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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils.
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Vorzugsweise wird ein derartiges Ventil in einer Hochdruckpumpe zur Förderung von Fluid für ein Speichereinspritzsystem für Brennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet.
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Derartige Ventile unterliegen starken Beanspruchungen, insbesondere wenn sie Dauerbelastungen, wie zum Beispiel in Hochdruckpumpen, ausgesetzt sind. Da Hochdruckpumpen Drücken von beispielsweise 2000 bar oder mehr ausgesetzt sind, werden hohe Anforderungen an die Ventile in derartigen Pumpen gestellt. Sowohl beim Schließen als auch beim Öffnen dieser Ventile können Geräusche auftreten.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern eines Ventils zu schaffen, das beziehungsweise die einen präzisen und kostengünstigen Betrieb des Ventils ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Steuern eines Ventils. Das Ventil umfasst eine Feder mit einer Federkraft, einen Aktuator mit einer entgegen der Federkraft wirkenden Aktuatorkraft, und einen Stößel, der mittels des Aktuators betätigbar ist. Ferner umfasst das Ventil ein Dichtelement, das mit dem Stößel koppelbar oder gekoppelt ist, und einen Dichtsitz, sodass das Ventil geschlossen ist, wenn das Dichtelement an dem Dichtsitz anliegt. Bei einem stromlos offenen Ventil wird nach einer Schließphase des Ventils oder bei einem stromlos geschlossen Ventil nach einer Öffnungsphase während eines vorgegebenen Zeitintervalls dem Aktuator ein Strom mit einem vorgegebenen Verlauf aufgeprägt ausgehend von einem Anfangswert des Stromes bis zu einem vorgegebenen Endwert des Stromes. Hierbei ist der Anfangswert des Stromes kleiner als der Endwert.
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Dies hat den Vorteil, dass das Ventil derart langsam geöffnet beziehungsweise geschlossen werden kann, dass eine Geräuschentwicklung des Ventils klein gehalten und dennoch ein zuverlässiges und ausreichend rasches Öffnen beziehungsweise Schließen des Ventils erreicht werden kann. Des Weiteren kann ein Verschleiß des Ventils klein gehalten werden. Darüber hinaus ist eine kostengünstige Ausführung des Ventils möglich. Der Aktuator weist somit zwei Funktionen auf. Zum einen weist der Aktuator die Funktion eines Ventilstellgliedes auf. Ferner ermöglicht der Aktuator ein Dämpfen des Auftreffens des Stößels auf den Dichtsitz und/oder auf das Dichtelement und/oder der Aktuator ermöglicht das Dämpfen des Auftreffens des Dichtelements auf eine Endpositionsbegrenzung, beispielsweise auf eine Ventilgehäusewand. Vorzugsweise weist der Aktuator einen Elektromagneten auf. Während des Zeitintervalls, bei dem der Aktuator zum Abbremsen des Stößels aktiviert wird, kann der Stößel aus einem Magnetfeld des Aktuators zumindest teilweise herausgeschoben werden, so dass sich die Aktuatorkraft, die auf den Stößel wirkt, verringert, je weiter der Stößel aus dem Magnetfeld herausgeschoben wird. Vorteilhafterweise kann durch den ansteigenden Verlauf des Stromes von dem Anfangswert zu dem Endwert dieser Effekt kompensiert werden und die Aktuatorkraft kann näherungsweise konstant gehalten werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Beginn einer Ventilöffnung des stromlos offenen Ventils detektiert und sobald der Beginn der Ventilöffnung erkannt wird, wird abhängig von dem erkannten Beginn der Ventilöffnung ein Start des Zeitintervalls vorgegeben. Der Beginn der Ventilöffnung kann mittels einer Erfassung einer Bewegung des Stößels entlang einer Längsachse des Stößels detektiert werden. Beispielsweise kann das Zeitintervall gestartet werden, sobald erkannt wird, dass sich der Stößel ausgehend von einer Anfangsposition des Stößels, in der der Stößel ein Öffnen des Ventils erlaubt oder das Ventil geschlossen ist, in Richtung einer Endposition des Stößels bewegt, in der der Stößel das Schließen des Ventils nicht erlaubt beziehungsweise das Ventil offen ist. Ferner kann der Start des Zeitintervalls abhängig von einem Ventiltyp und/oder abhängig von zumindest einem Betriebsparameter des Ventils vorgegeben werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird ein Beginn einer Ventilschließung des stromlos geschlossenen Ventils detektiert und sobald der Beginn der Ventilschließung erkannt wird, wird abhängig von dem erkannten Beginn der Ventilschließung der Start des Zeitintervalls vorgegeben. Beispielsweise kann das Zeitintervall gestartet werden, sobald erkannt wird, dass sich der Stößel ausgehend von der Anfangsposition des Stößels, in der der Stößel ein Schließen des Ventils erlaubt oder das Ventil geöffnet ist, in Richtung einer Endposition des Stößels bewegt, in der der Stößel das Öffnen des Ventils nicht erlaubt beziehungsweise das Ventil geschlossen ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird eine Dauer des Zeitintervalls vorgeben abhängig von einer Kopplung des Stößels mit dem Dichtelement. Dies ermöglicht, eine durch die Aktuatorkraft bewirkte Bremswirkung des Stößels und/oder des Dichtelements beim Öffnungsvorgang beziehungsweise Schließvorgang des Ventils einem Ventiltyp und/oder einem Anwendungsbereich anzupassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ventil in einem Einlassbereich einer Pumpe angeordnet und der Stößel ist direkt gekoppelt mit dem Dichtelement. Hierbei ist die Dauer des Zeitintervalls näherungsweise gleich 15% bis 20% einer Zeitdauer einer Förderphase der Pumpe.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Ventil in dem Einlassbereich der Pumpe angeordnet und der Stößel ist koppelbar mit dem Dichtelement. Hierbei ist die Dauer des Zeitintervalls näherungsweise gleich 50% der Zeitdauer der Förderphase der Pumpe.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Endwert des Stromes abhängig von der Federkraft der Feder vorgegeben. Vorteilhafterweise ermöglicht dies, den Endwert des Stromes so vorzugeben, dass das Ventil ausreichend schnell geöffnet beziehungsweise geschlossen werden kann und es kann sichergestellt werden, dass sich das Ventil öffnet beziehungsweise schließt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Verlauf des Stroms stufenförmig vorgegeben. Der Verlauf des Stromes kann mehrere zeitlich aufeinander folgende Abschnitte aufweisen, wobei jeder der Abschnitte jeweils einen Wert des Stroms mit einem im Wesentlichen konstanten Stromverlauf aufweist und der zeitlich auf einen vorhergehenden Abschnitt folgende Abschnitt einen größeren Wert des Stromes aufweist als der vorhergehende Abschnitt. Dies hat den Vorteil, dass der Verlauf des Stroms eine einfache und leicht herstellbare Form aufweist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Pumpe mit einem ersten Ausführungsbeispiel eines Ventils in einem Längsschnitt,
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2 die Pumpe mit einem zweiten Ausführungsbeispiel des Ventils in einem Längsschnitt,
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3A–3C ein drittes Ausführungsbeispiel des Ventils in drei Betriebszuständen und
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4 einen Stromverlauf und einen zeitlichen Verlauf einer Position eines Stößels.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine Pumpe 10 mit einem Pumpengehäuse 12. Die Pumpe 10 ist insbesondere als Hochdruckpumpe, vorzugsweise als Radialkolbenpumpe ausgebildet. In dem Pumpengehäuse 12 ist ein Pumpenkolben 14 bewegbar gelagert. In dem Pumpengehäuse 12 befindet sich an einem Ende des Pumpenkolbens 14 ein Druckraum 16. Um den Druckraum 16 mit Fluid befüllen zu können, weist dieser eine Zulaufleitung 18 auf, in der vorzugsweise ein als Einlassventil ausgebildetes Ventil 20 angeordnet ist. Das als Einlassventil ausgebildete Ventil 20 ist vorzugsweise als digital geschaltetes Ventil ausgebildet. Das Ventil 20 erleichtert die Befüllung des Druckraums 16 und verhindert beim Befüllen das Zurückströmen des Fluids aus der Zulaufleitung 18. Der Druckraum 16 weist weiter eine Ablaufleitung 22 auf, in der ein als Auslassventil ausgebildetes weiteres Ventil 24 angeordnet ist. Damit kann Fluid aus dem Druckraum 16 ausgestoßen werden.
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Die Pumpe 10 weist weiter eine Antriebswelle 26 auf, die mit einem Exzenterring 28 in Wirkverbindung steht und in einer Drehrichtung D im Uhrzeigersinn drehbar ist. Anstelle des Exzenterrings 28 kann auch eine Nockenwelle eingesetzt werden. Alternativ kann die Pumpe 10 auch als Kurbeltriebpumpe ausgeführt sein.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Ventils 20. Das Ventil 20 umfasst ein Ventilgehäuse 29, das eine Ausnehmung 30 aufweist. In der Ausnehmung 30 sind eine Feder 32, ein Stößel 34 und ein Dichtelement 36 angeordnet. Die Feder 32 spannt das Dichtelement 36 über den Stößel 34 vor, indem sie sich an einer Wand der Ausnehmung 30 abstützt. Das Dichtelement 36 und der Stößel 34 sind direkt mechanisch gekoppelt. Der Stößel 34 umfasst einen ersten zylinderförmigen Teil 34a und einen zweiten zylinderförmigen Teil 34b, wobei der erste Teil 34a einen größeren Durchmesser aufweist als der zweite Teil 34b.
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In der Ausnehmung 30 befindet sich weiter ein gegenüber dem Ventilgehäuse 29 fest angeordneter Dichtsitz 38, der Durchgangsausnehmungen 40 aufweist. Über die Durchgangsausnehmungen 40 kann Fluid strömen, wenn das Dichtelement 36 nicht an dem Dichtsitz 38 anliegt.
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Das Ventil 20 weist weiter einen Aktuator 42 auf, der insbesondere als Magnetspule ausgebildet ist. Der erste Teil 34a des Stößels 34 ist zumindest teilweise innerhalb des Aktuators 42 angeordnet und kann von dem Aktuator 42 betätigt werden.
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Sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen des Ventils 20 können aufgrund mechanischer und hydraulischer Ursachen Geräusche an dem Ventil 20 auftreten. Der Stößel 34 wird durch die Federkraft F_1 der Feder 32 auf den Dichtsitz 38 zu bewegt. Treffen der Dichtsitz 38 und der Stößel 34, insbesondere der erste Teil 34a des Stößels 34, aufeinander, so kann ein Geräusch auftreten. Ein Aktivieren des Aktuators 42 beispielsweise kurz bevor der Stößel 34 seine Endposition erreicht hat, bei der das Ventil 20 maximal geöffnet ist und der erste Teil 34a des Stößels 34 an dem Dichtsitz 38 anliegt, ermöglicht, dass der Stößel 34 abgebremst werden kann und das Auftreffen des Stößels 34 auf den Dichtsitz 38 gedämpft werden kann.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Ventils 20. Im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel sind der Stößel 34 und das Dichtelement 36 nicht direkt mechanisch gekoppelt. Ferner weist die Ausnehmung ein Endpositionsbegrenzungselement 44 auf, das angeordnet und ausgebildet ist, eine axiale Bewegung des Stößels 34 und/oder des Dichtelements 36 in Richtung Druckraum 16 zu begrenzen. Das Endpositionsbegrenzungselement 44 weist weitere Ausnehmungen 46 auf, über die Fluid in den Druckraum 16 strömen kann.
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Sowohl beim Öffnen als auch beim Schließen des Ventils 20 können aufgrund mechanischer und hydraulischer Ursachen Geräusche an dem Ventil 20 auftreten. Beim Öffnen des Ventils 20 gelangt in einem ersten Schritt das Dichtelement 36 in Anschlag mit dem Endpositionsbegrenzungselement 44, wodurch ein erstes Geräusch auftreten kann. Der Stößel 34 wird anschließend durch die Federkraft F_1 der Feder 32 auf das Dichtelement 36 zu bewegt. Treffen das Dichtelement 36 und der Stößel 34 aufeinander, so kann ein weiteres Geräusch auftreten. Ein Aktivieren des Aktuators 42 beispielsweise kurz bevor der Stößel 34 auf das Dichtelement 36 auftritt, ermöglicht, dass der Stößel 34 abgebremst werden kann und das Auftreffen des Stößels 34 auf das Dichtelement 36 gedämpft werden kann.
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3A zeigt ein drittes Ausführungsbeispiels des Ventils 20. Das Ventil 20 hat ein Ventilgehäuse 29, das eine Ausnehmung 30 aufweist. In der Ausnehmung 30 sind eine Feder 32, ein Stößel 34 und ein Dichtelement 36 angeordnet. Die Feder 32 spannt das Dichtelement 36 über den Stößel 34 vor, indem sie sich an einer Wand der Ausnehmung 30 abstützt. Das Dichtelement 36 und der Stößel 34 sind direkt mechanisch gekoppelt. Vorzugsweise sind das Dichtelement 36 und der Stößel 34 einstückig ausgebildet. Das Ventilgehäuse 29 umfasst einen Dichtsitz 38. Der Dichtsitz 38 und das Dichtelement 36 sind konisch ausgebildet, sodass wenn das Dichtelement 36 an dem Dichtsitz 38 anliegt, dass Ventil 20 geschlossen ist. Ferner umfasst das Ventil 20 das Endpositionsbegrenzungselement 44, das angeordnet und ausgebildet ist, eine axiale Bewegung des Stößels 34 und des Dichtelements 36 in Richtung Druckraum 16 zu begrenzen. Das Endpositionsbegrenzungselement 44 weist weitere Ausnehmungen 46 auf, über die Fluid in den Druckraum 16 strömen kann.
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Beim Öffnen des Ventils 20 gelangt das Dichtelement 36 in Anschlag mit dem Endpositionsbegrenzungselement 44, wodurch ein Geräusch entstehen kann. Sind der Stößel 34 und das Dichtelement 36 zusammen einstückig ausgebildet, so kann durch die gemeinsame Masse von Stößel 34 und Dichtelement 36 das Geräusch sehr deutlich ausgebildet sein.
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Im Folgenden wird das Steuern des Ventils für ein stromlos offenes Ventil 20 im Detail erläutert(3A bis 3C). Es versteht sich, dass dies in entsprechender Weise auf ein stromlos geschlossenes Ventil angewendet werden kann.
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Während der Förderphase (3A) der Pumpe 10 wird durch eine Drehbewegung der Antriebswelle 26 in einer Drehrichtung D der Pumpenkolben 14 durch den Exzenterring 28 von der Antriebswelle 26 weg bewegt und verdichtet dabei das in dem Druckraum 16 befindliche Fluid. Zu einem vorgegebenen Zeitpunkt wird das Ventil 20 durch Anlegen eines Stroms an den Aktuator 42 geschlossen, wodurch eine entgegen der Federkraft F_1 wirkende Aktuatorkraft F_2 auf den Stößel 34 wirken kann. Durch die Bewegung des Stößels 34 in Richtung der Aktuatorkraft F_2 und der herrschenden Druckverhältnisse vor und hinter dem Ventil 20 kann sich das Dichtelement 36 an den Dichtsitz 38 anlegen und eine Fluidströmung von der Zulaufleitung 18 in die Druckraum 16 ist unterbunden. Das in den Druckraum 16 verdichtete Fluid kann nun vollständig über das als Auslassventil ausgebildete weitere Ventil 24 aus der Pumpe 10 ausgestoßen werden. Am Ende der Förderphase hat der Pumpenkolben 14 seinen oberen Totpunkt erreicht.
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Handelt es sich bei der Pumpe 10 um eine Kraftstoffhochdruckpumpe einer Einspritzanlage einer Brennkraftmaschine, so kann der mit hohem Druck beaufschlagte Kraftstoff zu einem als Hochdruckkraftstoffspeicher ausgebildeten Fluidspeicher, dem so genannten Common Rail, gelangen.
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Zu Beginn einer Saugphase der Pumpe 10 (3B) wird durch die weitere Drehbewegung der Antriebswelle 26 in der Drehrichtung D der Pumpenkolben 14 mittels des Exzenterrings 28 zu der Antriebswelle 26 hin bewegt. Dabei beginnt sich das Ventil 20 aufgrund der Federkraft F_1 der Feder 32 und der Druckdifferenz vor und hinter dem Ventil 20 zu öffnen.
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Nach der Schließphase des Ventils 20 beziehungsweise nach der Förderphase der Pumpe 10 wird während eines vorgegebenen Zeitintervalls dem Aktuator 42 ein Strom mit einem vorgegebenen Verlauf aufgeprägt ausgehend von einem Anfangswert I_0 des Stromes bis zu einem vorgegebenen Endwert I_END des Stromes, wobei der Anfangswert I_0 des Stromes kleiner ist als der Endwert I_End. Das Zeitintervall kann beispielsweise unmittelbar nach dem Ende der Förderphase starten oder zu einem späteren Zeitpunkt, bei dem sich der Stößel 34 bereits bewegt und/oder sich das Dichtelement 36 bereits zumindest teilweise von dem Dichtsitz 38 abgehoben hat.
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Beispielsweise kann ein Beginn einer Ventilöffnung des Ventils 20 detektiert werden und sobald der Beginn der Ventilöffnung erkannt wird, abhängig von dem erkannten Beginn der Ventilöffnung ein Start des Zeitintervalls vorgegeben werden. Der Start kann zeitlich unmittelbar nach dem Erkennen des Beginns der Ventilöffnung erfolgen oder nach einer kurzen Zeitdauer nach dem Erkennen des Beginns. Die kurze Zeitdauer kann beispielsweise vorgegeben werden abhängig von einer durchschnittlichen Ventilöffnungszeit des Ventils 20.
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Die von dem mit Strom beaufschlagten Aktuator 42 erzeugte Aktuatorkraft F_2 wirkt der Federkraft F_1 und Druckdifferenz entgegen, sodass der Stößel 34 und/oder das Dichtelement 36 in ihrer Bewegung abgebremst werden. So wird die Bewegung des Stößels 34 auf den Dichtsitz 38 hin (1) und/oder die Bewegung des Stößels 34 auf das Dichtelement 36 hin (2) oder die Bewegung des Stößels 34 und des Dichtelements 36 hin zum Endpositionsbegrenzungselement 44 (3B) abgebremst. Durch die verringerte Geschwindigkeit kann ein Auftreffgeräusch wesentlich reduziert werden. Durch die langsame Bewegung des Stößels 34 kann die Geräuschentwicklung des Ventils 20 sehr klein gehalten werden und das Ventil 20 dennoch zuverlässig und ausreichend rasch geöffnet werden. Durch die langsame Bewegung des Stößels 34 kann darüber hinaus der Verschleiß des Ventils 20 klein gehalten werden.
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Der vorgegebene ansteigende Verlauf des Stromes ausgehend von einem Anfangswert I_0 des Stromes bis zu einem vorgegebenen Endwert I_END des Stromes ermöglicht, ein zumindest teilweises Herausbewegen des Stößels aus einem Magnetfeld des Aktuators 42 zu kompensieren und so die Aktuatorkraft F_2 näherungsweise konstant zuhalten. Der Verlauf des Stroms kann beispielsweise stufenförmig vorgegeben sein. 4 zeigt eine schematische Ansicht des Stromverlaufs und einen zeitlichen Verlauf der Position POS des Stößels 34 bezogen auf eine Anfangsposition des Stößels 34, in der das stromlos offene Ventil 20 geschlossen ist.
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Eine Dauer des Zeitintervalls kann beispielsweise abhängig von einer Kopplung des Stößels 34 mit dem Dichtelement 36 vorgeben werden. Ist zum Beispiel der Stößel 34 direkt gekoppelt ist mit dem Dichtelement 36 kann die Dauer des Zeitintervalls gleich näherungsweise 15% bis 20% einer Zeitdauer der Förderphase der Pumpe 10 sein.
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Sind der Stößel 34 und das Dichtelement 36 nicht direkt mechanisch gekoppelt, sondern koppelbar angeordnet, kann die Dauer des Zeitintervalls gleich näherungsweise 50% der Zeitdauer der Förderphase der Pumpe 10 sein.
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Der Endwert I_END des Stromes kann beispielsweise abhängig von der Federkraft F_1 der Feder 32 vorgegeben werden. Der Anfangswert I_0 des Stromes kann beispielsweise Null sein.
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Während einer Fortsetzung der Saugphase (3C) der Pumpe 10 wird durch eine Fortsetzung der weitern Drehbewegung der Antriebswelle 26 in der Drehrichtung D der Pumpenkolben 14 mittels des Exzenterrings 28 weiter zu der Antriebswelle 26 hin bewegt. Das Ventil 20 ist geöffnet. Der Druckraum 16 wird nun mit Fluid befüllt.