WO2010084099A1 - Schaltungsanordnung zur ansteuerung eines einspritzventils - Google Patents

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WO2010084099A1
WO2010084099A1 PCT/EP2010/050531 EP2010050531W WO2010084099A1 WO 2010084099 A1 WO2010084099 A1 WO 2010084099A1 EP 2010050531 W EP2010050531 W EP 2010050531W WO 2010084099 A1 WO2010084099 A1 WO 2010084099A1
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semiconductor switching
switching element
coil
current
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PCT/EP2010/050531
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Gerhard Wirrer
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Continental Automotive Gmbh
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    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2058—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit using information of the actual current value

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for controlling at least one injection valve, in particular a magnetic injection valve, for an internal combustion engine.
  • injection valves for internal combustion engines so-called. SDI valves
  • SDI valves In order to achieve an optimal combustion process, injection valves for internal combustion engines, so-called. SDI valves, must be opened quickly at a precisely predetermined time, then kept open and then closed.
  • the minimum and maximum injection quantities of fuel per pulse and the ratio of the minimum and maximum injection quantities to each other are relevant. Furthermore, with successive pulses, a reproducible injection quantity with high accuracy must be achievable.
  • the minimum possible injection quantity together with a static flow rate of the fuel and the controllable fuel pressure range, defines the possible spread of the injection quantity and thus the maximum possible power or rotational speed for the given minimum quantity, eg at idle.
  • the reduction in the minimum amount of injection allows for multiple injections, particularly in those injection strategies that implement injections near an ignition point.
  • the emission behavior can be positively influenced in an advantageous manner. This way, soot can be avoided with medium and high loads.
  • the response of a catalyst can be improved by an optimized for catalyst heating injection strategy.
  • the precise control of the injectors is carried out using a predetermined current profile, in which a solenoid valve associated with the solenoid is acted upon. To open the valve, the solenoid is supplied with a high current.
  • the valve To keep the valve open and minimize power loss, it is kept open with less current. After switching off the current and its fastest possible reduction in the solenoid, the valve closes by the force of a spring, which keeps the valve closed at rest. Depending on the design of the valve, the spring force can be supported by the fuel pressure.
  • RIC Rapid Injector Closing
  • FIG. 1 A known from the prior art circuit arrangement for driving two injectors is shown in Fig. 1.
  • Each of the two injection valves is assigned a cylindrical coil L1, L2, which has a first coil connection SP1 (L1), SP1 (L2) with each other and a controllable semiconductor switching element T2, T9 with a supply potential connection VP2 or a supply potential connection VP3 are connectable.
  • At the testedspotenzialan- connection VP2 is a supply voltage of 70 V, which is generated via a DC / DC converter, not shown, from a vehicle on-board voltage of 12 V and in both Directions allows a rapid power build-up.
  • the vehicle on-board voltage (12 V) is applied directly.
  • the cylindrical coils L1, L2 are each coupled to a reference potential terminal BP via a controllable semiconductor switching element T1 or T5.
  • a controllable semiconductor switching element T1 or T5 By controlling one of the semiconductor switching elements Tl, T5, a selection is made which of the cylindrical coils and thus which injection element is to be actuated at a given time. The selection is made by the corresponding semiconductor switching elements Tl, T5
  • Semiconductor switching element Tl, T5 is turned on, while the other semiconductor switching element is turned off.
  • the height of the current flowing through the selected cylindrical coil L1, L2 is adjusted by pulse width modulation by means of one of the semiconductor switching elements T2, T9.
  • the first coil connection SP1 (L1) or SP1 (L2) of the selected injection valve is acted upon by the semiconductor switching element T2 with the operating voltage of 70 V applied to the supply potential connection VP2.
  • the high voltage is necessary to generate a sufficiently high current and a steep current increase in order to overcome the valve force and the inertia of the injector in a short time.
  • Fig. 1 shows an embodiment variant in which an active closing of an injection valve is realized.
  • the second coil terminals SP2 (L1), SP2 (L2) are each because it is connected via a semiconductor switching element T3, T4 to the supply potential connection VP2.
  • the first coil terminals SP1 (L1), SP1 (L2) are connected to the reference potential terminal BP via a further semiconductor switching element T8.
  • the semiconductor switching elements T3, T4, T8 could be replaced by diodes, provided that no active closing is provided in the circuit arrangement.
  • the respective body diodes take over as
  • Field effect transistors formed semiconductor switching elements T3, T4, T8 the function of the diodes as freewheeling diodes, when the current flow through an activated cylindrical coil by means of the pulse width modulated semiconductor switching element T9 is interrupted.
  • the first coil connection SPl (L1), SP1 (L2) of the activated cylindrical coil L1, L2 can be connected to reference potential
  • the second coil connection SP2 (L1), SP2 (L2) of the activated cylindrical coil L1, L2 simultaneously being activated is connected via the assigned semiconductor switching element T3 or T4 to the supply potential terminal VP2 (70 V).
  • the desired inverse, high current through the solenoid coil Ll or L2 can be generated.
  • a disadvantage of the circuit arrangement illustrated in FIG. 1 is the fact that all the semiconductor switching elements (with the exception of the semiconductor switching element T9), the DC / DC converter and the capacitors contained therein must be designed for 70 V. These components are large, expensive and moreover not or only consuming integrated on a semiconductor chip. In addition, current measurement via shunts (not shown in FIG. 1) must be performed for the pulse width modulation. because the preferred external sense FETs are extremely expensive with the required accuracy.
  • the invention provides a circuit arrangement for controlling at least one injection valve, in particular one
  • Magnetic injection valve for an internal combustion engine.
  • This includes a supply potential terminal, on which a first voltage can be tapped off; a reference potential terminal; one or more cylindrical coils, wherein for actuating an associated injection valve to a first coil terminal of the solenoid coil, a voltage can be applied; a controllable voltage boosting circuit configured to generate a second voltage from the first voltage which is higher than the first voltage, the boosting circuit at a first input to the supply potential terminal and at a first output via a respective first controllable semiconductor switching element connected to the solenoids; and a drive circuit, which is connected to the drive at least with a respective semiconductor switching element and the voltage booster circuit, wherein the drive circuit is adapted to apply the first or the second voltage to the first coil terminal of exactly one solenoid in response to an actuation state of the injectors.
  • circuit arrangement according to the invention smaller and less expensive components can be used in comparison to the circuit arrangement known from the prior art.
  • they can be provided with a high integration density on a circuit carrier or, for the most part, in an integrated semiconductor chip. There are only a few discrete components necessary in comparison. This is made possible by the fact that at the supply potential connection only a lower supply voltage is provided in comparison to the prior art, whereby the DC / DC converter can be constructed simpler and less expensive.
  • the drive circuit is designed such that when a plurality of injectors at a given time only exactly one of the solenoid coils is acted upon by the activation of the associated first switching element with the first or the second voltage.
  • the provision of a plurality of injection valves in a circuit arrangement according to the invention is also referred to as bank.
  • a bank represents a group of cylinders in which only one injection valve may be opened at a given time.
  • the number of injectors per bank depends essentially on the design of the internal combustion engine.
  • the voltage booster circuit is designed as a known voltage doubler. This makes it possible to obtain the voltage of 70 V required for driving an injection valve from a voltage of 35 V applied to the supply potential connection. This achieves the advantages already explained in the introduction.
  • a second coil connection of the cylindrical coil or coils is connected to the reference potential terminal via a first current measuring device, wherein this path can be controllably separated by a fourth semiconductor switching element that is different from the first current measuring device or by the first current measuring device designed as a sense FET.
  • the first coil terminal of a respective cylindrical coil is connected via a respective first rectifying element to a second output of the voltage increase circuit such that the first rectifying element enables freewheeling of the cylindrical coil when the current flow through the cylindrical coil is interrupted by means of the associated first semiconductor switching element becomes.
  • the first rectifying element can be formed by a diode which allows the freewheeling of the cylindrical coil.
  • the cathode terminal of the diode is connected to the first coil terminal.
  • the first rectifying element is formed by a controllable by the drive circuit second semiconductor switching element, in particular a field effect transistor (MOSFET), wherein the rectifying element is the body diode of the second semiconductor switching element.
  • MOSFET field effect transistor
  • the design of the rectifying element as a controllable semiconductor switching element has the advantage that an active closing (rapid injector closing) of the injection valve is made possible.
  • the connection of the second semiconductor switching element to the first coil terminal is such that the cathode terminal the body diode is connected to this, so that it can take over the functionality of the freewheeling diode.
  • the second coil connection is connected to the supply potential connection via a second rectification element.
  • the second rectifying element like the first rectifying element, may be formed by a simple diode, which serves primarily for the purpose of enabling a freewheeling of one of the cylindrical coils when the current flow through the cylindrical coil is interrupted by means of the associated first semiconductor switching element. It is also expedient if the second rectifying element is formed by a controllable by the drive circuit third semiconductor switching element, in particular a sense FET, wherein the rectifying element is the body diode of the third semiconductor switching element.
  • the design of the third semiconductor switching element in particular in the form of a sense FET, in addition to the freewheeling of the cylindrical coil in a cost-effective and precise way, a current measurement during the closing of the valve, whereby the current through the solenoid is particularly precisely controlled.
  • the first sense FET is used to make a current measurement when the injector is opened or kept open.
  • the second sense FET serves to carry out a current measurement during an active closing of the injection element, the current being carried out by corresponding pulse width modulation of the second semiconductor switching element.
  • the second coil terminals of the plurality of cylindrical coils are connected to one another.
  • the cylindrical coil or coils and the respective first semiconductor switching elements and the one or more rectifying elements are formed as discrete components and designed for a dielectric strength of the second, high voltage.
  • the components of the voltage booster circuit, the first current measuring device, optionally the fourth semiconductor switching element arranged in the current path of the first current measuring device, and the second rectifying element are designed for a dielectric strength of the first voltage and can be integrated on a common semiconductor chip.
  • the circuit arrangement according to the invention can be realized in comparison to a conventional circuit arrangement with lower costs and lower space requirements.
  • all components which are not directly associated with an injection element can be integrated on the common semiconductor chip, since they have a smaller in comparison Be operated voltage.
  • the drive circuit has a switching device for pulse width modulation, which is connected to the respective control terminal of the controllable switching element for adjusting a current through the respective cylindrical coil.
  • the pulse width modulation is preferably carried out as a function of a current measured by the sense FETs.
  • the drive circuit is designed to apply the second voltage to the first coil terminal of the associated cylindrical coil to open an injection valve by switching the first semiconductor switching element and first driving the voltage booster circuit and to pass the current through the cylindrical coil by pulse width modulation of the current path in the current path ERS
  • T2 sense FET first current measuring device
  • the drive circuit is designed to apply the first voltage to maintain the opening of the injection valve by turning off the first semiconductor switching element and second driving the voltage increase circuit to the first coil terminal of the associated solenoid and the current through the solenoid coil by pulse width modulation of the first semiconductor switching element adjust, wherein a measurement of the current through the first current measuring device takes place.
  • a further embodiment provides that the drive circuit is designed to apply a third voltage applied to the reference potential terminal to close the injection valve by blocking the first semiconductor switching element and turning on the second semiconductor switching element and second driving the voltage booster circuit to the first coil terminal of the associated cylindrical coil Adjust current through the solenoid by pulse width modulation of the second semiconductor switching element, wherein a measurement of the current through the third semiconductor switching element takes place. In this control, an active closing of the selected injection valve takes place.
  • FIGS. 2A to 2C show an exemplary embodiment of a circuit arrangement according to the invention for driving one or more injection valves, in particular magnetic injection valves, for an internal combustion engine.
  • the circuit arrangement according to the invention shows by way of example the elements for controlling two injection valves.
  • the injection valves are arranged on a so-called bank, i. the injectors associated with the cylindrical coils are driven together at one of their coil terminals. This means that at any one time only a single injector is actuated by means of the circuitry, i. may be opened and closed again.
  • the circuit construction is identical in FIGS. 2A to 2C. Different operating states or switching states are explained with reference to FIGS. 2A to 2C.
  • the circuit arrangement according to the invention is characterized by a single supply potential connection VP1, to which, for example, a voltage of 35 V is applied.
  • the voltage of 35 V is measured by means of a DC / DC converter from a vehicle On-board voltage of 12 V generated.
  • the DC / DC converter is not shown in the figures.
  • the supply potential connection VP1 is connected to a first input E1 of a voltage increase circuit VD.
  • a second input E2 of the voltage increasing circuit VD is connected to a reference potential terminal BP.
  • the reference potential terminal BP is connected to ground potential.
  • the voltage booster circuit VD is designed to generate a second voltage, which is higher than the first voltage, from the first voltage applied to the reference potential terminal VP1.
  • the voltage booster circuit VD is designed as a voltage doubler, but this is not mandatory. Accordingly, a voltage of 70V may be provided at a first output A1. With the topology shown, the voltage of 70 V could, with suitable control of the controllable semiconductor switching elements, also be generated with a voltage lower than 35 V (ie less than half of the voltage of 70 V to be achieved).
  • the voltage doubler comprises two series-connected semiconductor switching elements T7, T8, which are connected between the supply potential connection VP1 and the reference potential terminal BP.
  • the control terminals of the semiconductor switching elements T7, T8 are connected to a common drive circuit not shown in the figure.
  • a node KP1 between the semiconductor switching elements T7, T8 is connected to a node KP2, to which respective first capacitor terminals of capacitors C1, C2 are connected.
  • the other terminal of the capacitor Cl is connected to the first output Al of the voltage doubler and a cathode terminal of a diode Dl.
  • the anode terminal of the diode Dl is connected to the first input El of the voltage doubler.
  • the other terminal of the capacitor C2 is connected to the anode terminal of an ner diode D2 and a second output A2 of the voltage doubler connected.
  • the cathode terminal of the diode D2 is connected to the second input E2 and the semiconductor switching element
  • Each of the injection valves is assigned a cylindrical coil Ll, L2.
  • a respective first coil terminal SP1 (L1), SP1 (L2) is connected via a controllable first semiconductor switching element T3 or T5 to the first output A1 of the voltage doppler VD.
  • the respective second coil terminals SP2 (L1) and SP2 (L2) are coupled to each other and to the reference potential terminal BP via a first current measuring device in the form of a first sense FET T2.
  • the control of the first semiconductor switching elements T3, T5 and the sense FETs T2 again by the common drive circuit not shown in the figure.
  • Switching element T3 or T5 is applied to the voltage applied to the first output Al and depending on the actuation state of the injection valve variable voltage.
  • a respective first coil terminal SP1 (L1), SP1 (L2) is connected to the second output A2 of the voltage doubler VD via a respective second semiconductor switching element T9, T1O.
  • freewheeling of the active cylindrical coil is enabled by the second semiconductor switching elements T9, T10, when the current flow through the cylindrical coil is interrupted by means of the associated first semiconductor switching element.
  • a second sense FET T6 is connected between the second coil terminals SP2 (L1) and SP2 (L2) and the supply potential terminal VP1.
  • the second sense FET T6 also allows a freewheeling of the solenoid through the integrated therein body diode.
  • the second semiconductor switching elements T9, T10 can be replaced by rectifying elements GE1, GE2 in the form of a diode and the second sense FET T6 can be replaced by a further rectifying element GE3 (eg likewise in the form of a diode) become.
  • the cathode terminals of the rectifying elements GE1, GE2 are connected to a respective first coil terminal SP1 (L1), SP1 (L2).
  • the anode terminals of the rectifying elements GE1, GE2 are connected to each other and to the second output A2 of the voltage doubler.
  • the anode terminal of the rectifying element GE3 would be connected to the second coil terminals SP2 (L1) and SP2 (L2).
  • the cathode terminal of the rectifying element GE3 would be connected to the supply potential terminal VP1.
  • Control circuit also has a switching device for pulse width modulation PWM, which in the manner described in more detail below the first or second semiconductor switching elements or a sense FET drives and thus allows a current regulation by the active current path.
  • PWM pulse width modulation
  • FIGS. 2A to 2C show, in addition to the illustrated semiconductor switching elements, their opening or closing state within the scope of the invention. actuation of an injection valve. It is assumed that the injection valve associated with the cylindrical coil Ll is actuated by the circuit arrangement.
  • Fig. 2A shows the situation for providing the current for opening the injector associated with the solenoid coil Ll.
  • the semiconductor switching elements T2, T3, T8 are turned on.
  • the remaining semiconductor switching elements are switched off.
  • the current measurement, which influences the pulse width modulation, is performed via the first sense FET T2.
  • the current flow resulting from the switch position shown in FIG. 2A is represented by the arrow marked A.
  • the node KP2 is brought to a potential of 35 V corresponding to the supply potential terminal VP1.
  • the capacitor Cl charged to 35 V thereby boosts the voltage available at the first output Al to 70 V, so that when the first semiconductor switching element T3 is switched on, a rapidly rising and high current can be conducted through the cylindrical coil L1. If the mass inertia of the injection valve is overcome and the injection valve is completely opened due to the magnetic field generated by the cylindrical coil L1, a pulse width modulation of the first semiconductor switching element T3 ensues, so that an approximately constant current is generated by the cylindrical coil L1. The one by the
  • Fig. 2B shows the state of the semiconductor switching elements for providing a smaller holding current compared to the opening current, in which only one of the spring force of the injector corresponding force must be applied through the cylindrical coil Ll. For this purpose, it is sufficient if a voltage of only 35 V is applied to the first coil terminal SP1 (L1), which voltage can be provided by the supply potential terminal 1.
  • the semiconductor switching elements T2, T3, T7 are turned on.
  • the other semiconductor switching elements T6, T8, T9 are turned off.
  • the current measurement is again via the semiconductor switching element T2.
  • the current flow resulting during this actuation state is marked B.
  • FIG. 2C shows the situation during the active closing of the injector, which is associated with the solenoid coil Ll.
  • the semiconductor switching elements T6, T7 and T9 are turned on.
  • the remaining semiconductor switching elements T2, T3 and T8 are switched off.
  • the pulse width modulation now takes place via the second semiconductor switching element T9. If a current measurement is necessary, this is done via the second sense FET T6.
  • the resulting current path through the cylindrical coil Ll is marked with C.
  • the semiconductor switching element T9 Due to the conduction switching of the semiconductor switching element T9 and of the semiconductor switching element T7, the first coil terminal SP1 (L1) is connected to the reference potential, while the second coil terminal SP2 (L1) is acted upon by the sense FET T6 with the 35 V of the supply potential terminal VP1. This results in an internal current through the cylindrical coil L1, which accelerates the closing of the injection valve.
  • the semiconductor switch T9 is opened.
  • the semiconductor switching element T8 is closed and the semiconductor switching element T7 is opened.
  • a freewheeling of the current in the cylindrical coil L1 due to the pulse width modulation of T9 is made possible by the current path T3-C1-T8-T6.
  • the circuit arrangement for controlling one or more injectors requires only two 70 V transistors per cylinder coil (T3 and T9 or T5 and T10). All other semiconductor switching elements (T2, T6, T7, T8) can be dimensioned to 35 V and thus on be easily integrated into a common semiconductor chip.
  • the semiconductor switching elements T9 and T10, or the corresponding diodes, must also be designed for a dielectric strength of 70 V, provided that the circuit arrangement does not provide active closing.
  • the semiconductor switching elements T2, T6, T7 and T8 designed only for 35 V can thus be integrated with the drive circuit on a common semiconductor chip.
  • the integrated sense-FETs T2, T6 provided for current measurement also only have to be designed for a voltage rating of 35 V, the current measurement can be carried out with high accuracy and low costs.
  • a power resistor between the nodes KPl and KP2 can be provided in the voltage doubler. As a result, a substantial portion of power loss can be removed from a semiconductor chip.
  • the invention thus makes it possible in a simpler and more cost-effective manner to control a bank of injection valves.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung zumindest eines Einspritzventils, insbesondere eines Magnet-Einspritzventils, für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen Versorgungspotentialanschluss (VP1), einen Bezugspotentialanschluss (BP); eine oder mehrere Zylinderspulen (L1, L2), eine steuerbare Spannungserhöhungsschaltung (VD), die dazu ausgebildet ist, aus der ersten Spannung eine zweite Spannung zu erzeugen, welche höher als die erste Spannung ist, wobei die Spannungserhöhungsschaltung (VD) an einem ersten Eingang (E1) mit dem Versorgungspotentialanschluss (VP3) und an einem ersten Ausgang (A1) über ein jeweiliges erstes steuerbares Halbleiterschaltelement (T3, T5) mit den Zylinder spulen (L1, L2) verbunden ist; und eine Ansteuerschaltung, die zur Ansteuerung zumindest mit einem jeweiligen ersten Halbleiterschaltelement (T3, T5) und der Spannungserhöhungsschaltung (VD) verbunden ist, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Betätigungszustands eines der Einspritzventile die erste oder die zweite Spannung an den ersten Spulenanschluss genau einer Zylinderspule (L1, L2) anzulegen.

Description

Beschreibung
Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines Einspritzventils
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung zumindest eines Einspritzventils, insbesondere eines Magnet-Einspritzventils, für einen Verbrennungsmotor.
Um einen optimalen Verbrennungsvorgang zu erzielen, müssen Einspritzventile für Verbrennungsmotoren, sog. SDI-Ventile, zu einem präzise vorgegebenen Zeitpunkt schnell geöffnet, anschließend geöffnet gehalten und dann geschlossen werden. Neben dem exakten und raschen Öffnen sind die minimale und maximale Einspritzmenge an Kraftstoff pro Puls sowie das Ver- hältnis der minimalen und maximalen Einspritzmenge zueinander (sog. Spreizung) relevant. Ferner muss bei aufeinander folgenden Pulsen eine reproduzierbare Einspritzmenge mit hoher Genauigkeit erzielbar sein.
Die minimal mögliche Einspritzmenge definiert zusammen mit einem statischen Durchfluss des Kraftstoffs sowie dem regelbaren Kraftstoffdruckbereich die mögliche Spreizung der Einspritzmenge und damit die maximal mögliche Leistung oder Drehzahl bei der gegebenen Minimalmenge, z.B. im Leerlauf. Die Reduktion der minimalen Einspritzmenge ermöglicht Mehrfacheinspritzungen, insbesondere bei solchen Einspritzstrategien, die Einspritzungen nahe einem Zündzeitpunkt realisieren. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise das Emissionsverhalten positiv beeinflusst werden. So lassen sich bei mittle- ren und hohen Lasten Ruß vermeiden. Ebenso kann das Ansprechverhalten eines Katalysators durch eine für Katalysator- Heizen optimierte Einspritzstrategie verbessert werden. Die präzise Ansteuerung der Einspritzventile erfolgt unter Verwendung eines vorgegebenen Stromprofils, bei dem eine dem Einspritzventil zugeordnete Zylinderspule mit Strom beaufschlagt wird. Zur Öffnung des Ventils wird die Zylinderspule mit einem hohen Strom beaufschlagt. Um das Ventil geöffnet zu halten und die Verlustleistung zu minimieren, wird es mit einem geringeren Strom geöffnet gehalten. Nach dem Abschalten des Stromes und dessen möglichst schnellem Abbau in der Zylinderspule schließt das Ventil über die Kraft einer Feder, die das Ventil im Ruhezustand geschlossen hält. Je nach Bauart des Ventils kann die Federkraft durch den Kraftstoffdruck unterstützt werden.
Zur Verringerung der minimalen Einspritzmenge und -zeit muss der Schließvorgang so schnell wie möglich durchgeführt werden. Um die während des Öffnungsvorganges zu überwindende Federkraft nicht erhöhen zu müssen, sind Lösungen zum aktiven Schließen des Ventils bekannt. Diese sind unter dem Namen „Rapid Injector Closing" (RIC) bekannt. Bei diesem Verfahren wird während des Schließvorganges des Ventils für kurze Zeit ein inverser Strom in der Zylinderspule aufgebaut, um das Ventil zuzudrücken.
Eine aus dem Stand der Technik bekannte Schaltungsanordnung zur Ansteuerung zweier Einspritzventile ist in Fig. 1 dargestellt. Den zwei Einspritzventilen ist jeweils eine Zylinderspule Ll, L2 zugeordnet, welche mit ihrem ersten Spulenan- schluss SPl(Ll), SPl (L2) miteinander und jeweils über ein steuerbares Halbleiterschaltelement T2, T9 mit einem Versor- gungspotentialanschluss VP2 bzw. einem Versorgungspotential- anschluss VP3 verbindbar sind. An dem Versorgungspotentialan- schluss VP2 liegt eine Versorgungsspannung von 70 V an, welche über einen nicht dargestellten DC/DC-Wandler aus einer Fahrzeug-Bordspannung von 12 V erzeugt ist und in beiden Richtungen einen schnellen Stromaufbau ermöglicht. An dem Versorgungspotentialanschluss VP3 liegt die Fahrzeug- Bordspannung (12 V) unmittelbar an. Mit ihrem zweiten Spulen- anschluss SP2(L1), SP2(L2) sind die Zylinderspulen Ll, L2 je- weils über ein steuerbares Halbleiterschaltelement Tl bzw. T5 mit einem Bezugspotentialanschluss BP gekoppelt. Durch die Ansteuerung eines der Halbleiterschaltelemente Tl, T5 erfolgt eine Auswahl, welche der Zylinderspulen und damit welches Einspritzelement zu einem gegebenen Zeitpunkt betätigt werden soll. Die Auswahl erfolgt dadurch, dass das entsprechende
Halbleiterschaltelement Tl, T5 leitend geschaltet wird, während das andere Halbleiterschaltelement sperrend geschaltet ist. Die Einstellung der Höhe des durch die ausgewählte Zylinderspule Ll, L2 fließenden Stromes erfolgt durch Pulswei- tenmodulation mittels eines der Halbleiterschaltelemente T2, T9.
Während des Öffnungsvorganges eines Einspritzventils wird der erste Spulenanschluss SPl(Ll) oder SPl (L2) des ausgewählten Einspritzventils über das Halbleiterschaltelement T2 mit der am Versorgungspotentialanschluss VP2 anliegenden Betriebsspannung von 70 V beaufschlagt. Die hohe Spannung ist zur Erzeugung eines ausreichend hohen Stromes und eines steilen Stromanstiegs notwendig, um die Ventilkraft und die Massen- trägheit des Einspritzventils in kurzer Zeit überwinden zu können. Nach der vollständigen Öffnung des Einspritzventils werden, wie eingangs erläutert, lediglich geringere Ströme benötigt, so dass der entsprechende erste Spulenanschluss ü- ber den Versorgungspotentialanschluss VP3 aus der Fahrzeug- Bordspannung versorgt werden kann.
Fig. 1 zeigt eine Ausgestaltungsvariante, bei der ein aktives Schließen eines Einspritzventils verwirklicht ist. Zu diesem Zweck sind die zweiten Spulenanschlüsse SP2(L1), SP2(L2) je- weils über ein Halbleiterschaltelement T3, T4 mit dem Versor- gungspotentialanschluss VP2 verbunden. Darüber hinaus sind die ersten Spulenanschlüsse SPl(Ll), SPl (L2) über ein weiteres Halbleiterschaltelement T8 mit dem Bezugspotentialan- Schluss BP verbunden.
Die Halbleiterschaltelemente T3, T4, T8 könnten durch Dioden ersetzt sein, sofern kein aktives Schließen in der Schaltungsanordnung vorgesehen ist. In der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung übernehmen die jeweiligen Body-Dioden der als
Feldeffekttransistoren ausgebildeten Halbleiterschaltelemente T3, T4, T8 die Funktion der Dioden als Freilaufdioden, wenn der Stromfluss durch eine aktivierte Zylinderspule mittels des pulsweiten modulierten Halbleiterschaltelements T9 unter- brochen wird.
Über das Halbleiterschaltelement T8 kann der erste Spulenan- schluss SPl(Ll), SPl (L2) der aktivierten Zylinderspule Ll, L2 mit Bezugspotential verbunden werden, wobei gleichzeitig der zweite Spulenanschluss SP2(L1), SP2(L2) der aktivierten Zylinderspule Ll, L2 über das zugeordnete Halbleiterschaltelement T3 oder T4 mit dem Versorgungspotentialanschluss VP2 (70 V) verbunden wird. Hierdurch kann der gewünschte inverse, hohe Strom durch die Zylinderspule Ll oder L2 erzeugt werden.
Nachteilig an der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung ist der Umstand, dass sämtliche Halbleiterschaltelemente (mit Ausnahme des Halbleiterschaltelements T9) , der DC/DC-Wandler und die darin enthaltenen Kondensatoren auf 70 V ausgelegt sein müssen. Diese Bauteile sind groß, teuer und darüber hinaus auf einem Halbleiterchip nicht oder nur aufwändig integrierbar. Darüber hinaus muss für die Pulsweitenmodulation eine Strommessung über Shunts (in Fig. 1 nicht dargestellt) er- folgen, da die bevorzugten externen Sense-FETs mit der erforderlichen Genauigkeit außerordentlich teuer sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schal- tungsanordnung zur Ansteuerung zumindest eines Einspritzventils, insbesondere eines Magnet-Einspritzventils, für einen Verbrennungsmotor anzugeben, welche auf einfachere und kostengünstigere Weise bereitstellbar ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die Erfindung schafft eine Schaltungsanordnung zur Ansteue- rung zumindest eines Einspritzventils, insbesondere eines
Magnet-Einspritzventils, für einen Verbrennungsmotor. Diese umfasst einen Versorgungspotentialanschluss, an dem eine erste Spannung abgreifbar ist; einen Bezugspotentialanschluss; eine oder mehrere Zylinderspulen, wobei zum Betätigen eines zugeordneten Einspritzventils an einen ersten Spulenanschluss der Zylinderspule eine Spannung anlegbar ist; eine steuerbare Spannungserhöhungsschaltung, die dazu ausgebildet ist, aus der ersten Spannung eine zweite Spannung zu erzeugen, welche höher als die erste Spannung ist, wobei die Spannungserhö- hungsschaltung an einem ersten Eingang mit dem Versorgungspotentialanschluss und an einem ersten Ausgang über ein jeweiliges erstes steuerbares Halbleiterschaltelement mit den Zylinderspulen verbunden ist; und eine Ansteuerschaltung, die zur Ansteuerung zumindest mit einem jeweiligen Halbleiter- schaltelement und der Spannungserhöhungsschaltung verbunden ist, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Betätigungszustands eines der Einspritzventile die erste oder die zweite Spannung an den ersten Spulenanschluss genau einer Zylinderspule anzulegen. Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung können im Vergleich zu der aus dem Stand der Technik bekannten Schaltungsanordnung kleinere und kostengünstigere Bauteile verwendet werden. Darüber hinaus können diese mit einer hohen Integrationsdichte auf einem Schaltungsträger bzw. größtenteils in einem integrierten Halbleiterchip vorgesehen werden. Es sind im Vergleich nur wenige diskrete Bauelemente notwendig. Ermöglicht wird dies dadurch, dass an dem Versorgungspotential- anschluss eine im Vergleich zum Stand der Technik lediglich geringere Versorgungsspannung vorgesehen ist, wodurch auch der DC/DC-Wandler einfacher und kostengünstiger aufgebaut werden kann.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Ansteuerschaltung derart ausgebildet, dass bei einer Mehrzahl an Einspritzventilen zu einem gegebenen Zeitpunkt lediglich genau eine der Zylinderspulen über die Ansteuerung des zugeordneten ersten Schaltelements mit der ersten oder der zweiten Span- nung beaufschlagt wird. Das Vorsehen einer Mehrzahl an Einspritzventilen in einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird auch als Bank bezeichnet. Eine Bank stellt eine Gruppe von Zylindern dar, bei denen zu einem gegebenen Zeitpunkt lediglich ein Einspritzventil geöffnet werden darf. Die Anzahl der Einspritzventile pro Bank hängt im Wesentlichen von der Bauform des Verbrennungsmotors ab.
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Span- nungserhöhungsschaltung als bekannter Spannungsverdoppler ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, die zur Ansteuerung eines Einspritzventils benötigte Spannung von 70 V aus einer am Versorgungspotentialanschluss anliegenden Spannung von 35 V zu gewinnen. Hierdurch werden die einleitend bereits erläuterten Vorteile erzielt. In einer weiteren Ausgestaltung ist ein zweiter Spulenan- schluss der Zylinderspule oder -spulen über eine erste Strommesseinrichtung mit dem Bezugspotentialanschluss verbunden, wobei dieser Pfad durch ein von der ersten Strommesseinrichtung unterschiedliches viertes Halbleiterschaltelement oder durch die als Sense-FET ausgebildete erste Strommesseinrichtung steuerbar auftrennbar ist. Das Vorsehen einer im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Versorgungsspannung ermöglicht den Einsatz von integrierbaren Sense-FETs, welche zuverlässiger und kostengünstiger als Shunts sind.
Zweckmäßigerweise ist der erste Spulenanschluss einer jeweiligen Zylinderspule über ein jeweiliges erstes Gleichricht- element mit einem zweiten Ausgang der Spannungserhöhungs- schaltung derart verbunden, dass das erste Gleichrichtelement einen Freilauf der Zylinderspule ermöglicht, wenn der Strom- fluss durch die Zylinderspule mittels des zugeordneten ersten Halbleiterschaltelements unterbrochen wird. In der einfachs- ten Variante kann das erste Gleichrichtelement durch eine Diode ausgebildet sein, welche den Freilauf der Zylinderspule erlaubt. Dabei ist der Kathodenanschluss der Diode mit dem ersten Spulenanschluss verbunden.
Vorteilhafterweise ist das erste Gleichrichtelement durch ein durch die Ansteuerschaltung steuerbares zweites Halbleiterschaltelement, insbesondere einen Feldeffekttransistor (MOS- FET) , gebildet, wobei das Gleichrichtelement die Body-Diode des zweiten Halbleiterschaltelements ist. Die Ausgestaltung des Gleichrichtelements als steuerbares Halbleiterschaltelement weist den Vorteil auf, dass ein aktives Schließen (Rapid Injector Closing) des Einspritzventils ermöglicht wird. Der Anschluss des zweiten Halbleiterschaltelements an den ersten Spulenanschluss erfolgt derart, dass der Kathodenanschluss der Body-Diode mit diesem verbunden ist, so dass dieser die Funktionalität der Freilaufdiode übernehmen kann.
In einer weiteren konkreten Ausgestaltung ist der zweite Spu- lenanschluss über ein zweites Gleichrichtelement mit dem Ver- sorgungspotentialanschluss verbunden. Das zweite Gleichrichtelement kann, wie das erste Gleichrichtelement, durch eine einfache Diode ausgebildet sein, welche primär dem Zweck dient, einen Freilauf einer der Zylinderspulen zu ermögli- chen, wenn der Stromfluss durch die Zylinderspule mittels des zugeordneten ersten Halbleiterschaltelements unterbrochen wird. Dabei ist es ebenso zweckmäßig, wenn das zweite Gleichrichtelement durch ein durch die Ansteuerschaltung steuerbares drittes Halbleiterschaltelement, insbesondere einen Sense-FET, gebildet ist, wobei das Gleichrichtelement die Body-Diode des dritten Halbleiterschaltelements ist. Die Ausgestaltung des dritten Halbleiterschaltelements, insbesondere in Gestalt eines Sense-FETs, ermöglicht neben dem Freilauf der Zylinderspule auch auf kostengünstige und präzise Weise eine Strommessung während des Schließvorgangs des Ventils, wodurch der Strom durch die Zylinderspule besonders präzise regelbar ist.
Der erste Sense-FET dient dazu, eine Strommessung vorzuneh- men, wenn das Einspritzelement geöffnet wird oder geöffnet gehalten wird. Der zweite Sense-FET dient dazu, eine Strommessung während eines aktiven Schließens des Einspritzelements vorzunehmen, wobei der Strom durch entsprechende Pulsweitenmodulation des zweiten Halbleiterschaltelements vorge- nommen wird.
In einer weiteren konkreten Ausgestaltung sind die zweiten Spulenanschlüsse der Mehrzahl an Zylinderspulen miteinander verbunden . Ferner sind die Zylinderspule oder -spulen und die jeweiligen ersten Halbleiterschaltelemente sowie das oder die ersten Gleichrichtelemente als diskrete Bauelemente ausgebildet und auf eine Spannungsfestigkeit der zweiten, hohen Spannung ausgelegt. Demgegenüber sind die Bauelemente der Spannungserhö- hungsschaltung, die erste Strommesseinrichtung, optional das im Strompfad der ersten Strommesseinrichtung angeordnete vierte Halbleiterschaltelement und das zweite Gleichrichtele- ment auf eine Spannungsfestigkeit der ersten Spannung ausgelegt und auf einem gemeinsamen Halbleiterchip integrierbar. Hierdurch lässt sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung im Vergleich zu einer herkömmlichen Schaltungsanordnung mit geringeren Kosten und einem geringeren Platzaufwand realisie- ren. Insbesondere können sämtliche Bauelemente, welche nicht direkt einem Einspritzelement zugeordnet sind, auf dem gemeinsamen Halbleiterchip integriert werden, da diese mit einer im Vergleich geringeren Spannung betrieben werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Ansteuerschaltung eine Schalteinrichtung zur Pulsweitenmodulation auf, welche mit dem jeweiligen Steueranschluss des steuerbaren Schaltelements verbunden ist zur Einstellung eines Stroms durch die jeweilige Zylinderspule. Die Pulsweitenmodulation erfolgt be- vorzugt in Abhängigkeit eines durch die Sense-FETs gemessenen Stromes .
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet, zum Öffnen eines Einspritz- ventils durch Leitendschalten des ersten Halbleiterschaltelements und erste Ansteuerung der Spannungserhöhungsschaltung an den ersten Spulenanschluss der zugeordneten Zylinderspule die zweite Spannung anzulegen und den Strom durch die Zylinderspule durch Pulsweitenmodulation des im Strompfad der ers- ten Strommesseinrichtung angeordneten vierten Halbleiterschaltelements oder durch Pulsweitenmodulation der als Sense- FET ausgebildeten ersten Strommesseinrichtung (T2) einzustellen, wobei eine Messung des Stroms durch die erste Strommess- einrichtung erfolgt. Wie ohne Weiteres ersichtlich ist, erfolgt durch das erste Halbleiterschaltelement gleichzeitig eine Auswahl des zu betätigenden Einspritzventils sowie die Pulsweitenmodulation zur Einstellung des Stroms durch die zugeordnete Zylinderspule.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet, zum Aufrechterhalten der Öffnung des Einspritzventils durch Leitendschalten des ersten Halbleiterschaltelements und zweite Ansteuerung der Spannungserhöhungs- Schaltung an den ersten Spulenanschluss der zugeordneten Zylinderspule die erste Spannung anzulegen und den Strom durch die Zylinderspule durch Pulsweitenmodulation des ersten Halbleiterschaltelements einzustellen, wobei eine Messung des Stroms durch die erste Strommesseinrichtung erfolgt.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, zum Schließen des Einspritzventils durch Sperren des ersten Halbleiterschaltelements und Leitendschalten des zweiten Halbleiterschaltelements sowie zweite Ansteuerung der Spannungserhöhungsschaltung an den ersten Spulenanschluss der zugeordneten Zylinderspule eine am Be- zugspotentialanschluss anliegende dritte Spannung anzulegen und den Strom durch die Zylinderspule durch Pulsweitenmodulation des zweiten Halbleiterschaltelements einzustellen, wobei eine Messung des Stroms durch das dritte Halbleiterschaltelement erfolgt. Bei dieser Ansteuerung erfolgt ein aktives Schließen des ausgewählten Einspritzventils. Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Schal- tungsanordnung zum Ansteuern zweier Einspritzventile, und
Fig. 2A bis 2C eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum
Ansteuern zweier Einspritzventile, wobei an- hand der Fig. 2A bis 2C unterschiedliche Betä- tigungszustände eines Einspritzventils verdeutlicht werden.
In den Fig. 2A bis 2C ist ein Ausführungsbeispiel einer er- findungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines o- der mehrerer Einspritzventile, insbesondere Magnet- Einspritzventile, für einen Verbrennungsmotor dargestellt. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeigt beispielhaft die Elemente zur Ansteuerung zweier Einspritzventile. Die Einspritzventile sind auf einer sog. Bank angeordnet, d.h. die den Einspritzventilen zugeordneten Zylinderspulen werden an einem ihrer Spulenanschlüsse gemeinsam angesteuert. Dies bedeutet, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt jeweils nur ein einziges Einspritzventil mittels der Schaltungsanordnung be- tätigt, d.h. geöffnet und wieder geschlossen, werden darf.
Der Schaltungsaufbau ist in den Fig. 2A bis 2C identisch. Anhand der Fig. 2A bis 2C werden unterschiedliche Betätigungs- zustände bzw. Schaltzustände erläutert.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich durch einen einzigen Versorgungspotentialanschluss VPl aus, an dem beispielhaft eine Spannung von 35 V anliegt. Die Spannung von 35 V wird mittels eines DC/DC-Wandlers aus einer Fahrzeug- Bordspannung von 12 V erzeugt. Der DC/DC-Wandler ist in den Figuren nicht dargestellt. Der Versorgungspotentialanschluss VPl ist mit einem ersten Eingang El einer Spannungserhöhungs- schaltung VD verbunden. Ein zweiter Eingang E2 der Spannungs- erhöhungsschaltung VD ist mit einem Bezugspotentialanschluss BP verbunden. Der Bezugspotentialanschluss BP ist mit Massepotential verbunden. Die Spannungserhöhungsschaltung VD ist dazu ausgebildet, aus der am Bezugspotentialanschluss VPl anliegenden ersten Spannung eine zweite Spannung zu erzeugen, welche höher als die erste Spannung ist. Im Ausführungsbeispiel ist die Spannungserhöhungsschaltung VD als Spannungs- verdoppler ausgebildet, wobei dies jedoch nicht zwingend ist. Demgemäß kann an einem ersten Ausgang Al eine Spannung von 70 V bereitgestellt werden. Die Spannung von 70 V könnte bei der gezeigten Topologie bei geeigneter Ansteuerung der steuerbaren Halbleiterschaltelemente auch mit einer kleineren Spannung als 35 V (d.h. weniger als der Hälfte der zu erreichenden Spannung von 70 V) erzeugt werden.
In bekannter Weise umfasst der Spannungsverdoppler zwei seriell miteinander verschaltete Halbleiterschaltelemente T7, T8, welche zwischen dem Versorgungspotentialanschluss VPl und dem Bezugspotentialanschluss BP verschaltet sind. Die Steueranschlüsse der Halbleiterschaltelemente T7, T8 sind mit einer in der Figur nicht näher dargestellten gemeinsamen Ansteuerschaltung verbunden. Ein Knotenpunkt KPl zwischen den Halbleiterschaltelementen T7, T8 ist mit einem Knotenpunkt KP2 verbunden, mit welchem jeweilige erste Kondensatoranschlüsse von Kondensatoren Cl, C2 verbunden sind. Der andere Anschluss des Kondensators Cl ist mit dem ersten Ausgang Al des Span- nungsverdopplers und einem Kathodenanschluss einer Diode Dl verbunden. Der Anodenanschluss der Diode Dl ist mit dem ersten Eingang El des Spannungsverdopplers verbunden. Der andere Anschluss des Kondensators C2 ist mit dem Anodenanschluss ei- ner Diode D2 und einem zweiten Ausgang A2 des Spannungsver- dopplers verbunden. Der Kathodenanschluss der Diode D2 ist mit dem zweiten Eingang E2 sowie dem Halbleiterschaltelement
Jedem der Einspritzventile ist eine Zylinderspule Ll, L2 zugeordnet. Ein jeweiliger erster Spulenanschluss SPl(Ll), SPl (L2) ist über ein steuerbares erstes Halbleiterschaltelement T3 bzw. T5 mit dem ersten Ausgang Al des Spannungsver- dopplers VD verbunden. Die jeweiligen zweiten Spulenanschlüsse SP2(L1) und SP2(L2) sind miteinander und über eine erste Strommesseinrichtung in Gestalt eines ersten Sense-FET T2 mit dem Bezugspotentialanschluss BP gekoppelt. Die Ansteuerung der ersten Halbleiterschaltelemente T3, T5 sowie des Sense- FETs T2 erfolgt wiederum durch die in der Figur nicht dargestellte gemeinsame Ansteuerschaltung.
Durch die Ansteuerschaltung wird sichergestellt, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt lediglich genau eine der Zylinderspu- len Ll, L2 über die Ansteuerung des zugeordneten ersten
Schaltelements T3 oder T5 mit der am ersten Ausgang Al anliegenden und je nach Betätigungszustand des Einspritzventils variablen Spannung beaufschlagt wird.
Um ein aktives Schließen eines geöffneten Einspritzventils zu ermöglichen, ist ein jeweiliger erster Spulenanschluss SPl(Ll), SPl (L2) über ein jeweiliges zweites Halbleiterschaltelement T9, TlO mit dem zweiten Ausgang A2 des Span- nungsverdopplers VD verbunden. Gleichzeitig ist durch die zweiten Halbleiterschaltelemente T9, TlO ein Freilauf der aktiven Zylinderspule ermöglicht, wenn der Stromfluss durch die Zylinderspule mittels des zugeordneten ersten Halbleiterschaltelements unterbrochen wird. Um während des aktiven Schließens und dem damit in der betreffenden Zylinderspule Ll, L2 fließenden inversen Strom messen zu können, ist zwischen den zweiten Spulenanschlüssen SP2(L1) und SP2(L2) und dem Versorgungspotentialanschluss VPl ein zweiter Sense-FET T6 verschaltet. Neben der Möglichkeit, Strom messen und zur Ansteuerung verwenden zu können, erlaubt der zweite Sense-FET T6 auch einen Freilauf der Zylinderspule über die darin integrierte Body-Diode.
Sofern ein aktives Schließen eines geöffneten Zylinderventils nicht vorgesehen ist, können die zweiten Halbleiterschaltelemente T9, TlO durch Gleichrichtelemente GEl, GE2 in Gestalt einer Diode und der zweite Sense-FET T6 durch ein weiteres Gleichrichtelement GE3 (z.B. ebenfalls in Gestalt einer Dio- de) ersetzt werden. Die Kathodenanschlüsse der Gleichrichtelemente GEl, GE2 sind in diesem Fall mit einem jeweiligen ersten Spulenanschluss SPl(Ll), SPl (L2) verbunden. Die Anodenanschlüsse der Gleichrichtelemente GEl, GE2 sind miteinander und mit dem zweiten Ausgang A2 des Spannungsverdopplers verbunden. Der Anodenanschluss des Gleichrichtelements GE3 wäre mit den zweiten Spulenanschlüssen SP2(L1) und SP2(L2) verbunden. Der Kathodenanschluss des Gleichrichtelements GE3 wäre mit dem Versorgungspotentialanschluss VPl verbunden.
Die bereits erwähnte und in den Figuren nicht dargestellte
Ansteuerschaltung weist darüber hinaus eine Schalteinrichtung zur Pulsweitenmodulation PWM auf, welche in nachfolgend näher beschriebener Weise die ersten bzw. zweiten Halbleiterschaltelemente bzw. einen Sense-FET ansteuert und damit eine Strom- regulierung durch den aktiven Strompfad ermöglicht.
Zur Erläuterung des Betriebsverhaltens zeigen die Figuren 2A bis 2C jeweils neben den dargestellten Halbleiterschaltelementen deren Öffnungs- bzw. Schließzustand im Rahmen der Be- tätigung eines Einspritzventils. Es wird dabei davon ausgegangen, dass das der Zylinderspule Ll zugeordnete Einspritzventil durch die Schaltungsanordnung betätigt wird.
Fig. 2A zeigt die Situation zur Bereitstellung des Stromes zum Öffnen des der Zylinderspule Ll zugeordneten Einspritzventils. Die Halbleiterschaltelemente T2, T3, T8 sind leitend geschaltet. Die übrigen Halbleiterschaltelemente sind sperrend geschaltet. Durch die Ansteuerschaltung erfolgt (nach dem vollständigen Öffnen des Einspritzventils) eine Pulsweitenmodulation des ersten Halbleiterschaltelements T3. Die Strommessung, welche die Pulsweitenmodulation beeinflusst, wird über den ersten Sense-FET T2 vorgenommen. Der sich bei der in Fig. 2A gezeigten Schalterstellung ergebende Strom- fluss ist durch den mit A gekennzeichneten Pfeil wiedergegeben .
Durch das Leitendschalten des Halbleiterschaltelements T8 wird der Knotenpunkt KP2 auf ein dem Versorgungspotentialan- Schluss VPl entsprechendes Potential von 35 V gebracht. Der auf 35 V aufgeladene Kondensator Cl hebt dadurch die am ersten Ausgang Al verfügbare Spannung auf 70 V an, so dass bei leitend geschaltetem ersten Halbleiterschaltelement T3 ein schnell ansteigender und hoher Strom durch die Zylinderspule Ll geführt werden kann. Ist die Massenträgheit des Einspritzventils überwunden und das Einspritzventil aufgrund des durch die Zylinderspule Ll erzeugten Magnetfelds vollständig geöffnet, so erfolgt eine Pulsweitenmodulation des ersten Halbleiterschaltelements T3, so dass ein in etwa konstanter Strom durch die Zylinderspule Ll erzeugt wird. Der durch die
Selbstinduktionsspannung der Zylinderspule Ll fließende Strom während der Ausschaltzeiten des ersten Halbleiterschaltelements T3 kann über die Body-Diode des Halbleiterschaltele- ments T9 und den Kondensator C2 erfolgen, so dass sich folgender Strompfad ergibt: T8-C2-T9-L1-T2.
Fig. 2B zeigt den Zustand der Halbleiterschaltelemente zur Bereitstellung eines im Vergleich zum Öffnungsstrom geringeren Haltestroms, bei dem lediglich eine der Federkraft des Einspritzventils entsprechende Kraft durch die Zylinderspule Ll aufgebracht werden muss. Hierzu ist es ausreichend, wenn an den ersten Spulenanschluss SPl(Ll) eine Spannung von Ie- diglich 35 V angelegt wird, welche durch den Versorgungspo- tentialanschluss 1 bereitgestellt werden kann. Während dieses Betätigungszustands sind die Halbleiterschaltelemente T2, T3, T7 eingeschaltet. Die anderen Halbleiterschaltelemente T6, T8, T9 sind ausgeschaltet. Es erfolgt eine Pulsweitenmodula- tion über das erste Halbleiterschaltelement T3. Die Strommessung erfolgt wiederum über das Halbleiterschaltelement T2. Der während dieses Betätigungszustandes sich ergebende Strom- fluss ist mit B gekennzeichnet.
Aufgrund der im Vergleich zur Situation in Fig. 2A geringeren Versorgungsspannung in Höhe von 35 V am ersten Spulenanschluss SPl(Ll) und der Pulsweitenmodulation am Halbleiterschalter T2 ergibt sich ein gegenüber dem Öffnen verringerter Strom durch die Zylinderspule Ll. Die durch das Öffnen und Schließen des Sense-FETs T2 in der Zylinderspule Ll verursachte Selbstinduktionsspannung und der hierdurch erzwungene Spulenstrom können über die Diode Dl, die Body-Diode des geöffneten Halbleiterschaltelements T6, die Spule Ll sowie über das leitend geschaltete Halbleiterschaltelement T3 fließen, so dass sich folgender Strompfad ergibt: D1-T3-L1-T6. Da der Sense-FET T2 während der Pulsweitenmodulation den durch ihn fließenden Strom nicht messen kann, wird dieser währenddessen für eine jeweils fixe Zeit ausgeschaltet. Fig. 2C zeigt die Situation während des aktiven Schließens des Einspritzventils, das der Zylinderspule Ll zugeordnet ist. Hierbei sind die Halbleiterschaltelemente T6, T7 und T9 leitend geschaltet. Die übrigen Halbleiterschaltelemente T2, T3 und T8 sind sperrend geschaltet. Die Pulsweitenmodulation erfolgt nun über das zweite Halbleiterschaltelement T9. Sofern eine Strommessung nötig ist, wird diese über den zweiten Sense-FET T6 vorgenommen. Der sich hierbei ergebende Strompfad durch die Zylinderspule Ll ist mit C gekennzeichnet.
Aufgrund des Leitendschaltens des Halbleiterschaltelements T9 sowie des Halbleiterschaltelements T7 wird der erste Spulen- anschluss SPl(Ll) mit dem Bezugspotential verbunden, während der zweite Spulenanschluss SP2(L1) über den Sense-FET T6 mit den 35 V des Versorgungspotentialanschlusses VPl beaufschlagt ist. Hierdurch ergibt sich durch die Zylinderspule Ll ein in- verser Strom, welcher das Schließen des Einspritzventils beschleunigt. Zum Abschalten des durch die Zylinderspule Ll fließenden Stroms wird der Halbleiterschalter T9 geöffnet. Um das erneute Öffnen der Zylinderspule Ll oder der Zylinderspule L2 zu ermöglichen, wird darüber hinaus das Halbleiterschaltelement T8 geschlossen und das Halbleiterschaltelement T7 geöffnet.
Ein Freilauf des Stroms in der Zylinderspule Ll aufgrund der Pulsweitenmodulation von T9 wird durch den Strompfad T3-C1- T8-T6 ermöglicht.
Wie aus der Schaltungstopologie sowie der Funktionsbeschrei- bung ohne Weiteres ersichtlich ist, benötigt die Schaltungsanordnung zur Ansteuerung eines oder mehrerer Einspritzventile lediglich zwei 70 V-Transistoren pro Zylinderspule (T3 und T9 bzw. T5 und TlO) . Alle anderen Halbleiterschaltelemente (T2, T6, T7, T8) können auf 35 V dimensioniert und damit auf einfache Weise in einen gemeinsamen Halbleiterchip integriert werden. Ebenfalls auf eine Spannungsfestigkeit von 70 V ausgelegt werden müssen die Halbleiterschaltelemente T9 und TlO bzw. die entsprechenden Dioden, sofern die Schaltungsanord- nung kein aktives Schließen vorsieht.
Die lediglich auf 35 V ausgelegten Halbleiterschaltelemente T2, T6, T7 und T8 können somit mit der Ansteuerschaltung auf einem gemeinsamen Halbleiterchip integriert werden. Insbeson- dere ist es auch möglich, die Kondensatoren Cl und C2 sowie die im DC/DC-Wandler notwendigen Kondensatoren auf 35 V auszulegen, so dass eventuell die Bauteile des DC/DC-Wandlers ebenfalls in diesen Halbleiterchip integriert werden können.
Da auch die zur Strommessung vorgesehenen integrierten Sense- FETs T2, T6 lediglich auf eine Spannungsfestigkeit von 35 V ausgelegt werden müssen, kann die Strommessung mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten durchgeführt werden.
Sofern in der Schaltungsanordnung eine hohe Verlustleistung durch den Betrieb der Zylinderspule erzeugt wird, kann ein Leistungswiderstand zwischen den Knotenpunkten KPl und KP2 in dem Spannungsverdoppler vorgesehen werden. Hierdurch kann ein wesentlicher Teil an Verlustleistung aus einem Halbleiterchip entfernt werden.
Die Erfindung ermöglicht damit auf einfachere und kostengünstigere Weise die Ansteuerung einer Bank an Einspritzventilen.

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung zumindest eines Einspritzventils, insbesondere eines Magnet- Einspritzventils, für einen Verbrennungsmotor, umfassend: einen Versorgungspotentialanschluss (VPl), an dem eine erste Spannung abgreifbar ist; einen Bezugspotentialanschluss (BP) ; - eine oder mehrere Zylinderspulen (Ll, L2), wobei zum Betätigen eines zugeordneten Einspritzventils an einen ersten Spulenanschluss (SPl(Ll), SPl (L2)) der Zylinderspule eine Spannung anlegbar ist; eine steuerbare Spannungserhöhungsschaltung (VD) , die dazu ausgebildet ist, aus der ersten Spannung eine zweite Spannung zu erzeugen, welche höher als die erste Spannung ist, wobei die Spannungserhöhungsschaltung (VD) an einem ersten Eingang (El) mit dem Versorgungspotentialanschluss (VP3) und an einem ersten Ausgang (Al) über ein jeweiliges erstes steuerbares Halbleiterschaltelement (T3, T5) mit den Zylinderspulen (Ll, L2) verbunden ist; und eine Ansteuerschaltung, die zur Ansteuerung zumindest mit einem jeweiligen ersten Halbleiterschaltelement (T3, T5) und der Spannungserhöhungsschaltung (VD) verbunden ist, wobei die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit eines Betätigungszustands eines der Einspritzventile die erste oder die zweite Spannung an den ersten Spulenanschluss genau einer Zylinderspule (Ll, L2) anzulegen.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Ansteuerschaltung derart ausgebildet ist, dass bei einer Mehrzahl an Einspritzventilen zu einem gegebenen Zeitpunkt lediglich genau eine der Zylinderspulen über die Ansteuerung des zugeordneten ersten Schaltelements (T3, T5) mit der ersten oder der zweiten Spannung beaufschlagt wird.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Spannungserhöhungsschaltung (VD) als Spannungsverdoppler ausgebildet ist.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der ein zweiter Spulenanschluss (SP2(L1), SP2(L2)) der Zylinderspule oder -spulen (Ll, L2) über eine erste Strommesseinrichtung (T2) mit dem Bezugspotentialan- schluss (BP) verbunden ist, wobei dieser Pfad durch ein von der ersten Strommesseinrichtung unterschiedliches viertes Halbleiterschaltelement oder durch die als Sense-FET ausgebildete erste Strommesseinrichtung (T2) steuerbar auftrennbar ist.
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der erste Spulenanschluss (SPl(Ll), SPl (L2)) einer jeweiligen Zylinderspule (Ll, L2) über ein jeweiliges erstes Gleichrichtelement mit einem zweiten Ausgang (A2) der Spannungserhöhungsschaltung (VD) derart verbunden ist, dass das erste Gleichrichtelement einen Freilauf der Zylinderspule (Ll, L2) ermöglicht, wenn der Strom- fluss durch die Zylinderspule (Ll, L2) mittels des zugeordneten ersten Halbleiterschaltelements (T3, T5) unterbrochen wird.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, bei der das erste
Gleichrichtelement durch ein durch die Ansteuerschaltung steuerbares zweites Halbleiterschaltelement (T9, TlO) gebildet ist, wobei das Gleichrichtelement die Body- Diode des zweiten Halbleiterschaltelements (T9, TlO) ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der zweite Spulenanschluss (SP2(L1), SP2(L2)) über ein zweites Gleichrichtelement mit dem Versorgungs- potentialanschluss (VPl) verbunden ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, bei der das zweite Gleichrichtelement durch ein durch die Ansteuerschaltung steuerbares drittes Halbleiterschaltelement (T9, TlO gebildet ist, wobei das Gleichrichtelement die Body-Diode des dritten Halbleiterschaltelements (T9, TlO) ist.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, bei der die zweiten Spulenanschlüsse (SP2(L1), SP2(L2)) der Mehrzahl an Zylinderspulen (Ll, L2) miteinander verbunden sind.
10. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Zylinderspule oder -spulen (Ll, L2) und die jeweiligen ersten Halbleiterschaltelemente (T3, T5) sowie das oder die ersten Gleichrichtelemente als diskrete Bauelemente ausgebildet und auf eine Spannungsfestigkeit der zweiten Spannung ausgelegt sind.
11. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Bauelemente der Spannungserhöhungsschaltung (VD), die erste Strommesseinrichtung (T2), optional das im Strompfad der ersten Strommesseinrichtung angeordnete vierte Halbleiterschaltelementund das zweite Gleichrichtelement (T6) auf eine Spannungsfestigkeit der ersten Spannung ausgelegt sind und auf einem gemeinsamen Halbleiterchip integrierbar sind.
12. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Ansteuerschaltung eine Schalteinrichtung zur Pulsweitenmodulation (PWM) aufweist, welche mit dem je- weiligen Steueranschluss des steuerbaren Schaltelements (T3, T5) verbunden ist zur Einstellung eines Stromes durch die jeweilige Zylinderspule (Ll, L2) .
13. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, zum
Öffnen eines Einspritzventils durch leitend Schalten des ersten Halbleiterschaltelements (T3, T5) und erste Ansteuerung der Spannungserhöhungsschaltung (VD) an den ersten Spulenanschluss (SPl(Ll), SPl (L2)) der zugeordne- ten Zylinderspule (Ll, L2) die zweite Spannung anzulegen und den Strom durch die Zylinderspule durch Pulsweitenmodulation des ersten Halbleiterschaltelements (T3, T5) einzustellen, wobei eine Messung des Stroms durch die erste Strommesseinrichtung (T2) erfolgt.
14. Schaltungsanordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, zum Aufrechterhalten der Öffnung des Einspritzventils durch leitend Schalten des ersten Halbleiterschaltelements (T3, T5) und zweite Ansteuerung der Spannungserhöhungsschaltung (VD) an den ersten Spulenanschluss (SPl(Ll), SPl (L2)) der zugeordneten Zylinderspule (Ll, L2) die erste Spannung anzulegen und den Strom durch die Zylinderspule durch Pulsweitenmodulation des im Strompfad der ersten Strommesseinrichtung angeordneten vierten Halbleiterschaltelements oder durch Pulsweitenmodulation der als Sense-FET ausgebildeten ersten Strommesseinrichtung (T2) einzustellen, wobei eine Messung des Stroms durch die erste Strommesseinrichtung (T2) erfolgt.
15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche, in Verbindung mit Anspruch 6 und 8, bei der die Ansteuerschaltung dazu ausgebildet ist, zum Schließen des Einspritzventils durch Sperren des ersten Halbleiterschaltelements (T3, T5) und leitend Schalten des zweiten Halbleiterschaltelements (T9, TlO) sowie zweite Ansteuerung der Span- nungserhöhungsschaltung (VD) an den ersten Spulenan- schluss (SPl(Ll), SPl (L2)) der zugeordneten Zylinderspu- Ie (Ll, L2) eine am Bezugspotentialanschluss anliegende dritte Spannung anzulegen und den Strom durch die Zylinderspule durch Pulsweitenmodulation des zweiten Halbleiterschaltelements (T9, TlO) einzustellen, wobei eine Messung des Stroms durch das dritte Halbleiterschaltele- ment (T6) erfolgt.
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