DE102010001150A1

DE102010001150A1 - Verfahren zum Steuern der Fördermenge einer Förderpumpe

Info

Publication number: DE102010001150A1
Application number: DE102010001150A
Authority: DE
Inventors: Josef Frank; Alexander Fuchs; Klaus Ortner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2010-01-22
Publication date: 2011-07-28
Also published as: KR101841276B1; CN102135088B; KR20110086514A; US20110182752A1; CN102135088A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Fördermenge einer Förderpumpe (100) umfassend einen Antriebsteil (120) mit einem Antriebsmotor (121) und einen Hydraulikteil (120) mit einer Ansaugöffnung (122), einer Abgabeöffnung (123) und einem dazwischen angeordneten Fördermechanismus (121), wobei eine Soll-Fördermenge (V. Soll) vorgegeben wird und die Förderpumpe (100) basierend auf der Soll-Fördermenge (V. Soll), der Temperatur (TIst-Fluid) des Fluids und einem Druckunterschied (Δp) zwischen der Ansaugöffnung (122) und der Abgabeöffnung (123) des Hydraulikteils (120) der Förderpumpe (100) angesteuert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Fördermenge, d. h. des Fördervolumens pro Zeit, einer Förderpumpe.
Stand der Technik
Förderpumpen für Fluide sind weit verbreitet. Beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich werden Förderpumpen zur Förderung des Kraftstoffes zum Motor verwendet. Diese Förderpumpen sind üblicherweise als Flügelzellen- bzw. Drehschieberpumpen ausgebildet. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen ist es wichtig, die Fördermenge genau vorzugeben, um den gewünschten Einspritzdruck, die gewünschte Verbrennungsleistung und auch eine schadstoffarme Verbrennung zu erhalten. Im Stand der Technik ist es daher üblich, die Fördermenge zu regeln, d. h. die Soll-Fördermenge mit der Ist-Fördermenge zu vergleichen und die Förderpumpe entsprechend einer Regelabweichung anzusteuern. Dafür sind Ist-Fördermengensensoren notwendig, was die Fördermengenregelung relativ aufwendig macht.
Die nicht vorveröffentlichte DE 10 2008 043 127 beschreibt die Regelung des Pumpendrucks. Das Vorsehen eines Drucksensors kann unterbleiben, wenn der Ist-Druck mittels eines sogenannten regelungstechnischen Beobachters ermittelt wird. Dabei wird der Förderdruck basierend auf dem Motorstrom und der Motordrehzahl bestimmt. Eine Fördermenge wird nicht bestimmt.
Es ist daher wünschenswert, eine Regelung der Fördermenge einer Förderpumpe ohne Messung der Ist-Fördermenge durchzuführen.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung beinhaltet die Maßnahme, die Ist-Fördermenge einer Förderpumpe nicht zu messen, sondern basierend auf der Temperatur des Fluids sowie dem Druckunterschied zwischen Ansaugöffnung und Abgabeöffnung des Pumpenteils bzw. Hydraulikteils der Förderpumpe zu bestimmen. Auf diese Weise kann auf aufwendige, zusätzliche und kostenintensive Sensoren verzichtet werden. In der Praxis kann die Bestimmung bspw. basierend auf einem Kennfeld erfolgen, das über die Temperatur und den Druckunterschied aufgespannt ist. Die zu berücksichtigende Druckdifferenz setzt sich zusammen aus Gegendruck abzüglich Zulaufdruck.
Für die Ermittlung des Druckunterschieds kann in bevorzugter Ausgestaltung ein Antriebsmoment des Antriebsmotors herangezogen werden, welches sich erfahrungsgemäß proportional zum Druckunterschied verhält. Zweckmäßigerweise werden dabei noch eine Viskosität und Temperatur des Fluids berücksichtigt, die ebenfalls Einfluss auf den Druckunterschied nehmen.
Ein Zusammenhang zwischen Antriebsdrehmoment M_ZP und Differenzdruck Δp lässt sich bspw. angeben als:
mit

Vtheo:: theoretisches Fördervolumen pro Umdrehung
ηZP:: Gesamtwirkungsgrad Pumpe

Das Antriebsmoment wiederum kann relativ einfach basierend auf bekannten oder leicht bestimmbaren Größen bestimmt werden. Das Antriebsdrehmoment kann bei einem bekannten Motorkennfeld bspw. aus dem Motorstrom abgeleitet werden. Diese Strommessung wiederum lässt sich kostengünstig in der Leistungselektronik realisieren.
Durch Berücksichtigung der Pumpengeometrie, beispielsweise durch einmaliges Vermessen und Hinterlegen tatsächlicher Messwerte zur Korrektur des Kennfeldes, kann selbst eine hochgenaue Mengenregelung ohne Durchflussmessung erfolgen.
Übliche Förderpumpen umfassen einen Hydraulikteil und einen daran angeflanschten Antriebsteil. Daneben sind Varianten bekannt, bei denen eine Innen- oder Außenzahnradpumpe axial an eine Motorwelle angeflanscht ist. Die Antriebsmotoren sind sowohl als DC- als auch als ”brushless”-DC-Varianten ausgeführt. All diese elektrischen Förderpumpen sind stets so ausgebildet, dass Förder- sowie Antriebsteil getrennte Einheiten sind. Demgegenüber bietet die Erfindung jedoch besonders beim Einsatz einer Pumpe integrierter Bauform, d. h. bei der Antriebsteil und Hydraulikteil eine nicht zu trennende Einheit bilden, Vorteile. Beispiele einer solchen Pumpe sind in der US 2,761,078 oder der EP 1 803 938 A1 beschrieben. Die Verwendung solcher integrierter Pumpen bietet für die Erfindung den Vorteil eines engen räumlichen Kontakts zwischen Fluid und Elektronik, sodass bspw. ein Temperatursensor einfach und ohne aufwendige Verkablung eingebaut werden kann. Sind die Regelelektronik oder die Leistungselektronik direkt an das Fördermedium angekoppelt, kann hier kostengünstig eine Temperaturmessstelle untergebracht werden, die für die erfindungsgemäße Regelung herangezogen werden kann.
Zweckmäßigerweise wird bei der Bestimmung des Druckunterschieds eine temperaturabhängige Leckage berücksichtigt. Dies kann insbesondere unter nachfolgenden Gesichtspunkten erfolgen:
Ausgehend von einem Leckagequerschnitt, wobei in Gegendruckrichtung die Positionen 1 und 2 mit den Drücken p₁ und p₂ und in Saugdruckrichtung die Positionen 3 und 4 mit den Drücken p₃ und p₄ benachbart sind, gilt:
p₁ ≈ p₂ Gegendruck Pumpe
p₄ ≈ p₃ Saugdruck Pumpe
Da es sich bei Flüssigkeiten in der Regel um inkompressible Medien handelt, ist die Dichte ρ_i an den Positionen i = 1 bis 4 gleich: ρ₁ = ρ₂ = ρ₃ = ρ₄ = ρ
Mittels einer Bernoulli Gleichung mit Verlustterm lässt sich der Einfluss von Δp auf die Leckageströmung folgendermaßen abschätzen:
unter der Annahme ∂ν / ∂t = 0 und ν₂ = ν₃ folgt:
Der Verlustterm für konstanten Querschnitt lautet:
Es folgt somit:
Eine Reibmomentabschätzung M_Reib eines Radialgleitlagers lässt sich bspw. angeben als: M_Reib = μ·F_Lager mit:

a:: Konstante
Rq:: Standardabweichung Rauheit Rq für Kontaktpaarung

B:: tragende Breite
η:: dynamische Viskosität
E:: E-Modul
γ:: Querkontraktionszahl
D:: Durchmesser
n:: Drehzahl [1/min]

Damit kann ein drehzahlabhängiger Verlustterm angegeben werden.
Der Reibungswiderstand M des Rotors lässt sich analog zu einer rotierenden Scheibe ansetzen:
wobei für laminare Strömung und Re < 3·10⁴ gilt: C_M = 2·π·d / s·Re

s:: axialer Abstand zw. Rotor und Gehäuse

Mit ω = 2πn kann wiederum ein drehzahlabhängiger Verlustterm angegeben werden.
Der Reibungswiderstand an der äußeren Zylinderfläche wird bereits in der Lagerberechnung berücksichtigt.
Somit kann zur Bestimmung der Fördermenge ein Kennfeld über die Temperatur und den Motorstrom verwendet werden, was besonders einfach ist, da diese Parameter relativ genau, aber dennoch mit wenig Aufwand und kostengünstig zu bestimmen sind. Ein bevorzugter Zusammenhang ergibt sich zu:
wobei V ._Temp = T²·K₂ + T·K₃ + T^1/2·K₄ + K₅ und V ._Δρ = I 2 / Motor·K₆ + I_Motor·K₇ + I 1/2 / Motor·K₈ + K₉
V_theo bezeichnet das theoretische Fördervolumen pro Umdrehung der Pumpe.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z. B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine Förderpumpe, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist.
2 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang von Fördermenge und Drehzahl in Abhängigkeit vom Druckunterschied bei konstanter Fluidtemperatur.
3 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang von Fördermenge und Drehzahl in Abhängigkeit vom Zulaufdruck bei konstantem Druckunterschied und konstanter Fluidtemperatur.
4 zeigt in einem Diagramm den Zusammenhang von Fördermenge und Drehzahl in Abhängigkeit von der Fluidtemperatur bei konstantem Druckunterschied.
Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist eine elektrische Förderpumpe integrierter Bauform, bei der Antriebsteil und Hydraulikteil bzw. Förderteil eine nicht zu trennende Einheit 120 bilden, schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Im vorliegenden Beispiel kann die integrierte Bauform dadurch erreicht werden, dass der Rotor des Antriebsmotors zugleich auch das bewegte Pumpenelement des Hydraulikteils bildet, wie es bspw. in der EP 1 803 938 A1 gezeigt ist. Der Hydraulikteil 120 umfasst somit den Antriebsmotor 121, der zugleich als Fördermechanismus 121 wirkt, der ein Fluid, insbesondere Kraftstoff, über eine Ansaugöffnung 122 ansaugt und über eine Ausgabeöffnung 123 abgibt. Zwischen der Ansaugöffnung 122 und der Ausgabeöffnung 123 besteht daher ein Druckunterschied Δp.
Die Pumpe umfasst weiterhin einen Elektronikteil 110. In dem Elektronikteil 110 sind eine Regelbaugruppe 111 und eine Leistungsbaugruppe 112 vorgesehen. Die Regelbaugruppe 111 empfängt beispielsweise von einem Motorsteuergerät 150 eine Soll-Fördermenge V_Soll und bestimmt daraus auf Grundlage des Motorstroms I_Motor und der Fluidtemperatur T_Ist-Fluid eine Soll-Drehzahl n_Soll für den Antriebsmotor, welche an die Leistungsbaugruppe 112 übermittelt wird. Die Leistungsbaugruppe 112 kann beispielsweise einen Umrichter zum Betrieb des Antriebsmotors aufweisen. Der Motorstrom I_Motor wird innerhalb der Leistungsbaugruppe 112 bestimmt und an die Regelbaugruppe 111 übertragen.
Aufgrund der integrierten Bauform der Pumpe 100 besteht ein enger räumlicher Kontakt zwischen dem Elektronikteil 110 und dem Antriebs- und Hydraulikteil 120, so dass die Fluidtemperatur T_Ist-Fluid auf einfache Weise durch Messung durch einen innerhalb des Elektronikteils 110 bereitgestellten Sensor 113 gemessen werden kann.
Basierend auf dem gemessenen Motorstrom I_Motor und der gemessenen Fluidtemperatur T_Ist-Fluid wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Fördermenge der Förderpumpe 100 gesteuert. Dazu wird in der Regelbaugruppe 111 ein Kennfeld über die Temperatur T_Ist-Fluid und den Motorstrom I_Motor verwendet gemäß:
V_theo bezeichnet das theoretische Fördervolumen pro Umdrehung der Pumpe und ist üblicherweise auf dem Datenblatt angegeben. Die Kennfeldkonstanten K₁–K₁₂ werden empirisch ermittelt. Vorzugsweise wird dazu eine ausreichende Anzahl von Messpunkten [V ., n, T, I] vermessen und mit bekannten Anpassungsverfahren (z. B. Least Squares Fitting) ausgewertet.
Basierend auf dem Kennfeld wird die Soll-Drehzahl n_Soll bestimmt und an die Leistungsbaugruppe 112 übermittelt. Zur Regelung der Fördermenge wird die Ist-Drehzahl n_Ist des Antriebsmotors 121 auf die Soll-Drehzahl n_Soll geregelt. Dazu kann eine bekannte Drehzahlregelung eingesetzt werden.
Alternativ wäre es möglich, die Ist-Drehzahl n_Ist zusammen mit dem gemessenen Motorstrom I_Motor und der gemessenen Fluidtemperatur T_Ist-Fluid zur Bestimmung der Ist-Fördermenge mittels des Kennfelds zu verwenden und die Ist-Fördermenge, wiederum unter Vorgabe der Soll-Drehzahl, auf die Soll-Fördermenge zu regeln.
Verschiedene der Erfindung zugrunde liegende Zusammenhänge werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 nur zur Veranschaulichung rein qualitativ erläutert.
In 2 ist ein Diagramm 200 dargestellt, das den Zusammenhang von Fördermenge V . auf der Ordinate gegen die Drehzahl n auf der Abszisse bei konstanter Temperatur zeigt. In dem Diagramm 200 sind drei Fördermengenverläufe 210, 220 und 230 gezeigt, die jeweils durch eine andere Druckdifferenz Δp zwischen Ansaugöffnung und Abgabeöffnung gekennzeichnet sind. So ist dem Fördermengenverlauf 210 eine erste Druckdifferenz Δp₁, dem Fördermengenverlauf 220 eine zweite Druckdifferenz Δp₂ und dem Fördermengenverlauf 230 eine dritte Druckdifferenz Δp₃ zugeordnet, wobei die Druckdifferenz zunimmt, so dass gilt: Δp₁ < Δp₂ < Δp₃. Die Fördervolumen/Drehzahl-Kennlinie verschiebt sich mit steigender Druckdifferenz Δp nach rechts, da die internen Leckagen zunehmen. Mit anderen Worten ist zur Bereitstellung einer gewissen Fördermenge bei einer höheren Druckdifferenz auch eine höhere Drehzahl notwendig.
Jeder der drei Fördermengenverläufe umfasst einen ersten, im Wesentlichen linear steigenden Bereich A und einen sich daran anschließenden, gekrümmten Bereich B. Die Steigung im Bereich A ist konstant und im Wesentlichen nur vom geometrischen Verdrängungsvolumen der Pumpe abhängig. Im Bereich B flacht der Fördervolumenverlauf ab, was insbesondere auf saugseitige partielle Kavitationserscheinungen zurückzuführen ist, welche insbesondere durch örtlich große Strömungsgeschwindigkeiten hervorgerufen werden.
In 3 ist in einem Diagramm 300 der Einfluss des Drucks an der Ansaugöffnung, d. h. des Zulaufdrucks p_Zulauf, auf die Fördervolumen/Drehzahl-Kennlinie dargestellt. In dem Diagramm 300 sind drei Kennlinien 310, 320 und 330 bei konstantem Druckunterschied Δp dargestellt, die sich jeweils in ihrem Zulaufdruck unterscheiden. Die Kennlinie 310 ist durch den Zulaufdruck p_Zulauf1, die Kennlinie 320 durch den Zulaufdruck p_Zulauf2 und die Kennlinie 330 durch den Zulaufdruck p_Zulauf3 definiert, wobei gilt: p_Zulauf1 > p_Zulauf2 > p_Zulauf3.
Eine Variation des Zulaufdruckes bewirkt eine Verschiebung der Bereiche A und B, wobei bei einem abnehmenden Zulaufdruck der stabile, d. h. lineare, Betriebsbereich A kleiner wird. mit anderen Worten ist der stabile Bereich umso kleiner, je größer der Zulaufdruck p_Zulauf ist. Es ist also empfehlenswert, eine Grenze in der Spezifikation der Pumpe vorzusehen, um einen Betrieb im Bereich B zu vermeiden.
In 4 ist in einem Diagramm 400 der Einfluss der Fluidtemperatur auf die Fördervolumen/Drehzahl-Kennlinie dargestellt. In dem Diagramm 400 sind drei Kennlinien 410, 420 und 430 dargestellt, denen jeweils eine unterschiedliche Fluidtemperatur T₁, T₂ bzw. T₃ zugeordnet ist, wobei gilt T₁ < T₂ < T₃. Die Kennlinien verschieben sich mit steigender Fluidtemperatur nach rechts, da die Temperatur die Zähigkeit bzw. Viskosität des Fluids beeinflusst und damit Auswirkungen auf die Leckage hat. Weiterhin dehnen sich die Pumpenbauteile aus, wobei üblicherweise unterschiedliche Materialen für unterschiedliche Bauteile verwendet werden und somit eine unterschiedliche Wärmeausdehnung stattfindet. Beispielsweise besteht das Gehäuse häufig aus Aluminium, wohingegen der Fördermechanismus häufig Stahlelemente aufweist, welche somit eine geringere Wärmeausdehnung aufweisen als das Gehäuse. In der Folgen nimmt die Leckage mit steigender Temperatur zu. Insgesamt ist erkennbar, dass bei höherer Fluidtemperatur zur Bereitstellung einer gewissen Fördermenge auch eine höhere Drehzahl notwendig ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008043127 [0003]
US 2761078 [0011]
EP 1803938 A1 [0011, 0032]

Claims

Verfahren zum Steuern der Fördermenge einer Förderpumpe (100) umfassend einen Antriebsteil (120) mit einem Antriebsmotor (121) und einen Hydraulikteil (120) mit einer Ansaugöffnung (122), einer Abgabeöffnung (123) und einem dazwischen angeordneten Fördermechanismus (121), wobei eine Soll-Fördermenge (V ._Soll) vorgegeben wird und die Förderpumpe (100) basierend auf der Soll-Fördermenge (V ._Soll), der Temperatur (T_Ist-Fluid) des Fluids und einem Druckunterschied (Δp) zwischen der Ansaugöffnung (122) und der Abgabeöffnung (123) des Hydraulikteils (120) der Förderpumpe (100) angesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Druckunterschied (Δp) basierend auf einem Antriebsmoment des Antriebsmotors (121) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Antriebsmoment basierend auf einem durch den Antriebsmotor (121) fließenden Motorstrom (I_Motor) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine Ist-Fördermenge oder eine Soll-Drehzahl (n_Soll) unter Verwendung eines Kennfelds über die Temperatur (T_Ist-Fluid) und den Motorstrom (I_Motor) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Druckunterschied basierend auf einer Viskosität und der Temperatur (T_Ist-Fluid) des Fluids bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei der Bestimmung des Druckunterschieds (Δp) eine temperaturabhängige Leckage berücksichtigt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Soll-Drehzahl (n_Soll) des Antriebsmotors angesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Pumpe (100) integrierter Bauform verwendet wird, bei der Antriebsteil und Hydraulikteil eine nicht zu trennende Einheit (120) bilden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Bestimmung, insbesondere Messung, der Temperatur (T_Ist-Fluid) in einem Elektronikteil (110) der Förderpumpe (100) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Bestimmung des Motorstroms (I_Motor) in einer Leistungsbaugruppe (112) des Elektronikteils (110) erfolgt.
Recheneinheit (111), die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.