WO2016119918A1 - Verfahren zum betreiben einer kolbenpumpe, ansteuereinrichtung einer kolbenpumpe und kolbenpumpe - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer kolbenpumpe, ansteuereinrichtung einer kolbenpumpe und kolbenpumpe Download PDF

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extinguishing
semiconductor switch
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Frank Nitsche
Thorsten Allgeier
Walter Maeurer
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a
  • Piston pump which is driven by means of a coil of an electromagnet, wherein by means of the electromagnet, a piston of the piston pump against a
  • Restoring force is movable.
  • the coil is subjected to a voltage, so that it drives a current through the coil.
  • the coil causes magnetic forces and accelerates the piston.
  • the invention relates to a drive device for the piston pump and a
  • Piston pump with a drive device.
  • piston pumps which are drivable by means of the coil of an electromagnet.
  • electromagnet can be, for example, as
  • Fuel pump can be used.
  • a pump is shown in a design as a lifting armature pump in FIG.
  • the piston pump comprises a spool 1, a piston 2 with a piston head 4, a cylinder 3, a coil spring 5 with an abutment 6 and a valve unit 7.
  • a current flows through the coil 1, a magnetic flux is caused by the same
  • the control of the pump is usually via an electrical
  • Freewheeling circuit over which the current continues to flow in the coil when decaying This is referred to as "erase.”
  • Fast erasure can be accomplished by passing the current across a device that quickly converts the energy in the coil into heat
  • the circuit used has a semiconductor switch, by means of which in a first
  • FIG. 3 shows the course of the voltage U across the coil over time t in seconds. After a switch-on takes place after the end of a voltage dip, which runs through the withdrawal of energy from the coil with time against the voltage zero.
  • the current I through the coil over the same period is shown, which is also shown in Figure 3.
  • the current I increases during the duty cycle of the voltage U and falls sharply after reaching the end, so that it is zero after a short time.
  • the disadvantage of this solution is that the current is abruptly deleted and the piston thus remains only a short time in a strongly deflected position. This period of time may be due to the
  • Inertia of the hydraulic system may not be enough to do that Optimum filling of pump volume.
  • Inertia of the hydraulic system may not be enough to do that Optimum filling of pump volume.
  • at a strong energization and in an operating condition with relatively small hydraulic resistance of the piston strike a stop, resulting in a considerable
  • a second extinguishing method significantly extends the possibilities of turning off the power, but is not as expensive as one
  • the piston can be accelerated first, whereby it reaches a stop.
  • a first erasing procedure e.g. causes the piston to be held against the stop.
  • the fluid to be pumped has sufficient time to fill the pumping volume.
  • the delivery rate of the pump is improved, wherein a delivery rate, the ratio of an actually present in the cylinder fluid volume to the theoretically maximum possible filling is understood.
  • Extinguishing method can be used, which quickly clears the current in the coil. Then the piston moves by the restoring force in a position from which it is accelerated again in the direction of the stop.
  • Extinguishing method is used.
  • a weak erase method an erase method is referred to, in which the current through the coil decreases only slowly. Accordingly, the magnetic force generated by the coil also decreases only slowly.
  • a low resistance in particular at least approximately a short circuit, can be present in the freewheeling circuit.
  • the current through the coil is reduced considerably faster than in the case of a weak extinguishing method.
  • an impedance can be provided in the freewheeling circuit, at which a high electrical power is converted into heat at the present voltage and current.
  • the impedance may also be provided by a semiconductor junction. In many reciprocating piston pumps, the magnetic force is along the path of the
  • Piston progressive whereby it is the largest at the stop. Therefore, a small current passes through the coil at the stop to keep the piston at the stop. Therefore, if only little energy is extracted from the coil by the weak extinguishing method, this is sufficient to hold the piston against the stop.
  • the weak extinguishing method it is conceivable that the weak
  • Extinguishing method is used while the piston is still in motion on the stop.
  • the piston reaches the stopper by his
  • the time of application of the weak and the strong quenching process can be set so that the best possible pumping results.
  • the behavior of the pump can be further optimized by determining, by means of a measuring method, a point in time at which the piston starts to move and in response to which the switch-on duration is terminated. The then stored in the coil
  • Energy content is preferably sufficient that the resulting
  • Magnetic action moves the piston to the stop.
  • the magnetic energy generated by the coil is well utilized.
  • the termination of the duty cycle when detecting a movement of the piston is advantageous because a movement of the piston can be detected quite well in comparison to its standstill, in particular on the onset of counter tension in the coil, resulting from the piston movement.
  • the piston is prior to its movement to a rest stop, which is different from the abovementioned stop.
  • the coil short-circuited via a semiconductor switch.
  • the current flowing in the coil can thus run across the freewheeling circuit, resulting in a relatively low energy loss from the coil.
  • the resistance of the opened semiconductor switch as well as the internal resistance of the coil as well as possibly significant line resistances convert part of the energy of the coil into heat. Overall, there is a slow drop in the
  • Amperage through the coil preferably to a similar extent as the current increase during the duty cycle.
  • Embodiment it is conceivable to feed power from the coil into a power supply device in the strong erase process, which is in particular a power supply device, was taken from the power for the coil during the duty cycle. Then it is a return feed.
  • the coil may also be connected in an H-bridge, wherein the coil is arranged between the voltage divider points of the two branches.
  • the endpoints of the branches are connected.
  • a supply voltage is applied, which preferably originates from a power supply device.
  • DC voltage is preferably applied.
  • the two branches in each case at least one semiconductor switch is connected, wherein one of the semiconductor switches in one
  • a diode is in each case arranged in the remaining two sub-branches from the voltage divider points to the respective other end points of the branches, which is polarized in the reverse direction with respect to the supply voltage.
  • Duty cycle the two semiconductor switches are switched conductive, so that can tile over them and the coil current.
  • one of the semiconductor switches is closed while the other is opened. Then, a freewheeling circuit can form over the opened semiconductor switch and one of the diodes.
  • Power supply device drives.
  • each of the diodes in the aforementioned partial branches is replaced by a semiconductor switch. Then, the direction of the current through the coil can be determined by switching the two semiconductor switches, which are already in the previous one, in one direction
  • the additional semiconductor switches can be switched to be conductive, while the semiconductor switches block the basic variant.
  • the function of the diodes for the freewheeling operation can be simulated.
  • Semiconductor switches have the advantage that they can have a lower internal resistance in regenerative operation than the diodes.
  • each of the semiconductor switches is provided with a freewheeling diode.
  • the free-wheeling diodes are connected in the reverse direction with respect to the supply voltage and connected in each case to the source and drain of their semiconductor switch.
  • This constellation can be by appropriate switching of the semiconductor switch cause either the internal resistance of the semiconductor switch or the resistance of the semiconductor junction of the diode or the reverse resistance of the diode are effective in a freewheeling circuit.
  • a weak erase process can thus take place via a freewheeling circuit with two semiconductor switches connected in a conductive manner, which are both connected together at the same end of the H-bridge. In particular, the other two semiconductor switches are switched off.
  • Freewheeling circuit in the forward direction which diode this is depends on the current direction through the coil and on whether the freewheeling circuit in the sub-branches at the supply voltage potential or
  • a freewheeling circuit for the strong quenching process can be switched by locking all semiconductor switches. Then, a freewheeling circuit forms over two of the freewheeling diodes and the
  • Semiconductor switches which are parallel to the conductive diodes, are switched conductive.
  • an H-bridge circuit for powering the coil is designed as an integrated circuit on a chip.
  • the time of activation becomes a weak one
  • Duty cycle and / or the holding time set in dependence on mechanical and / or hydraulic properties of the piston pump.
  • An operating point is defined as a function of the delivery rate and the pumping frequency.
  • the temperature of the coil is determined and carried out by means of the temperature information, a correction of the calculated time. This may be due to a deviation of the resistance Temperature drift are calculated and the temperature-corrected resistance value can be used in the above formula, so that a temperature-corrected
  • Duty cycle t is calculated. The calculation of the change of a
  • the piston pump is designed as a fuel pump for an internal combustion engine.
  • the pump frequency of the piston pump can be adapted to a required amount of fuel.
  • the pump frequency is adjusted so that the piston pump delivers a little more fuel than the internal combustion engine needed. Compared to a design with permanent full load of the pump results in a significant energy savings.
  • the fuel delivery rate can also be effected by adjusting the pump stroke.
  • the duty cycle of the coil can be adapted to a required amount of fuel.
  • the pump stroke is preferably adjusted so that the fuel pump delivers a little more fuel than the internal combustion engine requires. The calculation of the duty cycle can be performed for example in a control unit of the internal combustion engine. The required minimum flow rate to supply the
  • the internal combustion engine may be calculated from engine speed, injector injection time, and steady state flow rate at a given or modeled injection pressure.
  • the following formula can be used for this:
  • Q a Zy i / 2 ⁇ n mot ⁇ t, ⁇ Qmj.stat
  • Q is a fuel delivery volume
  • a Zy i the number of cylinders of the internal combustion engine, n mot , the speed of the engine, t, the effective injection time and O bstat a steady fuel flow through an open injector.
  • the frequency of the piston pump is preferably not reduced to near zero for very small volume flows required, but limited to a minimum frequency at which the pump is still stable.
  • the minimum frequency can be, for example, 30 Hz.
  • f pU mp, opt means an optimum pump frequency, f pU mp, max the maximum possible pump frequency, z. B. 100 Hertz, Q closely in the required for the internal combustion engine fuel volume flow and Q pU mp, max the volume flow, the maximum can deliver the pump.
  • Correction factor can be calculated in advance and z. B. deposited in an engine control unit. Also, individual, some or all of the above-mentioned control parameters, in particular optimal control parameters can be calculated either during engine operation in the control unit or in dependence on a variable variable, such as the operating voltage
  • the control can be parameterized according to the calculated or retrieved values.
  • the duty cycle is while the one
  • volume flow adjustable An increased volume flow is with a
  • the length of the duty cycle can be stored as a function of the flow rate.
  • the duty cycle is adjustable in dependence on the voltage applied to the coil.
  • the voltage applied to the coil depends on a supply voltage of the piston pump.
  • the switch-on duration can be set as a function of the coil voltage or the supply voltage.
  • a drive frequency of the piston pump with which the pump performs pump strokes depending on a required
  • volume flow adjustable A corresponding relationship between the pumping frequency and the volume flow can be stored for the application by means of the switching device. It is also possible to have a simultaneous one
  • Circuit arrangement for operating a means of a coil of a
  • Electromagnet driven piston pump proposed with a piston.
  • the circuit arrangement has a
  • Semiconductor switch device with at least two semiconductor switches on.
  • the semiconductor switch device is configured to implement various modes of operation or cancellation method of the piston pump. It can the
  • Solid-state switch means in a switch-on mode, the coil to apply a voltage, which causes a current flowing through the coil.
  • the coil can be switched into a current path between a current source and a current sink of a power supply device.
  • this causes a weak current quenching to take place in the coil.
  • the coil can be switched out of the current path for the switch-on mode and instead be short-circuited via one or more semiconductor switches.
  • Semiconductor circuit device configured to switch the coil in a current path, which comprises a power receiving device. Energy from the
  • Energy absorption device designed as an energy storage, which is suitable for receiving energy from the circuit arrangement.
  • it may be a capacitor and / or a battery or an accumulator.
  • Energy receiving device may also be a power grid to which other consumers are connected, which can absorb energy.
  • the energy absorption device is an electrical system of a motor vehicle.
  • the energy absorption device is an electrical system of a motor vehicle.
  • Corresponding energy absorption devices may be, for example, an ohmic resistance or a semiconductor junction.
  • Circuit arrangement is configured to carry out one of the methods described above.
  • a piston pump which has in a drive device, an electrical circuit arrangement according to the aspect described above. It is conceivable that the control device is spatially separated from the pump and connected to this by lines or connectable. It is also conceivable that parts of the drive device are arranged on the piston pump, while other parts are arranged away from the piston pump. Further, it is conceivable that a part of the drive means is arranged on the piston pump, while another part is removed from the piston pump and connected thereto by lines or connectable.
  • Figure 1 shows a section through a Hubankerkolbenpumpe according to the prior art
  • Figure 2 is a known in the art driving circuit for a
  • FIG. 3 shows a diagram with a known profile of a voltage across a coil, which is driven by the drive circuit of FIG. 2,
  • FIG. 4 shows a diagram with a known progression of a current over time when the coil is driven with the drive circuit from FIG. 2 for the same time period as in FIG. 3,
  • FIG. 5a shows a first embodiment of a drive circuit according to the invention
  • Figure 5b shows a second embodiment of a drive circuit according to the
  • FIG. 5c shows a third embodiment of a drive circuit according to the invention
  • FIG. 5 d shows a fourth embodiment of a drive circuit according to FIG.
  • FIG. 6 shows a graph with a profile of the voltage across the coil when driven by one of the drive circuits shown in FIGS. 5a or 5b over time
  • FIG. 7 shows a diagram with a current flow over time which results from the voltage on the coil shown in FIG. 6, the same time segment being illustrated in FIG. 6,
  • FIG. 8a shows a third embodiment of a drive circuit according to FIG.
  • FIG. 8b shows a fourth embodiment of a drive circuit according to FIG.
  • FIG. 9 shows a diagram with a profile of the voltage across the coil when driven by one of the drive circuits shown in the figures 5a or 5b over time and
  • FIG. 10 shows a diagram with a current flow over time which results from the voltage on the coil shown in FIG. 6, the same time segment being shown in FIG.
  • FIG. 5a schematically shows a drive circuit according to the invention in one embodiment
  • Circuit diagram Central to the circuit is a current path from a positive supply voltage + UB to a ground terminal GND. In this path, starting at the supply voltage + UB, a zener diode ZD1 in the forward direction, in addition to a conventional diode D1 in the reverse direction and to a first series semiconductor switch LS1 arranged in series. Parallel to the
  • Zener diode ZD1 is a second semiconductor switch HS1 connected.
  • a coil L coil and an internal resistance R coil can be connected to the current path by the coil can be connected in parallel with that of a series circuit of the diodes ZD1 and D1.
  • the semiconductor switch HS1 is preferably formed as a p-channel MOSFET. It is via a resistor Rv2 by means of a
  • the semiconductor switch LS1 is preferably a self-blocking n-channel MOSFET. It can be controlled via a series resistor Rv1 via a drive voltage VA1. In a switch-on operation, in which the coil is supplied with voltage, so that an increasing current flow results therein, the semiconductor switch LS1 can be closed, for which purpose it can be driven with a drive voltage VA1. As a result, a current flow from the supply voltage + UB through the coil and the semiconductor switch LS1 to ground GND can be formed. The path section via the diodes ZD1 and D1 is blocked because the diode D1 is reverse-connected. A change in the state of the semiconductor switch HS1 does not change the current flow, since this current through the semiconductor switch HS1 also blocked by the diode 1. According to a weak one
  • the semiconductor switch LS1 is opened by the
  • Semiconductor switch HS1 is closed by a gate to its gate
  • Free-wheeling circuit causes the current through the coil to slowly attenuate, as can be seen in Figure 7 from a drop to a peak at about 0.0035 seconds. Further, in the drive circuit, a strong erase method can be used by both the
  • Semiconductor types also other semiconductors come into consideration, in particular for the semiconductor switches.
  • a change in the semiconductor types can be compensated by a corresponding change in the drive potentials to maintain the functionality.
  • Figure 5b shows a second drive circuit according to the invention, which differs slightly from the drive circuit of Figure 5a. It is in the
  • FIG. 5a In contrast to the drive circuit of FIG. 5a, FIG.
  • Control circuit of Figure 5b instead of the Zener diode ZD1 an ohmic resistor R1. Therefore, instead of at the semiconductor junction in the Zener diode, the energy from the coil L coil ohms in the resistor R1 are converted into heat.
  • FIG. 5c shows the embodiment of FIG. 5a, with the difference that the Zener diode ZD1 is not connected between the drain and source of the semiconductor switch HS, but is connected as a Zener diode ZD1 'between the drain and source of the semiconductor switch LS.
  • the Zener diode ZD1 is not connected between the drain and source of the semiconductor switch HS, but is connected as a Zener diode ZD1 'between the drain and source of the semiconductor switch LS.
  • Figure 5d shows the embodiment of Figure 5a, with the difference that the zener diode ZD1 is not connected between the drain and source of the semiconductor switch HS but as the zener diode ZD1 "between the drain of the semiconductor switch LS and the gate of the semiconductor switch LS1 a further diode D2 connected, which ensures that the semiconductor switch LS1 remains controllable by continuing to stress at the gate of
  • Semiconductor switch LS1 is buildable. To end the duty cycle of the semiconductor switch LS1 this is opened.
  • the semiconductor switch LS is designed as an n-channel MOSFET, so that in this state a low voltage is applied to the gate.
  • a freewheeling circuit with weak current quenching is formed via the semiconductor switch HS1 and the diode D1.
  • the semiconductor switch HS1 is opened while the coil is still energized, the voltage at the cathode of the Zener diode ZD1 "jumps to an increased potential due to the coil voltage, thereby raising the potential at the gate of the semiconductor switch LS1 so that the semiconductor switch LS1 is partially closed It turns out
  • Changing the switching state of the semiconductor switch HS1 Can thus be switched between strong and weak extinguishing effect.
  • the voltage between source and gate of the semiconductor switch HS1 results from the interaction of the voltage across the diode D1, the voltage at the Zener diode ZD1 ', the voltage at the diode D1 and the voltage at the resistor Rv2.
  • the output of the voltage source VA2 thereby low impedance.
  • semi-closed semiconductor switch HS1 drops a voltage, which leads to the rapid erasing of the coil current.
  • the semiconductor switch HS1 can be completely closed, resulting in a weak erase process.
  • FIG. 6 shows the course of a voltage across the coil L coil in FIGS. 5a and 5b. Over a period of time of about three milliseconds, a voltage of about 12 volts is applied. This corresponds to the switch-on duration during the switch-on operation.
  • the voltage across the coil is slightly less than 0 volts, because despite the current flow through them the semiconductor switch and the forward-biased diode D1 only a small diode voltage or have a low internal resistance at the semiconductor switch HS1.
  • the drive circuit goes into operation with a strong erase method.
  • FIG. 7 shows the current profile during the operation of one of the drive circuits of FIGS. 5a or 5b.
  • a switch-on mode from 0 to 3.5 milliseconds results in an approximately constant increase of the current up to a current spike.
  • Coil current slows by about 3/4 of the maximum value at 3.5 milliseconds. At 6.5 milliseconds, the operation of the drive circuit goes to a strong one
  • Figure 8a shows a fifth embodiment of the invention in the form of a
  • Control circuit which can feed back coil current in a power supply device, which supplies the drive circuit with the supply voltage + UB. From the basic structure it concerns with the
  • Supply voltage + UB is connected in the reverse direction, to the
  • the semiconductor switches HS1 and LS1 can each be actuated by means of a drive voltage VA1 or VA2 via the respectively assigned series resistor RV1 or RV2.
  • the semiconductor switch HS1 is a normally-off p-channel MOSFET, while the semiconductor switch LS1 is a normally-off n-channel MOSFET. It is conceivable to use other semiconductor switches here as well, wherein the drive logic can be adapted to it. In a switch-on operation, both semiconductor switches HS1 and LS1 are switched to passage. Therefore, electricity from the
  • Supply voltage + UB provides. Due to the strong release of energy, the current in the coil L coil extinguishes very rapidly, as can be seen in FIG. 10 from the strong drop after the strong extinguishing process has been put into operation at 6.5 milliseconds. In this way, the energy in the coil is not converted into waste heat, but fed back into the power supply device.
  • Figure 8b shows a fourth embodiment of the invention in the form of a
  • the drive circuit is constructed as an H-bridge, wherein both branches of the H-bridge each have two semiconductor switches, namely in the left branch HS1 and LS1, and in the right branch HS2 and LS2. Between the voltage divider points between the semiconductor switches HS1 and LS1 or HS2 and LS2, the coil L coil is connected with its internal resistance R coil. The coil may be removable from the circuit, for example via
  • the H-bridge is designed between a supply voltage + UB and ground GND.
  • Each of the semiconductor switches HS1, HS2, LS1 and LS2 each have a conventional diode D1, D2, D3 and D4 connected in parallel, the diodes being connected to the source and drain, respectively.
  • the diodes are arranged in the reverse direction with respect to the supply voltage + UB.
  • a switch-on operation either the semiconductor switches HS1 and LS2 or the semiconductor switches HS2 and LS1 are switched through. Via the respectively connected to UB and connected to passage semiconductor switch HS1
  • Semiconductor switch LS2 or LS1 is a current path of the
  • the semiconductor switches HS1 and HS2 can pass and LS1 and LS2 are turned off. In this way, there is a freewheeling circuit in which the coil internal resistance R coil and the
  • Milliseconds and 6.5 milliseconds in Figure 10 can be seen.
  • all four semiconductor switches HS1, HS2, LS1 and LS2 are blocked.
  • the coil current can flow only in the forward direction through two of the diodes in the power supply device, which provides the supply voltage + UB, namely in the case of a leftward current through the coil L coil, through the diodes D1 and D4, and in the case of a right through the coil L coil directed current diodes D2 and D3. In this way, a return of the coil current takes place in the power supply device.
  • the semiconductor switches HS1 and HS2 are normally off p-channel MOSFETs while the semiconductor switches LS1 and LS2 are normally off n-channel MOSFETs.
  • other semiconductor switch types can be used, wherein the drive logic can be adjusted accordingly.
  • FIG. 9 shows a diagram of a voltage across the coil over time t.
  • the supply voltage + UB is applied to the coil.
  • the voltage U drops to almost zero. It is slightly negative due to the internal resistance of the opened semiconductor switch. After putting into effect the strong current extinguishing process, the voltage drops very sharply and can reach negative values greater than the magnitude of the supply voltage + UB. At such a highly negative voltage, the voltage approaches at least approximately asymptotically 0 volts.
  • FIG. 10 shows a diagram in which a current through the coil over time is shown, wherein the same period of time as in FIG. 9 is shown. It can be seen that from the time 0 seconds to a time of 3.5

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenpumpe, die mittels einer Spule (1) eines Elektromagneten angetrieben wird, wobei mittels des Elektromagneten ein Kolben (2) der Kolbenpumpe gegen eine Rückstellkraft bewegbar ist, wobei während einer Einschaltdauer eine Spannung (U) an die Spule (1) angelegt wird, sodass ein Strom (I) durch die Spule (1) fließt und der Kolben (2) beschleunigt wird, wobei zwei unterschiedliche Löschverfahren für den Strom (I) in der Spule (1) eingesetzt werden.

Description

Beschreibung
Titel
VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINER KOLBENPUMPE, ANSTEUEREINRICHTUNG EINER KOLBENPUMPE UND KOLBENPUMPE
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer
Kolbenpumpe, die mittels einer Spule eines Elektromagneten angetrieben wird, wobei mittels des Elektromagneten ein Kolben der Kolbenpumpe gegen eine
Rückstellkraft bewegbar ist. Während einer Einschaltdauer wird die Spule mit einer Spannung beaufschlagt, sodass diese einen Strom durch die Spule treibt. Die Spule bewirkt Magnetkräfte und beschleunigt den Kolben. Weiter betrifft die Erfindung eine Ansteuereinrichtung für die Kolbenpumpe sowie eine
Kolbenpumpe mit einer Ansteuereinrichtung.
Im Stand der Technik sind Kolbenpumpen bekannt, welche mittels der Spule eines Elektromagneten antreibbar sind. Diese können beispielsweise als
Kraftstoffpumpe eingesetzt werden. Beispielhaft ist eine solche Pumpe in einer Ausführung als Hubankerpumpe in der Figur 1 dargestellt. Die Kolbenpumpe umfasst eine Spule 1 , einen Kolben 2 mit einem Kolbenboden 4, einen Zylinder 3, eine Schraubenfeder 5 mit einem Widerlager 6 und eine Ventileinheit 7. Wenn durch die Spule 1 ein Strom fließt, wird ein magnetischer Fluss durch deren
Inneres bewirkt. Dadurch wird der Kolben 2 magnetisch von der Ventileinheit 7 wegbewegt, wodurch die Schraubenfeder 5 gegen ihr Widerlager 6 vorgespannt wird. Das Volumen zwischen der Ventileinheit 7 und dem Kolbenboden 4
vergrößert sich, wodurch ein Ansaugvorgang stattfindet. Merklich nach dem
Erreichen einer Maximalposition eines Arbeitshubs an einem Anschlag 8 wird der Strom in der Spule 1 abgeschaltet, sodass der Kolben an dem Anschlag 8 verbleibt, um zu ermöglichen, dass ein Ansaugvorgang vollständig ausgeführt wird. Der Kolben 2 wird danach durch die Vorspannung der Schraubenfeder 5 in Richtung der Ventileinheit 7 bewegt, wodurch ein Ausschiebevorgang stattfindet, bei dem das zu pumpende Fluid in die Ventileinheit 7 geschoben wird. Es ist auch ein Pumpen denkbar, bei dem das Ausschieben mittels Magnetwirkung und das Ansaugen mittels Federwirkung ausgeführt werden. Beispielsweise kann eine solche Hubankerkolbenpumpe als Kraftstoffpumpe für einen
Verbrennungsmotor dienen.
Die Ansteuerung der Pumpe erfolgt in der Regel über eine elektrische
Rechteckspannung mit Vorgabe der Ansteuerfrequenz und Einschaltdauer pro Pumpenhub, sowie einer Schnelllöschung. Durch eine solche Ansteuerung der Pumpe wird in der Spule ein Stromfluss erzeugt, welcher durch die
Magnetwirkung der Spule auch bei Wegnahme einer treibenden Spannung weiter fließt. Das Abklingen dieses Stroms hängt von dem Widerstand in einem
Freilaufstromkreis ab, über welchen der Strom in der Spule beim Abklingen weiter fließt. Dies wird als„Löschvorgang" bezeichnet. Eine Schnelllöschung kann bewirkt werden, indem der Strom über ein Bauelement geleitet wird, welches die Energie in der Spule schnell in Wärme umwandelt. Mit einem
Kurzschluss oder einem sehr hohen Widerstand kann der Spule dagegen nur wenig Energie entzogen werden. Daher ist eine geeignete Impedanz für eine Schnelllöschung erforderlich. Statt eines ohmschen Widerstandes kann auch ein Halbleiterwiderstand eingesetzt werden. Eine Ansteuerschaltung für diese
Vorgänge ist als Stand der Technik in Figur 2 gezeigt. Die verwendete Schaltung weist einen Halbleiterschalter auf, mittels welchem in einem ersten
Betriebszustand eine Bestromung der Spule und in einem zweiten
Betriebszustand ein Freilauf der Spule über eine Zenerdiode geschaltet wird, was durch Umsetzung der Energie aus der Spule in Wärme an der Zenerdiode zu einer Schnelllöschung des Stroms durch die Spule führt. In Figur 3 ist der Verlauf der Spannung U an der Spule über die Zeit t in Sekunden dargestellt. Nach einer Einschaltdauer erfolgt nach deren Ende ein Spannungseinbruch, welcher durch den Entzug von Energie aus der Spule mit der Zeit gegen die Spannung Null läuft. In Figur 4 ist der Strom I durch die Spule über denselben Zeitraum dargestellt, der auch in Figur 3 dargestellt ist. Der Strom I steigt während der Einschaltdauer der Spannung U an und fällt nach Erreichen von deren Ende stark ab, sodass er nach kurzer Zeit Null beträgt. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Strom abrupt gelöscht wird und der Kolben somit nur kurze Zeit in einer stark ausgelenkten Position verbleibt. Diese Zeitdauer kann aufgrund der
Trägheit des hydraulischen Systems unter Umständen nicht ausreichen, um das Pumpvolumen optimal zu füllen. Außerdem kann bei einer starken Bestromung und in einem Betriebszustand mit relativ kleinem hydraulischen Widerstand der Kolben an einen Anschlag schlagen, was zu einer erheblichen
Geräuschentwicklung führen kann.
Weiter sind stromgeregelte Endstufen bekannt, welche recht kostspielig sind. Offenbarung der Erfindung
Um die vorgenannten Nachteile auszuräumen, wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, zwei unterschiedliche Löschverfahren für den Strom in der Spule einzusetzen. Ein zweites Löschverfahren erweitert die Möglichkeiten der Abschaltung des Stroms erheblich, ist jedoch nicht so teuer wie eine
Stromregelung. Denkbar ist, auch mehr als zwei unterschiedliche Löschverfahren für den Strom der Spule einzusetzen.
Beispielsweise kann der Kolben zunächst beschleunigt werden, wodurch er einen Anschlag erreicht. Mittels eines ersten Löschverfahrens kann z.B. bewirkt werden, dass der Kolben an dem Anschlag gehalten wird. Auf diese Weise kann bewirkt werden, dass dem zu pumpenden Fluid ausreichend Zeit zur Verfügung steht, um das Pumpvolumen zu füllen. Auf diese Weise wird der Liefergrad der Pumpe verbessert, wobei unter einem Liefergrad das Verhältnis eines tatsächlich im Zylinder vorhandenen Fluidvolumens zur theoretisch maximal möglichen Füllung verstanden wird. Um nach einer Haltezeit ein schnelles Lösen des Kolbens von dem Anschlag zu bewirken, kann z.B. ein zweites, anderes
Löschverfahren eingesetzt werden, das den Strom in der Spule schnell löscht. Daraufhin bewegt sich der Kolben durch die Rückstellkraft in eine Position, von der aus er erneut in Richtung des Anschlags beschleunigt wird.
Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass nach dem Beschleunigen des Kolbens erst ein schwaches Löschverfahren und danach ein starkes
Löschverfahren zum Einsatz kommt. Als ein schwaches Löschverfahren wird ein Löschverfahren bezeichnet, bei dem der Strom durch die Spule nur langsam abnimmt. Dementsprechend nimmt auch die von der Spule erzeugte Magnetkraft nur langsam ab. Dazu kann ein geringer Widerstand, insbesondere wenigstens näherungsweise ein Kurzschluss, in dem Freilaufstromkreis vorliegen. Dagegen wird bei einem starken Löschverfahren bewirkt, dass der Strom durch die Spule erheblich schneller abnimmt, als bei einem schwachen Löschverfahren. Dadurch kann die von der Spule erzeugte Magnetkraft schneller abgebaut werden, als bei einem schwachen Löschverfahren. Dazu kann in dem Freilaufstromkreis eine Impedanz vorgesehen sein, an der bei der vorliegenden Spannung und dem vorliegenden Strom eine hohe elektrische Leistung in Wärme umgewandelt wird. Die Impedanz kann auch von einem Halbleiterübergang bereitgestellt werden. In vielen Hubankerkolbenpumpen ist die Magnetkraft entlang des Weges des
Kolbens progressiv, wobei sie am Anschlag am größten ist. Deshalb reicht am Anschlag ein geringer Strom durch die Spule aus, um den Kolben am Anschlag zu halten. Wird daher der Spule durch das schwache Löschverfahren nur wenig Energie entzogen, reicht dieses aus, um den Kolben an dem Anschlag zu halten. In einer weiteren Ausführungsform ist es denkbar, dass das schwache
Löschverfahren eingesetzt wird, während sich der Kolben noch in Bewegung auf den Anschlag zu befindet. Der Kolben erreicht den Anschlag durch seine
Massenträgheit, sowie unter Umständen auch durch eine während der
Anwendung des schwachen Löschverfahrens verbleibende Magnetwirkung der Spule. Um den Kolben von dem Anschlag zu lösen, kommt ein starkes
Löschverfahren zum Einsatz, welches einen starken Abfall des Stromes durch die Spule bewirkt. Die Möglichkeit, den Kolben auch in verschiedenen
Betriebszuständen auf einfache Weise definiert von dem Anschlag zu lösen, macht eine sehr flexible und effektive Steuerung der Pumpe möglich.
Insbesondere kann der Zeitpunkt der Anwendung des schwachen und des starken Löschverfahrens so gelegt werden, dass sich ein möglichst optimales Pumpverhalten ergibt.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Verhalten der Pumpe weiter dadurch optimiert werden, dass mittels eines Messverfahrens ein Zeitpunkt ermittelt wird, zu dem sich der Kolben in Bewegung setzt und als Reaktion darauf die Einschaltdauer beendet wird. Der dann in der Spule gespeicherte
Energieinhalt reicht bevorzugt dazu aus, dass die daraus resultierende
Magnetwirkung den Kolben bis zu dem Anschlag bewegt. Durch ein solches Verfahren wird die magnetische Energie, die von der Spule erzeugt wird, gut ausgenutzt. Die Beendigung der Einschaltdauer beim Erkennen einer Bewegung des Kolbens ist vorteilhaft, weil sich eine Bewegung des Kolbens im Vergleich zu seinem Stillstand recht gut detektieren lässt, insbesondere an einsetzender Gegenspannung in der Spule, die sich aus der Kolbenbewegung ergibt.
Vorzugsweise liegt der Kolben vor seiner Bewegung an einem Ruheanschlag an, der von dem vorstehend genannten Anschlag verschieden ist.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird bei dem schwachen
Löschverfahren die Spule über einen Halbleiterschalter kurzgeschlossen. Der in der Spule fließende Strom kann somit über den Freilaufstromkreis laufen, was zu einem relativ geringen Energieverlust aus der Spule führt. Der Widerstand des geöffneten Halbleiterschalters sowie der Innenwiderstand der Spule sowie möglicherweise signifikante Leitungswiderstände setzen einen Teil der Energie der Spule in Wärme um. Insgesamt ergibt sich ein langsamer Abfall der
Stromstärke durch die Spule, vorzugsweise in einem ähnlichen Ausmaß wie der Stromanstieg während der Einschaltdauer.
In einer weiteren Ausführungsform wird zur Durchführung des starken
Löschverfahrens die Spule in einen Freilaufstromkreis geschaltet, in dem ein Widerstand angeordnet ist, an dem Energie aus der Spule in erheblichem
Ausmaß in Wärme umgesetzt wird. Dieses führt zu einem starken Abfall der
Stromstärke in der Spule. Als Widerstand gilt in diesem Sinne auch ein
Halbleiterübergangswiderstand, z. B. der einer Zenerdiode. Eine starke
Stromlöschung kann außerdem erreicht werden, wenn ein Halbleiterschalter, über den ein Freilaufstromkreis verläuft, in einen halbleitenden Zustand geschaltet wird, sodass er einen Widerstand aufweist, an dem Energie aus der
Spule in erheblichem Ausmaß in Wärme umgewandelt wird.
Alternativ oder zusätzlich zu der vorstehend zuletzt beschriebenen
Ausführungsform ist es denkbar, beim starken Löschverfahren Strom aus der Spule in eine Stromversorgungseinrichtung zu speisen, welche insbesondere eine Stromversorgungseinrichtung ist, aus der während der Einschaltdauer Strom für die Spule entnommen wurde. Dann handelt es sich um eine Rückspeisung.
Die Spule kann auch in eine H-Brücke geschaltet sein, wobei die Spule zwischen den Spannungsteilerpunkten der beiden Zweige angeordnet ist. Die Endpunkte der Zweige miteinander sind verbunden. Zwischen den Endpunkten der beiden Zweige der H-Brücke ist eine Versorgungsspannung angelegt, welche vorzugsweise aus einer Stromversorgungseinrichtung stammt. Bevorzugt wird Gleichspannung angelegt. In die beiden Zweige ist jeweils mindestens ein Halbleiterschalter geschaltet, wobei einer der Halbleiterschalter in einem
Teilzweig mit Anschluss an die Versorgungsspannung und einer ein einem Teilzweig mit Anschluss an Masse geschaltet ist. In dieser Variante ist in den verbleibenden zwei Teilzweigen von den Spannungsteilerpunkten zu den jeweils anderen Endpunkten der Zweige jeweils eine Diode angeordnet, welche in Bezug auf die Versorgungsspannung in Sperrrichtung gepolt ist. Während der
Einschaltdauer sind die beiden Halbleiterschalter leitfähig geschaltet, sodass über sie und die Spule Strom fliesen kann. Zur Durchführung des schwachen Löschverfahrens wird einer der Halbleiterschalter geschlossen, während der andere geöffnet ist. Dann kann sich ein Freilaufstromkreis über den geöffneten Halbleiterschalter und eine der Dioden ausbilden. Zum Rückspeisen von Strom aus der Spule in eine Stromversorgungseinrichtung werden beide
Halbleiterschalter geöffnet. Der Spulenstrom bewirkt eine Spannungserhöhung an der Spule, welche einen Stromkreis durch beide Dioden und die
Stromversorgungseinrichtung treibt.
In einer anderen Variante mit H-Brücke ist jede der Dioden in den vorgenannten Teilzweigen durch einen Halbleiterschalter ersetzt. Dann kann die Richtung des Stroms durch die Spule festgelegt werden, indem für eine Richtung die zwei Halbleiterschalter leitfähig geschaltet werden, die schon in der zuvor
beschriebenen Basisvariante vorhanden sind, während die zusätzlichen
Halbleiterschalter sperren. Für die andere Richtung können die zusätzlichen Halbleiterschalter leitfähig geschaltet werden, während die Halbleiterschalter der Basisvariante sperren. Durch aktive Steuerung dieser Halbleiterschalter kann die Funktion der Dioden für den Freilaufbetrieb nachgebildet werden. Die
Halbleiterschalter haben den Vorteil, dass sie im Rückspeisebetrieb einen geringeren Innenwiderstand als die Dioden aufweisen können.
In einer weiteren Variante, die auf der zuletzt beschriebenen Variante aufbaut, ist jeder der Halbleiterschalter mit einer Freilaufdiode versehen. Die Freilaufdioden sind in Bezug auf die Versorgungsspannung in Sperrrichtung geschaltet und jeweils an Source und Drain ihres Halbleiterschalters angeschlossen. Mit dieser Konstellation lässt sich durch entsprechendes Schalten der Halbleiterschalter bewirken, dass in einem Freilaufstromkreis entweder der Innenwiderstand des Halbleiterschalters oder der Widerstand des Halbleiterübergangs der Diode oder der Widerstand der Diode in Sperrrichtung wirksam sind. Dadurch ergeben sich mehr Möglichkeiten und Betriebsarten Ein schwacher Löschvorgang kann somit über einen Freilaufstromkreis mit zwei leitfähig geschalteten Halbleiterschaltern, die beide an demselben Ende der H-Brücke zusammengeschlossen sind, erfolgen. Insbesondere sind dabei die anderen beiden Halbleiterschalter sperrend geschaltet. Aufgrund eines vorzugsweise geringen Widerstands eines geschlossenen Halbleiterschalters dominiert dieser den Gesamtwiderstand der Parallelschaltung aus dem Halbleiterschalter und seiner Freilaufdiode, sodass der Gesamtwiderstand gering ist. Ein ebenfalls schwacher Löschvorgang mit jedoch etwas stärkerer Löschwirkung kann erreicht werden, indem in den Freilaufstromkreis ein geschlossener Halbleiterschalter und eine in
Durchlassrichtung geschaltete Diode statt eines der zuletzt beschriebenen beiden Halbleiterschalter geschaltet sind. Dazu kann dieser zweite
Halbleiterschalter, der parallel zu der leitenden Diode liegt, sperrend geschaltet werden, sodass der Freilaufstrom trotz der höheren Diodenspannung über die Freilaufdiode laufen muss. Der Freilaufstromkreis hat dann einen etwas höheren Widerstand. Es wird dazu diejenige Diode verwendet, die in dem
Freilaufstromkreis in Durchlassrichtung liegt. Welche Diode dies ist, hängt von der Stromrichtung durch die Spule und davon ab, ob der Freilaufstromkreis in den Teilzweigen an dem Versorgungsspannungspotential oder dem
Massepotential verläuft. Ein Freilaufstromkreis für das starke Lösch verfahren kann geschaltet werden, indem alle Halbleiterschalter sperren. Dann bildet sich ein Freilaufstromkreis über zwei der Freilaufdioden und die
Stromversorgungseinrichtung, deren hohes Energieaufnahmevermögen zu einer sehr schnellen Löschung des Spulenstroms führt. Welche Freilaufdioden dabei sperren bzw. leiten, hängt von der Richtung des Stroms durch die Spule ab. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Rückspeisung können alternativ die
Halbleiterschalter, die zu den leitenden Dioden parallel liegen, leitfähig geschaltet werden.
Bevorzugt ist eine H-Brückenschaltung zur Stromversorgung der Spule als integrierte Schaltung auf einem Chip ausgeführt. Vorzugsweise wird in einer Betriebsweise mit Rückspeisung von Energie in eine Stromversorgungseinrichtung die Zeit der Aktivierung eines schwachen
Löschverfahrens verkürzt, sodass der Kolben nur kurz an dem Anschlag gehalten wird. Zwar verschlechtert sich dann der Liefergrad etwas, jedoch kann mehr Energie in die Stromversorgungseinrichtung zurückgespeist werden, da während des schwachen Löschverfahrens weniger Energie in Wärme umgesetzt wird.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Länge der Einschaltdauer und/oder der Haltedauer in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt und/oder einer
Eigenschaft der Pumpe eingestellt. Insbesondere wird die Länge der
Einschaltdauer und/oder der Haltedauer in Abhängigkeit von mechanischen und/oder hydraulischen Eigenschaften der Kolbenpumpe eingestellt. Die
Einstellung erfolgt vorzugsweise derart, dass der Liefergrad der Kolbenpumpe möglichst gut ist. Ein Betriebspunkt wird in Abhängigkeit der Fördermenge und der Pumpfrequenz definiert.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Länge der Einschaltdauer in
Abhängigkeit der Versorgungsspannung der Kolbenpumpe und/oder einem Widerstand der Spule derart eingestellt, dass nach dem Ende der Einschaltdauer ein vorgegebener Strom in der Spule fließt. Auf diese Weise kann in die Spule so viel Energie eingebracht werden, dass diese z. B. ausreicht, um den Kolben bis zum Anschlag zu treiben und ihn bevorzugt ausreichend lange an dem Anschlag zu halten. Dabei kann eine geeignete Einschaltdauer vorgegeben werden, sodass der Strom nicht gemessen werden muss. Alternativ ist jedoch auch eine Strommessung denkbar. Bei einer Berechnung der Einschaltdauer kann die
Formel t = - L/R · ln(1 - (I · R)/U)) eingesetzt werden. Dabei bedeuten t die Einschaltdauer, L die Induktivität der
Spule, R den Innenwiderstand der Spule, U die an die Spule angelegte
Spannung und I die zu erreichende Stromstärke.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Temperatur der Spule ermittelt und mittels der Temperaturinformation eine Korrektur der berechneten Zeit durchgeführt. Dazu kann eine Abweichung des Widerstands aufgrund von Temperaturdrift berechnet werden und der temperaturkorrigierte Widerstandswert in die o. g. Formel eingesetzt werden, sodass eine temperaturkorrigierte
Einschaltdauer t berechnet wird. Die Berechnung der Änderung eines
Widerstands durch Temperatureinfluss ist Teil des Grundwissens eines
Fachmanns im Gebiet der Elektrotechnik.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Kolbenpumpe als Kraftstoffpumpe für einen Verbrennungsmotor ausgebildet. Um Energie für den Betrieb der Pumpe einzusparen, kann die Pumpfrequenz der Kolbenpumpe an eine benötigte Kraftstoffmenge angepasst werden. Vorzugsweise wird dabei die Pumpfrequenz so eingestellt, dass die Kolbenpumpe etwas mehr Kraftstoff liefert als der Verbrennungsmotor benötigt. Gegenüber einer Auslegung mit permanenter Volllast der Pumpe ergibt sich eine erhebliche Energieeinsparung. Zusätzlich oder alternativ kann die Kraftstofffördermenge auch durch Einstellung des Pumpenhubs bewirkt werden. Dazu kann die Einschaltdauer der Spule an eine benötigte Kraftstoff menge angepasst werden. Dabei wird vorzugsweise der Pumpenhub so eingestellt, dass die Kraftstoffpumpe etwas mehr Kraftstoff liefert als der Verbrennungsmotor benötigt. Die Berechnung der Einschaltdauer kann beispielsweise in einem Steuergerät des Verbrennungsmotors ausgeführt werden. Der benötigte minimale Fördervolumenstrom zur Versorgung des
Verbrennungsmotors kann beispielsweise in der Motorsteuerung aus der Drehzahl, der Einspritzzeit der Injektoren und einem stationären Durchsatz bei einem gegebenen oder modellierten Einspritzdruck berechnet werden. Dazu kann folgende Formel verwendet werden:
Q = aZyi/2 · nmot · t, · Qmj.stat dabei bedeuten Q ein Kraftstofffördervolumen, aZyi die Zylinderanzahl des Verbrennungsmotors, nmot, die Drehzahl des Verbrennungsmotors, t, die effektive Einspritzzeit und O bstat einen stationären Kraftstoffvolumenstrom durch einen geöffneten Injektor. Die Frequenz der Kolbenpumpe wird vorzugsweise bei sehr kleinen benötigten Volumenströmen nicht auf nahe Null reduziert, sondern auf eine Mindestfrequenz begrenzt, bei der die Pumpe noch stabil arbeitet. Die Mindestfrequenz kann beispielsweise 30 Hz betragen. Zur Anpassung
Pumpenfrequenz an den benötigten Kraftstoffvolumenstrom kann folgende
Formel verwendet werden: fpump.opt— fpump.max * Qengine/Qpump.max
Dabei bedeuten fpUmp,opt eine optimale Pumpfrequenz, fpUmp,max die maximal mögliche Pumpfrequenz, z. B. 100 Hertz, Qengine den für den Verbrennungsmotor erforderlichen Kraftstoffvolumenstrom und QpUmp,max den Volumenstrom, den die Pumpe maximal liefern kann.
Weiterhin ist bekannt, dass sich bei einer Hubankerkolbenpumpe bei konstanter Frequenz und zunehmendem Fördervolumenstrom der Luftspalt im Magnetkreis zwischen dem Kolben und z. B. einem Anschlag vergrößert, weil ein größerer Kolbenhub erforderlich ist. Dementsprechend ist der benötigte Strom, um den Kolben anzuziehen, stärker. Bei Anpassung einer Einschaltdauer der Spule an den Kraftstoffbedarf eines Verbrennungsmotors und damit an den dazu benötigten Strom, kann ein Korrekturfaktor verwendet werden. Der
Korrekturfaktor kann vorab berechnet und z. B. in einem Motorsteuergerät hinterlegt sein. Auch einzelne, einige oder alle der vorstehend genannten Ansteuerparameter, insbesondere optimale Ansteuerparameter, können entweder während des Motorbetriebs im Steuergerät berechnet werden oder in Abhängigkeit von einer variablen Größe, wie etwa der Betriebsspannung, der
Temperatur der Spule und/oder dem benötigten Kraftstoffvolumenstrom in einem oder mehreren Kennfeldern abgelegt sein. Die Ansteuerung kann mittels der berechneten oder abgerufenen Werte entsprechend parametriert werden. In einer weiteren Ausführungsform ist die Einschaltdauer, während der eine
Spannung an die Spule angelegt wird, in Abhängigkeit eines benötigten
Volumenstroms einstellbar. Ein erhöhter Volumenstrom ist mit einem
vergrößerten Hub der Pumpe erreichbar, was eine längere Einschaltdauer erfordert. Die Länge der Einschaltdauer kann als Funktion des Volumenstroms gespeichert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Einschaltdauer in Abhängigkeit der an die Spule angelegten Spannung einstellbar. Typischerweise ist die an die Spule angelegte Spannung von einer Versorgungsspannung der Kolbenpumpe abhängig. Dadurch besteht die Gefahr, dass der Kolben bei zu geringer
Spannung und nicht verlängerter Einschaltdauer nicht mehr anzieht. Durch geeignete Auswahl der Einschaltdauer kann eine Betriebsart mit geringer Verlustleistung sichergestellt werden, bei der der Kolben magnetische bewegt wird. Dazu kann die Einschaltdauer in Abhängigkeit der Spulenspannung oder der Versorgungsspannung eingestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Ansteuerfrequenz der Kolbenpumpe, mit der die Pumpe Pumphübe ausführt, in Abhängigkeit eines benötigten
Volumenstroms einstellbar. Ein entsprechender Zusammenhang zwischen der Pumpfrequenz und dem Volumenstrom kann für die Anwendung mittels der Schalteinrichtung gespeichert sein. Es ist auch denkbar, eine gleichzeitige
Anpassung der Einschaltdauer und der Ansteuerfrequenz in Abhängigkeit des benötigten Volumenstroms vorzunehmen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische
Schaltungsanordnung zum Betreiben einer mittels einer Spule eines
Elektromagneten antreibbaren Kolbenpumpe mit einem Kolben vorgeschlagen. Erfindungsgemäß weist die Schaltungsanordnung eine
Halbleiterschaltereinrichtung mit wenigstens zwei Halbleiterschaltern auf. Die Halbleiterschaltereinrichtung ist dazu eingerichtet, verschiedene Betriebsarten bzw. Löschungsverfahren der Kolbenpumpe zu realisieren. Dabei kann die
Halbleiterschaltereinrichtung in einer Einschaltbetriebsart die Spule mit einer Spannung beaufschlagen, was dazu führt, dass durch die Spule ein Strom fließt. Dazu kann die Spule in einen Strompfad zwischen einer Stromquelle und einer Stromsenke einer Stromversorgungseinrichtung geschaltet werden. Bei
Stromfluss durch die Spule wird der Kolben beschleunigt.
In einer weiteren Betriebsart der Halbleiterschaltereinrichtung bewirkt diese, dass eine schwache Stromlöschung in der Spule stattfindet. Dazu kann die Spule aus dem Strompfad für die Einschaltbetriebsart geschaltet werden und stattdessen über einen oder mehrere Halbleiterschalter kurzgeschlossen werden. Diese führt, wie schon im Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorstehend
beschrieben, dazu, dass der Strom durch die Spule nur langsam abnimmt. In einer dritten Betriebsart mit starker Stromlöschung ist die
Halbleiterschaltungseinrichtung dazu eingerichtet, die Spule in einen Strompfad zu schalten, welcher eine Energieaufnahmeeinrichtung umfasst. Energie aus der
Spule wird dadurch in die Energieaufnahmeeinrichtung übertragen. ln einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist die
Energieaufnahmeeinrichtung als Energiespeicher ausgebildet, der zur Aufnahme von Energie aus der Schaltungsanordnung geeignet ist. Insbesondere kann sie ein Kondensator und/oder eine Batterie oder ein Akkumulator sein. Die
Energieaufnahmeeinrichtung kann auch ein Energienetz sein, an welchem andere Verbraucher angeschlossen sind, die Energie aufnehmen können.
Besonders bevorzugt ist die Energieaufnahmeeinrichtung ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs. In einer alternativen Ausführungsform kann die
Energieaufnahmeeinrichtung dazu eingerichtet sein, aufgenommene Energie in
Wärme umzusetzen. Entsprechende Energieaufnahmeeinrichtungen können etwa ein ohmscher Widerstand oder ein Halbleiterübergang sein.
In einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die
Schaltungsanordnung dazu eingerichtet ist, eines der vorstehend beschriebenen Verfahren auszuführen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Kolbenpumpe vorgeschlagen, die in einer Ansteuervorrichtung eine elektrische Schaltungsanordnung gemäß dem vorstehend beschriebenen Aspekt aufweist. Dabei ist denkbar, dass die Ansteuereinrichtung von der Pumpe räumlich getrennt und mit dieser durch Leitungen verbunden oder verbindbar ist. Weiter ist denkbar, dass Teile der Ansteuereinrichtung an der Kolbenpumpe angeordnet sind, während andere Teile von der Kolbenpumpe entfernt angeordnet ist. Weiter ist es denkbar, dass ein Teil der Ansteuereinrichtung an der Kolbenpumpe angeordnet ist, während ein anderer Teil von der Kolbenpumpe entfernt und mit dieser durch Leitungen verbunden oder verbindbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 Ein Schnitt durch eine Hubankerkolbenpumpe nach dem Stand der Technik, Figur 2 eine im Stand der Technik bekannte Ansteuerschaltung für eine
Hubankerkolbenpumpe,
Figur 3 ein Diagramm mit einem bekannten Verlauf einer Spannung an einer Spule, welche mit der Ansteuerschaltung aus Figur 2 angesteuert wird,
Figur 4 ein Diagramm mit einem bekannten Verlauf eines Stroms über der Zeit bei Ansteuerung der Spule mit der Ansteuerschaltung aus Figur 2 über denselben Zeitraum wie in Figur 3,
Figur 5a eine erste Ausführungsform einer Ansteuerschaltung gemäß der Erfindung, Figur 5b eine zweite Ausführungsform einer Ansteuerschaltung nach der
Erfindung,
Figur 5c eine dritte Ausführungsform einer Ansteuerschaltung gemäß der Erfindung,
Figur 5d eine vierte Ausführungsform einer Ansteuerschaltung nach der
Erfindung,
Figur 6 ein Diagramm mit einem Verlauf der Spannung an der Spule bei Ansteuerung durch eine der in den Figuren 5a oder 5b gezeigten Ansteuerschaltungen über die Zeit,
Figur 7 ein Diagramm mit einem Stromfluss über der Zeit, der aus der in Figur 6 gezeigten Spannung an der Spule resultiert, wobei der gleiche Zeitabschnitt wie in Figur 6 dargestellt ist,
Figur 8 a eine dritte Ausführungsform einer Ansteuerschaltung nach der
Erfindung mit Rückspeisung von Spulenstrom in eine
Stromversorgungseinrichtung, Figur 8 b eine vierte Ausführungsform einer Ansteuerschaltung nach der
Erfindung mit Rückspeisung von Spulenstrom in eine
Stromversorgungseinrichtung, Figur 9 ein Diagramm mit einem Verlauf der Spannung an der Spule bei Ansteuerung durch eine der in den Figuren 5a oder 5b gezeigten Ansteuerschaltungen über die Zeit und
Figur 10 ein Diagramm mit einem Stromfluss über der Zeit, der aus der in Figur 6 gezeigten Spannung an der Spule resultiert, wobei der gleiche Zeitabschnitt wie in Figur 6 dargestellt ist.
Ausführungsformen der Erfindung Figur 5a zeigt eine Ansteuerschaltung nach der Erfindung schematisch in einem
Schaltplan. Zentral in der Schaltung ist ein Strompfad von einer positiven Versorgungsspannung +UB bis zu einem Masseanschluss GND. In diesem Pfad sind bei der Versorgungsspannung +UB beginnend eine Zenerdiode ZD1 in Durchlassrichtung, dazu in Reihe eine herkömmliche Diode D1 in Sperrrichtung und dazu in Reihe ein erster Halbleiterschalter LS1 angeordnet. Parallel zu der
Zenerdiode ZD1 ist ein zweiter Halbleiterschalter HS1 geschaltet. Eine Spule L coil und ein Innenwiderstand R coil sind mit dem Strompfad verbindbar, indem die Spule mit der einer Reihenschaltung aus den Dioden ZD1 und D1 parallel geschaltet werden kann. Der Halbleiterschalter HS1 ist vorzugsweise als p- Kanal-MOSFET ausgebildet. Er ist über einen Vorwiderstand Rv2 mittels einer
Ansteuerspannung VA2 ansteuerbar. Der Halbleiterschalter LS1 ist vorzugsweise ein selbstsperrender n-Kanal-MOSFET. Er ist über einen Vorwiderstand Rv1 über eine Ansteuerspannung VA1 ansteuerbar. In einem Einschaltbetrieb, in dem die Spule mit Spannung beaufschlagt wird, sodass sich ein zunehmender Stromfluss darin ergibt, kann der Halbleiterschalter LS1 geschlossen werden, wozu er mit einer Ansteuerspannung VA1 angesteuert werden kann. Dadurch kann sich ein Stromfluss von der Versorgungsspannung +UB durch die Spule und den Halbleiterschalter LS1 zur Masse GND hin ausbilden. Der Pfadabschnitt über die Dioden ZD1 und D1 ist gesperrt, weil die Diode D1 in Sperrrichtung geschaltet ist. Eine Änderung des Zustands des Halbleiterschalters HS1 ändert nichts an dem Stromfluss, da dieser Strom durch den Halbleiterschalter HS1 ebenfalls durch die Diode 1 blockiert wird. Gemäß einem schwachen
Stromlöschverfahren wird der Halbleiterschalter LS1 geöffnet, indem die
Ansteuerspannung VA1 auf ein niedriges Potential gelegt wird. Der
Halbleiterschalter HS1 wird geschlossen, indem an sein Gate eine
Ansteuerspannung VA2 mit niedrigem Potential angelegt wird. Die magnetische
Energie in der Spule L coil treibt nun einen Strom durch die Diode D1 in deren Durchlassrichtung, weiter durch den geöffneten Halbleiterschalter HS1 und zurück zu der Spule L coil, wobei auch deren Innenwiderstand R coil in dem so entstehenden Freilaufstromkreis wirksam ist. Die Widerstände in dem
Freilaufstromkreis bewirken, dass sich der Strom durch die Spule langsam abschwächt, wie in der Figur 7 an einem Abfall nach einem Spitzenwert etwa bei 0,0035 Sekunden zu erkennen ist. Weiter kann in der Ansteuerschaltung ein starkes Lösch verfahren zum Einsatz kommen, indem sowohl der
Halbleiterschalter LS1 , als auch der Halbleiterschalter HS1 sperren. Strom durch die Spule L coil kann nun keinen Weg mehr über einen Freilaufstromkreis über den Halbleiterschalter HS1 nehmen und fließt daher durch die Zenerdiode ZD1 , die im Vergleich zu dem Halbleiterschalter HS1 eine höhere Gegenspannung aufweist. Durch den Stromfluss durch die Zenerdiode ergibt sich eine
Verlustleistung an dieser, welche der Spule L coil Energie entzieht, was wiederum zu einem schnellen Absinken des Spulenstroms führt. Dieses ist an dem steilen Abfall in der Stromkurve in der Figur 7 bei derzeit 0,0065 Sekunden erkennbar. Auf diese Weise kann der Spulenstrom in kurzer Zeit zum Erliegen gebracht werden. Einem Fachmann ist klar, dass statt der genannten
Halbleitertypen auch andere Halbleiter in Betracht kommen, insbesondere für die Halbleiterschalter. Eine Änderung der Halbleitertypen kann durch eine entsprechende Änderung der Ansteuerpotentiale kompensiert werden, um die Funktionalität beizubehalten.
Figur 5b zeigt eine zweite Ansteuerschaltung nach der Erfindung, die sich geringfügig von der Ansteuerschaltung der Figur 5a unterscheidet. Es wird im
Folgenden nur auf Unterschiede eingegangen. Gleiche Elemente tragen die gleichen Bezugsziffern und werden nicht noch einmal gesondert erläutert. Im Unterschied zu der Ansteuerschaltung aus der Figur 5a weist die
Ansteuerschaltung der Figur 5b statt der Zenerdiode ZD1 einen ohmschen Widerstand R1 auf. Daher kann statt an dem Halbleiterübergang in der Zenerdiode die Energie aus der Spule L coil ohmsch in dem Widerstand R1 in Wärme umgesetzt werden.
Figur 5c zeigt die Ausführungsform der Figur 5a mit dem Unterschied, dass die Zenerdiode ZD1 nicht zwischen Drain und Source des Halbleiterschalters HS, sondern als Zenerdiode ZD1 ' zwischen Drain und Source des Halbleiterschalters LS geschaltet ist. Beim Öffnen des Halbleiterschalters LS1 fließt von der Spule L Coil getriebener Strom über einen Freilaufstromkreis, der die Zenerdiode ZD1 ' und die Stromversorgungseinrichtung umfasst, der die Spannung +UB bereitstellt.
Figur 5d zeigt die Ausführungsform der Figur 5a mit dem Unterschied, dass die Zenerdiode ZD1 nicht zwischen Drain und Source des Halbleiterschalters HS, sondern als Zenerdiode ZD1 " zwischen den Drain des Halbleiterschalters LS und das Gate des Halbleiterschalters LS1 geschaltet ist. In diesen Pfad ist außerdem eine weitere Diode D2 geschaltet, welche dafür sorgt, dass der Halbleiterschalter LS1 ansteuerbar bleibt, indem weiterhin Spannung am Gate des
Halbleiterschalters LS1 aufbaubar ist. Zur Beendigung der Einschaltdauer des Halbleiterschalters LS1 wird dieser geöffnet. Der Halbleiterschalter LS ist als n- Kanal-MOSFET ausgeführt, sodass in diesem Zustand eine geringe Spannung am Gate anliegt. Wenn der Halbleiterschalter HS1 geschlossen ist, bildet sich ein Freilaufstromkreis mit schwacher Stromlöschung über den Halbleiterschalter HS1 und die Diode D1 aus. Wird der Halbleiterschalter HS1 geöffnet, während die Spule noch Energie hat, springt die Spannung an der Kathode der Zenerdiode ZD1 " auf Grund der Spulenspannung auf ein erhöhtes Potential. Dadurch wird das Potenzial am Gate des Halbleiterschalter LS1 angehoben, sodass der Halbleiterschalter LS1 teilweise geschlossen wird. Es ergibt sich ein
Freilaufstromkreis mit starker Löschwirkung, in dem die Spule, der teilweise geschlossene Halbleiterschalter LS mit einem Widerstand, der in erheblichem Ausmaß Strom in Wärme umwandelt, und eine Energieversorgungseinrichtung, die das Versorgungsspannungspotential +UB bereitstellt, verläuft. Durch
Verändern des Schaltzustands des Halbleiterschalter HS1 Kann somit zwischen starker und schwacher Löschwirkung umgeschaltet werden. Die Spannung zwischen Source und Gate des Halbleiterschalters HS1 ergibt sich aus dem Zusammenspiel der Spannung an der Diode D1 , der Spannung an der Zenerdiode ZD1 ', der Spannung an der Diode D1 und der Spannung an dem Vorwiderstand Rv2. Der Ausgang der Spannungsquelle VA2 dabei niederohmig. Durch den halb geschlossenen Halbleiterschalters HS1 fällt eine Spannung ab, welche zum schnellen Löschen des Spulenstroms führt. Alternativ kann der Halbleiterschalters HS1 vollständig geschlossen werden, sodass sich ein schwacher Löschvorgang ergibt.
Figur 6 zeigt den Verlauf einer Spannung an der Spule L coil in den Figuren 5a und 5b. Über einen zeitlichen Bereich von etwa drei Millisekunden wird eine Spannung von etwa 12 Volt angelegt. Dieses entspricht der Einschaltdauer während des Einschaltbetriebs. Während der Anwendung des schwachen Löschverfahrens im Bereich zwischen 3,5 und 6,5 Millisekunden beträgt die Spannung an der Spule etwas weniger als 0 Volt, da trotz des Stromflusses durch sie der Halbleiterschalter und die in Durchlassrichtung geschaltete Diode D1 nur eine kleine Diodenspannung bzw. einen geringen Innenwiderstand an dem Halbleiterschalter HS1 aufweisen. Bei etwa 6,5 Millisekunden geht die Ansteuerschaltung in einen Betrieb mit einem starken Löschverfahren über.
Dabei ergibt sich eine stark negative Spannung, die deutlich größer als die angelegte Versorgungsspannung +UB ist. Nach einigen hundert Mikrosekunden fällt die Spannung näherungsweise asymptotisch auf etwa 0 Volt zurück.
Figur 7 zeigt den Stromverlauf beim Betrieb einer der Ansteuerschaltungen der Figuren 5a oder 5b. In einem Einschaltbetrieb von 0 bis 3,5 Millisekunden ergibt sich ein näherungsweise konstanter Anstieg des Stroms bis zu einer Stromspitze. Während der Ausführung des schwachen Löschverfahrens verringert sich der
Spulenstrom langsam um etwa 3/4 des Maximalwerts bei 3,5 Millisekunden. Bei 6,5 Millisekunden geht der Betrieb der Ansteuerschaltung auf ein starkes
Löschverfahren über. Innerhalb von wenigen hundert Mikrosekunden fällt der Strom auf 0 ab und bleibt dort.
Figur 8a zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung in Form einer
Ansteuerschaltung, welche Spulenstrom in eine Stromversorgungseinrichtung zurückspeisen kann, die die Ansteuerschaltung mit der Versorgungsspannung +UB versorgt. Vom grundlegenden Aufbau her handelt es sich bei der
Ansteuerschaltung um eine H-Brückenschaltung. In dem in Figur 8a auf der linken Seite dargestellten Zweig der Brücke befindet sich auf der Seite der Versorgungsspannung +UB ein Halbleiterschalter HS1 . Mit diesem ist in dem linken Zweig eine herkömmliche, in Sperrrichtung gepolte Diode D2 in Reihe geschaltet. Der rechte Zweig der H-Brücke ist ähnlich aufgebaut wie der linke Zweig, jedoch ist die Diode D1 , die ebenfalls im Bezug auf die
Versorgungsspannung +UB in Sperrrichtung geschaltet ist, an die
Versorgungsspannung +UB angeschlossen. Dagegen ist der Halbleiterschalter LS1 mit Masse verbunden. Somit sind der Halbleiterschalter HS1 und die Diode D1 an der Versorgungsspannung +UB zusammengeschaltet, während die Diode D2 und der Halbleiterschalter LS1 an Masse GND zusammengeschaltet sind. An den Spannungsteilerpunkten der beiden Zweige ist die Spule L coil mit dem
Innenwiderstand R coil angeschlossen oder anschließbar. Die Halbleiterschalter HS1 und LS1 sind jeweils mittels einer Ansteuerspannung VA1 bzw. VA2 über den jeweils zugeordneten Vorwiderstand RV1 oder bzw. RV2 ansteuerbar. Der Halbleiterschalter HS1 ist ein selbstsperrender p-Kanal-MOSFET, während der Halbleiterschalter LS1 ein selbstsperrender n-Kanal-MOSFET ist. Denkbar ist, hier auch andere Halbleiterschalter einzusetzen, wobei die Ansteuerlogik daran angepasst werden kann. In einem Einschaltbetrieb sind beide Halbleiterschalter HS1 und LS1 auf Durchgang geschaltet. Daher kann Strom von der
Versorgungsspannung +UB über den Halbleiterschalter HS1 durch die Spule L coil und weiter durch den Halbleiterschalter LS1 nach Masse fliesen. Dadurch wird in der Spule L coil ein zunehmender Stromfluss generiert. In einem nachfolgenden schwachen Löschverfahren wird einer der Halbleiterschalter HS1 und LS1 sperrend geschaltet. Der Strom durch die Spule findet seinen Weg durch den geöffneten Halbleiterschalter und eine der Dioden, nämlich bei geöffnetem Halbleiterschalter LS1 durch die Diode D1 und bei geöffnetem
Halbleiterschalter HS1 durch die Diode D2. Es liegt in den Freilaufstromkreisen jeweils nur eine Diodenspannung und der Innenwiderstand des
durchgeschalteten Halbleiterschalters an, was zu einer langsamen Verringerung des Stromflusses durch die Spule L coil führt. Dies ist in der Figur 10 zu sehen, in der der Stromfluss I durch die Spule über der Zeit t dargestellt ist. Ab einem
Zeitpunkt von etwa 3,5 Millisekunden bis zu einem Zeitpunkt bei 6,5
Millisekunden ist ein gemäßigter Abfall des Stroms zu beobachten, welcher durch den Betrieb des schwachen Löschverfahrens entsteht. Zur Durchführung eines starken Löschverfahrens werden beide Halbleiterschalter LS1 und HS1 gesperrt. Dadurch bleibt dem Strom in der Spule L coil nur der Weg in Durchlassrichtung der Dioden D1 und D2, welche die Spule in Laderichtung zwischen die Versorgungsspannung +UB und Masse schalten. An der Spule L coil ergibt sich eine Ladespannung, mittels welcher Energie in die
Energieversorgungseinrichtung abgegeben wird, welche die
Versorgungsspannung +UB bereitstellt. Durch die starke Abgabe von Energie erlischt der Strom in der Spule L coil sehr schnell, wie in Figur 10 an dem starken Abfall nach Inbetriebnahme des starken Löschverfahrens bei 6,5 Millisekunden zu sehen ist. Auf diese Weise wird die Energie in der Spule nicht in Verlustwärme umgesetzt, sondern in die Stromversorgungseinrichtung zurückgespeist.
Figur 8b zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung in Form einer
Ansteuerschaltung. Die Ansteuerschaltung ist als H-Brücke aufgebaut, wobei beide Zweige der H-Brücke jeweils zwei Halbleiterschalter aufweisen, nämlich im linken Zweig HS1 und LS1 , und im rechten Zweig HS2 und LS2. Zwischen die Spannungsteilerpunkte zwischen den Halbleiterschaltern HS1 und LS1 bzw. HS2 und LS2 ist die Spule L coil mit ihrem Innenwiderstand R coil geschaltet. Die Spule kann aus dem Schaltkreis entnehmbar sein, beispielsweise über
Steckkontakte. Die H-Brücke ist zwischen eine Versorgungsspannung +UB und Masse GND gestaltet. Jedem der Halbleiterschalter HS1 , HS2, LS1 und LS2 ist jeweils eine herkömmliche Diode D1 , D2, D3 bzw. D4 parallel geschaltet, wobei die Dioden jeweils an Source und Drain angeschlossen sind. Die Dioden sind in Bezug auf die Versorgungsspannung +UB in Sperrrichtung angeordnet. In einem Einschaltbetrieb sind entweder die Halbleiterschalter HS1 und LS2 oder die Halbleiterschalter HS2 und LS1 durchgängig geschaltet. Über die jeweils an UB angeschlossenen und auf Durchgang geschalteten Halbleiterschalter HS1 bzw.
HS2 und den Komplementären, ebenfalls auf Durchgang geschalteten
Halbleiterschalter LS2 bzw. LS1 wird ein Strompfad von der
Versorgungsspannung +UB durch die Spule nach Masse GND geschaffen. Durch die an der Spule L coil anliegende Versorgungsspannung +UB wird ein zunehmender Stromfluss in der Spule L coil erzeugt. Beim Durchgängigschalten der Halbleiterschalter HS1 und LS2 ist der Strom in der Spule in der Figur 8b nach rechts gerichtet, während der Strom beim Durchgängigschalten der Halbleiterschalter HS2 und LS1 nach links gerichtet ist. Um eine schwache Stromlöschung eines Spulenstroms zu bewirken, können die Halbleiterschalter LS1 bzw. LS2 auf Durchgang .und HS1 und HS2 ausgeschaltet werden.
Alternativ können die Halbleiterschalter HS1 bzw. HS2 auf Durchgang und LS1 und LS2 ausgeschaltet werden. Auf diese Weise ergibt sich ein Freilaufstromkreis, in dem der Spuleninnenwiderstand R coil und die
Innenwiderstände eines Halbleiterschalters und einer Diode vorliegen. Dieses führt zu einer langsamen Verringerung des Spulenstroms. Wie schon mit Bezug auf die Figur 8a beschrieben wurde, ist dies zwischen den Zeitpunkten 3,5
Millisekunden und 6,5 Millisekunden in der Figur 10 zu erkennen. Für einen Betrieb im starken Stromlöschverfahren werden alle vier Halbleiterschalter HS1 , HS2, LS1 und LS2 gesperrt. Der Spulenstrom kann nur in Durchlassrichtung durch zwei der Dioden in die Stromversorgungseinrichtung fließen, die die Versorgungsspannung +UB bereitstellt, nämlich im Fall eines nach links gerichteten Stroms durch die Spule L coil, durch die Dioden D1 und D4, und im Fall eines nach rechts durch die Spule L coil gerichteten Stroms die Dioden D2 und D3. Auf diese Weise findet eine Rückspeisung des Spulenstroms in die Stromversorgungseinrichtung statt.
Die Halbleiterschalter HS1 und HS2 sind selbstsperrende p-Kanal-MOSFETs während die Halbleiterschalter LS1 und LS2 selbstsperrende n-Kanal-MOSFETs sind. Es können jedoch auch andere Halbleiterschaltertypen eingesetzt werden, wobei die Ansteuerlogik entsprechend angepasst werden kann.
Figur 9 zeigt ein Diagramm einer Spannung an der Spule über die Zeit t.
Während eines Einschaltbetriebs zwischen 0 Sekunden und 3,5 Millisekunden liegt an der Spule die Versorgungsspannung +UB an. Nach der Beendigung der Einschaltdauer bei 3,5 Millisekunden fällt die Spannung U nahezu auf 0 ab. Sie ist aufgrund der Innenwiderstände der geöffneten Halbleiterschalter geringfügig negativ. Nach dem Inkraftsetzen des starken Stromlöschverfahrens fällt die Spannung sehr stark ab, wobei sie negative Werte erreichen kann, die größer als der Betrag der Versorgungsspannung +UB sind. Bei einer solchen stark negativen Spannung nähert sich die Spannung wenigstens näherungsweise asymptotisch 0 Volt an.
Figur 10 zeigt ein Diagramm, in dem ein Strom durch die Spule über der Zeit dargestellt ist, wobei der gleiche Zeitraum wie in Figur 9 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass ab der Zeit 0 Sekunden bis zu einem Zeitpunkt von 3,5
Millisekunden ein näherungsweise konstanter Anstieg der Stromstärke stattfindet.
Dies entspricht dem Einschaltbetrieb der Ansteuerschaltungen in den Figuren 8a und 8b. Ein schwaches Stromlöschverfahren kommt zwischen den Zeitpunkten 3,5 Millisekunden und 6,5 Millisekunden zum Einsatz, wodurch die Stromstärke I langsam auf etwa 3/4 eines Spitzenwertes bei 3,5 Millisekunden abfällt. Bei einem Zeitpunkt von 6,5 Millisekunden gehen die Ansteuerschaltungen der Figuren 8a und 8b zu einem starken Lösch verfahren über. Dies bewirkt einen starken Abfall des Stroms innerhalb von einigen hundert Mikrosekunden und eine anschließende asymptotische Annäherung an einen stromlosen Zustand, wobei nur sehr geringe Stromstärken auftreten.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Kolbenpumpe, die mittels einer Spule (1 ) eines Elektromagneten angetrieben wird, wobei mittels des Elektromagneten ein Kolben (2) der Kolbenpumpe gegen eine Rückstellkraft bewegbar ist, wobei während einer Einschaltdauer eine Spannung (U) an die Spule (1 ) angelegt wird, sodass ein Strom (I) durch die Spule (1 ) fließt und der Kolben (2) beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unterschiedliche Löschverfahren für den Strom (I) in der Spule
(1 ) eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beschleunigen des Kolbens (2) erst ein schwaches Löschverfahren und danach ein starkes Löschverfahren zum Einsatz kommt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das schwache Löschverfahren in Kraft gesetzt wird, bevor der Kolben (2) einen Anschlag erreicht, zu dem Zeitpunkt, zu dem der Kolben (2) den Anschlag erreicht oder nachdem der Kolben (2) den Anschlag erreicht hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltdauer des Elektromagneten beendet wird, sobald eine Bewegung Kolbens (2) automatisch erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das schwache Löschverfahren in Kraft gesetzt wird, um den Kolben (2) am Anschlag zu halten.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschen des Stroms (I) in der Spule (1 ) bei dem schwachen Löschverfahren bewirkt wird, indem die Spule (1 ) über einen geöffneten Halbleiterschalter (HS1 , HS2, LS1 , LS2) kurzgeschlossen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Ende der Anwendung des schwachen Löschverfahrens das starke Löschverfahren in Kraft gesetzt wird, wobei die Rückstellkraft den Kolben (2) von dem Anschlag entfernt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschen des Stroms in der Spule (1 ) bei dem starken
Löschverfahren bewirkt wird, indem die Spule (1 ) über einen Widerstand (R1 ) kurzgeschlossen wird, insbesondere über einen ohmschen
Widerstand (R1 ) oder Halbleiterelement mit einem
Halbleiterübergangswiderstand, insbesondere eine Zenerdiode (ZD1 ).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Löschen von Strom (I) aus der Spule (1 ) mittels des starken Löschverfahrens Energie in eine Energieversorgungseinrichtung zurückgespeist wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einschaltdauer in Abhängigkeit eines benötigten Volumenstroms einstellbar ist.
1 1 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Einschaltdauer in Abhängigkeit der an die Spule (1 ) angelegten Spannung (U) einstellbar ist.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ansteuerfrequenz der Kolbenpumpe in
Abhängigkeit eines benötigten Volumenstroms einstellbar ist.
13. Elektrische Schaltungsanordnung zum Betreiben einer mittels einer Spule (1 ) eines Elektromagneten antreibbaren Kolbenpumpe mit einem Kolben (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung eine
Halbleiterschaltereinrichtung mit wenigstens zwei Halbleiterschaltern (HS1 , HS2, LS1 , LS2) umfasst, wobei mittels der Halbleiterschaltereinrichtung in einer Einschaltbetriebsart die Spule (1 ) in einen Strompfad zwischen einer Stromquelle (+UB) und einer Stromsenke (GND) einer
Energieversorgungseinrichtung schaltbar ist, sodass der Kolben (2) beschleunigbar ist, und mittels der Halbleiterschaltereinrichtung in einer Haltebetriebsart mit schwacher Stromlöschung die Spule (1 ) aus dem Strompfad für die Einschaltbetriebsart schaltbar und mittels einem oder mehreren Halbleiterschaltern (HS1 , HS2, LS1 , LS2) in einen
Freilaufstromkreis schaltbar ist und in einer Betriebsart mit starker
Stromlöschung dazu eingerichtet ist, mittels der
Halbleiterschaltereinrichtung die Spule (1 ) in einen Freilaufstromkreis zu schalten, der eine Energieaufnahmeeinrichtung umfasst.
Elektrische Schaltungsanordnung zum Betreiben einer mittels einer Spule (1 ) eines Elektromagneten angetriebenen Kolbenpumpe mit einem Kolben, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungseinrichtung dazu eingerichtet ist, eines Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchzuführen
Mittels einer Spule (1 ) eines Elektromagneten angetriebene Kolbenpumpe mit einer Ansteuervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die
Ansteuereinrichtung eine elektrische Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 13 oder 14 umfasst.
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