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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils,
eine Vorrichtung zum Betreiben eines Einspritzventils, ein Computerprogramm
und ein Computerprogrammprodukt.
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Stand der Technik
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Bei
Kraftstoffeinspritzsystemen wird eine einzuspritzende Kraftstoffmenge über ein
geeignetes Einspritzventil, üblicherweise
ein Hochdruckmagnetventil, dosiert. Hierzu wird das Einspritzventil
mit einem Strom beaufschlagt, wobei eine Dosierung des bei einem
Einspritzvorgang eingespritzten Kraftstoffs u. a. von einem Stromprofil
dieses zur Beaufschlagung vorgesehenen Stroms abhängig ist.
Fertigungsbedingt ist typischerweise nicht auszuschließen, dass
ein Einspritzventil, das auch als Injektor bezeichnet wird, von
einer geforderten Idealnorm abweicht, so dass für Einspritzventile eine sog.
Exemplarstreuung vorliegt, durch die u. a. eine dynamische Durchflussmenge
eines einzuspritzenden Kraftstoffs beeinflusst wird, so dass eine
Ist-Durchflussmenge ggf. von einer Soll-Durchflussmenge abweichen kann.
Folglich ist für
eine Dosierung des Kraftstoffs eine konkrete Ausgestaltung eines
jeweiligen Kraftstoffeinspritzventils zu berücksichtigten.
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Diesbezüglich sind
zwei Maßnahmen
zur Reduzierung der Exemplarstreuung der dynamischen Durchflussmenge
von Injektoren bekannt. Nämlich
eine Reduzierung der mechanischen Reibung innerhalb des Injektors,
sowie eine Optimierung der mechanischen Parameter des Injektors,
die bei der Bewegung eine Rolle spielen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Einspritzventils,
bei dem das Einspritzventil durch Bereitstellung eines ersten Stroms
geöffnet
und durch Abschalten dieses ersten Stroms ein Schließvorgang
für das
Einspritzventil eingeleitet wird, wobei zum Beschleunigen des Schließvorgangs
des Einspritzventils ein Gegenstrom eingespeist wird, sobald sich
der erste Strom während
des Schließvorgangs
auf null abgesenkt hat.
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Hierbei
wird eine Stromstärke
des Gegenstroms typischerweise betriebsbegleitend kontrolliert. Außerdem ist
u. a. vorgesehen, dass an eine Spule bzw. Magnetspule des Einspritzventils
zum Absenken des ersten Stroms eine Schließ- bzw. Löschspannung angelegt wird,
die denselben Betrag wie eine zum Öffnen des Einspritzventils
vorgesehenen Öffnungsspannung
aufweist und dieser Öffnungsspannung
entgegengerichtet ist.
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In
Ausgestaltung wird ein Zeitraum, in dem der Gegenstrom eingespeist
wird, derart begrenzt, dass das Einspritzventil geschlossen bleibt
und während
des Schließvorgangs
nicht erneut geöffnet
wird. Alternativ oder ergänzend
werden zu diesem Zweck auch ein Stromverlauf und eine maximale Höhe des Gegenstroms
kontrolliert und somit gesteuert und/oder geregelt.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Betreiben eines
Einspritzventils. Diese Vorrichtung ist dazu ausgebildet ist, das
Einspritzventil durch Bereitstellung eines ersten Stroms zu öffnen und
durch Abschalten dieses Stroms einen Schließvorgang für das Einspritzventil einzuleiten
und zum Beschleunigen des Schließvorgangs des Einspritzventils
einen Gegenstrom einzuspeisen, sobald sich der erste Strom während des
Schließvorgangs
auf null abgesenkt hat.
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Diese
Vorrichtung kann mit dem Einspritzventil derart verbunden sein,
dass der für
das Einspritzventil vorgesehene Gegenstrom in einer dem ersten Strom
entgegengesetzten Richtung durch eine Spule des Einspritzventils
fließt.
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In
einer Variante weist die Vorrichtung einen ersten Zweig mit elektronischen
Bauteilen zum Bereitstellen des ersten Stroms und einen zweiten Zweig
mit elektronischen Bauteilen zum Bereitstellen des Gegenstroms auf.
Außerdem
kann die Vorrichtung bspw. mindestens einen Ansteuerchip und demnach
einen zusätzlichen
Chip zur Kontrolle des Gegenstroms aufweisen.
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Mit
der Erfindung kann u. a. eine betriebsbegleitende Verkürzung oder
Beschleunigung des Öffnungsvorgangs
und insbes. des Schließvorgangs
erreicht werden. Der Schließvorgang
wird durch eine geeignete Ansteuerung durch Vorsehen des Gegenstroms
beschleunigt.
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Eine
Brennkraftmaschine kann mehrere derartige Vorrichtungen aufweisen,
so dass durch eine Anordnung mehrerer Vorrichtungen Einspritzvorgänge für mehrere
Einspritzventile kontrolliert und somit gesteuert und/oder geregelt
werden können.
Diese Anordnung mit den Vorrichtungen kann eine zentrale Recheneinheit
aufweisen, die die Vorrichtung zur Bereitstellung einer koordinierten
Vorgehensweise gemeinsam zentral steuert.
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Die
beschriebene Vorrichtung ist dazu ausgebildet, sämtliche Schritte des vorgestellten
Verfahrens durchzuführen.
Dabei können
einzelne Schritte dieses Verfahrens auch von einzelnen Komponenten oder
Bauteilen der Vorrichtung durchgeführt werden. Weiterhin können Funktionen
der Vorrichtung oder Funktionen von einzelnen Komponenten oder Bauteilen
der Vorrichtung als Schritte des Verfahrens umgesetzt werden.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogramm mit Programmcodemitteln,
um alle Schritte eines beschriebenen Verfahrens durchzuführen, wenn
das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden
Recheneinheit, insbesondere in einer, erfindungsgemäßen Vorrichtung,
ausgeführt
wird.
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Das
erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt
mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind,
ist zum Durchführen
aller Schritte eines vorgestellten Verfahrens ausgebildet, wenn
das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden
Recheneinheit, insbesondere in einer vorgestellten Vorrichtung,
ausgeführt
wird.
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Mit
der Erfindung wird u. a. eine Reduzierung der Exemplarstreuung der
dynamischen Durchflussmenge von Einspitzventilen erreicht. Dadurch
können
bspw. teure mechanische Maßnahmen
für eine derartige
Reduzierung vermieden werden. Dabei ist eine einfache Realisierung
durch die elektronischen Bauteile der Vorrichtung möglich. Die
Erfindung kann bspw. mit dem Ansteuerchip CJ840 der Robert Bosch GmbH
realisiert werden, durch den eine externe Beschaltung zur Bereitstellung
des ersten Stroms und insbesondere des Gegenstroms erstellt wird.
Demnach kann ein zweiter Chip bzw. Ansteuerchip zu einem ersten
bereits vorhandenen Chip geschaltet werden. Der erste Chip sorgt
u. a. dafür,
dass durch Kontrolle des ersten Stroms ein Öffnungs- und Offenhaltevorgang
realisiert wird, während
der zweite Chip dazu ausgebildet ist, bei einem Abschaltende den Gegenstrom
zu kontrollieren.
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Somit
wird eine Reduzierung der Exemplarstreuung der dynamischen Durchflussmenge
von Injektoren bzw. Einspritzventilen durch Vorsehen von Gegenstromlöschung erreicht.
Ein zu betreibendes Einspritzventil kann als ein sog. Hochdruckeinspritzventil
(HDEV) ausgebildet sein.
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Bei
der Kraftstoffeinspritzung, bspw. einer Benzin-Direkteinspritzung,
wird der Kraftstoff direkt in den Brennraum eingespritzt. Für die Verbrennungsqualität spielen
die dosierte Menge und der Unterschied zwischen den verschiedenen
Injektoren innerhalb eines Motors eine entscheidende Rolle, so dass durch
eine Verschiedenheit der Injektoren regelmäßig eine Exemplarstreuung verursacht
wird.
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Die
Erfindung eröffnet
eine einfache Möglichkeit,
mit der die Exemplarstreuung der dynamischen Durchflussmenge (qdyn)
von Injektoren reduziert werden kann.
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Beim
Einspritzvorgang wird die Ventilnadel aus dem Ventilsitz gehoben
und für
eine bestimmte Zeitdauer offengehalten. Eine Bewegung der Ventilnadel
wird dadurch hervorgerufen, dass ein Strom durch eine Spule des
Einspritzventils fließt
und dabei ein Magnetfeld, das die Ventilnadel bewegt, erzeugt. In
diesem Zeitraum kann durch einen Injektor die vorher berechnete
Menge an Kraft- bzw. Treibstoff eingespritzt werden. Ein zeitlicher
Verlauf einer Nadelbewegung des Injektors ist hierbei in drei zeitlich
aufeinanderfolgende Abschnitte aufgeteilt.
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Bei
einem ersten Abschnitt handelt es sich um den Öffnungsvorgang. Hier wird die
Ventilnadel bzw. Nadel aus dem Ventilsitz gehoben. Ein Zusammenhang
zwischen einer sich vergrößernden
Ventilöffnung
und einer daraus resultierender effektiver Einspritzmenge hängt von
einer Anzahl komplizierter Faktoren ab und kann für ein Motorsteuergerät in der Regel
nicht synchron berechnet werden.
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Bei
dem Offenhaltevorgang als zweiten Abschnitt bzw. zweiter Phase wird
die Nadel bei vollem Arbeitshub in ihrer Position gehalten. Hier
ist die pro Zeiteinheit eingespritzte Menge in einem Motorsteuergerät synchron
berechenbar.
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Als
dritter Abschnitt ist der Schließvorgang vorgesehen. Hier wird
die Nadel mit Hilfe einer Schließfeder wieder in den Ventilsitz
gebracht. Dies geschieht durch Abschalten des ersten Stroms und wird
durch Bereitstellen des Gegenstroms optimiert.
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Bei
sehr kurzen Einspritzzeiten t, die bspw. kleiner als 0,5 ms sind,
erreicht die Nadel üblicherweise
nicht den vollen Hub, so dass das Ventil in diesen Fällen im
sogenannten ballistischen Betrieb arbeitet. Der Offenhaltevorgang
entfällt.
Dadurch werden eventuelle Unterschiede zwischen den einzelnen Ventilen
besonders auffällig.
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Während des
Offenhaltevorgangs bzw. einer Offenhaltephase bei vollem Hub wird
während
der Dauer des Offenhaltens für
das Einspritzventil die sogenannte statische Durchflussmenge Qstat bereitgestellt. Das ist die Menge an
Kraftstoff, die bei einer gegebenen Spaltgeometrie und einem vorliegenden Systemdruck
pro Öffnungszeit
eingespritzt wird. Deren Streuung wird durch die Sitzgeometrie und
den Hub festgelegt. Im Rahmen der Erfindung wird bei den dynamischen
Vorgängen
des Öffnens
und des Schließens
der Ventile eine üblicherweise
vorhandene Exemplarstreuung dadurch verringert, dass die Zeiten
zum Öffnen
und zum Schließen
verkürzt
und so deren prozentualer Anteil an der gesamten Öffnungsdauer
jeweils eines Ventils reduziert werden.
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Weiterhin
können
Maßnahmen
vorgesehen sein, durch die der Öffnungsvorgang
beschleunigt werden kann. Zudem kann der Öffnungsvorgang durch Optimierung
der Ventilparameter konstant gehalten werden. Für den Schließvorgang
kann beispielsweise die Federkraft optimiert werden. In der Regel
wird die Schließkraft
so hoch wie möglich
gewählt,
so dass die Schließzeit
möglichst
kurz ist. Dies unterliegt allerdings Grenzen, da eine zu hohe Federkraft
einerseits eine zu hohe elektrische Leistung für den Öffnungsvorgang erfordert und
andererseits den Verschleiß im
Ventilsitz erhöht.
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Mit
der Erfindung kann folglich der Schließvorgang mit Hilfe einer Ansteuerung
beschleunigt werden. Ein Hintergrund hierfür ist, dass durch eine Beschleunigung
des Schließvorgangs
die die Streuung beeinflussenden Einflussfaktoren von Injektor zu Injektor
kompensiert werden.
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Zusätzlich zu
der sogenannten Löschspannung
in Höhe
der Boosterspannung wird beim Ausschalten des Stroms im Injektor,
so bald dieser auf Null abgesunken ist, ein Strom in der entgegen
gesetzten Richtung gegenüber
der ursprünglichen Stromrichtung
in die Spule des Ventils eingespeist. Dadurch kann das ursprüngliche
Magnetfeld, das die Magnetkraft für das Offenhalten erzeugt,
noch schneller abgebaut werden, da das durch den Gegenstrom erzeugte
Gegenmagnetfeld das ursprüngliche
Magnetfeld wenigstens zum Teil kompensiert.
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Die
Gegenstromlöschung
kann durch eine externe Beschaltung oder einen zweiten Ansteuerchip,
bspw. den CJ840 der Robert Bosch GmbH, realisiert werden. Zur Erzeugung
eines derartigen Stromverlaufs können
u. a. auch Mikrokontroller die Steuerung des Stromflusses über geeignete
Halbleiter bzw. Halbleiterschalter vornehmen.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
in schematischer Darstellung ein Diagramm zu einem typischen Hubverlauf
eines Einspritzventils.
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2 zeigt
ein Diagramm mit einem Beispiel für einen herkömmlichen
Stromverlauf an einem Einspritzventil.
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3 zeigt
ein Diagramm für
einen Stromverlauf für
ein Einspritzventil, der bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
bereitgestellt wird.
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4 zeigt
ein Diagramm zum Vergleich eines herkömmlichen Hubverlaufs eines
Einspritzventils mit einem Hubverlauf, wie er bei einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung bereitgestellt wird.
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5 zeigt
in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zum Betreiben eines
Einspritzventils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die
Erfindung ist anhand von Ausführungsformen
in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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In
dem Diagramm 2 in 1 ist entlang
einer vertikal orientierten Achse 4 ein Hub einer Ventilnadel eines
Einspritzventils in der Einheit μm über einer
horizontal orientierten Achse 6 für eine Ansteuerzeit in der
Einheit ms aufgetragen.
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Dieses
Diagramm 2 zeigt einen herkömmlichen Hubverlauf 8 der
Ventilnadel des Einspritzventils. Dabei ist dieser Hubverlauf 8 in
einen Öffnungsvorgang 10 und
somit einer Öffnungsphase,
einen Offenhaltevorgang 12 und somit eine Offenhaltephase
und weiterhin einen Schließvorgang 14 und
somit eine Schließphase
unterteilt.
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Bei
herkömmlichen
Vorgehensweisen fließt durch
eine Spule des Einspritzventils ein erster Strom, durch den ein
Magnetfeld erzeugt wird, das eine Hubbewegung der Ventilnadel hervorruft,
so dass das Einspritzventil während
des Öffnungsvorgangs 10 geöffnet und
durch fortlaufende Bereitstellung des ersten Stroms während des
Offenhaltevorgangs 12 offengehalten wird.
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Zum
Schließen
des Einspritzventils wird der erste Strom während des Schließvorgangs 14 abgeschaltet.
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Ein
Beispiel für
einen Stromverlauf 16, der durch einen beschriebenen ersten
Strom bereitgestellt wird, ist in dem Diagramm 18 aus 2 eingetragen.
In diesem Diagramm 18 ist entlang einer vertikal orientierten
Achse 20 die Stromstärke
für einen Einspritzvorgang überhalb
einer horizontal orientierten Achse 22 für die Ansteuerzeit
aufgetragen.
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Das
Diagramm 24 aus 3 zeigt ein Beispiel für einen
Stromverlauf 26, wie er im Rahmen einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
für ein
Einspritzventil bereitgestellt wird. Auch hier ist entlang einer
vertikal orientierten Achse 28 eine Stromstärke über einer
horizontal orientierten Achse 30 für die Ansteuerzeit aufgetragen.
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Für eine Ansteuerzeit
größer als
1 ms steigt eine Stromstärke
von 0 bis zu einem Maximalwert an und fällt weiterhin bis zum Erreichen
eines Nulldurchgangs 32 des ersten Stroms ab. In der beschriebenen
Ausführungsform
der Erfindung ist nunmehr vorgesehen, dass ein Gegenstrom 34 bereitgestellt
wird, sobald der erste Strom den Nulldurchgang 32 erreicht
hat. Somit ergibt sich, dass der Stromverlauf 26 nach einem
Zeitpunkt für
den Nulldurchgang 32 negative Werte erreicht.
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Es
ist zu beachten, dass die Dauer des Gegenstroms 34 nicht
beliebig lang sein darf, da sonst das durch diesen erzeugte Magnetfeld überwiegt
und eine Magnetkraft erzeugt, die die Ventilnadel wieder in die Öffnungsrichtung
bewegen könnte.
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In
dem Diagramm 36 aus 4 ist entlang einer
vertikal orientierten Achse 38 ein Hubverlauf über einer
horizontal orientierten Achse 40 für eine Ansteuerzeit aufgetragen.
Das Diagramm 36 zeigt einen herkömmlichen Hubverlauf 42 für eine Ventilnadel
eines Einspritzventils, das lediglich mit einem ersten Strom zum Öffnen und
Offenhalten des Einspritzventils bestromt wird.
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Zum
Vergleich ist in dem Diagramm 36 auch ein neuer Hubverlauf 44 eingetragen,
wie er bei einer Ausführungsform
des Verfahrens durch Vorsehen eines Gegenstroms entgegen der Richtung
des ersten Stroms zur Bereitstellung einer Gegenstromlöschung bereitgestellt
wird. In dem Diagramm 36 ist gut zu erkennen, dass der
neue Hubverlauf 44 schneller absinkt als es bei dem herkömmlichen
Hubverlauf 42 der Fall ist. Dies bedeutet, dass durch Bereitstellung des
Gegenstroms das Einspritzventil schneller geschlossen wird, als
es bei herkömmlichen
Vorgehensweisen der Fall ist.
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4 zeigt,
dass durch den Gegenstrom eine Schließzeit (tab) entscheidend verkürzt wird. Dadurch
sinkt die Exemplarstreuung von Injektor zu Injektor.
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5 zeigt
in schematischer Darstellung eine Anordnung 46, mit einer
Magnetspule 48 eines hier nicht weiter gezeigten Einspritzventils
und einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 50.
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Diese
Vorrichtung 50 umfasst eine Mikrocontrolleranordnung 52 sowie
einen ersten Zweig 54, der links der Magnetspule 48 dargestellt
ist, und einen zweiten Zweig 56, der rechts der Magnetspule 48 dargestellt
ist.
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Dabei
liegt der erste Zweig 54 an einer Öffnungsspannung 58 UÖ an.
Als elektronische Bauteile weist dieser erste Zweig 54 einen
ersten Halbleiterschalter 60 V1,
einen Schließschalter 62 SS und eine Diode 64 auf. Der zweite
Zweig 56 liegt an einer Schließspannung 66 US an und weist als elektronische Bauteile
einen zweiten Halbleiterschalter 68 V2, eine
Diode 70 und einen Öffnungsschalter 72 SÖ auf.
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Innerhalb
der Anordnung 46 ist die Magnetspule 48 zwischen
dem ersten Zweig 54 und dem zweiten Zweig 56 angeordnet,
wobei die Magnetspule 48 über einen ersten Leitungsabschnitt 86 mit
dem ersten Zweig und über
einen zweiten Leitungsabschnitt 88 mit dem zweiten Zweig 56 der
Vorrichtung 50 verbunden ist.
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Eine
prinzipielle Möglichkeit
zur Realisierung der Erfindung wird anhand 5 beschrieben.
Die Mikrokontrolleranordnung 52 schließt zum Öffnen des Ventils den Öffnungsschalter 72 SÖ und
steuert den ersten Halbleiterschalter 60 V1 geeignet
an, so dass sich der gewünschte
Verlauf eines ersten Stroms 74 i1 zum Öffnen des
Ventils einstellt.
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Zum
Schließen
des Ventils werdender Öffnungsschalter 72 SÖ und
der erste Halbleiterschalter 60 V1 geöffnet. Der
Strom 74 i1 wird zunächst durch die
inversen Dioden 64 und 70 abgebaut. Wenn danach
der zweite Halbleiterschalter 68 V2 und
der Schließschalter 62 SS geschlossen werden, fließt ein Gegenstrom 76 i2 durch die Magnetspule 48 des Ventils,
dessen Größe durch
die Wahl der Schließspannung 66 US und die geeignete Ansteuerung des vorstehend
genannten Schließschalters 62 SS und des Halbleiterschalters 68 V2 so in seiner Amplitude und seinem zeitlichen
Verlauf eingestellt wird, dass das vom ersten Strom 74 i1 im Magnetkreis des Ventils erzeugte Magnetfeld
beliebig schnell und ohne remanenten Magnetismus abgebaut wird.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
weist die Mikrocontrolleranordnung 52 einen nicht dargestellten
ersten Ansteuerchip zur Kontrolle des ersten Stroms 74 sowie
einen zweiten ebenfalls nicht dargestellten Ansteuerchip zur Kontrolle
des Gegenstroms 76 auf.