DE102015201463A1

DE102015201463A1 - Verfahren zum Betreiben einer Kolbenpumpe, einer Steuereinrichtung und Kolbenpumpe

Info

Publication number: DE102015201463A1
Application number: DE102015201463.0A
Authority: DE
Inventors: Frank Nitsche; Thorsten Allgeier; Walter Maeurer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-07-28
Also published as: TW201632726A; CN107208615A; CN107208615B; JP6625651B2; TWI704282B; US10890167B2; US20180340522A1; WO2016119918A1; JP2018504553A

Abstract

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

Description

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

Claims

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