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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren und ein Steuergerät nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
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Vom Markt her bekannt sind Einspritzventile ("Direkteinspritzventile") einer Brennkraftmaschine, welche beispielsweise mittels elektromagnetischer Aktoren betätigt werden. Vorzugsweise werden solche elektromagnetische Aktoren in "Bänken" zusammengefasst, um den elektronischen Aufwand klein zu halten. Dabei werden die elektromagnetischen Aktoren mittels einer Ansteuerschaltung angesteuert. Die Ansteuerschaltung umfasst vorzugsweise Halbleiterschalter, mittels derer Magnetspulen der Einspritzventile bzw. die Aktoren an eine Spannung, beispielsweise eine Batteriespannung eines Kraftfahrzeugs, angeschaltet und wieder abgeschaltet werden können. Eine Patentveröffentlichung aus diesem Fachgebiet ist beispielsweise die
US 2006/0238949 A1 .
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Offenbarung der Erfindung
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Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren und ein Steuergerät nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
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Die Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für mindestens zwei elektromagnetische Aktoren von Einspritzventilen, insbesondere von Einspritzventilen einer Brennkraftmaschine, welche jeweils eine Magnetspule aufweisen. Die Magnetspulen der Einspritzventile können mit einer ersten und mit einer zweiten Polarität alternativ angesteuert werden, wobei in der ersten Polarität erste Anschlüsse der Magnetspulen gemeinsam mittels eines ersten Schalters an ein erstes Potenzial schaltbar sind, und wobei ein jeweils zweiter Anschluss der Magnetspulen mittels jeweils eines für jede Magnetspule individuellen Schalters an ein zweites Potenzial, das von dem ersten Potenzial verschieden ist, insbesondere z.B. ein Massepotenzial, schaltbar ist. Erfindungsgemäß sind in der zweiten Polarität die zweiten Anschlüsse der Magnetspulen – vergleichbar zu den ersten Anschlüssen in der ersten Polarität – gemeinsam mittels eines zweiten Schalters an das erste Potenzial oder ein davon verschiedenes Potenzial, beispielsweise das Potenzial einer Fahrzeugbatterie, schaltbar, wobei der jeweils erste Anschluss der Magnetspulen mittels jeweils eines für jede Magnetspule individuellen Schalters an das zweite Potenzial, insbesondere das Massepotenzial, oder ein sonstiges Potenzial schaltbar ist. Die elektromagnetischen Aktoren sind vorzugsweise in so genannten "Bänken" zusammengeschaltet. Dabei kann die Anzahl der Bänke beliebig sein, und beispielsweise vier Bänke umfassen.
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Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung weist den Vorteil einer besonderen schaltungstechnischen Symmetrie auf, wobei zwei, drei oder nahezu beliebig viele Einspritzventile ansteuerbar sind. Die Erfindung ermöglicht es, die Magnetspulen der Einspritzventile unter geringem Aufwand an aktiven und passiven elektrischen bzw. elektronischen Bauteilen besonders vielseitig anzusteuern, wodurch der Betrieb der Einspritzventile bzw. einer zugehörigen Brennkraftmaschine optimiert werden kann. Insbesondere kann mittels der Ansteuerung mit zwei Polaritäten das Schalten der Einspritzventile konstruktionsabhängig beschleunigt oder deren Einschaltverzögerung besser reproduzierbar gemacht werden. Darüber hinaus können die Gesamtzahl der in der Ansteuerschaltung verwendeten Bauelemente, insbesondere die Anzahl der Schalter, sowie die Anzahl der in einem vom jeweiligen Betriebszustand abhängigen Strompfad geschalteten Bauelemente optimiert werden. Dadurch können die Funktion verbessert und Kosten gespart werden.
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Eine Ausgestaltung der Ansteuerschaltung sieht vor, dass der erste Schalter bzw. der zweite Schalter mittels jeweils mindestens einer Diode an die jeweils ersten Anschlüsse bzw. an die jeweils zweiten Anschlüsse der Magnetspulen angeschlossen ist, wobei die Polarität der Dioden in Bezug auf das erste Potenzial beziehungsweise das davon verschiedene Potenzial gleichsinnig ist. Dadurch ergeben sich weitere Möglichkeiten, die Magnetspulen optimiert anzusteuern.
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Eine weitere Ausgestaltung der Ansteuerschaltung sieht vor, dass das erste Potenzial mittels jeweils einer Diode an die jeweiligen ersten und zweiten Anschlüsse der Magnetspulen geschaltet ist, wobei die Polarität der Dioden in Bezug auf das erste Potenzial gleichsinnig ist. Dadurch wird insbesondere eine Schnelllöschung des in den Magnetspulen fließenden Stroms ermöglicht, wodurch ein Magnetfeld in dem elektromagnetischen Aktor besonders schnell abgebaut und ein mechanischer Schaltvorgang des Einspritzventils beschleunigt werden kann. Die dabei abfließende Energie kann vorteilhaft in das erste Potenzial bzw. in eine das erste Potenzial liefernde Spannungsquelle, einen "Pufferkondensator" oder dergleichen eingespeist werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die ersten Anschlüsse der Magnetspulen gemeinsam mittels eines dritten Schalters an ein drittes Potenzial, beispielsweise an eine Batterie eines Kraftfahrzeugs, schaltbar sind, wobei der jeweils zweite Anschluss der Magnetspulen mittels des individuellen Schalters an das zweite Potenzial, insbesondere an das Massepotenzial, geschaltet werden kann. Dadurch kann in der ersten Polarität eine Bestromung der Magnetspulen statt mit dem ersten Potenzial alternativ und umschaltbar auch mit dem dritten Potenzial erfolgen, und somit die Möglichkeiten der Ansteuerschaltung, insbesondere in einer Anzugsphase des elektromagnetischen Aktors, erweitert werden.
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Ebenso ist vorgesehen, dass die zweiten Anschlüsse der Magnetspulen gemeinsam mittels eines dritten Schalters an das dritte Potenzial schaltbar sind, wobei der jeweils erste Anschluss der Magnetspulen mittels des individuellen Schalters an das zweite Potenzial, insbesondere an das Massepotenzial geschaltet werden kann. Damit kann, ebenso wie oben bei der ersten Polarität beschrieben, auch in der zweiten Polarität die Bestromung der Magnetspulen derart erfolgen, dass die Spannungsquelle (also das erste oder dritte Potenzial) mittels eines gemeinsamen Schalters an die jeweiligen "high-side"-Anschlüsse der Magnetspulen geschaltet wird, und für die jeweiligen "low-side"-Anschlüsse der Magnetspulen mittels individueller Schalter eine Verbindung zu dem Massepotenzial geschaltet wird. Die "high-side"-Anschlüsse können somit für eine gesamte "Bank" von Einspritzventilen für bei Polaritäten mit jeweils nur einem Schalter geschaltet werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das erste und/oder das dritte Potenzial jeweils mittels der Reihenschaltung eines Schalters und einer Diode an den ersten und den zweiten Schalter angeschlossen ist. Dabei übernehmen die Dioden eine "Ventilfunktion", so dass verschiedene Strompfade von verschiedenen Betriebszuständen der Ansteuerschaltung voneinander getrennt sind. Dadurch wird die Funktion der Ansteuerschaltung verbessert.
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Vorteilhafterweise ist die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet, nach dem Ende einer Bestromung der Magnetspulen in der ersten und/oder in der zweiten Polarität eine Schnelllöschung derart durchzuführen, dass ein in der jeweiligen Magnetspule fließender Strom zu dem ersten Potenzial fließen kann. Dadurch kann eine besonders gute Dynamik beim Betätigen der Einspritzventile erreicht werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Schalter der Ansteuerschaltung als Halbleiterschalter ausgeführt sind, insbesondere als MOS-Transistoren, metal-oxide-semiconductor, oder als IGBT, Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode. Bei den im Betrieb der Ansteuerschaltung vorkommenden hohen Strömen und/oder Spannungen ermöglichen diese Halbleiterbauelemente einen besonders hohen elektrischen Wirkungsgrad.
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Ein bevorzugtes Verfahren zum Betreiben der Ansteuerschaltung umfasst mindestens einen der folgenden Schritte:
- (a) Ansteuerung der Magnetspule eines ersten elektromagnetischen Aktors mit einer ersten Polarität;
- (b) ggf. eine zumindest teilweise Schnelllöschung des in der Magnetspule fließenden Stroms der ersten Polarität;
- (c) Ansteuerung der Magnetspule mit einer zweiten Polarität;
- (d) ggf. eine zumindest teilweise Schnelllöschung des in der Magnetspule fließenden Stroms der zweiten Polarität.
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Besonders vorteilhaft kann das Verfahren auch für mindestens einen weiteren elektromagnetischen Aktor ausgeführt werden, oder z.B. für alle Aktoren einer Bank von Aktoren eines die Ansteuerschaltung aufweisenden Einspritzsystems.
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Dadurch, dass die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung Ströme in beiden Polaritäten durch die Magnetspulen, welche vorzugsweise in Bänken angeordnet sind, leiten kann, kann die Magnetkraft in den elektromagnetischen Aktoren am Ende einer jeweiligen Einspritzung besonders schnell abgebaut und somit das Abschalten der elektromagnetischen Aktoren beschleunigt werden.
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Das beschriebene Verfahren ist besonders geeignet zur Ansteuerung von elektromagnetischen Aktoren, welche Einspritzventile einer Brennkraftmaschine betätigen. Insbesondere kann eine hohe Dynamik und ein präzises Schalten ermöglicht werden.
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Vorzugsweise erfolgt die logische und/oder zeitliche Steuerung der Ansteuerschaltung, insbesondere der Schalter bzw. Halbleiterschalter der Ansteuerschaltung, mittels eines Steuergeräts für die Brennkraftmaschine. Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung weist einer Ausführungsform zufolge im Wesentlichen nur die Leistungsbauelemente (Halbleiter) auf und bedarf also ihrerseits einer Ansteuerung mit elektrischen Signalen von vergleichsweise geringer Leistung. Beispielsweise kann die Ansteuerschaltung in dem Steuergerät auch baulich angeordnet sein.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer Ansteuerschaltung für zwei elektromagnetische Aktoren;
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2 eine zweite Ausführungsform der Ansteuerschaltung für zwei elektromagnetische Aktoren;
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3 eine Tabelle mit Betriebszuständen und Schalterstellungen der Ansteuerschaltung von 1 oder 2;
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4 ein Zeitdiagramm mit einem Strom durch eine Magnetspule eines Einspritzventils;
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5 eine dritte Ausführungsform der Ansteuerschaltung für zwei elektromagnetische Aktoren;
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6 eine vierte Ausführungsform der Ansteuerschaltung für zwei elektromagnetische Aktoren;
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7 eine fünfte Ausführungsform der Ansteuerschaltung für drei elektromagnetische Aktoren;
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8 eine sechste Ausführungsform der Ansteuerschaltung für drei elektromagnetische Aktoren;
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9 eine siebte Ausführungsform der Ansteuerschaltung für drei elektromagnetische Aktoren; und
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10 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Ansteuerschaltung.
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Es werden für funktionsäquivalente oder funktionsähnliche Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer ersten Ausführungsform einer Ansteuerschaltung 10 für zwei elektromagnetische Aktoren bzw. deren Magnetspulen 20 und 50, welche in einer "Bank" zusammengefasst sind. Das in der 1 dargestellte Schaltbild ist im Wesentlichen symmetrisch zu einer in der Mitte der Zeichnung gedachten waagerechten Linie.
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Der Ansteuerschaltung 10 ist eine erste Magnetspule 20 zur Betätigung eines ersten Einspritzventils und eine zweite Magnetspule 50 zur Betätigung eines zweiten Einspritzventils einer Brennkraftmaschine zugeordnet. Die beiden Einspritzventile und die Brennkraftmaschine sind in der 1 jedoch nicht gezeigt. Die Magnetspulen 20 bzw. 50 weisen jeweils erste Anschlüsse 20' bzw. 50' und zweite Anschlüsse 20'' bzw. 50'' auf. Die Ansteuerschaltung 10 ist vorzugsweise in einem Steuergerät für die Brennkraftmaschine angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung 10 umfasst bevorzugt nicht bereits die Magnetspulen 20, 50, sondern vielmehr geeignete Schnittstellen wie z.B. Steckverbinder o.ä. zur Kontaktierung der Komponenten 20, 50. Ferner kann die Ansteuerschaltung 10 vorteilhaft auch zur Ansteuerung eines einzelnen Aktors bzw. einer einzelnen Magnetspule 20 eingesetzt werden.
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Die Ansteuerschaltung 10 ist an eine erste Spannungsquelle 11, welche ein erstes Potenzial 16 aufweist, und an eine zweite Spannungsquelle 13, welche ein drittes Potenzial Vbat aufweist, angeschlossen. Beispielsweise liefert die erste Spannungsquelle 11 eine so genannte "Boosterspannung", und die zweite Spannungsquelle 13 entspricht einer Fahrzeugbatterie eines Kraftfahrzeugs. Das erste Potenzial 16 ist in Bezug auf ein zweites Potential, vorliegend in Bezug auf das Massepotenzial 15, größer als das dritte Potenzial Vbat, und ist beispielsweise etwa viermal so groß. Weiterhin weist die Ansteuerschaltung 10 ein zweites Potenzial 19 und ein sonstiges Potenzial 21 auf, welche vorliegend beide einem Massepotenzial 15 gleich sind, aber auch abweichend hiervon gewählt sein können (nicht gezeigt). Vorzugsweise bilden das zweite Potenzial 19 und das sonstige Potenzial 21 ebenso wie das Massepotenzial 15 ein "Bezugspotenzial" für den Betrieb der Ansteuerschaltung 10 und weisen eine niederohmige Impedanz auf.
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Die Ansteuerschaltung 10 der 1 umfasst insgesamt sieben Schalter 12, 14, 24, 28, 54, 58 und 82 zur Ansteuerung der Magnetspulen 20 und 50. Dabei entspricht der Schalter 12 einem "gemeinsamen ersten Schalter", der Schalter 14 einem "gemeinsamen zweiten Schalter" und die Schalter 24, 28, 54 und 58 entsprechen "individuellen Schaltern" zur Ansteuerung der Magnetspulen 20 und 50. Die „gemeinsamen Schalter“ sind jeweils beiden Magnetspulen 20, 50 gemeinsam zugeordnet und können demnach auf den Betrieb beider Magnetspulen 20, 50 wirken, vgl. die nachstehende Beschreibung. Im Unterschied hierzu sind die „individuellen Schalter“ 24, 28, 54 und 58 jeweils nur einer Magnetspule 20, 50 zugeordnet und können demnach nur auf den Betrieb der jeweiligen Magnetspule 20, 50 wirken, vgl. die nachstehende Beschreibung.
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Das zweite Potenzial 19 und das sonstige Potenzial 21 ermöglichen es, die ersten und/oder die zweiten Anschlüsse 20', 20'', 50' und/oder 50'' der Magnetspulen 20 bzw. 50 in Abhängigkeit von durch die Schalter 12, 14, 24, 28, 54, 58 und 82 schaltbaren Betriebszuständen der Ansteuerschaltung 10 gegebenenfalls an ein anderes Bezugspotenzial als das Massepotenzial 15 zu schalten, beispielsweise an eine Spannungsquelle. Dazu können weitere Schalter und/oder Dioden erforderlich sein, welche in der Zeichnung jedoch nicht gezeigt sind.
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In vergleichbarer Weise kann – ebenfalls in Abhängigkeit der Betriebszustände – ergänzend zum ersten Potenzial 16 optional ein von davon verschiedenes Potenzial 17 verwendet werden. Dazu sind ebenfalls weitere in der Zeichnung nicht gezeigte Schalter und/oder Dioden erforderlich. Die eventuelle zusätzliche Verwendung des Potenzials 17 ermöglicht weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Ansteuerschaltung 10.
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Die Schalter 24, 28, 54 und 58 sind mit Dioden 22, 26, 52 und 56 überbrückt, wobei die Dioden 22, 26, 52 und 56 mit ihrer Anode jeweils dem Massepotenzial 15 zugewandt sind. Die Schalter 24, 28, 54 und 58 sind vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgeführt und beispielsweise als MOS-Transistoren (engl. "metal-oxide-semiconductor") oder IGBT (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) realisiert. In Abhängigkeit des jeweils verwendeten Halbleitertyps können die Dioden 22, 26, 52 und 56 technologiebedingt auch in den Halbleiterschaltern integriert sein, z.B. in Form von parasitären Dioden.
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Weiterhin umfasst die Ansteuerschaltung 10 vorliegend zehn Dioden 30, 32, 34, 36 und 38 sowie 60, 62, 64, 66 und 68, welche – in Abhängigkeit eines jeweiligen Betriebszustands der Ansteuerschaltung 10 – eine Ventilfunktion zur Steuerung der in der Ansteuerschaltung 10 fließenden Ströme übernehmen. Die Aufgabe der besagten Schalter und Dioden wird in der 3 noch näher erläutert werden.
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Die Polarität der Dioden 34, 36, 38, 64, 66 und 68 ist in Bezug auf das erste Potenzial 16 beziehungsweise das Potenzial 17 beziehungsweise das Potenzial Vbat gleichsinnig, wobei die Anoden den besagten Potenzialen zugeordnet sind. Ebenso ist die Polarität der Dioden 30, 32, 60 und 62 in Bezug auf das erste Potenzial 16 beziehungsweise das Potenzial 17 gleichsinnig, wobei die Katoden den besagten Potenzialen zugeordnet sind.
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Die in der 1 gezeigte Ansteuerschaltung 10 ist beispielhaft für zwei Magnetspulen 20 und 50 zum Betreiben von zwei Einspritzventilen ausgeführt. Es versteht sich, dass mittels der beschriebenen Symmetrie die Ansteuerschaltung 10 auf einfache Weise zur Ansteuerung von beliebig vielen weiteren Magnetspulen (nicht dargestellt) erweitert werden kann. Weiterhin kann die Ansteuerschaltung 10 zusätzliche Bauelemente aufweisen, welche der besseren Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung nicht mit dargestellt sind. Beispielsweise kann zum Zwecke der Strommessung ein ohmscher Widerstand (engl. "shunt") in Reihe zu dem Schalter 82 geschaltet sein.
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2 zeigt eine zu der 1 ähnliche zweite Ausführungsform der Ansteuerschaltung 10. Im Unterschied zu der 1 sind die Schalter 28 und 58 nicht unmittelbar, sondern gemeinsam über einen ohmschen Messwiderstand 40 mit dem Massepotenzial 15 verbunden. Der Messwiderstand 40 ermöglicht eine Messung des Stroms I und somit eine Steuerung und/oder Diagnose der Ansteuerschaltung 10 und weist vorliegend einen Wert von in etwa 0,01 Ohm auf.
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3 zeigt eine Tabelle mit Betriebszuständen und Schalterstellungen der Ansteuerschaltung 10 der Ausführungsformen von 1 oder 2. In der obersten Zeile sind die sieben Schalter 12, 14, 24, 28, 54, 58 und 82 durch ihr Bezugszeichen gekennzeichnet. In der linken Spalte sind insgesamt sieben bzw. acht verschiedene Betriebszustände Z1 bis Z7 gekennzeichnet. Die dargestellte Tabelle gibt somit für jeden dieser Betriebszustände die zugehörigen Stellungen der besagten Schalter an. Dabei bedeutet "0" jeweils einen offenen und "x" einen geschlossenen Schalter. In einem nicht dargestellten Grundzustand Z0 der Ansteuerschaltung 10, bei welchem kein Einspritzventil betätigt wird und somit auch keine Ansteuerung der Magnetspulen 20 und 50 erfolgt, sind die bezeichneten Schalter sämtlich geöffnet.
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Die nachfolgende Beschreibung der Betriebszustände Z1 bis Z7 bezieht sich auf eine Ansteuerung der Magnetspule 20. In vergleichbarer Weise kann alternativ oder ergänzend auch die Magnetspule 50 angesteuert werden, wobei entsprechend der in der 1 beschriebenen Symmetrie der Ansteuerschaltung 10 die jeweils äquivalenten Schalter und Dioden verwendet werden. Die Betriebszustände Z1 bis Z7 können in einer beliebigen Reihenfolge verwendet werden.
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Im Betriebszustand Z1 erfolgt eine Ansteuerung der ersten Magnetspule 20 mit einer ersten Polarität mittels der ersten Spannungsquelle 11. Dies entspricht einer so genannten "Boosterphase". Die Schalter 12 und 28 sind geschlossen, und die Schalter 14, 24, 54 und 58 sind geöffnet. Der Schalter 82 kann geschlossen oder geöffnet sein. Dabei fließt ein Strom I (siehe die 4) ausgehend von der ersten Spannungsquelle 11 über den Schalter 12, die Diode 34, den ersten Anschluss 20', die Magnetspule 20, den zweiten Anschluss 20'', den Schalter 28 und über das Massepotenzial 15. Dadurch kann ein mittels der Magnetspule 20 bewegbarer Magnetanker zur Betätigung des Einspritzventils besonders stark beschleunigt werden. Beim Erreichen eines vorgebbaren Grenzwerts für den Strom I wird der Schalter 12 geöffnet.
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Im Betriebszustand Z2a, welcher beispielsweise auf den Betriebszustand Z1 folgt, erfolgt eine "Stromregelung" des über die Magnetspule 20 fließenden Stroms mittels des Potenzials Vbat. Dabei ist der Schalter 12 geöffnet und der Schalter 28 geschlossen. Der Schalter 82 wechselt periodisch und vergleichsweise schnell zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand. Wenn der Schalter 82 geschlossen ist, so fließt ein Strom I ausgehend von der zweiten Spannungsquelle 13 über die Diode 38, den ersten Anschluss 20', die Magnetspule 20, den zweiten Anschluss 20'', den Schalter 28 und über das Massepotenzial 15. Dadurch wird die Magnetspule 20 ähnlich zu dem Betriebszustand Z1 aktiv bestromt. Wenn der Schalter 82 geöffnet ist, so fließt der Strom I ausgehend von der Magnetspule 20 über den zweiten Anschluss 20'', den Schalter 28, das Massepotenzial 15, die Diode 22 und über den ersten Anschluss 20'. Dabei wird der Strom I infolge von Verlusten langsam kleiner. Der Schalter 82 wird geöffnet, wenn der Strom I einen ersten Grenzwert überschreitet, und er wird geschlossen, wenn der Strom I einen zweiten Grenzwert, der kleiner ist als der erste Grenzwert, unterschreitet, wodurch sich eine Hysterese ergibt. Die im Betriebszustand Z2a beschriebene Stromregelung kann in entsprechender Weise zusätzlich auch in der zweiten Polarität erfolgen. Dies wird durch entsprechende Ausführungsformen der Ansteuerschaltung 10 ermöglicht und mittels der 5 bis 8 noch erläutert werden.
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Ein Betriebszustand Z2b ergibt sich, falls im Betriebszustand Z2a der Schalter 82 dauernd geschlossen ist. Der Betriebszustand Z2b entspricht einer so genannten "Batteriebestromung" der Magnetspule 20 mittels des Potenzials Vbat.
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Im Betriebszustand Z3, welcher beispielsweise auf den Betriebszustand Z2a oder Z2b folgt, fließt der Strom I durch die Magnetspule 20 in einer zu dem Betriebszustand Z2 – bei dauernd geöffneten Schalter 82 – vergleichbaren Weise. Dies entspricht einem "langsamen Freilauf", bei dem der Strom I vergleichsweise langsam bis etwa auf Null abklingen kann.
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Im Betriebszustand Z4, welcher beispielsweise alternativ zu dem Betriebszustand Z3 verwendet werden kann, sind alle sieben Schalter geöffnet. Der Strom I fließt, ausgehend von der Magnetspule 20, über den zweiten Anschluss 20'', die Diode 32, die erste Spannungsquelle 11, das Massepotenzial 15, die Diode 22 und über den ersten Anschluss 20'. Dies entspricht einer ersten Art von "Schnelllöschung", bei der der Strom I vergleichsweise schnell bis etwa auf Null abklingen kann. Vorzugsweise kann ein parallel zu der Spannungsquelle 11 geschalteter Kondensator (nicht dargestellt) durch den Strom I geladen werden. Der parallel zur Diode 22 angeordnete Schalter 24 kann optional im Betriebszustand Z4 eingeschaltet sein.
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Im Betriebszustand Z5, welcher beispielsweise alternativ zu dem Betriebszustand Z4 verwendet werden kann, sind der Schalter 82 geschlossen und die übrigen Schalter 12, 14, 24, 28, 54 und 58 geöffnet. Der Strom I fließt, ausgehend von der Magnetspule 20, über den zweiten Anschluss 20'', die Diode 32, die erste Spannungsquelle 11, das Massepotenzial 15, die zweite Spannungsquelle 13, den Schalter 82, die Diode 38 und über den ersten Anschluss 20'. Dies entspricht einer zweiten Art von "Schnelllöschung", bei der der Strom I vergleichsweise schnell bis etwa auf Null abklingen kann. Ebenso wie bei der ersten Art von Schnelllöschung kann ein parallel zu der Spannungsquelle 11 geschalteter Kondensator durch den Strom I geladen werden.
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Im Betriebszustand Z6, welcher beispielsweise alternativ zu dem langsamen Freilauf oder der ersten oder der zweiten Art der Schnelllöschung verwendet werden kann, wird die Magnetspule 20 mit einer zweiten Polarität angesteuert. Die Schalter 14 und 24 sind geschlossen, und die Schalter 12, 28, 54, 58 und 82 sind geöffnet. Es erfolgt sozusagen eine "Gegenbestromung" der Magnetspule 20. Dabei fließt ein Strom I ausgehend von der ersten Spannungsquelle 11 über den Schalter 14, die Diode 36, den zweiten Anschluss 20'', die Magnetspule 20, den ersten Anschluss 20', den Schalter 24 und über das Massepotenzial 15. Dadurch kann der in der Magnetspule 20 fließende Strom I besonders schnell auf Null abklingen – und sogar negativ werden – wobei die Beschleunigung des Magnetankers in einer zunächst bestehenden Bewegungsrichtung entsprechend schnell vermindert wird.
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Im Betriebszustand Z7, welcher beispielsweise auf den Betriebszustand Z6 folgt, sind alle sieben Schalter geöffnet. Der Strom I fließt, ausgehend von der Magnetspule 20, über den ersten Anschluss 20', die Diode 30, die erste Spannungsquelle 11, das Massepotenzial 15, die Diode 26, und über den zweiten Anschluss 20''. Dies entspricht einer "Schnelllöschung" der Gegenbestromung, bei der der Strom I vergleichsweise schnell bis etwa auf Null abklingen kann. Gegebenenfalls kann ein parallel zu der Spannungsquelle 11 geschalteter Kondensator (nicht dargestellt) durch den Strom I geladen werden. Sofern die Ansteuerschaltung 10 nach der 2 ausgeführt ist, fließt der Strom I ebenso über den Messwiderstand 40. Ein Spannungsabfall an dem Messwiderstand 40 ermöglicht nach dem ohmschen Gesetz die Ermittlung des Stroms. Der parallel zur Diode 26 angeordnete Schalter 28 kann optional im Betriebszustand Z7 geschlossen sein.
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4 zeigt ein vereinfachtes und stark schematisches Zeitdiagramm mit dem Strom I durch die Magnetspule 20 bzw. 50 über einer Zeit t. Im Betriebszustand Z1 ("Boosterphase") erfolgt ein vergleichsweise steiler Anstieg des Stroms I. Im Betriebszustand Z2a weist der Strom I als Folge der periodischen Schaltvorgänge mittels des Schalters 82 einen in etwa konstanten Mittelwert auf.
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Alternativ ist zu dem Betriebszustand Z2a der Betriebszustand Z2b in der 4 eingetragen. Dabei ist der Wert des Stroms I im Betriebszustand Z2b – als Folge des dabei dauernd geschlossenen Schalters 82 – höher als der Mittelwert des Stroms I im Betriebszustand Z2a.
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Im Betriebszustand Z3 ("langsamer Freilauf") klingt der Strom I näherungsweise mit einer Exponentialfunktion und vergleichsweise langsam ab. Im Betriebszustand Z4 bzw. im alternativen Betriebszustand Z5 ("Schnelllöschung") erfolgt ein besonders starker Abfall des Stroms I. Im Betriebszustand Z6 ("Gegenbestromung") wird der Strom I zumindest zeitweise negativ. Im Betriebszustand Z7 erfolgt eine Schnelllöschung der Gegenbestromung, wobei der Strom I vergleichsweise schnell auf Null abklingt.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform der Ansteuerschaltung 10. Im Unterschied zu der 1 sind die Schalter 12 und 14 gemeinsam an einen Netzknoten 84 angeschlossen, wobei der Netzknoten 84 mittels einer Reihenschaltung eines Schalters 80 und einer Diode 88 an die erste Spannungsquelle 11 bzw. das erste Potenzial 16 angeschlossen ist, und wobei der Netzknoten 84 ebenso mittels einer Reihenschaltung des Schalters 82 und einer Diode 90 an die zweite Spannungsquelle 13 bzw. das dritte Potenzial Vbat angeschlossen ist. Eine Diode 86 ist mit der Katode an den Netzknoten 84 und mit der Anode an das Massepotenzial 15 geschaltet. Ebenso wie bei der 1 sind die vier Dioden 30, 32, 60 und 62 mit ihrer Katode unmittelbar an das erste Potenzial 16 geschaltet. Allgemein ermöglicht die Ansteuerschaltung 10 der 5, 6, 7 und 8 eine Stromregelung gemäß dem Betriebszustand Z2a der 3 in beiden Polaritäten sowie – ähnlich zu den 1 und 2 – eine Verlustleistungsreduzierung mittels eines "aktiven Freilaufs".
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Man erkennt, dass die Ansteuerschaltung 10 der 5 in Bezug auf die 1 eine gesteigerte Symmetrie aufweist. Insbesondere ermöglicht die Ansteuerschaltung 10 der 5 eine Stromregelung (siehe den Betriebszustand Z2a der 3) mittels der zweiten Spannungsquelle 13 (drittes Potenzial Vbat) sowohl bei Ansteuerung der Magnetspulen 20 bzw. 50 mit der ersten Polarität als auch bei Ansteuerung mit der zweiten Polarität. Die für die verschiedenen Betriebszustände erforderlichen Stellungen der acht Schalter 12, 14, 24, 28, 54, 58, 80 und 82 sowie die sich jeweils ergebenden Strompfade sind unter Zuhilfenahme der Tabelle und der Beschreibung der 3 ableitbar.
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6 zeigt eine vierte Ausführungsform der Ansteuerschaltung 10. Im Unterschied zu der 5 ist die Funktion des Schalters 12 in der 6 mittels zweier Schalter 80a und 82a realisiert, und die Funktion des Schalters 14 ist mittels zweier Schalter 80b und 82b realisiert. Dabei liegt jeweils ein Anschluss der Schalter 82a und 82b an einem Netzknoten 84a, welcher vorliegend unmittelbar mit dem dritten Potenzial Vbat verbunden ist, und jeweils ein Anschluss der Schalter 80a und 80b liegt an einem Netzknoten 84b, welcher vorliegend unmittelbar mit dem ersten Potenzial 16 verbunden ist.
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In Reihe zu den Schaltern 80a, 80b, 82a und 82b sind jeweils Dioden 88a, 88b, 90a und 90b angeordnet. Katoden der Dioden 88a und 90a sind an einem Netzknoten 84c angeschlossen, und Katoden der Dioden 88b und 90b sind an einem Netzknoten 84d angeschlossen. Der Netzknoten 84c ist mittels der Dioden 34 und 64 an die ersten Anschlüsse 20' und 50' der Magnetspulen 20 und 50 angeschlossen, und der Netzknoten 84d ist mittels der Dioden 36 und 66 an die zweiten Anschlüsse 20'' und 50'' angeschlossen. Außerdem sind die Netzknoten 84c und 84d jeweils mittels einer Diode 86a und 86b an das Massepotenzial 15 angeschlossen.
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Man erkennt, dass die Ansteuerschaltung 10 der 6 in Bezug auf die 5 eine schaltungstechnisch ähnliche Symmetrie sowie ähnliche Schaltmöglichkeiten in Bezug auf die Magnetspulen 20 und 50 sowie in Bezug auf die erste und die zweite Spannungsquelle 11 und 13 aufweist. Die für die verschiedenen Betriebszustände erforderlichen Stellungen der acht Schalter 24, 28, 54, 58, 80a, 80b, 82a und 82b sowie die sich jeweils ergebenden Strompfade sind unter Zuhilfenahme der Tabelle und der Beschreibung der 3 ableitbar.
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7 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Ansteuerschaltung 10, welche in der grundsätzlichen Anordnung der 5 entspricht. Im Unterschied zu der 5 weist die 7 drei Magnetspulen 20a, 20b und 20c auf und ist somit zum Betreiben von drei Einspritzventilen vorgesehen. Die Bezugszeichen der 7 wurden größtenteils mit Indizes a, b und c ergänzt und sind somit auf die Bezugszeichen der entsprechenden Elemente der 5 rückführbar.
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Ergänzend sind in der 7 weitere Dioden 92 eingetragen, welche parallel an den Schaltern 12, 14, 80 und 82 anliegen. Die Schalter 12, 14, 24a, 24b, 24c, 28a, 28b, 28c, 80 und 82 sind vorzugsweise mittels Halbleitern ausgeführt, beispielsweise als MOS-Transistoren ("metal-oxide-semiconductor") oder als IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode). In Abhängigkeit des jeweils verwendeten Halbleitertyps können die Dioden 22a, 22b, 22c, 26a, 26b, 26c und 92 auch in den dazu parallel angeordneten jeweiligen Schaltern integriert sein, z.B. auch in Form von parasitären Dioden. Die Diode 86 ("Freilaufdiode") ist entbehrlich, sofern eine entsprechende Ansteuerung der Schalter 24a, 24b, 24c, 28a, 28b und 28c ("aktiver Freilauf") erfolgt oder die Schalter als MOSFET mit technologiebedingt integrierter Diode ausgeführt sind. In Reihe zu dem Schalter 82 ist ein Widerstand 93 angeordnet.
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Ferner umfasst die Ansteuerschaltung 10 der 7 Treiberschaltungen 94 zum Treiben der Schalter 12, 14 und 80. Die Treiberschaltung 94 des Schalters 12 wird von einem Signal HSpos ("high-side"-positiv) und die Treiberschaltung 94 des Schalters 14 wird von einem Signal HSneg ("high-side"-negativ) angesteuert.
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Der Messwiderstand 40 ermöglicht eine (gemeinsame) Strommessung für die Schalter 24a, 24b, 24c, 28a, 28b und 28c. Bei Bedarf kann auch eine jeweils individuelle Strommessung mittels einer entsprechenden Zahl von Messwiderständen 40 erfolgen, so dass eine separate Strommessung für eine jeweilige "Bank" von Einspritzventilen bzw. Zylindern der Brennkraftmaschine ermöglicht wird. Dies ist in der 7 jedoch nicht gezeigt.
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8 zeigt eine sechste Ausführungsform der Ansteuerschaltung 10, welche in der grundsätzlichen Anordnung der 6 entspricht und der Schaltung der 7 ähnlich ist. Die Ansteuerschaltung 10 der 7 weist ebenfalls drei Magnetspulen 20a, 20b und 20c auf. Die Dioden 86a und 86b ("Freilaufdioden") sind entbehrlich, sofern eine entsprechende Ansteuerung der Schalter 24a, 24b, 24c, 28a, 28b und 28c ("aktiver Freilauf") erfolgt oder die Schalter als MOSFET mit technologiebedingt integrierter Diode ausgeführt sind. In Reihe zu den Schaltern 82a und 82b ist jeweils ein Widerstand 93 angeordnet.
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9 zeigt eine siebte Ausführungsform der Ansteuerschaltung 10. Im in der Zeichnung linken Bereich sind zwei Blöcke 100 und 102 dargestellt, welche die als Halbleiter ausgeführten Schalter der 9 ansteuern. Dazu umfasst die Ansteuerschaltung 10 vorliegend drei UND-Gatter 104, ein ODER-Gatter 106 sowie Treiber 108. Drei vorzugsweise als MOSFET (Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekttransistor) ausgeführte Transistoren 110 sowie drei ebenfalls vorzugsweise als MOSFET ausgeführte Transistoren 112 können die zweiten Anschlüsse 20a'', 20b'' und 20c'' der Magnetspulen 20a, 20b und 20c komplementär ansteuern. Ferner umfasst die Ansteuerschaltung 10 der 9 drei weitere, vorzugsweise als MOSFET ausgeführte Transistoren 114, 116 und 118, sowie eine Diode 120, welche die ersten Anschlüsse 20a', 20b' und 20c' ansteuern können.
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Die Funktion der Ansteuerschaltung 10 der 9 kann aus den Beschreibungen der 5 bis 8 sowie unter Zuhilfenahme der Tabelle in 3 abgeleitet werden. Der Transistor 116 führt eine Funktion "TLSneg" ("Schalter-Transistor-low-side-negativ") und die Transistoren 112 führen eine Funktion "TLSpos" ("Schalter-Transistor-low-side-positiv") aus.
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Die Diode 86 ("Freilaufdiode") ist entbehrlich, falls eine entsprechende Ansteuerung zum Schalten des Transistors 116 erfolgt oder die Schalter als MOSFET mit technologiebedingt integrierter Diode ausgeführt sind. Außerdem sind – wie in der 9 dargestellt – so genannte "Schnelllöschdioden" entbehrlich, welche gegebenenfalls zwischen den "Drain"-Anschlüssen der Transistoren 112 ("TLSpos-D") und dem ersten Potenzial 16 ("UBOOST") geschaltet sind, sofern die Transistoren 110 technologiebedingt jeweils eine solche Diode zwischen ihren "Source"-Anschlüssen und ihren "Drain"-Anschlüssen aufweisen.
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9 stellt die Topologie dar, welche in Bezug auf die oben beschriebenen Ansteuerschaltungen 10 eine vergleichbare oder zumindest ähnliche Ansteuerung ermöglicht (jeweils drei so genannte "Zylinderselektoren", bestehend aus den Transistoren 110 und 112, sowie ein durch die Transistoren 116 und 118 gebildeter gemeinsamer Schalter zur Darstellung einer Zweipunktregelung). Dabei können jedoch mehrere Dioden in der Stromflussrichtung eingespart werden. Dies wird dadurch erreicht, dass für eine der Stromrichtungen die Zylinderselektoren nicht massenah ("low-side"), sondern zum positiven Versorgungsanschluss mittels der Transistoren 110 verbunden werden. Der gemeinsame (Bank-) Schalter (Transistor 116) ist in diesem Fall zum Massepotenzial 15 verbunden.
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10 zeigt ein Flussdiagramm zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben der Ansteuerschaltung 10. In einem Startblock 122 beginnt die dargestellte Prozedur. In einem folgenden Block 124 wird in einem Schritt (a) die Magnetspule 20 mit einer ersten Polarität angesteuert. Dies erfolgt vorzugsweise unter Verwendung einer "Boosterphase" gemäß dem Betriebszustand Z1 und einer anschließenden "Stromsteuerung" gemäß dem Betriebszustand Z2a nach der Tabelle der 3 bzw. dem Diagramm der 4.
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In einem folgenden Block 126 erfolgt in einem Schritt (b) ein langsamer Freilauf der Magnetspule 20 gemäß dem Betriebszustand Z3 und danach eine Schnelllöschung gemäß dem Betriebszustand Z4. In einem folgenden Block 128 wird in einem Schritt (c) die Magnetspule 20 mit einer zweiten Polarität angesteuert, entsprechend dem Betriebszustand Z6. In einem folgenden Block 130 erfolgt eine Schnelllöschung des in der Magnetspule 20 fließenden Stroms I entsprechend dem Betriebszustand Z7. In einem folgenden Endeblock 132 ist die beschriebene Prozedur für einen einzelnen Einspritzvorgang eines jeweiligen Einspritzventils beendet.
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Das beschriebene Verfahren wird entsprechend den Arbeitszyklen der Brennkraftmaschine für weitere Einspritzventile zyklisch durchgeführt. Dabei werden die in den 1 und 2 sowie 5 bis 9 gezeigten Schalter sinngemäß entsprechend der Tabelle der 3 geschaltet.
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Es versteht sich, dass die in den 1 und 2 sowie 5 bis 9 gezeigten Ansteuerschaltungen 10 nur beispielhaft dargestellt sind. Insbesondere können die in den besagten Figuren gezeigten Schaltbilder zur Ansteuerung von beliebig vielen weiteren Magnetspulen bzw. Einspritzventilen erweitert werden. Außerdem können die gezeigten Ansteuerschaltungen 10 entsprechend einer jeweiligen konkreten Anwendung verändert, vereinfacht und/oder erweitert werden, wozu dem Fachmann aus dem Stand der Technik geläufige Methoden und Beispiele bekannt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0238949 A1 [0002]
