WO2017190883A1 - VERFAHREN ZUM ÖFFNEN UND SCHLIEßEN EINES SCHALTVENTILS - Google Patents

VERFAHREN ZUM ÖFFNEN UND SCHLIEßEN EINES SCHALTVENTILS Download PDF

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Matthias Bleeck
Dmitriy KOGAN
Tet Kong Brian Chia
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Aumovio Germany GmbH
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Continental Automotive Technologies GmbH
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    • H01F2007/1888—Circuit arrangements for obtaining desired operating characteristics, e.g. for slow operation, for sequential energisation of windings, for high-speed energisation of windings using pulse width modulation

Definitions

  • the present invention relates to a method for opening and closing a switching valve, preferably a hydraulic switching valve for gasoline or diesel fuel, comprising the method steps:
  • a switching valve comprising a housing, means disposed in the housing winding and arranged in the housing biased spring, an integrally in the housing ⁇ brought pole core, an armature and connected to the anchor, or formed thereon the valve actuating member, said Ven ⁇ tilstelleelement in the housing between a first Endpo ⁇ position and a second end position is displaceable and in its one end position opening and in its other position causes closing of the switching valve for fluid, wherein the force transmitted to the valve element spring force of the prestressed spring in the direction acts in the first end position and wherein in flowing state of the electric current through the winding on the valve actuating element acting in the direction of its second end position, by means of winding, pole core and armature electromagnetically generated power, and
  • Switching valves are known as a combination of a solenoid and a hydraulic connected by this. In the mode of operation, two switching states of the hydraulics, an open position and a closed position, are achieved.
  • a first aspect of the invention the object of developing a method of the type described above advantageous.
  • noise reduction during switching on can be reduced in comparison to the known method for noise optimization.
  • a second aspect of the invention has the object of developing a method of the type described above advantageous.
  • the aim is to reduce the noise occurring during switching off in comparison to the described known method.
  • a noise optimization for the switch-off phase is sought.
  • the object on which it is based is initially and essentially solved in conjunction with the features that starting from an operating state in which the valve actuating element is in its first end position and in which, in particular, no current flows through the winding, by applying the winding with a first Pulse width modulated voltage signal having a plurality of clamping ⁇ voltage pulses flowing through the winding
  • the spring may be a cylinder compression spring.
  • PWM pulse width modulation of voltage signals
  • the inrush current can be defined, for example, as an amperage whose generated by means of winding, pole core and armature, transmitted to the valve actuator electromagnetically generated force (possibly, depending on the embodiment, in combination with another rectified on the Valve actuating element acting force, such as, an elastic restoring force of a sealing plate or the like) the sum of the acting on the valve body in the opposite direction forces, comprising the spring force and the one
  • the method according to the invention differs from the known method by its drive strategy.
  • Switching takes place a pre-energization of the winding, so that subsequently the movement phase can be initiated ⁇ faster and thus can reduce the effective switching time.
  • the pre-energization of the winding minimizes eddy current losses. For the actual switching process, only as much magnetic force is generated as is needed, so that the speed of the moving components and thereby the noise (despite reduced effective duty cycle) can be reduced and thus optimized.
  • the current intensity at the end time of the first pulse-width modulated voltage signal at least 50 percent, in particular at least 70 percent, in particular at least 90 percent of the ⁇ Einschaltstromspring is.
  • the amount of the transmitted to the valve actuator power electromagnetically generated at the temporal end of the first pulse-width modulated voltage signal is at least 50 percent, more preferably at least 70 percent, into ⁇ particular at least 90 percent of the amount of the transmitted to the Ven ⁇ tilstellelement spring force.
  • the plurality of voltage pulses has, at least temporarily or permanently raised over the on ⁇ switching current.
  • a current level profile preferably produced by the second pulse-width modulated voltage signal according whose the amount of funds transferred to the valve actuator power electromagnetically generated during the second pulse width modulated voltage signal is always greater than the amount of the valve Stel ⁇ lelement transmitted spring force.
  • a current intensity can be, for example, define, at which the magnitude of the transmitted to the valve Stel ⁇ lelement spring force is slightly larger than the sum of lelement transmitted in this opposite direction to the Ventilstel- forces acting on the valve Stel ⁇ lelement transmitted electromagnetically generated force, the inertial force and the frictional force and, if necessary, depending on the imple ⁇ ment form, a force for elastic deformation of a sealing plate or the like include.
  • a current intensity profile is generated by means of the third pulse width modulated voltage signal, according to which the amount of electromagnetically generated force transmitted to the valve actuator is always greater than the amount of spring force transmitted to the valve actuator during the second pulse width modulated voltage signal.
  • the electric current flow through the winding is influenced such that its current falls below the breaking current first and then exceeds during the movement of the valve actuating element from its second end position to its first end position.
  • the amount of electromagnetic force transmitted to the valve actuator during movement of the valve actuator from its second end position in its first end position within the time interval in which the current is greater than the turn-off ⁇ current, by means of during this movement to the winding applied pulse width modulated voltage signal is influenced so that it is more than 50 percent, in particular more than 70 percent, in particular more than 90 percent of the amount of transmitted to the valve actuator spring force by the end of this time interval.
  • the amount of electromagnetically generated force transmitted to the valve actuator during movement of the valve actuator from its second end position to its first end position within the time interval in which the Current greater than the turn-off current is approximated by means of the pulse width modulated voltage signal to a value and then held at this value, which is more than 50 percent, in particular more than 70 percent, in particular more than 90 percent of the amount of transmitted to the valve actuator spring force.
  • the first pulse width modulated voltage signal and / or the second pulse width modulated voltage signal and / or the third pulse width modulated voltage signal and / or the fourth pulse width modulated voltage signal or the puls shimmerenmo ⁇ lated voltage signal are predetermined according to the second aspect of the invention.
  • the resistsversor ⁇ restriction device comprises control means for acting on the winding with the one or more predetermined pulse-width modulated voltage signal (s).
  • a predetermined pulse-width modulated voltage signal may preferably be so determined before practicing the method for individual ready for operation ⁇ conditions such as. For a switching valve of a particular type, in particular for a certain temperature in experiments and stored. It is possible that the PWM rate (pulse width modulation rate) within the first pulse width modulated voltage signal and / or the second pulse width modulated voltage signal and / or the third pulse width modulated voltage signal and / or the fourth pulse width modulated voltage signal or the pulse width modulated voltage signal according to the second aspect of Invention is constant.
  • the power supply device has a control device that the
  • the control device is supplied as a signal and is compared therein with a predetermined, in particular temporally variable, current and that the pulse width modulated voltage signal is generated by means of this comparison.
  • the PWM rate pulse width modulation ⁇ rate
  • the PWM rate within the first pulse-width-modulated voltage ⁇ signal and / or of the second pulse-width modulated voltage signal and / or the third pulse width modulated voltage signal and / or the fourth pulse width modulated voltage signal or the pulse width modulated voltage signal according to the second aspect of the invention is variable.
  • PWM pulse width modulation
  • a constant period is used.
  • valve actuating element in its first end position causes an opening of the switching valve for fluid and in its second end position causes closing of the switching valve for fluid. It is preferred that a switching valve is used in fluid communication with a high-pressure fuel pump, in particular for gasoline or diesel fuel.
  • FIG. 2 shows a sectional view of the switching valve according to FIG. 1 with a fluid flow direction opposite to FIG. 1;
  • Fig. 3 is a sectional view of the switching valve shown in Figures 1 and 2, but in the closed state;
  • FIG. 1 shows a hydraulic switching valve 1 for a fluid, such as, for example, gasoline or diesel fuel, which can be used, for example, in conjunction with a high-pressure fuel pump on an engine.
  • the switching valve 1 has a first fluid port 2 and a second fluid port 3, one of which has a fluid inlet and the other one
  • Fluid outlet (depending on operating conditions) forms.
  • Switching valve 1 comprises a housing 4 formed from a plurality of parts. Therein, a winding 5 and a pole core 6 are each arranged in a stationary manner. The winding 5 is connected by means of electrical lines 7 to a terminal 8, which is not shown in the figures for the electrical connection
  • An armature arranged in the housing 4 is designated by 9. At this a plate 10 and by means of this a shaft 11 is fixed, at its opposite longitudinal end is a in the example
  • cylindrical valve actuator 12 connects. This is in a central bore 13 of a housing plate 14th
  • a spring 16 is disposed within a cavity 15 which extends proportionately in the pole core 6 and the armature 9. In the example, it is a cylinder spring. Their longitudinal ends are based on the one hand on the pole core 6 and on the other hand on the plate 10 from. In the relaxed state of the spring 16 whose longitudinal extent is greater than the distance shown in Figure 1 between the
  • FIG. 1 shows an operating state in which no current flows through the winding 5, so that no electromagnetic attraction force acts between the pole core 6 and the armature 9.
  • the spring 16 pushes the spring 16, the shaft 11 in the longitudinal direction away from the pole core 6 until the shaft 11 with its annular end face 24 positively, ie wegbegrenzend, occurs against the housing plate 14.
  • the valve actuating element 12 fixedly connected to the shaft 11 is in its so-called first end position and communicates with a free longitudinal end 17 axially via a seal 18 which is arranged on the housing plate 14 on the side facing away from the shaft 11.
  • With 19 is an elastic, at its outer edge in the housing 4 adjacent to the seal 18 held, elastically deformable
  • Density plate called. In the unloaded state (see Figure 3) this is sealingly against the seal 18 at.
  • the sealing plate 19 is elastically deflected out of its rest position by means of the valve actuating element 12, so that it borders a gap 20 with the seal 18.
  • the gap 20 connects axially through the housing plate 14 and the seal 18 leading through holes 21, 35 with laterally offset through holes 22 in the
  • Operating state is indicated by arrows 23 that fluid flows out through the first fluid port 2 in the switching valve and through the second fluid port 3 from the switching valve 1.
  • the switching valve for fluid is thus open. It is between the pole core 6 and the armature 9 in the axial, d. H. to a geometric longitudinal center direction L parallel direction, a gap S formed.
  • FIG. 2 differs from FIG. 1 in that, with the switching valve 1 also open, a reverse fluid flow direction (arrows 23 ') is assumed there.
  • FIG. 3 differs from the situation shown in FIGS. 1 and 2 in that the switching valve 1 in FIG. 3 is in its closed position.
  • the winding 5 by means of an electric Voltage signal applied, as a result, the coil 5 is traversed by an electric current whose current is so large that the electromagnetic force generated by means of winding 5, pole core 6 and armature 9, which is transmitted to the valve actuator 12 parallel to the geometric longitudinal central axis L.
  • an elastic force generated by means of winding 5, pole core 6 and armature 9 which is transmitted to the valve actuator 12 parallel to the geometric longitudinal central axis L.
  • Restoring force of the sealing plate 19 is greater than the sum of the opposing forces, which on the
  • Valve actuator 12 transmitted force of the spring 16, which includes inertial force and friction force.
  • FIG. 3 shows that the gap S present in FIGS. 1 and 2 no longer exists between the pole core 6 and the armature 9. Instead, a gap S of corresponding gap width between the annular end face 24 of the shaft 11 and the housing plate 14 is now formed.
  • the free longitudinal end 17 is not above the seal 18, and the sealing plate 19 is sealingly against the seal 18 at.
  • the through-bores 21 are laterally arranged at a distance from the through-bores 22, so that the fluid path formed in FIGS. 1 and 2 is closed in FIG.
  • the switching valve 1 shown in Figures 1 to 3 thus comprises a switching magnet, in which the separated by a force generating air gap components, the armature 9 and the pole core 6, are pressed apart by means of a compression spring. If the winding 5 is activated with electric current, a magnetic field is built up in the winding 5. This will be in the surrounding
  • Electromagnet subjected to a permanent electrical voltage.
  • the current increases, and the magnetic field builds up, so that the magnetic force increases.
  • the magnitude of the force of the spring 16 is entered with the dashed line.
  • additional acting forces such as. Frictional and inertial forces and possibly an elastic (rear) deformation force of a sealing plate or the like are not taken into account in the diagrams simplifying. If the current reaches the
  • Inrush current there is a state of equilibrium between magnetic force and spring force, and the armature 9 and the components coupled to it, d. H. also the valve actuator 12 are accelerated. This is on the diagrams for the
  • Position deviation x and the speed v recognizable.
  • the speed increases depending on the acceleration to a point where the armature 9 has reached its terminal speed and impacts the pole core 6.
  • this position of the armature 9 and thus the position of the valve actuating element 12 is held.
  • Switch-on time specified With reference to Figure 5, a preferred embodiment of a method according to the invention for opening and closing a switching valve, which may be, for example, the switching valve 1 shown in Figures 1 to 3, presented.
  • the diagrams are labeled on their axes as in FIG.
  • the inrush current E and the switch-off current A are shown as dashed lines.
  • F denotes the force of the spring.
  • Einschaltzeitintervalles 26 a first pulse width modulated voltage signal 31 and then a second pulse width modulated voltage signal 32 is applied to the winding 5 first.
  • Each of the two voltage signals 31, 32 has in each case a plurality of voltage pulses.
  • an electric current flowing through the winding 5 is generated and adjusted over time so that its current at the end of the first pulse width modulated voltage signal 31 is smaller than the inrush current E. Consequently, the winding 5, pole core 6 and armature 9 generated magnetic force M at the end of the first voltage signal 31, ie at the end of the time interval 26.1, less than the force F of the prestressed spring. Accordingly, the armature 9 and thus also the valve actuating element 12 remains in the first end position shown in FIG. After completion of the first pulse width modulated
  • Voltage signal 31 is applied to the winding 5, a second pulse width modulated voltage signal 32, which also includes a plurality of voltage pulses applied.
  • a pulse width modulation rate (so-called. PWM rate, which is also referred to as a duty cycle) in the second voltage signal 32 is greater than in the first
  • Voltage signal 32 has the consequence that the current intensity of the winding 5 flowing through the electric current is raised above the inrush current E.
  • the period of time within which the second pulse-width-modulated voltage signal 32 is applied to the winding 5 is denoted by 26.2 in FIG.
  • the current is adjusted so that it is just below the required inrush current.
  • the magnetic force M is short of the equilibrium point of the magnetic force to the spring force.
  • the winding 5, the pole core 6 and the armature 9 comprehensive electromagnet is thereby "biased".
  • Eddy current losses are minimized, and starting from the end of the time interval 26.1, only a small increase in the current in the time interval 26.2 is sufficient to initiate the start time for the movement of the armature 5 and the valve actuator.
  • the current intensity is set by increasing the PWM rate so that it is just above the inrush current.
  • the armature 9 and associated components are only accelerated as much as necessary. In the movement phase, the air gap between the pole core 6 and the armature 9 decreases, or virtually disappears. According to the in the
  • Time interval 26.1 obtained "bias" of the magnet may be required for the actual switching operation time interval 26.2 smaller than in the prior art (see Figure 4) occurring on-time interval 26 '.
  • a third pulse width modulated voltage signal 33 is applied to the winding 5, which comprises a plurality of voltage pulses.
  • FIG. 5 shows schematically that the PWM rate within the voltage signal 33 can vary over time.
  • the current flowing through the winding in the hold time interval 27 can be reduced so that it assumes a constant or nearly constant value between the inrush current E and the turn-off current A, preferably only slightly above the turn-off current A.
  • the magnetic force M may remain constant or nearly constant and preferably only slightly above the equilibrium state to the force F of the spring.
  • the current in the winding 5 is only slightly above the turn-off current A, so that the armature 9 and the
  • Valve actuator 12 are held in the switching position. A momentary lowering of the current, so that the armature 9 and the valve actuator 12 remain in the second end position due to the inertia is permissible. At the end of
  • Holding time interval 27 is the valve actuator 12, as Figure 3 shows, also in the second end position.
  • FIG. 5 shows schematically that the PWM rate within the voltage signal 34 may vary over time.
  • the electric current flow through the winding 5 is influenced so that its current falls below the breaking current A during a period 28.2 and then within a period of time 28.3, that is still during the movement of the
  • Valve actuator 12 from its second end position to its first end position, again exceeds.
  • Figure 5 illustrates in the two lower diagrams, this movement of the Valve actuator 12 during the time intervals 28.2 and 28.3.
  • the diagram of the magnetic force M illustrates, the force M in the periods 28.3 and especially also already 28.2 is kept almost constant slightly below the level of the force F of the spring.
  • the acceleration of the armature 9 and the associated valve actuator 12 during the movement back to the first end position limited or reduced compared to the known method, so that at the end of Ausschaltzeitintervalls 28 results in a lower speed compared to the prior art ,
  • the impact noise can be minimized in the inventive method.
  • the solenoid current is controlled slightly below the turn-off current A, so that the movement phase is initiated.
  • the amperage is
  • FIG. 5 the pulse width modulated voltage applied to the winding 5 during the switch-off time interval 28 is shown Voltage signal 34 also referred to alternatively by the reference numeral 30.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Öffnen und Schließen eines Schaltventils, insbesondere eines hydraulischen Schaltventils für Benzin oder Dieselkraftstoff, umfassend die Verfahrensschritte: - Bereitstellen eines Schaltventils, aufweisend ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse angeordnete Wicklung und eine vorgespannte Feder, einen in dem Gehäuse angebrachten Polkern, einen Anker und ein mit dem Anker verbundenes oder daran ausgebildetes Ventilstellelement, wobei das Ventilstellelement in dem Gehäuse zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition verschieblich ist und in seiner einen Endposition ein Öffnen und in seiner anderen Position ein Schließen des Schaltventils für Fluid bewirkt, wobei die auf das Ventilstellelement übertragene Federkraft der vorgespannten Feder in Richtung zu dessen erster Endposition wirkt und wobei in von elektrischem Strom durchflossenem Zustand der Wicklung auf das Ventilstellelement eine in Richtung zu seiner zweiten Endposition wirkende, mittels Wicklung, Polkern und Anker elektromagnetisch erzeugte Kraft übertragen wird, und - Anschließen einer zur Erzeugung von pulsweitenmodulierten (elektrischen) Spannungssignalen geeigneten Spannungsversorgungseinrichtung an die Wicklung. Zur vorteilhaften Weiterbildung wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung vorgeschlagen, dass ausgehend von einem Betriebszustand, in dem sich das Ventilstellelement in seiner ersten Endposition befindet, mittels Beaufschlagung der Wicklung (31) mit einem ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignal (31), das mehrere Spannungsimpulse aufweist, durch die Wicklung fließender elektrischer Strom bewirkt und so eingestellt wird, dass dessen Stromstärke bei Beendigung des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals kleiner ist als eine Einschaltstromstärke (E), bei der die elektromagnetisch erzeugte, auf das Ventilstellelement übertragene Kraft eine Verlagerung des Ventilstellelements in Richtung zu dessen zweiter Endposition bewirkt. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird zur vorteilhaften Weiterbildung vorgeschlagen, dass ausgehend von einem Betriebszustand, in dem die Wicklung von Strom durchflossen ist und sich das Ventilstellelement in seiner zweiten Endposition befindet, mittels Beaufschlagung der Wicklung mit einem pulsweitenmodulierten Spannungssignal (30), das mehrere Spannungsimpulse aufweist, der elektrische Stromfluss durch die Wicklung so beeinflusst wird, dass dessen Stromstärke die Ausschaltstromstärke (A) zunächst unterschreitet und danach noch während der Bewegung des Ventilstellelements von seiner zweiten Endposition in seine erste Endposition übersteigt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Öffnen und Schließen eines Schaltventils Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Öffnen und Schließen eines Schaltventils, vorzugsweise eines hydraulischen Schaltventils für Benzin oder Dieselkraftstoff, umfassend die Verfahrensschritte:
- Bereitstellen eines Schaltventils, aufweisend ein Gehäuse, eine in dem Gehäuse angeordnete Wicklung und eine in dem Gehäuse angeordnete vorgespannte Feder, einen in dem Gehäuse ange¬ brachten Polkern, einen Anker und ein mit dem Anker verbundenes oder daran ausgebildetes Ventilstellelement, wobei das Ven¬ tilstelleelement in dem Gehäuse zwischen einer ersten Endpo¬ sition und einer zweiten Endposition verschieblich ist und in seiner einen Endposition ein Öffnen und in seiner anderen Position ein Schließen des Schaltventils für Fluid bewirkt , wobei die auf das Ventilstellelement übertragene Federkraft der vorgespannten Feder in Richtung zu dessen erster Endposition wirkt und wobei in von elektrischem Strom durchflossenem Zustand der Wicklung auf das Ventilstellelement eine in Richtung zu seiner zweiten Endposition wirkende, mittels Wicklung, Polkern und Anker elektromagnetisch erzeugte Kraft übertragen wird, und
- Anschließen einer zur Erzeugung von pulsweitenmodulierten elektrischen Spannungssignalen geeigneten Spannungsversorgungseinrichtung an die Wicklung. Stand der Technik
Schaltventile sind als Kombination eines Schaltmagneten und einer durch diesen geschalteten Hydraulik bekannt. In der Funktionsweise werden zwei Schaltzustände der Hydraulik, eine geöffnete Stellung und eine geschlossene Stellung, erreicht.
Der Aufbau eines Schaltventils und ein bekanntes Verfahren zu dessen Betrieb werden mit Bezug auf die Figuren 1 bis 4 be- schrieben, worauf hier Bezug genommen wird. Als nachteilig wird empfunden, dass bei der Ansteuerung solcher Schaltventile Geräusche entstehen. Da immer geringere Schaltzeiten, insbesondere immer geringere Einschaltzeiten, gefordert werden, resultiert bei dem beschriebenen bekannten Verfahren daraus auch eine weiter zunehmende Geräuschentwicklung, da der Anker stärker beschleunigt wird und mit höherer Geschwindigkeit bzw. Auf¬ prallenergie auf den Polkern trifft. Bei dem bekannten Verfahren führt dies auch bei dem Ausschaltvorgang zu einer höheren Geräuschentwicklung, wenn der Anker oder damit verbundene
Komponenten mit vergleichsweise höherer Aufprallenergie auf einen Anschlag, wie insbesondere auf eine hy-draulische Referenz in der Hydraulik beim Ausschalten treffen. Zusammenfassung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt einem ersten Aspekt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorteilhaft weiterzubilden. Insbesondere wird angestrebt, dass sich zur Geräuschoptimierung die Geräuschentwicklung beim Einschalten im Vergleich zu dem bekannten Verfahren verringern lässt. Insbesondere wird auch eine Schaltzeitminimierung beim Einschalten, insbesondere in Verbindung mit einer Geräuschverringerung, angestrebt.
Einem zweiten Aspekt der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art vorteilhaft weiterzubilden. Insbesondere wird angestrebt, die während des Ausschaltens auftretenden Geräusche im Vergleich zu dem be- schriebenen bekannten Verfahren zu reduzieren. Insofern wird eine Geräuschoptimierung für die Ausschaltphase angestrebt.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird die ihm zugrunde liegende Aufgabe zunächst und im Wesentlichen in Verbindung mit den Merkmalen gelöst, dass ausgehend von einem Betriebszustand, in dem sich das Ventilstellelement in seiner ersten Endposition befindet und in dem insbesondere kein Strom durch die Wicklung fließt, mittels Beaufschlagung der Wicklung mit einem ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignal, das mehrere Span¬ nungsimpulse aufweist, durch die Wicklung fließender
elektrischer Strom bewirkt und so eingestellt wird, dass dessen Stromstärke bei Beendigung des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals kleiner ist als eine Einschaltstromstärke, bei der die elektromagnetisch erzeugte, auf das Ventilstellelement übertragene Kraft eine Verlagerung des Ventilstellelements in Richtung zu dessen zweiter Endposition bewirkt. Vorzugsweise kann es sich bei der Feder um eine Zylinderdruckfeder handeln. Die Technik der Pulsweitenmodulation von Spannungssignalen ist einem Fachmann vertraut (Abkürzung PWM) . Im Rahmen der Erfindung kann die Einschaltstromstärke bspw. als Stromstärke definiert werden, deren von ihr mittels Wicklung, Polkern und Anker erzeugte, auf das Ventilstellelement übertragene elektromag- netisch erzeugte Kraft (eventuell, d.h. j e nach Ausführungsform, in Kombination mit einer weiteren gleichgerichteten auf das Ventilstellelement wirkenden Kraft, wie bspw. einer elastischen Rückstellkraft eines Dichtplättchens oder dergleichen) die Summe der auf den Ventilkörper in entgegengesetzter Richtung ein- wirkenden Kräfte, umfassend die Federkraft sowie die eine
Bewegung erschwerenden Trägheits- und Reibungskräfte, minimal übersteigt. In den Figuren 4 und 5 sind die Beträge der elektromagnetisch erzeugten Kraft und der Kraft der Feder in ihrem zeitlichen Verlauf dargestellt. Der Begriff Stromstärke meint jeweils den Betrag des durch die Wicklung fließenden Stromes. Die Begriffe erstes, zweites, drittes usw. Span¬ nungssignal dienen zur Unterscheidung, bedeuten aber nicht, dass alle diese elektrischen Spannungssignale in der Reihenfolge ihrer Nummerierung aufeinander folgen müssen. Der Begriff Einschaltstrom ist nicht notwendig dem Öffnen des Schaltventils für Fluid zugeordnet, sondern er bezieht sich auf ein Schalten des Schaltventils entgegen der Kraft der Feder. Ebenso ist der Begriff Ausschaltstrom nicht notwendig dem Schließen des Schaltventils zugeordnet, sondern er bezieht sich auf ein Schalten des Schaltventils in Richtung der Kraft der Feder. Insofern auf Kräfte, welche auf das Ventilstellelement über¬ tragen werden, Bezug genommen wird, sind damit parallel zu der möglichen Verschiebungsrichtung des Ventilstellelements wir- kende Kräfte gemeint, wobei sich der Vergleich auf deren je¬ weiligen Betrag bezieht.
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich von dem bekannten Verfahren durch seine Ansteuerstrategie. Bei dem
Einschaltvorgang findet eine Vorbestromung der Wicklung statt, so dass daran anschließend die Bewegungsphase schneller ein¬ geleitet werden kann und sich damit die effektive Schaltzeit verringern lässt. Bei dem Einschaltvorgang lassen sich durch die Vorbestromung der Wicklung die Wirbelstromverluste minimieren. Für den eigentlichen Schaltvorgang wird nur so viel magnetische Kraft erzeugt, wie benötigt wird, so dass die Geschwindigkeit der bewegten Komponenten und dadurch die Geräusche (trotz verringerter effektiver Einschaltdauer) verringert und insofern optimiert werden können.
Es bestehen zahlreiche Möglichkeiten zur bevorzugten Weiterbildung. Bevorzugt ist, dass die Stromstärke am zeitlichen Ende des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals zumindest 50 Prozent, insbesondere zumindest 70 Prozent, insbesondere zu¬ mindest 90 Prozent der Einschaltstromstärke beträgt. Vor¬ zugsweise beträgt der Betrag der auf das Ventilstellelement übertragenen elektromagnetisch erzeugten Kraft am zeitlichen Ende des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals zu- mindest 50 Prozent, insbesondere zumindest 70 Prozent, ins¬ besondere zumindest 90 Prozent des Betrags der auf das Ven¬ tilstellelement übertragenen Federkraft.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Stromstärke des durch die Wicklung fließenden elektrischen Stroms während der Dauer des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals einen zeitlich konstanten Wert erreicht oder sich diesem annähert.
Bevorzugt ist, dass nach, insbesondere direkt nach, Beendigung des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals die Stromstärke des durch die Wicklung fließenden elektrischen Stromes mittels Beaufschlagung der Wicklung mit einem zweiten pulsweitenmodulierten Spannungssignal, das mehrere Spannungsimpulse aufweist, zumindest kurzzeitig oder dauerhaft über die Ein¬ schaltstromstärke angehoben wird. Vorzugsweise wird mittels des zweiten pulsweitenmodulierten Spannungssignals ein Stromstärkenverlauf erzeugt, zufolge dessen der Betrag der auf das Ventilstellelement übertragenen elektromagnetisch erzeugten Kraft während des zweiten pulsweitenmodulierten Spannungssignals stets größer als der Betrag der auf das Ventilstel¬ lelement übertragenen Federkraft ist. Als zweckmäßig wird, je nach Anforderungen an die Schaltdauer, angesehen, dass nach, insbesondere direkt nach, Beendigung des zweiten pulsweitenmodulierten Spannungssignals die Stromstärke des durch die Wicklung fließenden elektrischen Stromes mittels Beaufschlagung der Wicklung mit einem dritten pulsweitenmo- dulierten Spannungssignal, das mehrere Spannungsimpulse auf¬ weist, oberhalb einer Ausschaltstromstärke, bei der eine Be¬ wegung des Ventilstellelements in Richtung zu seiner ersten Endposition beginnt, gehalten wird, wobei insbesondere vor¬ gesehen ist, dass die Stromstärke mittels des zweiten Span- nungssignals während seines Zeitintervalls verringert wird. Als sog. Ausschaltstromstärke kann man bspw. eine Stromstärke definieren, bei welcher der Betrag der auf das Ventilstel¬ lelement übertragenen Federkraft minimal größer ist als die Summe der in dazu entgegengesetzter Richtung auf das Ventilstel- lelement übertragenen Kräfte, welche die auf das Ventilstel¬ lelement übertragene elektromagnetisch erzeugte Kraft, die Trägheitskraft und die Reibungskraft und ggf., je nach Aus¬ führungsform, eine Kraft zur elastischen Verformung eines Dichtplättchens oder dergleichen, einschließen. Vorzugsweise wird mittels des dritten pulsweitenmodulierten Spannungssignals ein Stromstärkenverlauf erzeugt, zufolge dessen der Betrag der auf das Ventilstellelement übertragenen elektromagnetisch erzeugten Kraft während des zweiten pulsweitenmodulierten Spannungssignals stets größer als der Betrag der auf das Ventilstellelement übertragenen Federkraft ist. Es besteht die Möglichkeit, dass die Stromstärke des durch die Wicklung fließenden elektrischen Stroms am Ende des dritten pulsweitenmodulierten Spannungssignals, bezogen auf den Ausschalt- ström, maximal 50 Prozent oder maximal 30 Prozent oder maximal 10 Prozent größer ist als der Ausschaltstrom.
Zur Beendigung des Schaltvorganges ist bevorzugt, dass ausgehend von einem Betriebszustand, in dem die Wicklung von Strom durchflössen ist und sich das Ventilstellelement in seiner zweiten Endposition befindet, mittels Beaufschlagung der Wicklung mit einem vierten pulsweitenmodulierten Spannungssignal, das mehrere Spannungsimpulse aufweist, der elektrische Stromfluss durch die Wicklung so beeinflusst wird, dass dessen Stromstärke die Ausschaltstromstärke zuerst unterschreitet und danach während der Bewegung des Ventilstelleelements von seiner zweiten Endposition in seine erste Endposition übersteigt. Diese Merkmale sind im Rahmen des zweiten Aspekts der vorliegenden Erfindung zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 auch eigenständig von Bedeutung. Mittels der auch während der Rück- bewegung des Ankers bzw. den Ventilstellelements aufrecht erhaltenen magnetischen Kraft kann die Beschleunigung und die Endgeschwindigkeit verringert und dadurch die beim Auftreffen auf die Endlage entstehenden Geräusche minimiert werden.
Auch insofern bestehen zahlreiche Möglichkeiten zur bevorzugten Weiterbildung. Bevorzugt ist, dass der Betrag der auf das Ventilstellelement übertragenen elektromagnetischen Kraft während der Bewegung des Ventilstellelements von seiner zweiten Endposition in seiner erste Endposition innerhalb des Zeitintervalls, in dem die Stromstärke größer als die Ausschalt¬ stromstärke ist, mittels des während dieser Bewegung an die Wicklung angelegten pulsweitenmodulierten Spannungssignals so beeinflusst wird, dass er bis zum Ende dieses Zeitintervalls mehr als 50 Prozent, insbesondere mehr als 70 Prozent, insbesondere mehr als 90 Prozent des Betrags der auf das Ventilstellelement übertragenen Federkraft beträgt. Es besteht die Möglichkeit, dass der Betrag der auf das Ventilstellelement übertragenen elektromagnetisch erzeugten Kraft während der Bewegung des Ventilstellelements von seiner zweiten Endposition in seiner erste Endposition innerhalb des Zeitintervalls, in dem die Stromstärke größer als die Ausschaltstromstärke ist, mittels des pulsweitenmodulierten Spannungssignals an einen Wert angenähert und dann auf diesem Wert gehalten wird, der mehr als 50 Prozent, insbesondere mehr als 70 Prozent, insbesondere mehr als 90 Prozent des Betrags der auf das Ventilstellelement übertragenen Federkraft beträgt. Als zweckmäßig wird angesehen, dass das erste pulsweitenmodulierte Spannungssignal und/oder das zweite pulsweitenmodulierte Spannungssignal und/oder das dritte pulsweitenmodulierte Spannungssignal und/oder das vierte pulsweitenmodulierte Spannungssignal oder das pulsweitenmo¬ dulierte Spannungssignal gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung vorbestimmt sind. Bevorzugt ist, dass die Spannungsversor¬ gungseinrichtung eine Steuereinrichtung aufweist zur Beaufschlagung der Wicklung mit dem oder den vorbestimmten puls- weitenmodulierten Spannungssignal (en) . Ein vorbestimmtes pulsweitenmoduliertes Spannungssignal kann vorzugsweise vor einer Ausübung des Verfahrens für individuelle Betriebsbe¬ dingungen wie bspw. für ein Schaltventil einer bestimmten Bauart, insbesondere für eine bestimmte Temperatur usw. in Versuchen ermittelt und abgespeichert werden. Es besteht die Möglichkeit, dass die PWM-Rate (Pulsweitenmodulations-Rate) innerhalb des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals und/oder des zweiten pulsweitenmodulierten Spannungssignals und/oder des dritten pulsweitenmodulierten Spannungssignals und/oder des vierten pulsweitenmodulierten Spannungssignals oder des pulsweitenmodulierten Spannungssignals gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung konstant ist.
Es besteht die Möglichkeit, dass die Spannungsversorgungs- einrichtung eine Regelungseinrichtung aufweist, dass die
Stromstärke des durch die Wicklung fließenden elektrischen Stroms gemessen, der Regelungseinrichtung als Signal zugeleitet und darin mit einer vorbestimmten, insbesondere zeitlich variablen, Stromstärke verglichen wird und dass das pulswei- tenmodulierte Spannungssignal mittels dieses Vergleichs erzeugt wird. Es besteht die Möglichkeit, dass die PWM-Rate (Puls¬ weitenmodulations-Rate) innerhalb des ersten pulsweiten¬ modulierten Spannungssignals und/oder des zweiten pulsweiten- modulierten Spannungssignals und/oder des dritten pulswei- tenmodulierten Spannungssignals und/oder des vierten puls- weitenmodulierten Spannungssignals oder des pulsweitenmodu- lierten Spannungssignals gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung veränderlich ist. Vorzugsweise wird bei der Pulsweitenmodulation (PWM) eine konstante Periodendauer verwendet.
Bevorzugt ist, dass das Ventilstellelement in seiner ersten Endposition ein Öffnen des Schaltventils für Fluid und in seiner zweiten Endposition ein Schließen des Schaltventils für Fluid bewirkt. Bevorzugt ist, dass ein Schaltventil in fluidischer Verbindung mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe, insbesondere für Benzin- oder Dieselkraftstoff, verwendet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ein bekanntes Verfahren zum Öffnen und Schließen eines
Schaltventils und ein Ausführungsbeispiel eines erfindungs¬ gemäßen Verfahrens zum Öffnen und Schließen eines Schaltventils werden mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Im Einzelnen zeigt:
Fig.l in einer Schnittansicht ein Schaltventil, das zur
Durchführung eines bekannten Verfahrens zum Öffnen und Schließen eines Schaltventils und auch zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Öffnen und Schließen eines Schaltventils geeignet ist, in geöffnetem Zustand mit einer angenommenen ersten Fluidströmungsriehtung;
Fig.2 in einer Schnittansicht das Schaltventil gemäß Figur 1 mit einer zu Fig. 1 entgegen gesetzten Fluidströ- mungsriehtung;
Fig. 3 in einer Schnittansicht das in den Figuren 1 und 2 gezeigte Schaltventil, jedoch in geschlossenem Zustand;
Fig. 4 anhand von schematisch vereinfachten Diagrammen den
Ablauf eines bekannten Verfahrens zum Öffnen und Schließen eines Schaltventils und Fig. 5 anhand von Diagrammen den Ablauf eines erfindungs¬ gemäßen Verfahrens zum Öffnen und Schließen eines Schaltventils gemäß einem bevorzugten Ausführungs¬ beispiel .
Beschreibung der Ausführungsformen
Figur 1 zeigt ein hydraulisches Schaltventil 1 für ein Fluid, wie vorzugsweise Benzin oder Dieselkraftstoff, das zum Beispiel in Verbindung mit einer Kraftstoffhochdruckpumpe an einem Motor Verwendung finden kann. Das Schaltventil 1 weist einen ersten Fluidanschluss 2 und einen zweiten Fluidanschluss 3 auf, von denen der eine einen Fluideinlass und der andere einen
Fluidauslass (je nach Betriebsbedingungen) bildet. Das
Schaltventil 1 umfasst ein aus mehreren Teilen gebildetes Gehäuse 4. Darin sind eine Wicklung 5 und ein Polkern 6 jeweils ortsfest angeordnet. Die Wicklung 5 ist mittels elektrischer Leitungen 7 mit einem Anschluss 8 verbunden, der zum elektrischen Anschluss einer in den Figuren nicht mit dargestellten
Spannungsversorgungseinrichtung dient. Ein in dem Gehäuse 4 angeordneter Anker ist mit 9 bezeichnet. An diesem ist eine Platte 10 und mittels dieser ein Schaft 11 befestigt, an dessen entgegengesetztes Längsende sich ein in dem Beispiel
zylindrisches Ventilstellelement 12 anschließt. Dies ist in einer zentralen Bohrung 13 einer Gehäuseplatte 14
längsverschieblich geführt. In dem Gehäuse 4 ist innerhalb eines Hohlraumes 15, der sich anteilig in dem Polkern 6 und dem Anker 9 erstreckt, eine Feder 16 angeordnet. In dem Beispiel handelt es sich um eine Zylinderdruckfeder. Deren Längsenden stützen sich einerseits an dem Polkern 6 und andererseits an der Platte 10 ab. In entspanntem Zustand der Feder 16 ist deren Längserstreckung größer als der in Figur 1 gezeigte Abstand zwischen den
Abstützflächen, so dass die Feder 16 unter Druckspannung stehend eingebaut ist.
Figur 1 zeigt einen Betriebszustand, bei welchem kein Strom durch die Wicklung 5 fließt, so dass zwischen dem Polkern 6 und dem Anker 9 keine elektromagnetische Anziehungskraft wirkt. Demzufolge drückt die Feder 16 den Schaft 11 in von dem Polkern 6 abgewandter Längsrichtung, bis der Schaft 11 mit seiner ringförmigen Stirnfläche 24 formschlüssig, d. h. wegbegrenzend, gegen die Gehäuseplatte 14 tritt. Dabei befindet sich das mit dem Schaft 11 fest verbundene Ventilstellelement 12 in seiner sog. ersten Endposition und steht mit einem freien Längsende 17 axial über eine Dichtung 18 über, die auf der dem Schaft 11 abgewandten Seite auf der Gehäuseplatte 14 angeordnet ist. Mit 19 ist ein elastisches, an seinem Außenrand in dem Gehäuse 4 angrenzend an die Dichtung 18 gehaltenes, elastisch verformbares
Dichtplättchen bezeichnet. In unbelastetem Zustand (vgl. Figur 3) liegt dieses dichtend an der Dichtung 18 an. Andererseits wird das Dichtplättchen 19 in dem in Figur 1 gezeigten Betriebszustand mittels des Ventilstellelements 12 elastisch aus seiner Ruhelage ausgelenkt, so dass es mit der Dichtung 18 einen Spalt 20 berandet. Der Spalt 20 verbindet axial durch die Gehäuseplatte 14 und die Dichtung 18 führende Durchgangsbohrungen 21, 35 mit dazu seitlich versetzten Durchgangsbohrungen 22 in dem
Dichtplättchen 19, so dass ein offener Fluidpfad zwischen dem ersten Fluidanschluss 2 und dem zweiten Fluidanschluss 3 gebildet ist, durch den ein Fluid (wie bspw. Benzin oder Dieselkraftstoff) hindurchströmen kann. Bei dem in Figur 1 gezeigten
Betriebszustand ist durch Pfeile 23 angedeutet, dass Fluid durch den ersten Fluidanschluss 2 in das Schaltventil und durch den zweiten Fluidanschluss 3 aus dem Schaltventil 1 herausströmt. In dem gezeigten Betriebszustand ist das Schaltventil für Fluid somit offen. Dabei ist zwischen dem Polkern 6 und dem Anker 9 in axialer, d. h. zu einer geometrischen Längsmittelrichtung L paralleler Richtung ein Spalt S gebildet.
Die in Figur 2 gezeigte Situation unterscheidet sich von Figur 1, indem dort bei ebenfalls geöffnetem Schaltventil 1 eine umgekehrte Fluidströmungsrichtung (Pfeile 23') angenommen ist. Die in Figur 3 gezeigte Situation unterscheidet sich von der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Situation dadurch, dass sich das Schaltventil 1 in Figur 3 in seiner geschlossenen Position befindet. Dazu wurde die Wicklung 5 mittels eines elektrischen Spannungssignals beaufschlagt, in dessen Folge die Wicklung 5 von einem elektrischen Strom durchflössen wird, dessen Stromstärke so groß ist, dass die mittels Wicklung 5, Polkern 6 und Anker 9 erzeugte elektromagnetische Kraft, die parallel zu der geometrischen Längsmittelachse L auf das Ventilstellelement 12 übertragen wird, in Verbindung mit einer elastischen
Rückstellkraft des Dichtplättchens 19 größer ist als die Summe der entgegengerichteten Kräfte, welche die auf das
Ventilstellelement 12 übertragene Kraft der Feder 16, die Trägheitskraft und die Reibungskraft einschließt. Das
Ventilstellelement ist dadurch aus seiner in den Figuren 1 und 2 gezeigten ersten Endposition in seine zweite Endposition in Richtung zu dem Polkern 6 verschoben. Entsprechend zeigt Figur 3, dass der in den Figuren 1 und 2 vorhandene Spalt S zwischen dem Polkern 6 und dem Anker 9 nicht mehr besteht. Stattdessen ist nun ein Spalt S von entsprechender Spaltweite zwischen der ringförmigen Stirnfläche 24 des Schaftes 11 und der Gehäuseplatte 14 gebildet . In diesem Gebrauchszustand steht das freie Längsende 17 nicht über die Dichtung 18 über, und das Dichtplättchen 19 liegt dichtend an der Dichtung 18 an. Die Durchgangsbohrungen 21 sind seitlich soweit von den Durchgangsbohrungen 22 beabstandet angeordnet, so dass der in den Figuren 1 und 2 gebildete Fluidpfad in Figur 3 geschlossen ist. Das in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Schaltventil 1 umfasst somit einen Schaltmagneten, bei dem die durch einen Kraft erzeugenden Luftspalt getrennten Bauteile, der Anker 9 und der Polkern 6, mittels einer Druckfeder auseinander gedrückt werden. Wird die Wicklung 5 mit elektrischem Strom aktiviert, wird in der Wicklung 5 ein Magnetfeld aufgebaut. Dieses wird in die umgebenden
Metallbauteile induziert, so dass zwischen dem Anker 9 und dem Polkern 6 eine Magnetkraft aufgebaut wird. Ab einer gewissen Stromstärke wird die Federkraft durch die Magnetkraft überwunden und die mit dem Anker 9 gekoppelte Hydraulik 25 ausgehend von dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Betriebszustand gesteuert. Wird der elektrische Stromfluss ausgehend von dem in Figur 3 gezeigten Betriebszustand beendet, sinkt die Magnetkraft, und die Federkraft steuert die Hydraulik 25 in ihre in den Figuren 1 und 2 gezeigte Ausgangsstellung.
Mit Bezug auf Figur 4 wird ein bekanntes Verfahren zum Öffnen und Schließen des in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Schaltventils anhand von zeitlichen Verläufen verschiedener Kenngrößen beschrieben. Mit Bezug auf Figur 5 wird anschließend ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Darin bedeuten U die an der Wicklung 5 anliegende elektrische Spannung, I der durch die Wicklung 5 fließende elektrische Strom, M die mittels Wicklung 5, Polkern 6 und Anker 9 elektromagnetisch erzeugte Kraft, x die Positionsabweichung des Ventilstellelements von seiner ersten Endposition und v die Geschwindigkeit des Ventilstellelements 12. Mit t ist jeweils die Zeit bezeichnet. Die jeweiligen Verläufe sind schematisch vereinfacht dargestellt.
Bei dem mit Bezug auf Figur 4 beschriebenen bekannten Verfahren wird ausgehend von dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten
Betriebszustand, bei welchem sich das Ventilstellelement 12 in seiner ersten Endposition befindet, während des gesamten Einschaltzeitintervalles 26' ein ununterbrochener
Spannungsimpuls an die Wicklung 5 angelegt, d. h. der
Elektromagnet mit einer dauerhaften elektrischen Spannung beaufschlagt. Der Strom steigt, und das Magnetfeld baut sich auf, so dass auch die Magnetkraft ansteigt. In dem Diagramm der Magnetkraft M ist mit der gestrichelten Linie die Größe der Kraft der Feder 16 eingetragen. Gegebenenfalls zusätzlich wirkende Kräfte, wie bspw. Reibungs- und Trägheitskräfte sowie ggf. eine elastische (Rück-) Verformungskraft eines Dichtplättchens oder dergleichen werden in den Diagrammen vereinfachend nicht berücksichtigt. Erreicht die Stromstärke die
Einschaltstromstärke, besteht ein Gleichgewichtszustand zwischen Magnetkraft und Federkraft, und der Anker 9 und die mit ihm gekoppelten Bauteile, d. h. auch das Ventilstellelement 12, werden beschleunigt. Dies ist an den Diagrammen für die
Positionsabweichung x und die Geschwindigkeit v erkennbar. Die Geschwindigkeit steigt in Abhängigkeit von der Beschleunigung bis zu einem Punkt, in dem der Anker 9 seine Endgeschwindigkeit erreicht hat und auf den Polkern 6 aufprallt. Innerhalb des Haltezeitintervalles 27' wird diese Position des Ankers 9 und somit die Position des Ventilstellelementes 12 gehalten.
Dadurch, dass die Magnetkraft abhängig von der Ankerposition ist und bei einem kleineren bzw. nicht mehr vorhandenen Abstand zwischen dem Polkern 6 und dem Anker 9 in der Endposition eine höhere Magnetkraft erzeugt wird, ist eine geringere Stromstärke zum Halten des Ankers 9 an dem Polkern 6 erforderlich. Die Einschaltstromstärke ist somit aufgrund des vor dem Einschalten größeren Luftspalts zwischen dem Polkern 6 und dem Anker 9 höher als die zum Halten benötigte Stromstärke in der geschalteten Position mit geringem bzw . fehlendem Luftspalt . Bei dem bekannten Verfahren wird daher in dem Haltezeitintervall 27' mittels Pulsweitemodulation des Spannungssignals der effektive Strom von einem Wert über der Einschaltstromstärke abgesenkt bis zu einer Stromstärke, die noch über der Ausschaltstromstärke liegt . Indem sog. Ausschaltzeitintervall 28' wird das Spannungssignal abgeschaltet. Der Anker 9 befindet sich zunächst noch in der geschalteten Position mit geringem bzw. fehlendem Luftspalt zum Polkern 6. Die Stromstärke und damit der Betrag der Magnetkraft bauen sich ab. Ab dem Gleichgewichtspunkt Federkraft zu
Magnetkraft, also im Bereich des Ausschaltstroms, beginnt sich der Anker 9 und somit das mit ihm gekoppelten Ventilstellelement 12 aus der in Figur 3 gezeigten Stellung in Richtung zu der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Stellung zurückzubewegen. Der Elektromagnet schaltet, und die Ausgangsstellung wird erreicht. Am Ende des Einschaltzeitintervalls 26' entsteht durch den Aufprall des Ankers 9 auf den Polkern 6 ein Geräusch; am Ende des Ausschaltzeitintervalls 28' entsteht ein Geräusch, wenn die ringförmige Stirnfläche 24 des Schafts 11 auf die Gehäuseplatte (hydraulische Referenz) aufprallt. Die Geräuschintensität ist von der jeweiligen Geschwindigkeit beim Aufprall bzw. von der jeweiligen Aufprallenergie abhängig. Die Schaltzeit ist von der Induktivität der Wicklung 5 abhängig. Im Einschaltzeitintervall 26' ergibt sich die Dauer der Bewegung durch dauerhafte
Spannungsbeaufschlagung der Wicklung 5. Damit ist die
Einschaltzeit vorgegeben. Mit Bezug auf Figur 5 wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Öffnen und Schließen eines Schaltventils, bei welchem es sich zum Beispiel um das in den Figuren 1 bis 3 gezeigte Schaltventil 1 handeln kann, vorgestellt. Die Diagramme sind an ihren Achsen wie in Figur 4 bezeichnet. In dem Diagramm für die Stromstärke I sind die Einschaltstromstärke E und die Ausschaltstromstärke A als gestrichelte Linien eingezeichnet. In dem Diagramm für die Magnetkraft M bezeichnet F die Kraft der Feder. Das
Einschaltzeitintervall ist insgesamt mit 26, das
Haltezeitintervall mit 27 und das Ausschaltintervall insgesamt mit 28 bezeichnet.
Am Beginn des Einschaltzeitintervalls 26 befindet sich das Schaltventil 1 in dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten
Betriebszustand, d. h. das Ventilstellelement befindet sich in seiner sog. ersten Endposition. Innerhalb des
Einschaltzeitintervalles 26 wird an die Wicklung 5 zuerst ein erstes pulsweitenmoduliertes Spannungssignal 31 und daran anschließend ein zweites pulsweitenmoduliertes Spannungssignal 32 angelegt. Jedes der beiden Spannungssignale 31, 32 weist jeweils mehrere Spannungsimpulse auf. Mittels des ersten Spannungssignals 31 wird ein durch die Wicklung 5 fließender elektrischer Strom erzeugt und im zeitlichen Verlauf so eingestellt, dass seine Stromstärke bei Beendigung des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals 31 kleiner ist als die Einschaltstromstärke E. Folglich ist die mittels Wicklung 5, Polkern 6 und Anker 9 erzeugte Magnetkraft M am Ende des ersten Spannungssignals 31, also am Ende des Zeitintervalls 26.1, geringer als die Kraft F der vorgespannten Feder. Entsprechend verbleibt der Anker 9 und somit auch das Ventilstellelement 12 in der in Figur 1 dargestellten ersten Endposition. Nach Beendigung des ersten pulsweitenmodulierten
Spannungssignals 31 wird an die Wicklung 5 ein zweites pulsweitenmoduliertes Spannungssignal 32, welches ebenfalls mehrere Spannungsimpulse beinhaltet, angelegt. In Figur 5 ist schematisch dargestellt, dass die Pulsweitenmodulations-Rate (sog. PWM-Rate, die auch als Tastgrad bezeichnet wird) in dem zweiten Spannungssignal 32 größer als in dem ersten
Spannungssignal 31 ist. Das zweite pulsweitenmodulierte
Spannungssignal 32 hat zur Folge, dass die Stromstärke des die Wicklung 5 durchfließenden elektrischen Stromes über die Einschaltstromstärke E angehoben wird. Der Zeitraum, innerhalb dessen das zweite pulsweitenmodulierte Spannungssignal 32 an die Wicklung 5 angelegt ist, ist in Figur 5 mit 26.2 bezeichnet. Mit dem vorzeitig erzeugten pulsweitenmodulierten Spannungssignal 31 wird die Stromstärke so eingestellt, dass sie kurz unterhalb der erforderlichen Einschaltstromstärke liegt. Dadurch liegt die Magnetkraft M kurz unter dem Gleichgewichtspunkt der Magnetkraft zu der Federkraft. Der die Wicklung 5, den Polkern 6 und den Anker 9 umfassende Elektromagnet wird dadurch "vorgespannt".
Wirbelstromverluste werden minimiert, und ausgehend von dem Ende des Zeitintervalls 26.1 reicht eine nur kleine Erhöhung der Stromstärke in dem Zeitintervall 26.2, um den StartZeitpunkt für die Bewegung des Ankers 5 bzw. des Ventilstellelementes einzuleiten. In dem Beispiel wird in dem Zeitintervall 26.2 zum Start der Bewegung des Ankers 9 bzw. den Ventilstellelementes 12 die Stromstärke durch eine Erhöhung der PWM-Rate so eingestellt, dass sie kurz über der Einschaltstromstärke liegt. Der Anker 9 und die damit verbundenen Komponenten werden nur so viel beschleunigt, wie erforderlich. In der Bewegungsphase nimmt der Luftspalt zwischen dem Polkern 6 und dem Anker 9 ab, bzw. verschwindet praktisch vollständig. Zufolge der in dem
Zeitintervall 26.1 erzielten "Vorspannung" des Magneten kann das für den eigentlichen Schaltvorgang benötigte Zeitintervall 26.2 kleiner als das im Stand der Technik (siehe Figur 4) auftretende Einschaltzeitintervall 26' sein. Hinzu kommt als Vorteil, dass die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren am Ende des
Zeitintervalls 26.2 auftretende maximale
Bewegungsgeschwindigkeit des Ankers 9 und der mit ihm verbundenen Komponenten niedriger (siehe den Verlauf mit durchgezogener
Linie) als bei dem bekannten Verfahren (siehe den gestrichelten Verlauf) ist. Am Ende des Einschaltzeitintervalls 26 befindet sich das Ventilstellelement 12 gemäß Figur 3 in seiner zweiten Endposition .
Innerhalb des Haltezeitintervalls 27 wird an die Wicklung 5 ein drittes pulsweitenmoduliertes Spannungssignal 33 angelegt, das mehrere Spannungsimpulse umfasst. Figur 5 zeigt schematisch, dass die PWM-Rate innerhalb des Spannungssignals 33 im zeitlichen Verlauf variieren kann. Mittels des Spannungssignals 33 kann der durch die Wicklung fließende Strom in dem Haltezeitintervall 27 so reduziert werden, dass er einen konstanten oder nahezu konstanten Wert zwischen der Einschaltstromstärke E und der Ausschaltstromstärke A, vorzugsweise nur geringfügig oberhalb der Ausschaltstromstärke A, annimmt. Entsprechend kann auch die Magnetkraft M konstant oder nahezu konstant bleiben und vorzugsweise nur geringfügig über dem Gleichgewichtszustand zu der Kraft F der Feder liegen. Am Ende des Haltezeitintervalls 27 liegt die Stromstärke in der Wicklung 5 nur geringfügig oberhalb der Ausschaltstromstärke A, so dass der Anker 9 und das
Ventilstellelement 12 in der Schaltposition gehalten werden. Ein kurzzeitiges Absenken der Stromstärke, so dass der Anker 9 und das Ventilstellelement 12 aufgrund der Trägheit in der zweiten Endposition bleiben, ist zulässig. Am Ende des
Haltezeitintervalls 27 befindet sich das Ventilstellelement 12, wie Figur 3 zeigt, ebenfalls noch in der zweiten Endposition.
Davon ausgehend wird in dem sich anschließenden
Ausschaltzeitintervall 28 an die Wicklung 5 ein viertes pulsweitenmoduliertes Spannungssignal 34, das mehrere
Spannungsimpulse aufweist, angelegt. Figur 5 zeigt schematisch, dass die PWM-Rate innerhalb des Spannungssignals 34 zeitlich variieren kann. Mittels des vierten Spannungssignals 34 wird der elektrische Stromfluss durch die Wicklung 5 so beeinflusst, dass dessen Stromstärke die Ausschaltstromstärke A während eines Zeitraumes 28.2 unterschreitet und danach innerhalb eines Zeitraumes 28.3, also noch während der Bewegung des
Ventilstellelements 12 von seiner zweiten Endposition in seine erste Endposition, wieder übersteigt. Wie Figur 5 in den beiden unteren Diagrammen veranschaulicht, erfolgt diese Bewegung des Ventilstellelements 12 während der ZeitIntervalle 28.2 und 28.3. Wie das Diagramm der magnetischen Kraft M veranschaulicht, wird die Kraft M in den Zeiträumen 28.3 und insbesondere auch bereits 28.2 nahezu konstant etwas unterhalb des Niveaus der Kraft F der Feder gehalten. Dadurch kann die Beschleunigung des Ankers 9 und des damit verbundenen Ventilstellelementes 12 während der Bewegung zurück in die erste Endposition begrenzt bzw. im Vergleich zu dem bekannten Verfahren verringert werden, so dass am Ende des Ausschaltzeitintervalls 28 eine im Vergleich zum Stand der Technik geringere Geschwindigkeit resultiert. Zum
Vergleich ist in dem unteren Diagramm für die Geschwindigkeit v mit durchgezogener Linie der Verlauf für das erfindungsgemäße Verfahren und mit gestrichelter Linie der Verlauf für das bekannte Verfahren eingetragen. Zufolge der geringeren
Endgeschwindigkeit können die Aufprallgeräusche bei dem erfindungsgemäßen Verfahren minimiert werden. Wie beschrieben, wird zur Einleitung der Ausschaltbewegung der Magnetstrom ein wenig unter die Ausschaltstromstärke A gesteuert, so dass die Bewegungsphase eingeleitet wird. Die Stromstärke wird
anschließend wieder vergrößert. Da der Luftspalt zwischen dem Anker 9 und dem Polkern 6 während der Ausschaltbewegungsphase vergrößert wird, steigt der Strombedarf bei einer konstanten Magnetkraft. Da aber bei dieser Ansteuerung die Magnetkraft ein wenig unterhalb des Gleichgewichtspunktes Magnetkraft u
Federkraft liegt, und die Magnetkraft konstant gehalten werden kann, wird entgegen der Federbeschleunigung eine optimale Gegenkraft erzeugt, um die Geschwindigkeit und damit die Geräusche zu minimieren. Es versteht sich, dass die Ansteuerung der Wicklung 5 für die Einschaltphase (Einschaltintervall 26) und für die
Ausschaltphase (Ausschaltzeitintervall 28) unabhängig
voneinander durchgeführt werden kann. Im Hinblick auf den beschriebenen zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in Figur 5 das während des Ausschaltzeitintervalles 28 an der Wicklung 5 anliegende pulsweitenmodulierte Spannungssignal 34 auch alternativ mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet .
Alle offenbarten Merkmale sind (für sich, aber auch in Kombination untereinander) erfindungswesentlich. Die Unteran- sprüche charakterisieren mit ihren Merkmalen eigenständige erfinderische Weiterbildungen des Standes der Technik, ins¬ besondere um auf Basis dieser Ansprüche Teilanmeldungen vorzunehmen .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Öffnen und Schließen eines Schaltventils (1) , insbesondere eines hydraulischen Schaltventils (1) für Benzin oder Dieselkraftstoff, umfassend die Verfahrensschritte:
- Bereitstellen eines Schaltventils (1), aufweisend ein Gehäuse (4), eine in dem Gehäuse (4) angeordnete Wicklung (5) und eine vorgespannte Feder (16), einen in dem Gehäuse (4) angebrachten Polkern (6), einen Anker (9) und ein mit dem Anker (9) verbundenes oder daran ausgebildetes Ventilstellelement (12), wobei das
Ventilstelleelement (12) in dem Gehäuse (4) zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition verschieblich ist und in seiner einen Endposition ein Öffnen und in seiner anderen Position ein Schließen des Schaltventils (1) für Fluid bewirkt, wobei die auf das Ventilstellelement (12) übertragene Federkraft der vorgespannten Feder (16) in Richtung zu dessen erster Endposition wirkt und wobei in von elektrischem Strom durch- flossenem Zustand der Wicklung (5) auf das Ventilstellelement (12) eine in Richtung zu seiner zweiten Endposition wirkende, mittels Wicklung (5), Polkern (6) und Anker (9) elektromagnetisch erzeugte Kraft übertragen wird, und
- Anschließen einer zur Erzeugung von pulsweitenmodulierten (elektrischen) Spannungssignalen geeigneten Spannungsversorgungseinrichtung an die Wicklung (5) , dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betriebszustand, in dem sich das
Ventilstellelement (12) in seiner ersten Endposition befindet, mittels Beaufschlagung der Wicklung (31) mit einem ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignal (31), das mehrere
Spannungsimpulse aufweist, durch die Wicklung (5) fließender elektrischer Strom so eingestellt wird, dass dessen Stromstärke bei Beendigung des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals kleiner ist als eine Einschaltstromstärke (E) , bei der die elektromagnetisch erzeugte, auf das Ventilstellelement (12) übertragene Kraft (M) eine Verlagerung des Ventilstellelements (12) in Richtung zu dessen zweiter Endposition bewirkt.
2. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke am zeitlichen Ende des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (31) zumindest 50 Prozent, insbesondere zumindest 70 Prozent, insbesondere zu¬ mindest 90 Prozent der Einschaltstromstärke (E) beträgt.
3. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromstärke des durch die Wicklung (5) fließenden elektrischen Stroms während der Dauer des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (31) einen zeitlich konstanten Wert erreicht oder sich diesem annähert.
4. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach, insbesondere direkt nach, Beendigung des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (31) die Stromstärke des durch die Wicklung (5) fließenden elektrischen Stromes mittels Beaufschlagung der Wicklung (5) mit einem zweiten pulsweitenmodulierten Spannungssignal (32), das mehrere
Spannungsimpulse aufweist, zumindest kurzzeitig oder dauerhaft über die Einschaltstromstärke angehoben wird.
5. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach, insbesondere direkt nach, Beendigung des zweiten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (32) die Stromstärke des durch die Wicklung (5) fließenden elektrischen Stromes mittels Beaufschlagung der Wicklung (5) mit einem dritten pulsweitenmodulierten Spannungssignal (33) , das mehrere
Spannungsimpulse aufweist, oberhalb einer Ausschaltstromstärke (A) , bei der eine Bewegung des Ventilstellelements (12) in Richtung zu seiner ersten Endposition beginnt, gehalten wird, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Stromstärke mittels des dritten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (33) während seines Zeitintervalls verringert wird.
6. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betriebszustand, in dem die Wicklung (5) von Strom durchflössen ist und sich das
Ventilstellelement (12) in seiner zweiten Endposition befindet, mittels Beaufschlagung der Wicklung (5) mit einem vierten pulsweitenmodulierten Spannungssignal (34), das mehrere Spannungsimpulse aufweist, der elektrische Stromfluss durch die Wicklung (5) so beeinflusst wird, dass dessen Stromstärke die Ausschaltstromstärke (A) zuerst unterschreitet und danach noch während der Bewegung des Ventilstelleelements (12) von seiner zweiten Endposition in seine erste Endposition übersteigt.
7. Verfahren zum Öffnen und Schließen eines Schaltventils (1) , insbesondere eines hydraulischen Schaltventils (1) für Benzin oder Dieselkraftstoff, umfassend die Verfahrensschritte:
- Bereitstellen eines Schaltventils (1), aufweisend ein Gehäuse (4), eine in dem Gehäuse (4) angeordnete Wicklung (5) und eine vorgespannte Feder (16), einen in dem Gehäuse (4) angebrachten Polkern (6), einen Anker (9) und ein mit dem Anker (9) verbundenes oder daran ausgebildetes Ventilstellelement (12), wobei das Ventilstelleelement (12) in dem Gehäuse (4) zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition verschieblich ist und in seiner einen Endposition ein Öffnen und in seiner anderen Position ein Schließen des Schaltventils (1) für Fluid bewirkt, wobei die auf das Ventilstellelement (12) übertragene Federkraft der vorgespannten Feder (16) in Richtung zu dessen erster
Endposition wirkt und wobei in von elektrischem Strom durch- flossenem Zustand der Wicklung (5) auf das Ventilstellelement (12) eine in Richtung zu seiner zweiten Endposition wirkende, mittels Wicklung (5), Polkern (6) und Anker (9) elektromagnetisch erzeugte Kraft übertragen wird, und
- Anschließen einer zur Erzeugung von pulsweitenmodulierten (elektrischen) Spannungssignalen geeigneten Spannungsversorgungseinrichtung an die Wicklung (5) , dadurch gekennzeichnet, dass ausgehend von einem Betriebszustand, in dem die Wicklung (5) von Strom durchflössen ist und sich das Ventilstellelement (12) in seiner zweiten Endposition befindet, mittels Beaufschlagung der Wicklung (5) mit einem pulsweitenmodulierten Spannungssignal (30), das mehrere Spannungsimpulse aufweist, der elektrische Stromfluss durch die Wicklung (5) so beeinflusst wird, dass dessen Stromstärke die Ausschaltstromstärke (A) zunächst un¬ terschreitet und danach noch während der Bewegung des Ven¬ tilstellelements (12) von seiner zweiten Endposition in seine erste Endposition übersteigt.
8. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der auf das Ventilstellelement (12) übertragenen elektromagnetischen Kraft während der Bewegung des Ventilstellelements (12) von seiner zweiten Endposition in seine erste Endposition innerhalb des Zeitintervalls (28.3), in dem die Stromstärke größer als die Ausschaltstromstärke (A) ist, mittels des während dieser Bewegung an die Wicklung (5) angelegten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (30, 34) so beeinflusst wird, dass er bis zum Ende dieses Zeitintervalls (28.3) mehr als 50 Prozent, insbesondere mehr als 70 Prozent, insbesondere mehr als 90 Prozent des Betrags der auf das Ventilstellelement (12) übertragenen Kraft der Feder (16) beträgt .
9. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag der auf das Ventilstellelement ( 12 ) übertragenen elektromagnetisch erzeugten Kraft während der Bewegung des Ventilstellelements (12) von seiner zweiten Endposition in seine erste Endposition innerhalb des Zeitintervalls, in dem die Stromstärke größer als die Ausschalt¬ stromstärke (A) ist, mittels des pulsweitenmodulierten Spannungssignals (30, 34) an einen Wert angenähert und dann auf diesem Wert gehalten wird, der mehr als 50 Prozent, insbesondere mehr als 70 Prozent, insbesondere mehr als 90 Prozent des Betrags der auf das Ventilstellelement (12) übertragenen Kraft der Feder (16) beträgt .
10. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste pulsweitenmodulierte Span¬ nungssignal (31) und/oder das zweite pulsweitenmodulierte Spannungssignal (32) und/oder das dritte pulsweitenmodulierte Spannungssignal (33) und/oder das vierte pulsweitenmodulierte Spannungssignal (34) oder das pulsweitenmodulierte Span- nungssignal (30) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 vorbestimmt sind .
11. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Rate (Pulsweitenmodulations-Rate) innerhalb des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (31) und/oder des zweiten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (32) und/oder des dritten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (33) und/oder des vierten pulsweitenmodu¬ lierten Spannungssignals (34) oder des pulsweitenmodulierten Spannungssignals (30) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10 konstant ist .
12. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsversorgungseinrichtung eine Regelungseinrichtung aufweist, dass die Stromstärke des durch die Wicklung (5) fließenden elektrischen Stroms gemessen, der Regelungseinrichtung als Signal zugeleitet und darin mit einer vorbestimmten, insbesondere zeitlich variablen, Stromstärke verglichen wird und dass zumindest ein pulsweitenmoduliertes Spannungssignal (30, 31, 32, 33, 34) mittels dieses Vergleichs erzeugt wird.
13. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PWM-Rate (Pulsweitenmodulations-Rate) innerhalb des ersten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (31) und/oder des zweiten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (32) und/oder des dritten pulsweitenmodulierten Spannungssignals (33) und/oder des vierten pulsweitenmodu¬ lierten Spannungssignals (34) oder des pulsweitenmodulierten Spannungssignals (30) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 12 veränderlich ist.
14. Verfahren gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilstellelement (12) in seiner ersten Endposition ein Öffnen des Schaltventils (1) für Fluid und in seiner zweiten Endposition ein Schließen des Schaltventils (1) für Fluid bewirkt.
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