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Die
Erfindung betrifft Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen
Spannung für eine Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine,
eine Anordnung zum Bereitstellen einer elektrischen Spannung für
eine Einspritzvorrichtung, ein Computerprogramm und ein Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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In
Motorsteuergeräten (ECU) werden zum Betreiben von Aktoren,
z. B. Injektoren bzw. Einspritzventilen, üblicherweise
Durchflusswandler oder Sperrwandler eingesetzt, die dazu geeignet
sind, größere Spannungen als eine Versorgungsspannung (Ubat),
die von einer Batterie bereitgestellt wird, zu erzeugen.
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Bei
einem Sperrwandler wird ein Übertrager, der als ein Transformator
ausgebildet ist, mit endlicher Primärinduktivität
einer Versorgungsquelle zyklisch aufgeschaltet. Nach dem Verbinden
fließt durch die Primärwicklung des Übertragers
ein mit der Zeit kontinuierlich ansteigender Strom, wodurch in dem
Kernmaterial des Übertragers ein Arbeitsinhalt in Form
eines Magnetfelds (B-Feld) aufgebaut wird. Nach dem Abschalten wird
der Arbeitsinhalt sekundärseitig zum Laden eines Puffers
mit höherem Spannungsniveau verwendet. Bei Verwendung des Sperrwandlers
muss allerdings der gesamte Arbeitsinhalt in dem Kern als Magnetfeld
zwischengespeichert werden. Daher darf der Kern eine gewisse Größe,
die durch die maximale Kernflussdichte bis zur Materialsättigung
begrenzt ist, und die von der Ausgangsleistung eines DC-DC-Wandlers
abhängt, nicht unterschreiten.
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Im
Gegensatz zum Sperrwandler erscheint beim Durchflusswandler, ähnlich
wie es bei Netztransformatoren der Fall ist, durch die direkte Kopplung
die sekundärseitige Impedanz direkt auf einer Primärseite.
Durch die direkte Kopplung kann auch mit kleineren Übertragern
eine Aufladung in einen sekundärseitigen Puffer durchgeführt
werden. Der Wirkungsgrad eines Durchflusswandlers ist höher
als der Wirkungsgrad eines Sperrwandlers. Bei dem Durchflusswandler
ist jedoch die Sekundärspannung des Übertragers
eine direkte Funktion der Primärspannung, so dass sich
Spannungsschwankungen der Versorgungsquelle direkt auf die Sekundärseite auswirken
können. Das ist beim Ansteuern von Lasten oft unerwünscht.
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Im
automotiven Einsatz kommen die genannten Wandler aufgrund einer
oft stark schwankenden Batteriespannung zum Einsatz, da der Strom durch
die Last bei variierender Batteriespannung abhängig ist.
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Eine
Elektrische Schaltung zur Ansteuerung eines piezoelektrischen Elements,
insbesondere einer Kraftstoffeinspritzanlage eines Kraftfahrzeugs,
ist aus der Druckschrift
DE 10 2004 058 671 A1 bekannt. Diese Schaltung
umfasst, zwei in Serie geschaltete, in einem Takt ansteuerbare Transistoren, deren
gemeinsamer Anschlusspunkt mit dem piezoelektrischen Element gekoppelt
ist, wobei einer der Transistoren zur Entladung des piezoelektrischen Elements
vorgesehen ist. Bei einem Fehler ist der für die Entladung
vorgesehene Transistor in dem Takt ansteuerbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen
Spannung für eine Einspritzvorrichtung einer Brennkraftmaschine
unter Verwendung eines als Durchflusskondensator C0 ausgebildeten
Kondensators und einer Anzahl zueinander parallel geschalteter,
als Sperrkondensatoren C1, C2, CN ausgebildeter Kondensatoren, die
mit dem Durchflusskondensator C0 in Reihe geschaltet sind, wobei
mindestens einer der Kondensatoren aktiviert und eine von einer
Spannungsquelle bereitgestellte Versorgungsspannung modifiziert
und der Einspritzvorrichtung bereitgestellt wird.
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In
Ausgestaltung wird jeweils ein Kondensator durch eine Diode, die
dem Kondensator zugeordnet ist, geschaltet bzw. aktiviert, so dass
von dem aktivierten Kondensator ein Beitrag zu der Spannung geliefert
wird.
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Mit
dem Verfahren können verschiedene Betriebsbedingungen realisiert
werden. Bspw. wird zur Umsetzung einer Boosterphase für
die Einspritzvorrichtung der Durchflusskondensator C0 und ein Sperrkondensator
C1, C2, CN aktiviert und der Einspritzvorrichtung die Summe der
Spannungen des Durchflusskondensators C0 und des Sperrkondensators
C1, C2, CN bereitgestellt. Folglich ist es möglich, der
Einspritzvorrichtung eine gegenüber der Versorgungsspannung
erhöhte Spannung bereitzustellen.
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Im
Durchflussbetrieb existiert eine direkte Kopplung zwischen der Spannungsquelle
bzw. Batterie und dem Durchflusskondensator. Der Summierwandler
kann somit auch asymmetrisch betrieben werden.
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Alternativ
wird zur Umsetzung einer Haltephase für die Einspritzvorrichtung
der Durchflusskondensator C0 aktiviert und lediglich die Spannung
des Durchflusskondensators C0 bereitgestellt.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Anordnung zum Bereitstellen einer
elektrischen Spannung für eine Einspritzvorrichtung einer
Brennkraftmaschine, wobei die Anordnung einen als Durchflusskondensator
C0 ausgebildeten Kondensator und eine Anzahl zueinander parallel
geschalteter, als Sperrkondensatoren C1, C2, CN ausgebildeter Kondensatoren,
die mit dem Durchflusskondensator C0 in Reihe geschaltet sind, aufweist,
wobei die Anordnung dazu ausgebildet ist, durch Aktivierung mindestens eines
der Kondensatoren eine von einer Spannungsquelle bereitgestellte
Versorgungsspannung zu modifizieren und der Einspritzvorrichtung
bereitzustellen.
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Diese
Anordnung umfasst einen sog. Summierwandler mit einem Durchflusswandler,
der den Durchflusskondensator C0 aufweist, und einen hierzu in Reihe
geschalteten Sperrwandler, der mehrere je nach Bedarf auswähl-
und aktivierbare Sperrkondensatoren C1, C2, CN umfasst.
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Die
Anordnung kann einen mit der Spannungsquelle verbundenen als Übertrager
ausgebildeten Transformator aufweisen, der parallel zu dem Durchflusskondensator
C0 geschaltet ist. Üblicherweise ist jedem Kondensator
eine Diode zugeordnet ist, wobei ein Kondensator für einen
Betrieb der Anordnung durch Schalten der zugeordneten Diode zu schalten
bzw. zu öffnen ist.
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Die
Anordnung kann in Ausgestaltung eine Leistungsschaltung umfassen,
die dazu ausgebildet ist, mindestens eine Komponente der Einspritzvorrichtung
anzusteuern und der mindestens einen angesteuerten Komponente die
Spannung bereitzustellen.
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Mit
dem im Rahmen der Erfindung vorgesehenen Summierwandler kann ein
Mischbetrieb aus einem Sperrbetrieb und einem Durchflussbetrieb
umgesetzt werden. Da hierbei ein Spannungsabfall über den
Anteil des Sperrwandlers typischerweise kompensiert wird, existiert
keine Abhängigkeit der bereitgestellten Spannung bzw. Ausgangsspannung
von der Eingangsspannung, wie es bspw. bei einem allein betriebenen
Durchflusswandler der Fall ist.
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Bei
dem Summierwandler als eine Komponente der Anordnung wird die Gesamtenergie über zwei
Phasen, d. h. eine Durchflussphase U_C0 und eine Sperrphase U_C1,
U_C2, U_CN bereitgestellt. Eine Wandlerleistung der Anordnung, die
dabei auf die Sperrphase U_C1, U_C2, U_CN entfällt, ist
daher kleiner als bei einem Standalone-Sperrwandler mit derselben
Ausgangsleistung. Die Auswahl einer Kerngröße
für den als Übertrager ausgebildeten Transformator
beim Summierwandler richtet sich nach der Sperrphase U_C1, U_C2,
U_CN bzw. nach der Leistung, die in der Sperrphase U_C1, U_C2, U_CN
transportiert wird. Da beim Summierwandler im Vergleich zu einem
Standalone-Sperrwandler die Leistung jedoch kleiner ist, kann beim
Summierwandler ein Übertragerkern mit kleineren magnetischen
Kerngrößen verwendet werden.
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Im
Rahmen der Erfindung ergibt sich weiterhin, dass die Anordnung bzw.
der Summierwandler unterschiedliche Spannungsniveaus mit unterschiedlicher
Kopplung zur Spannungs- bzw. Versorgungsquelle bereitstellt, was
bspw. den Einsatz im Bereich von Magnetventileinspritzanordnungen
oder -systemen begünstigt. So können als Ausgangsspannungen
der Anordnung verdoppelte Hochspannungen U_C0 + U_C1, U_C0 + U_C2,
U_C0 + U_CN zum Umsetzen der sog. Boosterphase, bei der ein Einspritzventil
unter Zuführung eines steil ansteigenden Stroms geöffnet
wird, verwendet werden. Hierbei erfolgt eine Boosterung, bei der
ein Einspritzventil der Einspritzvorrichtung durch eine hohe Spannung
in kurzer Zeit schnell geöffnet werden kann.
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Beim Übergang
von der Boosterphase zu der Haltephase, bei der dem Einspritzventil
ein Haltestrom zugeführt wird, kann auf die Durchflussspannung
U_C0 umgeschaltet werden. Dabei kann eine direkte Kopplung zur Batterie
genutzt werden, da sich der Strom dann auf die Durchflussspannung
U_C0 bzw. direkt über den Übertrager auf die Versorgungsspannungsquelle
aufteilt. Daraus ergibt sich eine Verkleinerung des überlagerten
Wechselstroms bzw. Rippelsstroms auf den Durchflusskondensator C0. Außerdem
kann ein erhöhter Wirkungsgrad des Durchflusswandlers ausgenutzt
werden. Der Gesamtwirkungsgrad der Einspritzschaltung wird dadurch
begünstigt, da die Einspritzung über die unterschiedlichen
Wandlerarten, d. h. den Durchfluss- und/oder Sperrwandler, realisiert
wird.
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Da
beim Summierwandler die Gesamtausgangsspannung durch Spannungsverdoppelung
erzeugt wird, wobei eine Gesamtspannung U_C0 + U_C1 für
eine erste Bank und U_C0 + U_C2 für eine zweite Bank bereitgestellt
wird, eignet sich der Summierwandler auch zum Erzeugen sehr hoher
Spannungen, wie sie für Piezoeinspritzsteuergeräte
notwendig sind. Im Vergleich zum Standalone-Sperrwandler können
hierbei Kondensatoren mit kleinerer Spannung eingesetzt werden. Üblicherweise
werden die Bauformen von Elektrolytkondensatoren bei konstanter
Kapazität mit geringerer Spannung deutlich kleiner. Da
mehr Kondensatoren als beim Standalone-Sperrwandler vorgesehen sind,
erhöht sich auch die Lebensdauer der Kondensatoren, da
nunmehr eine Reduzierung der Belastung von Einzelbauteilen umgesetzt
werden kann. Kleinere Kondensatoren sind kostengünstig,
benötigen nur wenig Platz und weisen eine höhere
mechanische Stabilität, u. a. eine höhere Schüttelbeständigkeit,
als größere Kondensatoren auf.
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Bei
einer möglichen Umsetzung des Verfahrens ist vorgesehen,
dass durch eine Diodenmatrix, die die Durchflussdiode D0 sowie die
Sperrdioden D1, D2, DN umfasst, der Durchflusskondensator C0 über
den als Übertrager L1/L2 ausgebildeten Transistor im Durchfluss über
die Durchflussdiode D0 geladen wird. Die Kapazitäten der
Sperrkondensatoren C1, C2, CN werden im Sperrbetrieb über
die zugeordneten Sperrdioden D1, D2, DN geladen. Die Kondensatoren
C0 und C1 bzw. C0 und C2 sind in Serie geschaltet, so dass sich
eine Spannungsverdoppelung ergibt. Über die beiden Zweige
mit den Kondensatoren C0 und C1 bzw. C0 und C2 können bei
einem sog. Mehrbankbetrieb mehrere Bänke eines Dieselsteuergeräts
betrieben werden. Falls auf den unterschiedlichen Bänken
Ladungsunterschiede in den Sperrkondensatoren C1, C2, CN auftreten,
werden diese durch Nachladen automatisch ausgeglichen, da der schwächere
Kondensator einen höher aufgeladenen Kondensator beeinflusst.
Durch entsprechende Diodenmatrizen können noch mehrere
Bänke bedient werden.
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Die
beschriebene Anordnung ist dazu ausgebildet, sämtliche
Schritte des vorgestellten Verfahrens durchzuführen. Dabei
können einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen
Komponenten der Anordnung durchgeführt werden. Weiterhin
können Funktionen der Anordnung oder Funktionen von einzelnen
Komponenten der Anordnung als Schritte des Verfahrens umgesetzt
werden. Außerdem ist es möglich, dass Schritte
des Verfahrens als Funktionen einzelner Komponenten der Anordnung
oder der Anordnung realisiert werden.
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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 einer erfindungsgemäßen
Anordnung, ausgeführt wird.
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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 einer erfindungsgemäßen
Anordnung, ausgeführt wird.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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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
Erfinqdung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt
in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße
Anordnung.
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Ausführungsform der Erfindung
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Die
Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung
schematisch dargestellt und wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Die
in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Anordnung 2 umfasst
einen Summierwandler 4, der einen als Übertrager
ausgebildeten Transformator 6 mit einer ersten Spulenwicklung
L1 8 und einer zweiten Spulenwicklung L2 10 aufweist.
Als eine weitere Komponente des Summierwandlers 4 ist ein
Durchflusswandler 12 vorgesehen, der einen als Durchflusskondensator
C0 14 ausgebildeten Kondensator sowie eine diesem zugeordnete
und in Reihe geschaltete, als Durchflussdiode D0 16 ausgebildete
Diode aufweist. Als weitere Komponente des Summierwandlers 4 ist
in der vorliegenden Ausführungsform ein Sperrwandler 18 vorgesehen.
Dieser Sperrwandler 18 umfasst eine Anzahl zueinander parallel
geschalteter, als Sperrkondensatoren C1 20, C2 22,
CN 24 ausgebildete Kondensatoren. Jedem dieser Sperrkondensatoren
C1 20, C2 22, CN 24 ist eine als Sperrdiode
C1 26, C2 28, CN 30 ausgebildete Diode durch
Reihenschaltung zugeordnet.
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In
der vorliegenden Ausführungsform ist es weiterhin vorgesehen,
dass der Summierwandler 4 einen durch ein Funktionselement 32 bedienbaren Schalter 34 aufweist,
mit dem die erste Spulenwicklung 8 auf Masse geschaltet
werden kann. Außerdem ist die erste Spulenwicklung 8 zu
einer Spannungsquelle U_Bat 36 parallel geschaltet. Als
weitere Komponente der Anordnung 2 ist Leistungsschaltung 38 zum
Ansteuern von angeschlossenen Lasten vorgesehen. In der vorliegenden
Ausführungsform ist die Leistungsschaltung 38 der
Anordnung 2 mit einem ersten Piezoaktor 40, einem
zweiten Piezoaktor 42, einem dritten Piezoaktor 44 und
einem vierten Piezoaktor 46 einer Einspritzvorrichtung 48 verbunden.
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Bei
Umsetzung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird zumindest der als Durchflusskondensator C0 14 ausgebildete
Kondensator durch Öffnen der als Durchflussdiode D0 16 ausgebildeten
Diode aktiviert und mit der zweiten Spulenwicklung L1 12 des
Transformators 6 verbunden. Dadurch ergibt sich, dass an
dem Durchflusskondensator C0 14 eine Durchflussspannung
U_C0 50 anliegt. In einer Betriebssituation, bei der nur
der Kondensator C0 14 aktiviert und die Sperrkondensatoren
C1 20, C2 22, CN 24 des Sperrwandlers 18 bei geschlossenen
Sperrdioden D1 26, D2 28, DN 30 nicht
aktiviert sind, wird als Ausgangsspannung des Summierwandlers 14 eine
Haltespannung 52 bereitgestellt. Diese Haltespannung U_halt_out 52 wird
einem der Piezoaktoren 40, 42, 44, 46 zur
Umsetzung einer Haltephase bereitgestellt.
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Für
andere Betriebssituationen wird ergänzend durch Öffnen
einer jeweils zugeordneten Sperrdiode D1 26, D2 28,
D3 30 einer der Sperrkondensatoren C1 20, C2 22,
CN 24 des Sperrwandlers 18 aktiviert. Falls der
erste Sperrkondensator C1 20 über die Sperrdiode
D1 26 aktiviert ist, liegt an dem Sperrkondensator C1 20 eine
erste Sperrspannung U_C1 54 an. Daraus folgt, dass als
Ausgangsspannung des Summierwandlers 4 eine erste Boosterspannung U_boost_out1 56 anliegt,
die sich aus der Summe der Durchflussspannung U_C0 50 und
der ersten Sperrspannung U_C1 54 ergibt.
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Eine
zweite Boosterspannung U_boost_out2 58 als Ausgangsspannung
des Summierwandlers 4 entspricht einer Summe der Durchflussspannung U_C0 50 und
einer zweiten Sperrspannung U_C2 60, die an dem zweiten
Sperrkondensator C2 22 anliegt. Eine an dem N-ten Sperrkondensator
CN 24 anliegende N-te Sperrspannung U_CN 62 und
die Durchflussspannung U_C0 summieren sich zu einer N-ten Boosterspannung
U_boost_outN 64 als Ausgangsspannung.
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Durch
die genannten Boosterspannungen U_boost_out1 56, U-boost_out2 58,
U_boost_outN 64 ist es möglich, mindestens einen
der Aktoren 40, 42, 44, 46 der
Einspritzvorrichtung 48 im Boosterbetrieb, bei dem ein
jeweiliger Aktor 40, 42, 44, 46 ein zugeordnetes
Einspritzventil unter einem steilen Stromanstieg öffnet,
zu betreiben. Nach einem jeweiligen Boosterbetrieb ist die Haltephase
vorgesehen, bei der ein zugeordnetes Einspritzventil offengehalten
wird. Zu diesem Zweck wird von dem Summierwandler 4 die
bereits beschriebene Haltespannung U_halt_out 52 bereitgestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004058671
A1 [0006]