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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung zumindest
eines Einspritzventils, insbesondere eines Magnet-Einspritzventils,
für einen
Verbrennungsmotor.
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Um
einen optimalen Verbrennungsvorgang zu erzielen, müssen Einspritzventile
für Verbrennungsmotoren,
sog. SDI-Ventile, zu einem präzise vorgegebenen
Zeitpunkt schnell geöffnet,
anschließend
geöffnet
gehalten und dann geschlossen werden. Neben dem exakten und raschen Öffnen sind die
minimale und maximale Einspritzmenge an Kraftstoff pro Puls sowie
das Verhältnis
der minimalen und maximalen Einspritzmenge zueinander (sog. Spreizung)
relevant. Ferner muss bei aufeinander folgenden Pulsen eine reproduzierbare
Einspritzmenge mit hoher Genauigkeit erzielbar sein.
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Die
minimal mögliche
Einspritzmenge definiert zusammen mit einem statischen Durchfluss
des Kraftstoffs sowie dem regelbaren Kraftstoffdruckbereich die
mögliche
Spreizung der Einspritzmenge und damit die maximal mögliche Leistung
oder Drehzahl bei der gegebenen Minimalmenge, z. B. im Leerlauf.
Die Reduktion der minimalen Einspritzmenge ermöglicht Mehrfacheinspritzungen,
insbesondere bei solchen Einspritzstrategien, die Einspritzungen nahe
einem Zündzeitpunkt
realisieren. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise das Emissionsverhalten positiv
beeinflusst werden. So lassen sich bei mittleren und hohen Lasten
Ruß vermeiden.
Ebenso kann das Ansprechverhalten eines Katalysators durch eine
für Katalysator-Heizen optimierte
Einspritzstrategie verbessert werden.
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Die
präzise
Ansteuerung der Einspritzventile erfolgt unter Verwendung eines
vorgegebenen Stromprofils, bei dem eine dem Einspritzventil zugeordnete
Zylinderspule mit Strom beaufschlagt wird. Zur Öffnung des Ventils wird die
Zylinderspule mit einem hohen Strom beaufschlagt. Um das Ventil
geöffnet
zu halten und die Verlustleistung zu minimieren, wird es mit einem
geringeren Strom geöffnet
gehalten. Nach dem Abschalten des Stromes und dessen möglichst
schnellem Abbau in der Zylinderspule schließt das Ventil über die
Kraft einer Feder, die das Ventil im Ruhezustand geschlossen hält. Je nach Bauart
des Ventils kann die Federkraft durch den Kraftstoffdruck unterstützt werden.
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Zur
Verringerung der minimalen Einspritzmenge und -zeit muss der Schließvorgang
so schnell wie möglich
durchgeführt
werden. Um die während des Öffnungsvorganges
zu überwindende
Federkraft nicht erhöhen
zu müssen,
sind Lösungen
zum aktiven Schließen
des Ventils bekannt. Diese sind unter dem Namen „Rapid Injector Closing” (RIC)
bekannt. Bei diesem Verfahren wird während des Schließvorganges
des Ventils für
kurze Zeit ein inverser Strom in der Zylinderspule aufgebaut, um
das Ventil zuzudrücken.
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Eine
aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung zur Ansteuerung
zweier Einspritzventile ist in 1 dargestellt.
Den zwei Einspritzventilen ist jeweils eine Zylinderspule L1, L2
zugeordnet, welche mit ihrem ersten Spulenanschluss SP1(L1), SP1(L2)
miteinander und jeweils über
ein steuerbares Halbleiterschaltelement T2, T9 mit einem Versorgungspotentialanschluss
VP2 bzw. einem Versorgungspotentialanschluss VP3 verbindbar sind. An
dem Versorgungspotentialanschluss VP2 liegt eine Versorgungsspannung
von 70 V an, welche über einen
nicht dargestellten DC/DC-Wandler aus einer Fahrzeug-Bordspannung
von 12 V erzeugt ist und in beiden Richtungen einen schnellen Stromaufbau
ermöglicht.
An dem Versorgungspotentialanschluss VP3 liegt die Fahrzeug-Bordspannung (12
V) unmittelbar an. Mit ihrem zweiten Spulenanschluss SP2(L1), SP2(L2)
sind die Zylinderspulen L1, L2 jeweils über ein steuerbares Halbleiterschaltelement T1
bzw. T5 mit einem Bezugspotentialanschluss BP gekoppelt. Durch die
Ansteuerung eines der Halbleiterschaltelemente T1, T5 erfolgt eine
Auswahl, welche der Zylinderspulen und damit welches Einspritzelement
zu einem gegebenen Zeitpunkt betätigt
werden soll. Die Auswahl erfolgt dadurch, dass das entsprechende
Halbleiterschaltelement T1, T5 leitend geschaltet wird, während das
andere Halbleiterschaltelement sperrend geschaltet ist. Die Einstellung
der Höhe
des durch die ausgewählte
Zylinderspule L1, L2 fließenden
Stromes erfolgt durch Pulsweitenmodulation mittels eines der Halbleiterschaltelemente T2,
T9.
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Während des Öffnungsvorganges
eines Einspritzventils wird der erste Spulenanschluss SP1(L1) oder
SP1(L2) des ausgewählten
Einspritzventils über das
Halbleiterschaltelement T2 mit der am Versorgungspotentialanschluss
VP2 anliegenden Betriebsspannung von 70 V beaufschlagt. Die hohe
Spannung ist zur Erzeugung eines ausreichend hohen Stromes und eines
steilen Stromanstiegs notwendig, um die Ventilkraft und die Massenträgheit des
Einspritzventils in kurzer Zeit überwinden
zu können. Nach
der vollständigen Öffnung des
Einspritzventils werden, wie eingangs erläutert, lediglich geringere Ströme benötigt, so
dass der entsprechende erste Spulenanschluss über den Versorgungspotentialanschluss
VP3 aus der Fahrzeug-Bordspannung
versorgt werden kann.
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1 zeigt
eine Ausgestaltungsvariante, bei der ein aktives Schließen eines
Einspritzventils verwirklicht ist. Zu diesem Zweck sind die zweiten
Spulenanschlüsse
SP2(L1), SP2(L2) je weils über
ein Halbleiterschaltelement T3, T4 mit dem Versorgungspotentialanschluss
VP2 verbunden. Darüber hinaus
sind die ersten Spulenanschlüsse
SP1(L1), SP1(L2) über
ein weiteres Halbleiterschaltelement T8 mit dem Bezugspotentialanschluss
BP verbunden.
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Die
Halbleiterschaltelemente T3, T4, T8 könnten durch Dioden ersetzt
sein, sofern kein aktives Schließen in der Schaltungsanordnung
vorgesehen ist. In der in 1 gezeigten
Ausgestaltung übernehmen
die jeweiligen Body-Dioden der als Feldeffekttransistoren ausgebildeten
Halbleiterschaltelemente T3, T4, T8 die Funktion der Dioden als Freilaufdioden,
wenn der Stromfluss durch eine aktivierte Zylinderspule mittels
des pulsweiten modulierten Halbleiterschaltelements T9 unterbrochen
wird.
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Über das
Halbleiterschaltelement T8 kann der erste Spulenanschluss SP1(L1),
SP1(L2) der aktivierten Zylinderspule L1, L2 mit Bezugspotential verbunden
werden, wobei gleichzeitig der zweite Spulenanschluss SP2(L1), SP2(L2)
der aktivierten Zylinderspule L1, L2 über das zugeordnete Halbleiterschaltelement
T3 oder T4 mit dem Versorgungspotentialanschluss VP2 (70 V) verbunden
wird. Hierdurch kann der gewünschte
inverse, hohe Strom durch die Zylinderspule L1 oder L2 erzeugt werden.
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Nachteilig
an der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung
ist der Umstand, dass sämtliche
Halbleiterschaltelemente (mit Ausnahme des Halbleiterschaltelements
T9), der DC/DC-Wandler und die darin enthaltenen Kondensatoren auf
70 V ausgelegt sein müssen.
Diese Bauteile sind groß, teuer
und darüber
hinaus auf einem Halbleiterchip nicht oder nur aufwändig integrierbar.
Darüber
hinaus muss für
die Pulsweitenmodulation eine Strommessung über Shunts (in 1 nicht
dargestellt) er folgen, da die bevorzugten externen Sense-FETs mit der
erforderlichen Genauigkeit außerordentlich
teuer sind.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung
zur Ansteuerung zumindest eines Einspritzventils, insbesondere eines Magnet-Einspritzventils,
für einen
Verbrennungsmotor anzugeben, welche auf einfachere und kostengünstigere
Weise bereitstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Die
Erfindung schafft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung zumindest
eines Einspritzventils, insbesondere eines Magnet-Einspritzventils,
für einen
Verbrennungsmotor. Diese umfasst einen Versorgungspotentialanschluss,
an dem eine erste Spannung abgreifbar ist; einen Bezugspotentialanschluss;
eine oder mehrere Zylinderspulen, wobei zum Betätigen eines zugeordneten Einspritzventils an
einen ersten Spulenanschluss der Zylinderspule eine Spannung anlegbar
ist; eine steuerbare Spannungserhöhungsschaltung, die dazu ausgebildet
ist, aus der ersten Spannung eine zweite Spannung zu erzeugen, welche
höher als
die erste Spannung ist, wobei die Spannungserhöhungsschaltung an einem ersten
Eingang mit dem Versorgungspotentialanschluss und an einem ersten
Ausgang über
ein jeweiliges erstes steuerbares Halbleiterschaltelement mit den
Zylinderspulen verbunden ist; und eine Ansteuerschaltung, die zur
Ansteuerung zumindest mit einem jeweiligen Halbleiterschaltelement
und der Spannungserhöhungsschaltung
verbunden ist, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist,
in Abhängigkeit
eines Betätigungszustands
eines der Einspritzventile die erste oder die zweite Spannung an
den ersten Spulenanschluss genau einer Zylinderspule anzulegen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
können
im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung
kleinere und kostengünstigere
Bauteile verwendet werden. Darüber
hinaus können
diese mit einer hohen Integrationsdichte auf einem Schaltungsträger bzw. größtenteils
in einem integrierten Halbleiterchip vorgesehen werden. Es sind
im Vergleich nur wenige diskrete Bauelemente notwendig. Ermöglicht wird dies
dadurch, dass an dem Versorgungspotentialanschluss eine im Vergleich
zum Stand der Technik lediglich geringere Versorgungsspannung vorgesehen ist,
wodurch auch der DC/DC-Wandler einfacher und kostengünstiger
aufgebaut werden kann.
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Gemäß einer
zweckmäßigen Ausgestaltung ist
die Ansteuerschaltung derart ausgebildet, dass bei einer Mehrzahl
an Einspritzventilen zu einem gegebenen Zeitpunkt lediglich genau
eine der Zylinderspulen über
die Ansteuerung des zugeordneten ersten Schaltelements mit der ersten
oder der zweiten Spannung beaufschlagt wird. Das Vorsehen einer Mehrzahl
an Einspritzventilen in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird
auch als Bank bezeichnet. Eine Bank stellt eine Gruppe von Zylindern dar,
bei denen zu einem gegebenen Zeitpunkt lediglich ein Einspritzventil
geöffnet
werden darf. Die Anzahl der Einspritzventile pro Bank hängt im Wesentlichen
von der Bauform des Verbrennungsmotors ab.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
ist die Spannungserhöhungsschaltung
als bekannter Spannungsverdoppler ausgebildet. Hierdurch ist es
möglich,
die zur Ansteuerung eines Einspritzventils benötigte Spannung von 70 V aus
einer am Versorgungspotentialanschluss anliegenden Spannung von
35 V zu gewinnen. Hierdurch werden die einleitend bereits erläuterten
Vorteile erzielt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist ein zweiter Spulenanschluss der
Zylinderspule oder -spulen über
eine erste Strommesseinrichtung mit dem Bezugspotentialanschluss
verbunden, wobei dieser Pfad durch ein von der ersten Strommesseinrichtung unterschiedliches
viertes Halbleiterschaltelement oder durch die als Sense-FET ausgebildete
erste Strommesseinrichtung steuerbar auftrennbar ist. Das Vorsehen
einer im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Versorgungsspannung
ermöglicht
den Einsatz von integrierbaren Sense-FETs, welche zuverlässiger und
kostengünstiger
als Shunts sind.
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Zweckmäßigerweise
ist der erste Spulenanschluss einer jeweiligen Zylinderspule über ein
jeweiliges erstes Gleichrichtelement mit einem zweiten Ausgang der
Spannungserhöhungsschaltung
derart verbunden, dass das erste Gleichrichtelement einen Freilauf
der Zylinderspule ermöglicht,
wenn der Stromfluss durch die Zylinderspule mittels des zugeordneten
ersten Halbleiterschaltelements unterbrochen wird. In der einfachsten
Variante kann das erste Gleichrichtelement durch eine Diode ausgebildet sein,
welche den Freilauf der Zylinderspule erlaubt. Dabei ist der Kathodenanschluss
der Diode mit dem ersten Spulenanschluss verbunden.
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Vorteilhafterweise
ist das erste Gleichrichtelement durch ein durch die Ansteuerschaltung
steuerbares zweites Halbleiterschaltelement, insbesondere einen
Feldeffekttransistor (MOS-FET),
gebildet, wobei das Gleichrichtelement die Body-Diode des zweiten
Halbleiterschaltelements ist. Die Ausgestaltung des Gleichrichtelements
als steuerbares Halbleiterschaltelement weist den Vorteil auf, dass
ein aktives Schließen
(Rapid Injector Closing) des Einspritzventils ermöglicht wird.
Der Anschluss des zweiten Halbleiterschaltelements an den ersten
Spulenanschluss erfolgt derart, dass der Kathodenanschluss der Body-Diode
mit diesem verbunden ist, so dass dieser die Funktionalität der Freilaufdiode übernehmen
kann.
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In
einer weiteren konkreten Ausgestaltung ist der zweite Spulenanschluss über ein
zweites Gleichrichtelement mit dem Versorgungspotentialanschluss verbunden.
Das zweite Gleichrichtelement kann, wie das erste Gleichrichtelement,
durch eine einfache Diode ausgebildet sein, welche primär dem Zweck dient,
einen Freilauf einer der Zylinderspulen zu ermöglichen, wenn der Stromfluss
durch die Zylinderspule mittels des zugeordneten ersten Halbleiterschaltelements
unterbrochen wird. Dabei ist es ebenso zweckmäßig, wenn das zweite Gleichrichtelement durch
ein durch die Ansteuerschaltung steuerbares drittes Halbleiterschaltelement,
insbesondere einen Sense-FET, gebildet ist, wobei das Gleichrichtelement
die Body-Diode des dritten Halbleiterschaltelements ist. Die Ausgestaltung
des dritten Halbleiterschaltelements, insbesondere in Gestalt eines
Sense-FETs, ermöglicht
neben dem Freilauf der Zylinderspule auch auf kostengünstige und
präzise
Weise eine Strommessung während
des Schließvorgangs des
Ventils, wodurch der Strom durch die Zylinderspule besonders präzise regelbar
ist.
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Der
erste Sense-FET dient dazu, eine Strommessung vorzunehmen, wenn
das Einspritzelement geöffnet
wird oder geöffnet
gehalten wird. Der zweite Sense-FET dient dazu, eine Strommessung
während eines
aktiven Schließens
des Einspritzelements vorzunehmen, wobei der Strom durch entsprechende Pulsweitenmodulation
des zweiten Halbleiterschaltelements vorgenommen wird.
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In
einer weiteren konkreten Ausgestaltung sind die zweiten Spulenanschlüsse der
Mehrzahl an Zylinderspulen miteinander verbunden.
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Ferner
sind die Zylinderspule oder -spulen und die jeweiligen ersten Halbleiterschaltelemente sowie
das oder die ersten Gleichrichtelemente als diskrete Bauelemente
ausgebildet und auf eine Spannungsfestigkeit der zweiten, hohen
Spannung ausgelegt. Demgegenüber
sind die Bauelemente der Spannungserhöhungsschaltung, die erste Strommesseinrichtung,
optional das im Strompfad der ersten Strommesseinrichtung angeordnete
vierte Halbleiterschaltelement und das zweite Gleichrichtelement
auf eine Spannungsfestigkeit der ersten Spannung ausgelegt und auf
einem gemeinsamen Halbleiterchip integrierbar. Hierdurch lässt sich
die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
im Vergleich zu einer herkömmlichen
Schaltungsanordnung mit geringeren Kosten und einem geringeren Platzaufwand realisieren.
Insbesondere können
sämtliche
Bauelemente, welche nicht direkt einem Einspritzelement zugeordnet
sind, auf dem gemeinsamen Halbleiterchip integriert werden, da diese
mit einer im Vergleich geringeren Spannung betrieben werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung weist die Ansteuerschaltung eine Schalteinrichtung
zur Pulsweitenmodulation auf, welche mit dem jeweiligen Steueranschluss
des steuerbaren Schaltelements verbunden ist zur Einstellung eines
Stroms durch die jeweilige Zylinderspule. Die Pulsweitenmodulation
erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit
eines durch die Sense-FETs gemessenen Stromes.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung
ist die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet, zum Öffnen eines Einspritzventils
durch Leitendschalten des ersten Halbleiterschaltelements und erste
Ansteuerung der Spannungserhöhungsschaltung
an den ersten Spulenanschluss der zugeordneten Zylinderspule die
zweite Spannung anzulegen und den Strom durch die Zylinderspule
durch Pulsweitenmodulation des im Strompfad der ers ten Strommesseinrichtung
angeordneten vierten Halbleiterschaltelements oder durch Pulsweitenmodulation der
als Sense-FET ausgebildeten
ersten Strommesseinrichtung (T2) einzustellen, wobei eine Messung des
Stroms durch die erste Strommesseinrichtung erfolgt. Wie ohne Weiteres
ersichtlich ist, erfolgt durch das erste Halbleiterschaltelement
gleichzeitig eine Auswahl des zu betätigenden Einspritzventils sowie
die Pulsweitenmodulation zur Einstellung des Stroms durch die zugeordnete
Zylinderspule.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet,
zum Aufrechterhalten der Öffnung
des Einspritzventils durch Leitendschalten des ersten Halbleiterschaltelements und
zweite Ansteuerung der Spannungserhöhungsschaltung an den ersten
Spulenanschluss der zugeordneten Zylinderspule die erste Spannung
anzulegen und den Strom durch die Zylinderspule durch Pulsweitenmodulation
des ersten Halbleiterschaltelements einzustellen, wobei eine Messung
des Stroms durch die erste Strommesseinrichtung erfolgt.
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Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Ansteuerschaltung dazu
ausgebildet ist, zum Schließen
des Einspritzventils durch Sperren des ersten Halbleiterschaltelements
und Leitendschalten des zweiten Halbleiterschaltelements sowie zweite Ansteuerung
der Spannungserhöhungsschaltung
an den ersten Spulenanschluss der zugeordneten Zylinderspule eine
am Bezugspotentialanschluss anliegende dritte Spannung anzulegen
und den Strom durch. die Zylinderspule durch Pulsweitenmodulation des
zweiten Halbleiterschaltelements einzustellen, wobei eine Messung
des Stroms durch das dritte Halbleiterschaltelement erfolgt. Bei
dieser Ansteuerung erfolgt ein aktives Schließen des ausgewählten Einspritzventils.
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Die
Erfindung wird nachfolgend näher
anhand eines Ausführungsbeispiels
in der Zeichnung erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung zum Ansteuern
zweier Einspritzventile, und
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2A bis 2C eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zum Ansteuern zweier Einspritzventile, wobei anhand der 2A bis 2C unterschiedliche
Betätigungszustände eines
Einspritzventils verdeutlicht werden.
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In
den 2A bis 2C ist
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zur Ansteuerung eines oder mehrerer Einspritzventile, insbesondere
Magnet-Einspritzventile,
für einen
Verbrennungsmotor dargestellt. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeigt
beispielhaft die Elemente zur Ansteuerung zweier Einspritzventile.
Die Einspritzventile sind auf einer sog. Bank angeordnet, d. h.
die den Einspritzventilen zugeordneten Zylinderspulen werden an
einem ihrer Spulenanschlüsse
gemeinsam angesteuert. Dies bedeutet, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt
jeweils nur ein einziges Einspritzventil mittels der Schaltungsanordnung
betätigt,
d. h. geöffnet
und wieder geschlossen, werden darf.
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Der
Schaltungsaufbau ist in den 2A bis 2C identisch.
Anhand der 2A bis 2C werden
unterschiedliche Betätigungszustände bzw. Schaltzustände erläutert.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zeichnet sich durch einen einzigen Versorgungspotentialanschluss
VP1 aus, an dem beispielhaft eine Spannung von 35 V anliegt. Die
Spannung von 35 V wird mittels eines DC/DC-Wandlers aus einer Fahrzeug- Bordspannung von
12 V erzeugt. Der DC/DC-Wandler ist in den Figuren nicht dargestellt. Der
Versorgungspotentialanschluss VP1 ist mit einem ersten Eingang E1
einer Spannungserhöhungsschaltung
VD verbunden. Ein zweiter Eingang E2 der Spannungserhöhungsschaltung
VD ist mit einem Bezugspotentialanschluss BP verbunden. Der Bezugspotentialanschluss
BP ist mit Massepotential verbunden. Die Spannungserhöhungsschaltung
VD ist dazu ausgebildet, aus der am Bezugspotentialanschluss VP1
anliegenden ersten Spannung eine zweite Spannung zu erzeugen, welche
höher als
die erste Spannung ist. Im Ausführungsbeispiel
ist die Spannungserhöhungsschaltung
VD als Spannungsverdoppler ausgebildet, wobei dies jedoch nicht
zwingend ist. Demgemäß kann an
einem ersten Ausgang A1 eine Spannung von 70 V bereitgestellt werden. Die
Spannung von 70 V könnte
bei der gezeigten Topologie bei geeigneter Ansteuerung der steuerbaren Halbleiterschaltelemente
auch mit einer kleineren Spannung als 35 V (d. h. weniger als der
Hälfte
der zu erreichenden Spannung von 70 V) erzeugt werden.
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In
bekannter Weise umfasst der Spannungsverdoppler zwei seriell miteinander
verschaltete Halbleiterschaltelemente T7, T8, welche zwischen dem
Versorgungspotentialanschluss VP1 und dem Bezugspotentialanschluss
BP verschaltet sind. Die Steueranschlüsse der Halbleiterschaltelemente
T7, T8 sind mit einer in der Figur nicht näher dargestellten gemeinsamen
Ansteuerschaltung verbunden. Ein Knotenpunkt KP1 zwischen den Halbleiterschaltelementen
T7, T8 ist mit einem Knotenpunkt KP2 verbunden, mit welchem jeweilige
erste Kondensatoranschlüsse
von Kondensatoren C1, C2 verbunden sind. Der andere Anschluss des
Kondensators C1 ist mit dem ersten Ausgang A1 des Spannungsverdopplers und
einem Kathodenanschluss einer Diode D1 verbunden. Der Anodenanschluss
der Diode D1 ist mit dem ersten Eingang E1 des Spannungsverdopplers verbunden.
Der andere Anschluss des Kondensators C2 ist mit dem Anodenanschluss
ei ner Diode D2 und einem zweiten Ausgang A2 des Spannungsverdopplers
verbunden. Der Kathodenanschluss der Diode D2 ist mit dem zweiten
Eingang E2 sowie dem Halbleiterschaltelement T7 verbunden.
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Jedem
der Einspritzventile ist eine Zylinderspule L1, L2 zugeordnet. Ein
jeweiliger erster Spulenanschluss SP1(L1), SP1(L2) ist über ein
steuerbares erstes Halbleiterschaltelement T3 bzw. T5 mit dem ersten
Ausgang A1 des Spannungsverdopplers VD verbunden. Die jeweiligen
zweiten Spulenanschlüsse SP2(L1)
und SP2(L2) sind miteinander und über eine erste Strommesseinrichtung
in Gestalt eines ersten Sense-FET T2 mit dem Bezugspotentialanschluss BP
gekoppelt. Die Ansteuerung der ersten Halbleiterschaltelemente T3,
T5 sowie des Sense-FETs
T2 erfolgt wiederum durch die in der Figur nicht dargestellte gemeinsame
Ansteuerschaltung.
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Durch
die Ansteuerschaltung wird sichergestellt, dass zu einem gegebenen
Zeitpunkt lediglich genau eine der Zylinderspulen L1, L2 über die
Ansteuerung des zugeordneten ersten Schaltelements T3 oder T5 mit
der am ersten Ausgang A1 anliegenden und je nach Betätigungszustand
des Einspritzventils variablen Spannung beaufschlagt wird.
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Um
ein aktives Schließen
eines geöffneten Einspritzventils
zu ermöglichen,
ist ein jeweiliger erster Spulenanschluss SP1(L1), SP1(L2) über ein
jeweiliges zweites Halbleiterschaltelement T9, T10 mit dem zweiten
Ausgang A2 des Spannungsverdopplers VD verbunden. Gleichzeitig ist
durch die zweiten Halbleiterschaltelemente T9, T10 ein Freilauf
der aktiven Zylinderspule ermöglicht,
wenn der Stromfluss durch die Zylinderspule mittels des zugeordneten ersten
Halbleiterschaltelements unterbrochen wird.
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Um
während
des aktiven Schließens
und dem damit in der betreffenden Zylinderspule L1, L2 fließenden inversen
Strom messen zu können,
ist zwischen den zweiten Spulenanschlüssen SP2(L1) und SP2(L2) und
dem Versorgungspotentialanschluss VP1 ein zweiter Sense-FET T6 verschaltet. Neben
der Möglichkeit,
Strom messen und zur Ansteuerung verwenden zu können, erlaubt der zweite Sense-FET
T6 auch einen Freilauf der Zylinderspule über die darin integrierte Body-Diode.
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Sofern
ein aktives Schließen
eines geöffneten
Zylinderventils nicht vorgesehen ist, können die zweiten Halbleiterschaltelemente
T9, T10 durch Gleichrichtelemente GE1, GE2 in Gestalt einer Diode und
der zweite Sense-FET T6 durch ein weiteres Gleichrichtelement GE3
(z. B. ebenfalls in Gestalt einer Diode) ersetzt werden. Die Kathodenanschlüsse der
Gleichrichtelemente GE1, GE2 sind in diesem Fall mit einem jeweiligen
ersten Spulenanschluss SP1(L1), SP1(L2) verbunden. Die Anodenanschlüsse der
Gleichrichtelemente GE1, GE2 sind miteinander und mit dem zweiten
Ausgang A2 des Spannungsverdopplers verbunden. Der Anodenanschluss des
Gleichrichtelements GE3 wäre
mit den zweiten Spulenanschlüssen
SP2(L1) und SP2(L2) verbunden. Der Kathodenanschluss des Gleichrichtelements
GE3 wäre
mit dem Versorgungspotentialanschluss VP1 verbunden.
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Die
bereits erwähnte
und in den Figuren nicht dargestellte Ansteuerschaltung weist darüber hinaus
eine Schalteinrichtung zur Pulsweitenmodulation PWM auf, welche
in nachfolgend näher
beschriebener Weise die ersten bzw. zweiten Halbleiterschaltelemente
bzw. einen Sense-FET ansteuert und damit eine Stromregulierung durch
den aktiven Strompfad ermöglicht.
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Zur
Erläuterung
des Betriebsverhaltens zeigen die 2A bis 2C jeweils
neben den dargestellten Halbleiterschaltelementen deren Öffnungs- bzw.
Schließzustand
im Rahmen der Be tätigung
eines Einspritzventils. Es wird dabei davon ausgegangen, dass das
der Zylinderspule L1 zugeordnete Einspritzventil durch die Schaltungsanordnung
betätigt wird.
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2A zeigt
die Situation zur Fereitstellung des Stromes zum Öffnen des
der Zylinderspule L1 zugeordneten Einspritzventils. Die Halbleiterschaltelemente
T2, T3, T8 sind leitend geschaltet. Die übrigen Halbleiterschaltelemente
sind sperrend geschaltet. Durch die Ansteuerschaltung erfolgt (nach
dem vollständigen Öffnen des
Einspritzventils) eine Pulsweitenmodulation des ersten Halbleiterschaltelements
T3. Die Strommessung, welche die Pulsweitmmodulation beeinflusst,
wird über
den ersten Sense-FET T2 vorgenommen. Der sich bei der in 2A gezeigten
Schalterstellung ergebende Stromfluss ist durch den mit A gekennzeichneten
Pfeil wiedergegeben.
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Durch
das Leitendschalten des Halt leiterschaltelements T8 wird der Knotenpunkt
KP2 auf ein dem Versorgungspotentialanschluss VP1 entsprechendes
Potential von 35 V gebracht. Der auf 35 V aufgeladene Kondensator
C1 hebt dadurch die am ersten Ausgang A1 verfügbare Spannung auf 70 V an,
so dass bei leitend geschaltetem ersten Halbleiterschaltelement
T3 ein schnell ansteigender und hoher Strom durch die Zylinderspule
L1 geführt
werden kann. Ist die Massenträgheit
des Einspritzventils überwunden
und das Einspritzventil aufgrund des durch die Zylinderspule L1
erzeugten Magnetfelds vollständig
geöffnet,
so erfolgt eine Pulsweitenmodulation des ersten Halbleiterschaltelements
T3, so dass ein in etwa konstanter Strom durch die Zylinderspule
L1 erzeugt wird. Der durch die Selbstinduktionsspannung der Zylinderspule
L1 fließende
Strom während
der Ausschaltzeiten des ersten Halbleiterschaltelements T3 kann über die
Body-Diode des Halbleiterschaltele ments T9 und den Kondensator C2
erfolgen, so dass sich folgender Strompfad ergibt: T8-C2-T9-L1-T2.
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2B zeigt
den Zustand der Halbleiterschaltelemente zur Bereitstellung eines
im Vergleich zum Öffnungsstrom
geringeren Haltestroms, bei dem lediglich eine der Federkraft des
Einspritzventils entsprechende Kraft durch die Zylinderspule L1
aufgebracht werden muss. Hierzu ist es ausreichend, wenn an den
ersten Spulenanschluss SP1(L1) eine Spannung von lediglich 35 V
angelegt wird, welche durch den Versorgungspotentialanschluss 1
bereitgestellt werden kann. Während
dieses Betätigungszustands sind
die Halbleiterschaltelemente T2, T3, T7 eingeschaltet. Die anderen
Halbleiterschaltelemente T6, T8, T9 sind ausgeschaltet. Es erfolgt
eine Pulsweitenmodulation über
das erste Halbleiterschaltelement T3. Die Strommessung erfolgt wiederum über das
Halbleiterschaltelement T2. Der während dieses Betätigungszustandes
sich ergebende Stromfluss ist mit B gekennzeichnet.
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Aufgrund
der im Vergleich zur Situation in 2A geringeren
Versorgungsspannung in Höhe von
35 V am ersten Spulenanschluss SP1(L1) und der Pulsweitenmodulation
am Halbleiterschalter T2 ergibt sich ein gegenüber dem Öffnen verringerter Strom durch
die Zylinderspule L1. Die durch das Öffnen und Schließen des
Sense-FETs T2 in der Zylinderspule L1 verursachte Selbstinduktionsspannung und
der hierdurch erzwungene Spulenstrom können über die Diode D1, die Body-Diode
des geöffneten Halbleiterschaltelements
T6, die Spule L1 sowie über das
leitend geschaltete Halbleiterschaltelement T3 fließen, so
dass sich folgender Strompfad ergibt: D1-T3-L1-T6. Da der Sense-FET
T2 während
der Pulsweitenmodulation den durch ihn fließenden Strom nicht messen kann,
wird dieser währenddessen
für eine
jeweils fixe Zeit ausgeschaltet.
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2C zeigt
die Situation während
des aktiven Schließens
des Einspritzventils, das der Zylinderspule L1 zugeordnet ist. Hierbei
sind die Halbleiterschaltelemente T6, T7 und T9 leitend geschaltet. Die übrigen Halbleiterschaltelemente
T2, T3 und T8 sind sperrend geschaltet. Die Pulsweitenmodulation erfolgt
nun über
das zweite Halbleiterschaltelement T9. Sofern eine Strommessung
nötig ist,
wird diese über
den zweiten Sense-FET T6 vorgenommen. Der sich hierbei ergebende
Strompfad durch die Zylinderspule L1 ist mit C gekennzeichnet.
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Aufgrund
des Leitendschaltens des Halbleiterschaltelements T9 sowie des Halbleiterschaltelements
T7 wird der erste Spulenanschluss SP1(L1) mit dem Bezugspotential
verbunden, während
der zweite Spulenanschluss SP2(L1) über den Sense-FET T6 mit den
35 V des Versorgungspotentialanschlusses VP1 beaufschlagt ist. Hierdurch
ergibt sich durch die Zylinderspule L1 ein inverser Strom, welcher
das Schließen
des Einspritzventils beschleunigt. Zum Abschalten des durch die
Zylinderspule L1 fließenden
Stroms wird der Halbleiterschalter T9 geöffnet. Um das erneute Öffnen der
Zylinderspule L1 oder der Zylinderspule L2 zu ermöglichen,
wird darüber
hinaus das Halbleiterschaltelement T8 geschlossen und das Halbleiterschaltelement
T7 geöffnet.
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Ein
Freilauf des Stroms in der Zylinderspule L1 aufgrund der Pulsweitenmodulation
von T9 wird durch den Strompfad T3-C1-T8-T6 ermöglicht.
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Wie
aus der Schaltungstopologie sowie der Funktionsbeschreibung ohne
Weiteres ersichtlich ist, benötigt
die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines oder mehrerer Einspritzventile
lediglich zwei 70 V-Transistoren pro Zylinderspule (T3 und T9 bzw.
T5 und T10). Alle anderen Halbleiterschaltelemente (T2, T6, T7,
T8) können
auf 35 V dimensioniert und damit auf einfache Weise in einen gemeinsamen
Halbleiterchip integriert werden. Ebenfalls auf eine Spannungsfestigkeit
von 70 V ausgelegt werden müssen die
Halbleiterschaltelemente T9 und T10 bzw. die entsprechenden Dioden,
sofern die Schaltungsanordnung kein aktives Schließen vorsieht.
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Die
lediglich auf 35 V ausgelegten Halbleiterschaltelemente T2, T6,
T7 und T8 können
somit mit der Ansteuerschaltung auf einem gemeinsamen Halbleiterchip
integriert werden. Insbesondere ist es auch möglich, die Kondensatoren C1
und C2 sowie die im DC/DC-Wandler notwendigen Kondensatoren auf
35 V auszulegen, so dass eventuell die Bauteile des DC/DC-Wandlers
ebenfalls in diesen Halbleiterchip integriert werden können.
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Da
auch die zur Strommessung vorgesehenen integrierten Sense-FETs T2, T6 lediglich
auf eine Spannungsfestigkeit von 35 V ausgelegt werden müssen, kann
die Strommessung mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten durchgeführt werden.
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Sofern
in der Schaltungsanordnung eine hohe Verlustleistung durch den Betrieb
der Zylinderspule erzeugt wird, kann ein Leistungswiderstand zwischen
den Knotenpunkten KP1 und KP2 in dem Spannungsverdoppler vorgesehen
werden. Hierdurch kann ein wesentlicher Teil an Verlustleistung aus
einem Halbleiterchip entfernt werden.
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Die
Erfindung ermöglicht
damit auf einfachere und kostengünstigere
Weise die Ansteuerung einer Bank an Einspritzventilen.