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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur von Kraftstoff in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges. Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zum Steuern einer Kraftstoffpumpe, das dazu ausgelegt ist, eine Temperatur von Kraftstoff in einem Kraftstofftank zu bestimmen. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt, dessen Programmanweisungen ein programmierbares Steuergerät dazu anleiten, das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Ferner betrifft die Erfindung ein computerlesbares Medium mit einem darauf gespeicherten solchen Computerprogrammprodukt.
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STAND DER TECHNIK
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Für einen vorteilhaften Betrieb eines Kraftstoffzuführsystems in einem Fahrzeug kann es notwendig sein, eine Temperatur des Kraftstoffs in einem Kraftstofftank zu bestimmen, da sich Eigenschaften des Kraftstoffs, wie zum Beispiel seine Viskosität, seine Elastizität oder seine Dichte abhängig von der Temperatur ändern. Dies kann zum Beispiel bei modernen Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen eine bei gegebener Öffnungsdauer der Injektoren eingespritzte Kraftstoffmenge wie auch die Ausbreitung von Druckwellen beeinflussen. Außerdem kann es notwendig sein, Komponenten des Systems wie zum Beispiel Magnetspulen in einer Kraftstoffzumesseinrichtung oder einem Druckregelventil sowie Rücklaufleitungen zum Kraftstofftank oder den Tank selbst vor Überhitzung zu schützen.
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Herkömmlich werden zum Bestimmen der Kraftstofftemperatur spezielle Temperatursensoren eingesetzt, die innerhalb des Kraftstofftanks angeordnet werden können. Eine derart implementierte Kraftstofftemperaturbestimmung ist beispielsweise in
DE 10 2008 041 569 A1 beschrieben.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Basierend auf der Idee, die dem in den unabhängigen Ansprüchen definierten Verfahren, Steuergerät, Computerprogrammprodukt bzw. computerlesbaren Medium zugrunde liegt, kann eine Temperatur von Kraftstoff in einem Kraftstofftank mit sehr einfachen Mitteln bestimmt werden. Insbesondere kann es möglich sein, auf separate Temperatursensoren zu verzichten. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur von Kraftstoff in einem Kraftstofftank beschrieben. In dem Kraftstofftank ist hierbei eine Kraftstoffpumpe angeordnet, die durch eine bürstenlose Gleichstrommaschine angetrieben wird. Solche bürstenlosen Gleichstrommaschinen werden zum Teil auch als BLDC-Gleichstrommaschinen (brushless direct current) oder als elektronisch kommutierende Motoren (EC-Motoren, electronically commutated) bezeichnet. Bei solchen bürstenlosen Gleichstrommaschinen wird eine zugeführte elektrische Leistung nicht klassisch mechanisch kommutiert, indem zum Beispiel Kohlebürsten die elektrische Leistung hin zu einem Kupfer- oder Kohlekommutator und damit von einem Stator auf einen Rotor des Motors übertragen. Stattdessen wird die elektrische Leistung elektronisch kommutiert, so dass auf Bürsten und Kommutatoren verzichtet werden kann. Mit einer geeigneten Ansteuerungselektronik können hierbei kleine permanent erregte Synchronmotoren so betrieben werden, dass sie von außen ähnlich beschrieben werden können wie eine Gleichstrommaschine. Vom Aufbau her können solche Motoren ungedämpften permanent erregten Synchronmaschinen entsprechen.
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Es wurde erkannt, dass sich durch die Verwendung von bürstenlosen Gleichstrommaschinen zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe in einem Kraftstofftank neue Möglichkeiten zum Bestimmen der Kraftstofftemperatur ergeben. Erfindungsgemäß kann die Temperatur des Kraftstoffs durch Anlegen einer elektrischen Spannung an wenigstens eine der Wicklungen der bürstenlosen Gleichstrommaschine und anschließendes Ermitteln einer daraufhin fließenden elektrischen Stromstärke bestimmt werden.
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Dabei kann ausgenutzt werden, dass bei einer bürstenlosen Gleichstrommaschine wegen der elektronischen Kommutierung durch ein äußeres Wechselfeld auf eine mechanische Kommutierung verzichtet werden kann und somit die in der Gleichstrommaschine vorhandenen Windungen der Kupferspule ohne nennenswerte Übergangswiderstände kontaktiert sein können.
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Im Gegensatz hierzu weisen die derzeit noch überwiegend bei Kraftstoffpumpen eingesetzten klassisch kommutierten Elektromotoren wegen eines zeitlich variierenden mechanischen wie auch elektrischen Kontakts zwischen den Kohlebürsten und dem Kommutator zum Teil stark schwankende Übergangswiderstände auf, wegen denen eine zuverlässige Bestimmung eines elektrischen Widerstandes von Wicklungen der Gleichstrommaschine bisher nicht möglich war.
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Da solche schwankenden Übergangswiderstände bei bürstenlosen Gleichstrommaschinen nicht auftreten, kann bei Verwendung einer solchen bürstenlosen Gleichstrommaschine zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe der elektrische Widerstand von Wicklungen der Gleichstrommaschine zuverlässig bestimmt werden.
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Da dieser elektrische Widerstand temperaturabhängig ist, kann die Temperatur beispielsweise basierend auf der an die Windung angelegten Spannung und der ermittelten Stromstärke mit Hilfe einer zuvor kalibrierten temperaturabhängigen Strom-Spannung-Charakteristik der bürstenlosen Gleichstrommaschine bestimmt werden.
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Mit anderen Worten kann für eine in einer Kraftstoffpumpe einzusetzende bürstenlose Gleichstrommaschine vor oder nach dem Einbau in die Kraftstoffpumpe durch eine Kalibrierung bestimmt werden, wie sich eine Stromstärke innerhalb einer Wicklung der Gleichstrommaschine bei Anlegen einer äußeren Spannung in Abhängigkeit von der herrschenden Temperatur einstellt. Anders ausgedrückt kann die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands der Wicklung vorab bestimmt werden. Diese temperaturabhängige Stromstärke-Spannung-Charakteristik kann beispielsweise in einem Speicher eines Steuergerätes hinterlegt werden. Beim späteren Einsatz der Kraftstoffpumpe in einem Kraftstofftank eines Fahrzeugs kann dann in gewissen zeitlichen Abständen der aktuell herrschende elektrische Widerstand in der Wicklung durch Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung U und Messen der daraufhin fließenden Stromstärke I bestimmt werden und durch Vergleich mit der zuvor aufgenommenen temperaturabhängigen Stromstärke-Spannung-Charakteristik I(U, T) die aktuell herrschende Temperatur T in der Wicklung der bürstenlosen Gleichstrommaschine bestimmt werden.
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Um den elektrischen Widerstand der Wicklung und damit indirekt die Temperatur der Wicklung zuverlässig messen zu können, kann es vorteilhaft sein, über einen bestimmten Zeitraum von beispielweise mehr als 0,1 s, vorzugsweise mehr als 1 s eine konstante Gleichspannung an die Wicklung der bürstenlosen Gleichstrommaschine anzulegen. Dies steht in einem gewissen Gegensatz zu dem normalen Betrieb der bürstenlosen Gleichstrommaschine, bei dem sich der Rotor der Gleichstrommaschine drehen soll, wozu es nötig ist, ein Wechselspannungsfeld an die Wicklungen der Gleichstrommaschine anzulegen.
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Dementsprechend kann es vorteilhaft sein, die Spannung zum Ermitteln der Temperatur des Kraftstoffs während eines Zustands, in dem die bürstenlose Gleichstrommaschine ruht, an die Wicklungen der Gleichstrommaschine anzulegen. Ein solcher ruhender Zustand der bürstenlosen Gleichstrommaschine kann zum Beispiel immer dann vorliegen, wenn von der Kraftstoffpumpe kein Kraftstoff gefördert werden braucht, beispielsweise vor einem Start der mit Kraftstoff zu versorgenden Brennkraftmaschine, während einer Unterbrechung des Betriebs der Brennkraftmaschine oder aber auch in einem Zustand, in dem die Brennkraftmaschine unter Schub betrieben wird und somit kein Kraftstoff zugeführt werden braucht. Solche häufig auftretenden Ruhephasen der Gleichstrommaschine können somit zur Bestimmung mit der Temperatur des Kraftstoffs genutzt werden.
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Alternativ kann die zur Messung der Kraftstofftemperatur an die Wicklung anzulegende Gleichspannung auch der für einen rotierenden Betrieb der Gleichstrommaschine angelegten Wechselspannung überlagert werden.
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Um von der Messung des elektrischen Widerstandes der Wicklung möglichst gut auf die Temperatur des Kraftstoffs in dem Kraftstofftank rückschließen zu können, kann es vorteilhaft sein, dass die Kraftstoffpumpe derart ausgelegt ist, dass im Betrieb Kraftstoff durch die bürstenlose Gleichstrommaschine gefördert wird. Da in diesem Fall der Kraftstoff in direkten mechanischen Kontakt mit den Wicklungen der Gleichstrommaschine kommt, kann davon ausgegangen werden, dass diese Wicklungen die gleiche Temperatur aufweisen wie der Kraftstoff.
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Um das zuvor beschriebene Verfahren zum Bestimmen der Kraftstofftemperatur durchführen zu können, kann zum Beispiel ein Steuergerät, mit Hilfe dessen die Kraftstoffpumpe gesteuert wird, entsprechend modifiziert werden. Das zum Steuern der bürstenlosen Gleichstrommaschine der Kraftstoffpumpe verwendete Steuergerät ist normalerweise dazu ausgelegt, eine an die Gleichstrommaschine anzulegende Spannung elektronisch in eine Wechselspannung zu kommutieren. Um die Wicklungen der bürstenlosen Gleichstrommaschine ergänzend dazu zu nutzen, auch die Temperatur des mit diesen Wicklungen in Kontakt stehenden Kraftstoffs zu bestimmen, sollte das Steuergerät für einen weiteren Betriebsmodus ausgelegt sein. In diesem weiteren Betriebsmodus sollte das Steuergerät zumindest für einen kurzen Zeitraum eine Gleichspannung an die Wicklungen der Gleichstrommaschine anlegen. Diese Gleichspannung wird die Gleichstrommaschine zwar nicht antreiben, kann aber zur Ermittlung des elektrischen Widerstands und damit aufgrund der zuvor über eine Kalibrierung ermittelten Temperaturabhängigkeit dieses Widerstands zur Bestimmung der aktuell herrschenden Kraftstofftemperatur genutzt werden.
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Die durch das vorgeschlagene Verfahren bzw. ein entsprechend ausgelegtes Steuergerät ermöglichte Bestimmung einer Kraftstofftemperatur kann entweder zum Entfall von anderen Temperatursensoren im Kraftstoffsystem oder zum Einschalten bzw. Steuern von Zusatzfunktionen wie zum Beispiel einem Heizen des Tanks oder eines Filters benutzt werden.
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Steuergeräte zum Steuern einer Kraftstoffpumpe können auch programmierbar ausgelegt sein. Die Erfindungsgedanken können somit auch durch ein Computerprogrammprodukt implementiert werden, wobei die Programmanweisungen des Computerprogrammprodukts das programmierbare Steuergerät dazu anleiten, ein Verfahren zur Temperaturbestimmung, wie es oben beschrieben wurde, auszuführen. Ein solches Computerprogrammprodukt kann auf einem computerlesbaren Medium, wie beispielsweise einer CD-ROM oder einem USB-Speicher, gespeichert sein, mit Hilfe dessen das Computerprogrammprodukt nachträglich in ein programmierbares Steuergerät eingespeichert werden kann.
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Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf ein Verfahren zum Bestimmen einer Kraftstofftemperatur oder mit Bezug auf ein entsprechend ausgestaltetes Steuergerät beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die beschriebenen Merkmale untereinander kombiniert werden können und auch von dem beschriebenen Verfahren in analoger Weise auf das beschriebene Steuergerät und umgekehrt übertragen werden können, um auf diese Weise Synergieeffekte erwirken zu können.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachfolgend werden Merkmale und mögliche Vorteile einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Zeichnung soll als die Erfindung einengend ausgelegt werden.
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1 zeigt ein Fahrzeug, bei dem ein Steuergerät und eine Kraftstoffpumpe zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt sind.
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Die Zeichnung ist lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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1 zeigt ein Kraftfahrzeug 100, bei dem ein Steuergerät 1 dazu ausgelegt ist, eine Temperatur von Kraftstoff 3 in einem Kraftstofftank 5 mit Hilfe eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu ermitteln. Das Fahrzeug 100 verfügt über eine Brennkraftmaschine 7. Von dem Tank 5 wird durch ein Fördermodul 9 über eine Leitung 11 Kraftstoff 3 hin zu der Brennkraftmaschine 7 gefördert. Das Fördermodul 9 ist hierzu in den Kraftstofftank 5 integriert und in den Kraftstoff 3 eingetaucht. In dem Fördermodul 9 ist eine Kraftstoffpumpe 13 vorgesehen, um den Kraftstoff 3 aus dem Tank 5 durch die Kraftstoffpumpe 13 hindurch in die Leitung 11 zu pumpen.
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Die Kraftstoffpumpe 13 wird mit Hilfe einer bürstenlosen Gleichstrommaschine 15 angetrieben. Über drei Leitungen 17 kann das Steuergerät 1 Wechselspannungen an die bürstenlose Gleichstrommaschine 15 anlegen, um einen mit einer Pumpmechanik in Eingriff stehenden Rotor der Gleichstrommaschine gesteuert in eine rotierende Bewegung zu versetzen.
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Um eine Temperatur des in dem Kraftstofftank 5 vorgesehenen Kraftstoffs 3 zu bestimmen, kann das Steuergerät 1 dazu ausgelegt sein, das folgende Verfahren durchzuführen:
Das Steuergerät 1 kann kontinuierlich überwachen, ob die Gleichstrommaschine 15 der Kraftstoffpumpe 13 sich in einem rotierenden Betrieb oder in einem Ruhezustand befindet. Sobald erkannt wird, dass sich die Gleichstrommaschine 15 in einem Ruhezustand befindet, kann ein Temperaturmessvorgang initiiert werden. Hierzu kann von dem Steuergerät 1 über die Leitungen 17 zumindest an eine der Wicklungen der Gleichstrommaschine 15 eine Gleichspannung angelegt werden. Die sich daraufhin in der Wicklung einstellende elektrische Stromstärke wird gemessen. Dabei sollte berücksichtigt werden, dass die Stromstärke eine gewisse Zeit benötigt, um sich zu stabilisieren. Die Messung der Stromstärke sollte erst nach einer solchen Stabilisierung durchgeführt werden, beispielsweise nach etwa 0,1 s.
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Die an die Wicklung anzulegende Spannung sollte dabei derart gewählt werden, dass einerseits ein ausreichender elektrischer Strom fließt, dessen Stromstärke mit hinreichender Genauigkeit bestimmt werden kann. Andererseits sollte die sich einstellende Stromstärke nicht derart hoch sein, dass sich aufgrund des während der Temperaturmessung fließenden Stroms die Temperatur der Wicklung selbst signifikant erhöht. Die genauen Werte, die für eine zuverlässige Messung der Stromstärke und daraus resultierend eine zuverlässige Messung der Kraftstofftemperatur geeignet sind, können von verschiedenen Einflüssen, wie beispielsweise einer Geometrie der Wicklung der Gleichstrommaschine, einem Widerstand des für die Wicklung verwendeten Materials, etc. abhängen und können durch geeignete Versuche einfach ermittelt werden.
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Aus der sich nach Anlegen der Gleichspannung einstellenden Stromstärke kann auf den elektrischen Widerstand der Wicklungen der Gleichstrommaschine rückgeschlossen werden. Dieser elektrische Widerstand hängt seinerseits von der aktuell herrschenden Temperatur der Wicklung ab. Die Art und Weise, wie der elektrische Widerstand der Wicklung von der Temperatur abhängt, wurde zuvor durch eine Kalibrierung bestimmt und in Form einer temperaturabhängigen Stromstärke-Spannung-Charakteristik in einem Speicher des Steuergeräts 1 hinterlegt.
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Durch ein Vergleichen der aktuellen Stromstärke-Spannung-Charakteristik mit der zuvor durch Kalibrierung aufgenommenen temperaturabhängigen Stromstärke-Spannung-Charakteristik kann letztendlich auf die aktuell herrschende Temperatur in der Wicklung der Gleichstrommaschine rückgeschlossen werden. Da diese Wicklung in direktem Kontakt mit dem die Kraftstoffpumpe durchströmenden Kraftstoff steht, kann davon ausgegangen werden, dass diese ermittelte Temperatur der Temperatur des Kraftstoffs entspricht.
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Die Information über die Temperatur des Kraftstoffs kann von dem Steuergerät 1 beispielsweise dazu verwendet werden, die Brennkraftmaschine 7 oder ein mit dieser Brennkraftmaschine 7 in Verbindung stehendes Common-Rail-System zu steuern. Gegebenenfalls kann aufgrund der erhaltenen Temperaturinformation beispielsweise ein Heizen des Tanks bzw. eines in dem Kraftstofffördersystem enthaltenen Filters gesteuert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008041569 A1 [0003]
