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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stromversorgung eines Induktionsmittels gemäß Anspruch 1.
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Aus der
DE 10 2013 217 923 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Induktionsmittel zur Induktion von Wirbelströmen in einem Heizmittel einer Kraftstoffeinspritzdüse genutzt wird. Dabei wird das Induktionsmittel über Transistoren mit einem Wechselstrom versorgt. Aufgrund der Induktion entsteht eine Phasenverschiebung zwischen dem Strom- und dem Spannungsverlauf, sodass der Wechselstrom einen Blindstromanteil und einen Wechselstromanteil aufweist.
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Aus der
US 8 624 684 B2 ist eine Leistungsoszillator-Startschaltung für einen elektronischen Hochfrequenz-Induktionsheiztreiber bekannt. Der Induktionsheizungstreiber erzeugt bei Empfang eines Einschaltsignals einen hochfrequenten Wechselstrom, wobei der Wechselstrom durch eine Induktionsheizungsspule magnetisch an eine geeignete Verlustkomponente für eine Kraftstoffeinspritzung gekoppelt ist.
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Aus dem Leitfaden der Elektrotechnik; Band 1, MOELLER, Franz ; FRICKE, Hans: Grundlagen der Elektrotechnik. Stuttgart : B. G. Teubner, 1974, S. 391-392. - ISBN 3-519-16400-0 ist beschrieben, dass eine Blindstrom-Kompensation mittels Wirk- und mehreren Blindwiderstände realisierbar ist.
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Die
DE 10 2011 085 085 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zum Zuführen von Energie zur induktiven Erwärmung zu einem Kraftstoffeinspritzventil, wobei ein Kondensator und eine Spule in der Schaltungsanordnung angeordnet sind.
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Aus der
DE 34 41 001 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zum Beseitigen einer Blindleistung bei induktiven Materialbehandlungsprozessen in Anlagen mit einer Stromversorgungsquelle, einer Induktionsspule und einem Kondensator, die zusammen einen Schwingkreis bilden, bekannt.
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Die
US 5 159 915 A beschreibt einen Kraftstoffinjektor zum Einspritzen eines erhitzten Kraftstoffs in einen Verbrennungsmotor, umfassend eine elektromagnetische Spule zum Erzeugen einer schwankenden magnetischen Flussdichte und ein Kraftstoffheizelement, in dem die schwankende magnetische Flussdichte durch die elektromagnetische Spule erzeugt wird.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kraftstoffeinspritzdüse zu schaffen, bei der Halbleiterelemente, die zur Übertragung des Wechselstroms zum Induktionsmittel genutzt werden, weniger stark belastet werden. Außerdem soll ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Kraftstoffeinspritzdüse geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kraftstoffeinspritzdüse gemäß Anspruch 1 und durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 4 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Für die Kraftstoffeinspritzdüse gemäß Anspruch 1 wird dem Induktionsmittel ein Wechselstrom mit einem Blindstromanteil und einem Wirkstromanteil bereitgestellt. Das Induktionsmittel induziert dabei einen Strom in das Heizmittel, der das Heizmittel aufheizt. Der Blindstromanteil wird dabei durch ein Kapazitätsmittel, beispielsweise einem Kondensator, dem Induktionsmittel bereitgestellt. Unter einem Kapazitätsmittel wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere ein elektronisches Bauteil verstanden, das eine für die praktische Stromführung signifikante Kapazität aufweist. Es sollen explizit keine Bauteile umfasst sein, die lediglich eine theoretische Kapazität ohne praktische Relevanz aufweisen.
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Die Bereitstellung des Blindstromanteils durch das Kapazitätsmittel ist vorteilhaft, da andere Komponenten, beispielsweise Halbleiterelemente wie Transistoren, lediglich durch den Wirkstromanteil und nicht noch zusätzlich durch den Blindstromanteil belastet werden. Diese Komponenten können daher besonders kostengünstig hergestellt werden. Außerdem wird die eventuell benötigte Kühlleistung für diese Komponenten reduziert. Da im Betrieb eine Phasenverschiebung zwischen der Spannung und der Stromstärke von mehr als 45° auftreten kann, ist die Bereitstellung des Blindstromanteils durch das Kapazitätsmittel besonders vorteilhaft.
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Gemäß der Erfindung wird ausschließlich der Blindstromanteil dem Induktionsmittel vom Kapazitätsmittel bereitgestellt. Der Wirkstromanteil wird über Halbleiterelemente bereitgestellt. Diese Halbleiterelemente können beispielsweise als aktive Halbleiterelemente, zum Beispiel Transistoren, ausgebildet sein.
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Eine Frequenz des Wechselstroms wird an das Kapazitätsmittel angepasst, sodass der komplette Blindstromanteil dem Induktionsmittel vom Kapazitätsmittel bereitgestellt wird. Der Wechselstrom kann beispielsweise eine Sinusspannung oder eine Rechteckspannung aufweisen. Durch die Anpassung der Frequenz an das Kapazitätsmittel kann erreicht werden, dass ein möglichst hoher Anteil des Blindstromanteils durch das Kapazitätsmittel bereitgestellt wird. In der Praxis können dabei Ungenauigkeiten und Toleranzen auftreten, sodass ein sehr geringer Anteil unter Umständen über andere Komponenten dem Induktionsmittel bereitgestellt wird. Dies soll im Rahmen dieser Beschreibung jedoch trotzdem als Bereitstellung des kompletten Blindstromanteils durch das Kapazitätsmittel verstanden werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Wirkstromanteil dem Induktionsmittel über Halbleiterelemente, insbesondere aktive Halbleiterelemente wie beispielsweise Transistoren, bereitgestellt werden. Die Halbleiterelemente lassen sich besonders einfach in geeigneter Art und Weise steuern, um die gewünschte Heizleistung des Heizmittels zu erreichen und die Frequenz des Wechselstroms anzupassen.
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Die Kraftstoffeinspritzdüse gemäß Anspruch 1 umfasst ein Heizmittel und eine Stromversorgungseinrichtung. Die Stromversorgungseinrichtung umfasst Anschlussmittel, ein Induktionsmittel und ein Kapazitätsmittel. Die Anschlussmittel sind für eine Verbindung mit einem Stromnetz des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Das Induktionsmittel ist mit den Anschlussmitteln, beispielsweise über Halbleiterelemente, elektrisch verbindbar. Außerdem ist das Induktionsmittel dazu ausgebildet, elektrischen Strom in das Heizmittel zu induzieren, wobei das Heizmittel dazu ausgebildet ist, durch diesen elektrischen Strom erhitzt zu werden. Das Kapazitätsmittel ist elektrisch mit dem Induktionsmittel verbunden. Das Induktionsmittel ist mit einem Wechselstrom mit einem Blindstromanteil und einem Wirkstromanteil betreibbar. Das Kapazitätsmittel ist dazu ausgebildet, dem Induktionsmittel den Blindstromanteil bereitzustellen. Vorzugsweise ist das Kapazitätsmittel dazu ausgebildet, den kompletten Blindstromanteil bereitzustellen. Die Stromversorgungseinrichtung umfasst ein Steuerungsmittel, das dazu ausgebildet ist, eine Frequenz des Wechselstroms an das Kapazitätsmittel anzupassen. Auf diese Weise kann beispielsweise erreicht werden, dass ein möglichst hoher Anteil des Blindstromanteils dem Induktionsmittel durch das Kapazitätsmittel bereitgestellt wird.
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Gemäß der Erfindung ist das Steuerungsmittel dazu ausgebildet, einen Kraftstoffaustritt aus der Kraftstoffeinspritzdüse zu steuern. Der Kraftstoffaustritt kann beispielsweise in Abhängigkeit von einer Außentemperatur, einer Kraftstofftemperatur, einer Drehzahl des Motors, einer Drehmomentanforderung, einem Signal einer Lambdasonde und/oder einem Signal eines Partikelsensors gesteuert werden. Es ist vorteilhaft, dass das Steuermittel sowohl den Kraftstoffaustritt als auch das Kapazitätsmittel steuert, da eine Anpassung der Frequenz des Wechselstroms an die Heizleistung besonders schnell und einfach erfolgen kann. Außerdem wird die Anzahl der benötigten Komponenten gering gehalten.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Stromversorgungseinrichtung Halbleiterelemente umfassen, die dazu ausgebildet sind, dem Induktionsmittel den Wirkstromanteil bereitzustellen. Die Halbleiterelemente können insbesondere aktive Halbleiterelemente wie beispielsweise Transistoren umfassen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann die Kraftstoffeinspritzdüse ein Kraftstoffaustrittsende umfassen, aus dem im Betrieb der Kraftstoff austritt. Das Heizmittel kann am Kraftstoffaustrittsende angeordnet sein. An diesem Ort kann das Heizmittel den Kraftstoff besonders effektiv aufheizen, sodass er sich besonders gut, vorzugsweise gasförmig, mit Luft vermischt, um besonders gut im Motor zu verbrennen.
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Das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 umfasst eine Kraftstoffeinspritzdüse nach einer Ausführungsform der Erfindung und ein Stromnetz. Die Anschlussmittel sind mit dem Stromnetz verbunden. Die vom Induktionsmittel benötigte Leistung kann somit vom Stromnetz des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Bauteile und für Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigt
- 1 einen schematischen Schaltplan einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 einen schematischen Schaltplan einer Ausführungsform der Erfindung;
- 3 ein schematisches Diagramm zum Verlauf der Stromstärke des Wechselstroms, des Wirkstromanteils und der jeweiligen Phasenverschiebungen;
- 4 einen schematischen Schaltplan einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 5 einen schematischen Schaltplan einer Ausführungsform der Erfindung.
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Die Kraftstoffeinspritzdüse umfasst vier Transistoren 100 als aktive Halbleiterelemente, einen Kondensator 101 als Kapazitätsmittel, ein Induktionsmittel 102, ein Steuerungsmittel 103, ein Heizmittel 104, ein Kraftstoffführungsmittel 105 und Anschlussmittel 107. Die Anschlussmittel 107 sind für einen Anschluss an einem Stromnetz eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Optional kann ein Sicherungselement 106 zum Schutz vor zu großen Stromstärken zwischen den Anschlussmitteln 107 und den anderen Bauteilen angeordnet sein.
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Das Steuerungsmittel 103 ist zur Steuerung der Transistoren 100 ausgebildet. Durch eine geeignete Schaltung der Transistoren 100 kann der Gleichstrom des Stromnetzes des Kraftfahrzeugs in einen Wechselstrom gewandelt werden. Der Wechselstrom kann dabei einen sinusförmigen Verlauf der Spannung oder eine Rechteckspannung aufweisen. Die Rechteckspannung ist vorteilhaft, da eine geringere Speisespannung benötigt wird und die Steuerungskomplexität geringer ist. Die Rechteckspannung lässt sich beispielsweise erzeugen, indem in 1 für die positive Halbwelle der linke obere und der rechte untere Transistor und für die negative Halbwelle der linke untere und der rechte obere Transistor leitend geschaltet werden.
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Dem Induktionsmittel 102 wird der Wechselstrom bereitgestellt, sodass vom Induktionsmittel 102 ein Strom in das Heizmittel 104 induziert wird. Aufgrund dieses induzierten Stroms wird das Heizmittel 104 aufgeheizt. Das Kraftstoffführungsmittel 105 ist magnetisch mit dem Heizmittel 104 verbunden, sodass sich die Wärme auf das Kraftstoffführungsmittel 105 überträgt und der dadurch geführte Kraftstoff zuverlässig erwärmt wird.
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Aufgrund der Induktion des Stroms in das Heizmittel 104 entsteht beim Wechselstrom eine Phasenverschiebung zwischen der Spannung und der Stromstärke. Bei einer besonders effizienten Erwärmung des Heizmittels 104 kann diese Phasenverschiebung mehr als 45° betragen. Somit weist der Wechselstrom einen Blindstromanteil und einen Wirkstromanteil auf. Alleine der Wirkstromanteil trägt zur Erhitzung des Heizmittels 104 bei. Der Blindstromanteil belastet die Bauteile, trägt jedoch nicht zur Heizleistung bei.
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Der Kondensator 101 ist parallel zum Induktionsmittel 102 geschaltet. Bei einer geeigneten Frequenz des Wechselstroms wird der Blindstromanteil durch den Kondensator 101 bereitgestellt, sodass er nicht die Transistoren 100 belastet. Die Frequenz des Wechselstroms kann durch das Steuerungsmittel 103 eingestellt werden. Die Transistoren 100 können somit kostengünstiger für geringere Belastungen hergestellt werden. Außerdem ist die Hitzeentwicklung in den Transistoren 100 geringer, sodass eine geringere Kühlleistung ausreicht.
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Die Ausführungsform in 2 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten insbesondere durch zwischen den Transistoren 100 und dem Kondensator 101 angeordneten Induktivitätsmittel 200, die den Stromimpuls in den Kondensator 101 bei jedem Phasenwechsel dämpfen.
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In 3 sind der Verlauf der Phasenverschiebung 300 zwischen der Spannung und der Stromstärke beim dem Induktionsmittel bereitgestellten Wechselstrom, der Verlauf der Phasenverschiebung 302 zwischen der Spannung und der Stromstärke beim Wirkstromanteil des Wechselstroms, der Verlauf der Stromstärkenamplitude 303 des Wechselstroms und der Verlauf der Stromstärkenamplitude 301 des Wirkstromanteils in Abhängigkeit von der Frequenz des Wechselstroms aufgetragen.
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Aufgrund der Bereitstellung des Blindstromanteils durch den Kondensator 101 stellt sich zumindest ein lokales Maximum 304 der Stromstärkenamplitude 303 des Wechselstroms ein. In 3 liegt dies bei einer Frequenz des Wechselstroms zwischen 4 und 5 kHz. Die Stromstärkenamplitude 301 des Wirkstromanteils weist bei dieser Frequenz ebenfalls ein lokales Maximum auf. Die Phasenverschiebung 300 des Wechselstroms beträgt bei dieser Frequenz zwischen 150° und 200°.
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Es ist möglich, die Frequenz, bei der die Stromstärkenamplitude 303 das lokale Maximum 304 erreicht, manuell einzustellen. Vorteilhaft ist allerdings eine automatische Steuerung durch das Steuerungsmittel 103. Das Steuerungsmittel 103 wird dabei programmiert, die Stromstärkenamplitude 303 zu maximieren. Die Frequenz des Wechselstroms, um das lokale Maximum 304 zu erreichen, kann beispielsweise voreingestellt werden und durch das Steuerungsmittel 103 nur korrigiert werden, um beispielsweise Verschiebungen aufgrund von Temperaturschwankungen auszugleichen.
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Es ist auch möglich, dass das Steuerungsmittel 103 dazu ausgebildet ist, das lokale Maximum 304 automatisch einzustellen. Beispielsweise kann das Steuerungsmittel 103 zu diesem Zweck eine Frequenz einstellen und die Stromamplitude 303 des Wechselstroms messen. Anschließend kann das Steuerungsmittel 103 die Frequenz geringfügig verändern, beispielsweise zufällig mit gaußverteiltem Ausmaß, und erneut die Stromamplitude 303 des Wechselstroms messen. Ist die zweite gemessene Amplitude höher als die erste, erfolgt die nächste Änderung in der gleichen Richtung. Ist die zweite gemessene Stromamplitude geringer als die erste, erfolgt die nächste Frequenzänderung in die entgegengesetzte Richtung. Diese Schritte können in ständiger oder regelmäßiger Wiederholung ausgeführt werden.
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In 4 wurden im Vergleich zu 1 zwei der Transistoren 100 durch Dioden 400 als passive Halbleiterelemente ersetzt. Hierdurch lassen sich die Herstellungskosten deutlich senken. Allerdings kann der Wechselstrom nicht mehr sinusförmig oder mit einer Rechteckspannung bereitgestellt werden. Es wird lediglich eine Halbwelle der Sinusform oder der Rechteckspannung dem Induktionsmittel 102 bereitgestellt.
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In 5 sind zusätzlich zu den in 4 dargestellten Komponenten noch Anschlussmittel 501 zur Verbindung mit einem Einspritzventil der Kraftstoffeinspritzdüse vorgesehen. Beispielsweise kann das Einspritzventil einen Piezo- oder Magnetaktor umfassen, mit dem die Einspritzung gesteuert werden kann. Eine Diode 502 ist parallel zu den Anschlussmitteln 501 geschaltet. Die Anschlussmittel 501 sind über einen Transistor 500 mit den Anschlussmitteln 107 verbunden. Der Transistor 500 wird durch das Steuerungsmittel 103 gesteuert. Somit ist das Steuerungsmittel 103 dazu ausgebildet, sowohl das Einspritzventil als auch den dem Induktionsmittel 102 bereitgestellten Wechselstrom zu steuern.
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Das Steuerungsmittel 103 ist dazu ausgebildet Steuerungssignale von einem übergeordneten Antriebssteuergerät über ein BUS-System zu empfangen. Über das BUS-System werden dem Steuerungsmittel 103 Kennfelder 503 bereitgestellt, aus denen sich die Amplitude und die Frequenz des dem Induktionsmittel 102 bereitgestellten Wechselstroms ermitteln lassen. Aus den Kennfeldern 503 lässt sich außerdem der Zeitpunkt der Kraftstoffeinspritzung ermitteln.
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Die Kennfelder enthalten die Amplitude und die Frequenz des Wechselstroms in Abhängigkeit von einem oder mehreren der folgenden Parameter: Außentemperatur, Kraftstofftemperatur, Drehzahl des Motors, Drehmomentanforderung, geschätztes aktuelles Drehmoment, Signal einer Lambdasonde und Signal eines Partikelsensors.
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Das Steuerungsmittel 103 kann die Verbrennung im Motor beispielsweise auf eine möglichst geringe Konzentration von Verbrennungsnebenprodukten, wie beispielsweise Stickoxide, Rußpartikel oder unverbrannter Kohlenwasserstoff, regeln.
