DE102011106824A1

DE102011106824A1 - Verfahren zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Kraftstoffpumpe

Info

Publication number: DE102011106824A1
Application number: DE102011106824A
Authority: DE
Inventors: Ronald Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2013-01-10
Also published as: WO2013004338A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Kraftstoffpumpe, wobei die elektrische Leistungsaufnahme der Kraftstoffpumpe mittels einer Pulsdauermodulation bei gleichbleibender Drehzahl regelbar ist, wobei die Regelung in einem ersten Betriebszustand hinsichtlich einer möglichst geringen Leistungsaufnahme ausgelegt ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme in einem zweiten Betriebszustand erhöht wird, um durch eine Erzeugung von ohmscher Wärme eine Erwärmung des von der Kraftstoffpumpe geförderten Kraftstoffs zu erreichen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Kraftstoffpumpe.
Kraftstoffpumpen dienen dazu, einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs eine ausreichende Menge an Kraftstoff aus einem Tank zuzuführen.
Bekannt sind mit Gleichstrom betriebene, elektronisch kommutierte Kraftstoffpumpen, bei denen die für die gleichsinnige Drehung des Rotors der Kraftstoffpumpe bzw. eines Elektromotors der Kraftstoffpumpe erforderliche Umpolung der elektrischen Spannung durch ein elektronisches Steuermodul erfolgt.
Um den Energieverbrauch und somit den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs gering zu halten, ist es sinnvoll, die Kraftstoffpumpe bedarfsgeregelt auszubilden. Dies bedeutet, dass durch eine Regelbarkeit der Förderleistung der Kraftstoffpumpe von dieser nur in etwa so viel Kraftstoff befördert wird, wie von dem Verbrennungsmotor in dem jeweiligen Betriebszustand benötigt wird. Die Förderleistung der Pumpe hängt dabei nicht nur von dem momentanen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors sondern zudem auch von dem Druckabfall innerhalb des hydraulischen Kraftstoffsystem ab. Beispielsweise können die Anforderungen an eine Kraftstoffpumpe einen erreichbaren Förderdruck zwischen 1 bar und 10 bar sowie einen Fördervolumenstrom von 0 I/h bis 300 I/h vorsehen. Ein entsprechendes Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2008 018 603 A1 bekannt.
Als Kraftstoffpumpen für Kraftfahrzeuge kommen sowohl Strömungspumpen als auch Verdrängerpumpen zum Einsatz. Verdrängerpumpen zeichnen sich durch die Erreichbarkeit hoher Systemdrücke, ein gutes Niederspannungsverhalten, d. h. eine relativ flache Förderleistungskennlinie bei der Betriebsspannung, sowie dadurch aus, dass der Fördervolumenstrom nahezu proportional von der Drehzahl des Pumpenmotors abhängt. Zudem ist ein höherer Wirkungsgrad als bei Strömungspumpen erreichbar. Die wesentlichen Vorteile von Strömungspumpen Liegen dagegen in ihrer deutlich vereinfachten Konstruktion sowie dem geräuscharmen Betrieb.
In neueren Ausführungsformen werden Kraftstoffpumpen regelmäßig elektronisch kommutiert. Hierzu ist der Motor mit einem Steuergerät verbunden, in dem ein elektrisches Drehfeld erzeugt wird. Dieses elektrische Drehfeld erzeugt in den beaufschlagten Spulen (regelmäßig des Stators) des Pumpenmotors ein magnetisches Drehfeld. Diesem Drehfeld folgt der im Allgemeinen permanentmagnetisch ausgebildete Rotor synchron, es sei denn, die mechanisch abgenommene Leistung ist größer als die durch das magnetische Drehfeld an der Antriebswelle des Pumpenmotors zur Verfügung gestellte Leistung. Gleichzeitig induziert der Rotor in den gerade nicht angesteuerten Statorspulen eine Induktionsspannung, aus welcher die Drehzahl des Rotors ermittelbar ist. Diese Drehzahlüberwachung ermöglicht eine Reduzierung der elektrischen Statorleistung, ohne dass die Drehzahl des Rotors abfällt. Dazu wird der den Statorspulen zugeführte Strom mittels Pulsdauermodulation reduziert und permanent kontrolliert. Der Pumpenmotor hält dann bei minimalem Strombedarf eine Vorgabedrehzahl. Die Drehzahl fällt erst unter den Vorgabewert ab und der Motor verliert somit seine Synchronität, wenn das Verhältnis von abgenommener und zugeführter Leistung unter einen bestimmten, von den spezifischen Eigenschaften des Pumpenmotors abhängigen Wert fällt. Wird ein solcher Drehzahleinbruch erkannt, kann vorn Steuergerät die elektrische Leistung bzw. die Pulsdauer so weit erhöht werden, dass die Synchronität zwischen Drehfeld und Rotor wieder hergestellt wird. In diesem, als interne Drehzahlregelung bezeichneten Betriebszustand eines elektronisch kommutierten Motors arbeitet dieser in einem energetisch optimalen, drehzahlgeregelten Zustand.
Diese Beeinflussung des (Pumpen-)Wirkungsgrads der Kraftstoffpumpe wird somit dadurch ermöglicht, dass durch das Steuergerät die Drehzahl und das Drehmoment des Pumpenmotors getrennt voneinander einstellbar sind. Die Drehzahl hängt von der Änderungsgeschwindigkeit des elektrischen Drehfelds ab, das von dem Steuergerät erzeugt wird und somit veränderbar ist. Die Drehzahl des Pumpenmotors entspricht solang der Drehzahl des magnetischen Drehfelds, solange die an der Pumpenmotorwelle abgenommene mechanische Leistung nicht die dort zur Verfügung gestellte Leistung übersteigt. Unterschiedliche Belastungen der Welle machen sich dann lediglich durch eine unterschiedliche Phasenverschiebung bemerkbar. Übersteigt die abgenommene mechanische Leistung die bereitgestellte, wird die Phasenverschiebung so groß, dass es zu einem „Durchrutschen” der Welle kommt, bei der die Drehzahl der Welle nicht mehr der Drehzahl des magnetischen bzw. elektrischen Drehfelds entspricht. Das (maximale) Drehmoment, d. h. bei einer vorgegebenen Drehzahl die maximal abnehmbare mechanische Leistung bevor es zu einem Durchrutschen kommt, wird dagegen von der Stärke des Stroms, mit denen die Wicklungen des Pumpenmotors beaufschlagt werden, beeinflusst. Durch eine Erhöhung des Stroms steigt auch die Stärke des erzeugten magnetischen Drehfelds. Ein stärkeres Magnetfeld bewirkt dann eine geringere Phasenverschiebung. Eine geringere Phasenverschiebung ermöglicht dann, an der Pumpenmotorwelle ein höheres maximales Drehmoment abzugreifen, bevor es zu einem „Durchrutschen” kommt.
Eine energetisch optimale Regelung einer elektronisch kommutierten Kraftstoffpumpe sieht daher vor, die Kraftstoffpumpe durch eine Vorgabe der Änderungsgeschwindigkeit des elektrischen Drehfelds mit einer definierten, (bei Verdrängerkraftstoffpumpen) das Fördervolumen definierenden Drehzahl zu betreiben und die die Stärke des magnetischen Drehfeld beeinflussende Stromstärke so zu gering einzustellen, so dass gerade kein Durchrutschen bei der jeweils abgegriffenen mechanischen Leistung erfolgt.
Für den Betrieb von Kraftfahrzeugen mit Dieselmotoren kann es bei tiefen Außentemperaturen notwendig sein, den Kraftstoff vorzuwärmen, um ein Ausflocken des Diesel-Kraftstoffs zu verhindern bzw. rückgängig zu machen. Hierfür sind bislang zusätzliche elektrische Heizvorrichtungen vorgesehen, die jedoch mit einem zusätzlichen konstruktiven Aufwand verbunden sind.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Möglichkeit für die Vorheizung von (Diesel-)Kraftstoff anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Kraftstoffpumpe, bei der die elektrische Leistungsaufnahme mittels einer Pulsdauermodulation bei gleichbleibender Drehzahl regelbar ist, und die in einem ersten Betriebszustand hinsichtlich einer möglichst geringen (elektrischen) Leistungsaufnahme ausgelegt ist, ist vorgesehen, die (elektrische) Leistungsaufnahme in einem zweiten Betriebszustand zu erhöhen (ohne gleichzeitig auch die Drehzahl zu erhöhen), um durch eine Erzeugung von ohmscher Wärme in den mit dem elektrischen Strom beaufschlagten Spulen eines Elektromotors der Kraftstoffpumpe eine gezielte Erwärmung des von der Kraftstoffpumpe geförderten Kraftstoffs zu erreichen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Kraftstoffpumpe kann ohne wesentlichen konstruktiven Aufwand und im Wesentlichen lediglich durch eine veränderte Regelung der Kraftstoffpumpe eine gezielte Kraftstofferwärmung und insbesondere Kraftstoffvorwärmung erreicht werden. Auf zusätzliche Mittel für die Kraftstoffvorwärmung, wie sie in derzeitigen Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, kann dadurch verzichtet werden.
Vorzugsweise kann vorgesehen sein, eine Kraftstoffpumpe, die als Verdrängerkraftstoffpumpe ausgebildet ist, erfindungsgemäß zu betreiben. Bei „Verdrängerkraftstoffpumpen” handelt es sich um Kraftstoffpumpen, bei denen der Kraftstoff in Teilmengen in (abgesehen von Undichtigkeiten) abgeschlossenen Pumpenräumen von der Saug- zur Druckseite der Pumpe gefördert wird. Ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung einer Verdrängerkraftstoffpumpe liegt in dem nahezu proportionalen Verhältnis zwischen Drehzahl eines Pumpenmotors der Kraftstoffpumpe und deren Fördervolumen. Dadurch kann auf einfache Weise – wie beschrieben – im Rahmen einer Pulsdauermodulation erreicht werden, dass die Kraftstoffpumpe in dem erfindungsgemäßen ersten Betriebszustand betrieben wird, in dem diese eine vorgegebene Pumpenmotordrehzahl und somit einen definierten Fördervolumenstrom mit einer möglichst geringen (elektrischen) Leistungsaufnahme aufrecht hält.
Um bei Bedarf eine möglichst schnelle Erwärmung des Kraftstoffs zu erreichen, kann vorzugsweise vorgesehen sein, in dem zweiten Betriebszustand keine Pulsdauermodulation mehr durchzuführen, sondern vielmehr den Pumpenmotor dauerhaft mit dem angelegten Strom zu beaufschlagen. Selbstverständlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, durch eine beliebige Erhöhung der Pulsdauer des zugeführten Stroms eine zusätzliche Heizleistung zu generieren, die unterhalb der maximalen zusätzlichen Heizleitung beim dauerhaften Beaufschlagen liegt.
Ein Umschalten der Kraftstoffpumpe zwischen den Betriebszuständen erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit von der Temperatur des Kraftstoffs. Dies erfolgt vorzugsweise automatisch mittels eines oder mehrere, die Temperatur des Kraftstoff oder auch eine Außentemperatur bestimmender Temperatursensoren. Es ist daher vorzugsweise vorgesehen, eine Umschaltung in den zweiten Betriebszustand mit der dann erfolgenden zusätzlichen Erwärmung des Kraftstoffs nur dann durchzuführen, wenn die Temperatur des Kraftstoffs oder die Außentemperatur dies erforderlich macht und die Kraftstoffpumpe ansonsten im energetischen optimalen, ersten Betriebszustand zu betreiben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1: in einer schematischen Darstellung die Funktionsweise einer erfindungsgemäß betriebenen Kraftstoffpumpe
Die 1 zeigt in einer stark vereinfachten, schematischen Darstellung die Funktionsweise einer erfindungsgemäß betriebenen, elektrisch kommutierten Kraftstoffpumpe (KP).
Die Kraftstoffpumpe erhält von einem Steuergerät, z. B. dem Motorsteuergerät eines Kraftfahrzeugs, ein Signal (n_soll) hinsichtlich einer Soll-Drehzahl für die Kraftstoffpumpe, die für die Versorgung eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs mit einer von dessen jeweiligem Betriebspunkt abhängigen, ausreichenden Menge an Kraftstoff erforderlich ist. Weiterhin erhält die Kraftstoffpumpe ein die Temperatur des in einem Kraftstofftank gelagerten Kraftstoffs betreffendes Signal (T_K) von dem Steuergerät. Beide Signale beeinflussen die elektrische Leistungsabgabe (P_el.) der Kraftstoffpumpe, wobei das Signal n_soll maßgeblich die mechanische Leistung (P_mech.) der Kraftstoffpumpe beeinflusst, während das Signal T_K lediglich die von einem Pumpenantrieb der Kraftstoffpumpe erzeugte Wärmeleistung (P_Q) beeinflussen soll.
Wie von herkömmlichen Kraftstoffpumpen mit einem elektronisch kommutierten Pumpenantrieb bekannt, kann durch eine Pulsdauermodulation die Rotationsfrequenz des in dem Pumpenantrieb erzeugten magnetischen Drehfelds, das die Rotationsfrequenz der Kraftstoffpumpe definiert, getrennt von der Stärke des magnetischen Drehfelds, das die maximal an dem Pumpenantrieb abgreifbare mechanische Leistung, bevor es zu einem Durchrutschen (d. h. einer fehlenden Übereinstimmung der Drehzahl des magnetischen Drehfelds sowie der Pumpendrehzahl) kommt, geregelt werden. Bei einer definierten mechanischen Leistung, wie sie für einen definierten Betriebspunkt des Verbrennungsmotors durch eine definierte Kraftstoffmengenanforderung festgelegt ist, führt eine Erhöhung der Stärke des magnetischen Drehfelds über einen Grenzwert, der gerade ein Durchrutschen des Pumpenantriebs verhindert, zwar zu einer verringerten Phasenverschiebung zwischen den Drehbewegungen des magnetischen Drehfelds sowie eines Rotors des Pumpenantriebs, jedoch nicht zu einer Erhöhung der von der Pumpe erzeugten mechanischen Leistung. Es versteht sich daher, dass in einem Normalfall (erster Betriebszustand der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe) die Regelung vorsieht, die Stärke des magnetischen Drehfelds nur knapp über diesem Grenzwert halten, um die elektrische Leistungsaufnahme bei vorgegebener mechanischer Leistungsabgabe möglichst gering zu halten.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Kraftstoffpumpe in einem zweiten Betriebszustand gezielt mit einer erhöhten elektrischen Leistungsaufnahme zu betrieben, ohne die mechanische Leistungsabgabe zu steigern. Dieser Betriebszustand wird durch das Signal T_K gesteuert. Hierzu wird die Stärke des magnetischen Drehfelds erhöht, ohne gleichzeitig die Frequenz der Rotationsbewegung des magnetischen Drehfelds zu beeinflussen. Für die Erhöhung der Stärke des magnetischen Drehfelds ist eine Erhöhung der Stromstärke, mit denen die Spulen des Pumpenantriebs beaufschlagt werden, erforderlich, die zu einer erhöhten Ohm'schen Wärmeabgabe führt. Diese wird gezielt dazu genutzt, den von der Pumpe geförderten Kraftstoff zu erwärmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008018603 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Kraftstoffpumpe, wobei die elektrische Leistungsaufnahme der Kraftstoffpumpe mittels einer Pulsdauermodulation bei gleichbleibender Drehzahl regelbar ist, wobei die Regelung in einem ersten Betriebszustand hinsichtlich einer möglichst geringen Leistungsaufnahme ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsaufnahme in einem zweiten Betriebszustand erhöht wird, um durch eine Erzeugung von ohmscher Wärme eine Erwärmung des von der Kraftstoffpumpe geförderten Kraftstoffs zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebszustand die Pulsdauermodulation verlängert wird um die Leistungsaufnahme zu erhöhen
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Betriebszustand keine Pulsdauermodulation erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Verdrängerkraftstoffpumpe.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftstoffpumpe in Abhängigkeit von der Temperatur des Kraftstoffs zwischen den Betriebszuständen geschaltet wird.