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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten eines Stromes in einem Elektromagneten eines elektrischen schaltbaren Magnetventils. Mittels des Stromes wird in dem Elektromagneten ein magnetisches Feld erzeugt, welches das Ventil gegen eine Kraft einer Feder schließt. Zu der Erfindung gehört auch eine elektronische Schaltung zum Steuern des Magnetventils. Schließlich umfasst die Erfindung auch das Magnetventil mit der elektronischen Schaltung sowie eine Pumpe für ein Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs und das Kraftfahrzeug.
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Einer der meist verwendeten Aktuatoren zum Steuern eines Flusses eines Fluids ist das Magnetventil (englisch: solenoid valve) . Es gibt zwei Typen von Magnetventilen: das Proportional-Ventil und das digitale oder diskrete Schaltventil (Englisch: Digital Valve). Beispielsweise kann in einem Kraftstoff-Einspritzsystem der Einspritz-Druck mittels eines digitalen Einlassventils (DIV - Digital Inlet Valve) gesteuert werden.
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Ein solches DIV ist ein elektrisch schaltbares Magnetventil, welches schließt, wenn es mit einem elektrischen Strom im Elektromagneten beaufschlagt wird, d.h. der elektrische Strom durch den Elektromagneten des Ventils fließt. Das Ventil wird dann gegen eine Kraft einer Feder geschlossen. Beispielsweise kann eine Ventilscheibe oder allgemein ein Schließelement gegen die Kraft der Feder aus einer Offenstellung in eine Geschlossenstellung bewegt werden. Im stromlosen Zustand öffnet sich das Ventil dann selbstständig aufgrund der Kraft der Feder und wird dort in der Offenstellung durch die Feder gehalten, bis wieder ein Strom durch den Elektromagneten fließt. Das Stromprofil zum Schließen des Magnetventils ist ein Spitzenstrom, der die Aktivierungsenergie zum Schließen des Ventils bereitstellt. Anschließend wird der Strom in einen Haltestrom verändert, bei welchem das Magnetfeld des Elektromagneten zum Halten des Ventils in der Geschlossenstellung eingestellt wird. Dies ist z.B. aus der
US 2012/0167993 A1 bekannt.
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Aufgrund der schnellen Schaltvorgänge eines solchen Einlassventils besonders in einer Pumpe eines Kraftstoff-Einspritzsystems eines Kraftfahrzeugs, entstehen eine unerwünschte Geräuschemission und ein Verschleiß der Komponenten immer dann, wenn das Schließelement gegen den jeweiligen Endanschlag für die Geschlossenstellung (Elektromagnet wird bestromt) und die Offenstellung (Feder drückt das Ventil auf) anschlägt.
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Aus der
WO 2006/060545 A1 ist ein Verfahren zum Reduzieren der Geräuschemission eines Magnetventils einer Kraftstoff-Einspritzpumpe bekannt. Das Verfahren erfordert aufwendige Schaltpulse.
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Bekannte Verfahren zur Reduktion der Geräuschemission benötigen eine aufwändige Regelung oder Steuerung des Stromprofils, wobei es bei einer fehlerhaften Konfiguration dazu kommen kann, dass das Stromprofil nicht ausreicht, um das Ventil erfolgreich zu schließen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine technisch einfach zu realisierende Maßnahme zur Reduktion der Geräusch-emission und/oder des Verschleißes eines Magnetventils bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung und die Figuren beschrieben.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Schalten eines Stromes in einem Elektromagneten eines elektrisch schaltbaren Magnetventils bereitgestellt. Das Magnetventil arbeitet in der an sich bekannten Weise, d.h. in aufeinanderfolgenden Schaltzyklen wird jeweils der Strom eingeschaltet, um das Ventil gegen eine Kraft einer Feder zu schließen, also ein Verschlusselement des Ventils gegen die Kraft der Feder aus einer Offenstellung in eine Geschlossenstellung zu bewegen. Hierbei wird der Strom durch elektrisches Verbinden des Elektromagneten (Solenoid) mit einer Spannungsquelle erzeugt. Nach Ausschalten des Stromes kann das Ventil dann wieder durch die Kraft der Feder geöffnet werden, was dann den Schaltzyklus vervollständigt.
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Die Erfindung steuert den Elektromagneten mittels des Stromes in der aus dem Stand der Technik bekannten Weise, nämlich durch Applizieren oder Einstellen eines Spitzenstromes zum Schließen des Ventils und durch anschließendes Einstellen eines Haltestromes zum Halten des Ventils in der Geschlossenstellung. Anders als im Stand der Technik wird nun aber der Strom mit alternierender Polarität erzeugt. Die Polarität wird in aufeinanderfolgenden Schaltzyklen vertauscht oder getauscht. Dieser Betriebsmodus ist deshalb im Folgenden als Tauschbetrieb bezeichnet. In dem Tauschbetrieb des Ventils wird also bei zumindest zwei aufeinanderfolgenden Schaltzyklen jeweils der Strom in dem Elektromagneten im Vergleich zum jeweils vorangegangenen Schaltzyklus mit umgekehrter Stromrichtung oder Polarität erzeugt. Der Elektromagnet kann dazu in einem 4-Quadranten-Betrieb betrieben werden. Hierdurch wird eine Beschleunigungskraft oder die Beschleunigung reduziert, mit welcher das Verschlusselement des Ventils von der Offenstellung in die Geschlossenstellung bewegt wird. Mit anderen Worten schlägt das Verschlusselement des Ventils mit einer geringeren Endgeschwindigkeit in der Endposition der Geschlossenstellung an als bei gleichbleibender Polarität. Grund dafür ist, dass der Elektromagnet umpolarisiert werden muss, d.h. beim Einschalten des Stromes mit umgekehrter Polarität wird zunächst die magnetische Remanenz im weichmagnetischen Material des Elektromagneten abgebaut, bevor es zu einer Beschleunigung oder Bewegung des Verschlusselements des Ventils kommen kann. Hierdurch wird der zeitliche Gradient oder der zeitliche Anstieg des in dem Elektromagneten fließenden Stromes beim Einschalten der Spannungsquelle reduziert, was in einem entsprechend zeitlich langsameren Anstieg der magnetischen Kraft resultiert. So wirkt die Remanenzfeldstärke des Elektromagneten im Einschalt-Zeitpunkt des Stromes nicht schon mit bei der Beschleunigung des Verschlusselements, sondern es ist ausschließlich der elektrische Strom, der schließlich zur Beschleunigung des Verschlusselements führt. Insgesamt ergibt sich hierdurch eine verringerte Beschleunigung des Verschlusselements im Vergleich zu einem Konstantbetrieb, in welchem die Stromrichtung in den aufeinanderfolgenden Schaltzyklen gleich gehalten wird. Der Tauschbetrieb verringert insgesamt die Endgeschwindigkeit des Verschlusselements, die dieses beim Anschlagen oder Einschlagen in die Endpositionen aufweist. Dadurch werden Geräuschemission und/oder Verschleiß reduziert.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Um die Polarität des Stromes einzustellen oder zu vertauschen, wird bevorzugt mittels einer Schalteinrichtung zum Umkehren der Stromrichtung eine Anschlussrichtung zweier Anschlüsse des Elektromagneten bezüglich Anschlusspolen der Spannungsquelle vertauscht. Die Schalteinrichtung kann hierzu zum Beispiel Transistoren aufweisen. Weist also der Elektromagnet einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, so wird der erste Anschluss in einem Schaltzyklus mit dem ersten Anschlusspol und der zweite Anschluss mit dem zweiten Anschlusspol und zum Umkehren der Stromrichtung im nächsten Schaltzyklus der erste Anschluss mit dem zweiten Anschlusspol und der zweite Anschluss mit dem ersten Anschlusspol elektrisch verbunden. Die Schalteinrichtung kann also mit einfachen Schaltelementen realisiert werden und hierdurch der vorteilhafte Effekt der Erfindung erzielt werden.
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Insbesondere ist vorgesehen, die Stromrichtung des Stromes mittels einer Vollbrücke einer Brückenschaltung (H-Brücke) einzustellen. Mit anderen Worten ist also die Schalteinrichtung als Brückenschaltung mit vier Schaltelementen realisiert. Hierdurch ergibt sich der beschriebene 4-Quadranten-Betrieb. Eine andere Bezeichnung für eine solche Brückenschaltung ist auch Vierquadrantensteller.
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Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass auch zwischen dem Tauschbetrieb und dem besagten Konstantbetrieb, in welchem die Stromrichtung in den aufeinanderfolgenden Schaltzyklen gleich gehalten wird, gewechselt werden kann. Dies geschieht bevorzugt in Abhängigkeit von einem Umschaltsignal, durch welches zwischen dem Tauschbetrieb und dem Konstantbetrieb umgeschaltet wird.
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Dies ist insbesondere interessant für den Fall, dass als Ventil ein Einspritzventil einer Hochdruckpumpe eines Kraftstoff-Einspritzsystems eines Kraftfahrzeugs gesteuert wird. Unter „Hochdruck“ ist im Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere ein Druck von mehr als 100 bar zu verstehen.
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In diesem Zusammenhang kann das Umschalten zwischen Tauschbetrieb und Konstantbetrieb in Abhängigkeit von einem Leerlaufbetrieb eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs erfolgen. Im Leerlaufbetrieb ist ein Betriebsgeräusch eines Einspritzventils, also dessen Geräuschemission, im Verhältnis zu den übrigen Betriebsgeräuschen des Kraftfahrzeugs lauter. Hier ist dann das Umschalten in den Tauschbetrieb sinnvoll. Treibt der Verbrennungsmotor dagegen das Kraftfahrzeug (Verbrennungsmotor ist eingekuppelt), so ergeben sich andere Betriebsgeräusche, welche in der Regel die Geräuschemission des Einspritzventils derart übertönen, dass in den Konstantbetrieb gewechselt werden kann, ohne dass hierdurch das Einspritzventil hörbar wird.
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Um das erfindungsgemäße Verfahren in einem Magnetventil durchführen zu können, ist durch die Erfindung eine elektronische Schaltung bereitgestellt, die dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Die elektronische Schaltung kann hierzu einen Mikrocontroller aufweisen. Des Weiteren kann die elektronische Schaltung die beschriebene Brückenschaltung zum Schalten des elektrischen Stromes für den Elektromagneten aufweisen.
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Die Erfindung umfasst auch ein Magnetventil mit einem Elektromagneten, der dazu eingerichtet ist, bei einem Stromfluss eines Stromes durch den Elektromagneten das Ventil gegen eine Kraft einer Feder zu schließen. Des Weiteren kann das Ventil eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektronischen Schaltung aufweisen.
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Die elektronische Schaltung kann also die Schalteinrichtung zum Schalten des Stromes umfassen. Die Schalteinrichtung kann dabei die Brückenschaltung mit einer Vollbrücke aufweisen, wobei die Brückenschaltung dazu eingerichtet ist, eine Anschlussrichtung von zwei Anschlüssen eines Elektromagneten bezüglich Anschlusspolen einer Spannungsquelle zu vertauschen.
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Zu der Erfindung gehört auch eine Pumpe für ein Einspritzsystem eines Kraftfahrzeugs. Die Pumpe weist das erfindungsgemäße Magnetventil auf. Die Pumpe kann also eine Einspritzpumpe sein, insbesondere eine Hochdruckpumpe.
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Schließlich umfasst die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, beispielsweise einem Dieselmotor oder Ottomotor, der ein Kraftstoff-Einspritzsystem mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe aufweist.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann ein Kraftwagen sein, insbesondere ein Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs;
- 2 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen von Stromprofilen eines Stromes in einem Magnetventil des Kraftfahrzeugs von 1;
- 3 eine schematische Darstellung einer Schalteinrichtung, welche den Strom steuert;
- 4 zwei Schaltzustände der Schalteinrichtung von 3, durch welche ein Umtauschen der Stromrichtung in dem Magnetventil erreicht wird;
- 5 ein Diagramm mit schematisierten Verläufen der resultierenden Stromstärke durch das Vertauschen gemäß 4; und
- 6 ein Diagramm mit schematisierten Graphen, welche einen Zusammenhang zwischen Stromstärke und magnetischem Fluss in dem Magnetventil veranschaulichen.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 10, bei dem es sich beispielsweise um einen Personenkraftwagen oder einen Lastkraftwagen handeln kann. Das Kraftfahrzeug 10 kann einen Verbrennungsmotor 11 aufweisen, der auf der Grundlage eines Kraftstoffs 12 aus einem Kraftstofftank 13 betrieben werden kann. Der Kraftstoff 12 kann aus dem Kraftstofftank 13 zu dem Verbrennungsmotor 11 mittels einer Pumpe 14 gepumpt werden. Die Pumpe 14 kann eine Einspritzpumpe sein. Die Pumpe 14 kann ein schaltbares Magnetventil 15 aufweisen, beispielsweise ein DIV, mit einem Verschlusselement 16, beispielsweise einer Ventilscheibe, und einem Elektromagneten 18 mit einer elektrischen Spule. Ein elektrischer Strom I für den Elektromagneten 18 kann durch eine elektronische Schaltung 17 gesteuert werden, welche eine Schalteinrichtung 17' zum Schalten des Stromes I aufweisen kann. Ein Betrieb des Ventils 15 kann mit einer Rotation einer Kurbelwelle 20 koordiniert werden, indem eine Drehstellung 21 der Kurbelwelle 20 erfasst wird und der elektrische Strom I in Abhängigkeit von der Drehlage 21 geschaltet wird. Die Drehlage 21 kann mittels eines Drehlagesensors 21' gemessen werden. Die Kurbelwelle 20 bewegt einen Kolben 21 der Pumpe 14 in einer Pumpbewegung 23, um den Kraftstoff 12 von einer Niederdruckseite 24 auf eine Hochdruckseite 25 zu pumpen, wo der Kraftstoff 12 dann von einem Kraftstoff-Einspritzsystem eingespritzt wird. Ein Auslassventil 26 der Pumpe kann ein passives Ventil, beispielsweise ein Rückschlagventil, sein, und das Einlassventil kann durch das beschriebene Magnetventil 15 mit seinem Verschlusselement 16 gebildet sein. Zum Schließen des Ventils 15 wird der Strom I durch den Elektromagneten 18 getrieben, so dass hierdurch ein Stab oder Pin 27, der das Verschlusselement 16 hält, gegen eine Federkraft einer Feder 28 zu einem Polstück 29 mit einem Anker gezogen wird, sodass das Verschlusselement 16 von einer Offenstellung 31 in eine Geschlossenstellung 32 bewegt oder gezogen wird. Der Strom I kann durch eine Spannungsquelle U erzeugt werden, die hierzu mittels der Schalteinrichtung 27' mit dem Elektromagneten 18 elektrisch verschaltet oder verbunden wird.
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Durch Ausschalten der Spannungsquelle U ergibt sich ein exponentieller Abfall des Stromes I in dem Elektromagneten 18. Sobald dann die Federkraft der Feder 28 stärker ist als das Magnetfeld des Elektromagneten 18 und des in der Pumpe verbleibenden Druckes, wird das Verschlusselement 16 zurück von der Geschlossenstellung 32 in die Offenstellung 31 bewegt. Dies beendet dann einen vollen Schaltzyklus oder Pumpzyklus der Pumpe.
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2 zeigt über der Zeit t einen zeitlichen Verlauf des Stromes I und der geschalteten elektrischen Spannung der Spannungsquelle U am Elektromagneten 18, und zwar einmal für einen Normalbetrieb oder Konstantbetrieb C und einmal für einen 4-Quadranten-Betrieb oder Tauschbetrieb Q. Gezeigt ist, dass für aufeinanderfolgende Schaltzyklen im Normalbetrieb C eine Polarität der geschalteten Spannung der Spannungsquelle U und damit des Stromes I konstant bleibt, während im Tauschbetrieb Q aufeinanderfolgende Schaltzyklen 33 eine abwechselnde Polarität der geschalteten Spannung der Spannungsquelle U und damit des resultierenden Stromes I im Elektromagneten 18 aufweisen. Mit anderen Worten wird die Stromrichtung des Stromes die in aufeinanderfolgenden Schaltzyklen 32 abgewechselt oder umgekehrt. Veranschaulicht ist des Weiteren ein Vergleich eines Gradienten oder einer Steigung des Stromes I, wie er sich im Vergleich zwischen dem Konstantbetrieb C und dem Tauschbetrieb Q ergibt. Der Gradient wird um einen Gradientenwinkel α geringer, wenn der Tauschbetrieb Q verwendet wird.
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3 zeigt, wie die Stromrichtung oder Polarität des Stromes I mittels der Schalteinrichtung 17' eingestellt werden kann. Dargestellt sind der Elektromagnet 18, die Schalteinrichtung 17` und die Verschaltung mit der Spannungsquelle U, welche die Versorgungsspannung VCC bereitstellt. Die Spannungsquelle U kann beispielsweise eine Batterie des Kraftfahrzeugs 10 sein.
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Die Schalteinrichtung 17' kann eine Brückenschaltung 34 mit der Vollbrücke 35 aufweisen, sodass insgesamt vier Schaltelemente 36, beispielsweise jeweils ein Transistor, bereitstehen, um einen jeweiligen Anschluss 37, 38 des Elektromagneten 18 mit den Polen 39, 40 der Spannungsquelle U abwechselnd elektrisch zu verbinden. Der Stromkreis kann jeweils über ein Massepotential GND geschlossen werden.
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4 veranschaulicht zwei mögliche Schaltstellungen der Schalteinrichtung 17', die es erlauben oder ermöglichen, die Stromrichtung des Stromes I im Elektromagneten 18 zwischen zwei Schaltzyklen 33 umzuschalten.
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5 zeigt noch einmal im Detail den Vergleich des sich ergebenden Gradienten des Stromes I, einmal der Strom I im Konstantbetrieb (IC) und einmal der Strom I im Falle eines Schaltzyklus während des Tauschbetriebs (IQ). Der Strom I erreicht im Tauschbetrieb Q im Vergleich zum Konstantbetrieb C eine vorgegebene Stromstärke 10, um eine Zeitverzögerung ΔT später aufgrund des Unterschieds α im Anstiegs-Gradienten des Stromes I.
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Durch Schalten des Elektromagneten im 4-Quadranten-Betrieb oder Tauschbetrieb Q, wird auch die Polarität des magnetischen Felds mit jedem Schaltzyklus 33 umgeschaltet oder vertauscht oder umgedreht. Da in dem Elektromagneten 18 auch ferromagnetisches Material vorhanden ist, behält der Elektromagnet 18 nach jedem Schaltzyklus 33 eine Magnetisierung bei (magnetischer Remanenzeffekt). Diese verbleibende Magnetisierung auch ohne Stromfluss entsteht aufgrund der Magnet-Dipole im weichmagnetischen Material, die in der Ausrichtung der letzten Magnetisierung verbleiben. Wird nun aber der Strom mit abwechselnder Stromrichtung angelegt, sodass auch das magnetische Feld mit jedem Schaltzyklus 32 eine andere Polarität oder Polarisierung aufweist, muss diese Rest-Magnetisierung zunächst reduziert oder abgebaut werden, bis sie 0 erreicht. Dieses Ummagnetisieren des weichmagnetischen Materials verbraucht oder benötigt einen vorgegebenen Energiegehalt, der als magnetische Koerzitivfeldstärke bezeichnet ist.
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Dieses Abbauen der Rest-Magnetisierung und die hierzu benötigte Energie reduziert den Anstieg der Stromstärke des Stromes I nach dem Einschalten zu Beginn eines Schaltzyklus 32. Die Energie wird zum Entmagnetisieren oder Ummagnetisieren für das Umpolen des weichmagnetischen Materials verbraucht. Die Reduktion des Gradienten um die Differenz α hat den vorteilhaften Effekt, dass sich die Beschleunigung des Verschlusselements 16 reduziert und damit Geräuschemission und/oder Verschleiß des Magnetventils 15 reduziert werden.
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Ein zweiter Effekt ist in 6 veranschaulicht. 6 zeigt über der Stromstärke des Stromes I den magnetischen Fluss P, wie er sich während eines Schaltzyklus 33 ergeben kann. Im Tauschbetrieb Q ergibt sich im Vergleich zum Konstanzbetrieb C eine Vergrößerung ΔI der Einschaltstromstärke des Stroms I. Dies zeigt, dass mehr Strom I benötigt ist, um dieselbe magnetische Kraft zum Schließen des Ventils 15. Die Magnetkraft ist nötig, um die Federkraft der Feder 18 zu überwinden. Dieser Effekt der Vergrößerung ΔI wird hervorgerufen durch die Tatsache, dass der magnetische Fluss P nun von 0 an aufgebaut werden muss und nicht von einem Offsetwert P0 aus beginnt, wie dies im Konstantbetrieb C aufgrund der gleichbleibenden Ausrichtung des Magnetfelds möglich ist. Das bedeutet, dass beim Konstantbetrieb C die Magnetkraft schon beim Einschalten des Stromes I in die für den Schaltzyklus 33 vorgesehene Richtung ausgerichtet ist und somit zum Beschleunigen des Verschlusselements 16 beiträgt. Mit anderen Worten wirkt die Rest-Magnetisierung fördernd auf die Beschleunigung des Verschlusselements 16. Im 4-Quadranten-Betrieb oder Tauschbetrieb Q muss dagegen die gesamte Beschleunigung durch den Strom selbst bewirkt werden.
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Insgesamt ergibt sich somit durch die Verringerung des zeitlichen Gradienten des Stromes I ein verringerter zeitlicher Anstieg oder eine verringerte zeitliche Anstiegsrate der Magnetkraft aufgrund des Fehlens eines Rest-Magnetisierung P0. Die Magnetkraft muss vollständig durch den hierdurch geringer oder langsamer ansteigenden elektrischen Strom I aufgebracht oder erzeugt werden. Dies verringert die Beschleunigung des Verschlusselements 16. Eine Verringerung der Geräuschemission und/oder des Verschleißes des Ventils 14 aufgrund der verringerten Endgeschwindigkeit vor dem Einschlag in die Geschlossenstellung 32 sind die vorteilhafte Folge.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung für ein elektrisch schaltbares Magnet-Ventil ein Verfahren zum Kontrollieren einer Geräuschemission und/oder eines Komponentenverschleißes bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0167993 A1 [0003]
- WO 2006/060545 A1 [0005]
