DE102011087752A1

DE102011087752A1 - Kraftstofffördereinrichtung

Info

Publication number: DE102011087752A1
Application number: DE201110087752
Authority: DE
Inventors: Hermann Gaessler; Udo Diehl; Jian Wu
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2011-12-05
Publication date: 2013-06-06
Also published as: WO2013083325A1

Abstract

Es wird eine Kraftstofffördereinrichtung (12), mit einer Abtriebswelle (22) einer Brennkraftmaschine (10), einer Fluidpumpe mit einer Antriebswelle (28), und mit einer Koppeleinrichtung zum Koppeln der Antriebswelle (28) mit der Abtriebswelle (22) beschrieben, wobei die Koppeleinrichtung einen von Stator (24) und Rotor (32) eines Elektromotors (26) umfasst, der mit der Abtriebswelle (22) mindestens in Antriebsrichtung drehfest gekoppelt ist, und wobei die Antriebswelle (28) der Fluidpumpe mit dem anderen von Rotor (32) und Stator (24) drehfest gekoppelt ist, und wobei der Elektromotor (26) so ansteuerbar ist, dass die Antriebswelle (28) mit geringerer, gleicher oder höherer Drehzahl (n) als die Abtriebswelle (22) dreht.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren, ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Patentansprüchen.
Vom Markt her bekannt sind Kraftstofffördereinrichtungen, welche unter Verwendung von mindestens einer Kraftstoffpumpe Kraftstoff in einen Druckspeicher einer Brennkraftmaschine fördern. Beispielsweise kann die Kraftstoffpumpe von einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine angetrieben sein, wodurch sich ein rein mechanischer Antrieb ergibt. Alternativ kann die Kraftstoffpumpe von einem Elektromotor angetrieben sein, wodurch sich ein rein elektrischer Antrieb ergibt. Eine Patentveröffentlichung aus diesem Fachgebiet ist beispielsweise die DE 102 48 408 A1 .
Offenbarung der Erfindung
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Kraftstofffördereinrichtung nach Anspruch 1, sowie durch ein Verfahren, ein Computerprogramm und eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
Die Erfindung weist den Vorteil auf, dass eine Kraftstofffördereinrichtung, welche eine Kraftstoffhochdruckpumpe (Hochdruckpumpe) einer Brennkraftmaschine umfasst, mit einer von der Drehzahl einer Abtriebswelle der Brennkraftmaschine abweichenden Drehzahl betrieben werden kann. Damit kann Kraftstoff bedarfsgerecht gefördert werden, wobei die Hochdruckpumpe vergleichsweise klein dimensioniert werden kann, und wobei der Energieverbrauch sowie Kosten gesenkt werden können. Ein Absteuern überflüssiger Kraftstoffmengen ist im Allgemeinen nicht erforderlich. Ebenso können Druckpulsationen reduziert werden, wodurch die Einspritzung von Kraftstoff präziser erfolgen kann. Ein Kraftstoff-Hochdruckspeicher ("Rail") kann einen kostengünstigeren Werkstoff aufweisen. Weiterhin weist die Kraftstofffördereinrichtung in einem vorwiegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine einen verbesserten Wirkungsgrad auf. Ein Mengensteuerventil ist entbehrlich, so dass ein Betriebsgeräusch vermindert werden kann.
Außerdem ermöglicht es die erfindungsgemäße Kraftstofffördereinrichtung, einen betriebspunktabhängigen variablen Kraftstoffdruck einzustellen. Dabei kann ein beliebiger Kraftstoff-Förderbedarf zwischen einer Nullförderung und einer maximalen Förderung eingestellt werden, wobei gegebenenfalls Strom in ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs eingespeist werden kann. Es ist sogar möglich, einen vorübergehend höheren Kraftstoffdruck aufzubauen, um beispielsweise Einspritzventile zu spülen, so dass einer Verkokung vorgebeugt werden kann.
Die Erfindung betrifft eine Kraftstofffördereinrichtung, mit einer Abtriebswelle einer Brennkraftmaschine, einer Fluidpumpe – insbesondere einer Kraftstoffhochdruckpumpe – mit einer Antriebswelle, und mit einer Koppeleinrichtung zum Koppeln der Antriebswelle mit der Abtriebswelle. Die Abtriebswelle ist vorzugsweise eine Nockenwelle der Brennkraftmaschine. Es kann alternativ auch ein anderer Abtriebspunkt eines Kurbeltriebs verwendet werden. Dabei umfasst die Koppeleinrichtung entweder den Stator oder den Rotor eines Elektromotors, wobei der Stator oder Rotor mit der Abtriebswelle mindestens in Antriebsrichtung drehfest gekoppelt ist. Ist der Stator mit der Abtriebswelle gekoppelt, ist die Antriebswelle der Fluidpumpe mit dem Rotor des Elektromotors drehfest gekoppelt. Ist dagegen der Rotor mit der Abtriebswelle gekoppelt, ist der Stator des Elektromotors mit der Antriebswelle der Fluidpumpe gekoppelt. Weiterhin ist der Elektromotor so ansteuerbar, dass die Antriebswelle mit geringerer, gleicher oder höherer Drehzahl als die Abtriebswelle dreht. Auf diese Weise ist es möglich, mechanische Leistung von der Abtriebswelle auf die Antriebswelle der Fluidpumpe zu übertragen, wobei der Elektromotor als steuerbares Element der Koppeleinrichtung verwendet wird. Dadurch kann zumindest zeitweise eine zumindest kraftschlüssige Kopplung zwischen der Abtriebswelle und der Antriebswelle erreicht werden. Eine Drehzahl n_P der Antriebswelle entspricht somit der Summe aus einer Drehzahl n_AW der Abtriebswelle plus einer relativen Drehzahl n_EM zwischen dem Stator und dem Rotor ("Elektromotordrehzahl"). Die Drehzahl n_EM kann auch negativ sein. Bei n_AW = –n_EM ist die Drehzahl der Antriebswelle der Fluidpumpe also gleich Null. Die Fluidpumpe kann konstruktiv optimal auf den vorwiegenden Betriebsbereich der Brennkraftmaschine ausgelegt werden. Somit wird die Fluidpumpe überwiegend mechanisch angetrieben und weist damit einen insgesamt höheren Wirkungsgrad auf als ein rein mechanischer oder ein rein elektrischer Antrieb der Fluidpumpe. Die Erfindung vereint sozusagen die Vorteile eines mechanischen und elektrischen Antriebs.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass dann, wenn die Abtriebswelle schneller dreht als die Antriebswelle, der Elektromotor als Generator arbeitet. Dadurch wird es ermöglicht, die Antriebswelle mit einer in Bezug auf die Abtriebswelle geringeren Drehzahl zu betreiben, wobei die an der Abtriebswelle entnommene mechanische Leistung teils zum Antrieb der Fluidpumpe und teils zur Erzeugung von Strom verwendet wird. Dadurch kann die Drehzahl der Fluidpumpe in Abhängigkeit von einem Förderbedarf besonders effizient vermindert werden.
Die Erfindung ist besonders nützlich, wenn die Fluidpumpe eine Kraftstoffförderpumpe eines Kraftfahrzeugs ist. Durch den besonders hohen Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung kann der Kraftstoffverbrauch gesenkt und die Umwelt geschont werden.
Weiterhin ist vorgesehen, dass dann, wenn eine Drehzahl des Stators und eine Drehzahl des Rotors gleich sind, eine Förderleistung der Kraftstoffförderpumpe geringer ist, als es einem bei der jeweiligen Drehzahl möglichen maximalen Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine entspricht. Dadurch wird eine besonders effiziente Dimensionierung der Kraftstofffördereinrichtung beschrieben, die sich nicht mehr am maximal möglichen Kraftstoffbedarf orientiert, was zwingend zu einer für die meisten Betriebssituationen überdimensionierten Fluidpumpe führt.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass der Elektromotor jeweils ein (bürstenbehafteter) Gleichstrommotor, ein Wechselstrommotor oder ein elektrisch kommutierter Motor ist. Die Erfindung ist also nicht auf eine bestimmte Ausführungsform des Elektromotors beschränkt, sofern der jeweilige Elektromotor in der erfindungsgemäßen Weise ansteuerbar ist. Dadurch werden die Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung erweitert.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der eine von Stator und Rotor drehfest, also in beiden Richtungen starr mit der Abtriebswelle gekoppelt ist. Dadurch wird eine besonders einfache und kostengünstige Kopplung ermöglicht.
Eine nochmals weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem Stator und dem Rotor ein Freilauf angeordnet ist. Ein Freilauf koppelt in der einen Drehrichtung, wohingegen er in der anderen Drehrichtung nicht koppelt. Dabei ist der Freilauf so angeordnet, dass die Antriebswelle der Fluidpumpe mit gleicher oder höherer Drehzahl als die Abtriebswelle drehen kann. Der Freilauf ermöglicht somit zumindest zeitweise eine formschlüssige Kopplung zwischen der Abtriebswelle und der Antriebswelle, ohne dass hierfür der Elektromotor entsprechend angesteuert werden muss. Der Elektromotor kann aber weiterhin bedarfsweise als Motor betrieben werden, um eventuell eine höhere Drehzahl der Antriebswelle und damit eine höhere Förderleistung der Fluidpumpe zu ermöglichen. Der Elektromotor kann in dieser Ausgestaltung jedoch nicht als Generator betrieben werden, sondern gegebenenfalls wird zu viel geförderter Kraftstoff durch ein Druckregelventil in bekannter Weise abgesteuert. Durch den Wegfall des Generatorbetriebs kann die Kraftstofffördereinrichtung vereinfacht werden.
Weiterhin wird ein Verfahren zum Betreiben der Kraftstofffördervorrichtung vorgeschlagen, wobei in einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine, in welchem die Antriebswelle der Kraftstoffförderpumpe zur Deckung eines Kraftstoffbedarfs eine in Bezug auf die Abtriebswelle höhere Drehzahl erfordert, der Elektromotor als Motor betrieben wird. Dadurch kann eine Grundlast der Förderleistung mechanisch über die Abtriebswelle der Brennkraftmaschine, und eine vorübergehend höhere Förderleistung zusätzlich mittels des Elektromotors erbracht werden. Dadurch wird zum einen ein vergleichsweise hoher mittlerer Wirkungsgrad erreicht, und zum andern können jeweilige höhere Förderleistungen bedarfsgerecht durch die zusätzliche Verwendung des Elektromotors erbracht werden, ohne dass überflüssige Kraftstoffmengen abgesteuert werden müssen.
Das Verfahren sieht weiterhin vor, dass in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine, in welchem die Antriebswelle der Kraftstoffförderpumpe zur Deckung eines Kraftstoffbedarfs eine in Bezug auf die Abtriebswelle niedrigere Drehzahl erfordert, der Elektromotor als Generator betrieben wird. Dadurch kann die Kraftstofffördereinrichtung bedarfsgerecht auch bei niedriger Förderleistung betrieben werden, ohne dass überflüssige Kraftstoffmengen abgesteuert werden müssen. Außerdem kann elektrische Energie gewonnen und in das Bordnetz des Kraftfahrzeugs eingespeist werden.
Ebenso ist vorgesehen, dass in einem dritten Betriebszustand, in welchem die Antriebswelle der Kraftstoffförderpumpe zur Deckung eines Kraftstoffbedarfs eine in Bezug auf die Abtriebswelle gleiche Drehzahl erfordert, der Elektromotor als starre Kupplung betrieben wird. Dies kann beispielsweise durch Einspeisen einer – vergleichsweise geringen – elektrischen Leistung in den Elektromotor erfolgen, oder gegebenenfalls mittels einer schaltbaren mechanischen Verriegelung zwischen Stator und Rotor. Dadurch werden die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens erweitert. Sofern der Elektromotor mittels eines Getriebes oder einer Übersetzung an die Abtriebswelle oder die Antriebswelle gekoppelt ist, so ist die oben genannte "höhere" bzw. "niedrigere" bzw. "gleiche" Drehzahl der Antriebswelle unter Berücksichtigung der Übersetzung zu verstehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders einfach und flexibel anzuwenden, wenn es mittels eines Computerprogramms durchgeführt wird, welches auf einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung der Brennkraftmaschine ablauffähig ist.
Nachfolgend werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform mit einer Brennkraftmaschine, einer Kraftstoffförderpumpe und einem Elektromotor;
2 eine Darstellung ähnlich 1 einer zweiten Ausführungsform;
3 ein erstes Diagramm mit einer Förderleistung der Kraftstoffförderpumpe und einem Kraftstoffbedarf über einer Drehzahl;
4 ein zweites Diagramm mit der Förderleistung und dem Kraftstoffbedarf über der Drehzahl;
5 ein drittes Diagramm mit der Förderleistung und dem Kraftstoffbedarf über der Drehzahl;
6 ein viertes Diagramm mit der Förderleistung und dem Kraftstoffbedarf über der Drehzahl; und
7 ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Kraftstoffförderpumpe.
Es werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine 10 und einer zugehörigen Kraftstofffördereinrichtung 12. Die Brennkraftmaschine 10 umfasst vorliegend vier Einspritzventile 14, welche in der Zeichnung unterhalb der Brennkraftmaschine 10 dargestellt sind. Die Einspritzventile 14 werden über einen Hochdruckspeicher 16 ("Rail") gespeist, welcher unterhalb der Einspritzventile 14 dargestellt ist. Der Hochdruckspeicher 16 weist ein Druckregelventil 18 und einen Drucksensor 20 auf.
Die Brennkraftmaschine 10 weist in der Zeichnung rechts eine Abtriebswelle 22 auf, welche mit einem Stator 24 eines Elektromotors 26 drehfest gekoppelt ist und mit dem Stator 24 eine gleiche Drehzahl aufweist. Der Stator 24 ist innerhalb eines Gehäuses 27 des Elektromotors 26 drehbar angeordnet und weicht insofern von einem vergleichbaren Elektromotor üblicher Bauart ab. Der Elektromotor 26 kann beliebig als Gleichstrommotor, als Wechselstrommotor oder als elektrisch bzw. elektronisch kommutierter Motor ausgeführt sein und ist vorliegend in einer vereinfachten Schnittansicht dargestellt.
Auf einer Rotorwelle, welche zugleich eine Antriebswelle 28 einer in der Zeichnung rechts von dem Elektromotor 26 dargestellten Kraftstoffförderpumpe 30 ("Fluidpumpe") ist, ist ein Rotor 32 des Elektromotors 26 angeordnet. Der Rotor 32 ist konzentrisch innerhalb des Stators 24 derart angeordnet, dass zwischen dem Stator 24 und dem Rotor 32 mittels magnetischer Kraft ein Drehmoment übertragen werden kann. Der Elektromotor 26 ist sozusagen mit der Abtriebswelle 22 in Reihe geschaltet. Die Antriebswelle 28 treibt ein Rotationsteil 31, beispielsweise einen Nocken oder Exzenter einer Radialkolbenpumpe, der Kraftstoffförderpumpe 30 an. Die Kraftstoffförderpumpe 30 ist beispielsweise an einem Träger der Brennkraftmaschine 10 angeordnet.
Vorliegend sind der Stator 24 drehfest mit der Abtriebswelle 22 und der Rotor 32 drehfest mit der Antriebswelle 28 gekoppelt. Es ist jedoch ebenso möglich, die Funktionen von Stator 24 und Rotor 32 zu vertauschen. Dies ist in der 1 jedoch nicht gezeigt.
Die Kraftstoffförderpumpe 30, welche vorliegend als Hochdruckpumpe ausgeführt ist, ist über eine Niederdruckleitung 34 mit einer Vorförderpumpe 36 eines Kraftstofftanks 38, und über eine Hochdruckleitung 40 mit dem Hochdruckspeicher 16 hydraulisch verbunden. Eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung 42 steuert bzw. regelt die Brennkraftmaschine 10 und die Kraftstofffördereinrichtung 12. Dies ist beispielhaft für einige Elemente der 1 mittels gestrichelter Linien angedeutet. Die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 42 umfasst ein Computerprogramm 41 und ist mit einer Batterie 43 eines in der 1 nicht dargestellten Kraftfahrzeugs elektrisch verbunden.
Im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 fördert die Vorförderpumpe 36 Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 38 zur Kraftstoffförderpumpe 30. Die Kraftstoffförderpumpe 30 fördert den Kraftstoff weiter zum Hochdruckspeicher 16, wobei zugleich der Druck des Kraftstoffs stark erhöht wird. Eventuell zu viel geförderter Kraftstoff kann über das Druckregelventil 18 und eine hydraulische Leitung 44 in den Kraftstofftank 38 abgeleitet werden. Der Drucksensor 20 übermittelt den aktuell in dem Hochdruckspeicher 16 herrschenden Kraftstoffdruck an die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 42.
In einem ersten Betriebszustand, welcher beispielsweise einer Startphase der Brennkraftmaschine 10 oder einem starken Beschleunigen des von der Brennkraftmaschine 10 angetriebenen Kraftfahrzeugs entspricht, erfordert die Antriebswelle 28 der Kraftstoffförderpumpe 30 aufgrund des aktuellen Kraftstoffbedarfs eine höhere Drehzahl, als die Abtriebswelle 22 aktuell zur Verfügung stellt. Daraufhin steuert die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 42 den Elektromotor 26 so, dass der Elektromotor 26 als Motor betrieben wird. Dabei wird elektrische Energie aus der Batterie 43 entnommen. Dabei entspricht die vom Elektromotor 26 aufgenommene elektrische Energie im Wesentlichen der Differenz zwischen der zum Betrieb der Kraftstoffförderpumpe 30 erforderlichen Energie und der von der Abtriebswelle 22 abgegebenen mechanischen Energie und ist somit vergleichsweise klein.
In einem zweiten Betriebszustand, welcher beispielsweise einem Schubbetrieb der Brennkraftmaschine 10 oder einem nicht beschleunigten Zustand des Kraftfahrzeugs entspricht, erfordert die Antriebswelle 28 eine niedrigere Drehzahl zur Deckung des Kraftstoffbedarfs, als die Abtriebswelle 22 aktuell zur Verfügung stellt. Daraufhin steuert die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 42 den Elektromotor 26 so, dass der Elektromotor 26 als Generator betrieben wird. Dabei wird elektrische Energie in die Batterie 43 eingespeist. In beiden beschriebenen Betriebszuständen ist ein über die Abtriebswelle 22 und die Antriebswelle 28 übertragenes Drehmoment gleich und nur die jeweiligen Drehzahlen sind verschieden.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Kraftstofffördereinrichtung 12 anhand der 1 am Beispiel eines Gleichstrommotors ergänzend erläutert. Bei Stillstand der Brennkraftmaschine 10 bleiben die Abtriebswelle 22 und damit auch der Stator 24 in Ruhe. In diesem Fall wird der Elektromotor 26 die Kraftstoffförderpumpe 30 allein antreiben, um beispielsweise beim Start den erforderlichen Kraftstoffdruck im Hochdruckspeicher 16 bereitzustellen.
Bei laufender Brennkraftmaschine 10 wird die Abtriebswelle 22 bzw. der Stator 24 in Rotation gebracht, wobei ein rotierendes Magnetfeld mit der Drehzahl n_AW (siehe die Gleichungen weiter unten im Text) entsteht. Wenn eine Wicklung des Rotors 32 bestromt wird, so wird der Rotor 32 und damit auch die Kraftstoffförderpumpe 30 durch ein mittels der Lorentzkraft gebildetes Drehmoment angetrieben. Das Drehmoment ist einerseits das Antriebsmoment für die Kraftstoffförderpumpe 30 und andererseits das Widerstandsmoment für die Abtriebswelle 22 ("Nockenwelle"). Somit sind die Abtriebswelle 22 und die Kraftstoffförderpumpe 30 kraftschlüssig gekoppelt. Das Drehmoment kann wie folgt berechnet werden: M_MAG = k·I_A (1); mit

M_MAG: = Drehmoment an der Abtriebswelle 22 bzw. der Antriebswelle 28;
k: = Motorkonstante in Nm/A (Newtonmeter durch Ampere);
I: = Ankerstrom in A (Ampere).

Das bedeutet, dass durch Verändern des Ankerstroms I das Drehmoment M_MAG eingestellt werden kann. Bei einem Elektromotor gilt allgemein für die induzierte Spannung: U_IND = 2·π / 60·k·n_EM (2); mit

U_IND: = induzierte Spannung;
n_EM: = relative Drehzahl des Stators 24 zum Rotor 32.

Bei einer rein elektrisch angetriebenen Kraftstoffförderpumpe 30 ist die Drehzahl des Elektromotors 26 gleich der Pumpendrehzahl. Somit gilt: U_IND = 2·π / 60·k·n_p (3); mit

n_P: = Pumpendrehzahl (Antriebswelle 28).

Die erforderliche Ankerspannung und Leistungsaufnahme sind: U_A = I_A·R + U_IND = I_A·R + 2·π / 60·k·n_p (4); mit

U_A: = Ankerspannung;
R: = ohmscher Widerstand der Ankerwicklung (Rotorwicklung);
I_A: = Ankerstrom.

P_ELE = U_A·I_A = I 2 / A ·R + I_A· 2·π / 60·k·n_p (5);

P: _ELE = elektrische Leistung des Elektromotors 26.

Bei der "kraftschlüssigen" Ausführungsform der Kraftstofffördereinrichtung 12 nach der 1 wird die Gegenspannung lediglich durch die Drehzahldifferenz zwischen dem Stator 24 und dem Rotor 32 bzw. der Abtriebswelle 22 und der Antriebswelle 28 induziert, nämlich: U_IND = 2·π / 60·k·(n_p – n_AW) (6); mit

n_AW: = Drehzahl der Abtriebswelle 22.

Die erforderliche Ankerspannung und Leistungsaufnahme sind: U_A = I_A·R + U_IND = I_A·R + 2·π / 60·k·(n_p – n_AW) (7) P_ELE = U_A·I_A = I 2 / A·R + I_A· 2·π / 60·k·(n_p – n_AW) (8)
Wenn die Drehzahl der Antriebswelle 28 größer als die Drehzahl der Abtriebswelle 22 ist, nämlich n_EM = n_p – n_AW > 0 (9), so arbeitet der Elektromotor 26 antreibend und nimmt dazu elektrische Energie aus der Batterie 43 auf. Wenn die Drehzahl der Antriebswelle 28 nahezu gleich der Drehzahl der Abtriebswelle 22 ist, nämlich n_EM = n_p – n_AW → 0 (10), so ist die induzierte Spannung U_IND gemäß der Gleichung (2) entsprechend gering oder sogar null. Hierbei entspricht die aufgenommene elektrische Energie den ohmschen Verlusten im Elektromotor 26. In diesem Fall wird die Kraftstoffförderpumpe 30 im Wesentlichen durch mechanische Leistung von der Abtriebswelle 22 angetrieben und der Elektromotor 26 wirkt entsprechend als magnetische Kupplung zwischen der Abtriebswelle 22 und der Antriebswelle 28. Wenn die Drehzahl der Antriebswelle 28 um ein bestimmtes Maß (geringfügig) kleiner ist als die Drehzahl der Abtriebswelle 22, also n_p < n_AW (11), derart, dass U_A = I_A·R + 2·π / 60·k·(n_p – n_AW) = 0 (12), und somit P_ELE = U_A·I_A = 0 (13), so wird also gar keine elektrische Energie im Elektromotor 26 aufgenommen. Wenn die Drehzahl der Antriebswelle 28 mehr als nur geringfügig kleiner ist als die Drehzahl der Abtriebswelle 22, so führt das zu einer entsprechenden relativen Drehzahl zwischen dem Stator 24 und dem Rotor 32, wodurch der Elektromotor 26 als Generator arbeitet und Strom in die Batterie 43 einspeist.
2 zeigt eine zu der 1 vergleichbare Darstellung, wobei jedoch der Elektromotor 26 ergänzend einen Freilauf 46 aufweist. Dabei sind der Stator 24 und der Rotor 32 über den Freilauf 46 derart gekoppelt, dass ohne Bestromung des Elektromotors 26 ein Drehmoment zum Antrieb der Kraftstoffförderpumpe 30 übertragen werden kann. In der Drehrichtung der Abtriebswelle 22 kann der Rotor 32 also von dem Stator 24 zwangsweise mitgeführt werden, so dass ohne Bestromung des Elektromotors 26 die Antriebswelle 28 eine zu der Abtriebswelle 22 gleiche Drehzahl aufweist. Der Freilauf 46 ermöglicht somit zumindest zeitweise eine formschlüssige Kopplung zwischen der Abtriebswelle 22 und der Antriebswelle 28.
Der oben bei der 1 beschriebene erste Betriebszustand kann mit der Kraftstofffördereinrichtung 12 der 2 in gleicher Weise erfolgen. Dabei läuft der Freilauf 46 "frei". Der oben beschriebene zweite Betriebszustand erfolgt dagegen abweichend zu der 1, weil die Antriebswelle 28 nicht langsamer drehen kann als die Abtriebswelle 22. Insbesondere kann der Elektromotor 26 in diesem Fall nicht als Generator arbeiten. In dem zweiten Betriebszustand wird eventuell zu viel geförderter Kraftstoff daher mittels des Druckregelventils 18 über die hydraulische Leitung 44 zur Vorförderpumpe 36 oder in den Kraftstofftank 38 abgesteuert. Weil eine Förderleistung der Kraftstoffförderpumpe 30 ohne Unterstützung durch den Elektromotor 26 vergleichsweise gering ist, ist die eventuell abgesteuerte Kraftstoffmenge ebenfalls vergleichsweise gering.
3 zeigt ein Koordinatensystem, bei dem auf der Abszisse eine Drehzahl n aufgetragen ist. Auf der Ordinate ist erstens ein Kraftstoffbedarf 50 entsprechend einer durchgezogenen Geraden eingetragen. Dabei ist die Drehzahl n als Drehzahl der Abtriebswelle 22 zu verstehen. Zweitens ist eine Förderleistung 52 der Kraftstoffförderpumpe 30 entsprechend einer gestrichelten Geraden eingetragen. Dabei ist die Drehzahl n als Drehzahl der Antriebswelle 28 zu verstehen. Vertikale Linien 51 bzw. 53 bedeuten eine maximale Drehzahl der Abtriebswelle 22 bzw. der Antriebswelle 28. Dargestellt ist in der 3 ein Betriebszustand bei einem Tieftemperaturstart der Brennkraftmaschine 10. Die Darstellungen zeigen einen beispielhaften Zusammenhang und sind nicht maßstäblich.
Eine horizontale Linie 54 entspricht einem maximalen Kraftstoffbedarf 50 der Brennkraftmaschine 10. Beim angenommenen Tieftemperaturstart werde eine Kraftstoffmenge 56a benötigt, wobei die Abtriebswelle 22 eine Drehzahl n1 aufweist. Die Förderleistung 52 ist jedoch bei der vorliegenden Drehzahl n1 verschwindend, also unzureichend. Entsprechend der die Förderleistung 52 beschreibenden gestrichelten Geraden ist aus dem Diagramm zu entnehmen, dass die Antriebswelle 28 der Kraftstoffförderpumpe 30 mit einer Drehzahl n2, welche größer als n1 ist, betrieben werden muss, um die erforderliche Kraftstoffmenge 56a zu fördern. Die erforderliche Drehzahl-Erhöhung (n2 – n1) wird durch den Elektromotor 26 erzeugt, der also als Motor betrieben wird. Der Elektromotor 26 wird aus der Batterie 43 gespeist.
Allgemein ist aus der relativen Lage der den Kraftstoffbedarf 50 und die Förderleistung 52 beschreibenden Geraden zu erkennen, dass dann, wenn die Drehzahl n des Stators 24 und die Drehzahl n des Rotors 32 – beziehungsweise die jeweiligen Drehzahlen n der Abtriebswelle 22 und der Antriebswelle 28 – gleich sind, die Förderleistung 52 der Kraftstoffförderpumpe 30 geringer ist, als es dem bei der jeweiligen Drehzahl n möglichen maximalen Kraftstoffbedarf 50 der Brennkraftmaschine 10 entspricht.
Insbesondere für den in der 3 gezeigten Tieftemperaturstart ist es nicht erforderlich, die Kraftstoffförderpumpe 30 konstruktiv überzudimensionieren. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der Elektromotor 26 zumindest zeitweise als Motor betrieben wird und somit die Drehzahl n2 der Antriebswelle 28 größer ist, als die beim Tieftemperaturstart vergleichsweise niedrige Drehzahl n1 der Abtriebswelle 22. In ähnlicher Weise kann auch im Bereich hoher Drehzahlen n und hoher Kraftstoffbedarfe 50 die Drehzahl n der Antriebswelle 28 mittels des Elektromotors 26 passend erhöht werden. Dabei entstehen keine überflüssigen Kraftstoffmengen, die andernfalls abzusteuern wären. Dies wird in der 5 noch näher erläutert werden.
4 zeigt ein der 3 entsprechendes Diagramm, wobei vorliegend ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 bei geringem Kraftstoffverbrauch beschrieben wird. Ausgehend von einer Drehzahl n4 der Abtriebswelle 22 werde aktuell eine Kraftstoffmenge 56b benötigt. Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, dass die Förderleistung 52 bei derselben Drehzahl n4 an der Antriebswelle 28 entsprechend einer Marke 58 jedoch über der benötigten Kraftstoffmenge 56b liegt. Daher ist es erforderlich, die aktuelle Drehzahl n4 der Abtriebswelle 22 auf eine Drehzahl n3 der Antriebswelle 28 entsprechend der die Förderleistung 52 beschreibenden Geraden zu vermindern. Der erforderliche Drehzahl-Schlupf (n4 – n3) wird durch den Elektromotor 26 erzeugt, der also als Generator betrieben wird. Wie bereits beschrieben, kann dabei elektrische Energie in die Batterie 43 gespeist werden.
5 zeigt ein den 3 und 4 entsprechendes Diagramm, wobei vorliegend ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 bei hohem Kraftstoffverbrauch beschrieben wird. Ausgehend von einer Drehzahl n5 der Abtriebswelle 22 werde aktuell eine Kraftstoffmenge 56c benötigt. Aus dem Diagramm ist zu entnehmen, dass die Förderleistung 52 bei derselben Drehzahl n5 der Antriebswelle 28 entsprechend einer Marke 60 jedoch weniger als die benötigte Kraftstoffmenge 56c beträgt. Daher ist es erforderlich, die aktuelle Drehzahl n5 der Abtriebswelle 22 auf eine Drehzahl n6 der Antriebswelle 28 entsprechend der die Förderleistung 52 beschreibenden Geraden zu erhöhen. Die erforderliche Drehzahl-Erhöhung (n6 – n5) wird durch den Elektromotor 26 erzeugt, der also als Motor betrieben wird. Der Elektromotor 26 wird wie beim Tieftemperaturstart der 3 aus der Batterie 43 gespeist.
6 zeigt ein den 3 bis 5 entsprechendes Diagramm mit einem Kraftstoffbedarf 50 und einer Förderleistung 52 über der Drehzahl n. Zugrunde liegt die Kraftstofffördereinrichtung 12 ohne den Freilauf 46 entsprechend der 2. Zur Veranschaulichung sind in der 6 drei Bereiche besonders gekennzeichnet: Ein erster Bereich 62 in der Zeichnung oberhalb der die Förderleistung 52 beschreibenden Geraden kennzeichnet einen Motorbetrieb des Elektromotors 26. Ein zweiter Bereich 64 in der Zeichnung unterhalb der die Förderleistung 52 beschreibenden Geraden und links von der vertikalen Linie 51 kennzeichnet einen Generatorbetrieb des Elektromotors 26. Ein dritter – mittels einer Ellipse dargestellter – Bereich 66 innerhalb des zweiten Bereichs 64 kennzeichnet häufig auftretende Betriebszustände der Brennkraftmaschine 10.
Zu erkennen ist, dass der dritte Bereich 66 innerhalb des zweiten Bereichs 64 liegt, was bedeutet, dass der Elektromotor 26 entsprechend häufig als Generator betrieben werden kann. Anstatt unter Inkaufnahme von Verlusten überflüssige Kraftstoffmengen abzusteuern, kann somit vorteilhaft elektrische Energie erzeugt werden. Insbesondere ermöglicht es der von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 42 gesteuerte Elektromotor 26, flexibel und präzise auf Änderungen des Betriebszustands der Brennkraftmaschine 10 in dem gesamten in der 6 dargestellten Drehzahlbereich zu reagieren.
7 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Betreiben der Kraftstofffördereinrichtung 12, welches vorzugsweise mittels des Computerprogramms 41 abgearbeitet werden kann. Das Flussdiagramm der 7 ist für eine Kraftstofffördereinrichtung 12 mit oder ohne Freilauf 46 anwendbar.
In einem Start-Block 68 beginnt die in der 7 dargestellte Prozedur. In einem folgenden Abfrageblock 70 wird ein aktueller Kraftstoffbedarf 50 ermittelt und mit der von der Drehzahl n abhängigen Förderleistung 52 verglichen. Ist in einem ersten Betriebszustand der Kraftstoffbedarf 50 größer als die der Drehzahl n der Abtriebswelle 22 entsprechende Förderleistung 52, so wird zu einem Block 72 verzweigt. Ist in einem zweiten Betriebszustand der Kraftstoffbedarf 50 kleiner als die der Drehzahl n der Abtriebswelle 22 entsprechende Förderleistung 52, so wird zu einem Block 74 verzweigt. Ist in einem dritten Betriebszustand der Kraftstoffbedarf 50 wenigstens in etwa gleich zu der Förderleistung 52, so wird zu einem Block 76 verzweigt.
Im Block 72 wird der Elektromotor 26 als Motor betrieben. Dazu wird der Elektromotor 26 aus der Batterie 43 gespeist. In den 1 und 2 nicht gezeigte Treiberstufen ermöglichen es dabei, den Elektromotor 26 in Abhängigkeit von dem Kraftstoffbedarf 50 stetig zu steuern.
Im Block 74 wird der Elektromotor 26 – ohne einen Freilauf 46 gemäß der 1 – als Generator betrieben. Dabei ermöglichen es die oben beschriebenen Treiberstufen, den Elektromotor 26 auch im Generatorbetrieb stetig zu steuern. Weist der Elektromotor 26 hingegen den Freilauf 46 der 2 auf, so fördert die Kraftstoffförderpumpe 30 als Folge der in Bezug auf den Kraftstoffbedarf 50 zu hohen Drehzahl n zu viel Kraftstoff in den Hochdruckspeicher 16. Mittels des Druckregelventils 18 wird dann die überflüssige Kraftstoffmenge über die hydraulische Leitung 44 abgesteuert.
Im Block 76 wird der Elektromotor 26 als starre Kupplung betrieben. Dazu kann beispielsweise eine – vergleichsweise geringe – elektrische Leistung zum Ausgleich von Verlusten in den Elektromotor 26 gespeist werden, oder es kann vorübergehend eine mechanische Verriegelung zwischen Stator 24 und Rotor 32 geschaltet werden. Weist der Elektromotor 26 hingegen den Freilauf 46 gemäß der 2 auf, so wird die Antriebswelle 28 zwangsweise von der Abtriebswelle 22 mit gleicher Drehzahl n angetrieben und der Elektromotor 26 stromlos geschaltet.
Nach Durchlaufen der Blöcke 72, 74 oder 76 wird die Abarbeitung des Flussdiagramms der 7 vor dem Abfrageblock 70 fortgesetzt. Dadurch wird jeweils ein für einen aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 optimaler Betrieb des Elektromotors 26 und der Kraftstoffförderpumpe 30 ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10248408 A1 [0002]

Claims

Kraftstofffördereinrichtung (12), mit einer Abtriebswelle (22) einer Brennkraftmaschine (10), einer Fluidpumpe mit einer Antriebswelle (28), und mit einer Koppeleinrichtung zum Koppeln der Antriebswelle (28) mit der Abtriebswelle (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung einen von Stator (24) und Rotor (32) eines Elektromotors (26) umfasst, der mit der Abtriebswelle (22) mindestens in Antriebsrichtung drehfest gekoppelt ist, und dass die Antriebswelle (28) der Fluidpumpe mit dem anderen von Rotor (32) und Stator (24) drehfest gekoppelt ist, und dass der Elektromotor (26) so ansteuerbar ist, dass die Antriebswelle (28) mit geringerer, gleicher oder höherer Drehzahl (n) als die Abtriebswelle (22) dreht.
Kraftstofffördereinrichtung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die Abtriebswelle (22) schneller dreht als die Antriebswelle (28), der Elektromotor (26) als Generator arbeitet.
Kraftstofffördereinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidpumpe eine Kraftstoffförderpumpe (30) eines Kraftfahrzeugs ist.
Kraftstofffördereinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn eine Drehzahl (n) des Stators (24) und eine Drehzahl (n) des Rotors (32) gleich sind, eine Förderleistung (52) der Kraftstoffförderpumpe (30) geringer ist, als es einem bei der jeweiligen Drehzahl (n) möglichen maximalen Kraftstoffbedarf (50) der Brennkraftmaschine (10) entspricht.
Kraftstofffördereinrichtung (12) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (26) ein Gleichstrommotor, ein Wechselstrommotor oder ein elektrisch kommutierter Motor ist.
Kraftstofffördereinrichtung (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der eine von Stator (24) und Rotor (32) drehfest mit der Abtriebswelle (22) gekoppelt ist
Kraftstofffördereinrichtung (12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stator (24) und dem Rotor (32) ein Freilauf (46) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kraftstofffördereinrichtung (12) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Betriebszustand der Brennkraftmaschine (10), in welchem die Antriebswelle (28) der Kraftstoffförderpumpe (30) zur Deckung eines Kraftstoffbedarfs (50) eine in Bezug auf die Abtriebswelle (22) höhere Drehzahl (n) erfordert, der Elektromotor (26) als Motor betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem zweiten Betriebszustand der Brennkraftmaschine (10), in welchem die Antriebswelle (28) der Kraftstoffförderpumpe (30) zur Deckung eines Kraftstoffbedarfs (50) eine in Bezug auf die Abtriebswelle (22) niedrigere Drehzahl (n) erfordert, der Elektromotor (26) als Generator betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Betriebszustand, in welchem die Antriebswelle (28) der Kraftstoffförderpumpe (30) zur Deckung eines Kraftstoffbedarfs (50) eine in Bezug auf die Abtriebswelle (22) gleiche Drehzahl (n) erfordert, der Elektromotor (26) als starre Kupplung betrieben wird.
Computerprogramm (41), dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 10 programmiert ist.
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (42) einer Brennkraftmaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass auf ihr ein Computerprogramm (41) nach Anspruch 11 ablauffähig ist.