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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem ansteuerbaren Saugventil für einen Brennkraftmotor nach Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Gegenstand der Erfindung sind auch ein elektronisches Steuergerät, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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In Brennkraftmotoren finden Kraftstoffhochdruckpumpen Verwendung, um Kraftstoff ausgangsseitig der Kraftstoffhochdruckpumpe in einem Hochdruckspeicher, auch Kraftstoffrail genannt, bereitzustellen. Zum Zweck der Druckregulierung und der Fördervolumensteuerung ist eine pumpenkolbenbasierte Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem ansteuerbaren Saugventil, insbesondere einem elektrischen Saugventil, versehen. Bewegt sich der Pumpenkolben der Kraftstoffhochdruckpumpe in der Richtung vom seinem oberen zum unteren Totpunkt, also während des Ansaughubs des Pumpenkolbens, so tritt unabhängig von der Ansteuerung des Saugventils durch das Saugventil Kraftstoff von einer für die eingangsseitige Kraftstoffbereitstellung vorgesehenen Einlassöffnung der Kraftstoffhochdruckpumpe in ein Pumpelement der Kraftstoffhochdruckpumpe. Bewegt sich der Pumpenkolben in der Richtung vom unteren zum oberen Totpunkt, also während des Förderhubs, wird bei mittels der Ansteuerung geschlossenem Saugventil im Pumpelement aufgenommener Kraftstoff solange verdichtet, bis der Druck im Pumpelement den Druck im Kraftstoffrail erreicht. Dann öffnet sich ein Auslassventil bzw. Hochdruckventil in das Kraftstoffrail und der verdichtete Kraftstoff wird vom Pumpelement in das Kraftstoffrail befördert. Bei mittels der Ansteuerung geöffnetem Saugventil wird der Kraftstoff hingegen zu der Einlassöffnung zurückgepumpt. Das einem aktuellen Förderhub zugeordnete und in das Kraftstoffrail gepumpte Fördervolumen wird mittels Steuerung des Schließens des Saugventils zu einem auf den Kurbelwinkel oder Nockenwinkel des Brennkraftmotors bezogenen Förderbeginnwinkel eingestellt. Wird das Saugventil durch die Ansteuerung während eines gesamten Förderhubs geschlossen gehalten, so wird die Kraftstoffhochdruckpumpe mit Vollförderung betrieben.
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Damit im Kraftstoffrail durch die gesteuerte Kraftstoffhochdruckpumpe ein korrekter Druck aufgebaut wird, muss das Kraftstoffbeförderungssystem mit der Kraftstoffhochdruckpumpe in einen entlüfteten Zustand gebracht worden sein. Insbesondere bei der Inbetriebnahme des Kraftstoffbeförderungssystems im Neuzustand oder nach einem Komponententausch ist die Durchführung einer Entlüftung des Kraftstoffbeförderungssystems erforderlich. Unter Umständen kann eine Entlüftung auch nach einer versehentlichen Tankleerfahrt erforderlich sein. Zu diesem Zweck wird die Kraftstoffhochdruckpumpe in einem Entlüftungsbetriebsmodus mit Vollförderung betrieben, um den gesamten Förderhub in einen möglichst hohen Volumenstrom des Kraftstoff-Luft-Gemisches durch das Hochdruckventil in das Kraftstoffrail umzusetzen und um die Luft über das Hochdrucksystem in den Tank zurückzuführen. Mit diesem bekannten Entlüftungsverfahren kann eine ausreichende Entlüftung trotz eines lange andauernden Betriebs der Kraftstoffhochdruckpumpe mit Vollförderung nicht immer gewährleistet werden. Ohne ausreichende Entlüftung kann aber auch der erwünschte Druckaufbau in dem Kraftstoffrail, der durch die Kraftstoffhochdruckpumpe bewirkt wird, nicht gewährleistet werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden ein Verfahren und ein elektronisches Steuergerät mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Bei dem vorgestellten Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffhochdruckpumpe mit einem ansteuerbaren Saugventil für einen Brennkraftmotor wird in einem Entlüftungsbetriebsmodus der Kraftstoffhochdruckpumpe durch eine Ansteuerung das Saugventil mit einer höheren Frequenz als eine Frequenz einer Bewegung eines Pumpenkolbens der Kraftstoffhochdruckpumpe geöffnet und geschlossen. Die Frequenz der Bewegung des Pumpenkolbens ist der Kehrwert einer Zeitdauer einer vollständigen Pumpenkolbenbewegung, in der der Pumpenkolben in der Ansaugphase von seinem oberen Totpunkt zu dem unteren Totpunkt und anschließend in der Förderphase bzw. dem Förderhub wieder zurück auf seinem oberen Totpunkt bewegt wird. Während dieser Zeitdauer wird gemäß dem vorgestellten Verfahren das Saugventil derart angesteuert, dass es mehr als genau einmal geöffnet wird. Der Begriff „geöffnet wird“ bedeutet, dass das Saugventil aus einer geschlossenen Position in eine geöffnete Position gebracht wird. Im Gegensatz zu der geschlossenen Position ist in der geöffneten Position ein Durchtritt eines Kraftstoffs oder eines Kraftstoff-Luft-Gemisches durch das Saugventil in Abhängigkeit von den aktuell vorherrschenden Druckverhältnissen von dessen Einlassöffnung in das Pumpelement oder in umgekehrter Richtung möglich. Wird der Entlüftungsbetriebsmodus fortlaufend über mehrere vollständige Pumpenkolbenbewegungen betrieben, so kann in einer Ausführungsform das Saugventil bei jeder vollständigen Pumpenkolbenbewegung mit einer höheren Frequenz als die Frequenz der Bewegung des Pumpenkolbens geöffnet werden. In einer anderen Ausführungsform wird das Saugventil nicht bei jeder vollständigen Pumpenkolbenbewegung sondern nur gemittelt über die Dauer des Entlüftungsbetriebsmodus mit einer im Vergleich zur Frequenz der Pumpenkolbenbewegung höheren Frequenz geöffnet. Das Saugventil ist bevorzugt als ein elektrisch ansteuerbares Saugventil ausgebildet, das je nach Bauart des Saugventils durch eine Bestromung aus einer geschlossenen Ruheposition geöffnet oder aus einer geöffneten Ruheposition geschlossen werden kann. Das vorgestellte Verfahren wird bevorzugt auf eine Kraftstoffhochdruckpumpe angewendet, die für den Betrieb mit Diesel als Kraftstoff vorgesehen ist.
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Der Entlüftungsbetriebsmodus umfasst eine Dauer von einer ersten vollständigen Pumpenkolbenbewegung über eine vorgegebene Anzahl weiterer vollständiger Pumpenkolbenbewegungen bis zu einer letzten vollständigen Pumpenkolbenbewegung, wobei bevorzugt während der ersten und letzten vollständigen Pumpenkolbenbewegungen das Saugventil im Vergleich zu der Frequenz der Bewegung des Pumpenkolbens mit einer höheren Frequenz geöffnet wird. Die Mindestdauer des Entlüftungsbetriebsmodus umfasst beispielsweise eine vollständige Pumpenkolbenbewegung. Die Ansteuerung des Saugventils zum Öffnen bzw. Schließen des Saugventils während des Entlüftungsbetriebsmodus erfolgt bevorzugt unabhängig von einer aktuellen Position des Pumpenkolbens bzw. eines Pumpwinkels und auch unabhängig von einem dem aktuellen Förderhub zugeordneten Förderbeginnwinkel. Der Pumpenkolben der Pumpe ist bevorzugt mechanisch mit einer Kurbelwelle oder Nockenwelle eines Brennkraftmotors verbunden, so dass der Pumpenkolben synchron zur aktuellen Drehzahl des Brennkraftmotors bewegt wird.
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Dem vorgestellten Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich an manchen Stellen des Pumpelements der Kraftstoffhochdruckpumpe Luftblasen bilden bzw. ansammeln. Die Kompressibilität dieser Luftblasen im Pumpelement kann lokal einen Druckaufbau verhindern, so dass das Hochdruckventil am Ausgang der Kraftstoffhochdruckpumpe nicht öffnet. Außerdem kann ein lokal verminderter Druck am Saugventil ein ungewolltes Öffnen des Saugventils während des Förderhubs bewirken, so dass der Kraftstoff zur Einlassöffnung der Kraftstoffhochdruckpumpe und nicht durch das ausgangsseitige Hochdruckventil befördert wird.
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Anstelle einer konventionell vorgenommenen geometrischen Optimierung des Pumpelements und des Saugventils erfolgt bei dem vorgestellten Verfahren eine Vorkonditionierung des Kraftstoff-Luft-Gemisches. Das Saugventil wird zur Vorkonditionierung im Entlüftungsbetriebsmodus derart angesteuert, dass es in Bezug auf die Bewegung des Pumpenkolbens hochfrequenter durch eine Bewegung des Ventiltellers des Saugventils geöffnet und geschlossen wird. Dadurch wird eine homogene Durchmischung und Aufspaltung der Luftblasen in dem Kraftstoff-Luft-Gemisch unter Vermeidung lokaler Luftblasenansammlungen erreicht, so dass bei einer sich an den Entlüftungsbetriebsmodus anschließenden Normal- oder Daueransteuerung ein gleichmäßiger Druckaufbau im Pumpelement und gleichmäßiger Volumenstrom in das Kraftstoffrail gewährleistet werden können.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in dem Entlüftungsbetriebsmodus das Saugventil derart angesteuert wird, dass pro Förderhub des Pumpenkolbens das Saugventil mindestens einmal aus einer geschlossenen Position in eine geöffnete Position und anschließend wieder in die geschlossene Position gebracht wird. Bevorzugt wird pro Förderhub des Pumpenkolbens das Saugventil mindestens zweimal aus einer geschlossenen Position in eine geöffnete Position und anschließend wieder in die geschlossene Position gebracht. Besonders bevorzugt wird pro Förderhub des Pumpenkolbens das Saugventil mindestens fünfmal aus einer geschlossenen Position in eine geöffnete Position und anschließend wieder in die geschlossene Position gebracht. Ganz besonders bevorzugt wird pro Förderhub des Pumpenkolbens das Saugventil mindestens fünfmal und maximal zehnmal aus einer geschlossenen Position in eine geöffnete Position und anschließend wieder in die geschlossene Position gebracht.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird in dem Entlüftungsbetriebsmodus das Saugventil derart angesteuert, dass es für eine vorgegebene Zeitdauer mit einer vorgegebenen Frequenz geöffnet und geschlossen wird. Die vorgegebene Frequenz ist bevorzugt während des Entlüftungsbetriebsmodus ständig höher als eine Drehzahl einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle des Brennkraftmotors. Die Zeitdauer und/oder die Frequenz können in Abhängigkeit von aktuellen Parameterwerten des Kraftstofffördersystems bzw. des Brennkraftmotors, wie beispielsweise die durch einen Temperatursensor erfasste Temperatur des Kraftstoffs oder der Umgebung oder eine durch einen Viskositätssensor erfasste Viskosität des Kraftstoffs, vorgegeben werden.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird in dem Entlüftungsbetriebsmodus das Saugventil derart angesteuert, dass es gemäß einer vorgegebenen Sequenz geöffnet und geschlossen wird. Die vorgegebene Sequenz kann ein Öffnen des Saugventils gemäß einer vorgegebenen Abfolge mit zueinander unterschiedlichen Öffnungszeitdauern umfassen, die mit fortschreitendem Entlüftungsbetriebsmodus schrittweise in einer Ausführungsform verkürzt oder in einer anderen Ausführungsform verlängert werden.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Kraftstoffhochdruckpumpe in dem Entlüftungsbetriebsmodus betrieben, wenn der Brennkraftmotor nicht nach einer vorgegebenen Zeit anspringt. Unter dem Begriff des Anspringens wird verstanden, dass der Brennkraftmotor nach einer Beendigung einer Startunterstützung durch einen Anlasser in den Verbrennungsbetrieb wechselt und diesen beibehält.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Kraftstoffhochdruckpumpe aus dem Stillstand in dem Entlüftungsbetriebsmodus in Betrieb genommen. Dadurch wird die schnelle und zuverlässige Entlüftung der Kraftstoffhochdruckpumpe bzw. des Kraftstoffbeförderungssystems gewährleistet.
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In einer Fortbildung der obigen Weiterbildung wird die Kraftstoffhochdruckpumpe nur beim ersten Start nach einer Wartung des Brennkraftmotors aus dem Stillstand in dem Entlüftungsbetriebsmodus in Betrieb genommen. Die Wartung bzw. Reparatur des Brennkraftmotors kann beispielsweise auf Grundlage eines zuvor erfolgten Auslesens eines Fehlerspeichers erfasst werden. Die Wartung kann auch bei einem Aktualisieren einer Betriebssoftware eines Steuergerätes des Brennkraftmotors erfasst werden. Allgemein wird bei einem Werkstattaufenthalt des Brennkraftmotors die Wartung des Brennkraftmotors erfasst. Dadurch wird ein stabiler Druck im Hochdrucksystem schon während des ersten Förderhubs im Normalbetrieb gewährleistet, wenn die Kraftstoffhochdruckpumpe im Anschluss an eine Wartung des Brennkraftmotors im Entlüftungsbetriebsmodus ausreichend entlüftet worden ist. Möglicherweise während der Wartung in das Kraftstoffversorgungssystem eingedrungene Luft kann so effektiv aus dem Kraftstoffversorgungssystem entfernt werden.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird die Kraftstoffhochdruckpumpe in Abhängigkeit von einem zuvor ausgangsseitig der Kraftstoffhochdruckpumpe erfassten Druck oder Druckverlauf in dem Entlüftungsbetriebsmodus betrieben. Der Druck oder Druckverlauf kann beispielsweise durch Abtastung eines von einem in oder ausgangsseitig der Kraftstoffhochdruckpumpe bereitgestellten Drucksensor bereitgestellten Spannungssignals erfasst bzw. gemessen werden. Ein derartiger Drucksensor kann beispielsweise in einem von der Kraftstoffhochdruckpumpe versorgten Kraftstoffrail angebracht sein. Die Kraftstoffhochdruckpumpe wird insbesondere dann im Entlüftungsbetriebsmodus betrieben, wenn der erfasste Druck einen vorgegebenen Sollwert unterschreitet. Zusätzlich oder alternativ wird die Kraftstoffhochdruckpumpe in einer anderen Weiterbildung nur dann in dem Entlüftungsbetriebsmodus betrieben, wenn die Auswertung des über eine Förderhubbewegung erfassten Druckverlaufs ergibt, dass der Druck mit zunehmender Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens zum oberen Totpunkt nicht, zumindest näherungsweise, linear ansteigt. Die Dauer des Entlüftungsbetriebsmodus kann auch in Abhängigkeit von dem erfassten Druckverlauf vorgegeben werden. Gemäß einer derartigen Ansteuerung wird der Entlüftungsbetriebsmodus beendet, wenn der Druckverlauf zumindest näherungsweise linear mit der Aufwärtsbewegung des Pumpenkolbens zum oberen Totpunkt ansteigt.
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In einer Weiterbildung des Verfahrens wird unmittelbar nach dem Entlüftungsbetriebsmodus die Kraftstoffhochdruckpumpe mit Vollförderung betrieben. Bei dieser Vollförderung wird das Saugventil auf dem gesamten Weg des Pumpenkolbens vom unteren zum oberen Totpunkt, also während des gesamten Förderhubs, durch die Ansteuerung geschlossen gehalten. Dadurch kann der angestrebte Druck im Kraftstoffrail möglichst schnell bewirkt werden.
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Es ist ferner ein elektronisches Steuergerät vorgesehen, das zur Ausführung eines der oben vorgestellten Verfahren eingerichtet ist. Das Verfahren kann in diesem Steuergerät als Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware implementiert sein.
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Außerdem sind ein Computerprogramm zur Ausführung des Verfahrens auf einem Computer und ein maschinenlesbares Speichermedium mit dem darauf aufgezeichneten Computerprogramm vorgesehen.
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Die Merkmale der obigen Weiterbildungen können beliebig kombiniert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zur Verdeutlichung des oben geschilderten Verfahrens wird nun eine Ausgestaltung mit Verweis auf beispielhafte Figuren vorgestellt.
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1 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung einer mit einem elektrischen Saugventil versehenen Kraftstoffhochdruckpumpe, die durch ein zur Durchführung des vorgestellten Verfahrens ausgebildetes elektronisches Steuergerät zur Entlüftung angesteuert werden kann, mit einem ausgangsseitig angeschlossenen Kraftstoffrail.
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2 veranschaulicht beispielhaft eine Bestromung einer mit einem elektrischen Saugventil versehenen Kraftstoffhochdruckpumpe während des Entlüftungsbetriebs.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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In 1 ist eine Kraftstoffhochdruckpumpe 1 mit einem elektrischen Saugventil 2 abgebildet. Ein Pumpenkolben 9 der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 wird über eine Pumpennockenwelle 10 angesteuert und ist in 1 in seinem oberen Totpunkt dargestellt. Das elektrische Saugventil 2 umfasst einen Elektromagnet 3, eine Spule 4, einen Anker 5 und einen Ventilteller 6. Das elektrische Saugventil 2 wird von einem elektronischen Pumpensteuergerät 25 gesteuert, das als ein elektronisches Steuergerät zur Ausführung des vorgestellten Verfahrens ausgebildet ist. Der Ventilteller 6 kann sich unabhängig von einer Bestromung des Elektromagneten 3 nach unten, also in einer Richtung zum Pumpenkolben 9, bewegen. In der Ansaugphase, also wenn der Pumpenkolben 9 sich in der Richtung vom oberen Totpunkt zum unteren Totpunkt bewegt, steht der Ventilteller 6 offen, so dass an einer Einlassöffnung 7 der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 bereitgestellter Kraftstoff, bevorzugt Diesel-Kraftstoff, an dem Ventilteller 6 vorbei in ein Pumpelement 8 strömen kann bzw. von dem den oberen Totpunkt verlassenden Pumpenkolben 9 dort hinein gesaugt werden kann. Durch Bestromung des Elektromagneten 3 wird der Ventilteller 6 quasi frei gegeben. Der Ventilteller 6 schließt aufgrund einer ihm zugeordneten Feder. Bei einer Bestromung des Elektromagneten 3 während des Förderhubs bzw. der Kompressionsphase sperrt der Ventilteller 6 den Kraftstoffrücklauf von dem Pumpelement 8 zu der Einlassöffnung 7, so dass eine Förderung von Kraftstoff zum Ausgang bzw. Auslass der Kraftstoffhochdruckpumpe 1, welcher ein hydraulisches Auslassventil 11 aufweist, bei einer Bewegung des Pumpenkolbens 9 zum oberen Totpunkt mit geschlossenem elektrischen Saugventil 2 erfolgt. Durch das geöffnete Auslassventil 11 gelangt der Kraftstoff in ein ausgangsseitig der Kraftstoffhochdruckpumpe 1 vorgesehenes Kraftstoffrail 14.
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Die durch das elektronische Pumpensteuergerät 25 gesteuerte Bestromung des elektrischen Saugventils 2 erfolgt über eine Signalleitung 18, die das elektronische Pumpensteuergerät 25 mit dem Elektromagnet 3 elektrisch verbindet. Über ein dem elektronischen Pumpensteuergerät 25 zuführbares Ansteuerungssignal 17 kann das elektronische Pumpensteuergerät 25 in den Entlüftungsbetriebsmodus versetzt werden.
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Das elektronische Pumpensteuergerät 25 kann aber auch in Abhängigkeit von einem in dem Kraftstoffrail 14 vorherrschenden Druck den Entlüftungsbetriebsmodus gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren aktivieren oder deaktivieren. Das Kraftstoffrail 14 ist beispielhaft mit einem Drucksensor 15 zum Erfassen des Drucks im Kraftstoffrail 14 versehen. Der Drucksensor 15 ist für eine Messung des durch die Kraftstoffhochdruckpumpe 1 bei geöffnetem Auslassventil 11 im Kraftstoffrail 14 bewirkten Druckverlaufs 16 vorgesehen. Der Druckverlauf 16 wird an das elektronische Pumpensteuergerät 25 gespeist.
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2 veranschaulicht beispielhaft eine Bestromung (Strom I) der in 1 gezeigten Kraftstoffhochdruckpumpe 1 durch das elektronische Pumpensteuergerät 25 während des Entlüftungsbetriebs über die Zeit t. Die Dauer des Entlüftungsbetriebs wird von dem elektronischen Pumpensteuergerät 25 als Dauer te vorgegeben. Ohne Beschränkung des vorgestellten Verfahrens erstreckt sich in 2 zum Zweck einer einfachen Darstellung die Dauer te über zwei vollständigen Pumpenkolbenbewegungen der jeweiligen Dauer tp. Pro Dauer tp wird das in 1 veranschaulichte elektrisch ansteuerbare Saugventil 2 durch das elektronische Pumpensteuergerät 25 über die Signalleitung 18 mit Stromstößen einer jeweiligen Dauer ts bestromt und dadurch während dieser Bestromung in den geschlossenen Zustand versetzt. Die Stromstöße sind jeweils durch Nichtbestromungsphasen, in denen das Saugventil geöffnet ist, einer jeweiligen Dauer to beabstandet. Die Summe von ts und to ergibt eine Öffnungs-/Schließgesamtdauer tl, deren Kehrwert 1/tl der Frequenz entspricht, mit der das Saugventil aus einem geschlossenen Zustand geöffnet wird. Durch die Ansteuerung im Entlüftungsbetriebsmodus der Dauer te wird das Saugventil 2 wiederholt mit der Frequenz 1/tl geöffnet, die höher als die zu der Drehzahl des Brennkraftmotors synchrone Frequenz 1/tp der Pumpenkolbenbewegung ist.
