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Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Pumpe mit einer
elektronisch kommutierenden elektrischen Maschine, vorzugsweise
einem Elektromotor, wobei die elektrische Maschine die aus mindestens
einer Pumpstufe bestehende Pumpe antreibt, so dass von der Pumpe
ein Medium angesaugt und mit einem höheren Druck zu einem Verbraucher
gefördert
wird. Ein solches Verfahren findet Verwendung zum Antrieb von Kraftstoffpumpen
in Kraftfahrzeugen.
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Es
ist bekannt, sowohl elektronisch kommutierende elektrische Maschinen
als auch einen Kommutator aufweisende elektrische Maschinen zum
Antrieb von Pumpen einzusetzen. Die Pumpen dienen zum Fördern eines
Mediums zu einem Endverbraucher, wobei das Medium ein Gas oder eine
Flüssigkeit
sein kann. Dabei besteht vielfach die Forderung, dass mit dem Start
des Verbrauchers das Medium mit dem gewünschten Druck am Verbraucher
zur Verfügung
steht. Während
Elektromotoren mit einem Kommutator sehr kurze Startzeiten aufweisen,
benötigen elektronisch
kommutierende Elektromotoren ein Vielfaches der Startzeit eines
Elektromotors mit einem Kommutator. Der Grund hierfür besteht
darin, dass für
den Startvorgang eine Information der momentanen Rotorlage relativ
zum Statorfeld notwendig ist.
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Zu
diesem Zweck ist es bekannt, Sensoren im Elektromotor anzuordnen,
die eine Information über
die Rotorlage relativ zum Statorfeld liefern. Derartige Sensoren
führen
jedoch zu einer Verteuerung des Elektromotors.
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Bei
sensorlosen Elektromotoren wird über die
Teilbestromung des Elektromotors eine Rotorbewegung erzeugt, wobei
aus dem Induktionsspannungsverlauf in einem nichtbestromten Pol
auf die Rotorlage geschlossen werden kann. Mit dieser Information kann
anschließend
ein Hochlauf des Elektromotors durchgeführt werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zum Betreiben einer
Pumpe mit einer elektronisch kommutierenden elektrischen Maschine, vorzugsweise
einem Elektromotor zu schaffen, welches eine möglichst kurze Anlaufzeit ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass die elektrische Maschine durch ein erstes Signal gestartet
und mit Leerlaufdrehzahl betrieben wird, und dass die elektrische
Maschine auf Nenndrehzahl beschleunigt wird, wenn der Verbraucher
durch ein zweites Signal gestartet wird.
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Mit
dem Betreiben der elektrischen Maschine mit Leerlaufdrehzahl wird
erreicht, dass die elektrische Maschine zum Start des Verbrauchers
bereits läuft
und nur noch von der Leerlaufdrehzahl auf Nenndrehzahl beschleunigt
werden muss. Ein Ermitteln der Rotorlage ist zu diesem Zeitpunkt
nicht mehr notwendig, da die Rotorlage im Betrieb der elektrischen
Maschine bekannt ist. Dadurch lässt
sich beim Start des Verbrauchers die für den Anlaufvorgang der elektrischen
Maschine notwendige Zeit einsparen, wodurch die elektrische Maschine
schneller die Nenndrehzahl erreicht. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
betriebene elektrische Maschine benötigt daher keinerlei zusätzliche
Sensoren zur Ermittlung der Rotorlage, wodurch die elektrische Maschine
einfach aufgebaut ist. Das Betreiben der elektrischen Maschine vor
dem Start des Verbrauchers mit Leerlaufdrehzahl erfordert darüber hinaus
einen vernachlässigbaren
Bruchteil der elektrischen Energie, gegenüber dem Betrieb mit Nenndrehzahl,
so dass das Verfahren nahezu keine zusätzliche Belastung in der Leistungsbilanz
bewirkt.
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Das
erste Signal zum Starten der elektrischen Maschine mit Leerlaufdrehzahl
lässt sich
in einfacher Weise durch eine Steuerung erzeugen. Da diese Geräte bereits
Steuer- und Rege lungsaufgaben übernehmen,
ist kein zusätzliches
Gerät zur
Erzeugung des Signals für
das Betreiben der elektrischen Maschine mit Leerlaufdrehzahl erforderlich.
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Die
Bildung des ersten Signals gestaltet sich besonders einfach, wenn
sie in Auswertung von Signalen anderer Geräte erfolgt.
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Das
Verfahren eignet sich besonders zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe
in einem Kraftfahrzeug.
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Der
Aufwand für
die Steuerung ist gering, wenn die Steuerung eine Kraftstoffpumpensteuerung ist.
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Das
erste Signal zum Starten der elektrischen Maschine für die Kraftstoffpumpe
mit Leerlaufdrehzahl wird erzeugt, kurz bevor der Start der Brennkraftmaschine
bevorsteht. Die Ermittlung des bevorstehenden Starts der Brennkraftmaschine
lässt sich
mit geringem Aufwand aus anderen im Kraftfahrzeug befindlichen oder
zum Kraftfahrzeug zugehörigen
Geräten,
bzw. von diesen Geräten
gewonnenen Signalen ermitteln. Hierbei sind insbesondere solche Geräte geeignet,
die bereits vor dem Start der Brennkraftmaschine aktiv sind, da
somit ohnehin vorhandene Signale für die Erzeugung des ersten
Signals Verwendung finden können.
Ein derartiges Gerät
ist die Wegfahrsperre des Kraftfahrzeugs, bzw. die von diesem Gerät erzeugten
Signale.
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In
einer anderen Ausgestaltung wird ein von der Zugangskontrolle des
Kraftfahrzeugs gewonnenes Signal benutzt, um das erste Signal zum
Starten der elektrischen Maschine mit Leerlaufdrehzahl zu erzeugen.
Hierbei sind insbesondere Signale zum Freigeben der Türschlossverriegelung
oder Signale von Türkontakten,
infolge des Öffnens
einer oder mehrerer Türen,
vorzugsweise der Fahrertür,
vorteilhaft. Ebenso können
die Signale der Funkfernbedienung oder schlüsselloser Zugangssysteme Verwendung
finden.
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Eine
weitere Ausgestaltung besteht darin, dass das erste Signal zum Starten
der elektrischen Maschine mit Leerlaufdrehzahl in Auswertung von
Signalen einer Innenraumüberwachung,
beispielsweise mit Infrarot oder Ultraschall oder mittels der Sitzplatzerkennung
des Fahrersitzes erzeugt wird.
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Die
Nutzung der Tür-
und Zugangssysteme und der Innenraumüberwachung hat den Vorteil, dass
damit Geräte
genutzt werden, die üblicherweise mit
Signalen arbeiten, die vor dem Start der Brennkraftmaschine tätig sind,
so dass eine ausreichende Zeitspanne zur Verfügung steht, um die elektrische Maschine
bis auf Leerlaufdrehzahl zu beschleunigen.
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In
besonders einfacher Weise lässt
sich das erste Signal in Auswertung von Signalen der Motorsteuerelektronik
des Kraftfahrzeugs generieren, da in der Motorsteuerelektronik als
zentraler Bestandteil der Kraftfahrzeugelektronik eine Vielzahl
von Signalen verfügbar
ist, die zu diesem Zweck nutzbar sind.
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Ein
besonders zuverlässiges
Verfahren zur Erzeugung des ersten Signals zum Starten der elektrischen
Maschine mit Leerlaufdrehzahl wird dadurch erreicht, dass das erste
Signal von dem zweiten Signal zum Start der Brennkraftmaschine gebildet
wird, und dass das zweite Signal nach der Bildung des ersten Signals
und vor dem Start der Brennkraftmaschine zeitverzögert wird,
wobei die Zeitverzögerung gleich
oder größer der
Zeitspanne ist, welche die elektrische Maschine zum Erreichen der
Leerlaufdrehzahl benötigt.
Indem das Signal genutzt wird, welches zum Start der Brennkraftmaschine
erforderlich ist, ist sichergestellt, dass die Brennkraftmaschine
tatsächlich
gestartet wird. Zudem ist mit der Auslegung des Zeitverzögerungsglieds
das erfindungsgemäße Verfahren
optimal an die entsprechende elektrische Maschine für die Kraftstoffpumpe
anpassbar. Die Zeitspanne zum Betreiben der elektrischen Maschine
mit Leerlaufdrehzahl wird dadurch minimiert. Der mit diesem Verfahren
erforderliche Mehrverbrauch an elektrischer Energie ist daher sehr niedrig.
Im Idealfall beträgt
die Zeitverzögerung
des zweiten Signals zum Start der Brennkraftmaschine genau so lange,
bis die elektrische Maschine der Kraftstoffpumpe die Leerlaufdrehzahl
erreicht hat. Das hat zur Folge, dass die Kraftstoffpumpe bis auf Nenndrehzahl
beschleunigt wird, ohne dass ein Betreiben der Kraftstoffpumpe im
Bereich der Leerlaufdrehzahl für
eine merkliche Zeitspanne feststellbar ist. Das Zeitverzögerungsglied
kann entweder als separates Gerät
oder als integraler Bestandteil der Motorsteuerelektronik im Kraftfahrzeug
angeordnet sein.
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Während die
Erzeugung des ersten Signals zum Betreiben der elektrischen Maschine
mit Leerlaufdrehzahl aus dem zweiten Signal zum Start der Brennkraftmaschine
aus einem Signal erzeugt wird, was in jedem Fall einen unmittelbar
anschließenden Start
der Brennkraftmaschine zur Folge hat, ist dies bei anderen der Erzeugung
des ersten Signals dienenden Signalen nicht zwangsläufig der
Fall. So kann es insbesondere bei der Nutzung des Zugangssystems
oder der Innenraumüberwachung
vorkommen, dass es nicht zum Start der Brennkraftmaschine kommt.
Um in diesen Fällen
eine unnötig
langes Betreiben der elektrischen Maschine mit Leerlaufdrehzahl
zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die elektrische Maschine nach
einer voreinstellbaren Zeitspanne oder in Abhängigkeit des Ausbleibens weiterer dem
Start einer Brennkraftmaschine vorausgehender Signale, z. B. seitens
der Motorsteuerung, auszuschalten.
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An
drei Ausführungsbeispielen
wird die Erfindung näher
erläutert.
Es zeigen in
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1:
eine schematische Anordnung einer Kraftstoffpumpe mit einer elektrischen
Maschine und
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2:
ein Drehzahl-Zeit-Diagramm der elektrischen Maschine aus 1.
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1 zeigt
eine in einem Kraftstoffbehälter 1 angeordnete
Kraftstoffpumpe 2. Die Kraftstoffpumpe 2 besteht
aus einem Gehäuse 3 mit
einem Einlass 4 und einem Auslass 5. Die Kraftstoffpumpe 2 besitzt weiter
einen elektronisch kommutierenden Elektromotor 6, der aus
einem Rotor 7 und einen den Rotor 7 umgebenden
Stator 8 besteht. Eine mit dem Rotor 7 verbundene
Welle 9 treibt eine Pumpstufe 10 an, wodurch Kraftstoff über den
Einlass 4 aus dem Kraftstoffbehälter 1 angesaugt und
mit höherem
Druck über
den Auslass 5 und eine daran angeschlossene Vorlaufleitung 11 zur
Brennkraftmaschine 12 des Kraftfahrzeugs gefördert wird.
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Weiterhin
sind im Kraftfahrzeug eine Motorsteuerelektronik 13, sowie
Geräte
für die
Innenraumerkennung 14, die Zugangskontrolle 15 und
die Wegfahrsperre 16 angeordnet. Diese Geräte 14–16 sind
separat dargestellt, können
aber auch Bestandteil der Motorsteuerelektronik 13 sein.
Die Geräte 14–16 stehen
mit der Motorsteuerelektronik 13 derart in Verbindung,
dass sie, sofern sie aktiviert werden, ein elektrisches Signal über Leitungen 17 an
die Motorsteuerelektronik 13 liefern. Diese Signale, bzw. eins
dieser Signale dient der Motorsteuerung 13 um ein erstes
Signal zu erzeugen, welches an eine separat dargestellte Kraftstoffpumpensteuerung 18 geleitet
wird, um damit den Elektromotor 6 der Kraftstoffpumpe 2 zu
starten und mit Leerlaufdrehzahl zu betreiben. Die Kraftstoffpumpensteuerung 18 kann
entweder in der Kraftstoffpumpe 2 oder als separate Einheit,
beispielsweise in einem eine Öffnung
des Kraftstoffbehälter 1 verschließenden Flansch,
angeordnet sein. Die Zeitspanne bis zu der die Motorsteuerelektronik 13 ein
zweites Signal über
die Leitung 17' zum Start
der Brennkraftmaschine 12 erzeugt, ist so bemessen, dass
der Elektromotor 6 der Kraftstoffpumpe 2 bis dahin
mit Leerlaufdrehzahl läuft.
Mit dem zweiten Signal zum Start der Brennkraftmaschine 12 wird
gleichzeitig der Elektromotor 6 der Kraftstoffpumpe 2 auf
Nenndrehzahl beschleunigt.
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In
einer zweiten Ausgestaltung wird das erste Signal zum Betreiben
der Kraftstoffpumpe 2 mit Leerlaufdrehzahl nicht in der
Motorsteuerelektronik 13 sondern in der Kraftstoffpumpensteuerung 18 erzeugt.
Für die
Bildung des ersten Signals dienen wiederum eines oder mehrere elektrische
Signale der Geräte 14–16.
Das oder die Signale werden direkt zur Kraftstoffpumpensteuerung 18 geleitet.
Die Leitungen 20 für
diese Signale und die Leitung 20' für das zweite Signal zum Start
der Brennkraftmaschine sind mittels Strichlinien dargestellt. Im
Weiteren ist das Verfahren zum Betreiben des Elektromotors 6 der
Kraftstoffpumpe 2 gleich dem des ersten Ausführungsbeispiels.
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Gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel wird
als erstes Signal zum Betreiben des Elektromotors 6 mit
Leerlaufdrehzahl das zweite Signal zum Start der Brennkraftmaschine 12 genutzt,
welches mittels einer Strich-Punkt-Linie 21 dargestellt
ist. Zwischen Motorsteuerelektronik 13 und Brennkraftmaschine 12 ist
zusätzlich
ein Zeitverzögerungsglied 19 angeordnet,
welches so dimensioniert ist, dass das zweite Signal über die
Leitung 21' den
Start der Brennkraftmaschine 12 erst dann bewirkt, wenn
die Kraftstoffpumpe 2 mit Nenndrehzahl betrieben wird.
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2 zeigt
ein Drehzahl-Zeit-Diagramm des elektronisch kommutierenden Elektromotors 6 der Kraftstoffpumpe 2.
Im Abschnitt A wird zum Zeitpunkt t0 mit
dem ersten Signal der Elektromotor gestartet und mit Leerlaufdrehzahl
betrieben. Die Zeitdauer vom Start des Elektromotors bis zum Erreichen
der Leerlaufdrehzahl nleerlauf ist mit T1 bezeichnet. Zum Zeitpunkt t1,
an dem das zweite Signal zum Start der Brennkraftmaschine führt, wird
der Elektromotor 6 auf Nenndrehzahl nnenn beschleunigt.
Diese Zeitdauer ist mit T2 bezeichnet. Die
Zeitdauer T1 beträgt ein Vielfaches der Zeitdauer
T2.
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Der
Drehzahlverlauf im Abschnitt B zeigt den Fall, dass das erste Signal
zum Start der Kraftstoffpumpe aus dem zweiten Signal zum Start der
Brennkraftmaschine generiert wird. Zum Zeitpunkt t0 wird der
Elektromotor auf Leerlaufdrehzahl beschleunigt. Gleichzeitig wird
das zweite Signal bis zum Zeitpunkt t2 zeitverzögert. Diese
Zeitspanne benötigt
der Elektromotor um bis auf Leerlaufdrehzahl zu beschleunigen. Sobald
der Elektromotor mit Leerlaufdrehzahl arbeitet wird das zweite Signal
vom Verzögerungsglied
zur Brennkraftmaschine weitergeleitet. Parallel wird der Elektromotor
der Kraftstoffpumpe auf Nenndrehzahl beschleunigt. Dadurch gibt
es beim Beschleunigen des Elektromotors kein ausgebildetes Plateau
auf Leerlaufniveau sondern einen nahezu konstanten Verlauf bis auf
Nenndrehzahl.
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Bei
dem Drehzahlverlauf des Elektromotors im Abschnitt C wird mit dem
ersten Signal zum Zeitpunkt t0 der Elektromotor
gestartet und mit Leerlaufdrehzahl betrieben. Das erste Signal wurde
in Auswertung eines Signals der Zugangskontrolle des Kraftfahrzeugs
erzeugt, indem das Öffnen
der Fahrertür
detektiert wurde. Mitunter kann es vorkommen, dass nicht jedes Öffnen der
Fahrertür
zwangsläufig einen
anschließenden
Start der Brennkraftmaschine nach sich zieht. Dieser Fall ist im
Abschnitt B dargestellt. Um ein unnötig langes Betreiben des Elektromotors
zu vermeiden, wird zum Zeitpunkt t3 die
Drehzahl des Elektromotors durch ein weiteres Signal auf null gesetzt
und damit der Elektromotor gestoppt. Die Zeitspanne zwischen den
Zeitpunkten t0 und t3 ist
frei einstellbar und an die Bedingung geknüpft, dass innerhalb dieser
Zeitspanne kein zweites Signal zum Start der Brennkraftmaschine
erzeugt wurde.