DE102009006179A1 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Einspritzventils - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Einspritzventils Download PDF

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung zumindest eines Einspritzventils, insbesondere eines Magnet-Einspritzventils, für einen Verbrennungsmotor, umfassend: - einen Versorgungspotentialanschluss (VP1), an dem eine erste Spannung abgreifbar ist; - einen Bezugspotentialanschluss (BP); - eine oder mehrere Zylinderspulen (L1, L2), wobei zum Betätigen eiens zugeordneten Einspritzventils an einen ersten Spulenanschluss (SP1(Lbar ist; - eine steuerbare Spannungserhöhungsschaltung (VD), die dazu ausgebildet ist, aus der ersten Spannung eine zweite Spannung zu erzeugen, welche höher als die erste Spannung ist, wobei die Spannungserhöhungsschaltung (VD) an einem ersten Eingang (E1) mit dem Versorgungspotentialanschluss (VP3) und an einem ersten Ausgang (A1) über ein jeweiliges erstes steuerbares Halbleiterschaltelement (T3, T5) mit den Zylinderspulen (L1, L2) verbunden ist; und - eine Ansteuerschaltung, die zur Ansteuerung zumindest mit einem jeweiligen ersten Halbleiterschaltelement (T3, T5) und der Spannungserhöhungsschaltung (VD) verbunden ist, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Betätungszustands eines der Einspritzventile die erste oder die zweite Spannung an den ersten Spulenanschluss genau einer Zylinderspule (L1, L2) anzulegen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung zumindest eines Einspritzventils, insbesondere eines Magnet-Einspritzventils, für einen Verbrennungsmotor.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In einer weiteren konkreten Ausgestaltung sind die zweiten Spulenanschlüsse der Mehrzahl an Zylinderspulen miteinander verbunden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung zum Ansteuern zweier Einspritzventile, und
  • 2A bis 2C eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Ansteuern zweier Einspritzventile, wobei anhand der 2A bis 2C unterschiedliche Betätigungszustände eines Einspritzventils verdeutlicht werden.
  • 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.
  • Der Schaltungsaufbau ist in den 2A bis 2C identisch. Anhand der 2A bis 2C werden unterschiedliche Betätigungszustände bzw. Schaltzustände erläutert.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Freilauf des Stroms in der Zylinderspule L1 aufgrund der Pulsweitenmodulation von T9 wird durch den Strompfad T3-C1-T8-T6 ermöglicht.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Erfindung ermöglicht damit auf einfachere und kostengünstigere Weise die Ansteuerung einer Bank an Einspritzventilen.

Claims (15)

  1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung zumindest eines Einspritzventils, insbesondere eines Magnet-Einspritzventils, für einen Verbrennungsmotor, umfassend: – einen Versorgungspotentialanschluss (VP1), an dem eine erste Spannung abgreifbar ist; – einen Bezugspotentialanschluss (BP); – eine oder mehrere Zylinderspulen (L1, L2), wobei zum Betätigen eines zugeordneten Einspritzventils an einen ersten Spulenanschluss (SP1(L1), SP1(L2)) der Zylinderspule eine Spannung anlegbar ist; – eine steuerbare Spannungserhöhungsschaltung (VD), die dazu ausgebildet ist, aus der ersten Spannung eine zweite Spannung zu erzeugen, welche höher als die erste Spannung ist, wobei die Spannungserhöhungsschaltung (VD) an einem ersten Eingang (E1) mit dem Versorgungspotentialanschluss (VP3) und an einem ersten Ausgang (A1) über ein jeweiliges erstes steuerbares Halbleiterschaltelement (T3, T5) mit den Zylinderspulen (L1, L2) verbunden ist; und – eine Ansteuerschaltung, die zur Ansteuerung zumindest mit einem jeweiligen ersten Halbleiterschaltelement (T3, T5) und der Spannungserhöhungsschaltung (VD) 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 (L1, L2) anzulegen.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Ansteuerschaltung derart ausgebildet ist, dass bei einer Mehrzahl an Einspritzventilen zu einem gegebenen Zeitpunkt lediglich genau eine der Zylinderspulen über die Ansteuerung des zugeordneten ersten Schaltelements (T3, T5) mit der ersten oder der zweiten Spannung beaufschlagt wird.
  3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Spannungserhöhungsschaltung (VD) als Spannungsverdoppler ausgebildet ist.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein zweiter Spulenanschluss (SP2(L1), SP2(L2)) der Zylinderspule oder -spulen (L1, L2) über eine erste Strommesseinrichtung (T2) mit dem Bezugspotentialanschluss (BP) verbunden ist, wobei dieser Pfad durch ein von der ersten Strommesseinrichtung unterschiedliches viertes Halbleiterschaltelement oder durch die als Sense-FET ausgebildete erste Strommesseinrichtung (T2) steuerbar auftrennbar ist.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der erste Spulenanschluss (SP1(L1), SP1(L2)) einer jeweiligen Zylinderspule (L1, L2) über ein jeweiliges erstes Gleichrichtelement mit einem zweiten Ausgang (A2) der Spannungserhöhungsschaltung (VD) derart verbunden ist, dass das erste Gleichrichtelement einen Freilauf der Zylinderspule (L1, L2) ermöglicht, wenn der Stromfluss durch die Zylinderspule (L1, L2) mittels des zugeordneten ersten Halbleiterschaltelements (T3, T5) unterbrochen wird.
  6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, bei der das erste Gleichrichtelement durch ein durch die Ansteuerschaltung steuerbares zweites Halbleiterschaltelement (T9, T10) gebildet ist, wobei das Gleichrichtelement die Body- Diode des zweiten Halbleiterschaltelements (T9, T10) ist.
  7. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der zweite Spulenanschluss (SP2(L1), SP2(L2)) über ein zweites Gleichrichtelement mit dem Versorgungspotentialanschluss (VP1) verbunden ist.
  8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, bei der das zweite Gleichrichtelement durch ein durch die Ansteuerschaltung steuerbares drittes Halbleiterschaltelement (T9, T10 gebildet ist, wobei das Gleichrichtelement die Body-Diode des dritten Halbleiterschaltelements (T9, T10) ist.
  9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der die zweiten Spulenanschlüsse (SP2(L1), SP2(L2)) der Mehrzahl an Zylinderspulen (L1, L2) miteinander verbunden sind.
  10. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Zylinderspule oder -spulen (L1, L2) und die jeweiligen ersten Halbleiterschaltelemente (T3, T5) sowie das oder die ersten Gleichrichtelemente als diskrete Bauelemente ausgebildet und auf eine Spannungsfestigkeit der zweiten Spannung ausgelegt sind.
  11. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Bauelemente der Spannungserhöhungsschaltung (VD), die erste Strommesseinrichtung (T2), optional das im Strompfad der ersten Strommesseinrichtung angeordnete vierte Halbleiterschaltelement und das zweite Gleichrichtelement (T6) auf eine Spannungsfestigkeit der ersten Spannung ausgelegt sind und auf einem gemeinsamen Halbleiterchip integrierbar sind.
  12. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Ansteuerschaltung eine Schalteinrichtung zur Pulsweitenmodulation (PWM) aufweist, welche mit dem jeweiligen Steueranschluss des steuerbaren Schaltelements (T3, T5) verbunden ist zur Einstellung eines Stromes durch die jeweilige Zylinderspule (L1, L2).
  13. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, zum Öffnen eines Einspritzventils durch leitend Schalten des ersten Halbleiterschaltelements (T3, T5) und erste Ansteuerung der Spannungserhöhungsschaltung (VD) an den ersten Spulenanschluss (SP1(L1), SP1(L2)) der zugeordneten Zylinderspule (L1, L2) die zweite Spannung anzulegen und den Strom durch die Zylinderspule durch Pulsweitenmodulation des ersten Halbleiterschaltelements (T3, T5) einzustellen, wobei eine Messung des Stroms durch die erste Strommesseinrichtung (T2) erfolgt.
  14. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, zum Aufrechterhalten der Öffnung des Einspritzventils durch leitend Schalten des ersten Halbleiterschaltelements (T3, T5) und zweite Ansteuerung der Spannungserhöhungsschaltung (VD) an den ersten Spulenanschluss (SP1(L1), SP1(L2)) der zugeordneten Zylinderspule (L1, L2) die erste Spannung anzulegen und den Strom durch die Zylinderspule durch Pulsweitenmodulation des im Strompfad der ersten 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 (T2) erfolgt.
  15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche, in Verbindung mit Anspruch 6 und 8, bei der die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, zum Schließen des Einspritzventils durch Sperren des ersten Halbleiterschaltelements (T3, T5) und leitend Schalten des zweiten Halbleiterschaltelements (T9, T10) sowie zweite Ansteuerung der Spannungserhöhungsschaltung (VD) an den ersten Spulenanschluss (SP1(L1), SP1(L2)) der zugeordneten Zylinderspule (L1, L2) eine am Bezugspotentialanschluss anliegende dritte Spannung anzulegen und den Strom durch die Zylinderspule durch Pulsweitenmodulation des zweiten Halbleiterschaltelements (T9, T10) einzustellen, wobei eine Messung des Stroms durch das dritte Halbleiterschaltelement (T6) erfolgt.
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