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