WO2016119919A1 - Verfahren zum betreiben und ansteuereinrichtung für eine kolbenpumpe - Google Patents

Verfahren zum betreiben und ansteuereinrichtung für eine kolbenpumpe Download PDF

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Thorsten Allgeier
Siamend Flo
Walter Maeurer
Andreas Gutscher
Andrea Krusch
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Robert Bosch Gmbh
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    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections

Definitions

  • This invention relates to a method of 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 is movable in a cylinder for pumping, wherein during a duty cycle, a voltage is applied to the coil, so that a current flows through the coil and the piston is accelerated, wherein the voltage is applied by means of a drive means.
  • the invention relates to a drive device for a piston pump for conveying a liquid, in particular a fuel, with a cylinder, a piston and an electromagnet with a coil for moving the piston in the cylinder.
  • the invention relates to a piston pump.
  • piston pumps which are drivable by means of the coil of an electromagnet. These can be used for example as a fuel pump.
  • a fuel pump By way of example, such a pump is in an embodiment as
  • 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 through its interior.
  • the piston 2 is magnetically moved away from the valve unit 7, whereby the coil spring 5 is biased against its abutment 6.
  • the volume between the valve unit 7 and the piston head 4 increases, whereby a suction takes place.
  • the current in the spool 1 is cut off, so that the spool remains on the stopper 8 to allow a suctioning operation to be completed.
  • the piston 2 is then by the bias of the coil spring 5 in the direction of
  • Valve unit 7 moves, whereby a Ausschiebevorgang takes place, in which the pumping fluid is pushed into the valve unit 7. It is also a pump conceivable in which the pushing out by means of magnetic effect and the suction by means of spring action are performed.
  • a drive unit is known, as shown in FIG.
  • a coil which has an inductive component L_coil_pump and a resistive component L_coil_pump, is connected to a supply voltage + UB.
  • a semiconductor switch HS is connected, which is designed as an n-channel MOSFET.
  • the semiconductor switch HS is via a
  • Shunt resistor R shunt connected to a ground potential GND and can be controlled via a series resistor Rv LS.
  • the coil By opening and closing the semiconductor switch HS, the coil can be acted upon by a voltage U_coil_pump. As a result, a current flows through the coil. The same current also flows through the shunt resistor R_shunt, at which its size is measured by measuring
  • a method for operating the piston pump is proposed in which a time profile of an electrical state variable of the coil is qualitatively recorded.
  • a state variable may be a current in or a voltage on the coil. It is also conceivable to detect and / or calculate a quotient or other quantities derived from current and voltage.
  • a qualitative detection here means that it is not based on absolute values, for example a measured value
  • the drive device for the piston pump may be part of a control device of a vehicle.
  • the method can be executed by the drive device and / or the control unit.
  • the attack time is recognized by the fact that in a first time derivative of the detected course of the electric
  • State variable of the coil is an extreme value is determined and whose time is determined as a stop time.
  • Speed of the piston causes a counter tension in the coil, which changes by the impact. This leads to a disturbance in the uniformity of the detected course, which shows up as a kink. Such deviations of the uniformity can be better recognized by temporal derivation of the course and therefore better automatically evaluated.
  • Stop time can be defined.
  • the current flow is the
  • the reference profile can be stored in a control unit, in particular in a control unit of a motor vehicle, which can comprise or communicate with the control unit for the piston pump. It is also conceivable that an intelligent control device is used, in which the reference curve is stored. To determine the reference curve, the slope of the curve can be determined shortly after the start of the coil energization. From this value can be concluded that the inductance of the coil. In addition, a test pulse drive may be performed with a voltage pulse for the coil having a duration sufficient to drive the coil to saturation. From this process, a saturation value of the coil can be determined, such as a maximum current flowing through the coil. From this saturation value can be derived parameters of the coil, such as their internal resistance.
  • the inductance of the coil can be calculated.
  • Another way to determine parameters of the coil is to measure the coil voltage when switching off the coil. In this case, the actual course of the measured voltage can be subtracted from a turn-off reference voltage curve and an extreme value can be searched for. Thereby, the time can be determined at which the piston detaches from the stop.
  • Timing detected for a particular operating condition Accordingly, a detected attack time may be stored along with parameters indicating an operating condition.
  • the energization of the coil is terminated when a stop time is detected. In this way it is prevented that continues to be applied to the coil, a supply voltage, although the piston has reached the stop. Due to the not abruptly breaking magnetic effect of the piston remains typically for a period of time after the shutdown of the
  • a time is reached after the start of the energization, which corresponds to a stored stop time.
  • an attack time is stored for a specific operating state. The shortened duration of concern of the supply voltage energy is saved.
  • the energization is terminated before an expected, in particular stored attack time is reached.
  • energy can be utilized for the pumping process, which are stored after the end of the energization in the swing of the piston as kinetic energy and in the electromagnet as magnetic energy, with which the piston reaches the stop without further energy input. It is thus saved energy loss in the coil and in an output stage of the drive.
  • Stop time during which the energization is switched off prematurely, a quarter or less.
  • the piston reaches the stop at a significantly lower speed. Therefore, a noise reduction and at the same time a reduction in wear is achieved.
  • a control is performed with which the energization time is set to the minimum required duration, which is necessary for tightening the piston. It can also be found, for example, if only a very small
  • the speed at impact can be determined, for example, as the extent of the change in the current in the coil upon impact or on the basis of the voltage resulting from the coil after switching off the current supply.
  • an electrical power loss on the coil is minimized at least approximately.
  • Electromagnet is driven, wherein by means of the electromagnet, a piston of the piston pump is movable in a cylinder for pumping, wherein a voltage is applied to the coil during a duty cycle, so that a current flows through the coil and the piston is accelerated, wherein the voltage means a drive device is applied.
  • the Applicant reserves the right to apply a separate application to the invention. The ones described below
  • Embodiments may be combined with the other described embodiments of the method.
  • a steam delivery is detected on the basis of the time course of the electrical voltage after switching off the current to the coil. If, after aspiration, in addition to a liquid medium, for example a fuel, there is also vapor of the liquid medium in the pumping volume, the piston is accelerated very rapidly by a pushing-out force until the vapor is compressed. Due to the high piston speed, this leads to an increased counter tension, which generates the movement of the piston in the coil. In this way results in the voltage curve, which rests against the coil, a noticeable burglary. In particular, at this voltage dip, the presence of steam in the liquid medium can be detected.
  • a liquid medium for example a fuel
  • the voltage dip can be detected by, after the decay of the current through the coil, which takes place after switching off the energization, during a period before the re-energizing the
  • Steam delivery can be detected by the fact that the derivative exceeds a threshold.
  • a drive device which is set up to carry out a method according to one of the embodiments described above.
  • the drive device can be arranged on the piston pump; However, they can also be separated from the piston pump and arranged be connected to this by electrical lines or connectable.
  • the control device forms part of another control device, in particular a part of an engine control device of a motor vehicle.
  • a driving device for a piston pump for conveying a liquid, in particular a fuel, with a cylinder, a piston and an electromagnet having a coil for moving the piston in the cylinder is proposed is to qualitatively detect a time course of an electrical state variable of the coil and to evaluate the course or a derivative therefrom, to detect a striking of the piston to a stop.
  • Stop time of the piston to which the piston abuts a piston seat based on the course of the electrical state variable detectable and in particular storable.
  • a period of concern of the supply voltage to the coil is set such that the piston reaches the stop by its momentum after the end of the period and reaches the stop particularly with compared to its maximum speed significantly low speed. It is conceivable, after a reduction in the
  • Embodiment of the driving device this is adapted to recognize based on the time course of the electrical voltage across the coil, a steam delivery.
  • the embodiments of the driving device described below are to be regarded as an independent invention, which is independent of the other inventions described in this application.
  • the invention described below further forms a driving device for a piston pump for conveying a liquid, in particular a fuel, with a cylinder, a piston and an electromagnet with a coil for moving the piston in the cylinder independently.
  • the applicant reserves the right to an independent driving device for a piston pump for conveying a liquid, in particular a fuel, with a cylinder, a piston and an electromagnet with a coil for moving the piston in the cylinder independently.
  • this has a semiconductor switch, such as a MOSFET transistor, a bipolar transistor or another power semiconductor switch.
  • a voltage can be applied to the coil.
  • the semiconductor switch is preferably connected in series with the coil, wherein in particular a terminal of the coil is conductively connected to a terminal of the semiconductor switch.
  • the semiconductor switch and the coil are for this purpose preferably between a supply voltage potential and a ground potential, to which the coil and the semiconductor switch are each connected to a terminal. Preferred are in the current path of the
  • Embodiment is to use the through-connected semiconductor switch as a shunt resistor for measuring the current through the semiconductor switch.
  • a conventional shunt resistor the state of the art used for current measurement can be saved. This also saves the power loss at the shunt resistor. Slight deviations in the constancy of the resistance of the switched through semiconductor switch are for the detection of
  • a voltage drop across the semiconductor switch is preferably measured, in particular with an AD converter.
  • the coil current can be calculated at least approximately with a resistance value for the closed semiconductor switch.
  • the voltage drop across the closed semiconductor switch is measured at a terminal of the semiconductor switch with respect to a ground potential or at a terminal of the semiconductor switch with respect to a supply voltage potential.
  • the voltage across the coil is calculated by taking the difference between the power supply potential and the
  • Ground potential is subtracted from the voltage measured across the semiconductor switch, wherein the voltage is measured when the semiconductor switch is open. Since in many cases the difference between the power supply potential and the ground potential as operating voltage from other measurements is known or fixed, means the measurement of a voltage across the open
  • Semiconductor switch can be performed an A / D converter, with which also the voltage across the open semiconductor switch can be measured.
  • U.U. In this case, a measuring range adaptation is required, which can be realized, for example, with a voltage divider.
  • the coil is connected in parallel to a current path which comprises an additional semiconductor switch and a diode. The diode is in relation to a current direction from the power supply potential to the
  • the additional semiconductor switch allows, after switching off the semiconductor switch for the application of the
  • the semiconductor switch for applying the power supply potential is connected in parallel with a zener diode, which is connected in reverse direction with respect to the current direction from the voltage supply potential to the ground potential.
  • This zener diode allows fast quenching of the energy of the coil in the zener diode.
  • the semiconductor switch is turned off When this is done, current from the coil, which it continues to drive due to its magnetic energy, is conducted back to the coil via this zener diode and a power supply providing the power supply potential.
  • the Zener diode finds a strong due to their breakdown voltage
  • a piston pump which comprises a drive device according to one of the above-described
  • FIG. 1 shows a cross section through a prior art piston pump, a circuit diagram of a drive device according to the prior art, a circuit diagram of a first embodiment of a drive device according to the invention, a circuit diagram of a second embodiment of a drive device according to the invention, a circuit diagram of a third embodiment a drive device according to the invention, a double diagram in which a voltage across the coil and a current through the coil are shown in a two common period, wherein a conventional course of current and voltage is shown a double diagram in which a voltage across the coil and a current through the coil are shown in a two common time period, wherein a course of current and voltage is shown using a first embodiment of the invention
  • Figure 8 is a double diagram showing a voltage across the coil and a current through the coil in a common time period, with a graph of current and voltage shown using a second embodiment of the invention, and
  • Figure 9 is a double diagram showing a voltage across the coil and a current through the coil in a two common time period, showing a conventional waveform of current and voltage, but conveying liquid fluid and vapor.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of a drive device as part of the invention. This part of the invention has independent significance. The Applicant reserves the right to make a separate application to this subject.
  • the drive device shown can be part of a more comprehensive unit.
  • a coil of an electromagnet of a piston pump and a semiconductor switch LS are connected in series between a supply voltage potential + UB and a ground potential GND.
  • the semiconductor switch LS is designed as an n-channel MOSFET transistor. Alternatively, the semiconductor switch LS can also be designed as a p-channel MOSFET transistor.
  • a source terminal S of the transistor is connected to the
  • a drain D is connected to one terminal of the coil.
  • the gate terminal G is connected via a series resistor Rv LS to a drive potential.
  • a voltage drop U_DS can be tapped between the drain D and the source S. The voltage drop can for
  • the coil comprises an inductive component L coil and a resistive component R_coil, which are connected in series.
  • One connection of the coil is with the
  • Semiconductor switch HS is connected.
  • FIG. 4 shows a circuit diagram of a second embodiment of the drive device.
  • the second embodiment is similar in many respects to the first embodiment shown in FIG. Identical features are designated by the same reference numerals and reference is made in this regard to FIG. In the following, only differences to FIG. 3 will be discussed.
  • the second embodiment additionally has a zener diode which is connected to the drain and source of the semiconductor switch LS connected and in relation to the supply voltage potential + UB in
  • the drive device has an additional current path with a series circuit of a further semiconductor switch HS and a diode D1 connected in the reverse direction with respect to the supply voltage potential + UB.
  • the drain of the semiconductor switch HS is connected to the
  • the anode of the diode D1 is connected to the drain of the semiconductor switch LS.
  • Source of the semiconductor switch HS and the cathode of the diode D1 are connected together.
  • the semiconductor switch HS can be controlled via its gate and a series resistor Rv HS.
  • the circuit has a shunt resistor, at which a voltage U_shunt for measuring a current through the coil L coil can be removed.
  • the semiconductor switch LS For energizing the coil L coil, the semiconductor switch LS is first switched conductive. When a duty cycle has elapsed, the semiconductor switch LS is opened. Then, the coil L coil generates a voltage U_coil_pump. This drives a current through a freewheeling circuit.
  • the semiconductor switch HS is used to activate a freewheeling circuit with a weak effect, which passes through the diode D1 and the semiconductor switch HS closed thereto. Since the voltage drop across the closed semiconductor switch HS and the diode D1 is low, the coil L coil is deprived of energy only slowly, so that the coil current is slowly extinguished. If the semiconductor switch is opened instead, there is a strong extinguishing effect.
  • the current path of the current driven by the coil then passes through the zener diode ZD, the shunt resistor R shunt and a power supply device which provides the supply voltage potential + UB.
  • the high energy loss leads to a rapid quenching of the current through coil L coil.
  • FIG. 5 shows a modified embodiment of that shown in FIG.
  • FIGS. 4 or 5 A drive device in an embodiment of FIGS. 4 or 5 is used.
  • the voltage U In a first period I, the voltage U is approximately constant at zero and the current I is also substantially zero.
  • the piston stops at a rest stop or makes a slow push-out movement to pump fluid.
  • the coil Period I to the period II, the coil is applied to the supply voltage, so that the voltage U rises sharply very quickly. Due to the inductance and the internal resistance of the coil, an inertia results in the following of the current through the coil I, which rises slowly and reaches its maximum value at the end of the period II. The rise begins approximately with constant slope, which is disturbed at a kink K by a small unevenness. This is related to the fact that at the beginning of the kink to the
  • Stop time tA the piston of the piston pump abuts a stop, whereby its speed is greatly reduced and the piston generated by this no counter tension. Therefore, the time of the kink corresponds to a stop time.
  • a greater effective voltage is applied to the coil, so that the current I increases with a greater gradient from this point of impact.
  • the slope decreases until the end of the period II more and more.
  • the coil is disconnected from the supply voltage.
  • the semiconductor switch LS is turned off.
  • the neck conductor HS is turned on, so that only a slight quenching of the coil current takes place.
  • the voltage U thereby drops very quickly to just below zero, where it remains during the period III. in the
  • Period III takes the current I through the setting of the
  • FIG. 7 shows a modification of the double diagram of FIG
  • period II is thereby shortened while the period III is extended.
  • the period II is terminated slightly after the time of the kink K by the coil is disconnected from its supply voltage.
  • the acceleration of the piston is terminated early, so that it continues to run due to its jump and due to the slowly decreasing magnetic action and the still flowing through the coil current I and arrives at its stop at a comparatively slower speed. This leads to less noise and less wear.
  • the voltage U drops slightly below zero.
  • the current I falls slowly to smaller values.
  • the rest of the cycle of the voltage U of the current I corresponds to that shown in FIG.
  • FIG. 3 Overall, there is a significantly lower energy consumption compared to that of FIG. 3, which can be seen from the shortened duration of application of the supply voltage and from the lower maximum current intensity and the smaller amount of charge flowed, as can be seen from the area under the curve of the current I. results.
  • FIG. 8 shows a modification of the double diagram of FIG
  • the semiconductor switch LS is opened.
  • the semiconductor switch HS remains closed or is opened, depending on whether a strong or weak current cancellation is desired.
  • the period IIa corresponds to a time-braking portion in which the speed of the piston and / or its acceleration is reduced by the fact that the
  • the current I decreases somewhat, whereas in the period II, which surrounds the period IIa, it rises rapidly.
  • the period IIa begins at the
  • Period IIa can be used as a control variable for a control of an optimized
  • FIG. 9 shows a modification of the double diagram of FIG.

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Abstract

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenpumpe (10), die mittels einer Spule (1) eines Elektromagneten angetrieben wird, wobei mittels des Elektromagneten ein Kolben (2) der Kolbenpumpe (10) in einem Zylinder (3) zum Pumpen bewegbar ist, wobei während einer Einschaltdauer eine Spannung (U) an die Spule (1) angelegt wird, sodass ein Strom durch die Spule (1) fließt und der Kolben (2) beschleunigt wird, wobei die Spannung mittels einer Ansteuereinrichtung (11) angelegt wird, wobei ein zeitlicher Verlauf einer elektrischen Zustandsgröße (I, U) der Spule (1) qualitativ erfasst und der Verlauf oder ein daraus abgeleiteter Verlauf ausgewertet wird, um ein Anschlagen des Kolbens (2) an einem Anschlag zu erkennen. Weiter betrifft die Erfindung eine Ansteuereinrichtung und eine Kolbenpumpe.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Betreiben und Ansteuereinrichtunq für eine Kolbenpumpe Stand der Technik
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kolbenpumpe, die mittels einer Spule eines Elektromagneten angetrieben wird, wobei mittels des
Elektromagneten ein Kolben der Kolbenpumpe in einem Zylinder zum Pumpen bewegbar ist, wobei während einer Einschaltdauer eine Spannung an die Spule angelegt wird, so dass ein Strom durch die Spule fließt und der Kolben beschleunigt wird, wobei die Spannung mittels einer Ansteuereinrichtung angelegt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Ansteuereinrichtung für eine Kolbenpumpe zur Förderung einer Flüssigkeit, insbesondere eines Kraftstoffs, mit einem Zylinder, einem Kolben und einem Elektromagneten mit einer Spule zum Bewegen des Kolbens in dem Zylinder. Außerdem betrifft die Erfindung eine Kolbenpumpe.
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. Zur Ansteuerung einer solchen Kolbenpumpe ist eine Ansteuereinheit bekannt, wie sie in der Figur 2 abgebildet ist. Eine Spule, die einen induktiven Anteil L_coil_pump und einen resistiven Anteil L_coil_pump hat, ist an eine Versorgungsspannung +UB angeschlossen. In Reihe zu der Spule ist ein Halbleiterschalter HS geschaltet, welcher als n-Kanal-MOSFET ausgebildet ist. Der Halbleiterschalter HS ist über einen
Shuntwiderstand R Shunt mit einem Massepotenzial GND verbunden und kann über einen Vorwiderstand Rv LS angesteuert weden. Durch Öffnen und Schließen des Halbleiterschalters HS kann die Spule mit einer Spannung U_coil_pump beaufschlagt werden. Dadurch fließt ein Strom durch die Spule. Derselbe Strom fließt auch durch den Shuntwiderstand R_shunt, an dem seine Größe durch Messung eines
Spannungsabfalls U_Shunt gemessen werden kann.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass die Kolbenpumpe durch das
Anschlagen des Kolbens an einem Anschlag, der die Maximalposition eines Arbeithubs festlegt, Geräusche verursacht. Außerdem ist der Wirkungsgrad der Kolbenpumpe in Verbindung mit der vorstehend beschriebenen Ansteuerung und der herkömmlichen Art der Ansteuerung nicht optimal.
Offenbarung der Erfindung Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betreiben der Kolbenpumpe vorgeschlagen, bei dem ein zeitlicher Verlauf einer elektrischen Zustandsgröße der Spule qualitativ erfasst wird. Eine Zustandsgröße kann ein Strom in oder eine Spannung an der Spule sein. Denkbar ist auch, einen Quotienten oder andere aus Strom und Spannung abgeleitete Größen zu erfassen und/oder zu berechnen. Eine qualitative Erfassung bedeutet dabei, dass es nicht auf Absolutwerte, beispielsweise einer gemessenen
Spannung, ankommt, sondern eine Erfassung der Art und Weise des Verlaufs ausreicht. Eine quantitativ zuverlässige Erfassung ist davon jedoch ebenfalls umfasst. Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, einen erfassten Verlauf oder einen daraus abgeleiteten Verlauf auszuwerten, um aus dem Verlauf ein Anschlagen des Kolbens an einem Anschlag zu erkennen. Durch die Erkennung des Anschlagens des Kolbens wird ein Referenzpunkt im Verlauf des Pumpvorgangs verfügbar gemacht, wodurch eine erheblich verbesserte Steuerung oder eine Regelung der Pumpe möglich wird. Die Ansteuereinrichtung für die Kolbenpumpe kann Teil eines Steuergeräts eines Fahrzeugs sein. Das Verfahren kann von der Ansteuereinrichtung und/oder dem Steuergerät ausgeführt werden. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
In einer Ausführungsform wird vorgeschlagen, einen Anschlagszeitpunkt zu erkennen, an dem der Kolben an einem Kolbensitz anschlägt. Auf diese Weise wird vermieden, dass ein Wegmesssystem eingesetzt werden muss.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Anschlagszeitpunkt dadurch erkannt, dass in einer ersten zeitlichen Ableitung des erfassten Verlaufs der elektrischen
Zustandsgröße der Spule ein Extremwert ermittelt wird und dessen Zeitpunkt als Anschlagszeitpunkt bestimmt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, einen Nulldurchgang in einer zweiten zeitlichen Ableitung der elektrischen Zustandsgröße als Anschlagszeitpunkt zu erfassen. Dies ist darin begründet, dass beim Anschlagen des Kolbens an den Anschlag dessen Geschwindigkeit abrupt verringert wird. Die
Geschwindigkeit des Kolbens bewirkt eine Gegenspannung in der Spule, welche sich durch das Anschlagen verändert. Dies führt zu einer Störung in der Gleichmäßigkeit des erfassten Verlaufs, die sich als Knickstelle zeigt. Derartige Abweichungen der Gleichmäßigkeit lassen sich durch zeitliche Ableitung des Verlaufs besser erkennen und daher auch besser automatisch auswerten.
Alternativ oder zusätzlich zu den vorgenannten Erkennungsmethoden ist es denkbar, den zeitlichen Verlauf der Zustandsgröße von einem zeitlichen Referenzverlauf zu subtrahieren, so dass sich ein Verlauf der Differenz ergibt. Ein solcher Referenzverlauf simuliert, dass der Kolben sich nicht bewegt oder ein Anhalten des Kolbens nicht stattfindet. Daher ergibt sich in der Differenz ein Extremwert an der Stelle in einer Kolbenbahn, an der der Kolben anschlägt, wobei der zugehörige Zeitpunkt als
Anschlagszeitpunkt definiert werden kann. Insbesondere wird der Stromverlauf zur
Differenzbildung herangezogen. Der Referenzverlauf kann in einem Steuergerät hinterlegt sein, insbesondere in einem Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, welches die Ansteuereinrichtung für die Kolbenpumpe umfassen oder mit dieser kommunizieren kann. Denkbar ist auch, dass eine intelligente Ansteuereinrichtung verwendet wird, in der der Referenzverlauf gespeichert ist. Zur Bestimmung des Referenzverlaufs kann kurz nach Bestromungsbeginn der Spule die Steigung des Verlaufs ermittelt werden. Aus diesem Wert kann auf die Induktivität der Spule geschlossen werden. Zusätzlich kann eine Testpulsansteuerung mit einem Spannungspuls für die Spule durchgeführt werden, welcher eine Dauer hat, die ausreicht, um die Spule in ihre Sättigung zu treiben. Aus diesem Vorgang kann ein Sättigungswert der Spule bestimmt werden, etwa ein Maximalstrom, der durch die Spule fließt. Aus diesem Sättigungswert lassen sich Parameter der Spule ableiten, etwa deren innerer Widerstand. Aus dem zeitlichen Übergang in die Sättigung kann die Induktivität der Spule berechnet werden. Eine weitere Möglichkeit zur Ermittlung von Parametern der Spule besteht in der Messung der Spulenspannung beim Abschalten der Spule. Dabei kann der tatsächliche Verlauf der gemessenen Spannung von einer Abschalt-Referenzspannungskurve subtrahiert und ein Extremwert gesucht werden. Dadurch kann der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem sich der Kolben vom Anschlag löst. Mittels der vorgenannten Bestimmungsmethoden stehen Parameter zur
Verfügung, mit welchen eine theoretische Berechnung einer Referenzkurve unter Verwendung von Werten, die an einem Exemplar einer Kolbenpumpe gemessenen wurden, durchgeführt werden kann. Es ergibt sich daher ein wirklichkeitsnaher Referenzverlauf. In einer weiteren Ausführungsform wird vorgeschlagen, den Anschlagszeitpunkt zu speichern, wenn er erkannt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Anschlagszeitpunkt nicht ständig neu bestimmt werden muss. Besonders bevorzugt wird ein
Anschlagszeitpunkt für einen bestimmten Betriebszustand erkannt. Dementsprechend kann ein erkannter Anschlagszeitpunkt zusammen mit Parametern gespeichert werden, die einen Betriebszustand kennzeichnen. Dies sind in erster Linie eine
Pumpfrequenz und ein Arbeitshub der Pumpe; denkbar ist jedoch auch eine
Temperatur der Pumpe oder des Fluids als Parameter. Es ist möglich, den
Anschlagszeitpunkt bei einem veränderten Betriebszustand jeweils neu zu erkennen oder die Anschlagszeitpunkte zu einer Vielzahl von Betriebszuständen zu speichern, so dass nur selten oder nie eine neue Ermittlung erforderlich ist. Denkbar ist, dass in einem Datensatz nur an einem zu dem Datensatz gehörigen Exemplar der
Kolbenpumpe gemessene Anschlagszeitpunkte gespeichert werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Bestromung der Spule beendet, wenn ein Anschlagszeitpunkt erkannt wird. Auf diese Weise wird verhindert, dass an der Spule weiter eine Versorgungsspannung anliegt, obwohl der Kolben den Anschlag erreicht hat. Durch die nicht abrupt abreißende Magnetwirkung bleibt der Kolben typischerweise noch für einen Zeitraum nach dem Abschalten der
Versorgungsspannung an dem Anschlag. Es ist auch denkbar, die
Versorgungsspannung der Spule abzuschalten, wenn nach Beginn der Bestromung ein Zeitpunkt erreicht wird, welcher einem gespeicherten Anschlagszeitpunkt entspricht. Insbesondere ist ein solcher Anschlagszeitpunkt für einen bestimmten Betriebszustand gespeichert. Durch die verkürzte Dauer des Anliegens der Versorgungsspannung wird Energie eingespart.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Bestromung beendet, bevor ein zu erwartender, insbesondere gespeicherter Anschlagszeitpunkt erreicht wird. Auf diese Weise kann für den Pumpvorgang Energie ausgenutzt werden, welche nach dem Ende der Bestromung in dem Schwung des Kolbens als kinetische Energie und in dem Elektromagneten als magnetische Energie gespeichert sind, mit der der Kolben den Anschlag ohne weitere Energiezufuhr erreicht. Es wird somit Verlustenergie in der Spule und in einer Endstufe der Ansteuereinrichtung eingespart. In einigen Fällen beträgt ein Anteil der Zeit zwischen dem Beginn der Bestromung und dem
Anschlagszeitpunkt, während dem die Bestromung vorzeitig abgeschaltet wird, ein Viertel oder weniger. Durch die vorzeitige Abschaltung der Bestromung erreicht der Kolben den Anschlag mit deutlich niedrigerer Geschwindigkeit. Daher wird eine Geräuschreduzierung und zugleich eine Verschleißminderung erreicht. Es ist auch denkbar, die Versorgungsspannung nach einem Zeitraum, innerhalb dem der Kolben nicht weiter beschleunigt oder abgebremst wird, wieder einzuschalten. Vorzugsweise wird eine Regelung durchgeführt, mit der die Bestromungszeit auf die minimal benötigte Dauer, die zum Anziehen des Kolbens notwendig ist, eingestellt wird. Dabei kann zum Beispiel auch festgestellt werden, wenn eine nur noch sehr geringe
Geschwindigkeit des Kolbens beim Anschlagen vorliegt oder kein Anschlagen des Kolbens an den Anschlag mehr stattfindet. Dann kann die Bestromungszeit erhöht werden. Liegt dagegen eine hohe Geschwindigkeit beim Aufprall vor, so kann die Bestromungszeit reduziert werden. Die Geschwindigkeit beim Aufprall kann beispielsweise als Ausmaß der Veränderung des Stroms in der Spule beim Aufprall oder anhand der sich an der Spule ergebenden Spannung nach dem Abschalten der Bestromung ermittelt werden. Vorzugsweise wird eine elektrische Verlustleistung an der Spule wenigstens näherungsweise minimiert. Die zwei nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens sind als Ausführungsformen einer eigenständigen Erfindung zu betrachten, welche von den anderen, in dieser Anmeldung beschriebenen Erfindungen unabhängig ist. Die nachfolgend beschriebene eigenständige Erfindung ist eine Weiterbildung eines Verfahrens zum Betreiben einer Kolbenpumpe, die mittels einer Spule eines
Elektromagneten angetrieben wird, wobei mittels des Elektromagneten ein Kolben der Kolbenpumpe in einem Zylinder zum Pumpen bewegbar ist, wobei während einer Einschaltdauer eine Spannung an die Spule angelegt wird, so dass ein Strom durch die Spule fließt und der Kolben beschleunigt wird, wobei die Spannung mittels einer Ansteuereinrichtung angelegt wird. Die Anmelderin behält sich vor, auf die Erfindung eine eigenständige Anmeldung zu richten. Die nachstehend beschriebenen
Ausführungsformen können mit den anderen beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens kombiniert werden.
In einer Ausführungsform wird auf Basis des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung nach dem Abschalten der Bestromung an der Spule eine Dampfförderung erkannt. Wenn nach dem Ansaugen zusätzlich zu einem flüssigen Medium, zum Beispiel einem Kraftstoff, auch Dampf des flüssigen Mediums in dem Pumpvolumen vorliegt, wird der Kolben durch eine Ausschiebekraft sehr schnell beschleunigt, bis der Dampf komprimiert ist. Dies führt aufgrund der hohen Kolbengeschwindigkeit zu einer erhöhten Gegenspannung, die die Bewegung des Kolbens in der Spule erzeugt. Auf diese Weise ergibt sich im Spannungsverlauf, der an der Spule anliegt, ein merklicher Einbruch. Insbesondere an diesem Spannungseinbruch kann das Vorliegen von Dampf in dem flüssigen Medium erkannt werden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Spannungseinbruch erkannt werden, indem nach dem Abklingen des Stroms durch die Spule, das nach dem Abschalten der Bestromung stattfindet, während eines Zeitraum vor dem erneuten Bestromen der
Spule ein Mittelwert aus der Spannung an der Spule gebildet wird, dieser Mittelwert von dem Verlauf der Spannung abgezogen wird und in dem Ergebnis der Subtraktion nach einem Extremwert gesucht wird. Wenn dieser einen Schwellenwert überschreitet, kann daran eine Dampfförderung erkannt werden. Alternativ oder zusätzlich kann aus einer Ableitung des Spannungsverlaufs in dem vorgenannten Zeitraum eine
Dampfförderung daran erkannt werden, dass die Ableitung einen Schwellenwert überschreitet.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Ansteuereinrichtung vorgeschlagen, welche dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen durchzuführen. Die Ansteuereinrichtung kann an der Kolbenpumpe angeordnet sein; sie kann jedoch auch von der Kolbenpumpe getrennt angeordnet und mit dieser durch elektrische Leitungen verbunden oder verbindbar sein. Weiter ist denkbar, dass die Ansteuereinrichtung einen Teil einer anderen Steuereinrichtung bildet, insbesondere einen Teil einer Motorsteuereinrichtung eines Kraftfahrzeugs. In einer weiteren, von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform unabhängigen Ausführungsform wird eine Ansteuereinrichtung für eine Kolbenpumpe zur Förderung einer Flüssigkeit, insbesondere eines Kraftstoffs, mit einem Zylinder, einem Kolben und einem Elektromagneten mit einer Spule zum Bewegen des Kolbens in dem Zylinder vorgeschlagen, die dazu eingerichtet ist, einen zeitlichen Verlauf einer elektrischen Zustandsgröße der Spule qualitativ zu erfassen und den Verlauf oder einen daraus abgeleiteten Verlauf auszuwerten, um ein Anschlagen des Kolbens an einem Anschlag zu erfassen.
In einer weiteren Ausführungsform der Ansteuereinrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist mittels der Ansteuereinrichtung ein
Anschlagszeitpunkt des Kolbens, zu dem der Kolben an einem Kolbensitz anschlägt, auf Basis des Verlaufs der elektrischen Zustandsgröße erfassbar und insbesondere speicherbar. In einer weiteren Ausführungsform nach einer der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform der Ansteuereinrichtung wird eine Zeitdauer des Anliegens der Versorgungsspannung an der Spule derart eingestellt, dass der Kolben nach dem Ende der Zeitdauer den Anschlag durch seinen Schwung erreicht und den Anschlag insbesondere mit im Vergleich zu seiner Maximalgeschwindigkeit erheblich geringer Geschwindigkeit erreicht. Dabei ist denkbar, nach einer Verringerung der
Energiezuführung zu der Spule nach dem Abschalten der Versorgungsspannung die Versorgungsspannung wieder anzulegen, bevor der Kolben seinen Anschlag erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform nach einer der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform der Ansteuereinrichtung ist diese dazu eingerichtet, mit der
Erkennung des Anschlagszeitpunkts die Bestromung der Spule zu beenden oder auf Grundlage eines zuvor erkannten und gespeicherten Anschlagszeitpunkts,
insbesondere für einen bestimmten Betriebszustand, zu dem gespeicherten
Anschlagszeitpunkt oder zu einem daraus zu ermittelnden Zeitpunkt die Bestromung der Spule zu beenden. In einer weiteren Ausführungsform nach einer der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform der Ansteuereinrichtung ist diese dazu eingerichtet, auf Basis des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung an der Spule eine Dampfförderung zu erkennen.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der Ansteuereinrichtung sind als eine eigenständige Erfindung zu betrachten, welche von den anderen, in dieser Anmeldung beschriebenen Erfindungen unabhängig ist. Die nachfolgend beschriebene Erfindung bildet eine Ansteuereinrichtung für eine Kolbenpumpe zur Förderung einer Flüssigkeit, insbesondere eines Kraftstoffs, mit einem Zylinder, einem Kolben und einem Elektromagneten mit einer Spule zum Bewegen des Kolbens in dem Zylinder eigenständig weiter. Die Anmelderin behält sich vor, darauf eine eigenständige
Anmeldung zu richten. Die nachstehend beschriebenen Ausführungsformen können mit der vorangehend beschriebenen Ausführungsform der Ansteuereinrichtung kombiniert werden.
In einer Ausführungsform der Ansteuereinrichtung weist diese einen Halbleiterschalter auf, etwa einen MOSFET-Transistor, einen Bipolartransistor oder einen anderen Leistungshalbleiterschalter. Mittels des Halbleiterschalters kann eine Spannung an die Spule angelegt werden. Dazu ist der Halbleiterschalter bevorzugt in Reihe mit der Spule geschaltet, wobei insbesondere ein Anschluss der Spule mit einem Anschluss des Halbleiterschalters leitend verbunden ist. Der Halbleiterschalter und die Spule liegen dazu vorzugsweise zwischen einem Versorgungsspannungspotenzial und einem Massepotenzial, an welche die Spule und der Halbleiterschalter jeweils mit einem Anschluss angeschlossen sind. Bevorzugt sind in den Strompfad von dem
Versorgungspotenzial zu dem Massepotenzial nur der Halbleiterschalter und die Spule geschaltet. Wenn der Halbleiterschalter durchgeschaltet ist, weist dieser einen wenigstens näherungsweise konstanten Innenwiderstand auf. Kernidee dieser
Ausführungsform ist, den durchgeschalteten Halbleiterschalter als Shuntwiderstand zur Messung des Stroms durch den Halbleiterschalter zu verwenden. Auf diese Weise kann ein herkömmlicher Shuntwiderstand, den Stand der Technik zur Strommessung eingesetzt wird, eingespart werden. Dadurch wird auch die Verlustleistung an dem Shuntwiderstand eingespart. Leichte Abweichungen in der Konstanz des Widerstands des durch geschalteten Halbleiterschalters sind für die Erkennung des
Anschlagszeitpunkts nach einem der vorstehend beschriebenen Verfahren nicht störend, so dass diese Art der qualitativen Strommessung dafür einsetzbar ist, auch wenn die quantitative Messgenauigkeit für manch anderen Zweck nicht ausreichen würde. Bevorzugt wird über den Halbleiterschalter hinweg ein Spannungsabfall gemessen, insbesondere mit einem AD-Wandler. Der Spulenstrom kann zumindest näherungsweise mit einem Widerstandswert für den geschlossenen Halbleiterschalter berechnet werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Spannungsabfall über den geschlossen Halbleiterschalter an einem Anschluss des Halbleiterschalters mit Bezug auf ein Massepotenzial oder an einem Anschluss des Halbleiterschalters mit Bezug auf ein Versorgungsspannungspotenzial gemessen.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Spannung an der Spule berechnet, indem von der Differenz zwischen dem Spannungsversorgungspotenzial und dem
Massepotenzial die über den Halbleiterschalter gemessene Spannung subtrahiert wird, wobei die Spannung gemessen wird, wenn der Halbleiterschalter geöffnet ist. Da in vielen Fällen die Differenz zwischen dem Spannungsversorgungspotenzial und dem Massepotenzial als Betriebsspannung aus anderen Messungen bekannt oder festgelegt ist, bedeutet die Messung einer Spannung über den geöffneten
Halbleiterschalter zur Bestimmung der Spannung an der Spule nur einen geringen Mehraufwand. Die Messung des Spannungsabfalls über den geschlossenen
Halbleiterschalter kann einem A/D-Wandler durchgeführt werden, mit dem außerdem die Spannung über den geöffneten Halbleiterschalter gemessen werden kann. U.U. ist dabei eine Messbereichsanpassung erforderlich, welche zum Beispiel mit einem Spannungsteiler realisiert werden kann. In einer weiteren Ausführungsform ist der Spule ein Strompfad parallelgeschaltet, der einen zusätzlichen Halbleiterschalter und eine Diode umfasst. Die Diode ist in Bezug auf eine Stromrichtung von dem Spannungsversorgungspotenzial zu dem
Massepotenzial in Sperrrichtung geschaltet. Der zusätzliche Halbleiterschalter ermöglicht, nach dem Abschalten des Halbleiterschalters für das Anlegen des
Spannungsversorgungspotenzials einen Freilaufkreis für Strom durch die Spule freizuschalten. Dieser ermöglicht ein langsames Absinken des Stroms durch die Spule.
In einer weiteren Ausführungsform ist dem Halbleiterschalter für das Anlegen des Spannungsversorgungspotenzials eine Zenerdiode parallelgeschaltet, die in Bezug auf die Stromrichtung von dem Spannungsversorgungspotenzial zu dem Massepotenzial in Sperrrichtung geschaltet ist. Diese Zenerdiode ermöglicht eine Schnelllöschung der Energie der Spule in der Zenerdiode. Wenn der Halbleiterschalter sperrend geschaltet wird, wird Strom aus der Spule, den diese auf Grund ihrer magnetischen Energie weitertreibt, über diese Zenerdiode und eine Stromversorgungseinrichtung, die das Spannungsversorgungspotenzial bereitstellt, zurück zu der Spule geleitet. An der Zenerdiode findet aufgrund von deren Durchbruchsspannung eine starke
Energieumwandlung in Wärme statt, sodass der Spulenstrom schnell gelöscht wird.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Kolbenpumpe vorgeschlagen, welche eine Ansteuereinrichtung nach einer der vorstehend beschriebenen
Ausführungsformen aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
Figur 1 ein Querschnitt durch eine Kolbenpumpe nach dem Stand der Technik, ein Schaltplan einer Ansteuereinrichtung nach dem Stand der Technik, ein Schaltplan einer ersten Ausführungsform einer Ansteuereinrichtung nach der Erfindung, ein Schaltplan einer zweiten Ausführungsform einer Ansteuereinrichtung nach der Erfindung, ein Schaltplan einer dritten Ausführungsform einer Ansteuereinrichtung nach der Erfindung, ein Doppeldiagramm, in dem eine Spannung an der Spule und ein Strom durch die Spule in einem beiden gemeinsamen Zeitraum dargestellt sind, wobei ein herkömmlicher Verlauf von Strom und Spannung gezeigt ist ein Doppeldiagramm, in dem eine Spannung an der Spule und ein Strom durch die Spule in einem beiden gemeinsamen Zeitraum dargestellt sind, wobei ein Verlauf von Strom und Spannung unter Anwendung einer ersten Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist, Figur 8 ein Doppeldiagramm, in dem eine Spannung an der Spule und ein Strom durch die Spule in einem beiden gemeinsamen Zeitraum dargestellt sind, wobei ein Verlauf von Strom und Spannung unter Anwendung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung gezeigt ist, und
Figur 9 ein Doppeldiagramm, in dem eine Spannung an der Spule und ein Strom durch die Spule in einem beiden gemeinsamen Zeitraum dargestellt sind, wobei ein herkömmlicher Verlauf von Strom und Spannung gezeigt ist, wobei jedoch flüssiges Fluid und Dampf gefördert werden.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 3 ist ein Schaltplan einer Ansteuereinrichtung als ein Teil der Erfindung gezeigt. Diesem Teil der Erfindung kommt unabhängige Bedeutung zu. Die Anmelderin behält sich vor, auf diesen Gegenstand eine gesonderte Anmeldung zu richten. Die gezeigte Ansteuereinrichtung kann Teil einer umfassenderen Einheit sein. Zwischen einem Versorgungsspannungspotenzial +UB und ein Massepotenzial GND sind in Reihe eine Spule eines Elektromagneten einer Kolbenpumpe und ein Halbleiterschalter LS geschaltet. Der Halbleiterschalter LS ist als n-Kanal-MOSFET-Transistor ausgeführt. Alternativ kann der Halbleiterschalter LS auch als p-Kanal-MOSFET- Transistor ausgeführt sein. Ein Source-Anschluss S des Transistors ist mit dem
Massepotenzial GND verbunden. Ein Drain-Anschluss D ist mit einem Anschluss der Spule verbunden. Der Gate-Anschluss G ist über einen Vorwiderstand Rv LS mit einem Ansteuerpotenzial verbunden. Ein Spannungsabfall U_DS kann zwischen dem Drain D und der Source S abgegriffen werden. Der Spannungsabfall kann zur
Messung eines Stroms durch die Spule L coil herangezogen werden. Die Spule umfasst einen induktiven Anteil L coil und einen resistiven Anteil R_coil, welche in Reihe geschaltet vorliegen. Ein Anschluss der Spule ist mit dem
Versorgungsspannungspotenzial +UB verbunden, während der andere mit dem
Halbleiterschalter HS verbunden ist.
Figur 4 zeigt einen Schaltplan einer zweiten Ausführungsform der Ansteuereinrichtung. Die zweite Ausführungsform gleicht in vieler Hinsicht der ersten Ausführungsform, die in Figur 3 dargestellt ist. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und es sei diesbezüglich auf Figur 3 verwiesen. Es wird im Folgenden nur auf Unterschiede zu der Figur 3 eingegangen. Die zweite Ausführungsform weist zusätzlich eine Zenerdiode auf, die mit Drain und Source des Halbleiterschalters LS verbunden und in Bezug auf das Versorgungsspannungspotenzial +UB in
Sperrrichtung geschaltet ist. Weiter weist die Ansteuereinrichtung einen zusätzlichen Strompfad mit einer Reihenschaltung eines weiteren Halbleiterschalters HS und einer in Bezug auf das Versorgungsspannungspotenzial +UB in Sperrrichtung geschalten Diode D1 auf. Der Drain des Halbleiterschalters HS ist mit dem
Versorgungsspannungspotenzial +UB verbunden. Die Anode der Diode D1 ist mit dem Drain des Halbleiterschalters LS verbunden. Source des Halbleiterschalters HS und die Kathode der Diode D1 sind zusammengeschaltet. Der Halbleiterschalter HS kann über sein Gate und einen Vorwiderstand Rv HS angesteuert werden. Die Schaltung weist einen Shunt-Widerstand auf, an dem eine Spannung U_shunt zur Messung eines Stroms durch die Spule L coil abgenommen werden kann.
Zur Bestromung der Spule L coil wird zunächst der Halbleiterschalter LS leitfähig geschaltet. Wenn eine Einschaltdauer abgelaufen ist, wird der Halbleiterschalter LS geöffnet. Dann erzeugt die Spule L coil eine Spannung U_coil_pump. Diese treibt einen Strom durch einen Freilaufkreis. Der Halbleiterschalter HS dient zur Aktivierung eines Freilaufkreises mit schwacher Wirkung, welcher über die Diode D1 und den dazu geschlossenen Halbleiterschalter HS verläuft. Da der Spannungsabfall an dem geschlossenen Halbleiterschalter HS und der Diode D1 gering ist, wird der Spule L coil nur langsam Energie entzogen, sodass der Spulenstrom langsam gelöscht wird. Wird der Halbleiterschalter stattdessen geöffnet, ergibt sich ein starke Löschwirkung. Der Strompfad des von der Spule getriebenen Stroms verläuft dann über die Zenerdiode ZD, den Shunt-Widerstand R shunt und über eine Stromversorgungseinrichtung, die das Versorgungsspannungspotenzial +UB bereitstellt. Der hohe Energieverlust führt zu einer schnellen Löschung des Stroms durch Spule L coil.
Figur 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der in Figur 4 gezeigten
Ausführungsform. Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und es sei diesbezüglich auf Figur 4 verwiesen. Es wird im Folgenden nur auf die
Unterschiede eingegangen. Abweichend von Figur 4 fehlt in der Ausführungsform der
Figur 5 der Shunt-Widerstand R shunt. Stattdessen wird wie in der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform eine Spannung U_DS über den geschlossenen
Halbleiterschalter LS zur Messung des Stroms durch die Spule L coil verwendet. Figur 6 zeigt in einem Doppeldiagramm einen Verlauf einer Spannung U, die an die Spule eines Elektromagneten einer Kolbenpumpe anliegt, und einen Verlauf eines Stroms I durch die Spule, wobei der Strom I und die Spannung U über der Zeit t und über denselben Zeitraum dargestellt sind. Es wird eine Ansteuereinrichtung in einer Ausführungsformen der Figuren 4 oder 5 verwendet. In einem ersten Zeitabschnitt I liegt die Spannung U näherungsweise konstant bei Null und der Strom I ist ebenfalls im wesentlichen Null. Der Kolben steht an einem Ruheanschlag an oder macht eine langsame Ausschiebebewegung, um Fluid zu pumpen. Am Übergang des
Zeitabschnitts I zu dem Zeitabschnitt II wird die Spule an die Versorgungsspannung angelegt, so dass die Spannung U sehr schnell stark ansteigt. Aufgrund der Induktivität und des Innenwiderstand der Spule ergibt sich eine Trägheit im Nachfolgen des Stroms durch die Spule I, welcher langsam ansteigt und zum Ende des Zeitabschnitts II seinen Maximalwert erreicht. Der Anstieg beginnt näherungsweise mit konstanter Steigung, welche jedoch an einer Knickstelle K durch eine kleine Ungleichmäßigkeit gestört ist. Diese hängt damit zusammen, dass zu Beginn der Knickstelle zum
Anschlagszeitpunkt tA der Kolben der Kolbenpumpe an einem Anschlag anschlägt, wodurch sich seine Geschwindigkeit stark verringert und der Kolben dadurch keine Gegenspannung mehr erzeugt. Daher entspricht der Zeitpunkt der Knickstelle einem Anschlagszeitpunkt. Entsprechend der stark verringerten Geschwindigkeit des Kolbens liegt eine größere wirksame Spannung an der Spule an, so dass der Strom I ab diesem Anschlagszeitpunkt mit einer stärkeren Steigung ansteigt. Die Steigung nimmt bis zum Ende des Zeitabschnitts II immer mehr ab. Am Ende des Zeitabschnitts II wird die Spule von der Versorgungsspannung getrennt. Dazu wird der Halbleiterschalter LS sperrend geschaltet. Der Halsleiterschalter HS ist leitend geschaltet, sodass nur eine schwache Löschung des Spulenstroms stattfindet. Die Spannung U sinkt dadurch sehr schnell auf etwas unter null ab, wo sie während des Zeitabschnitts III bleibt. Im
Zeitabschnitt III nimmt der Strom I durch die genannte Einstellung der
Halbleiterschalter LS und HS langsam ab. Im Zeitabschnitt IV fällt die Spannung U schnell und sehr stark ab, was mit einer zügigen und starken Absenkung des Stroms I bis nahe Null einhergeht. Dies wird durch Abschalten des Halbleiterschalters HS bewirkt, was wie vorstehend beschrieben zu einer starken Stromlöschung führt. Nach dem Ende des Absinkens des Stroms steigt die Spannung U zügig wieder bis etwa auf Null an. Im Zeitabschnitt V setzt sich der Kolben aufgrund der Beendigung der
Magnetwirkung der Spule durch die Federvorspannung wieder in Bewegung. Dadurch entsteht eine Gegenspannung in der Spule, was sich als Einbruch im Verlauf der Spannung U bemerkbar macht. Der Kolben wird beschleunigt, jedoch nimmt die Wirkung der Bewegung des Kolbens im Verlauf der Zeit bis zum Ende des
Zeitabschnitts V ab. Der Strom I ist währenddessen nahezu Null. Nach dem Ende des Zeitabschnitts V beginnt der Zyklus mit dem Zeitabschnitt I von vorne. Figur 7 zeigt eine Abwandlung des in Figur 6 gezeigten Doppeldiagramms der
Spannung U und des Stroms I über der Zeit t. Es ist derselbe Zeitraum wie in Figur 4 dargestellt. Der Verlauf der Spannung U und des Stroms I entsprechen zum größten Teil den Verläufen in der Figur 6. Es wird daher nur auf die Unterschiede eingegangen. Der wesentliche Unterschied zwischen den Figuren 6 und 7. liegt darin, dass der
Übergang zwischen den Zeitabschnitten II und III früher stattfindet. Der Zeitabschnitt II ist dadurch verkürzt, während der Zeitabschnitt III verlängert ist. Der Zeitabschnitt II wird etwas nach dem Zeitpunkt der Knickstelle K beendet, indem die Spule von ihrer Versorgungsspannung getrennt wird. So wird die Beschleunigung des Kolbens frühzeitig beendet, so dass dieser auf Grund seines Sprungs und aufgrund der nur langsam abnehmenden Magnetwirkung und des noch durch die Spule fließenden Stroms I weiterläuft und mit vergleichsweise geringerer Geschwindigkeit an seinem Anschlag eintrifft. Dies führt zu einem geringeren Geräusch und weniger Verschleiß. Im Zeitabschnitt III fällt die Spannung U etwas unter Null ab. Der Strom I fällt dabei langsam auf kleinere Werte ab. Der Rest des Zyklus der Spannung U des Stroms I entspricht dem in der Figur 6 gezeigten. Insgesamt ergibt sich ein erheblich geringerer Energieeinsatz im Vergleich zu dem der Figur drei, was aus der verkürzten Zeitdauer des Anliegens der Versorgungsspannung und aus der geringeren maximal Stromstärke sowie der kleineren geflossenen Ladungsmenge, wie an der Fläche unter der Kurve des Stroms I zu erkennen ist, resultiert.
Figur 8 zeigt eine Abwandlung des in Figur 6 gezeigten Doppeldiagramms der
Spannung U und des Stroms I über der Zeit t. Es ist derselbe Zeitraum wie in Figur 6 dargestellt. Die Verläufe der Spannung U und des Stroms I entsprechen zum größten Teil den Verläufen in der Figur 6. Es wird daher nur auf die Unterschiede eingegangen.
Der wesentliche Unterschied zwischen den Figuren 6 und 8. liegt darin, dass in dem Spannungsverlauf der Figur 8 ein zusätzlicher Zeitabschnitt IIa in den Verlauf des Zeitabschnitts II eingefügt ist. Während des Zeitabschnitts IIa wird die
Versorgungsspannung auf Null abgesenkt. Dazu ist wird der Halbleiterschalter LS geöffnet. Der Halbleiterschalter HS bleibt geschlossen oder wird geöffnet, je nach dem, ob eine starke bzw. schwache Stromlöschung gewünscht ist. Der Zeitabschnitt IIa entspricht einem zeitlichen Bremsabschnitt, in dem die Geschwindigkeit des Kolbens und/oder seine Beschleunigungs dadurch verringert wird, dass die
Versorgungsspannung der Spule abgeschaltet wird. Während des Zeitabschnitts IIa sinkt der Strom I etwas ab, wogegen er in dem Zeitabschnitt II, der den Zeitabschnitt IIa umgibt, zügig ansteigt. Vorzugsweise beginnt der Zeitabschnitt IIa an der
Knickstelle K, an der der Kolben auf seinen Anschlag trifft. Insgesamt ergibt sich ein deutlich verringerter Energieeinsatz, insbesondere, weil der Strom einen weniger hohen Maximalwert erreicht. Es fließt insgesamt weniger Ladung. Während des Zeitabschnitts IIa ist außerdem die Versorgungsspannung abgeschaltet, so dass während dieses Zeitraums keine Energie eingetragen wird. Durch den geringeren Energieeintrag in den Kolben kommt dieser mit einer geringeren Geschwindigkeit an seinem Anschlag an dies reduziert Geräusch und Verschleiß. Die Länge des
Zeitabschnitts IIa kann als Stellgröße für eine Regelung einer optimierten
Bestromungdauer der Spule für einen möglichst optimalen Betrieb der Kolbenpumpe dienen. Die restlichen in Figur 8 gezeigten Zeitabschnitte eines Zyklus entsprechen denen der Figur 6.
Figur 9 zeigt eine Abwandlung des in Figur 6 gezeigten Doppeldiagramms der
Spannung U und des Stroms I über der Zeit t. Es ist derselbe Zeitraum wie in Figur 6 dargestellt. Der Verlauf der Spannung U und des Stroms I entsprechen zum größten Teil den Verläufen in der Figur 6. Es wird daher nur auf die Unterschiede eingegangen. Der wesentliche Unterschied zwischen den Figuren 6 und 9. liegt darin, dass der Einbruch E im Zeitabschnitt V deutlich stärker ausfällt. Dies hängt damit zusammen, dass in Figur 9 die Förderung eines Gemischs aus flüssigem Fluid und Dampf davon gezeigt ist. Der Kolben wird bei Beginn des Zeitabschnitts V stark beschleunigt, bis der Dampf durch den sich erhöhen den Druck komprimiert ist und ein nicht mehr kompressibles Medium ausgeschoben wird. Anhand der Größe oder des zeitlichen Gradienten des Einbruchs E kann festgestellt werden, ob Dampf im Pumpraum vorliegt oder nicht. Insbesondere kann dazu eine Amplitude des Einbruchs E und/oder ein zeitlicher Gradient des Einbruchs E mit einem Schwellenwert verglichen werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Kolbenpumpe (10), die mittels einer Spule (1 ) eines Elektromagneten angetrieben wird, wobei mittels des Elektromagneten ein Kolben (2) der Kolbenpumpe (10) in einem Zylinder (3) zum Pumpen bewegbar ist,
wobei während einer Einschaltdauer eine Spannung (U) an die Spule (1 ) angelegt wird, sodass ein Strom durch die Spule (1 ) fließt und der Kolben (2) beschleunigt wird,
wobei die Spannung mittels einer Ansteuereinrichtung (1 1 ) angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
ein zeitlicher Verlauf einer elektrischen Zustandsgröße (I, U) der Spule (1 ) qualitativ erfasst und der Verlauf oder ein daraus abgeleiteter Verlauf
ausgewertet wird, um ein Anschlagen des Kolbens (2) an einem Anschlag (8) zu erkennen.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein
Anschlagszeitpunkt (tA) des Kolbens (2), zu dem der Kolben (2) an einem Anschlag (8) anschlägt, auf Basis des Verlaufs der elektrischen Zustandsgröße (I, U) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Anschlagszeitpunkt (tA) erfasst wird, indem in einer ersten zeitlichen Ableitung des Verlaufs der elektrischen Zustandsgröße (I, U) ein Extremwert zeitlich erfasst wird oder/und in einer zweiten zeitlichen Ableitung des Verlaufs der elektrischen Zustandsgröße (I, U) ein Nulldurchgang zeitlich erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf der Zustandsgröße (I, U) von einem zeitlichen Referenzverlauf, der einen theoretischen Verlauf der Zustandsgröße (I, U) ohne Kolbenbewegung oder mit Kolbenbewegung ohne Anschlagen des Kolbens (2) simuliert, subtrahiert wird und die Differenz mit einem Schwellenwert verglichen wird, wobei der
Anschlagszeitpunkt (tA) an einem Extremwert der Differenz erkannt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erkannter Anschlagszeitpunkt (tA) gespeichert wird, insbesondere für einen bestimmten Betriebszustand. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Erkennung des Anschlagszeitpunkts (tA) die Spannungsversorgung der Spule (1 ) beendet wird oder auf Grundlage eines zuvor erkannten und gespeicherten Anschlagszeitpunkts (tA) ein Zeitpunkt bestimmt wird, zu dem die Spannungsversorgung der Spule (1 ) beendet wird, wobei insbesondere nach einem Zeitabschnitt (IIa), der nach dem Beenden der Spannungsversorgung beginnt, die Spannungsversorgung wieder eingeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgung beendet wird, bevor der zu erwartende
Anschlagszeitpunkt (tA) erreicht wird oder wenn der zu erwartende
Anschlagszeitpunkt (tA) erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Spannungsversorgungszeitdauer (II) der Spule (1 ) derart eingestellt wird, dass der Kolben (2) nach dem Ende der Spannungsversorgungszeitdauer (II) den Anschlag (8) durch seinen Schwung erreicht und den Anschlag (8) insbesondere mit im Vergleich zu seiner Maximalgeschwindigkeit erheblich geringer
Geschwindigkeit erreicht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Basis des zeitlichen Verlaufs der elektrischen Spannung (U) an der Spule (1 ) eine Dampfförderung erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Beginn eines Ausstoßvorgangs von Fluid aus der Kolbenpumpe (10) ein Einbruch (E) im Verlauf der Spannung (U) an der Spule (1 ) erfasst wird, insbesondere, indem eine Differenz zwischen dem Verlauf der Spannung (U) und dem Verlauf einer Referenzspannung in Höhe eines Mittelwertes der Spannung (U) während eines Zeitraums nach dem Abklingen des Stroms (I) durch die Spule (1 ) ermittelt und in der Differenz ein Extremwert gesucht wird, der größer als ein Schwellenwert ist.
Ansteuereinrichtung (1 1 ) für eine Kolbenpumpe (10) zur Förderung einer Flüssigkeit, insbesondere eines Kraftstoffs, mit einem Zylinder (3), einem Kolben (2) und einem Elektromagneten mit einer Spule (1 ) zum Bewegen des Kolbens (2) in dem Zylinder (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (1 1 ) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorangehenden
Ansprüche durchzuführen.
Ansteuereinrichtung (1 1 ) nach Anspruch 1 1 , welche einen Halbleiterschalter (LS) umfasst, mittels welchem eine Spannung an die Spule (1 ) anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Ansteuereinrichtung (1 1 ) ein
Spannungsabfall (U_DS) über einen Innenwiderstand des geschlossenen Halbleiterschalters (LS) messbar ist, um eine Stromstärke durch den
Halbleiterschalter (LS) zu erfassen.
Ansteuereinrichtung (1 1 ) nach einem der Ansprüche 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Spannung (U_DS) über den
Innenwiderstand des geöffneten Halbleiterschalters (LS) zwischen einem
Massepotenzial (GND) und einem Anschluss des Halbleiterschalters (LS) oder zwischen einem Versorgungsspannungspotenzial (+UB) und einem Anschluss des Halbleiterschalters (LS) durchführbar ist.
Ansteuereinrichtung (1 1 ) nach Anspruch 13, in der ein Anschluss des
Halbleiterschalters (LS) an dasselbe Potenzial wie ein erster Anschluss der Spule
(I ) angeschlossen ist, wobei ein zweiter Anschluss der Spule (1 ) an das Versorgungsspannungspotenzial oder das Massepotenzial angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuereinrichtung (1 1 ) dazu eingerichtet ist, die Spannung an der Spule (1 ) aus einer Differenz zwischen einer Spannung an dem Anschluss des Halbleiterschalters (LS) und dem
Versorgungsspannungspotenzial oder dem Massepotenzial zu berechnen.
Kolbenpumpe (10) dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Ansteuereinrichtung
(I I ) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14 aufweist.
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