用于电感加热至少一个燃料喷射阀门的电路装置以及具有这样的电路装置的燃料喷射阀门装置和用于运行电路装置和燃料喷射阀门装置的方法

摘要

本发明涉及一种用于电感加热至少一个燃料喷射阀门的电路装置，所述电路装置具有功率晶体管全桥电路（T1，T2，T3，T4），其用作用于在谐振频率时或在谐振频率附近利用交变电压驱动串联谐振电路（C1，LH1，RL1）的驱动器。该串联谐振电路包含加热器线圈，其中该加热器线圈处结果得到的电压可以变得显著高于供电电压。可输送给加热器线圈（LH1，RL1）的功率可以通过改变桥电路的开关元件的控制信号的频率或占空比来改变和调节。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于电感加热至少一个燃料喷射阀门的电路装置，具有：第一可控开关元件，其接线在供电电压的正极与第一连接节点之间；第二可控开关元件，其接线在第一连接节点与供电电压的负极之间；第三可控开关元件，其接线在供电电压的正极与第二连接节点之间；第四可控开关元件，其接线在第二连接节点与供电电压的负极之间；以及至少一个喷射阀门的第一加热器线圈，所述加热器线圈电接线在第一和第二连接节点之间。

背景技术

这样的通过接线四个可控开关元件实现的全桥功率末级（其亦称H桥）在DE 34 15 967 A1中被描述为用于操控铁磁材料的电感发热。

为了生成如电感发热所需的交变信号，周期性地接通第一和第四晶体管并关断第二和第三晶体管，并且反之亦然。

施加在可由其绕组电感及其有效电阻表示的加热器线圈上的电压具有矩形变化曲线，该矩形变化曲线具有与供电电压相对应的峰值。在此流动的交变电流近似为三角形的；其值由供电电压、开关时长以及绕组电感和有效电阻确定。

对于有效电阻的小的值成立的是：

dI/dt = U/L

其中dI/dt是加热器电流在给定电压U（=Vbat）和电感（L）的情况下的改变速度。

该关系直接说明了，为了实现高电流值，必须要么提高电压（但是这在机动车辆中由于12V车载电源电压而仅能以昂贵的附加成本来实现）、电感必须为小的（在此设置有构造极限以及由加热器的磁路给定的极限），要么必须延长切换阶段的时长（这对应于低频率，但是这受到感应加热的作用原理的限制）。

在关于此的研究中，在加热器电感和开关时长的技术上合理设计的情况下在使用如在机动车辆中通常可用的、容易降低的供电电压的情况下可以实现最佳50至100W的加热功率。仍然要注意的是，加热器电流的由于三角形形状给定的高次谐波含量使系统的总效率明显劣化。由于其峰值与供电电压相对应的小的交变电压，为了实现例如200W的加热器功率（这对于有效地加热燃料是必需的），需要非常高的电流。

由于加热器绕组通过引线与功率电子设备连接，因此所述引线必须被设计为具有相应大的横截面，这又导致附加成本。特别重要的是，引线的自身电感必须保持得尽可能小，因为所述引线的自身电感与加热器电感串联并且妨碍交变电流形成。在此成立的是：加热器电感越小并且加热器电流越大，则功率电感的影响越严重。

发明内容

本发明的任务是一种电路装置，该电路装置在尽可能小的制造成本的情况下实现足够大的加热功率。此外，在引线中流向加热器电感的交变电流应当具有尽可能小的高次谐波分量，以便最小化电磁干扰信号的辐射。还应当可能的是，借助于合适的运行方法在宽范围中改变输送给加热器的功率。除此之外应当可能的是，确定加热器绕组的电感，以便从其中导出加热器中的实际温度的度量，该实际温度又可以用作加热器温度调节中的实际参量。本发明的另一目标是一种具有多个要加热的喷射阀门的燃料喷射阀门装置，该燃料喷射阀门装置导致尽可能低的制造成本。

该任务根据权利要求1在根据前序部分的电路装置的情况下通过如下方式来解决：在连接节点之间将第一电容器与第一加热器线圈串联。

通过扩展单个电容器，可以将H桥装置扩展成具有串联谐振的电路装置。在此，谐振电容器的值应当被选择为使得与加热器电感一起得出与加热器的电磁要求相协调的固有振荡频率。在这里观察的燃料喷射阀门的情况下，谐振频率的典型值处于50至60kHz的范围中。在此，确定性因素是磁性材料特性、阀门的壁厚、磁场穿透深度等等。在此，操控信号的频率以及由此其接通和关断时长的时长应当与该固有振荡频率协调。

通过插入谐振电容器，结合加热器电感产生被有效电阻衰减的串联谐振电路。尽管在连接节点之间生成的励磁电压仅仅具有与供电电压相对应的值，但是在加热器处产生的电压显著更大。

为了现在实现例如200W的所要求的加热功率，由于较高电压而需要明显更小的电流。

在根据本发明的电路装置的一个有利的改进方案中，在供电电压的正极与第三连接节点之间电接线第五可控开关元件，并且在第三连接节点与供电电压的负极之间电接线第六可控开关元件。

在供电电压的正极与第四连接节点之间电接线第七可控开关元件，并且在第四连接节点与供电电压的负极之间电接线第八可控开关元件。由第二喷射阀门的第二加热器线圈和第二电容器组成的第二串联电路被电接线在第二和第三连接节点之间。由第三喷射阀门的第三加热器线圈和第三电容器组成的第三串联电路被电接线在第三和第四连接节点之间，并且由第四喷射阀门的第四加热器线圈和第四电容器组成的第四串联电路被电接线在第四和第一连接节点之间。

典型的机动车辆发动机具有多个气缸、譬如四个或六个。由于每个气缸都装备有燃料喷射阀门，因此相应地需要四个或六个加热器。这要求使用四个或六个H桥以用于运行加热器。通过根据本发明连接末级和加热器以及适当地操控末级，可以在四气缸发动机的情况下节省末级的一半并通过这种方式节省成本。

在根据本发明的电路装置的另一有利的改进方案中，与每个开关元件分别并联一个二极管，所述二极管全部都相对于供电电压在截止方向上极化。

由此，可以降低在加热器线圈中储存的磁场，而不必接通之前被关断的开关元件。在使用功率场效应晶体管的情况下，这些二极管由技术决定地大多作为衬底二极管存在。

该任务还通过具有根据权利要求2或3之一的根据本发明的电路装置的燃料喷射阀门来解决，其中加热器线圈的每一个以及分配给其的电容器被布置在各一个燃料喷射阀门中，并且其中相应加热器线圈以及分配给其的电容器的串联电路彼此串联。

通过在燃料喷射阀门中布置电容器以及将由加热器线圈和电容器构成的串联电路串联，可以节省从H桥到燃料喷射阀门的线路，这一方面降低了成本，并且另一方面避免了电磁辐射的来源。

此外，该任务通过用于运行根据权利要求1至3的电路装置或者根据权利要求4的燃料喷射阀门装置的方法来解决，其中通过以开关元件的操控信号的对应于谐振频率的频率在权利要求1和3的情况下周期性地接通和关断第一和第四开关元件以及与之反相地接通和关断第二和第三开关元件、或者在权利要求2至4的情况下周期性地接通和关断第一、第四、第五和第八开关元件以及与之反相地接通和关断第二、第三、第六和第七开关元件，在最大加热功率的情况下以及在频率与谐振频率不同时在减小的加热功率的情况下来运行该电路装置或该燃料喷射阀门装置，并且通过改变操控信号的频率来控制到一个/多个加热器线圈的能量输送。

通过使用与谐振频率不同的操控频率，实现了较小的电压幅度，使得可以通过这种方式来调整和调节加热功率。例如，在机动车辆车载电源的大致9V的特定的最低电压的情况下，可以在谐振频率的情况下将电路装置调整到所需的加热功率，以便能够在较高的机动车辆车载电源电压的情况下通过与之不同的频率将功率保持恒定。

该目标还通过用于运行根据权利要求1至3的电路装置或者根据权利要求4的燃料喷射阀门装置的另一方法来实现，其中通过以开关元件的操控信号的对应于谐振频率的频率和50％的占空比在权利要求1和3的情况下周期性地接通和关断第一和第四开关元件以及与之反相地接通和关断第二和第三开关元件、或者在权利要求2至4的情况下周期性地接通和关断第一、第四、第五和第八开关元件以及与之反相地接通和关断第二、第三、第六和第七开关元件，在最大加热功率的情况下以及在较小占空比时在减小的加热功率的情况下来运行该电路装置或该燃料喷射阀门装置，并且通过改变操控信号的占空比来控制到一个/多个加热器线圈的能量输送。

在这种情况下，加热功率的输出受到接通时长和关断时长的比例改变的影响。如果根据本发明的电路装置与接通相比被更长时间地关断，则输出更小的加热功率。

在该方法的一个改进方案中，操控信号的关断时长对应于谐振频率时的一半周期时长。

由此不仅改变了占空比，而且改变了频率，使得通过这种方式影响加热功率，其中通过针对关断时长的条件可以进行串联谐振电路的完全的循环振荡并且因此可以基本上低损耗地对开关元件进行切换。

此外，该任务通过用于运行根据权利要求1至3的电路装置或者根据权利要求4的燃料喷射阀门装置的方法来解决，其中加热器线圈的磁材料被选择为使得在要实现的加热温度时结果得到依赖于温度的电感并且其中开关元件的操控信号的频率在围绕电路装置的谐振频率的范围中被调谐，并且其中加热器线圈中的电流的最大值被探测，以便确定当前的谐振频率并由此确定当前温度。

在为加热器使用具有特别低的居里温度的磁材料的情况下，在接近该温度时，加热器电感的值减小，这导致振荡电路的谐振频率的依赖于温度的提高。开关元件的控制信号的频率被周期性地改变（调谐），使得在此肯定命中谐振频率（扫描）。于是，谐振频率可以相当简单地在加热器电流的最大值处被识别。在此，应当将重复率与扫描时长的比例选择为使得在谐振频率时出现的提高的加热功率不显著改变平均加热功率。

附图说明

下面借助于附图根据实施例进一步阐述本发明。在此：

图1示出了根据本发明的电路装置，其具有带加热器线圈的由H桥操控的串联谐振电路，

图2示出了连接节点之间和加热器线圈处的电压变化曲线，

图3对照参考电势和加热器线圈处的电压的共模分量示出了连接节点处的电压变化曲线，

图4示出了另一根据本发明的电路装置，其具有带相应加热器线圈的由所联结的H桥操控的串联谐振电路，

图5示出了根据本发明的燃料喷射阀门装置，其具有布置在燃料喷射阀门中的谐振电路。

具体实施方式

在根据图1的电路装置中，在电压供给装置的正极Vbat与负极GND之间电接线有第一串联电路，该第一串联电路由被构造成具有衬底二极管D1的场效应晶体管的第一可控开关元件T1和同样被构造成具有衬底二极管D2的场效应晶体管的第二可控开关元件T2构成。两个开关元件T1、T2的连接点形成第一连接节点A。

以相同方式，在电压供给装置的正极Vbat与负极GND之间电接线有第二串联电路，该第二串联电路由被构造成具有衬底二极管D3的场效应晶体管的第三可控开关元件T3和被构造成具有衬底二极管D4的场效应晶体管的第四可控开关元件T4构成。两个开关元件T3、T4的连接点形成第二连接节点B。

以根据本发明的方式在连接点A、B之间接线有由加热器线圈LH、RL和第一电容器C构成的串联谐振电路，其中加热器线圈是由其绕组电感LH及其有效电阻RL来表示的。开关元件T1、T2、T3、T4具有控制输入端1、2、3、4。为了通过谐振电路C、LH、RL测量电流，在第二和第三开关元件T2、T3的连接点与电压供给装置的负极GND之间布置分流电阻R1。

为了模拟该电路装置，选择可简单制造的大约5μΗ的电感，谐振电容器具有2μF的值。引线的电感与加热器电感LH相比可以被忽略。所观察的电压和电流在图2中予以示出，并且示出了技术上可良好掌控并允许低成本制造总系统的值。如能够看出的那样，在串联谐振电路上施加56.5V的峰值电压，尽管供电装置仅仅具有11V的值。由此可能的是，利用合理的电流值将足够的功率传输到加热器线圈中。

对于电磁干扰信号生成，到加热器的引线上的共模信号的能量谱密度是非常重要的，因为这些线路充当辐射天线。在此重要的还有低频范围，因为从100kHz起就已经确定了最大容许干扰信号电平。

由原理决定地，H桥所具有的优势是，其两个输出信号具有相反相位并且信号电压在切换时除了幅度变化曲线差和时间差以外相互抵消。连接节点A和B'处的信号变化曲线如可从图3中得知的那样强烈不同，这使得推测出高的干扰辐射，其中连接节点B'是电容器C与加热器线圈LH、RL之间的连接点。在那里，上面图示中的矩形电压是连接节点A处的电压对照参考电势GND，并且具有电压跳变的正弦形电压是连接节点B'处的电压对照参考电势GND。但是对共模信号的观察显示：由谐振电路生成的附加幅度是具有非常小的高次谐波含量的正弦振荡，并且因此在高于100kHz的所评估的频率范围中不导致值得注意的干扰辐射。

对加热器功率的控制可以以两种方式进行。根据本发明的第一方法规定开关元件T1至T4的控制输入端1至4处的操控信号的频率改变。如果谐振电路被调谐到50kHz，则得出10μs的接通周期，然后是10μs的关断周期、即50％占空比。如果开关周期——在相同占空比的情况下——被缩短，则频率提高并且谐振电路在其谐振频率以上运行。

相应地，电压的谐振超高减小，这又降低了加热器功率。

因此，可以将加热功率——从最大值出发——连续地降低。从50kHz到59kHz的轻微失调就已经导致加热功率减半。借助于该功率控制可能的是，使加热功率——在供电电压可改变的情况下——在宽范围中保持恒定。加热功率也可以在加热器中达到预先给定的额定温度时被降低，以便使该温度保持稳定。

为了使该温度保持稳定，需要将其调节到预先给定的额定值。为此必须确定实际温度。以根据本发明的方式，加热器温度的确定通过确定谐振频率来进行。

在为燃料喷射阀门的加热器使用具有特别低的居里温度的磁材料的情况下，在接近该温度时，加热器电感的值减小，这导致振荡电路的谐振频率的依赖于温度的提高。现在存在多种用于确定谐振频率的可能性。

开关元件T1至T4的控制输入端1至4处的控制信号的频率被周期性地改变（调谐），使得在此肯定命中谐振频率（扫描）。谐振频率可以相当简单地在加热器电流的最大值处被识别。在此，应当将重复率与扫描时长的比例选择为，使得在谐振频率时出现的提高的加热功率不显著改变平均加热功率。

在供电电压与加热功率之间还存在系统（平方）关联。如果一次性地在冷的加热器的情况下确定谐振频率以及当前的供电电压和在此生成的加热功率，则获得参考点。从该参考点以及对当前供电电压和加热功率的测量出发，可以推断出加热器温度。替代于加热器功率，也可以将在分流电阻R1（图1）处可观察到的加热器电流用作测量参量。于是，这样确定的加热器温度可以用作加热器温度调节中的实际参量。

在另一操控方法中，开关元件T1至T4的控制输入端1至4处的操控信号可以以小于50％的占空比运行。这意味着，在短时间内，H桥的所有晶体管都被关断。相应地，在该时长期间未给谐振电路输送能量，这又导致加热功率的减小。

对于模拟的值，关断周期的时长有利地为10μs，这对应于振荡电路的循环振荡时长。该方法的优点是，可以简单地检测谐振电路的循环振荡过程。

在此，该信号也可以用于确定加热器温度并由此用作加热器温度调节的实际值。

典型的机动车辆发动机具有多个气缸、譬如四个或六个。由于每个气缸都装备有燃料喷射阀门，因此相应地需要四个或六个加热器。这要求使用四个或六个H桥以用于运行加热器。通过合适地连接末级和加热器以及合适地操控末级，可以在四气缸发动机的情况下节省末级的一半并通过这种方式节省成本。

根据图4，从根据图1的电路装置出发，在供电电压的正极Vbat与第三连接节点C之间电接线第五可控开关元件T5，并且在第三连接节点C与供电电压的负极GND之间电接线第六可控开关元件T6。此外，在供电电压的正极Vbat与第四连接节点D之间电接线第七可控开关元件T7，并且在第四连接节点D与供电电压的负极GND之间电接线第八可控开关元件T8。

由第二喷射阀门EV2的第二加热器线圈LH2和第二电容器C2组成的第二串联电路电接线在第二连接节点B与第三连接节点C之间。由第三喷射阀门EV3的第三加热器线圈LH3和第三电容器C3组成的第三串联电路以及由第四喷射阀门EV4的第四加热器线圈LH4和第四电容器C4组成的第四串联电路电接线在第三连接节点C与第四连接节点D或第四连接节点D与第一连接节点A之间。

第一加热器线圈LH1与连接节点A和B连接，也就是说，所述第一加热器线圈由开关元件T1、T2、T3、T4来馈电。

第二加热器线圈LH2与连接节点B和C连接，也就是说，所述第二加热器线圈由开关元件T3、T4、T5、T6来馈电。

第三加热器线圈LH3与连接节点C和D连接，也就是说，所述第三加热器线圈由开关元件T5、T6、T7、T8来馈电。

第四加热器线圈LH4与连接节点D和A连接，也就是说，所述第四加热器线圈由开关元件T7、T8、T1、T2来馈电。

对开关元件T1至T8的操控通过控制输入端1至8处的控制信号来进行。在此，控制输入端1、4、5、8处的信号始终具有相同的电平，以及控制输入端2、3、6、7处的信号具有相同的相反电平。也就是说，如果控制输入端1、4、5、8处的信号具有高电平，则控制输入端2、3、6、7处的信号具有低电平。相应地，加热器线圈LH1和LHL4处的电压在第一阶段具有正值，并且加热器线圈LH2和LHL3处的电压同时具有负值。在此，开关元件T1至T8被设计成双倍的载流能力。

如果根据图5将谐振电容器C1至C4铺设到燃料喷射阀门EV1至EV4的加热器中，则也还可以将引线的数目减半。

尽管现在在燃料喷射阀门EV1至EV4之间需要附加的连接，但是这在构造上可以通过在具有集成的加热器、电容器和连接线路的阀门模块中合并所有加热器来解决。于是，这得出特别紧凑的、低成本的构造。有利的还有，通过该布置节省了非常昂贵的（高电流）插头中的一半。

根据图5的配置的行为以及操控与图4中所示的实施例无区别。