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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Ankeranschlags eines elektromechanischen Aktuators nach einer Ansteuerung einer den Aktuator antreibenden Magnetspule, wobei der Ankeranschlag des Aktuators mittels Auswertung eines zeitlichen tatsächlichen Stromverlaufs durch die Magnetspule bestimmt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Erkennung eines Ankeranschlags eines elektromechanischen Aktuators nach einer Ansteuerung einer den Aktuator antreibenden Magnetspule, mit einem Steuergerät und Mitteln zur Bestimmung eines zeitlichen tatsächlichen Stromverlaufs durch die Magnetspule.
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Die Stickoxidemission von Verbrennungsmotoren kann durch eine Abgasnachbehandlung mittels selektiver katalytischer Reduktion (Selective Catalyst Reduction – SCR) vermindert werden. Diese kann insbesondere auch bei Dieselmotoren mit zeitlich überwiegend magerem, d.h. sauerstoffreichem Abgas eingesetzt werden. Hierbei wird dem Abgas eine definierte Menge eines selektiv wirkenden Reduktionsmittels zugegeben. Hierzu kann beispielhaft Ammoniak verwendet werden, welches direkt gasförmig zudosiert wird oder auch aus einer Vorläufersubstanz in Form von Harnstoff oder aus einer Harnstoff-Wasser-Lösung (HWL) gewonnen wird.
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In der
DE 10139142 A1 ist ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem zur Verringerung der NO
x-Emission ein SCR-Katalysator eingesetzt ist, der die im Abgas enthaltenen Stickoxide mit dem Reagenzmittel Ammoniak zu Stickstoff reduziert. Das Ammoniak wird in einem stromaufwärts vor dem SCR-Katalysator angeordneten Hydrolyse-Katalysator aus der HWL gewonnen. Der Hydrolyse-Katalysator setzt den in der HWL enthaltenen Harnstoff zu Ammoniak und Kohlendioxid um. In einem zweiten Schritt reduziert das Ammoniak die Stickoxide zu Stickstoff, wobei als Nebenprodukt Wasser erzeugt wird. Der genaue Ablauf ist in der Fachliteratur hinreichend beschrieben worden (vgl.
WEISSWELLER in CIT (72), Seite 441–449, 2000). Die HWL wird in einem Reagenzmitteltank bereitgestellt und ist z.B. unter dem Namen AdBlue als 32,5%ige Lösung bekannt.
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Die HWL wird durch eine Leitung vom Tank zu einem Dosierventil gefördert und in den Abgastrakt eindosiert. In der
DE 196 07 073 A1 wird ein Flüssigkeitszudosiersystem, insbesondere zum Zudosieren von Flüssigkeiten zu einem Brennstoff oder zu bei einer Verbrennung sich ergebenden Abgasen, beschrieben, welches eine elektrisch betreibbare Dosierpumpeinrichtung zum Fördern der zu zudosierenden Flüssigkeit von einem Zudosierflüssigkeitstank zu dem mit Zudosierflüssigkeit zu vermischenden Medium, eine Erfassungsanordnung zum Erfassen einer im Betrieb der Dosierpumpeinrichtung sich einstellenden und diesen charakterisierenden Betriebsgröße und eine Auswerteeinheit zum Vergleichen der Betriebsgröße mit wenigstens einem Referenzwert und zum Bestimmen des Betriebszustandes der Dosierpumpeinrichtung beruhend auf dem Vergleichsergebnis umfasst. Dabei ist ferner vorgesehen, dass als Betriebsgröße der durch die Dosierpumpeinrichtung fließende Pumpstrom erfasst wird. Durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs des Pumpstroms und Vergleich mit in einem Kennfeld hinterlegten Referenzverläufen und/ oder Schwellwerten können zum einen Fehlerzustände bei der Bewegung des Ankers der Pumpeinrichtung detektiert und zum anderen die Genauigkeit der Zudosierung, unabhängig vom z.B. Viskositätszustand der Zudosierflüssigkeit, erhöht werden.
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In aktuellen Zudosiersystemen, wie diese beispielhaft unter der Bezeichnung DENOXTRONIC 5.1 der Firma Bosch bekannt sind, saugt in einem Fördermodul eine Membranpumpe die HWL aus dem Reagenzmitteltank und verdichtet diese auf den für eine Zerstäubung erforderlichen Systemdruck von 4,5 bis 8,5 bar. Ein Dosiermodul misst die für die NOx-Reduktion erforderliche HWL-Menge zu und zerstäubt sie in den Abgasstrom vor dem SCR-Katalysator. Die Steuerung der Dosier- und Heizstrategie sowie eine On-Board-Diagnose (OBD) können durch eine übergeordnete Motorsteuerung oder durch eine Dosiersteuereinheit erfolgen. Mit der Verarbeitung der aktuellen Motorbetriebsdaten und aller erforderlichen Sensordaten wird die Menge des Reduktionsmittels exakt auf den Motorbetriebspunkt und auf die katalysatorspezifischen Eigenschaften zur maximalen Stickoxidreduzierung abgestimmt.
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Der Druck sowie die Fördermenge müssen im Betrieb eingehalten und überwacht werden. Aus Kostengründen sollen dabei in zukünftigen Systemen auf zusätzliche Sensoren verzichtet werden. Dazu ist es bekannt, zur Überwachung des volumetrischen Systems entsprechende Modelle einzusetzen.
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Die noch nicht veröffentlichte Schrift R.346124 der Anmelderin offenbart ein Verfahren zur Druckindizierung in einem Dosiersystem, welches mindestens eine Membranpumpe als Förderpumpe einer Flüssigkeit aufweist, welche mittels einer Magnetspule angetrieben wird, wobei ein Anker eine Membran bewegt und somit bei jedem Hub eine definierte Flüssigkeitsmenge gefördert wird, wobei ein Loslaufzeitpunkt des Ankers mittels Auswertung eines Stroms, welcher durch die Magnetspule fließt, und dessen zeitlichen Ableitungen ermittelt und anhand von Tabellenwerten oder Kennlinien in Abhängigkeit von mindestens einer Bordspannung UBord, einer Temperatur und eines Druckes mit dem ermittelten Loslaufzeitpunkt eine Druckindizierung vorgenommen wird. Dabei ist es vorgesehen, dass zur Bestimmung des Loslaufzeitpunktes aus dem zeitlichen Stromverlauf I(t) und aus dessen zeitlicher Ableitung ∆I/∆t eine Druck-Indizierungsfunktion abgeleitet wird, deren zeitlicher Verlauf zur Bestimmung des Loslaufzeitpunktes des Ankers verwendet wird. Der hierbei eingesetzte Magnetkreis der Membranpumpe ist derart ausgelegt, dass sich im Auslegungsbereich der Stromverlauf I(t) durch die Bewegung des Ankers der Membranpumpe ändert. Da sich der Anker bei hohem Systemdruck später bewegt als bei niedrigem Systemdruck, kann die Bewegung des Ankers als Indikator für den Druck eingesetzt werden. Die Zeit für den Loslaufzeitpunkt (BMP) des Ankers ist daher ein Maß für den Druck.
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Aus dem Stromverlauf lässt sich weiterhin der Anschlag des Ankers (MSP) bestimmen und darüber die Fördermenge überwachen. Dazu wird in bekannten Systemen die zweite Ableitung des Stromverlaufs ausgewertet. Abhängig von den Eigenschaften der verwendeten Komponenten der Membranpumpe ist die Erkennung des Ankeranschlags (MSP) aus der zweiten Ableitung des Stroms jedoch nicht über den gesamten Betriebsbereich möglich. Dazu zählen insbesondere Betriebsbereiche mit einer hohen magnetischen Sättigung des Hubmagneten.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine verbesserte Erkennung des Ankeranschlags (MSP) ermöglicht wird.
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Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass aus dem tatsächlichen Stromverlauf ein Induktivitätsverlauf bestimmt wird und dass bei Erreichen einer vorgegebenen Induktivitätsschwelle der Ankeranschlag erkannt wird. Beim Ankeranschlag beziehungsweise beim Beenden der Hubbewegung stellt sich eine definierte Induktivität ein. Diese kann über die Materialeigenschaften der im Magnetkreis wirkenden Bauteile bestimmt werden. Die Induktivität L kann über die Formel L = (Ubatt·ISpule·RSpule)·dt/dISpule
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Aus dem tatsächlichen Stromverlauf ermittelt werden, wobei UBatt die Versorgungsspannung, ISpule den Strom durch die Magnetspule und RSpule den elektrischen Widerstand der Magnetspule darstellen. Die Induktivität L wird wesentlich von der Änderung des Luftspaltes bei der Bewegung des Ankers zur Spule bestimmt. Bei Anschlag des Ankers stellt sich eine Induktivität ein, an Hand der durch Vergleich mit der vorgegebenen Induktivitätsschwelle der Anschlag des Ankers und damit der Vollhub beziehungsweise das Bewegungsende des Ankers im gesamten Betriebsbereich des elektromechanischen Aktuators nachgewiesen werden kann.
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Vorteilhaft bei dem dargestellten Vorgehen ist, dass der Ankeranschlag MSP unabhängig von Alterungseffekten von mechanischen Komponenten des elektromechanischen Aktuators erkannt wird. Es werden rein stationäre Punkte betrachtet. Somit werden störende Einflussgrößen während der Flugphase nicht bewertet. Das Verfahren ist robust gegen Rauschen und Störungen des Stromsignals.
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Der Ankeranschlag kann dadurch erkannt werden, dass der Zeitpunkt des Ankeranschlags bei einer Vorwärtssuche bei Unterschreiten einer vorgegebenen Induktivitätsschwelle bestimmt wird und/oder dass der Zeitpunkt des Ankerschlags bei einer Rückwärtssuche bei Überschreiten einer vorgegebenen Induktivitätsschwelle bestimmt wird. Die Induktivitätsschwellen können dabei gleich oder unterschiedlich vorgegeben sein. Die Vorwärtssuche erfolgt beim Anziehen des elektromagnetischen Aktuators, während die Rückwärtssuche beim Abfallen des elektromagnetischen Aktuators erfolgt.
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Neben dem Luftspalt wird die Induktivität wesentlich durch Sättigungseffekte im Magnetkreis bestimmt. Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es daher vorgesehen sein, dass bei der Festlegung der Induktivitätsschwelle eine magnetische Sättigung des elektromagnetischen Aktuators und/oder ein Restluftspalt berücksichtigt wird. Die Induktivitätsschwelle ist somit abhängig von einem Restluftspalt und der Höhe der magnetischen Sättigung gewählt. Das Verfahren lässt sich somit im gesamten Betriebsbereich des elektromechanischen Aktuators, also auch bei hohen magnetischen Sättigungen des Hubmagneten, einsetzen.
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Sowohl der Restluftspalt wie auch die magnetische Sättigung können dadurch berücksichtigt werden, dass zur Berücksichtigung der magnetischen Sättigung des elektromagnetischen Aktuators und/oder eines Restluftspalts die Induktivitätsschwelle als Funktion des tatsächlichen Stromverlaufs durch die Magnetspule bestimmt wird.
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Die die Vorrichtung betreffende Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass in dem Steuergerät ein erster Programmablauf zur Bestimmung eines Induktivitätsverlaufs aus dem tatsächlichen Stromverlauf vorgesehen ist, dass in dem Steuergerät eine Induktivitätsschwelle vorgegeben ist und dass eine Vergleichsstufe zum Vergleich des Induktivitätsverlaufs während der Ansteuerung der Magnetspule mit der Induktivitätsschwelle und zur Erkennung des Ankeranschlags bei Erreichung der Induktivitätsschwelle vorgesehen ist. Die Vorrichtung ermöglicht somit die Durchführung des beschriebenen Verfahrens.
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Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Magnetspule Teil einer Membranpumpe zur Förderung einer Harnstoff-Wasser-Lösung zur Verminderung von Stickoxiden mittels Selektiver Katalytischer Reduktion im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine ist oder dass die Magnetspule Teil eines Magnetventils ist.
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Das Verfahren und die Vorrichtung lassen sich bevorzugt zur Bestimmung eines Ankeranschlags eines von einer Magnetspule angetriebenen Aktuators einer Membranpumpe und/oder zur Überwachung eines mit der Membranpumpe geförderten Volumens einer Flüssigkeit verwenden. Damit können das Verfahren und die Vorrichtung beispielsweise für die gesetzlich geforderte Überwachung des volumetrischen Systems einer Dosiereinrichtung für eine Harnstoff-Wasser-Lösung, wie sie für die selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden im Abgas von Brennkraftmaschinen vorgesehen ist, verwendet werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 in einer schematischen Darstellung eine Membranpumpe mit einem Hubmagneten,
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2 in einem Verlaufsdiagramm einen zeitlichen Stromverlauf und einen zeitlichen Induktivitätsverlauf eines elektromechanischen Aktuators.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Membranpumpe 30 mit einem Hubmagneten 35. Der Hubmagnet 35 ist mit einem Anker 36 verbunden. Hubmagnet 35 und Anker 36 sind entsprechend dem gezeigten Pfeil 32 beweglich in einem Eisenkern 31 gehalten. Eine Magnetspule 34 erzeugt ein Magnetfeld, welches einsprechend einem dargestellten Magnetkreis 33 den Eisenkern 31, den Hubmagneten 35 und einen zwischen dem Hubmagneten 35 und dem Eisenkern 31 ausgebildeten Luftspalt 38 durchsetzt. Eine Rückstellfeder 37 ist mit dem Anker 36 und dem Hubmagneten 37 mechanisch verbunden.
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Der Anker 36 ist an eine Membran 42, welche in einem Gehäuse 40 gespannt ist, gekoppelt, so dass die Membran 42 bei einer Bewegung des Ankers 36 ausgelenkt wird. Dem Gehäuse 40 sind ein Einlass 41 und ein Auslass 43, jeweils mit einem nicht dargestellten Rückschlagventil ausgestattet, zugeordnet.
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Fließt ein Strom durch die Magnetspule 34 wird der Hubmagnet 35 mit dem Anker 36 entgegen der Kraft der Rückstellfeder 37 zum Eisenkern 31 hin angezogen, so dass der Luftspalt 38 geschlossen wird. Dadurch wird die Membran 42 ausgelenkt und eine Flüssigkeit, welche sich in dem Gehäuse 40 oberhalb der Membran 42 befindet, aus dem Auslass 43 gedrückt. Wird der Strom durch die Magnetspule 34 unterbrochen, drückt die Feder den Anker 36 mit dem Hubmagneten 35 und dadurch auch die Membran 42 wieder in ihre Ausgangspositionen zurück. Dabei wird durch den Einlass 41 Flüssigkeit in das Gehäuse gesaugt. In einem nächsten Arbeitstakt wird der Stromkreis wieder geschlossen, der Hubmagnet 35 mit dem Anker 36 angezogen und die Membran 42 fördert die zuvor angesaugte Flüssigkeit wieder aus dem Auslass 43.
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Eisenkern 31, Magnetspule 34, Hubmagnet 35, Anker 36 und Rückstellfeder 37 bilden einen elektromechanischen Aktuator der Membranpumpe 30, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel Teil einer als Membranpumpe ausgeführten Förderpumpe eines Dosiersystems zur Dosierung einer Harnstoffwasserlösung (HWL) in einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine ist. Die Harnstoffwasserlösung dient dabei als Vorprodukt zur Bildung von Ammoniak zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion von Stickoxiden.
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Die Membranpumpe 30 fördert pro Hub eine definierte Menge HWL durch den Auslass 43 in eine nicht dargestellt Druckleitung.
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Gesetzliche Vorgaben schreiben die Überwachung des volumetrischen Systems des Dosiersystems vor. Sollen dafür keine gesonderten Sensoren eingesetzt werden, kann dies durch eine Überwachung des Loslaufzeitpunktes und des Anschlags des Ankers erfolgen.
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2 zeigt in einem Verlaufsdiagramm einen zeitlichen Stromverlauf 12 und einen zeitlichen Induktivitätsverlauf 16 des in 1 gezeigten elektromechanischen Aktuators als Teil der in 1 dargestellten Membranpumpe 30. Dazu sind der Stromverlauf 12 und der Induktivitätsverlauf 16 gegenüber einer Signalachse 10 und einer Zeitachse 11 aufgetragen. Der Induktivitätsverlauf 16 teilt sich auf in einen ersten Induktivitätsverlauf 16.1, einen zweiten Induktivitätsverlauf 16.2 und einen dritten Induktivitätsverlauf 16.3. Das Verlaufsdiagramm ist durch einen Loslaufzeitpunkt BMP 14 und einen Ankeranschlag MSP 17 in eine erste Phase 13, eine Flugphase 15 und eine dritte Phase 18 unterteilt. An der Markierung des Ankeranschlags MSP 17 sind, bezogen auf die Signalachse 10, eine erste Induktivitätsschwelle 20 und einer zweite Induktivitätsschwelle 21 gekennzeichnet. Eine Vorwärtssuche 22 und eine Rückwärtssuche 23 sind durch entsprechende Pfeile symbolisiert.
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Das Verlaufsdiagramm zeigt den Stromverlauf 12 durch die den Aktuator antreibenden Magnetspule 34.
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Während der ersten Phase 13 steigt der Strom durch die Magnetspule 34 an, bis das Magnetfeld stark genug ist, dass an dem Loslaufzeitpunkt BMP 14 die Bewegung des Ankers einsetzt. Während der jetzt folgenden Flugphase 15 des Ankers 36 ändert sich der Stromverlauf 12. Am Ende der Flugphase 15 am Ankeranschlag MSP 17 steigt der Stromverlauf 12 wieder an.
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Beim Ankeranschlag MSP 17 beziehungsweise beim Beenden der Hubbewegung stellt sich eine definierte Induktivität ein. Diese kann über die Materialeigenschaften der im Magnetkreis 33 wirkenden Bauteile bestimmt oder gemessen werden.
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Die Änderung der Induktivität wird hauptsächlich durch die Änderung des Luftspalts 38 und durch Sättigungseffekte im Magnetkreis 33 bewirkt.
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Der Einfluss der Änderung des Luftspalts 38 ist beim Start der Bewegung des Ankers 36 zu beobachten. Die Induktivität berechnet sich über die Summe der magnetischen Widerstände. Aufgrund des hohen magnetischen Widerstands der Luft gegenüber ferromagnetischen Stoffen ist ein wesentlicher Teil der magnetischen Energie in der Luft gespeichert. Die Änderung der Induktivität ist proportional zur Luftspaltänderung.
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Sättigungseffekte im Magnetkreis 33 bewirkten den Induktivitätsabfall bei Ende der Bewegung. Durch eine Steigerung der magnetischen Feldstärke in ferromagnetischen Materialien wird irgendwann der Bereich der Sättigungsmagnetisierung erreicht, wo es zu einem starken Abfall der magnetischen Leitfähigkeit kommt und somit zu einer Erhöhung des magnetischen Widerstandes, der wiederum eine Reduzierung der Induktivität zur Folge hat.
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Aus dem Stromverlauf 12 kann entsprechend der Formel L = (Ubatt·ISpule·RSpule)·dt/dISpule der Induktivitätsverlauf 16 bestimmt werden. Dabei stellen UBatt die Versorgungsspannung, ISpule den Strom durch die Magnetspule 34 und RSpule den elektrischen Widerstand der Magnetspule 34 dar. Versorgungsspannung, Spulenstrom sowie der Spulenwiderstand liegen einem für die Auswertung vorgesehenen Steuergerät vor, so dass die Induktivität L berechnet werden kann.
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Der Ankeranschlag MSP 17 wird erkannt, wenn die Induktivität eine Induktivitätsschwelle 20, 21 erreicht. Dabei kann bei einer Vorwärtssuche 22 das Unterschreiten der Induktivitätsschwelle 20, 21 und bei einer Rückwärtssuche 23 das Überschreiten der Induktivitätsschwelle 20, 21 als Zeitpunkt des Ankeranschlags MSP 17 definiert werden.
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Die Höhe der Induktivitätsschwelle 20, 21 hängt weitgehend von dem Restluftspalt und der Höhe der Sättigung ab. Liegt keine Sättigung vor, wird bei Ankeranschlag MSP 17 und damit weitestgehend geschlossenem Luftspalt 38 die Induktivität im Anschlag höher sein als die Anfangsinduktivität. Eine starke magnetische Sättigung hat hingegen einen starken Abfall der magnetischen Leitfähigkeit zur Folge und führt somit zu einer Erhöhung des magnetischen Widerstandes. Dies führt zu einer Reduzierung der Induktivität. Die Induktivität im Anschlag wird somit kleiner als die Anfangsinduktivität. Die Abhängigkeit des Induktivitätsverlaufs 16 von der magnetischen Sättigung ist durch den ersten Induktivitätsverlauf 16.1, den zweiten Induktivitätsverlauf 16.2 und den dritten Induktivitätsverlauf 16.3 gezeigt.
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Um den Einfluss des Restluftspalts und der magnetischen Sättigung zu berücksichtigen wird die Induktivitätsschwelle 20, 21 als Funktion über den Strom durch die Magnetspule 34 ermittelt und festgelegt.
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In einem konkreten Ausführungsbeispiel zu Auswerteverfahren wird in einem ersten Schritt die Induktivitätsschwelle 20, 21 aus der vor der Bewegung des Ankers 36 ermittelten Induktivität berechnet. Der Verlauf der Induktivität während der Flugphase wird ausgewertet. Eine Suche des Ankeranschlags MSP 17 wird begonnen, wenn einer steigenden Flanke des Induktivitätsverlaufs eine fallende Flanke folgt oder wenn ein maximal zulässiger Strom durch die Magnetspule 34 überschritten wird. Ist zu Beginn der Suche die zuvor berechnete Induktivitätsschwelle 20, 21 bereits überschritten wird der Induktivitätsschwellwert 20, 21 angepasst. Beginnend vom Ende der Messung wird rückwärts nach dem Punkt gesucht, in dem die momentane Induktivität die zuvor ermittelte Induktivitätsschwelle 20, 21 überschreitet. Dieser Punkt wird als Ankeranschlag MSP 17 erkannt.
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Vorteilhaft bei dem dargestellten Vorgehen ist, dass der Ankeranschlag MSP 17 unabhängig von Alterungseffekten der Pumpenmechanik erkannt wird. Es werden rein stationäre Punkte betrachtet. Somit werden störende Einflussgrößen während der Flugphase 15, wie Systemdruck, Viskosität, Reibung oder Elastizität, nicht bewertet. Das Verfahren ist robust gegen Rauschen und Störungen des Stromsignals.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10139142 A1 [0004]
- DE 19607073 A1 [0005]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- WEISSWELLER in CIT (72), Seite 441–449, 2000 [0004]
