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Stand der
Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für mindestens
ein Stellglied, insbesondere für
ein kapazitives Stellglied eines Einspritzsystems einer Brennkraftmaschine,
bei der das Stellglied mit einem Steuerstrom beaufschlagbar ist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine
und eine Brennkraftmaschine.
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Herkömmliche
Ansteuerschaltungen des vorstehend genannten Typs werden beispielsweise zur
Ansteuerung von piezoelektrischen Elementen verwendet, welche beispielsweise
auf eine Ventilnadel eines Einspritzventils wirken, um eine Kraftstoffeinspritzung
in einen Brennraum der Brennkraftmaschine zu bewirken.
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Um
einen für
die Ansteuerung der Ventilnadel ausreichenden Hub des piezoelektrischen
Elements zu erreichen, muss bei bekannten Systemen eine Ansteuerspannung
von 160 V und mehr angelegt werden, die üblicherweise getaktet wird,
um ein kontrolliertes Öffnen
des Einspritzventils zu erzielen und eine Beschädigung der Keramik des piezoelektrischen
Elements zu vermeiden. Darüber
hinaus ist bei derartigen Ansteuerschaltungen häufig eine Induktivität vorgesehen,
welche den Strom in das piezoelektrische Element begrenzt.
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Aufgrund
der Taktung der Ansteuerspannung bildet sich ein dreieckförmiger Stromverlauf aus,
und bei den zeitlichen Änderungen
des Ansteuerstroms treten Spannungssprünge beispielsweise auch an
Zuleitungsinduktivitäten
der piezoelektrischen Elemente auf. Die mit den Spannungssprüngen einhergehenden
hochfrequenten Spannungsanteile bewirken insbesondere kapazitive
Störströme, die
beispielsweise über
ein Gehäuse
des Einspritzventils in den Motorblock und von dort über eine
Karosserieverbindung wiederum in das Steuergerät fließen.
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Besonders
nachteilig ist hierbei die sehr niederohmige Verbindung zwischen
dem Motorblock, der Karosserie und dem Steuergerät, wodurch zusammen mit den
die Störströme ermöglichenden
parasitären
Kapazitäten
sowie ggf. parasitären
Induktivitäten
ein Resonanzkreis hoher Güte
gebildet wird. Die Resonanzfrequenz des Resonanzkreises wird durch
die Größe der parasitären Kapazitäten und
der Induktivität
der Rückleitung über den
Motorblock und die Karosserieverbindung bestimmt. Typische Kapazitätswerte
für die
parasitären
Kapazitäten
betragen zwischen den Anschlussleitungen der piezoelektrischen Elemente
und einem Gehäuse
des Einspritzventils beispielsweise etwa 500 pF bis 1 nF, wobei diese
Werte je nach Ausführung
der piezoelektrischen Elemente bzw. der Einspritzventile schwanken können.
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Die
in dem Resonanzkreis entstehenden elektromagnetischen Schwingungen
führen
zu erheblichen Störungen
z. B. bei Radioempfangssystemen eines die Ansteuerschaltung enthaltenden
Kraftfahrzeugs oder auch bei weiteren elektronischen Systemen. Oftmals
werden zulässige
Grenzwerte für derartige
elektromagnetische Emissionen im Motorraum überschritten.
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Demgemäß ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ansteuerschaltung der eingangs
genannten Art sowie ein Einspritzsystem für eine Brennkraftmaschine und
eine Brennkraftmaschine derart weiterzubilden, dass insbesondere
die beschriebenen Störströme vermieden
werden.
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Bei
der Ansteuerschaltung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass eine Drossel, vorzugsweise mit einem Kern, und mit mehreren Wicklungen
vorgesehen ist, wobei die Wicklungen so ausgebildet und derart mit
der Ansteuerschaltung verbunden sind, dass ein in das Stellglied
fließender Steuerstrom
und ein aus dem Stellglied fließender Steuerstrom
jeweils durch verschiedene Wicklungen der Drossel fließt, und
dass ein von dem in das Stellglied fließenden Steuerstrom in der Drossel
bzw. deren Kern hervorgerufener magnetischer Fluss und ein von dem
aus dem Stellglied fließenden
Strom in der Drossel bzw. deren Kern hervorgerufener magnetischer
Fluss sich gegenseitig kompensieren.
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Durch
die gegenseitige Kompensation der magnetischen Flüsse, welche
durch den jeweiligen Steuerstrom in der Drossel bzw. deren Kern
bewirkt werden, ergibt sich eine Dämpfung des Steuerstroms in
der Drossel lediglich durch einen Ohmwiderstand der Wicklungen sowie
eine üblicherweise
vernachlässigbar
kleine Streuinduktivität
der Wicklungen.
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Beim
Auftreten asymmetrischer Störungen, wie
z. B. bei einem Störstrom,
der aufgrund parasitärer
Kapazitäten
beispielsweise von dem Stellglied zur Karosserie abfließt, kann
die vorstehend genannte Kompensation nicht erfolgen, da sich der
in das Stellglied fließende
Steuerstrom und der aus dem Stellglied fließende Steuerstrom betragsmäßig unterscheiden.
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Für diesen
Differenzstrom zwischen den sich normalerweise kompensierenden Steuerströmen wirkt
die Drossel mit ihrer Nenninduktivität und der daraus resultierenden
hohen Impedanz für
Wechselströme
stark dämpfend,
weil für
den Störstrom
keine Kompensation wie bei dem Steuerstrom möglich ist.
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Bei
einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist die Wicklung direkt mit einer Anschlussleitung
des Stellglieds verbunden. Dadurch werden Störströme von der Drossel gedämpft, welche
von dem Stellglied beispielsweise in die Karosserie abfließen. Besonders
vorteilhaft ist bei dieser Ausführungsform
der Erfindung darüber
hinaus die Tatsache, dass beispielsweise kapazitive Kopplungen gegen
eine Fahrzeugmasse, die innerhalb der Ansteuerschaltung, jedoch
nicht zwischen der Wicklung der Drossel und dem Stellglied auftreten,
nicht zu den Störströmen entsprechenden
Ausgleichsströmen über das
Stellglied führen.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung sind die Wicklungen direkt mit Anschlussleitungen einer
zur Ansteuerung des Stellglieds vorgesehenen Endstufe verbunden.
In dieser Konfiguration fließt
durch die jeweilige Wicklung der Drossel ein gesamter von der Endstufe
aufgenommener Steuerstrom, der sich beispielsweise auf mehrere Stellglieder
verteilen kann, je nach Ausbildung der Endstufe und der Ansteuerung
der Stellglieder durch die Endstufe. Hieraus ergibt sich der Vorteil,
dass insbesondere auch bei einer Ansteuerung mehrerer Stellglieder
durch die Endstufe nur zwei Wicklungen bei der Drossel erforderlich
sind.
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Eine
andere sehr vorteilhafte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens
eine Wicklung direkt mit einer Anschlussleitung des Stellglieds
verbunden ist, und dass mindestens eine Wicklung direkt mit einer Anschlussleitung
einer zur Ansteuerung des Stellglieds vorgesehenen Endstufe verbunden
ist.
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Bei
dieser Variante der Erfindung ist besonders vorteilhaft, dass beispielsweise
kapazitive Kopplungen innerhalb eines Großteils der Endstufe sich nicht
in Form von Ausgleichsströmen über die Stellglieder
in der bereits oben beschriebenen Art auswirken. Lediglich diejenigen
Teile der Endstufe, welche zwischen derjenigen Wicklung angeordnet sind,
die direkt mit einer Anschlussleitung der Endstufe verbunden ist
und zwischen den Stellgliedern, können bei z. B. kapazitiver
Auskopplung eines Störstroms
auch zu entsprechenden Ausgleichsströmen über die Stellglieder führen.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist der Kern der Drossel als Ferrit-Kern ausgebildet.
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Als
eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Einspritzsystem gemäß Anspruch
6 angegeben.
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Als
noch eine weitere Lösung
der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Brennkraftmaschine
gemäß Anspruch
7 angegeben.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung sind in der nachfolgenden Figurenbeschreibung
unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert, wobei
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1a ein
erstes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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1b ein
zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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1c ein
drittes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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1d eine
Detaildarstellung der erfindungsgemäßen Drossel zeigt,
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2 eine
weitere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
zeigt,
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3a bis 3d Messergebnisse
von Messungen im Zeitbereich zur Veranschaulichung einer Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
zeigen,
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4a bis 4c Messergebnisse
von Messungen im Frequenzbereich zur Veranschaulichung der Wirkungsweise
der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
zeigen, und
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5 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine zeigt.
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In
der 5 ist eine Brennkraftmaschine 1 eines
Kraftfahrzeugs dargestellt, bei der ein Kolben 2 in einem
Zylinder 3 hin- und herbewegbar ist. Der Zylinder 3 ist
mit einem Brennraum 4 versehen, der unter anderem durch
den Kolben 2, ein Einlassventil 5 und ein Auslassventil 6 begrenzt
ist. Mit dem Einlassventil 5 ist ein Ansaugrohr 7 und
mit dem Auslassventil 6 ist ein Abgasrohr 8 gekoppelt.
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Im
Bereich des Einlassventils 5 und des Auslassventils 6 ragt
ein Einspritzventil 9 in den Brennraum 4, über das
Kraftstoff in den Brennraum 4 eingespritzt werden kann.
In dem Abgasrohr 8 ist ein Katalysator 12 untergebracht,
der der Reinigung der durch die Verbrennung des Kraftstoffs entstehenden Abgase
dient.
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Das
Einspritzventil 9 ist über
eine Druckleitung mit einem Kraftstoffspeicher 13 verbunden.
In entsprechender Weise sind auch die Einspritzventile der anderen
Zylinder der Brennkraftmaschine 1 mit dem Kraftstoffspeicher 13 verbunden.
Der Kraftstoffspeicher 13 wird über eine Zuführleitung
mit Kraftstoff versorgt. Hierzu ist eine vorzugsweise mechanische Kraftstoffpumpe
vorgesehen, die dazu geeignet ist, den erwünschten Druck in dem Kraftstoffspeicher 13 aufzubauen.
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Weiterhin
ist an dem Kraftstoffspeicher 13 ein Drucksensor 14 angeordnet,
mit dem der Druck in dem Kraftstoffspeicher 13 messbar
ist. Bei diesem Druck handelt es sich um denjenigen Druck, der auf den
Kraftstoff ausgeübt
wird, und mit dem deshalb der Kraftstoff über das Einspritzventil 9 in
den Brennraum 3 der Brennkraftmaschine 1 eingespritzt
wird.
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Im
Betrieb der Brennkraftmaschine 1 wird Kraftstoff in den
Kraftstoffspeicher 13 gefördert. Dieser Kraftstoff wird über die
Einspritzventile 9 der einzelnen Zylinder 3 in
die zugehörigen
Brennräume 4 eingespritzt.
Durch Verbrennung des in den Brennräumen 3 vorherrschenden
Luft-/Kraftstoffgemischs werden
die Kolben 2 in eine Hin- und Herbewegung versetzt. Diese
Bewegungen werden auf eine nicht dargestellte Kurbelwelle übertragen
und üben
auf diese ein Drehmoment aus.
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Ein
Steuergerät 15 ist
von Eingangssignalen 16 beaufschlagt, die mittels Sensoren
gemessene Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 1 darstellen. Beispielsweise ist das
Steuergerät 15 mit
dem Drucksensor 14, einem Luftmassensensor, einem Drehzahlsensor
und dergleichen verbunden. Des Weiteren ist das Steuergerät 15 mit
einem Fahrpedalsensor verbunden, der ein Signal erzeugt, das die
Stellung eines von einem Fahrer betätigbaren Fahrpedals und damit
das angeforderte Drehmoment angibt. Das Steuergerät 15 erzeugt
Ausgangssignale 17, mit denen über Aktoren bzw. Steller das
Verhalten der Brennkraftmaschine 1 beeinflusst werden kann.
Beispielsweise ist das Steuergerät 15 mit
dem Einspritzventil 9 und dergleichen verbunden und erzeugt
die zu deren Ansteuerung erforderlichen Signale.
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Unter
anderem ist das Steuergerät 15 dazu vorgesehen,
die Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine 1 zu steuern und/oder zu regeln. Beispielsweise
wird die von dem Einspritzventil 9 in den Brennraum 4 eingespritzte
Kraftstoffmasse von dem Steuergerät 15 insbesondere
im Hinblick auf einen geringen Kraftstoffverbrauch und/oder eine
geringe Schadstoffentwicklung gesteuert und/oder geregelt. Zu diesem
Zweck ist das Steuergerät 15 mit
einem Mikroprozessor versehen, der in einem Speichermedium, insbesondere
in einem Flash-Memory ein Computerprogramm abgespeichert hat, das
dazu geeignet ist, die genannte Steuerung und/oder Regelung durchzuführen.
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1a zeigt
eine erste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung 100,
wie sie in dem Steuergerät 15 der
Brennkraftmaschine 1 (5) realisiert
ist, bei der eine Endstufe P zur Ansteuerung der im Folgenden als
Piezo-Stellglieder bezeichneten piezoelektrischen Elemente 101, 102, vorgesehen
ist.
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Bei
einer Ansteuerung der Piezo-Stellglieder 101, 102 stellt
sich ein Stromfluss eines Steuerstroms aus der elektrische Energie
für Ansteuervorgänge speichernden
Pufferschaltung B über
die Endstufe P und die jeweiligen Piezo-Stellglieder 101, 102,
wieder zurück
in die Endstufe P und schließlich über einen
Messwiderstand Rs nach Masse ein. Hierbei fließt der Steuerstrom bei einer
Ansteuerung des Piezo-Stellglieds 101 zunächst über die
Wicklung T1a einer in der Ansteuerschaltung 100 vorgesehenen
Drossel, dann über
das Piezo-Stellglied 101 und schließlich über die Wicklung T1b der Drossel
wieder zurück
in die Endstufe P. Die beiden Wicklungen T1a, T1b sind ebenso wie
die Wicklungen T1c, T1d auf demselben Ferrit-Kern der Drossel angeordnet.
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Wie
aus 1a ersichtlich, weisen die Piezo-Stellglieder 101, 102 parasitäre Kapazitäten C', C'' auf, die insbesondere zwischen Anschlussleitungen 101a, 101b, 102a, 102b und
einer Fahrzeugmasse ausgebildet sind. Dieser Sachverhalt ist in 1a mittels
eines Ersatzschaltbildes dargestellt, in dem die parasitären Kapazitäten C', C'' der Piezo-Stellglieder 101, 102 in
Serie zu einer Induktivität
L_BKM und einem Ohmwiderstand R_BKM geschaltet sind. Die Induktivität L_BKM
repräsentiert
hierbei eine Induktivität
eines Strompfades, der von den Piezo-Stellgliedern 101, 102 zur
Fahrzeugmasse verläuft;
der Ohmwiderstand desselben ist durch R_BKM repräsentiert.
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Somit
ist durch die parasitären
Kapazitäten C', C'', die bei den abgebildeten Piezo-Stellgliedern 101, 102 Werte
zwischen 500 pF und 1 nF aufweisen können, die Induktivität L_BKM
bzw. den Ohmwiderstand R_BKM ein unerwünschter Serienschwingkreis gebildet,
der aufgrund des verhältnismäßig geringen Widerstandswerts
des Widerstands R_BKM eine hohe Güte aufweist.
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Aufgrund
einer getakteten Ansteuerung der Piezo-Stellglieder 101, 102 durch
die Endstufe P ergeben sich daher bei herkömmlichen Ansteuerschaltungen,
d. h. bei Ansteuerschaltungen ohne die in 1a gezeigten
Wicklungen T1a, T1b, T1c, T1d der Drossel kapazitive Störströme von dem
Piezo-Stellglied 101, 102 über eine Karosserie der Brennkraftmaschine 1 (5)
bis zur Fahrzeugmasse, die den Serienschwingkreis zu Schwingungen
anregen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung können
derartige Störströme nicht
auftreten, da sie aufgrund der Wicklungen T1a, T1b, T1c, T1d der
Drossel in der nachfolgend unter Bezugnahme auf 1d beschriebenen
Weise gedämpft
werden.
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1d zeigt
hierzu die auch bei der Ansteuerschaltung 100 gemäß 1a verwendete
Drossel T, von der in Figur 1d der Übersichtlichkeit
halber jedoch nur die beiden Wicklungen T1a, T1b abgebildet sind.
Wie aus 1d ersichtlich, wird die Wicklung
T1a von einem aus der Ansteuerschaltung P (1a) herrührenden
Steuerstrom i_1 durchflossen und erzeugt dabei den durch den oberen
Pfeil in 1d angedeuteten magnetischen
Fluss PHI_1 im Kern der Drossel T. Beim Austreten aus der Wicklung T1a
teilt sich der Steuerstrom i_1 auf die beiden in 1d rechts
abgebildeten Schaltungszweige auf. Der eine Impedanz X_L aufweisende
erste Zweig repräsentiert
hierbei symbolisch ein Piezo-Stellglied 101, wie es in 1a abgebildet
ist. In dem zweiten Zweig ist eine Impedanz X_P dargestellt, die
stellvertretend ist für
den bereits mit Bezug auf 1a beschriebenen
Serienschwingkreis bestehend aus den parasitären Kapazitäten C', C'', der Induktivität L_BKM
und dem Ohmwiderstand R_BKM.
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Bei
dem Austreten aus der Wicklung T1a der Drossel T verzweigt sich
der Steuerstrom i_1 dementsprechend in die beiden Ströme i_2 und
i_3, wobei i_2 der in die Endstufe P (1a) zurückfließende Steuerstrom
ist, und wobei i_3 ein Störstrom
ist, der über
die parasitären
Kapazitäten
C', C'' und die weiteren Elemente des Serienschwingkreises (1a)
schließlich
zur Fahrzeugmasse GND (1d) abfließt.
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Gemäß des Kirchhoffschen
Knotensatzes gilt für
den in die Endstufe P zurückfließenden Steuerstrom i_2 = i_1 – i_3,das
bedeutet, dass der in die Endstufe P zurückfließende Steuerstrom i_2 um den
Wert des Störstroms i_3
geringer ist, als der in die Wicklung T1a der Drossel T hineinfließende Steuerstrom
i_1. Damit ist auch der von dem Steuerstrom i_2 in der Drossel T
bzw. in deren Kern bewirkte magnetische Fluss PHI_2 um einen entsprechenden
Betrag geringer als der magnetische Fluss PHI_1. Eine Kompensation
innerhalb der Drossel T findet daher nur für einen Steuerstrom mit dem
Betrag i_2 statt, nicht jedoch für
den Differenzstrom i_3 = i_1 – i_2.
Dieser Differenzstrom i_3, der den unerwünschten Störstrom durch die parasitären Kapazitäten C', C'' darstellt, wird daher von der Drossel
T mit ihrer Nenninduktivität
stark gedämpft. Hierdurch
verschlechtert sich die Güte
des unerwünschten
Serienschwingkreises, vgl. X_P in 1d, deutlich,
so dass dort erzeugte elektromagnetische Schwingungen nicht mehr
zu solch großen elektromagnetischen
Störpegeln
insbesondere im Motorraum des Kraftfahrzeugs führen können wie bei Ansteuerschaltungen
ohne die erfindungsgemäße Drossel
T.
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Um
die vorstehend beschriebene Dämpfungswirkung
entfalten zu können
und gleichzeitig eine Kompensation der Steuerströme i_1, i_2, bzw. der von ihnen
hervorgerufenen magnetischen Flüsse PHI_1,
PHI_2 in der Drossel T bzw. in deren Kern erzielen zu können, müssen die
Wicklungen T1a, T1b der Drossel T so mit den entsprechenden Punkten der
Ansteuerschaltung 100 (1a) verbunden
sein, dass die magnetischen Flüsse
PHI_1, PHI_2 einander entgegengerichtet sind. Ferner sind die Windungszahlen
der Wicklungen geeignet zu wählen.
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Eine
entsprechende Dämpfungswirkung
von Störströmen betreffend
das zweite Piezo-Stellglied 102 in 1a ist
aufgrund der Wicklungen T1c, T1d gegeben, welche nach demselben
Prinzip arbeiten und auf demselben Kern der Drossel T angeordnet sein
können
wie die Wicklungen T1a, T1b.
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Es
ist auch möglich,
für die
Piezo-Stellglieder 101, 102 jeweils eine eigene
Drossel vorzusehen, welche bei dem Ausführungsbeispiel nach 1a jeweils
nur zwei Wicklungen T1a, T1b bzw. T1c, T1d aufweisen würde.
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In 1b ist
eine zweite Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung 100 abgebildet,
bei der die erfindungsgemäße Drossel
T insgesamt nur noch zwei Wicklungen T1a, T1b aufweist.
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Vorteilhaft
an der Ausführungsform
der Ansteuerschaltung 100 gemäß 1b ist
die Tatsache, dass auch bei einer Vielzahl von Stellgliedern (nicht in 1b abgebildet)
lediglich die beiden Wicklungen T1a, T1b erforderlich sind, um Störströme durch ein
beliebiges Stellglied zu verhindern.
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Allerdings
kann es bei dieser Konfiguration dazu kommen, dass in der Ansteuerschaltung
P beispielsweise kapazitive Kopplungen gegen die Fahrzeugmasse zu
einem entsprechenden Störstrom
innerhalb der Endstufe P führen,
die einen Ausgleichsstrom beispielsweise über das Piezo-Stellglied 101 nach
sich ziehen. Hierdurch wird die Wirkung der Drossel T beeinträchtigt.
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Bei
einer dritten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung 100,
die in 1c abgebildet ist, weist die
Drossel eine zwischen der Endstufe P und der Fahrzeugmasse bzw. dem
Messwiderstand Rs angeordnete Wicklung T1c' auf, sowie eine zwischen der Endstufe
P und dem jeweiligen Piezo-Stellglied 101, 102 angeordnete Wicklung
T1a', T1b'. Hierdurch können die
bei dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1b angesprochenen
Ausgleichsströme über die
Piezo-Stellglieder 101, 102 größtenteils vermieden werden,
weil sich kapazitive Störströme in der
Endstufe P, die schaltungsmäßig noch
vor den Wicklungen T1a',
T1b' liegen, nicht
auf die Piezo-Stellglieder 101, 102 auswirken
können,
da diese Störströme durch
die Drossel gedämpft
werden.
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Lediglich
in Schaltungsteilen der Endstufe P, die zwischen den Piezo-Stellgliedern 101, 102 sowie der
Wicklung T1c' der
Drossel liegen, ist es möglich, dass
dort z. B. zur Fahrzeugmasse fließende Störströme entsprechende Ausgleichsströme durch
die Piezo-Stellglieder 101, 102 bewirken können.
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Die
in 1c abgebildete Ausführungsform der Ansteuerschaltung 100 stellt
somit einen Kompromiss hinsichtlich der Anzahl der Wicklungen der Drossel
und der Vermeidung von Ausgleichsströmen durch die Piezo-Stellglieder 101, 102 dar,
weil je Piezo-Stellglied 101, 102 nur eine Wicklung
für die
Drossel vorzusehen ist, sowie eine zusätzliche Wicklung T1c', die zwischen der
Endstufe P und Masse angeordnet ist.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, bei der eine mit der Ausführungsform
aus 1b vergleichbare Anordnung der Drossel realisiert
ist.
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Die
Ansteuerschaltung 100 weist mehrere Piezo-Stellglieder 101, 102, 103, 201, 202, 203 auf, die
in zwei Zweige aufgeteilt sind, wobei sich die Zweige durch die
Halbleiterschalter S3, S4 auswählen
lassen. Ferner sind weitere, ebenfalls als Halbleiter ausgebildete
Schalter S5 bis S10 vorgesehen, mit denen innerhalb eines Zweiges
ein bestimmtes Piezo-Stellglied 101, 102, 103, 201, 202, 203 ausgewählt werden
kann.
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Beispielsweise
wird zum Aufladen des Piezo-Stellgliedes 101 der Schalter
S5 aktiviert, so dass nach einem Einschalten des im Bereich der
Pufferschaltung B vorgesehenen Ladeschalters S1 ein Ladestrom über die
Transfer-Induktivität L1, die
Wicklung T1a der Drossel T (1d),
die Diode des Zweigschalters S3 und schließlich in das Piezo-Stellglied 101 fließen kann.
Beim Verlassen des Piezo-Stellgliedes 101 fließt der Steuerstrom
durch den geöffneten
Schalter S5 durch eine zweite Wicklung T1b der Drossel T und schließlich durch
einen Messwiderstand Rs zur Masse.
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Gegebenenfalls
zwischen der ersten Wicklung T1a und der zweiten Wicklung T1b der
Drossel auftretende Störströme insbesondere
kapazitiver Natur, die beispielsweise zu einer Fahrzeugmasse abfließen, werden
nach dem oben mit Bezug auf 1d beschriebenen
Prinzip gedämpft,
nicht jedoch die Steuerströme
bzw. der Lade-/Entladestrom selbst.
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Zur
besseren Kontrolle des Aufladevorgangs erfolgt die Beaufschlagung
des Piezo-Stellgliedes 101 mit einem getakteten Ladestrom.
Hierbei wird der Ladeschalter S1 bei Erreichen eines bestimmten Stromwertes
ausgeschaltet, und die in der Transfer-Induktivität L1 gespeicherte
Energie treibt den Ladestrom weiter in das Piezo-Stellglied 101.
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Sobald
der Ladestrom eine bestimmte untere Grenze unterschreitet, wird
der Ladeschalter S1 erneut eingeschaltet und der Ladestrom kann
wieder ansteigen. Insgesamt ergibt sich durch diese Vorgehensweise
ein im Wesentlichen dreieckförmiger Stromfluss über der
Zeit.
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Sobald
eine durch die Spannungsüberwachungseinheit
U festgestellte und in der Ansteuerelektronik ECU ausgewertete Spannung
auf dem Piezo-Stellglied 101 erreicht ist, wird der Ladevorgang durch
Schließen
des Ladeschalters S1 beendet. Eine Erfassung des Ladestroms ist
durch die Stromüberwachungseinheit
I möglich.
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Zum
Entladen des Piezo-Stellgliedes 101 wird der entsprechende
Zweigschalter S3 und der Entladeschalter S2 aktiviert, so dass ein
Entladestrom durch die am Schalter S5 vorgesehene Diode über das
Piezo-Stellglied 101, den aktivierten Zweigschalter S3
und schließlich über den
Entladeschalter S2 fließen
kann. Auch hierbei kompensieren sich die durch die Wicklungen T1a,
T1b der Drossel fließenden
Ströme,
so dass auch beim Entladen Störströme der oben
beschriebenen Art gedämpft
bzw. verhindert werden, aber der Entladestrom selbst nicht durch
die Drossel beeinträchtigt
ist.
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Bei
einem Stromfluss durch die Transfer-Induktivität L1 baut sich ein magnetisches
Feld auf, in dem Energie gespeichert wird. Sobald der Entladestrom
eine untere Grenze überschreitet,
wird der Entladeschalter S2 ausgeschaltet, wodurch die Spannung
an der Transfer-Induktivität L1 über eine
Spannung am Pufferkondensator Buffer ansteigt, so dass schließlich ein
Stromfluss aus der Transfer-Induktivität L1 in den Pufferkondensator
Buffer erfolgt. Hiermit wird ein Großteil der bereits zur Aufladung
des Piezo-Stellglieds 101 verwendeten elektrischen Energie zurückgewonnen
und erneut für
zukünftige
Ansteuerungen der Piezo-Stellglieder 101, 102, 103, 201, 202, 203 gespeichert.
Der Verlauf des Entladestroms über
der Zeit ist dabei ebenfalls im Wesentlichen dreieckförmig.
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In
den 3a bis 3d sind
Messergebnisse aus Messungen im Zeitbereich dargestellt, welche
die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung verdeutlichen.
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3a zeigt
ein erstes Signal TR1a, welches der Steuerspannung eines das Einspritzventil 9 der
schematisch in 5 abgebildeten Brennkraftmaschine 1 betätigenden
Piezo-Stellglieds entspricht. Das Signal TR2a gibt eine entsprechende, aufgrund
des oben beschriebenen Störstroms
resultierende Störspannung
zwischen einem Zylinderkopf und der Karosserie des Kraftfahrzeugs
wieder. Für diese
Messungen ist jedoch eine Ansteuerschaltung ohne die erfindungsgemäße Drossel
verwendet worden. Die vertikale Auflösung beträgt hierbei für das Signal
TR1a 20 V/division und für
das Signal TR2a 1 V/division; beide Signale TR1a, TR2a weisen dieselbe
Zeitbasis von 2 μs/division
auf.
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Es
ist deutlich an 3a zu erkennen, dass ohne eine
erfindungsgemäße Dämpfung der
Störströme mittels
einer Drossel die durch das Signal TR2a repräsentierte Störspannung
Spitze-Spitze-Spannungswerte von bis zu 6 Volt annehmen kann.
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In 3b repräsentiert
das Signal TR1b eine Steuerspannung des Einspritzventils 9 (20
V/division, 1 μs/division)
und das Signal TR2b die Störspannung zwischen
dem Zylinderkopf und der Karosserie (100 mV/division, 1 μs/division)
die bei einer Anordnung der erfindungsgemäßen Drossel zwischen der Endstufe
P und den Piezo-Stellgliedern 101, 102, 103, 201, 202, 203 (1a)
nur noch eine Spitze-Spitze-Spannung von etwa 400 Millivolt annimmt.
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Eine
Schaltungskonfiguration der Ansteuerschaltung 100 mit der
Drossel gemäß 1b führt auf
die in 3c dargestellten Messergebnisse,
bei denen das Signal TR1c wiederum eine Steuerspannung des Einspritzventils
(20 V/division, 1 μs/division)
und das Signal TR2c eine Störspannung
zwischen dem Zylinderkopf und der Karosserie (200 mV/division, 1 μs/division)
mit einer Spitze-Spitze-Spannung
von etwa 800 Millivolt darstellt.
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Aus
einem Vergleich der Messergebnisse gemäß 3b und 3c ist
ersichtlich, dass die nur zwei Wicklungen aufweisende Schaltungskonfiguration
gemäß 1b,
die den Messergebnissen von 3c zugrunde
liegt, nur eine geringfügig
verschlechterte Dämpfung
von Störspannungen
bietet im Vergleich zu der verhältnismäßig aufwendigen
Lösung
gemäß 1a,
bei der für
jedes Piezo-Stellglied 101, 102, 103, 201, 202, 203 jeweils
zwei Wicklungen vorgesehen sind.
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Eine
Anordnung der Wicklungen der Drossel gemäß 1c führt zu den
in 3d dargestellten Messergebnissen, wobei das Signal
TR1d wiederum die Steuerspannung des Einspritzventils 9 (20
V/division, 1 μs/division)
und das Signal TR2d die Störspannung
zwischen dem Zylinderkopf und der Karosserie (200 mV/division, 1 μs/division)
darstellt. Als Spitze-Spitze-Spannung der Störspannung TR2d ist ein Wert
von etwa 600 Millivolt aus 3d abzulesen.
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Insgesamt
ergibt sich bei dem Einsatz der erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung 100 mit
einer Drossel gegenüber
herkömmlichen
Ansteuerschaltungen ohne eine erfindungsgemäße Dämpfung von Störströmen bzw.
sich daraus ergebenden Störspannungen
eine deutlich verbesserte Unterdrückung elektromagnetischer Störungen im
Motorraum.
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Die 4a bis 4c repräsentieren
Messergebnisse von im Frequenzbereich vorgenommenen Messungen, die
jeweils unter Verwendung einer fahrzeugeigenen Antenne vorgenommen
worden sind. Dabei ist in allen drei Schaubildern eine gemessene
Störamplitude
mit bzw. ohne erfindungsgemäße Drossel
angegeben, wobei die Frequenzskala jeweils von 0 bis 2 MHz und eine
Skala für
den Spannungspegel von 0 bis 50 dBμV reicht.
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Aus 4a ist
ersichtlich, dass sich insbesondere in einem Frequenzbereich um
etwa 0,5 MHz und um etwa 1,5 MHz sowie um Frequenzen größer 1,8
MHz deutlich geringere Störspannungen
gemäß dem Signal
TR1e ergeben im Vergleich zu einer Störspannung TR2e ohne die erfindungsgemäße Anordnung
mit der Drossel.
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Die
Messergebnisse aus 4a korrespondieren hierbei wiederum
mit einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gemäß 1a.
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Die
Messergebnisse gemäß 4b geben die
Störspannungsverhältnisse
bei einer gemäß 1b ausgebildeten
Ansteuerschaltung 100 wieder. Auch hier ist eine geringere
Störspannung
TR2f im Vergleich zum ursprünglichen
Signal TR1f zu erkennen.
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4c zeigt
schließlich
die Messergebnisse, wie sie bei einer Schaltungsanordnung gemäß 1c erhalten
werden, wobei insbesondere im Frequenzbereich um 1,5 MHz und oberhalb
von 1,8 MHz eine deutlich geringere Störspannung TR1g erkennbar ist
im Verhältnis
zur Störspannung
TR2g ohne die erfindungsgemäßen Dämpfungsmaßnahmen
mittels der Drossel.
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Insgesamt
zeigen die Messergebnisse der Messungen im Frequenzbereich gemäß den 4a bis 4c,
dass sich die Störaussendungen
aufgrund der Störströme durch
den erfindungsgemäßen Einsatz
einer Drossel um bis zu 15 dbμV
reduzieren lassen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist eine Wicklung (nicht gezeigt) der
Drossel zu Messzwecken vorgesehen, die insbesondere zur Erfassung
eines sich in der Drossel bzw. in deren Kern einstellenden magnetischen
Flusses einsetzbar ist. Auf diese Weise sind auftretende Störströme erkennbar
und es kann beispielsweise ein entsprechender Fehlereintrag in einem
Fehlerspeicher des Steuergeräts 15 vorgenommen
werden.