DE102011085085B4

DE102011085085B4 - Schaltungsanordnung zum Zuführen von Energie zur induktiven Erwärmung zu einem Kraftstoffeinspritzventil

Info

Publication number: DE102011085085B4
Application number: DE102011085085.6A
Authority: DE
Inventors: Stephan Bolz
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-10-24
Filing date: 2011-10-24
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: WO2013060632A1; US20140308030A1; CN103890357B; DE102011085085A1; CN103890357A

Abstract

Schaltungsanordnung zum Zuführen von Energie zur induktiven Erwärmung zu einem Kraftstoffeinspritzventil,
mit einem Kondensator (C1), dessen erster Anschluss einen ersten Schaltungsknoten (1) und dessen zweiter Anschluss einen zweiten Schaltungsknoten (2) bildet,
mit einer ersten im Kraftstoffeinspritzventil angeordneten Spule (L3), deren erster Anschluss mit dem ersten Schaltungsknoten (1) und deren zweiter Anschluss mit dem zweiten Schaltungsknoten (2) verbunden ist und die mit dem Kondensator (C1) einen Parallelschwingkreis bildet,
mit einem ersten steuerbaren Schaltelement (T1), dessen erster Anschluss mit dem ersten Schaltungsknoten (1) und dessen zweiter Anschluss mit einem mit Massepotential verbundenen Verbindungspunkt verbunden ist und
mit einem zweiten steuerbaren Schaltelement (T2), dessen erster Anschluss mit dem zweiten Schaltungsknoten (2) und dessen zweiter Anschluss mit dem Verbindungspunkt verbunden ist,
mit einer ersten Diode (D1), deren Anode mit dem Steueranschluss des ersten steuerbaren Schaltelements (T1) und deren Kathode mit dem zweiten Schaltungsknoten (2) und mit einer zweiten Diode (D2), deren Anode mit dem Steueranschluss des zweiten steuerbaren Schaltelements (T2) und deren Kathode mit dem ersten Schaltungsknoten (1) verbunden ist,
wobei die Steueranschlüsse der beiden Schaltelemente (T1, T2) mit dem positiven Potential (V₀) einer Versorgungsquelle verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass der erste Schaltungsknoten (1) über eine zweite Spule (L1a) und der zweite Schaltungsknoten (2) über eine dritte Spule (L1b) mit dem positiven Potential (V₀) der Versorgungsquelle verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Zuführen von Energie zur induktiven Erwärmung zu einem Kraftstoffeinspritzventil, mit einem Kondensator, dessen erster Anschluss einen ersten Schaltungsknoten und dessen zweiter Anschluss einen zweiten Schaltungsknoten bildet, mit einer ersten im Kraftstoffeinspritzventil angeordneten Spule, deren erster Anschluss mit dem ersten Schaltungsknoten und deren zweiter Anschluss mit dem zweiten Schaltungsknoten verbunden ist und die mit dem Kondensator einen Parallelschwingkreis bildet, mit einem ersten steuerbaren Schaltelement, dessen erster Anschluss mit dem ersten Schaltungsknoten und dessen zweiter Anschluss mit einem mit Massepotential verbundenen Verbindungspunkt verbunden ist und mit einem zweiten steuerbaren Schaltelement, dessen erster Anschluss mit dem zweiten Schaltungsknoten und dessen zweiter Anschluss mit dem Verbindungspunkt verbunden ist, mit einer ersten Diode, deren Anode mit dem Steueranschluss des ersten steuerbaren Schaltelements und deren Kathode mit dem zweiten Schaltungsknoten und mit einer zweiten Diode, deren Anode mit dem Steueranschluss des zweiten steuerbaren Schaltelements und deren Kathode mit dem ersten Schaltungsknoten verbunden ist, wobei die Steueranschlüsse der beiden Schaltelemente mit dem positiven Potential einer Versorgungsquelle verbunden sind.
Diese Schaltungsanordnung bildet einen Oszillator, der hochfrequente elektromagnetische Energie in der Schwingkreisspule erzeugt und im Wesentlichen aus der US 2007/200006 A1 oder der DE 2007 009 428 A1 bekannt ist. Dort ist jedoch die Schwingkreisspule als Primärwicklung eines Transformators ausgebildet, dessen Sekundärwicklung zusammen mit einem in Serie zur Sekundärwicklung geschalteten Filterkondensator parallel zum Solenoidantrieb eines elektromagnetischen Kraftstoffeinspritzventils geschaltet ist, zu dem außerdem die Serienschaltung aus einer Heizwicklung und einem weiteren Filterkondensator parallel geschaltet ist. Hierbei bilden die Sekundärwicklung des Transformators, die beiden Filterkondensatoren und die Heizwicklung einen Schwingkreis, in den über den Transformator hochfrequente elektromagnetische Energie übertragen wird, um diese in der Heizwicklung in Verbindung mit dem ferromagnetischen Material des Ventilgehäuses in Wärme umzusetzen. Der Vorteil der dortigen aufwändigen Konstruktion ist, dass nur zwei Verbindungsleitungen zum Einspritzventil geführt werden müssen.
Allerdings ist für die hierfür erforderliche drahtlose Einkopplung der hochfrequenten elektromagnetischen Energie des Oszillators der Transformator erforderlich, der bei der geforderten Leistung von ca. 1 kW und den typischen Werten für die Frequenz von 50 kHz bis 100 kHz sehr teuer ist, zumal er aus mehreren teil-angezapften Wicklungen aufgebaut sein muss, die zudem gegeneinander isoliert sind. Wegen des bei den hohen Frequenzen auftretenden Skineffektes müssen die Wicklungen zudem aus Litze mit Einzeladerisolierung – sog. HF-Litze – angefertigt werden, was die Kosten weiter erhöht.
Um den hohen Schaltungsaufwand der Schaltungsanordnung gemäß der US 2007/200006 A1 zu vermeiden, wird in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung DE 10 2010 063 112 A1 vorgeschlagen, den Transformator wegzulassen und statt dessen als induktive Heizwicklung direkt die Spule des Parallelschwingkreises zu verwenden. Diese Spule bildet jedoch tatsächlich zusammen mit dem Gehäuse des Kraftstoffeinspritzventils, das durch die Spule induktiv erwärmt werden soll, einen mit einem ohmschen Widerstand belasteten Transformator, wobei das leitende Gehäuse als eine Sekundärwicklung betrachtet werden kann. Diese Belastung führt zu einer Dämpfung der Schwingung des Parallelschwingkreises, was durch Zuführung von Energie aus der Versorgungsquelle ausgeglichen werden muss. Hierzu wird im Stand der Technik dem Schwingkreis über eine weitere Spule, die mit einem Mittelabgriff der Schwingkreisspule bzw. der Primärwicklung des Transformators verbunden ist, die die Verluste kompensierende Energie zugeführt.
Diese aufgrund des Mittelabgriffs nötige dritte Anschlussleitung erfordert allerdings in der technischen Umsetzung im Kraftfahrzeug neben dem Verbindungskabel auch zusätzliche Steckverbindungen am Steuergerat, welches die Elektronik beinhaltet, sowie am Einspritzventil. Und gerade dort ist der Bauraum besonders beengt und ein zusätzlicher bzw. größerer Steckverbinder unerwünscht. Auch verursacht die Ausführung der Heizwicklung mit Mittelabriff zusätzliche Fertigungskosten.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine einfachere und kostengünstigere Schaltungsanordnung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Schaltungsanordnung dadurch gelöst, dass der erste Schaltungsknoten über eine zweite Spule und der zweite Schaltungsknoten über eine dritte Spule mit dem positiven Potential einer Versorgungsquelle verbunden sind.
Der wesentliche Schritt liegt im vollständigen Verzicht auf einen Transformator. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die weitere Spule ohne nennenswerte Mehrkosten durch zwei kleinere Spulen mit gleichem Wert, jedoch jeweils halber Gleichstromtragfähigkeit ersetzt werden kann. Die Größe der Teilinduktivitäten halbiert sich dadurch annähernd. Dies erleichtert den Einbau der Spulen in die ansonsten im Wesentlichen in SMT-Technik (Surface Mounted Technology) aufgebaute Elektronik und kann sogar zu einer Verringerung der Herstellkosten führen. Die Schwingkreisspule ist also nicht mehr mit einem Mittelabgriff sondern als einfache Spule ausgebildet.
Durch die Auftrennung der weiteren Spule in zwei kleinere Spulen ist es wiederum möglich, die nun aus einer einzelnen Wicklung bestehende Heizwicklung an ihren beiden Anschlüssen mit der Versorgungspannung zu verbinden, ohne dabei auf die Vorteile des resonanten Umschwingens zu verzichten.
Durch geeignete Wahl von Windungszahl der Spule und der Kapazität des Schwingkreiskondensators lassen sich sowohl die Schwingfrequenz als auch die Heizleistung einstellen.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden mehrere induktive Heizwicklungen parallel oder seriell aus einer elektronischen Schaltung betrieben. Dabei ist jedoch zu beachten, dass sich durch das Parallel- bzw. Serien-Schalten der Heizwicklungen die für den Schwingkreis wirksame Gesamtinduktivität ändert, was gegebenenfalls eine Anpassung der Resonanzkapazität und/oder der Windungsanzahl der Heizwicklungen erforderlich macht.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Schaltungsanordnung ist der Verbindungspunkt des ersten und des zweiten Schaltelements über ein drittes Schaltelement mit Masse verbunden, so dass die Schaltungsanordnung mittels dieses dritten Schaltelements ein- und ausgeschaltet werden kann.
In einer Weiterbildung ist statt des dritten in der Masseleitung angeordneten Schaltelements ein viertes Schaltelement in der Zuleitung zur Versorgungsspannung eingefügt. Verwendet man in vorteilhafter Ausbildung des vierten Schaltelements anstatt eines einfachen MOSFETs (Metall Oxyd Silizium Feld-Effekt Transistor), der aufgrund der technologisch bedingten inneren Substratdiode nur in einer Spannungsrichtung sperrend ist, eine Schaltung aus zwei in Gegenrichtung angeordneten Transistoren, so entsteht auf einfache Weise eine zusätzliche Verpolschutzfunktion.
Dies ist beim Einsatz im Kraftfahrzeug von besonderem Interesse, da hier die Versorgungsspannung üblicherweise aus der 12 V Bordnetzspannung gewonnen wird. Bei fehlerhaftem Einbau der Fahrzeugbatterie kann die Polarität der Versorgungspannung vertauscht werden, was wiederum zur Beschädigung der Transistoren führen kann. Durch Einfügen des zweiten Transistors wird bei falscher Polarität der Versorgungsspannung verhindert, dass ein ungewollter Strompfad durch die erfindungsgemäßen Spulen, sowie die Substratdioden des ersten, zweiten und vierten Schaltelements von Masse zur Versorgungspannung entsteht. Es ist zu beachten, dass die Ansteuerung der Verpolschutzschaltung mit Bezug auf das Potential der Versorgungsspannung erfolgt. Dies ist beispielsweise in der DE 10 2005 032 085 A1 näher beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen
1 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
2 eine erste Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und
3 eine zweite Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Zuführen von Energie zur induktiven Erwärmung zu einem Kraftstoffeinspritzventil, mit einer im Kraftstoffeinspritzventil angeordneten Spule L3, die parallel zu einem Kondensator C1 geschaltet ist, wobei die Verbindungspunkte der Spule L3 und des Kondensators C1 einen ersten Schaltungsknoten 1 und einen zweiten Schaltungsknoten 2 bilden. Zwischen dem ersten Schaltungsknoten 1 und dem zweiten Schaltungsknoten 2 ist die Serienschaltung aus einem ersten mit einem n-Kanal-MOSFET gebildeten ersten Schaltelement T1 und einem ebenfalls mit einem n-Kanal-MOSFET gebildeten zweiten Schaltelement T2 angeordnet. Der Verbindungspunkt der beiden Schaltelemente T1, T1 ist über ein drittes, mit einem n-Kanal-MOSFET gebildetes Schaltelement T3 mit dem Massepotenzial einer Versorgungsquelle verbunden.
Der Steueranschluss des dritten Schaltelements T3 ist mit einem Steueranschluss E/A verbunden, der zum Ein- und Ausschalten der in der 1 gezeigten Schaltungsanordnung dient. Die Steueranschlüsse des ersten T1 und zweiten Schaltelements Ts sind jeweils über einen Widerstand R1 bzw. R2 mit dem positiven Potenzial V₀ der Versorgungsquelle verbunden. Außerdem ist der Steueranschluss des ersten Schaltelements T1 über eine in Flussrichtung gepolte erste Diode D1 mit dem zweiten Schaltungsknoten 2 und der Steueranschluss des zweiten Schaltelements T2 über eine in Flussrichtung gepolte zweite Diode D2 mit dem ersten Schaltungsknoten 1 verbunden.
Zur Versorgung des Parallelschwingkreises aus der Spule L3 und dem Kondensator C1 mit Energie, um die in der als Heizwicklung dienenden Spule L3 dissipierte Energie wieder zu ersetzen, ist der erste Schaltknoten 1 über eine zweite Spule L1a und der zweite Schaltknoten 2 über eine dritte Spule L1b mit dem positiven Potenzial der Versorgungsquelle V₀ verbunden.
In den weiteren 2 und 3 sind gleiche Schaltungsteile mit gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht nochmals beschrieben.
In Erweiterung der Schaltungsanordnung gemäß 2 ist in der 2 eine Schaltungsanordnung gezeigt, bei der statt einer Schwingkreisspule L3 zwei parallel geschaltete Schwingkreisspulen L3a und L3b gezeigt sind, die jeweils in unterschiedlichen Kraftstoffeinspritzventilen angeordnet sind. Statt der Parallelschaltung kann in gleicher Weise auch eine Serienschaltung der Schwingkreisspulen gewählt werden. Zu beachten ist dabei, dass sich die Gesamtinduktivität und damit auch die Schwingkreisfrequenz abhängig von der Anzahl der Spulen und ihrer Verschaltung ändern und in passender Weise deren Induktivitäten gewählt werden müssen.
Das dritte vom Verbindungspunkt des ersten und zweiten Schaltelements nach Massepotenzial schaltende Schaltelement T3 kann gemäß 3 auch durch ein zwischen dem positiven Potenzial der Versorgungsquelle V₀ und dem mit diesem verbundenen Anschlüssen der zweiten und dritten Spulen L1a, L1b sowie der Steueranschlüsse der ersten und zweiten Schaltelemente T1, T2 angeordnetes viertes ebenfalls als n-Kanal-MOSFET ausgebildetes Schaltelement T4 ersetzt werden. Zu beachten ist dabei, dass ein solcher n-Kanal-MOSFET an seinem Steuereingang mit einem gegenüber dem positiven Potenzial der Versorgungsquelle höheren Potenzial angesteuert werden muss.
Wie in der 3 dargestellt kann in vorteilhafter Weise ein fünftes Schaltelement T5 in Serie zum vierten Schaltelement T4 angeordnet werden, wobei dieses ebenfalls als n-Kanal-MOSFET ausgebildet, jedoch mit entgegengesetzter Polung angeordnet ist. Damit sind die Inversdioden dieser Leistungstransistoren in Gegenrichtung gepolt angeordnet und bilden eine effektive Verpolschutzschaltung, so dass die Schaltungsanordnung gemäß der 3 vor einem Verpolen der Kraftfahrzeugbatterie geschützt ist.
Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann in vorteilhafter Weise die dritte Leitung für einen Mittelabgriff der Schwingkreisspule L3 eingespart werden, so dass keine extra Durchführung für diese in einem Kraftstoffeinspritzventil angeordnete Spule vorgesehen werden muss. Außerdem können die beiden Einzelspulen L1a und L1b kleiner ausgeführt werden als die im Stand der Technik bekannte einzelne Spule, so dass sie gegebenenfalls in SMT-Technik verbaut werden können. Dies ermöglicht einen vereinfachten Schaltungsaufbau und damit eine Kostenersparnis.

Claims

Schaltungsanordnung zum Zuführen von Energie zur induktiven Erwärmung zu einem Kraftstoffeinspritzventil, mit einem Kondensator (C1), dessen erster Anschluss einen ersten Schaltungsknoten (1) und dessen zweiter Anschluss einen zweiten Schaltungsknoten (2) bildet, mit einer ersten im Kraftstoffeinspritzventil angeordneten Spule (L3), deren erster Anschluss mit dem ersten Schaltungsknoten (1) und deren zweiter Anschluss mit dem zweiten Schaltungsknoten (2) verbunden ist und die mit dem Kondensator (C1) einen Parallelschwingkreis bildet, mit einem ersten steuerbaren Schaltelement (T1), dessen erster Anschluss mit dem ersten Schaltungsknoten (1) und dessen zweiter Anschluss mit einem mit Massepotential verbundenen Verbindungspunkt verbunden ist und mit einem zweiten steuerbaren Schaltelement (T2), dessen erster Anschluss mit dem zweiten Schaltungsknoten (2) und dessen zweiter Anschluss mit dem Verbindungspunkt verbunden ist, mit einer ersten Diode (D1), deren Anode mit dem Steueranschluss des ersten steuerbaren Schaltelements (T1) und deren Kathode mit dem zweiten Schaltungsknoten (2) und mit einer zweiten Diode (D2), deren Anode mit dem Steueranschluss des zweiten steuerbaren Schaltelements (T2) und deren Kathode mit dem ersten Schaltungsknoten (1) verbunden ist, wobei die Steueranschlüsse der beiden Schaltelemente (T1, T2) mit dem positiven Potential (V₀) einer Versorgungsquelle verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schaltungsknoten (1) über eine zweite Spule (L1a) und der zweite Schaltungsknoten (2) über eine dritte Spule (L1b) mit dem positiven Potential (V₀) der Versorgungsquelle verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Spule (L3_a) zumindest eine weitere Spule (L3_b), die in einem weiteren Kraftstoffeinspritzventil angeordnet ist, parallel- oder in Serie geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungspunkt der beiden Schaltelemente (T1, T2) über ein drittes Schaltelement (T3) mit dem Massepotential verbunden ist.
Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und die dritte Spule (L1a, L1b) und die beiden Steueranschlüsse des ersten und zweiten Schaltelements (T1, T2) über ein viertes Schaltelement (T4) mit dem positiven Potential (V₀) der Versorgungsquelle verbunden sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem vierten, als n-Kanal-MOSFET ausgebildeten Schaltelement (T4) ein fünftes als n-Kanal-MOSFET ausgebildetes Schaltelement (T5) in Serie geschaltet ist, deren Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind.