, eine dritte Spule 46 eines dritten Einspritzventils sowie eine vierte Spule 48 eines vierten Einspritzventils anzusteuern und Energie zwischen den Spulen 42, 44, 46, 48 und dem Boosterkondensator 4 auszutauschen.
Hierzu weist diese dritte Ausführungsform der Schaltungsanordnung 4 neben dem Booster-kondensator 4, der Batterie 6, der Boosterdiode 8 und dem Boosterladeschalter 10 für jede der vier Spulen 42, 44, 46, 48 eine Löschdiode 58, 60, 62, 64 auf, die in einer erweiterten Ausführungsform zur Inversbestromung durch die jeweilige Inversdiode eines gestrichelt dargestellten hochseitigen Stromumkehrschalters 50, 52, 54, 56 ersetzt werden kann. Außerdem ist jeder Spule 42, 44, 46, 48 ein niedrigseitiger Schalter 66, 68, 70, 72 mit einer parallel geschalteten Inversdiode 74, 76, 78, 80 zugeordnet. Außerdem umfasst diese Schaltungsanordnung 40 für eine erste Spulengruppe mit der ersten und dritten Spule 42, 46 und für eine zweite Spulengruppe mit der zweiten und vierten Spule 44, 48 jeweils einen hochseitigen Schalter 81, 82 mit jeweils einer parallel geschalteten Inversdiode 83, 84. Die beiden Spulengruppen sind über Dioden 86, 88 an der Batteriespannung 7 U_Bat angebunden. Diese können in einer erweiterten Ausfüh rungsform zur Inversbestromung durch die Inversdioden der gestrichelt dargestellten Stromumkehrschalter 85, 87 ersetzt werden.
Die in 4 vorgestellte vierte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung 90 ist in einer Einzelzylinderanordnung dazu ausgebildet, dass jedes Einspritzventil individuell angesteuert und zudem Energie zwischen den Spulen 42, 44, 46, 48 der Einspritzventile und dem Boosterkondensator 4 ausgetauscht werden kann. Dazu ist vorgesehen, dass anstelle der Spulengruppen von 3 jeder der vier Spulen 42, 44, 46, 48 ein hochseitiger Schalter 92, 94, 96, 98 mit seiner Inversdiode 100, 102, 104, 106 zugeordnet ist. Weiterhin ist jede Spule 42, 44, 46, 48 über eine Diode 116, 118, 120, 122 an der Batteriespannung 7 U_Bat angebunden. Diese Dioden 116, 118, 120, 122 können in einer erweiterten Ausführungsform ebenfalls durch Inversdioden der Stromumkehrschalter 108, 110, 112, 114 ersetzt werden. Die restliche Schaltungsanordnung 90 entspricht der Schaltungsanordnung 40 aus 3.
Mit dieser dritten und vierten Ausführungsform einer Schaltungsanordnung 40, 90 ist es möglich, dass bis zu drei der vier Spulen 42, 44, 46, 48 elektrische Energie in den Boosterkondensator 4 laden, während eine andere Spule 42, 44, 46, 48 zur Ausführung der Boosterphase aus dem Boosterkondensator 4 elektrische Energie erhält. In der Schaltungsanordnung 40 aus 3 gibt es durch die Zusammenschaltung von Ventilgruppen gewisse Zeitfenster, in denen die Spulen 42, 44, 46, 48 nicht einspritzender Ventile nicht zur Einspeicherung von Energie in den Boosterkondensator verwendet werden können. Diese Einschränkung entfällt bei der Schaltungsanordnung 90 aus 4. Demnach ist es durch Ausgestaltung der Schaltungsanordnungen 40, 90 möglich, dass der Boosterkondensator 4 eine Funktion als Zwischenspeicher für elektrische Energie übernimmt, so dass die Spulen 42, 44, 46, 48 die elektrische Energie über den Boosterkondensator 4 untereinander austauschen. Dies ist sowohl bei einer Anbindung des Boosterkondensators 4 an die Batteriespannung 7 U_Bat, als auch bei dessen Anbindung an Masse entsprechend 5 möglich.
Bei einem positiven Sprung der Batteriespannung 7 U_Bat und somit der Boosterspannung 28 U_Boost kann auch eine Vormagnetisierungstaktung nicht einspritzender HDEV's erfolgen, um Energie aus dem Boosterkondensator 4 C_B abzubauen und die Booster spannung 28 U_Boost schnell auf den gewünschten Maximalwert zurückzuführen. Dadurch kann der Strom durch die Zenerdiode 24 als Schutzdiode und die resultierende Verlustleistung reduziert werden.
5 zeigt in schematischer Darstellung eine fünfte Ausführungsform einer erweiterten Schaltungsanordnung 200, die auf dem Stand der Technik basiert und zur Inversbestromung einer Spule 26 eines Einspritzventils ausgebildet ist. Eine Erweiterung dieser Schaltungsanordnung 200 ist gestrichelt dargestellt, und umfasst einen hochseitigen Stromumkehrschalter 232 und einen niedrigseitigen Stromumkehrschalter 233. Beide Stromumkehrschalter 232, 233 umfassen Inversdioden und sind in der hier beschriebenen Ausführungsform als Feldeffektransistoren ausgebildet.
Im Unterschied zu den voranstehend beschriebenen vier Ausgestaltungen von erfindungsgemäßen Schaltungsanordnungen 2, 30, 40, 90 ist bei der fünften Ausführungsform der Schaltungsanordnung 200 vorgesehen, dass der Boosterkondensator 4 an der Masse und nicht an der Batteriespannung 7 angebunden ist.
Weiterhin umfasst die Schaltungsanordnung 200 eine hochseitige Löschdiode 230, die in der hier vorgesehenen Schaltungserweiterung durch die Inversdiode des gestrichelt dargestellten Stromumkehrschalters 232 ersetzt wird. Ferner wird die niedrigseitige Löschdiode 234, die beim Schnelllöschen die Spule an den niedrigseitigen Punkt des Kondensators anbindet, durch die Inversdiode des gestrichelt dargestellten Stromumkehrschalters 233 ersetzt.
Die in den 2, 3, 4 und 5 gestrichelt dargestellten Stromumkehrschalter 32, 38, 50, 52, 54, 56, 85, 87, 108, 110, 112, 114, 232, 233 sind in der Regel als Feldeffekttransistoren (FETs) ausgebildet. Sie ersetzen mit ihren Inversdioden die an diesen Stellen vorhandenen Dioden der jeweiligen Schaltungsanordnung ohne Inversbestromung.
Ein Vergleich der ersten vier Ausführungsformen der Schaltungsanordnung 2, 30, 40, 90 mit der anhand von 5 dargestellten fünften, erweiterten Schaltungsanordnung 200 zeigt, dass die niedrigseitige Löschdiode 234 bei den ersten vier Schaltungsanordnungen 2, 30, 40, 90 nicht erforderlich ist, da bei diesen Schaltungsanordnungen 2, 30, 40, 90 der Boosterkondensator 4 an die Batteriespannung 7 U_Bat angebunden ist und damit die Schnelllöschung direkt in einem Kreis für das Magnetventil und den Boosterkondensator 4 über die Dioden 18, 38, 86, 88, 116, 118, 120, 122 erfolgen kann. Ohne die Löschdiode 234 würde in der Schaltungsanordnung 200 die Schnelllöschung über die Batterie 6 erfolgen und nur ein Teil der in der Ventilspule gespeicherten Energie in den an Masse angebundenen Boosterkondensator 4 übertragen. Der andere Teil der gespeicherten Energie würde in die Batterie 6 zurückgespeist.
Mit der gestrichelt dargestellten Erweiterung der fünften Schaltungsanordnung 200 aus 5 ist eine Inversstromschaltung durchführbar. Allerdings ist auch hierbei im Vergleich zu der Schaltungsanordnung 30 aus 2 eine zusätzliche Diode erforderlich, da die Diode 18 zur Anbindung der Spule an die Batterie 6 erhalten bleiben muss und nicht wie in der Schaltungsanordnung 30 durch die Inversdiode des Stromumkehrschalters ersetzt wird. Bei einer Ausbildung gemäß der dritten Ausführungsform der Schaltungsanordnung 40 und der vierten Ausführungsform der Schaltungsanordnung 90 können bei derartigen Schaltungsanordnungen 40, 90 entsprechend mehr Dioden eingespart werden.
Das bedeutet bspw. für die dritte Ausführungsform der Schaltungsanordnung 40 für die Bankanordnung, dass hier zwei Dioden eingespart werden können. Bei der vierten Ausführungsform der Schaltungsanordnung 90 für die Einzelzylinderanordnung, wie anhand von 4 dargestellt, können sogar vier Dioden eingespart werden.
6 zeigt vier Diagramme 130, 132, 134, 136, wobei jeweils entlang einer vertikal orientierten Achse 138 über einer horizontal orientierten Achse 140 für die Zeit in dem ersten Diagramm 140 ein Stromverlauf 142 für eine erste Spule 42 eines ersten Einspritzventils, in dem zweiten Diagramm 132 ein Stromverlauf 144 einer zweiten Spule 44 für ein zweites Einspritzventil, in dem dritten Diagramm 134 ein Stromverlauf 146 für eine dritte Spule 46 eines dritten Einspritzventils und dem vierten Diagramm 136 ein vierter Stromverlauf 148 für eine vierte Spule 48 eines vierten Einspritzventils aufgetragen ist.
Hierbei ist der erste Stromverlauf 142 für die erste Spule aus dem ersten Diagramm 130 in mehrere Phasen unterteilt, nämlich eine Aufladephase 150 eines Boosterkon densators, eine Vormagnetisierungsphase 152, eine Boosterphase 154, eine Anzugs- bzw. Freilaufphase 156, eine Schnelllöschung 158, eine Haltephase mit Stromanstieg 160, eine Haltephase mit Freilauf 162, eine Haltephase mit Stromanstieg 164, eine Haltephase mit Freilauf 166, eine Schnelllöschungsphase 168 mit Bereitstellung eines Inversstroms 169, eine Inversstromschnelllöschung 170 sowie eine Aufladephase 172 des Boosterkondensators, die der Aufladephase 150 entspricht.
Die horizontal orientierten Achsen 140 für die Zeit der vier Diagramme 130, 132, 134, 136 sind synchron zueinander angeordnet und verdeutlichen somit eine zeitliche Versetzung der einzelnen Stromverläufe 142, 144, 146, 148 und der zeitlich versetzten oder sich überlappenden Einspritzungen der vier Einspritzventile. Weiterhin umfassen diese vier Stromverläufe sägezahnförmige Abschnitte, während denen eine Rückspeistaktung zur Aufladephase 150, 172 des Boosterkondensators erfolgt.
Die in 6 gezeigten Diagramme 130, 132, 134, 136 stellen die Stromverläufe 142, 144, 146, 148 für eine Bankanordnung dar, wie sie durch die dritte Ausführungsform der Schaltungsanordnung 40 in 3 exemplarisch dargestellt ist.
Eine gemeinsame Betrachtung des ersten Diagramms 130 und des zweiten und vierten Diagramms 132, 136 zeigt, dass während der Vormagnetisierungsphase 152 und der Boosterphase 154 für die erste Spule 42 gleichzeitig eine Aufladephase 172 des Boosterkondensators durch eine Rückspeistaktung der zweiten und vierten Spule 44, 48 durchgeführt wird. Durch die Gruppenverschaltung der Spulen 42, 44, 46, 48 in der Schaltungsanordnung 40 aus 4 kann das dritte Einspritzventil den Boosterkondensator in dieser Phase nicht aufladen. Durch die zylinderindividuelle Anordnung in der Schaltungsanordnung 90 aus 4 kann auch in dieser Phase eine Aufladung des Boosterkondensators 4 durch das dritte Einspritzventil erfolgen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19746980 A1 [0007]
- DE 19539071 A1 [0008, 0009]

Claims

Schaltungsanordnung, die zum Betreiben einer Anzahl von Einspritzventilen ausgebildet ist und einen Boosterkondensator (4) aufweist, der zum Austausch von elektrischer Energie mit Spulen (26, 42, 44, 46, 48) der Einspritzventile ausgebildet ist, wobei der Boosterkondensator (4) auf einer Batteriespannung (7) einer Batterie (6) angebunden ist.
Schaltungsanordnung, die zum Betreiben einer Anzahl von Einspritzventilen ausgebildet ist und einen Boosterkondensator (4) aufweist, der zum Austausch von elektrischer Energie mit Spulen (26, 42, 44, 46, 48) der Einspritzventile ausgebildet ist, wobei die Schaltungsanordnung (2, 30, 40, 90, 200) zum schnelleren Schließen eines Einspritzventils einer Spule (26, 42, 44, 46, 48) diesem Einspritzventil am Ende eines Einspritzvorgangs ein Inversstrom zum Abbau einer Restmagnetisierung im magnetischen Kreis des Einspritzventils bereitgestellt wird.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Boosterkondensator (4) zur Umsetzung einer Boosterphase (154) eines ersten Einspritzventils dazu ausgebildet ist, einer Spule (26, 42, 44, 46, 48) dieses ersten Einspritzventils elektrische Energie bereitzustellen und somit eine Spannung dieser Spule (26, 42, 44, 46, 48) zu erhöhen.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der eine Spule (26, 42, 44, 46, 48) eines Einspritzventils dazu ausgebildet ist, nach Beendigung eines Einspritzvorgangs elektrische Energie in den Boosterkondensator (4) zu laden.
Schaltungsanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, die in Verbindung mit einem Mikrocomputer ein Modul zur Kontrolle von Einspritzvorgängen der Einspritzventile aufweist, wobei dieses Modul dazu ausgebildet ist, mindestens eine Komponente der Schaltungsanordnung (2, 30, 40, 90) derart zu steuern, dass in Abhängigkeit einer Abfolge der Einspritzvorgänge der Austausch der elektrischen Energie zwischen dem Boosterkondensator (4) und den Spulen (26, 42, 44, 46, 48) der Einspritzventile erfolgt.
Schaltungsanordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, die einen hochseitigen Stromumkehrschalter (32, 232) und einen niedrigseitigen Stromumkehrschalter (36, 233), die dem Boosterkondensator (4) zugeordnet sind, aufweist, wobei der Inversstrom über diese beiden Stromumkehrschalter (32, 36, 232, 233) fließt.
Verfahren zum Betreiben einer Anzahl von Einspritzventilen, bei dem elektrische Energie zwischen einem Boosterkondensator (4), der auf einer Batteriespannung (7) einer Batterie (6) angebunden wird, und Spulen (26, 42, 44, 46, 48) der Einspritzventile ausgetauscht wird.
Verfahren zum Betreiben einer Anzahl von Einspritzventilen, bei dem elektrische Energie zwischen einem Boosterkondensator (4) und Spulen (26, 42, 44, 46, 48) der Einspritzventile ausgetauscht wird, wobei zum schnelleren Schließen eines Einspritzventils einer Spule (26, 42, 44, 46, 48) diesem Einspritzventil am Ende eines Einspritzvorgangs ein Inversstrom zum Abbau einer Restmagnetisierung im magnetischen Kreis des Einspritzventils bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine Boosterspannung auf einen Fußpunkt jeweils einer Spule (26, 42, 44, 46, 48) eingekoppelt wird, und bei dem ein hochseitiger Punkt der Spule (26, 42, 44, 46, 48) auf einen Fußpunkt des auf der Batteriespannung (7) der Batterie (6) angebundenen Boosterkondensators (4) durchgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem einer Spule (26, 42, 44, 46, 48) mindestens eines ersten Einspritzventils zum Umsetzen einer Boosterphase elektrische Energie aus dem Boosterkondensator (4) bereitgestellt wird, wobei elektrische Energie von dem mindestens einen ersten Einspritzventil nach Beendigung eines Einspritzvorgangs in den Boosterkondensator (4) geladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, bei dem Energie von der Batterie (6) in mindestens ein nicht-einspritzendes Einspritzventil geladen wird und auch während der Boosterphase eines anderen Einspritzventils Energie von einer Spule (26, 42, 44, 46, 48) des mindestens einen nicht-einspritzenden Einspritzventils in den Boosterkondensator (4) übertragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem während der Schnelllöschung der in einer Spule (26, 42, 44, 46, 48) eines Einspritzventils fließende Strom über eine Diode von einem Fußpunkt des Boosterkondensators (4) zum hochseitigen Punkt der Spule (26, 42, 44, 46, 48) fließt, über die auch der Strom aus der Batterie (46) in die Spule (26, 42, 44, 46, 48) geladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem der Inversstrom bei einer Rückspeisung der in einer Spule (26, 42, 44, 46, 48) eines Einspritzventils gespeicherten elektrischen Energie in den Boosterkondensator (4) über eine Inversdiode eines hochseitigen und niedrigseitigen Schalters der Spule (26, 42, 44, 46, 48) des Einspritzventils erfolgt.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 12 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer Schaltungsanordnung (2, 30, 40, 90) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ausgeführt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 12 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit, insbesondere in einer Schaltungsanordnung (2, 30, 40, 90) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ausgeführt wird.