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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinheit für ein Kraftfahrzeug,
mit mindestens einem vorzugsweise als Zündspule ausgebildeten induktiven
Element.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben
einer Energieversorgungseinheit für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens
einem vorzugsweise als Zündspule
ausgebildetem induktivem Element.
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Derartige
Vorrichtungen sind beispielsweise aus induktiven Zündsystemen
für fremdgezündete Brennkraftmaschinen
bekannt. Bei solchen Zündsystemen
wird ein durch eine Primärwicklung
der Zündspule
fließender
Primärstrom
mittels einer Zündungsendstufe
so geschaltet, dass sich aufgrund von Induktionseffekten an einer
magnetisch mit der Primärwicklung
gekoppelten Sekundärwicklung
der Zündspule
eine Hochspannung ergibt, die an einer mit der Sekundärwicklung
verbundenen Zündkerze
einen Funkenüberschlag
bewirkt.
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Energieversorgungseinheiten
dieser Art sind üblicherweise
allein zur Bereitstellung der zur Versorgung von Zündkerzen
erforderlichen Hochspannung vorgesehen und finden ansonsten keine
weitere Verwendung in Kraftfahrzeugen, so dass das funktionelle
Potential der aufwendigen und damit teuren Zündspule(n) nicht optimal genutzt
wird.
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Demgemäß ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energieversorgungseinheit
der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass sie eine gesteigerte
Funktionalität
aufweist und insbesondere eine vorhandene Zündspule besser ausnutzt.
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Diese
Aufgabe wird bei einer Energieversorgungseinheit der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass mindestens eine mit der Zündspule
verbundene Speicherschaltung zur Speicherung und/oder Weiterleitung
von durch die Zündspule
bereitgestellter elektrischer Energie an mindestens einen Verbraucher
vorgesehen ist.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Speicherschaltung kann
die mittels der Zündspule
bereitgestellte elektrische Energie einerseits im wesentlichen ohne
Zwischenspeicherung an geeignete Verbraucher wie beispielsweise
Magnetventile oder auch piezoelektrische Stellglieder von Kraftstoffeinspritzsystemen weiterleiten,
d.h., es erfolgt keine Zwischenspeicherung von elektrischer Energie
in der erfindungsgemäßen Speicherschaltung.
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Andererseits
kann die erfindungsgemäße Speicherschaltung
von der Zündspule
bereitgestellte elektrische Energie auch zunächst zwischenspeichern, um
sie bei Bedarf an Verbraucher abzugeben.
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Durch
die erfindungsgemäße Speicherschaltung
kann die bisher nur zur Erzeugung einer Hochspannung bzw. Zündspannung
verwendete Zündspule
auch zur Versorgung weiterer Verbraucher mit elektrischer Energie
verwendet werden.
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Bevorzugt
werden für
die Energieübertragung
von der Zündspule
zu der Speicherschaltung insbesondere diejenigen Zeiträume ausgenutzt,
die zwischen zwei Zündvorgängen liegen.
Unter einem Zündvorgang
wird hierbei das Zeitintervall verstanden, in dem eine Primärwicklung
der Zündspule
in bekannter Weise zunächst
bestromt wird, um ein entsprechendes Magnetfeld aufzubauen, bis
hin zu dem eigentlichen Zündvorgang,
bei dem der Funkenüberschlag
an einer mit der Zündspule
verbundenen Zündkerze
stattfindet. Darüberhinaus
ist es mit der erfindungsgemäßen Speicherschaltung
auch möglich,
während
eines Zündvorgangs
Energie von der Zündspule
zu der Speicherschaltung zu übertragen.
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In
Abhängigkeit
der elektrischen Spannung, mit der die elektrische Energie von der
Zündspule
zu der erfindungsgemäßen Speicherschaltung
zu übertragen
ist, kann ein Eingang der Speicherschaltung bspw. mit einer Primärwicklung
der Zündspule
oder auch mit einer Sekundärwicklung
der Zündspule
verbunden sein.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer
Energieversorgungseinheit gemäß Patentanspruch
11 angegeben.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene
Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und
in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung zeigt:
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1 ein
Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit,
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2 eine
Detailansicht der Speicherschaltung der in 1 gezeigten
Energieversorgungseinheit,
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3a eine
erste schaltungstechnische Realisierung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit,
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3b eine
weitere schaltungstechnische Realisierung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit,
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3c eine
dritte schaltungstechnische Realisierung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit,
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4a eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit,
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4b eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit
mit mehreren Zündspulen,
und
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5 ein
Flussdiagramm einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 100.
Die Energieversorgungseinheit 100 weist eine Zündspule 110 auf,
an die über den
Hochspannungsanschluss 110b_2 in bekannter Weise eine Zündkerze 111 angeschlossen
ist, die in einem nicht gezeigten Brennraum einer Brennkraftmaschine
zur Zündung
eines Luft-/Kraftstoffgemischs vorgesehen ist.
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Zusätzlich zu
der Zündkerze 111 ist
eine erfindungsgemäße Speicherschaltung 120 über ihren Eingang 121 mit
der Zündspule 110 verbunden. Über diesen
Eingang 121 wird die Speicherschaltung 120 von
der Zündspule 110 mit
elektrischer Energie versorgt, die die Speicherschaltung 120 in
einer nachfolgend näher
erläuterten
Weise an die Verbraucher 200a, 200b weiterleiten
kann.
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Aus
der in 2 abgebildeten Detailansicht der Speicherschaltung 120 aus 1 ist
ersichtlich, dass die Speicherschaltung 120 an ihrem Eingang 121 einen
Schalter 122 aufweist, der vorzugsweise als Halbleiterschalter
ausgebildet ist. Bei dem Halbleiterschalter 122 kann es
sich insbesondere um einen Biopolartransistor oder auch um einen
Feldeffekttransistor (FET) handeln.
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Ferner
weist die erfindungsgemäße Speicherschaltung 120 einen
Speicherkondensator 124 auf, der dem Halbleiterschalter 122 nachgeordnet
ist, so dass ein Aufladen des Speicherkondensators 124 mit
von der Zündspule 110 (1)
bereitgestellter elektrischer Energie durch den Halbleiterschalter 122 steuerbar
ist. Dass heißt,
wenn der Halbleiterschalter 122 nichtleitend ist, wird
der Speicherkondensator 124 nicht aufgeladen. Falls der
Halbleiterschalter 122 jedoch leitend ist, kann der Speicherkondensator 124 dementsprechend
aufgeladen werden.
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Über den
in 2 rechts abgebildeten Ausgang 126 der
Speicherschaltung 120 kann der Speicherschaltung 120 die
in dem Speicherkondensator 124 gespeicherte elektrische
Energie durch einen oder mehrere nicht in 2 dargestellte
Verbraucher (vgl. 200a, 200b aus 1)
entnommen werden.
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Falls
die Verbraucher 200a, 200b eine eigene Schaltungsanordnung
zur geregelten Entnahme von Energie aus der Speicherschaltung 120,
insbesondere zur Strombegrenzung, aufweisen, kann der Ausgang 126 der
Speicherschaltung 120 direkt mit dem Speicherkondensator 124 verbunden
sein. Alternativ hierzu ist es jedoch möglich, dass die erfindungsgemäße Speicherschaltung 120 zwischen
dem Speicherkondensator 124 und dem Ausgang 126 einen
ebenfalls vorzugsweise als Halbleiterschalter ausgebildeten Schalter 125 aufweist,
der zur Steuerung der Entladung der Speicherkondensators 124 vorgesehen
ist. In diesem Fall kann ein nahezu beliebiger Verbraucher an die
Speicherschaltung 120 angeschlossen werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist die Speicherschaltung 120 keinen Speicherkondensator 124 bzw.
einen Speicherkondensator 124 mit sehr geringer Kapazität auf. Diese
Erfindungsvariante ermöglicht
die Versorgung von Verbrauchern 200a, 200b (1)
zu derjenigen Zeit, zu der gerade elektrische Energie von der Zündspule 110 zu
der Speicherschaltung 120 übertragen wird, so dass die
Funktionalität
einer derartig ausgebildeten Speicherschaltung stark vereinfacht
mit derjenigen eines Schalters vergleichbar ist. Der ggf. vorhandene
Speicherkondensator 124 geringer Kapazität dient
dabei zur Vermeidung von Spannungssprüngen im Bereich der Speicherschaltung.
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Generell
ist mit der erfindungsgemäßen Speicherschaltung 120 (2)
auch eine Versorgung von Verbrauchern möglich, bei der ein Teil der insgesamt
für die
Verbraucher benötigten
elektrischen Energie durch die momentan an dem Eingang 121 verfügbare, von
der Zündspule 110 gelieferte
Energie gebildet ist und bei der ein weiterer Teil der benötigten Energie
aus dem Speicherkondensator 124 entnommen wird.
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3a zeigt
eine erste schaltungstechnische Realisierung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 100.
Die Energieversorgungseinheit 100 weist eine Zündspule 110 auf,
deren Primärwicklung 110a über einen
Anschluss 110a_1 mit einer nicht in 3a abgebildeten
Bordnetzspannung eines 12-Volt-Netzes eines Kraftfahrzeugs verbunden
ist. Der andere Anschluss der Primärwicklung 110a ist
mit einem Masseanschluss 100b_1 der Sekundärwicklung 110b der
Zündspule 110 und
mit einem Eingang einer Zündungsendstufe 112 verbunden,
die zur Steuerung des durch die Primärwicklung 110a fließenden Primärstroms
vorgesehen ist und hierzu einen Steuereingang 112a aufweist.
Die Zündungsendstufe 112 ist
darüberhinaus
mit einer Fahrzeugmasse GND verbunden, zu der der Primärstrom abfließen kann.
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Über den
Steuereingang 112a kann die Zündungsendstufe 112 entweder
mittels einer geeigneten Treiberstufe oder auch direkt von einem
in einem Steuergerät
(nicht gezeigt) vorgesehenen Mikrocontroller angesteuert werden,
um den durch die Primärwicklung 110a der
Zündspule 110 fließenden Primärstrom zeitlich
zu steuern.
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Aufgrund
des Induktionsgesetzes ergibt sich bei einer zeitlichen Änderung
des Primärstroms
in bekannter Weise eine an der Sekundärwicklung 110b abfallende
Sekundärspannung,
die in ebenfalls bekannter Weise über einen Hochspannungsanschluss 110b_2 abgegriffen
werden kann und der Zündkerze 111 zugeführt wird.
Erfindungsgemäß ist zwischen dem
Hochspannungsanschluss 110b_2 und der Zündkerze 111 eine Kippdiode 111a vorgesehen,
die beispielsweise erst oberhalb einer Durchbruchspannung von etwa
16kV durchschaltet und damit der Zündkerze 111 die Zündspannung
zuführt.
Bei Spannungen kleiner 16kV schaltet die Kippdiode 111a dementsprechend
nicht durch und verhindert damit einen ansonsten ggf. auftretenden
Funkenüberschlag
an der Zündkerze 111.
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Bei
der in 3a abgebildeten Erfindungsvariante
ist der Eingang 121 der mit einem gestrichelten Rechteck
symbolisierten Speicherschaltung 120 direkt mit dem Masseanschluss 110b_1 der
Primärwicklung 110a beziehungsweise
der Sekundärwicklung 110b der
Zündspule 110 verbunden.
Dadurch liegt eine sich beim Abschalten eines durch die Primärwicklung 110a fließenden Primärstroms
einstellende Induktionsspannung, die im wesentlichen von der Eigeninduktivität der Primärwicklung 110a und der
Abschaltgeschwindigkeit abhängt,
direkt an dem Eingang 121, der Speicherschaltung 120 an.
Zum Aufladen des in der Speicherschaltung 120 vorgesehenen
Speicherkondensators 124 wird der Halbleiterschalter 122 durch
ein entsprechendes Steuersignal an seinem Steuereingang 122a in
einen leitenden Zustand versetzt, so dass von dem Eingang 121 ein Ladestrom über die
Diode 123, den Halbleiterschalter 122 und die
Diode 124a schließlich
auf den Speicherkondensator 124 fließen kann. Sobald die an dem
Eingang 121 anliegende Spannung kleiner ist als die Spannung
des Speicherkondensators 124 bzw. wenn der Halbleiterschalter 122 nichtleitend wird,
findet kein weiteres Aufladen des Speicherkondensators 124 statt.
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Bei
einer Variante des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens
findet ein derartiges Aufladen des Speicherkondensators 124 jeweils
zwischen aufeinanderfolgenden Zündvorgängen der
Zündspule 110 statt,
zu denen die Zündkerze 111 mit
einer Zündspannung
versorgt werden muss. Dabei wird nach einem beendeten Zündvorgang
in dem Schritt 300 aus 5 der Speicherkondensator 124 zunächst für eine vorgebbare
Ladezeit auf die vorstehend beschriebene Weise aufgeladen. D.h.,
die Primärwicklung 110a wird
durch die Zündungsendstufe 112 zunächst mit
einem vorgebbaren Primärstrom
bestromt, so dass sich in ihr ein entsprechendes Magnetfeld aufbauen
kann. Bei einem anschließenden Abschalten
des Primärstroms
durch die Zündungsendstufe 112 entsteht
durch den Abbau des Magnetfelds eine Induktionsspannung, die einen
Stromfluss in die erfindungsgemäße Speicherschaltung 120 und somit
ein Aufladen der Speicherschaltung 120 bewirkt.
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Nach
Ablauf der Ladezeit wird in Schritt 310 überprüft, ob ein
nächster
Zündvorgang
durchzuführen
ist. Falls dies nicht der Fall ist, kann der Speicherkondensator 124 in
Schritt 300 weiter aufgeladen werden. Steht jedoch ein
Zündvorgang
bevor, so wird aus dem Schritt 310 in den Schritt 320 aus
Figur verzweigt, der den Zündvorgang
symbolisiert. Nach Abschluss des Zündvorgangs 320 wird
in dem Schritt 300 erneut der Speicherkondensator 124 aufgeladen.
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Bei
der in 3a gezeigten Schaltungsanordnung,
bei der der Eingang 121 der Speicherschaltung 120 direkt
mit einem Masseanschluss der Primärwicklung 110a der
Zündspule 110 verbunden
ist, kann durch das beschriebene Schalten des Primärstroms
mittels der Zündungsendstufe 112 und
der Eigeninduktivität
einer herkömmlichen
Primärwicklung 110a eine
Induktionsspannung von bis zu etwa 400 Volt erzeugt werden. Diese
Induktionsspannung von 400 Volt stellt gleichzeitig die maximale
Spannung dar, auf die der Speicherkondensator 124 aufgeladen werden
kann.
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Durch
die bereits beschriebene, der Zündkerze
vorgeschaltete Kippdiode 111a ist sichergestellt, dass
ein allein zum Zweck des Aufladens der Speicherschaltung 120 durchgeführtes Schalten
des Primärstroms
nicht zu einem Funkenüberschlag
an der Zündkerze 111 und
damit zu einer unerwünschten
Zündung
führt.
Die zu dem Aufladen der Speicherschaltung 120 erforderliche
Spannung kann durch den Betrag und die zeitliche Änderung
des Primärstroms
durch die Primärwicklung 110a vorgegeben
werden. Darüberhinaus
kann ein Aufladen der Speicherschaltung 120 durch das Abschalten
des Halbleiterschalters 122 verhindert werden. Entsprechend
der maximalen Spannung an dem Speicherkondensator 124 muss
der Halbleiterschalter 122 in dem vorliegenden Beispiel
eine Spannungsfestigkeit von mindestens etwa 400 Volt zwischen seinem
Eingang und seinem Ausgang 122b aufweisen.
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Ein
unbeabsichtigtes Entladen des Speicherkondensators 124 durch
die Diode 124b und die Zündungsendstufe 112 wird
durch die dem Eingang 121 der Speicherschaltung 120 nachgeschaltete
Diode 123 verhindert.
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Sobald
der Speicherkondensator 124 auf die vorstehend beschriebene
Weise geladen worden ist, kann der Speicherschaltung 120 über ihren
Ausgang 126 durch den Verbraucher 200a elektrische
Energie entnommen werden. Bei dem Verbraucher 200a handelt
es sich beispielsweise um ein Magnetventil, dass in einem nicht
gezeigten Einspritzsystem des Kraftfahrzeugs verwendet wird und
ein federbelastetes elektromagnetisches Stellglied aufweist. Das
Magnetventil 200a besitzt eine eigene Schaltendstufe 201a,
die über
einen Steuereingang 201b steuerbar ist. Bei der Schaltendstufe 201a kann
es sich ebenfalls um einen Halbleiterschalter wie beispielsweise einen
Feldeffekttransistor handeln.
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Um
dem Magnetventil 201a in der Speicherschaltung 120 beziehungsweise
in deren Speicherkondensator 124 gespeicherte elektrische
Energie zuzuführen,
wird die Schaltendstufe 201a in einen leitenden Zustand
versetzt, so dass ein Entladestrom von dem Speicherkondensator 124 über die
Diode 124b und den ebenfalls leitenden Halbleiterschalter 122 sowie
durch das Magnetventil 200a fließen kann. Die Entnahme von
elektrischer Energie aus der Speicherschaltung 120 kann
durch ein Versetzen der Schaltendstufe 201a in einen nichtleitenden
Zustand beendet werden.
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Falls
eine an dem Eingang 121 anliegende Spannung größer ist
als die an dem Speicherkondensator 124 anliegende Spannung,
kann auch direkt ein Strom von dem Eingang 121 über die
Diode 123 und den Halbleiterschalter 122 in das
Magnetventil 200a fließen.
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Eine
weitere, ganz besonders vorteilhafte Variante der erfindungsgemäßen Speicherschaltung ist
in 3b abgebildet. Im Unterschied zu der in 3a gezeigten
Speicherschaltung weist die in 3b abgebildete
Speicherschaltung 120 zusätzlich die Dioden 124c, 124d und
einen Spannungsversorgungsanschluss 124d' auf.
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Die
Diode 124c ist zwischen dem Magnetventil 200a und
der ihm zugeordneten Schaltendstufe 201a beziehungsweise
einem Anschluss des Speicherkondensators 124 angeordnet.
Auf diese Weise ist es möglich,
eine bei der Deaktivierung des Magnetventils 200a an einer
Wicklung (nicht gezeigt) des Magnetventils 200a auftretende
Induktionsspannung dazu zu nutzen, um den Speicherkondensator 124 über die
Diode 124c aufzuladen, so dass zumindest ein Teil der in
dem Magnetfeld der Wicklung des Magnetventils 200a gespeicherten
elektromagnetischen Energie in den Speicherkondensator 124 zurückgespeist
werden kann. Hierdurch verbessert sich der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 100 und
eine üblicherweise
aufwendig abzuführende
Verlustleistung wird reduziert.
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Über die
Diode 124d ist das Magnetventil 200a ferner mit
einem 5-Volt-Versorgungsspannungsanschluss 124d' verbunden.
Dieser Versorgungsspannungsanschluss 124d' dient erfindungsgemäß dazu,
um nach einem Anziehen des Magnetventils 200a einen Haltestrom
für das
Magnetventil 200a zu liefern. D.h., die von der erfindungsgemäßen Speicherschaltung 120 in
dem Speicherkondensator 124 bereitgestellte elektrische
Energie wird nur dazu verwendet, um das Magnetventil 200a gegen
den Widerstand einer Rückstellfeder
aus seiner Ruhestellung in eine Arbeitsstellung herauszubewegen,
es also zum Anziehen zu bringen. Danach wird der zum Beibehalten
der Arbeitsstellung erforderliche Haltestrom über die Diode 124d durch
den Versorgungsspannungsanschluss 124d' bereitgestellt. Um den Haltestrom
aufrechtzuerhalten reicht die Spannung des Versorgungsspannungsanschlusses 124d' von 5 Volt
aus. Diese Erfindungsvariante weist den Vorteil auf, dass von der
Speicherschaltung 120 nicht permanent ein Strom bei einer
verhältnismäßig hohen Spannung
entnommen werden muss, wodurch die Zündspule 110 und die
Speicherschaltung 120 unnötig belastet würden. Ferner
ist ein Versorgungsspannungsanschluss 124d' mit einer Spannung von 5 Volt in
jeder herkömmlichen
Energieversorgungsschaltung verfügbar,
so dass kein zusätzlicher
Schaltungsaufwand erforderlich ist, um den Haltestrom bereitzustellen.
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Diese
Spannung lässt
sich zentral für
alle Stellglieder, also auch für
weitere Ventileinheiten, bereitstellen und abhängig von beliebigen Parametern vorgeben,
um optimale Verhältnisse
zu erhalten. Vorteil dabei ist die Verwendung von linearen Reglern
für z.B.
den Haltestrom, da hier nur geringe Verlustleistungen im Leistungstransistor
entstehen und der Abschaltvorgang immer von einem definierten Strompegel
erfolgt. Der Regler hierfür
lässt sich
gegenüber
einem vergleichbaren Schaltregler wesentlich stabiler realisieren
mit weniger Störsignalen
auf dem Bordnetz.
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Ferner
kann ein weiterer Versorgungsspannungsanschluss (nicht gezeigt)
z.B. mit einer Spannung von 12 Volt vorgesehen sein, der analog
zu dem Versorgungsspannungsanschluss 124d' über eine Diode z.B. mit dem
Eingang des Halbleiterschalters 122 verbunden ist. Diese
Versorgungsspannung von 12 Volt kann zur Realisierung einer Übergangsphase
zwischen einer Ansteuerung des Magnetventils 200a mit einer
verhältnismäßig hohen,
von der Zündspule 110 stammenden
Spannung und einer Ansteuerung des Magnetventils 200a mit
der vorstehend beschriebenen Spannung von 5 Volt aus dem Versorgungsspannungsanschluss 124d' dienen, wobei
gemäß dem vorliegenden
Beispiel ein Stromfluss aus dem 12 Volt-Versorgungsspannungsanschluss zu
dem Magnetventil 200a durch Aktivieren des Halbleiterschalters 122 ermöglicht wird.
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Noch
eine weitere Schaltungsvariante einer Speicherschaltung 120 der
erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 100 ist
in 3c dargestellt. Die Versorgung der Speicherschaltung 120 nach 3c erfolgt
in der bereits unter Bezug auf 3a, 3b beschriebenen
Weise durch die Zündspule 110.
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Im
Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Speicherschaltungen 120 weist
die in 3c abgebildete Speicherschaltung 120 zwei
Halbleiterschalter 122, 125 auf, wobei der Speicherkondensator 124 in
bekannter Weise über
den Halbleiterschalter 122 geladen werden kann, und wobei
der zweite Halbleiterschalter 125 zum kontrollierten Entladen des
Speicherkondensators 124 z.B. zur Versorgung eines Verbrauchers
vorgesehen ist. Zur Ansteuerung weisen die Halbleiterschalter 122, 125 entsprechende
Steuereingänge 122a, 125a auf.
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Es
ist auch denkbar, beide Halbleiterschalter 122, 125 gleichzeitig
zu aktivieren, um einen der Speicherschaltung 120 an ihrem
Eingang 121 zugeführten
Strom direkt an einen Verbraucher weiterzuleiten.
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Mittels
der in 3c abgebildeten Speicherschaltung 120 kann
beispielsweise ein als piezoelektrisches Element 200b ausgebildeter
Verbraucher über
den Ausgang 126 der Speicherschaltung 120 mit
elektrischer Energie versorgt werden. Bei dem piezoelektrischen
Element 200b kann es sich z.B. um ein Stellglied handeln,
welches in einem nicht abgebildeten Einspritzventil zur Betätigung einer
Ventilnadel verwendet wird.
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Eine
Entladeschaltung 202b für
das piezoelektrische Element 200b ist parallel zu dem piezoelektrischen
Element 200b geschaltet und kann z.B. einen nicht in 3c abgebildeten
Halbleiterschalter und/oder einen ggf. hierzu in Serie geschalteten Ohmwiderstand
aufweisen, um das piezoelektrische Element 200b entladen
zu können.
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Eine
Regelung der an dem piezoelektrischen Element 200b anliegenden
Spannung gemäß einervorgegebenen
Verlaufsform erfolgt über
die Entladeschaltung 202b zur Spannungsreduktion und dem Halbleiterschalter 125 zur
Spannungserhöhung. Dazu
muss der Kondensator 124 vorher über dem Halbleiterschalter 122 gemäß einem
Pumpvorgang aufgeladen worden sein.
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4a zeigt
eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, bei der zwei Speicherschaltungen 120, 120a in
der bereits beschriebenen Weise mit einem Masseanschluss 110b_1 der
Primärwicklung 110a beziehungsweise
der Sekundärwicklung 110b derselben
Zündspule 110 verbunden sind.
Die Speicherschaltungen 120, 120a stellen an ihren
Ausgängen 126, 126a elektrische
Energie für Verbraucher
zur Verfügung.
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Darüberhinaus
weist die in 4a abgebildete Energieversorgungseinheit 100 noch
zwei weitere Speicherschaltungen 120b, 120c auf.
Diese weiteren Speicherschaltungen 120b, 120c sind
eingangsseitig jeweils mit einem extra hierfür vorgesehenen Abgriff 110b_3 , 110b_4 der
Sekundärwicklung 110b der
Zündspule 110 verbunden.
Diese Anordnung erlaubt es, den Speicherschaltungen 120b, 120c je
nach Position des Abgriffs 110b_3, 110b_4 in der
Sekundärwicklung 110b elektrische
Energie der Zündspule 110 bei
einem entsprechenden Spannungsniveau zur Verfügung zu stellen.
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Die
Abgriffe 110b_3, 100b_4 können beispielsweise derart
mit der Sekundärwicklung 110b verbunden
sein, dass sich eine zu der Induktionsspannung an dem Massenanschluss 110b_1 vergleichbare
Spannung von etwa 300 bis 400 Volt an ihnen einstellt.
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Es
ist alternativ hierzu jedoch auch möglich, die Abgriffe 110b_3, 110b_4 so
mit der Sekundärwicklung 110b der
Zündspule 110 zu
verbinden, dass an ihnen deutlich höhere Spannungen von bis zu
einigen kV bereitgestellt werden. Über entsprechende Ausgänge 126b, 126c können die
weiteren Speicherschaltungen 120b, 120c nicht
in 4a abgebildete Verbraucher mit diesen Spannungen
versorgen. Die jeweiligen Komponenten der Speicherschaltungen 120b, 120c müssen bei
dieser Erfindungsvariante eine entsprechende Spannungsfestigkeit
aufweisen.
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Lediglich
Spannungen oberhalb der Durchbruchspannung der Kippdiode 111a von
etwa 16kV können
nicht mehr durch die erfindungsgemäße Speicherschaltung 120 gespeichert
bzw. bereitgestellt werden, weil die Kippdiode 111a bei
Erreichen ihrer Durchbruchspannung leitend wird und die in der Zündspule 110 gespeicherte
Energie der Zündkerze 111 bei
der Zündspannung
zugeführt
wird.
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Noch
eine weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 100 ist in 4b gezeigt.
Bei dieser Erfindungsvariante sind erfindungsgemäße Speicherschaltungen 120, 120a, 120b mit
einer ersten Zündspule 110 verbunden, während weitere
Speicherschaltungen 120c, 120d mit einer zweiten
Zündspule 110' verbunden sind. Eine
derartige Energieversorgungseinheit 100 eignet sich insbesondere
zur Verwendung mit Brennkraftmaschinen, bei denen jedem Zylinder
eine eigene Zündspule 110, 110' zugewiesen
ist. Beide Zündspulen 110, 110' sind mit einem
Anschluss ihrer Primärwicklung
an einen 12-Volt-Bordnetzanschluss V 12 des Kraftfahrzeugs angeschlossen.
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Neben
einem Aufladen der erfindungsgemäßen Speicherschaltung
zwischen einzelnen Zündvorgängen ist
es bei der in 4a gezeigten Energieversorgungseinheit 100 beispielsweise
auch denkbar, einen jeweils an dem Eingang 121 der Speicherschaltung 120b, 120c angeordneten
Schalter 122 (2) kurzzeitig während eines
Zündvorgangs
zu öffnen,
um der Zündspule 110 Energie
zu entnehmen und diese z.B. in einem Speicherkondensator 124 zwischenzuspeichern.
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Alternativ
ist auch eine Speisung einer Speicherschaltung 120 durch
mehrere Zündspulen 110, 110' denkbar. Ebenso
können
mehrere Verbraucher von einer Speicherschaltung 120 versorgt
werden.
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Generell
ist das Aktivieren bzw. Deaktivieren des Schalters 122 mit
einer Ansteuerung der Zündspule 110, 110' durch die Zündungsendstufe 112 zu synchronisieren.
Besonders vorteilhaft können
ein oder mehrere Messpunkte in der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 100 vorgesehen sein, über die
ein nicht abgebildetes Steuergerät,
das u.a. zur Ansteuerung der Schalter 112, 122, 125 dient,
entsprechende in der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 100 auftretende
Spannungen bzw. Ströme
erfassen kann.
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Besonders
zweckmäßig ist
eine Erfassung der Induktionsspannung an dem Masseanschluss 110b_1 (3a)
der Primärwicklung 110a bzw.
der Sekundärwicklung 110b der
Zündspule 110 oder auch
der Ladespannung des Speicherkondensators 124.
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Ein
zum Aufladen der erfindungsgemäßen Speicherschaltung 120 eingestellter
Primärstrom kann
beispielsweise in Abhängigkeit
der erfassten Induktionsspannung bzw. Ladespannung des Speicherkondensators 124 geregelt
werden.
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Die
erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 100 eignet
sich besonders gut zum Einsatz bei Kraftstoffsystemen mit Benzindirekteinspritzung (BDE),
bei denen Kraftstoff zu einem Einspritzzeitpunkt direkt in einen
Brennraum der Brennkraftmaschine eingespritzt wird und bei denen
anschließend zu
einem von dem Einspritzzeitpunkt verschiedenen Zündzeitpunkt ein Zündvorgang
initiiert wird. Bei einem derartigen BDE-System kann eine Speicherschaltung 120 ohne
Speicherkondensator 124 verwendet werden, weil der Einspritzzeitpunkt
und der Zündzeitpunkt
voneinander verschieden sind und dementsprechend eine sequentielle
Energieversorgung eines Einspritzventils und einer Zündspule möglich ist.
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Bei
einer weiteren Erfindungsvariante ist eine lokale Steuereinheit
(nicht gezeigt) zur Steuerung der Energieversorgungseinheit 100 vorgesehen,
wobei insgesamt z.B. für
jeden Zylinder einer Brennkraftmaschine eine erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 100 vorgesehen
sein kann. Die jeweilige lokale Steuereinheit kann beispielsweise
von einer die Brennkraftmaschine steuernden Motorelektronik, die
als zentrales Steuergerät
realisiert ist, Vorgaben hinsichtlich des Timings der durchzuführenden
Zündvorgänge bzw.
der mittels der Speicherschaltung 120 zu speichernden elektrischen
Energie erhalten und Statusrückmeldungen
an die Motorelektronik zurückgeben.
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Generell
ist es denkbar, neben als Stellglieder von Kraftstoffeinspritzsystemen
ausgebildeten Verbrauchern beliebige weitere elektrische Verbraucher
mittels der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 100 zu
versorgen. Besonders zweckmäßig ist
die Verwendung der erfindungsgemäßen Energieversorgungseinheit 100 zur
Bereitstellung bzw. Speicherung elektrischer Energie bei höheren Spannungen
als der 12 Volt aufweisenden Bordnetzspannung, weil zur Bereitstellung
höherer
Spannungen bis auf wenige Ausnahmen Schaltungsanordnungen mit induktiven
Elementen erforderlich sind, die – ebenso wie bei herkömmlichen
Kraftfahrzeugen – bisher
zusätzlich
zu einer bereits vorhandenen Zündspule
vorgesehen werden müssen.
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Durch
die erfindungsgemäße Mehrfachnutzung
der Zündspule 110 ergibt
sich insgesamt eine Kostenreduktion gegenüber herkömmlichen Systemen, weil bisher
erforderliche separate Energieversorgungseinheiten zur Ansteuerung
von Magnetventilen, piezoelektrischen Stellgliedern und dergleichen entfallen
können.
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Es
ist auch denkbar, die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 100 in
bestehende Vorrichtungen zu integrieren, insbesondere um eine ggf. bereits
vorhandene Zündspule 110 mitzuverwenden. Besonders
zweckmäßig ist
hierbei eine Schaltungskonfiguration nach 3a, weil
nur geringfügige
Modifikationen nötig
sind, um die Speicherschaltung 120 mit der Zündspule 110 und
einer ebenfalls bereits vorhandenen Zündungsendstufe 112 zu
verbinden.
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Es
ist ferner denkbar, die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 100 als
sog. zentrale Zylinderenergieeinheit vorzusehen, bei der die Energieversorgungseinheit 100 und
entsprechend vorgesehene Speicherschaltungen 120 sämtliche
Verbraucher im Bereich eines Zylinders einer Brennkraftmaschine
zentral mit elektrischer Energie der benötigten Spannung versorgen.
Neben Zündspulen
und Stellgliedern von Einspritzventilen können beispielsweise auch Stellglieder
zur Ansteuerung von Strömungsklappen
oder Komponenten einer elektrohydraulischen Ventilsteuerung durch
die Energieversorgungseinheit mitversorgt werden.
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Besonders
zweckmäßig ist
die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 100 auch
mit einem Wechselspannungszündsystem
einsetzbar, bei dem der Primärstrom
durch eine Primärwicklung 110a der
Zündspule 110 mit
einer verhältnismäßig hohen
Frequenz getaktet wird und bei dem die Zündspule 110 eine verhältnismäßig geringe
Induktivität aufweist.
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Es
ist darüberhinaus
möglich,
in der Speicherschaltung 120 gespeicherte elektrische Energie nach
einer Zündung
als Zusatzenergie für
eine Brennspannung zu verwenden.
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Bei
gegebener Verbindung des Eingangs 121 der Speicherschaltung 120 mit
der Zündspule 110 kann
die Spannung, mit der der Speicherschaltung 120 die elektrische
Energie von der Zündspule 110 zugeführt wird,
dadurch eingestellt werden, dass der Betrag des abzuschaltenden
Primärstroms
und damit die in der Primärwicklung 110a gespeicherte Energie
vorgegeben wird. Ferner kann eine Abschaltgeschwindigkeit, d.h.
das Maß der
zeitlichen Änderung
des Primärstroms
bei dem Abschalten, vorgegeben werden.
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Die
erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 100 kann
auch in ein Zündsystem
integriert werden, bei dem die Zündenergie
in einem Kondensator gespeichert wird (Kondensatorzündung).
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Insgesamt
ermöglicht
die erfindungsgemäße Energieversorgungseinheit 100 die
kurzzeitige Bereitstellung verhältnismäßig hoher
elektrischer Energiewerte zur Ansteuerung elektrischer Stellglieder auch
bei hohen Spannungsniveaus von einigen hundert Volt.
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Um
einen zuverlässigen
Betrieb der Energieversorgungseinheit 100 sicherzustellen,
können
verschiedene Spannungen und/oder Ströme beispielsweise von einem
die Energieversorgungseinheit 100 steuernden Steuergerät (nicht
gezeigt) überwacht werden,
insbesondere die Spannung an dem Speicherkondensator 124,
die an dem piezoelektrischen Stellglied 200b anliegende
Spannung, eine an dem Eingang 121 anliegende Spannung,
ein durch die Primärwicklung 110a oder
die Sekundärwicklung 110b der
Zündspule 110 fließender Strom
und dergleichen. Bei Überschreiten
vorgebbarer Höchstwerte
oder Erreichen anderer kritischer Zustände kann durch das Steuergerät eine entsprechende
Fehlerreaktion eingeleitet werden und beispielsweise ein Notbetrieb angenommen
werden, der z.B. eine Versorgung der Speicherschaltung 120 mit
verringerter Leistung vorsieht oder das zeitweise Deaktivieren der
Speicherschaltung 120.