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HINTERGRUND
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Ausführungsformen der Erfindung betreffen im Allgemeinen die Leistungselektronik für Induktionsheizeinrichtungen und genauer für Induktionsheizeinrichtungstreiber für variable Sprüh-Kraftstoffeinspritzeinrichtungen bzw. Kraftstoffeinspritzeinrichtungen mit variablem Spritzstrahl.
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Es besteht eine fortgesetzte Notwendigkeit des Verbesserns der Emissionsqualität von Verbrennungsmotoren. Gleichzeitig besteht Druck die Kraftmaschinenanlasszeiten und Zeit vom Einschalten bis zum Wegfahren zu minimieren, während die maximale Kraftstoffeinsparung aufrechterhalten wird. Diese Arten von Druck betreffen Kraftmaschinen, die mit alternativen Kraftstoffen betrieben werden, wie beispielsweise Ethanol, sowie jene, die mit Benzin betrieben werden.
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Während des Anlassens einer Kraftmaschine bei kalter Temperatur ist der herkömmliche Verbrennungsmotor mit Funkenzündung durch hohe Kohlenwasserstoffemissionen und eine schlechte Zündung und Brennbarkeit des Kraftstoffes gekennzeichnet. Sofern die Kraftmaschine nicht bereits bei einer hohen Temperatur nach dem Abschalten und Heißabstellen ist, kann die Anlasszeit übermäßig sein oder die Kraftmaschine überhaupt nicht anspringen. Bei höheren Drehzahlen und Lasten steigt die Betriebstemperatur und die Kraftstoffzerstäubung und Vermischung verbessern sich.
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Während eines wirklichen Kaltstarts der Kraftmaschine hinterlässt die Anreicherung, die zum Vollbringen des Anlassers notwendig ist, eine nicht stöchiometrische Kraftstoffversorgung, die als hohe Endrohr-Kohlenwasserstoffemissionen zustande kommt. Die schlimmsten Emissionen sind während der ersten paar Minuten des Kraftmaschinenbetriebs, wonach sich der Katalysator und die Kraftmaschine der Betriebstemperatur nähern. Bezüglich ethanolbetriebener Fahrzeuge wird, da der Ethanolprozentsatz des Kraftstoffes auf 100% ansteigt, die Fähigkeit eines Kaltstarts zunehmend verringert, was einige Hersteller dazu führt ein duales Kraftstoffsystem einzusetzen, bei dem das Anlassen der Kraftmaschine mit herkömmlichem Benzin betrieben wird und das Laufen der Kraftmaschine mit der Ethanol-Sorte betrieben wird. Solche Systeme sind kostspielig und redundant.
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Eine andere Lösung zu Kaltstartemissionen und der Anlassschwierigkeit bei niedriger Temperatur ist das Vorwärmen des Kraftstoffes auf eine Temperatur, bei der der Kraftstoff schnell verdampft oder sofort verdampft („blitzverdampft” („flash boils”)), wenn derselbe zum Krümmer oder Luftdruck freigegeben wird. Das Vorwärmen des Kraftstoffes macht eine heiße Kraftmaschine nach, sofern ein Kraftstoffzustand betrachtet wird.
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Eine Anzahl von Vorwärmverfahren wurde vorgeschlagen, wobei die meisten derselben das Vorwärmen in einer Kraftstoffeinspritzeinrichtung involvieren. Kraftstoffeinspritzeinrichtungen sind zum Dosieren des Kraftstoffes in den Einlasskrümmer oder die Zylinder von Kraftfahrzeug-Kraftmaschinen weit verbreitet. Kraftstoffeinspritzeinrichtungen weisen üblicherweise ein Gehäuse mit einem Volumen eines unter Druck stehenden Kraftstoffes, einen Kraftstoffeinlassabschnitt, einen Düsenabschnitt mit einem Nadelventil und einen elektromechanischen Aktuator, wie beispielsweise ein elektromagnetischer Solenoid, einen piezoelektrischen Aktuator oder einen anderen Mechanismus zum Betätigen des Nadelventils auf. Wenn das Nadelventil betätigt wird, sprüht der unter Druck stehende Kraftstoff durch eine Öffnung in dem Ventilsitz heraus und in die Kraftmaschine.
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Eine Technik, die beim Vorwärmen von Kraftstoff verwendet wird, ist das induktive Erwärmen von Metallelementen der Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem zeitlich variierenden Magnetfeld. Beispielhafte Kraftstoffeinspritzeinrichtungen mit Induktionserwärmung sind im
US-Patent Nr. 7.677.468 und den
US-Patentanmeldungsveröffentlichungen: 20070235569 ,
20070235086 ,
20070221874 ,
20070221761 und
20070221747 offenbart, deren Inhalte hiermit durch Verweis in vollem Umfang hierin aufgenommen sind. Die Energie wird in einer Komponente, die hinsichtlich der Geometrie und des Materials geeignet ist, um durch die Hysterese- und Wirbelstromverluste, die durch das zeitlich variierende Magnetfeld induziert werden, erwärmt zu werden, in Wärme umgewandelt.
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Die erwärmte Kraftstoffeinspritzeinrichtung ist nicht nur beim Lösen der oben beschriebenen Probleme, die mit Benzinsystemen assoziiert werden, sondern auch beim Vorwärmen von Kraftstoffen der Ethanol-Sorte nützlich, um ein erfolgreiches Anlassen ohne ein redundantes Benzinkraftstoffsystem zu vollbringen.
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Da die Induktionserwärmungstechnik ein zeitlich variierendes Magnetfeld verwendet, enthält das System Elektronik zum Versorgen einer Induktionsspule in der Kraftstoffeinspritzeinrichtung mit einem angemessenen Hochfrequenz-Wechselstrom.
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Herkömmlich wird die Induktionserwärmung mit dem harten Schalten der Leistung oder Schalten vollbracht, wenn sowohl die Spannung als auch der Strom in der Schaltvorrichtung ungleich null sind. Üblicherweise erfolgt das Schalten bei einer Frequenz nahe der Eigenresonanzfrequenz eines Resonators oder Tankkreises. Der Resonator enthält einen Induktor und einen Kondensator, die ausgewählt und optimiert werden, um bei einer Frequenz mitzuschwingen, die zum Maximieren der Energiekopplung in die erwärmte Komponente geeignet ist.
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Die Eigenresonanzfrequenz eines Tankkreises ist fr = 1/(2π√ LC ), wobei L die Schaltkreisinduktivität und C die Schaltkreiskapazität ist. Die Spitzenspannung bei Resonanz ist durch die Energieverluste des Induktors und Kondensators oder den verringerten Gütefaktor, Q, des Schaltkreises beschränkt. Das harte Schalten kann mit sogenannten Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltkreisen vollbracht werden, die jeweils ein Paar oder zwei Paare Halbleiterschalter aufweisen. Das harte Schalten der Leistung führt zu den negativen Konsequenzen des Schaltrauschens und Stromimpulsen mit einer hohen Amplitude bei einer Resonanzfrequenz von der Spannungsversorgung oder Harmonischen derselben. Auch dissipiert das harte Schalten Leistung während der linearen Ein- und Ausschaltperiode, wenn die Schaltvorrichtung weder voll leitet noch voll isoliert. Je höher die Frequenz eines hart geschalteten Schaltkreises ist, desto höher sind die Schaltverluste.
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Ein herkömmlicher Heizkreis, der eine erwärmte Kraftstoffeinspritzeinrichtung antreibt bzw. ansteuert, wobei das Schalten mit der geringstmöglichen unterbrochenen Leistung erfolgt, wurde im
US-Patent 7.628.340 mit dem Titel Constant Current Zero-Voltage Switching Induction Heater Driver for Variable Spray Injection offenbart. Idealerweise sollte die Energie zum Tankkreis wieder aufgefüllt werden, wenn entweder die Spannung oder der Strom in der Schaltvorrichtung null ist. Es ist bekannt, dass das elektromagnetische Rauschen während des Nullspannungs- oder Nullstromschaltens geringer ist und während des Nullspannungsschaltens am geringsten ist, wobei dies im
US-Patent Nr.: 7.628.340 verwendet wird. Es ist auch bekannt, dass die Schaltvorrichtung die geringste Leistung unter Nullschalten dissipiert. Dieser ideale Schaltpunkt tritt zweimal pro Zyklus auf, wenn die Sinuswelle durch Null geht und die Polarität invertiert bzw. umkehrt; d. h., wenn die Sinuswelle durch Null in einer ersten Richtung vom Positiven ins Negative geht und wenn die Sinuswelle durch Null in einer zweiten Richtung vom Negativen ins Positive geht.
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Ein zusätzliches Verfahren zum Antreiben bzw. Ansteuern einer erwärmten Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei das Schalten mit der geringstmöglichen unterbrochenen Leistung erfolgt, ist in der
US-Patentveröffentlichung 20120267359 , die von Perry Czimmek erfunden wurde, mit dem Titel Synchronous Full-Bridge Power Oscillator offenbart. Die offenbarte Topologie verwendet zwei Paare komplementärer Paare leistungsschaltender Transistoren in einer modifizierten Vollbrücken- oder H-Brücken-Konfiguration. Die Abweichung von einem Vollbrückentreiber ist, dass die Brücke von einem Konstantstromquelleninduktor gespeist wird und der Lastabschnitt der herkömmlichen Vollbrücke durch den resonanten Tankkreis ersetzt wird. Eine weitere Abweichung von einer herkömmlichen Vollbrücke ist die oszillatorsynchrone inhärente Nullschaltungstopologie, die die Gates der komplementären Paare der Transistoren in abwechselnder Folge der diagonalen Paare ansteuert.
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Verbesserte Techniken zum Ansteuern einer erwärmten Kraftstoffeinspritzeinrichtung, wobei das Schalten mit der geringstmöglichen unterbrochenen Leistung erfolgt, würden den Stand der Technik voranbringen.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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Ausführungsformen der Erfindung sind auf einen abgestimmten Leistungsverstärker gerichtet, der Folgendes enthält: einen Abstimmkondensator, der mit mehreren belasteten Drosseln in Reihe geschaltet ist, die eine Induktivität eines Oszillators repräsentieren, und mehrere Halbleiter-Leistungsschalter, die mit den Reihenschaltungen zwischen dem Abstimmkondensator und den belasteten Drosseln verbunden sind. Die belasteten Drosseln können Induktionsheizspulen von induktiv erwärmten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen sein. Die Induktionsheizspulen können mit einer gemeinsamen Spannungsquelle verbunden sein. Ein Ein-Zustand und ein Aus-Zustand der Halbleiter-Leistungsschalter können mit einer Eigenresonanzfrequenz des abgestimmten Leistungsverstärkers oder mit einer Frequenz unterhalb derselben synchronisiert sein.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein vereinfachter elektrischer Schaltplan einer herkömmlichen Lastanordnung eines Klasse-E- oder Klasse-F-Verstärkers.
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2 ist ein vereinfachter elektrischer Schaltplan eines abgestimmten Leistungsverstärkers nach Ausführungsformen der Erfindung.
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3 ist ein Diagramm einer SPICE-Simulation eines abgestimmten Leistungsverstärkers nach Ausführungsformen der Erfindung.
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4 ist eine beispielhafte graphische Darstellung eines Simulationsergebnisses für einen Satz Bedingungen des abgestimmten Leistungsverstärkers der 3.
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5 ist ein vereinfachter elektrischer Schaltplan eines abgestimmten Leistungsverstärkers mit mehreren belasteten Drosseln nach Ausführungsformen der Erfindung.
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6 ist ein Diagramm einer SPICE-Simulation eines abgestimmten Leistungsverstärkers mit mehreren belasteten Drosseln nach Ausführungsformen der Erfindung.
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7 ist eine beispielhafte graphische Darstellung eines Simulationsergebnisses für einen Satz Bedingungen des abgestimmten Leistungsverstärkers der 6.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der Erfindung sind auf das Ansteuern einer erwärmten Kraftstoffeinspritzeinrichtung gerichtet, wobei das Schalten mit der geringstmöglichen unterbrochenen Leistung über eine verringerte Anzahl elektronischer Komponenten erfolgt, was zu Kosteneinsparungen führt, die mit der Verringerung der Komponentenanzahl assoziiert werden, während das Schalten mit der geringstmöglichen unterbrochenen Leistung noch vollbracht wird.
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Ausführungsformen der Erfindung sind auf das Modifizieren eines Verstärkers der Klasse E/F mit einer Hochfrequenzdrossel durch Ersetzen der Last als Teil der Hochfrequenzdrosselgerichtet, um das induktive Erwärmen der belasteten Verlustkomponente zu vollbringen.
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Ausführungsformen der Erfindung beseitigen die herkömmliche Position der Last und des Lastinduktors und ersetzen die Hochfrequenzdrossel durch eine Drossel, die den Lastinduktor und die Last als die Heizspule einer induktiv erwärmten Kraftstoffeinspritzeinrichtung aufweist. Auf diese Weise wird eine dedizierte Hochfrequenzdrossel nicht länger erfordert, die üblicherweise durch herkömmliche Verfahren erfordert wird.
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Verstärker der Klasse E, E/F und F sind zu praktischen Zwecken als abgestimmte Schaltmodusinverter beschrieben, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln. Die Effizienz ist mit Verstärkern der Klasse E, E/F und F relativ hoch und die Leitung des Leistungsschalters derselben beträgt üblicherweise nahezu 50%. Die Leitung bzw. der Leitzustand derselben wird ausgewählt, um in Synchronisation mit der Eigenresonanz von einem oder mehreren abgestimmten Schaltkreisen mit einer induktiven Komponente und einer kapazitiven Komponente ein- und ausgeschaltet zu werden. Der abgestimmte Schaltkreis ist mit der Lastkomponente herkömmlich parallel oder in Reihe angeordnet. 1 stellt eine Last in Reihe mit dem abgestimmten Schaltkreis bei einer herkömmlichen Weise dar. Eine separate Hochfrequenzdrossel ist enthalten, um eine Wiederauffüllung der in dem abgestimmten Schaltkreis und der Last verlorenen Energie zu liefern. Eine Hochfrequenzdrossel ist herkömmlich nicht Teil dieses abgestimmten Schaltkreises, noch ist dieselbe eine Verlustkomponente zum Zwecke der Induktionserwärmung. Ausführungsformen der Erfindung kombinieren die Hochfrequenzdrossel mit der Verlustkomponente zum Zwecke der Induktionserwärmung. Auf diese Weise sind die Drossel, der inhärente Effekt derselben auf ihre eigene Selbstinduktivität und der Abstimmkondensator was zum Abstimmen bleibt.
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Ausführungsformen der Erfindung beseitigen die herkömmliche Position der Last und des Lastinduktors und ersetzen die Hochfrequenzdrossel durch eine Drossel, die nun den Lastinduktor und die Last als die Heizspule einer induktiv erwärmten Einspritzeinrichtung aufweist, wie in 2 gezeigt. Diese Ersetzung ist in dem äquivalenten Schaltkreis des SPICE-Modells der 3 verdeutlicht, in dem die Last und der Lastinduktor nach Ausführungsformen der Erfindung an dem jeweiligen neuen Ort derselben durch den Widerstand R6 bzw. den Induktor L4:L7 repräsentiert sind. Eine dedizierte Hochfrequenzdrossel, die üblicherweise durch herkömmliche Verfahren erfordert wird, wird nicht benötigt. Ebenso werden auch zusätzliche Leistungsschalter nicht benötigt, so dass ein abgestimmter Leistungsverstärker nach Ausführungsformen der Erfindung mit einem einzigen n-MOSFET wirken kann. Auf diese Weise kann ein Resonanznetzwerk zwischen der Drossel oder dem Lastinduktor und dem Abstimmkondensator ausgebildet werden.
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Idealerweise sollte Energie zum Tankkreis wieder aufgefüllt werden, wenn entweder die Spannung oder der Strom in der Schaltvorrichtung null ist. Es ist bekannt, dass das elektromagnetische Rauschen während des Nullspannungs- oder Nullstromschaltens geringer ist und während des Nullspannungsschaltens am geringsten ist. Es ist auch bekannt, dass die Schaltvorrichtung die geringste Leistung unter Nullschalten dissipiert. Die Widerauffüllung der Energie wird durch Halbleiterschalter ermöglicht und das Nullspannungsschalten wird mit der Resonanz des abgestimmten Schaltkreises synchronisiert. Dies wird durch die Simulationsergebnisse bestätigt, die in 4 gezeigt sind, wobei die Schaltpunkte mit der Drain-Spannung synchronisiert sind, die auch die Kondensatorspannung ist.
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Der Abstimmkondensator und die Drossel bilden den abgestimmten Schaltkreis. Die Resonanzfrequenz des abgestimmten Schaltkreises ist fr = 1/(2π√ LC ), wobei L die Induktivität der Drossel und C die Kapazität des Abstimmkondensators ist. Die Spitzenspannung in dem abgestimmten Schaltkreis ist nahe dem Verhältnis Vout, = n·Vin, wobei Vin die Versorgungsspannung ist. Der Strompegel in dem abgestimmten Schaltkreis wird anhand der Energiebilanz von 1 / 2LI2 = 1 / 2CV2 bestimmt.
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Die Last, die durch den resistiven bzw. ohmschen Verlust und Hystereseverlust der erwärmten Komponente in der Einspritzeinrichtungs-Heizspule der Drossel verursacht wird, wird als Verlust in dem abgestimmten Schaltkreis zurück reflektiert. Dieser Verlust wird durch Strom, der in die Drossel fließt, von der Versorgungsspannung gemäß Ausführungsformen der Erfindung wieder aufgefüllt. Die Drossel liefert auch eine vorübergehende Trennung des abgestimmten Schaltkreises von der Spannungsquelle, so dass die Tankspannung sofort höher als die Quellenspannung während der Oszillation sein kann.
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Temperatursteuerung kann durch Abfragen der abgestimmten Frequenz von dem Parameter durchgeführt werden, wie beispielsweise die zeitlich variierende Gate-Ladung von einem oder mehreren der Oszillator-Leistungsschalter. Dieses Verfahren, das die Gate-Ladung verwendet, um die Tankfrequenz zu bestimmen, wurde zuvor in der
US-Patentanmeldungsveröffentlichung 20100288755 , die von Perry Czimmek erfunden wurde, mit dem Titel Frequency to Voltage Converter Using Gate Voltage Sampling of Power Oscillator offenbart, deren gesamter Inhalt durch Verweis hiermit aufgenommen ist.
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3 ist ein Diagramm einer SPICE-Simulation eines abgestimmten Leistungsverstärkers nach Ausführungsformen der Erfindung.
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4 ist eine beispielhafte graphische Darstellung eines Simulationsergebnisses für einen Satz Bedingungen des abgestimmten Leistungsverstärkers der 3. 4 zeigt die Drain-Spannung von Q1, was eine Leitung des MOSFET-Schalters ist. Die Gate-Spannung ist V2, die die Spannung wäre, die die MOSFET-Q1 ein- und ausschaltet. Der Strom ist der Strom, der durch L4, was der Lastinduktor ist, oder die Hochfrequenzdrosselkomponente fließt. 4 zeigt den zeitlich variierenden Strom, der der Einspritzeinrichtungsstrom ist. Derselbe weist eine DC-Vorspannung auf. Derselbe geht rauf bis auf 32 Ampere und runter bis auf –16 Ampere. Dieser zeitlich variierende Strom erzeugt das zeitlich variierende Feld in dem Lastinduktor, das Wärme erzeugt, und die Simulation zeigt, dass der Schaltkreis der 3 wie beabsichtigt wirkt.
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Auf eine Weise, die der in 2 gezeigten Weise ähnlich ist, beseitigen Ausführungsformen der Erfindung die herkömmliche Position der Lasten und Lastinduktoren und ersetzen die Hochfrequenzdrossel durch mehrere Drosseln, die nun die Lastinduktoren und Lasten als die Heizspulen der mehreren induktiv erwärmten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen aufweisen, wie in 5 gezeigt ist. Diese Ersetzung wird in dem äquivalenten Schaltkreis des SPICE-Modells der 6 dargestellt, in dem die Lasten und die Lastinduktoren nach Ausführungsformen der Erfindung an den neuen Orten derselben durch den Widerstand R6 und Induktor L4:L7 bzw. durch den Widerstand R5 und den Induktor L1:L6 repräsentiert sind. Eine dedizierte Hochfrequenzdrossel, die üblicherweise durch herkömmliche Verfahren erfordert wird, wird nicht benötigt. Auf diese Weise kann ein Resonanznetzwerk zwischen den mehreren belasteten Drosseln oder Lastinduktoren und dem gemeinsam benutzten Abstimmkondensator ausgebildet werden.
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7 ist eine beispielhafte graphische Darstellung eines Simulationsergebnisses für einen Satz Bedingungen des abgestimmten Leistungsverstärkers der 6. Wie 4, die oben erörtert ist, zeigt 7, dass der Schaltkreis der 6 wie beabsichtigt wirkt.
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Die Ausführungsform der 2 kann angesehen werden einen einzelnen Kanal zu repräsentieren, so dass es eine induktiv erwärmte Kraftstoffeinspritzeinrichtung an der Drosselposition gibt. In der Ausführungsform der 5 wird ein einzelner gemeinsam benutzter Abstimmkondensator verwendet, um mehrere Einspritzeinrichtungen anzutreiben. Jede Drossel repräsentiert eine Einspritzeinrichtung. Daher kann zum Betätigen von vier induktiv erwärmten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen anstelle des vierfachen Vervielfältigens der Ausführungsform der 2 für vier separate Kanäle die Ausführungsform der 5 zweifach vervielfältigt werden, was vorteilhafter Weise die Anzahl der Abstimmkondensator um die Hälfte verringert, die zum Ansteuern der gleichen Anzahl von induktiv erwärmten Kraftstoffeinspritzeinrichtungen verwendet werden.
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Die vorangehende detaillierte Beschreibung gilt in jeder Hinsicht als veranschaulichend und beispielhaft, aber nicht beschränkend, und der Bereich der Erfindung, die hierin offenbart ist, ist nicht anhand der Beschreibung der Erfindung, sondern vielmehr anhand der Ansprüche zu bestimmen, die gemäß der vollen Breite interpretiert werden, die durch die Patentgesetze zugelassen ist. Beispielsweise erwähnt das Verfahren zwar eine spezifische Klasse des Verstärkers, aber, wie für jemanden mit technischen Fähigkeiten klar ist, können Variationen mit anderen Verstärkerklassen oder mit überhaupt keiner Referenz auf eine Verstärkerklasse verwendet werden. Es sollte klar sein, dass die hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen für die Prinzipen der vorliegenden Erfindung lediglich veranschaulichend sind und dass verschiedene Modifikationen von jemandem mit technischen Fähigkeiten implementiert werden können ohne von dem Bereich und Wesen der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7677468 [0007]
- US 20070235569 [0007]
- US 20070235086 [0007]
- US 20070221874 [0007]
- US 20070221761 [0007]
- US 20070221747 [0007]
- US 7628340 [0012, 0012]
- US 20120267359 [0013]
- US 20100288755 [0031]
