DE102005043817A1

DE102005043817A1 - Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe

Info

Publication number: DE102005043817A1
Application number: DE102005043817A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Graf
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2007-03-22
Also published as: US20080245343A1; US7886720B2; EP1924764B1; JP5193043B2; EP1924764A1; CN101278115A; CN101278115B; JP2009508052A; WO2007031463A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe, um Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter einer Brennkraftmaschine zuzuführen, bei dem der Kraftstoffpumpe elektrische Energie in Pulsform periodisch zugeführt wird und die Pulsbreite der Pulse in Abhängigkeit vom Kraftstoffbedarf an der Brennkraftmaschine geregelt wird. Die Frequenz der Pulse wird derart geregelt, dass bei geringer Förderleistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz höher als bei höherer Förderleistung eingestellt wird.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe um Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter einer Brennkraftmaschine zuzuführen, bei dem der Kraftstoffpumpe elektrische Energie in Pulsform zugeführt wird und der Tastgrad in Abhängigkeit vom Kraftstoffbedarf an der Brennkraftmaschine geregelt wird. Derart geregelte Kraftstoffpumpen werden insbesondere in Kraftstoffbehältern von Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Eine in Abhängigkeit vom Kraftstoffbedarf elektronisch geregelte Kraftstoffpumpe ist aus der DE 43 02 383 A1 bekannt. Hierbei wird der Kraftstoffpumpe elektrische Energie gepulst zugeführt wird, wobei der Tastgrad als direkte Funktion eines Stellungsausgangssignals eines Luftmassensensors geändert wird, wobei der Sensor das Signal als Funktion der Stellung eines Drosselventils erzeugt, dessen Stellung ein Maß für den Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine ist. Dieses Verfahren der geregelten gepulsten Zuführung von elektrischer Energie ist auch als Pulsweitenmodulation bekannt. Insbesondere Elektromotoren bestehen aus magnetischem oder magnetisch leitfähigem Material, welches Magnetostriktionseffekte aufweisen kann. Außerdem enthalten sie stromführende elektrische Leiter in Magnetfeldern, die eine dem elektrischen Strom entsprechende Kraft erfahren. Wird ein solcher Elektromotor mittels Pulsweitenmodulation geregelt, so wirken entsprechende Wechselkräfte auf die elektrischen Leiter. Zusätzlich bewirkt die Magnetostriktion der Magnetwerkstoffe in dem wechselnden Magnetfeld ebenfalls eine wechselnde Kraftwirkung und/oder Dimensionsänderungen dieser Bauteile. Infolge der wechselnden Kraftwirkungen und der Dimensionsänderungen kann es zu einer mechanischen Anregung des Elektromotors kommen, so dass Schallwellen in die Umgebung abgestrahlt werden. Liegt die Frequenz der Schallwellen im menschlichen Hörfrequenzbereich, werden die Schallwellen als Geräusch wahrgenommen. Dies ist im Allgemeinen unerwünscht.

Es ist daher allgemein bekannt, zur Vermeidung von für das menschliche Ohr hörbaren Geräuschen, eine Frequenz des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation außerhalb des menschlichen Hörfrequenzbereichs zu wählen, vorzugsweise von mehr als 20 kHz.

Die Verlustleistung von Leistungsschalttransistoren einer entsprechenden Regelelektronik setzt sich aus Leit- und Schaltverlusten zusammen. Während die Leitverluste durch den Spannungsabfall am Bauteil und den Strom bestimmt sind, werden die Schaltverluste von der Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit und dem geschalteten Strom bestimmt. In Abhängigkeit von den Betriebsparametern des zu regelnden Systems können die Schaltverluste die Leitverluste deutlich übertreffen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Verlustleistung zu einer Temperaturerhöhung der Schaltelektronik führt, die sich in einer Absenkung der Lebensdauer der Schaltelektronik bemerkbar macht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe zu schaffen, mit dem einerseits für den Nutzer störende Geräusche vermieden und andererseits die Verlustleistung der Regelelektronik vermindert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Frequenz der Pulse derart geregelt wird, dass bei geringer Förderleistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz höher als bei höherer Förderleistung eingestellt wird.

Während die Förderleistung der Kraftstoffpumpe durch eine Pulsweitenmodulation der elektrischen Energiezufuhr zur Kraftstoffpumpe geregelt wird, erlaubt das Betreiben der Kraftstoffpumpe mit verschiedenen Frequenzen der pulsförmigen Energiezufuhr eine Anpassung der Kraftstoffpumpe an verschiedene Umweltbedingungen. Das Betreiben der Kraftstoffpumpe mit einer hohen Frequenz der Pulsweitenmodulation bei geringer Förderleistung bewirkt, dass die Kraftstoffpumpe in diesem Betriebszustand besonders leise läuft, da sie wenig Körperschall infolge magnetischer Effekte aussendet. Dies ist insbesondere dann erwünscht, wenn die geringe Förderleistung der Kraftstoffpumpe mit einer geringen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs einhergeht, da aufgrund der geringen Fahrgeschwindigkeit auch die Fahrgeräusche gering sind, so dass laute Geräusche der Kraftstoffpumpe störend wahrgenommen werden.

Dagegen tritt eine höhere Förderleistung der Kraftstoffpumpe nur bei einem größeren Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine auf. Dieser erhöhte Kraftstoffbedarf geht einher mit einem lauteren Geräusch der Brennkraftmaschine und bei entsprechender Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs mit entsprechenden Windgeräuschen. Aufgrund dieser Geräusche sind die Geräusche der Kraftstoffpumpe derart vernachlässigbar, dass auch lautere Geräusche der Kraftstoffpumpe nicht mehr wahrgenommen werden. Die Kraftstoffpumpe kann daher mit einer niedrigeren Frequenz der Pulsweitenmodulation betrieben werden. Das hat zur Folge, dass aufgrund der geringeren Anzahl von Schaltvorgängen pro Zeiteinheit die Schaltverluste für die Pulsweitenmodulation minimiert werden. Dadurch wird die Temperaturbelastung der Regelelektronik infolge der Frequenzabsenkung verringert, was die Lebensdauer der Regelelektronik positiv beeinflusst. Das Verfahren hat darüber hinaus den Vorteil, dass es nicht nur auf ein spezielles System bezogen ist, sondern für Kraftstoffsysteme mit Kraftstoffpumpen der unterschiedlichsten Leistungsklassen und mechanischer oder elektronischer Kommutierung einsetzbar ist.

Eine geringe Förderleistung der Kraftstoffpumpe ist nach diesem Verfahren weniger als 40 % Einschaltdauer der Betriebsspannung, vorzugsweise weniger als 30 % Einschaltdauer der Betriebsspannung der Kraftstoffpumpe.

Zum Betreiben der Kraftstoffpumpe bei geringer Förderleistung hat sich eine Frequenz für die Pulsweitenmodulation von mindestens 10 kHz, vorzugsweise mindestens 20 kHz, als vorteilhaft erwiesen. Bei diesen Frequenzen wird die elektromagnetische oder magnetostriktive Erzeugung von hörbarem Körperschall in der Kraftstoffpumpe weitgehend vermieden, so dass die Kraftstoffpumpe so leise betrieben werden kann, dass die auf diesem Weg erzeugten Geräusche auch bei relativ ruhiger Umgebung akustisch nicht wahrgenommen werden können.

Dagegen erlaubt das Verfahren eine Absenkung der Frequenz der Pulsweitenmodulation bei höherer Förderleistung auf 50 Hz bis zu 10 kHz, vorzugsweise im Bereich von 1 kHz, wobei als höhere Förderleistung bereits 40 % Einschaltdauer der Betriebsspannung der Kraftstoffpumpe angesehen werden.

Bei einem Wechsel zwischen geringer und höherer Förderleistung der Kraftstoffpumpe kann die Änderung der Frequenz in einfacher Weise stetig erfolgen.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird bei einem Wechsel zwischen geringer und höherer Förderleistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz sprungartig oder stufenartig verändert.

Eine besonders einfache Regelung der Frequenz ist gegeben, wenn die Frequenz stromabhängig verändert wird. Infolge der Lastabhängigkeit des Stroms der Kraftstoffpumpe, stellt der Strom eine gute Regelgröße dar.

Unter bestimmten Fahrbedingungen können Lastwechsel in sehr kurzen Zeitabständen auftreten. Bei einer stromabhängigen Frequenzregelung kann dies zu ebenso häufigen Frequenzänderungen führen. Um derart schnelle Frequenzänderungen zu vermeiden hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Änderungsgeschwindigkeit der Frequenzregelung integral stromabhängig erfolgen zu lassen, indem zumindest ein Integral-Regler vorgesehen wird. Insbesondere schnelle Stromänderungen werden durch den Integral-Regler entschärft, da die Frequenzänderung dadurch langsamer als die Stromänderung erfolgt. Eine andere, ebenfalls geeignete Regelung der Frequenz kann durch die Auswertung der Temperatur der Regelelektronik erfolgen. Abhängig von der gemessenen Temperatur besonders kritischer Baueile wird die Frequenz verändert. Hierdurch kann der Integralregler eingespart werden, weil die Temperatur die Integration vergangener Strombelastungen darstellt und der kritische Parameter für die Regelelektronik ist.

Falls die Temperatur alleine eine zu langsame Stellgröße darstellt, kann auch eine Kombination aus Temperatur und Strom zur Frequenzregelung verwendet werden.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1: eine Vorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird,
2: ein Strom-Zeit-Diagramm gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Kraftstoffbehälter 1 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. In dem Kraftstoffbehälter 1 ist eine Kraftstoffpumpe 2 angeordnet, die Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter 1 über eine Vorlaufleitung 3 zu einer Brennkraftmaschine 4 des Kraftfahrzeugs fördert. Ein in bekannter Weise gewonnenes elektrisches Signal 5, welches ein Maß für den momentanen Kraftstoffbedarf an der Brennkraftmaschine 4 darstellt, wird einer Regelelektronik 6 für die Kraftstoffpumpe 2 zugeführt. Die Regelelektronik 6 umfasst einen Pulsgenerator 7, der den Strom für die Kraftstoffpumpe 2 in Form von Pulsen der Kraftstoffpumpe 2 zuführt. Die Pulse werden mit gleichbleibender Amplitude zugeführt, wobei die Pulsweite ein Maß für die zugeführte elektrische Energie ist. Die Regelelektronik 6 ist in der gezeigten Darstellung außerhalb des Kraftstoffbehälters 1, beispielsweise als Bestandteil der Motorsteuerung, angeordnet. Es ist aber auch denkbar, die Regelelektronik 6 am oder im Kraftstoffbehälter 1, beispielsweise an einem Flansch oder in der Kraftstoffpumpe 2 anzuordnen. Weiterhin umfasst die Regelelektronik 6 einen Integral-Regler 8, der insbesondere bei schnellen Lastwechseln an der Brennkraftmaschine 4 Frequenzänderungen langsamer als die Stromänderungen erfolgen lässt.
Das Diagramm in 2 zeigt im Bereich I die vom Pulsgenerator 7 erzeugten Strompulse bei einem Signal 5, welches einen Volllastbetrieb entspricht, d. h., die Brennkraftmaschine wird mit annähernd maximalem Kraftstoffverbrauch betrieben. Die Pulse sind mit einer relativ niedrigen Frequenz von 1 kHz getaktet. Bei einem derartigen Betrieb der Brennkraftmaschine ist das Geräusch der Brennkraftmaschine und die entsprechenden Fahrgeräusche relativ laut, so dass eventuell bei dieser Frequenz durch Magnetostriktion oder Magnetkräfte erzeugte Geräusche der Kraftstoffpumpe nicht wahrgenommen werden.
Der Bereich II zeigt den Betrieb der Brennkraftmaschine mit ungefähr 60 % Leistung. Die Pulsweite der Pulse ist dementsprechend kürzer, die Frequenz der Pulse ist jedoch gleich der im Bereich I. Auch bei diesem Betrieb der Brennkraftmaschine sind die Geräusche der Brennkraftmaschine lauter als die Geräusche der Kraftstoffpumpe, so dass auch in diesem Leistungsbereich der Brennkraftmaschine die Pulse mit einer Frequenz von 1 kHz getaktet werden können, ohne dass die Geräusche der Kraftstoffpumpe wahrgenommen werden.
Der Bereich III zeigt den Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren Leistungsbereich, der beispielsweise dem Leerlauf oder dem Fahren mit niedrigen Drehzahlen entspricht. Bei diesem Fahrverhalten sind die Geräusche der Brennkraftmaschine und die Fahrgeräusche wesentlich geringer als bei einem Fahrverhalten gemäß Bereich I oder II. Die Pulse werden vom Pulsgenerator daher mit einer Frequenz von 20 kHz erzeugt. Diese Frequenz ist so hoch, dass in der Kraftstoffpumpe keine Geräusche im menschlichen Hörbereich erzeugt werden, so dass auch bei diesem Betrieb der Brennkraftmaschine keine Geräusche von der Kraftstoffpumpe wahrgenommen werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe um Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter einer Brennkraftmaschine zuzuführen, bei dem der Kraftstoffpumpe elektrische Energie in Pulsform periodisch zugeführt wird und die Pulsbreite der Pulse in Abhängigkeit vom Kraftstoffbedarf an der Brennkraftmaschine geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Pulse derart geregelt wird, dass bei geringer Förderleistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz höher als bei höherer Förderleistung eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine geringe Förderleistung der Kraftstoffpumpe weniger als 40 % Einschaltdauer der Betriebsspannung, vorzugsweise weniger als 30 % Einschaltdauer der Betriebsspannung, der Kraftstoffpumpe beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz bei geringer Förderleistung der Kraftstoffpumpe mindestens 10 kHz, vorzugsweise mindestens 20 kHz, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Pulse bei höherer Förderleistung maximal 50 Hz bis zu 10 kHz, vorzugsweise im Bereich von 1 kHz beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wechsel zwischen geringerer und höherer Förderleistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz stetig verändert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wechsel zwischen geringerer und höherer Förderleistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz sprungartig oder stufenartig verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom für die Kraftstoffpumpe als Regelgröße für die Frequenzänderungen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Regelelektronik als Regelgröße für die Frequenzänderungen verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination aus Temperatur der Regelelektronik und Strom als Regelgröße für die Frequenzänderungen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Integral-Regler für die Änderungen der Frequenz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren mit gleitender Mittelwerterzeugung für die Änderungen der Frequenz verwendet wird.