JP6625651B2 - ピストンポンプの動作方法、ピストンポンプの駆動制御装置及びピストンポンプ - Google Patents

Description

本発明は、電磁石のコイルを用いて駆動されるピストンポンプを動作させるための方法に関し、ここでは、電磁石を用いて、ピストンポンプのピストンが、復元力に抗して可動である。スイッチオン持続時間の間、コイルは電圧を印加され、それによって、この電圧は、コイルに流れる電流を駆動する。このコイルは、磁力を引き起こし、ピストンを加速する。さらに本発明は、ピストンポンプのための駆動制御装置、及び、駆動制御装置を備えたピストンポンプに関する。

従来技術では、電磁石のコイルを用いて駆動可能であるピストンポンプが公知である。これらは、例えば燃料ポンプとして使用可能である。例示的にそのようなポンプを、ストローク型アーマチュアポンプとしての構成において図１に示す。このピストンポンプは、コイル１と、ピストン底部４を備えたピストン２と、シリンダ３と、橋台６を備えたコイルばね５と、バルブユニット７とを含んでいる。コイル１を通って電流が流れると、磁束はその内部によって引き起こされる。それにより、ピストン２は、磁気的に、バルブユニット７から離隔するように移動し、これによって、コイルばね５は、その橋台６に対してプリロードされる。バルブユニット７とピストン底部４との間の容積が増大して、これにより吸引過程が行われる。ストッパ８における動作ストロークの最大位置に到達した後で目立つのは、コイル１内の電流が遮断されることである。そのため、吸引過程を完全に実行可能にするためには、ピストンがストッパ８に留められる。その後、ピストン２は、コイルばね５のプリロードによってバルブユニット７の方向に移動し、これによって押し出し過程が行われる。この押し出し過程では、ポンピングされるべき流体がバルブユニット７内に押し出される。また、磁気作用を用いた押し出しと、ばね作用を用いた吸引とが実行されるポンプも考えられる。例えば、そのようなストローク型アーマチュアピストンポンプは、内燃機関用の燃料ポンプとして使用可能である。

ポンプの駆動制御は、通常は、電気的矩形電圧を介したポンプストローク当たりの駆動制御周波数及びスイッチオン持続時間の設定並びに迅速な消弧によって行われる。そのようなポンプの駆動制御により、コイル内では、電流通流が生じ、この電流通流は、駆動電圧が除去された場合でも、コイルの磁気作用によって引き続き流れる。この電流の減衰は、コイル内の電流が減衰の際に引き続き流れるフリーホイール回路内の抵抗に依存する。このことは、「消弧過程」とも称される。迅速な消弧は、コイル内のエネルギーを迅速に熱に変換する構成要素を介して電流を誘導することによって引き起こすことが可能である。一方、短絡又は非常に高い抵抗を用いて、コイルからわずかなエネルギーだけを奪うことも可能である。それゆえ、迅速な消弧のためには、適当なインピーダンスが必要とされる。オーム抵抗の代わりに、半導体抵抗を使用することも可能である。この過程のための駆動制御回路は、従来技術として図２に示されている。ここで使用される回路は、半導体スイッチを有しており、この半導体スイッチを用いることにより、第１の動作状態ではコイルの通流が切り替えられ、第２の動作状態ではツェナーダイオードを介したコイルのフリーホイールが切り替えられる。このことは、コイルからのエネルギーをツェナーダイオードにおいて熱に変換することによって、コイルに流れる電流の迅速な消弧に結び付けられる。図３には、コイルにおける電圧Ｕの経過が時間軸ｔ（秒）に亘って示されている。スイッチオン持続時間に続いて、このスイッチオン持続時間の終了後に、電圧降下が生じる。この電圧降下は、コイルからエネルギーが奪われることにより、時間と共に電圧ゼロに向かって経過する。図４には、コイルを通って流れる電流Ｉが、図３にも示されている期間に亘って示されている。電流Ｉは、電圧Ｕのスイッチオン持続時間中に増加し、その終端に到達した後は急激に低下し、それによって、短時間後にゼロとなる。この解決手段の欠点は、電流が急激に消弧され、ピストンがそれと共に短時間だけ大きく変位した位置に留まることである。この持続時間は、油圧システムの慣性のために、場合によっては、ポンプ容積を最適に充填するのには十分でないことがある。その他に、電流通流が多く、かつ、油圧抵抗が比較的小さい動作状態では、ピストンがストッパに衝突してかなりの騒音発生につながる可能性がある。

さらに、電流制御された出力段も公知であるが、これはかなり高価である。

発明の開示
上述の欠点を克服するために、本発明によれば、コイル内の電流のために、２つの異なる消弧法を使用することが提案される。第２の消弧法は、電流の遮断手段を大幅に拡張するが、しかしながら、電流制御のように高価なものではない。また、３つ以上の異なる消弧法を、コイルの電流のために使用することも考えられる。

例えば、ピストンは、最初に加速させることが可能であり、これによって、ピストンがストッパに到達する。第１の消弧法を用いることにより、例えば、ピストンをストッパに保持するようにさせることが可能であり、このようにして、ポンピングすべき流体に、ポンプ容積を満たすための十分な時間を使用させることが可能になる。ポンプの供給率又は体積効率は、このようにして改善される。この場合の供給率又は体積効率とは、シリンダ内に実際に存在する流体容積と、理論上可能な最大充填量との比と理解されたい。保持期間の経過後に、ピストンをストッパから迅速に離隔させるために、例えばコイル内の電流を迅速に消弧する第２の他の消弧法を使用することが可能である。その上さらに、ピストンは、復元力によって次のような位置に移動する。即ち、そこから新たにピストンを、ストッパ方向に加速させる位置である。

従属請求項は、本発明の好ましいさらなる発展構成に関する。

一実施形態では、ピストンの加速後に、最初に、弱い消弧法（以下では、弱消弧法とも称する。）が使用され、その後で、強い消弧法（以下では、強消弧法とも称する。）が使用されることが提案される。ここでは、コイルに流れる電流が緩慢にのみ減少する消弧法を、弱消弧法と称する。それに応じて、コイルによって生じる磁力も緩慢にのみ減少する。この目的のために、わずかな抵抗（特に、少なくともほぼ短絡）がフリーホイール回路内に存在し得る。それに対して、強消弧法の場合には、コイルに流れる電流が、弱消弧法の場合よりも著しく迅速に減少させられる。それにより、コイルによって生じる磁力を、弱消弧法の場合よりも著しく迅速に消滅させることができる。この目的のために、フリーホイール回路内に、既存の電圧及び既存の電流のもとで、高い電力を熱に変換させるようなインピーダンスを設けてもよい。このインピーダンスは、半導体接合部によって提供されてもよい。多くのストローク型アーマチュアピストンポンプでは、ピストンの経路に沿った磁力は漸進的であり、その磁力は、この場合、ストッパにおいて最大となる。そのため、ストッパにおいては、コイルに流れるわずかな電流が、ピストンをストッパに保持させるのに十分である。それゆえ、弱消弧法によって、コイルからわずかなエネルギーしか奪われないのであるならば、この弱消弧法は、ピストンをストッパに保持するのに十分である。さらに別の実施形態では、ピストンがまだストッパへの移動の最中にあるときに、弱消弧法を使用することが考えられる。ピストンは、その慣性によってストッパに到達し、また、場合によっては、弱消弧法の適用中に残留するコイルの磁気作用によっても、ストッパに到達する。ピストンをストッパから離隔させるためには、コイルに流れる電流を急激に低下させる強消弧法が使用される。様々な動作モードにおいても簡単に定められる方法によって、ピストンをストッパから離隔させる手段は、ポンプの非常に柔軟で効果的な制御を可能にさせる。特に、弱消弧法及び強消弧法を適用する時点は、最適なポンプ動作が可及的に生じるように設定することが可能である。

さらに別の実施形態では、ポンプ特性は、さらに次のようにして最適化可能である。即ち、ピストンが動き始め、それに対する反応としてスイッチオン持続時間が終了する時点を、所定の測定法を用いて求めるようにして最適化することが可能である。それにより、コイル内に蓄積されたエネルギー量は、好ましくは、結果的に生じる磁気作用がピストンをストッパまで移動させるようにするのに十分なものになる。そのような方法により、コイルによって生じる磁気エネルギーが、良好に活用される。スイッチオン持続時間の終了は、好ましくは、ピストンの運動が識別されるときである。なぜなら、ピストンの動きは、その静止状態に比較して、特に、ピストン運動からコイル内で生じ始める逆電圧において、極めて良好に検出することができるからである。好ましくは、ピストンは、その移動前に、上述したストッパとは異なる休止ストッパに当接する。

この方法の一実施形態では、弱消弧法の場合には、コイルが半導体スイッチを介して短絡される。それによって、コイル内を流れる電流は、フリーホイール回路を介して流れることが可能となり、このことは、コイルからの比較的わずかなエネルギー損失にしか結び付かない。開放された半導体スイッチの抵抗と、コイルの内部抵抗と、場合によっては有意な線路抵抗とは、コイルのエネルギーの一部を熱に変換する。総じて、コイルに流れる電流強度の緩慢な低下が、好ましくはスイッチオン持続時間中の電流上昇に類似する程度に生じる。

さらに別の実施形態では、強消弧法の実施のために、コイルが、フリーホイール回路に接続され、このフリーホイール回路内には、コイルからのかなりの量のエネルギーを熱に変換する抵抗が配置されている。このことは、コイル内の電流強度の急激な低下につながる。その意味では、半導体接合部抵抗、例えばツェナーダイオードも、抵抗に当て嵌まる。その他に、強い電流消弧は、フリーホイール回路に接続する半導体スイッチが、半導通状態に切り替わる場合に、達成することが可能である。そのため、フリーホイール回路は、コイルからのかなりの量のエネルギーを熱に変換する抵抗を有している。

最後に説明した上記実施形態に対して代替的又は付加的に、強消弧法の場合に、電流を、コイルから次のような電流供給装置に給電することも考えられる。即ち、スイッチオン持続時間の間は、そこから電流がコイルのために取り出される電流供給装置である。従って、これはフィードバックである。

コイルは、Ｈブリッジに接続されていてもよい。この場合、コイルは、２つの分岐の分圧器点の間に配置されている。これらの分岐の終端点は、相互に接続されている。Ｈブリッジの２つの分岐の終端点の間に、好ましくは電流供給装置から到来する供給電圧が印加される。好ましくは、直流電圧が印加される。２つの分岐には、それぞれ少なくとも１つの半導体スイッチが接続され、この場合、これらの半導体スイッチのうちの一方は、供給電圧に接続する部分分岐に接続され、もう一方は、アースに接続する部分分岐に接続される。この変化例では、残りの２つの部分分枝において、分圧器点から分岐のそれぞれ別の終端点までにそれぞれ１つのダイオードが配置され、これらのダイオードは、供給電圧に対して阻止方向に分極される。スイッチオン持続時間の間、これらの２つの半導体スイッチは、導通状態に切り替えられ、そのため、それらとコイルとを介して電流が通流可能である。弱消弧法の実施のために、これらの半導体スイッチのうちの一方が閉成され、それに対して、他方は開放される。その後、フリーホイール回路が、開放された半導体スイッチとダイオードの１つを介して形成される。コイルから電流供給装置への電流のフィードバックのために、２つの半導体スイッチは開放される。このコイル電流は、２つのダイオードと電流供給装置によって回路を駆動する電圧上昇を、コイルに引き起こす。

Ｈブリッジを有する他の変化例では、前述の部分分岐内で、ダイオードの各々が、半導体スイッチによって置き換えられている。従って、コイルに流れる電流の方向は、一方の方向に対しては、前述した基本変化例において既に存在している２つの半導体スイッチを導通状態に切り替え、それに対して、付加的な半導体スイッチは遮断することによって決定することが可能である。他方の方向に対しては、付加的な半導体スイッチが導通状態に切り替え可能であり、それに対して、基本変化例の半導体スイッチは遮断される。これらの半導体スイッチの能動的な制御により、ダイオードの機能を、フリーホイールモード用にシミュレートすることが可能になる。これらの半導体スイッチは、フィードバックモードにおいて、ダイオードよりもわずかな内部抵抗を有し得るという利点を有する。

最後に説明した変化例に基づき構築される別の変化例では、半導体スイッチの各々が、フリーホイールダイオードを備えている。これらのフリーホイールダイオードは、供給電圧に関して阻止方向に接続され、それぞれ半導体スイッチのソース及びドレインに接続されている。この構成により、相応の切り替えによって、半導体スイッチは、フリーホイール回路において、半導体スイッチの内部抵抗又はダイオードの半導体接合部抵抗又はダイオードの抵抗が、阻止方向に有効であることを生じさせ得る。これにより、多くの手段と動作モードが生じる。それにより、弱消弧過程は、Ｈブリッジの同じ端部に両方が一緒に接続された２つの導通接続された半導体スイッチを備えたフリーホイール回路を介して行うことができる。特にこの場合、他の２つの半導体スイッチは、遮断状態で接続されている。好ましくは、閉成された半導体スイッチのわずかな抵抗に基づいて、これが、半導体スイッチとそのフリーホイールダイオードとからなる並列回路の総抵抗を支配し、それによって総抵抗はわずかとなる。しかしながら、やや強めの消弧作用を有する同様の弱消弧過程も達成可能であり、その際には、フリーホイール回路において、閉成された半導体スイッチと、順方向に接続されたダイオードとが、最後に説明した２つの半導体スイッチの代わりに接続される。この目的のために、順方向のダイオードに対して並列に接続される第２の半導体スイッチは、遮断状態に切り替え可能であり、それによって、フリーホイール電流は、ダイオード電圧がより高いにもかかわらず、フリーホイールダイオードを介して流さなければならない。従って、フリーホイール回路はやや高めの抵抗を有する。この目的のために、フリーホイール回路において順方向におかれるダイオードが使用される。どのダイオードがこれに該当するかは、コイルに流れる電流の方向に依存し、フリーホイール回路が部分分岐において、供給電圧電位にあるのか又はアース電位にあるのかに依存する。強消弧法のためのフリーホイール回路は、全ての半導体スイッチを遮断状態にすることで切り替えることができる。従って、フリーホイール回路は、２つのフリーホイールダイオードと電流供給装置とを介して形成され、その高いエネルギー吸収能力は、コイル電流の迅速な消弧につながる。この場合、どのフリーホイールダイオードが阻止又は導通するかは、コイルに流れる電流の方向に依存する。フィードバックの効率を高めるために、代替的に、導通ダイオードに並列に接続された半導体スイッチを導通状態に切り替えることが可能である。

好ましくは、コイルの電流供給のためのＨブリッジ回路は、１つのチップ上の集積回路として実施されている。

好ましくは、電流供給装置へのエネルギーのフィードバックを伴う動作モードにおいて、弱消弧法の活動化の時間が短縮され、それによって、ピストンが短時間だけストッパに保持される。従って、確かに供給率は若干悪化するが、しかし、より多くのエネルギーが、電流供給装置にフィードバックされる。なぜなら、弱消弧法の間は、わずかなエネルギーしか熱に変換されないからである。

さらに別の実施形態では、スイッチオン持続時間の長さ及び／又は保持持続時間の長さが、ポンプの動作点及び／又は特性に依存して設定される。特に、スイッチオン持続時間の長さ及び／又は保持持続時間の長さは、ピストンポンプの機械的特性及び／又は油圧的特性に依存して設定される。この設定は、好ましくはピストンポンプの供給率ができるだけ良好になるように行われる。１つの動作点は、吐出量及びポンプ周波数に依存して定められる。

さらに別の実施形態では、スイッチオン持続時間の長さが、ピストンポンプの供給電圧及び／又はコイルの抵抗に依存して、スイッチオン持続時間の終了後に所定の電流がコイル内を流れるように設定される。このようにして、例えば、ピストンをストッパまで駆動し、かつ、このピストンを好ましくは十分に長い間ストッパに保持するために十分な量のエネルギーが、コイル内に導入可能になる。ここでは適切なスイッチオン持続時間が設定可能であるため、電流を測定する必要はない。しかしながら、代替的に、電流測定も考えられ得る。スイッチオン持続時間を計算する場合には、以下の式、
ｔ＝−Ｌ／Ｒ・Ｉｎ（１−（Ｉ・Ｒ）／Ｕ）
を使用することができる。ここで、上記ｔは、スイッチオン持続時間、上記Ｌは、コイルのインダクタンス、上記Ｒは、コイルの内部抵抗、上記Ｕは、コイルに印加される電圧、及び、上記Ｉは、達成すべき電流強度である。

この方法のさらに別の実施形態では、コイルの温度が特定され、この温度情報を用いて、算出された時間の補正が実施される。この目的のために、抵抗の偏差が温度ドリフトに基づいて算出でき、温度補正された抵抗値を上記式に使用することができるので、それによって、温度補正されたスイッチオン持続時間ｔが算出される。温度の影響による抵抗値の変化の計算は、電気工学分野の当業者の基礎知識の一部である。

さらに別の実施形態では、ピストンポンプは、内燃機関用の燃料ポンプとして構成されている。ポンプの動作用のエネルギーを節約するために、ピストンポンプのポンプ周波数を、必要な燃料量に適合化させることができる。この場合、好ましくは、ポンプ周波数は、ピストンポンプが内燃機関よりも若干多くの燃料を必要とするように設定される。ポンプの恒久的な全負荷を伴う設計に比較して、著しいエネルギーの節約が生じる。付加的又は代替的に、燃料吐出量は、ポンプストロークの設定によって生じさせることも可能である。この目的のために、コイルのスイッチオン持続時間は、所要の燃料量に適合化可能である。この場合、好ましくは、ポンプストロークは、燃料ポンプが内燃機関よりも若干多くの燃料を必要とするように設定される。スイッチオン持続時間の計算は、例えば、内燃機関の制御機器内で実行することができる。内燃機関に供給するために必要とされる最小吐出体積流量は、例えば、エンジン制御部において、回転数と、インジェクタの噴射時間と、所定の又はモデル化された噴射圧での定常的なスループットとから計算することができる。この目的のためには、以下の式、
Ｑ＝ａ_Ｚｙｌ／２・ｎ_ｍｏｔ・ｔ_ｉ・Ｑ_{Ｉｎｊ，ｓｔａｔ}
を使用することができる。ここで、上記Ｑは、燃料吐出体積流量、上記ａ_Ｚｙｌは、内燃機関の気筒数、上記ｎ_ｍｏｔは、内燃機関の回転数、上記ｔ_ｉは、有効噴射時間、上記Ｑ_{Ｉｎｊ，ｓｔａｔ}は、開弁されたインジェクタによる定常的な燃料体積流量である。ピストンポンプの周波数は、好ましくは、非常に少ない所要体積流量の場合に、ゼロ近くまで低減されるのではなく、ポンプがまだ安定的に動作する最小周波数に制限される。この最小周波数は、例えば３０Ｈｚであってもよい。ポンプ周波数を、所要の燃料体積流量に適合化するために、以下の式、
ｆ_{ｐｕｍｐ，ｏｐｔ}＝ｆ_{ｐｕｍｐ，ｍａｘ}・Ｑ_{ｅｎｇｉｎｅ}／Ｑ_{ｐｕｍｐ，ｍａｘ}
を使用することができる。ここで、上記ｆ_{ｐｕｍｐ，ｏｐｔ}は、最適なポンプ周波数、上記ｆ_{ｐｕｍｐ，ｍａｘ}は、最大限可能なポンプ周波数、例えば１００Ｈｚ、上記Ｑ_{ｅｎｇｉｎｅ}は、内燃機関のために必要な燃料体積流量、上記Ｑ_{ｐｕｍｐ，ｍａｘ}は、ポンプが最大限供給できる体積流量である。

さらに、ストローク型アーマチュアピストンポンプにおいて、一定の周波数、及び、増加する吐出体積流量のもとで、ピストンと、例えばストッパとの間の磁気回路内のエアギャップが拡大することは公知である。なぜなら、より大きなピストンストロークが必要になるからである。それに応じて、ピストンを引き付けるために必要な電流もより多くなる。コイルのスイッチオン持続時間を、内燃機関の燃料需要と、ひいてはこの目的のために必要な電流とに適合化する場合には、補正係数が使用可能である。この補正係数は、事前に算出され、例えばモータ制御機器内に記憶されていてもよい。また、個々の、いくつかの、又は、全ての上記した駆動制御パラメータ、特に最適な駆動制御パラメータは、エンジン動作中に制御機器において算出することも可能であるし、あるいは、例えば動作電圧、コイル温度、及び／又は、所要の燃料体積流量のような可変の特性量に依存して１つ以上の特性マップにファイルされていてもよい。駆動制御は、算出された値又は呼び出された値を用いて、相応にパラメータ化可能である。

さらに別の実施形態では、その間に電圧がコイルに印加されるスイッチオン持続時間は、所要の体積流量に依存して設定可能である。より多くの体積流量は、ポンプのストロークを増加させることによって達成可能であり、これは、より長いスイッチオン持続時間を必要とする。スイッチオン持続時間の長さは、体積流量の関数として記憶することが可能である。

さらに別の実施形態では、スイッチオン持続時間は、コイルに印加される電圧に依存して設定可能である。典型的には、コイルに印加される電圧は、ピストンポンプの供給電圧に依存する。それにより、電圧が低すぎてかつスイッチオン持続時間も延長されない場合には、ピストンがもはや引き込まれなくなるというリスクが生じる。スイッチオン持続時間の適当な選択により、低い損失出力でピストンが磁気的に動作させられる動作モードが保証可能となる。この目的のために、スイッチオン持続時間は、コイル電圧又は供給電圧に依存して設定可能である。

さらに別の実施形態では、ポンプがポンプストロークを実行するピストンポンプの駆動制御周波数が、所要の体積流量に依存して設定可能である。ポンプ周波数と体積流量との間の対応関係は、スイッチング装置を用いた適用のために記憶されていてもよい。また、スイッチオン持続時間及び駆動制御周波数を、所要の体積流量に依存して、同時に適合化することも考えられる。

本発明のさらに別の態様では、電磁石のコイルを用いて駆動可能なピストンを備えたピストンポンプを動作させるための電気的回路装置が提案されている。本発明によれば、この回路装置は、少なくとも２つの半導体スイッチを有する半導体スイッチ装置を備えている。この半導体スイッチ装置は、ピストンポンプの様々な動作モード又は消弧法を実現するように構成されている。この場合、この半導体スイッチ装置は、スイッチオン動作モードではコイルに電圧を印加し得る。このことは、コイルを通って電流が流れることにつながる。この目的のために、コイルは、電流源と電流供給装置の電流シンクとの間の電流パスに接続することができる。コイルを通って電流が流れると、ピストンが加速される。

半導体スイッチ装置のさらに別の動作モードでは、この装置が、コイルにおいて、弱電流消弧を行わせる。この目的のために、コイルは、スイッチオン動作モードのための電流パスから切り替えることが可能であり、代替的に１つ以上の半導体スイッチを介して短絡させることができる。このことは、本発明に係る方法に関連して既に前述したように、コイルに流れる電流を、緩慢にのみ減少させることにつながる。強電流消弧を伴う第３の動作モードでは、半導体スイッチ装置は、コイルを、エネルギー受容装置を含む電流パスに接続するように構成されている。それにより、コイルからのエネルギーは、エネルギー受容装置に伝送される。

回路装置の一実施形態では、エネルギー受容装置は、回路装置からのエネルギーを受け取るのに適したエネルギー蓄積器として構成されている。特に、エネルギー受容装置は、コンデンサ及び／又はバッテリ若しくはアキュムレータであってもよい。エネルギー受容装置は、自身に他の負荷が接続されて、エネルギーを受け取ることが可能である、エネルギー網であってもよい。特に好ましくは、エネルギー受容装置は、自動車の搭載電源網である。代替的な実施形態では、エネルギー受容装置は、受け取ったエネルギーを熱に変換するように構成されていてもよい。相応にエネルギー受容装置は、例えばオーム抵抗又は半導体接合部であってもよい。

さらに別の実施形態では、この回路装置が、上述した方法のうちの１つを実行するように構成されていることが提案される。

本発明のさらに別の態様では、駆動装置内に、上述の態様による電気的回路装置を含むピストンポンプが提案される。この場合、駆動制御装置は、ポンプから空間的に分離され、当該ポンプと管路によって接続されていること又は接続可能であることが考えられる。さらに、駆動制御装置の一部が、ピストンポンプに配置され、それに対して、他の部分は、ピストンポンプから離隔して配置されることも考えられる。さらにまた、駆動制御装置の一部が、ピストンポンプに配置され、それに対して、他の部分は、ピストンポンプから離隔して配置され、当該ピストンポンプと管路によって接続されていること又は接続可能であることが考えられる。

以下では、本発明の実施例を、添付の図面を参照して詳細に説明する。

従来技術によるストローク型アーマチュアピストンポンプの断面図。 ストローク型アーマチュアピストンポンプ用の従来技術において公知の駆動制御回路。 図２の駆動制御回路によって駆動制御されるコイルにおける電圧の既知の経過を示した線図。 図３と同じ時空間に亘り、図２の駆動制御回路を用いてコイルを駆動制御する場合の電流の既知の経過を時間軸に亘って示した線図。 本発明に係る駆動制御回路の第１の実施形態。 本発明に係る駆動制御回路の第２の実施形態。 本発明に係る駆動制御回路の第３の実施形態。 本発明に係る駆動制御回路の第４の実施形態。 図５ａ又は図５ｂに示された駆動制御回路のうちの１つによって駆動制御する場合のコイルにおける電圧の経過を時間軸に亘って示した線図。 図６に示した電圧からコイルにおいて引き起こされた電流を、図６と同じ時間区分で時間軸に亘って示した線図。 コイル電流の電流供給装置へのフィードバックを伴う本発明に係る駆動制御回路の第３の実施形態。 コイル電流の電流供給装置へのフィードバックを伴う本発明に係る駆動制御回路の第４の実施形態。 図５ａ又は図５ｂに示された駆動制御回路のうちの１つによって駆動制御する場合のコイルにおける電圧の経過を時間軸に亘って示した線図。 図６に示した電圧からコイルにおいて引き起こされた電流を、図６と同じ時間区分で時間軸に亘って示した線図。

発明の実施形態
図５ａは、本発明に係る駆動制御回路の回路図を、概略的に示している。この回路の中央には、正の供給電圧＋ＵＢからアース端子ＧＮＤまでの電流パスがある。このパスには、供給電圧＋ＵＢから始まってツェナーダイオードＺＤ１が順方向に配置され、それに対して直列に、従来のダイオードＤ１が阻止方向で配置され、さらにそれに対して直列に、第１の半導体スイッチＬＳ１が配置されている。ツェナーダイオードＺＤ１に対して並列に、第２の半導体スイッチＨＳ１が接続されている。１つのコイルＬ＿ｃｏｉｌと１つの内部抵抗Ｒ＿ｃｏｉｌとは、当該コイルを、ダイオードＺＤ１及びＤ１からなる１つの直列回路と並列に接続可能にすることによって、この電流パスに接続可能である。半導体スイッチＨＳ１は、好ましくは、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴとして構成されている。この半導体スイッチＨＳ１は、直列抵抗Ｒｖ２を介して、駆動制御電圧ＶＡ２を用いて駆動制御可能である。半導体スイッチＬＳ１は、好ましくは、セルフブロック型ｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。この半導体スイッチＬＳ１は、直列抵抗Ｒｖ１を介して駆動制御電圧ＶＡ１を用いて駆動制御可能である。コイルに電圧が印加されるスイッチオン動作モードでは、それによって、増加する電流通流がその中で生じ、半導体スイッチＬＳ１は閉成可能である。そのために、半導体スイッチＬＳ１は、駆動制御電圧ＶＡ１を用いて駆動制御可能である。それにより、供給電圧＋ＵＢからコイル及び半導体スイッチＬＳ１を通ってアースＧＮＤの方向に電流通流が生じる。ダイオードＺＤ１及びＤ１を介したパス区間は遮断される。なぜなら、ダイオードＤ１が阻止方向に接続されているからである。半導体スイッチＨＳ１の状態の変化は、当該電流通流において変更されない。なぜなら、当該半導体スイッチＨＳ１を通る電流も、ダイオードＤ１によって阻止されるからである。弱電流消弧法によれば、半導体スイッチＬＳ１は、駆動制御電圧ＶＡ１を、低電位におくことで開放される。また、半導体スイッチＨＳ１は、そのゲートに低電位の駆動制御電圧ＶＡ２を印加することで閉成される。コイルＬ＿ｃｏｉｌの磁気エネルギーは、ここでは、ダイオードＤ１の順方向で流れる電流を駆動し、さらに開放された半導体スイッチＨＳ１により、コイルＬ＿ｃｏｉｌに戻される電流を駆動する。この場合は、そのように形成されたフリーホイール回路におけるその内部抵抗Ｒ＿ｃｏｉｌも有効である。このフリーホイール回路内の抵抗は、図７中の約０．００３５秒付近のピーク値以降の低下に見られるように、コイルに流れる電流を、緩慢に減衰させる。さらに半導体スイッチＬＳ１も、半導体スイッチＨＳ１も遮断させることで、駆動制御回路において、強消弧法を導入することができる。コイルＬ＿ｃｏｉｌに流れる電流は、ここではもはや半導体スイッチＨＳ１とフリーホイール回路とを介した経路を取ることができず、それゆえツェナーダイオードＺＤ１に流れる。このツェナーダイオードＺＤ１は、半導体スイッチＨＳ１よりも高い逆電圧を有する。ツェナーダイオードＺＤ１に流れる電流通流によって、そこにはコイルＬ＿ｃｏｉｌからエネルギーを奪う損失電力が生じる。このことも、コイル電流の迅速な低減に結び付く。このことは、図７中の電流特性曲線における目下のところ０．００６５秒付近の急峻な低下から見て取れる。このようにして、コイル電流を、短時間で停止にもたらすことが可能である。当業者にとっては、前述したようなタイプの半導体の代わりに、他の半導体も（特に半導体スイッチ用に）考慮できることは明らかである。この半導体タイプの変更は、駆動制御電位の相応の変更による補償が可能であり、それによって機能性は維持される。

図５ｂは、本発明に係る第２の駆動制御回路を示し、この第２の駆動制御回路は、図５ａの駆動制御回路とは若干異なる。以下では、その相違点のみについて説明する。同一の要素には同一の参照番号が付されており、個々の再度の説明は省略する。図５ａの駆動制御回路との相違は、図５ｂの駆動制御回路が、ツェナーダイオードＺＤ１の代わりに、オーム抵抗Ｒ１を有している点にある。それゆえ、コイルＬ＿ｃｏｉｌからのエネルギーは、ツェナーダイオードの半導体接合部の代わりに、オーム抵抗Ｒ１において熱に変換可能である。

図５ｃは、図５ａの実施形態との相違点が、半導体スイッチＨＳ１のドレインとソースとの間にツェナーダイオードＺＤ１が接続されているのではなく、半導体スイッチＬＳ１のドレインとソースとの間にツェナーダイオードＺＤ１’が接続されている点にあることを示している。半導体スイッチＬＳ１が開放されると、コイルＬ＿ｃｏｉｌによって駆動される電流は、フリーホイール回路を介して流れる。このフリーホイール回路は、ツェナーダイオードＺＤ１’及び電流供給装置を含み、電圧＋ＵＢを提供する。

図５ｄは、図５ａの実施形態との相違点が、半導体スイッチＨＳ１のドレインとソースとの間にツェナーダイオードＺＤ１が接続されているのではなく、半導体スイッチＬＳ１のドレインと当該半導体スイッチＬＳ１のゲートとの間にツェナーダイオードＺＤ１’’が接続されている点にあることを示している。このパスにはその他に、さらに別のダイオードＤ２も接続されており、このダイオードＤ２は、半導体スイッチＬＳ１のゲートにおいて、さらに電圧が構築可能であるようにして、半導体スイッチＬＳ１が駆動制御可能なまま維持されるようにしている。当該半導体スイッチＬＳ１のスイッチオン持続時間を終了するためには、この半導体スイッチが開放される。この半導体スイッチＬＳ１は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴとして構成されており、そのため、この状態では、わずかな電圧がゲートに印加される。半導体スイッチＨＳ１が閉成されると、弱電流消弧を伴うフリーホイール回路が半導体スイッチＨＳ１及びダイオードＤ１を介して形成される。半導体スイッチＨＳ１が開放されると、コイルがまだエネルギーを有している間は、ツェナーダイオードＺＤ１’’のカソード電圧が、コイル電圧に基づいて、より高い電位に急上昇する。これにより、半導体スイッチＬＳ１のゲート電位が上昇し、それに伴い半導体スイッチＬＳ１は部分的に閉成される。この部分的に閉成された半導体スイッチＬＳ１とコイルとが、かなりの量の電流を熱に変換する抵抗に接続され、さらに供給電圧電位＋ＵＢを提供している電流供給装置に接続されると、強消弧作用を伴うフリーホイール回路が生じる。このようにして、半導体スイッチＨＳ１のスイッチング状態の変更により、強消弧作用と弱消弧作用との間で切り替えが可能になる。

半導体スイッチＨＳ１のソースとゲートとの間の電圧は、ダイオードＤ１における電圧と、ツェナーダイオードＺＤ１’’における電圧と、ダイオードＤ２における電圧と、直列抵抗Ｒｖ２における電圧との相互作用から生じる。この場合、電圧源ＶＡ２の出力側は低抵抗である。半導体スイッチＨＳ１を、半分閉成させることによって、電圧が降下し、この電圧降下は、コイル電流の迅速な消弧につながる。代替的に、半導体スイッチＨＳ１を、完全に閉成させることもでき、それによって弱消弧過程が生じる。

図６は、図５ａ及び図５ｂのコイルＬ＿ｃｏｉｌにおける電圧の経過を示す。約１２ボルトの電圧が、約３ミリ秒の時間範囲に亘って印加される。これは、スイッチオン動作中のスイッチオン持続時間に相当する。３．５乃至６．５ミリ秒の間の範囲の弱消弧法の適用期間中は、コイルにおける電圧は、０ボルトよりもやや小さい。なぜなら、コイルに流れる電流通流にもかかわらず、半導体スイッチと、順方向に接続されたダイオードＤ１とは、小さなダイオード電圧又は半導体スイッチＨＳ１のわずかな内部抵抗しか有さないからである。約６．５ミリ秒付近から、駆動制御回路は、強消弧法を伴う動作モードへ移行する。この場合は、印加された電圧＋ＵＢよりもはるかに大きい強い負の電圧が生じる。数百マイクロ秒後に、電圧は、ほぼ漸近的に約０ボルトに戻る。

図７は、図５ａ又は図５ｂの駆動制御回路のうちの１つの動作中の電流経過を示す。０乃至３．５ミリ秒のスイッチオン動作モードでは、ほぼ一定の電流増加が電流ピーク値まで生じる。それに対して、弱消弧法の実行中は、コイル電流は、３．５ミリ秒付近の最大値の約３／４の値分だけ緩慢に減少する。６．５ミリ秒付近では、駆動制御回路の動作モードは、強消弧法に移行する。数百マイクロ秒の範囲内で、電流は０に低下し、そこに留まる。

図８ａは、駆動制御回路に供給電圧＋ＵＢを供給している電流供給装置へコイル電流をフィードバックすることができる、駆動制御回路の形態の本発明の第５の実施形態を示す。この駆動制御回路は、基本的な構造からＨブリッジ回路である。図８ａの左側に示されるブリッジ分岐の供給電圧＋ＵＢ側には、半導体スイッチＨＳ１が存在する。この半導体スイッチＨＳ１には、左方の分岐において、阻止方向に分極された従来のダイオードＤ２が直列に接続される。Ｈブリッジの右方の分岐も、左方の分岐に類似するように構成されているが、しかしながら、ダイオードＤ１は（これも同様に供給電圧＋ＵＢに関して阻止方向に接続されている）、供給電圧＋ＵＢに接続されている。一方、半導体スイッチＬＳ１は、アースに接続されている。これにより、半導体スイッチＨＳ１及びダイオードＤ１は、供給電圧＋ＵＢに相互接続され、それに対してダイオードＤ２及び半導体スイッチＬＳ１は、アースＧＮＤに相互接続される。２つの分岐の分圧点には、コイルＬ＿ｃｏｉｌが内部抵抗Ｒ＿ｃｏｉｌと共に接続されている又は接続可能である。半導体スイッチＨＳ１及びＬＳ１は、それぞれに対応付けられた直列抵抗Ｒｖ１又はＲｖ２を介して、それぞれ、駆動制御電圧ＶＡ１又はＶＡ２を用いて駆動制御可能である。半導体スイッチＨＳ１はセルフブロッキングｐチャネルＭＯＳＦＥＴであり、それに対して半導体スイッチＬＳ１はセルフブロッキングｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。ここでは他の半導体スイッチを使用することも考えられ、その場合には、駆動制御ロジックがこれに適合化可能である。スイッチオン動作モードでは、２つの半導体スイッチＨＳ１及びＬＳ１は、導通状態に切り替えられる。それゆえ、電流は、供給電圧＋ＵＢから半導体スイッチＨＳ１を介してコイルＬ＿ｃｏｉｌに流れ、さらに半導体スイッチＬＳ１に流れてアースに流れる。これにより、コイルＬ＿ｃｏｉｌでは増加する電流通流が生じる。後続の弱消弧法では、半導体スイッチＨＳ１及びＬＳ１のうちの一方が遮断状態に切り替えられる。コイルに流れる電流は、開放された半導体スイッチと、ダイオードのうちの１つとによって自身の経路に誘導される。詳細には、半導体スイッチＬＳ１が開放された場合には、ダイオードＤ１により、半導体スイッチＨＳ１が開放された場合には、ダイオードＤ２により、自身の経路に誘導される。フリーホイール回路内には、それぞれ、一方のダイオード電圧のみと、導通接続された半導体スイッチの内部抵抗とが加わり、このことは、コイルＬ＿ｃｏｉｌに流れる電流通流の緩慢な減少に結び付く。このことは、コイルに流れる電流通流Ｉを時間軸ｔに亘って示している図１０から見て取れる。約３．５ミリ秒の時点から６．５ミリ秒付近の時点までは、電流の適度な低下が観察され、これは弱消弧法の動作モードによって生じている。強消弧法を実施するためには、２つの半導体スイッチＬＳ１及びＨＳ１が遮断される。それにより、コイルＬ＿ｃｏｉｌ内の電流には、ダイオードＤ１及びＤ２の順方向の経路のみが残され、これらのダイオードＤ１，Ｄ２は、コイルを、供給電圧＋ＵＢとアースとの間で充電方向に切り替える。コイルＬ＿ｃｏｉｌには、充電電圧が生じ、この充電電圧を用いて、エネルギーが、供給電圧＋ＵＢを提供するエネルギー供給装置へ送出される。このエネルギーの強い送出により、図１０中の６．５ミリ秒付近の強消弧法導入後の急峻な低下に見られるように、コイルＬ＿ｃｏｉｌ内の電流が非常に迅速に消滅する。このようにして、コイル内のエネルギーは、損失熱に変換されるのではなく、電流供給装置にフィードバックされる。

図８ｂは、駆動制御回路の形態の本発明の第４の実施形態を示す。この駆動制御回路は、Ｈブリッジとして構成されており、この場合、Ｈブリッジの２つの分岐は、それぞれ２つの半導体スイッチを備えており、詳細には左方の分岐には、ＨＳ１及びＬＳ１を備え、右方の分岐には、ＨＳ２及びＬＳ２を備える。半導体スイッチＨＳ１とＬＳ１との間の分圧点の間、又は、導体スイッチＨＳ２とＬＳ２との間の分圧点の間には、コイルＬ＿ｃｏｉｌが、その内部抵抗Ｒ＿ｃｏｉｌと共に接続されている。このコイルは、例えばプラグインコンタクトを介して回路から取り外し可能であってもよい。このＨブリッジは、供給電圧＋ＵＢとアースＧＮＤとの間で形成されている。半導体スイッチＨＳ１，ＨＳ２，ＬＳ１及びＬＳ２の各々には、それぞれ１つの従来のダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３又はＤ４が並列に接続されており、この場合、これらのダイオードは、ソース及びドレインに接続されている。これらのダイオードは、供給電圧＋ＵＢに関して阻止方向に配置されている。スイッチオン動作モードでは、半導体スイッチＨＳ１及びＬＳ２、又は、半導体スイッチＨＳ２及びＬＳ１が、導通状態に切り替えられる。それぞれ供給電圧＋ＵＢに接続され、かつ、導通状態に切り替えられる半導体スイッチＨＳ１又はＨＳ２と、相補的に同じように導通状態に切り替えられる半導体スイッチＬＳ２又はＬＳ１とを介して、供給電圧＋ＵＢからコイルを通ってアースＧＮＤに向かう電流パスが生成される。コイルＬ＿ｃｏｉｌに印加される供給電圧＋ＵＢにより、コイルＬ＿ｃｏｉｌ内では増加する電流通流が生じる。半導体スイッチＨＳ１及びＬＳ２が導通状態に切り替えられた場合には、コイル内の電流は、図８ｂにおいて右方に向かう。一方、半導体スイッチＨＳ２及びＬＳ１が導通状態に切り替えられた場合には、電流は左方に向かう。コイル電流の弱い電流消弧を生じさせるために、半導体スイッチＬＳ１又はＬＳ２は導通状態に、かつ、半導体スイッチＨＳ１及びＨＳ２は遮断状態にさせることができる。また、代替的に、半導体スイッチＨＳ１又はＨＳ２は導通状態に、かつ、半導体スイッチＬＳ１及びＬＳ２は遮断状態にさせることもできる。このようにして、コイル内部抵抗Ｒ＿ｃｏｉｌと、半導体スイッチ及びダイオードの内部抵抗とが存在するフリーホイール回路が形成される。このフリーホイール回路は、コイル電流の緩慢な減少に結び付く。既に図８ａを参照して説明したように、このことは、図１０中の３．５ミリ秒の時点と６．５ミリ秒の時点との間において見て取れる。強電流消弧法の動作モードのためには、４つの全ての半導体スイッチＨＳ１，ＨＳ２，ＬＳ１及びＬＳ２が遮断される。コイル電流は、２つのダイオードを通って順方向でのみ、供給電圧＋ＵＢを提供する電流供給装置に流れることができ、詳細には、左方に向かってコイルＬ＿ｃｏｉｌに流れる電流の場合には、ダイオードＤ１及びＤ４を通って流れ、右方に向かってコイルＬ＿ｃｏｉｌに流れる電流の場合には、ダイオードＤ２及びＤ３を通って流れる。このようにして、電流供給装置へのコイル電流のフィードバックが行われる。

半導体スイッチＨＳ１及びＨＳ２は、セルフブロッキングｐチャネルＭＯＳＦＥＴであり、それに対して半導体スイッチＬＳ１及びＬＳ２は、セルフブロッキングｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。しかしながら、他の半導体スイッチタイプも使用することが可能であり、その際には、制御ロジックが相応に適合化され得る。

図９は、コイルにおける電圧の線図を時間軸ｔに亘って示す。０秒と３．５ミリ秒との間のスイッチオン動作中に、コイルには供給電圧＋ＵＢが印加される。３．５ミリ秒付近のスイッチオン持続時間の終了後に、電圧Ｕは、ほぼゼロまで低下する。この電圧は、開放された半導体スイッチの内部抵抗に基づいてわずかだけ負である。強電流消弧法が実施された後では、電圧は非常に急峻に低下し、その場合、この電圧は、供給電圧＋ＵＢの絶対値よりも大きな負の値に達し得る。そのように急峻な負の電圧のもとでは、電圧は少なくともほぼ漸近的に０ボルトに近づく。

図１０は、コイルに流れる電流を、時間軸に亘って示した線図であり、ここでは図９と同じ期間が示されている。０秒の時点から３．５ミリ秒の時点まで、電流強度のほぼ一定の上昇が起きていることが見て取れる。これは、図８ａ及び図８ｂの駆動制御回路のスイッチオン動作モードに相応する。弱電流消弧法が、３．５ミリ秒の時点から６．５ミリ秒の時点の間に導入されており、これによって、電流強度Ｉは、３．５ミリ秒付近からピーク値の約３／４のところまで緩慢に低下している。６．５ミリ秒の時点の付近では、図８ａ及び図８ｂの駆動制御回路は、強消弧法に移行している。この強消弧法は、数百マイクロ秒以内の電流の大きな低下と、それに続く漸近的な無電流状態への近似とを引き起こし、この場合は非常にわずかな電流強度しか現れない。

Claims (14)

1. 電磁石のコイル（１）を用いて駆動されるピストンポンプを動作させるための方法であって、
   前記電磁石を用いて前記ピストンポンプのピストン（２）は、復元力に抗して運動可能であり、
   前記電磁石のスイッチオン持続時間の間に、電圧（Ｕ）が前記コイル（１）に印加され、それによって、電流（Ｉ）が前記コイル（１）を通って流れて、前記ピストン（２）が加速される、方法において、
   前記コイル（１）内の電流（Ｉ）のために、２つの異なる消弧法が使用され、
   前記ピストン（２）の、復元力に抗した運動が識別されると同時に、前記電磁石の前記スイッチオン持続時間が終了させられ、
   前記ピストン（２）の加速の後で、最初に弱消弧法が使用され、その後で強消弧法が使用され、
   前記弱消弧法の効力は、前記ピストン（２）をストッパに保持するために発揮される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記ピストン（２）がストッパに到達する前に、又は、前記ピストン（２）が前記ストッパに到達する時点で、又は、前記ピストン（２）が前記ストッパに到達した後の時点で、前記弱消弧法の効力を発揮させる、請求項１に記載の方法。
3. 前記弱消弧法の適用が終了した後で、前記強消弧法の効力が発揮され、その際に復元力が前記ピストン（２）を前記ストッパから離隔させる、請求項２に記載の方法。
4. 前記コイル（１）内の電流（Ｉ）の消弧は、前記弱消弧法の場合には、前記コイル（１）を、開放された半導体スイッチ（ＨＳ１，ＨＳ２，ＬＳ１，ＬＳ２）を介して短絡させることで生じさせる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記コイル（１）内の電流の消弧は、前記強消弧法の場合には、前記コイル（１）を、抵抗（Ｒ１）を介して、短絡させることにより生じさせる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記抵抗（Ｒ１）は、オーム抵抗（Ｒ１）、又は、半導体接合部抵抗を備えた半導体素子である、請求項５に記載の方法。
7. 前記半導体接合部抵抗を備えた前記半導体素子は、ツェナーダイオード（ＺＤ１）である、請求項６に記載の方法。
8. 前記強消弧法を用いた前記コイル（１）からの電流（Ｉ）の消弧の際に、エネルギーを、エネルギー供給装置にフィードバックさせる、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記スイッチオン持続時間は、内燃機関における所要の燃料体積流量に依存して設定可能である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記スイッチオン持続時間は、前記コイル（１）に印加される電圧（Ｕ）に依存して設定可能である、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ピストンポンプの駆動制御周波数は、内燃機関における所要の燃料体積流量に依存して設定可能である、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 電磁石のコイル（１）を用いて駆動可能な、ピストン（２）を有するピストンポンプを動作させるための電気的回路装置において、
    前記電気的回路装置は、少なくとも２つの半導体スイッチ（ＨＳ１，ＨＳ２，ＬＳ１，ＬＳ２）を有する半導体スイッチ装置を備えており、
    スイッチオン動作モードにおいて、前記半導体スイッチ装置を用いて、前記コイル（１）は、電流源（＋ＵＢ）とエネルギー供給装置の電流シンク（ＧＮＤ）との間の電流パスに接続可能であり、それにより、前記ピストン（２）は加速可能であり、
    弱電流消弧による保持動作モードにおいて、前記半導体スイッチ装置を用いて、前記コイル（１）は、前記スイッチオン動作モードのための前記電流パスから切り替え可能であり、かつ、１つ又は複数の半導体スイッチ（ＨＳ１，ＨＳ２，ＬＳ１，ＬＳ２）を用いて、フリーホイール回路に接続可能であり、
    強電流消弧による動作モードにおいて、前記半導体スイッチ装置を用いて、前記コイル（１）は、エネルギー受容装置を含むフリーホイール回路に接続されるように構成されている、
    ことを特徴とする電気的回路装置。
13. 電磁石のコイル（１）を用いて駆動される、ピストンを有するピストンポンプを動作させるための電気的回路装置において、
    前記電気的回路装置は、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成されている駆動制御装置を含むことを特徴とする、電気的回路装置。
14. 電磁石のコイル（１）を用いて駆動される、駆動制御装置を有するピストンポンプにおいて、
    前記駆動制御装置は、請求項１２に記載の電気的回路装置を含むことを特徴とするピストンポンプ。

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