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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstofffördereinrichtung eines Kraftfahrzeugs, die über eine von einem bürstenlosen Gleichstrommotor angetriebene Kraftstoffpumpe verfügt, wobei der Gleichstrommotor über mehrere Spulengruppen verfügt und in Wärmeübertragungsverbindung zu dem mittels der Kraftstofffördereinrichtung förderbaren Kraftstoff steht. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kraftstofffördereinrichtung eines Kraftfahrzeugs.
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Verfahren der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie dienen dem Betreiben der Kraftstofffördereinrichtung, mittels welcher Kraftstoff beispielsweise aus einem Kraftstofftank des Kraftfahrzeugs in Richtung einer Brennkraftmaschine gefördert werden kann. Alternativ kann das hier beschriebene Verfahren selbstverständlich auf eine beliebige Fördereinrichtung zum Fördern eines beliebigen Fluids angewandt werden. Die Kraftstofffördereinrichtung verfügt über die Kraftstoffpumpe und den bürstenlosen Gleichstrommotor. Diese stehen derart in Wirkverbindung, dass die Kraftstoffpumpe von dem Gleichstrommotor antreibbar ist. Die Kraftstoffpumpe steht beispielsweise einerseits in Fluidverbindung mit dem Kraftstofftank und andererseits mit der Brennkraftmaschine beziehungsweise einer weiteren Kraftstofffördereinrichtung des Kraftfahrzeugs, insbesondere einer Hochdruckkraftstofffördereinrichtung.
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Die Viskosität eines Fluids und insbesondere des Kraftstoffs hängt stark von seiner Temperatur ab. Insbesondere bei ohnehin niedrigviskosen Kraftstoffen, wie beispielsweise Diesel, kann es bei niedrigen Temperaturen zu einem Versulzen kommen. Entsprechend wird häufig die Kraftstofffördereinrichtung dazu verwendet, um den in ihr vorliegenden Kraftstoff zu erwärmen und so seine Viskosität zu verringern. Auf diese Weise wird der für das Fördern des Kraftstoffs aufzuwendende Energieverbrauch verringert beziehungsweise das Fördern erst ermöglicht. Zu diesem Zweck steht der Gleichstrommotor in Wärmeübertragungsverbindung zu dem Kraftstoff. Der dem Gleichstrommotor zu dessen Betreiben zugeführte elektrische Strom bewirkt eine Erwärmung des Gleichstrommotors, insbesondere seiner Spulengruppen. Die anfallende Wärme kann wenigstens teilweise an den Kraftstoff übertragen werden, sodass sich dieser infolge ebenfalls erwärmt.
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Es sind nun Verfahren bekannt, den Wirkungsgrad der Kraftstofffördereinrichtung beziehungsweise des Gleichstrommotors derart zu verschlechtern, dass eine höhere Verlustleistung anfällt als in einem Normalbetrieb, in welchem keine Erwärmung des Kraftstoffs notwendig ist. Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die
DE 10 2009 045 049 A1 bekannt, in welcher eine elektrische Förderpumpe und ein Verfahren zum Antreiben der elektrischen Förderpumpe beschrieben sind. Die elektrische Förderpumpe soll mit einem Mischstrom betrieben werden. Darunter ist zu verstehen, dass zu einem zum Erzeugen eines umlaufenden Magnetfelds verwendeten wechselnden Strom ein konstanter Anteil hinzugefügt wird. Somit wird der Wirkungsgrad der elektrischen Förderpumpe verschlechtert und insbesondere durch den konstanten Anteil Wärme zum Heizen des Mediums erzeugt. Allerdings wird bei einer derartigen Vorgehensweise bei dem hier vorgesehenen bürstenlosen Gleichstrommotor die Kommutierung erschwert beziehungsweise störanfällig. Dies gilt auch, wenn durch Veränderung eines Kommutierungszeitpunkts der Wirkungsgrad verringert und damit die Verlustleistung erhöht wird.
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Weiterhin ist die Druckschrift
DE 10 2011 106 824 A1 bekannt. Diese betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer elektronisch kommutierten Kraftstoffpumpe. Die elektrische Leistungsaufnahme der Kraftstoffpumpe ist mittels einer Pulsdauermodulation bei gleichbleibender Drehzahl regelbar, wobei die Regelung in einem ersten Betriebszustand hinsichtlich einer möglichst geringen Leistungsaufnahme ausgelegt ist. Dabei soll die Leistungsaufnahme in einem zweiten Betriebszustand erhöht werden, um durch eine Erzeugung von ohmscher Wärme eine Erwärmung des von der Kraftstoffpumpe geförderten Kraftstoffs zu erreichen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstofffördereinrichtung vorzustellen, welches den eingangs genannten Nachteil nicht aufweist, sondern insbesondere stets einen zuverlässigen Betrieb der Kraftstofffördereinrichtung zum Fördern des Kraftstoffs auch bei erhöhter Verlustleistung ermöglicht.
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Dies wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass der Gleichstrommotor zumindest ab Erreichen einer Mindestdrehzahl in einer aus zwei Betriebsarten ausgewählten Betriebsart betrieben wird, wobei in einer ersten Betriebsart eine Drehwinkelstellung eines Rotors des Gleichstrommotors bestimmt und eine Kommutierung anhand der Drehwinkelstellung mit einer ersten Stromstärke durchgeführt wird und in einer zweiten Betriebsart der Gleichstrommotor zum Erwärmen des Kraftstoffs als Schrittmotor mit einer zweiten, größeren Stromstärke angesteuert wird. Der Gleichstrommotor verfügt über mehrere Spulengruppen, wobei jede Spulengruppe über wenigstens eine Spule verfügt. Wird eine der Spulengruppen bestromt, also mit elektrischem Strom beaufschlagt, so werden stets alle Spulen dieser Spulengruppe bestromt. Entsprechend entsteht in den Wicklungen der den Spulengruppen zugeordneten Spulen ein Magnetfeld.
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Üblicherweise sind die Spulengruppen dabei dem Stator des Gleichstrommotors zugeordnet, während der Rotor wenigstens einen Permanentmagneten aufweist. Entsprechend durchsetzt das von den Spulengruppen erzeugte Magnetfeld auch diesen Permanentmagnet des Rotors. Je nach Drehwinkelstellung des Rotors wirkt auf ihn ein von dem Magnetfeld bewirktes Drehmoment, wodurch der Rotor in eine Drehbewegung versetzt wird und mithin die Kraftstoffpumpe antreibt, welche mit ihm drehmomentübertragend verbunden ist. Die Drehbewegung ist in Richtung der Feldstärkenvektoren des Magnetfelds gerichtet. Die Drehbewegung endet, wenn sich der Rotor entsprechend des mittels der Spulengruppen erzeugten Magnetfelds ausgerichtet hat.
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Der Gleichstrommotor kann in zwei Betriebsarten betrieben werden, welche nachfolgend beschrieben werden. Die Betriebsart, in welcher der Gleichstrommotor betrieben wird, wird aus diesen zwei Betriebsarten ausgewählt, insbesondere in Abhängigkeit von einer Temperatur, insbesondere einer Kraftstofftemperatur und/oder einer Umgebungstemperatur.
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In der ersten Betriebsart wird im Wesentlichen ein Normalbetrieb des Gleichstrommotors durchgeführt. Entsprechend soll die Drehbewegung des Rotors stets aufrechterhalten werden, die Drehgeschwindigkeit also im Wesentlichen konstant bleiben. Entsprechend muss der Stromfluss in den Spulengruppen rechtzeitig so umgeschaltet werden, dass das erzeugte Magnetfeld seine Drehwinkelstellung ändert und auf den Rotor weiterhin ein Drehmoment wirkt. Hierzu wird in der ersten Betriebsart die Drehwinkelstellung beziehungsweise die Rotorlage möglichst genau bestimmt beziehungsweise gemessen. Zu diesem Zweck kann ein Drehwinkelstellungssensor vorgesehen sein. Alternativ kann jedoch auch die Back-EMF, insbesondere der jeweils nicht bestromten Spulengruppe, gemessen werden. Diese ist ebenfalls ein Maß für die momentan vorliegende Drehwinkelstellung des Rotors. Je genauer die Drehwinkelstellung bekannt ist, umso gleichförmiger ist die Drehbewegung des Rotors und umso höher ist der Wirkungsgrad der Kraftstofffordereinrichtung. Der Winkel zwischen der Stromphase und der Drehwinkelstellung des Rotors soll in der ersten Betriebsart möglichst konstant bleiben, das mittels der Spulengruppen erzeugte Magnetfeld also der Drehwinkelstellung des Rotors stets um eine bestimmte Drehwinkeldifferenz vorauseilen. Die Spulengruppen werden in der ersten Betriebsart mit elektrischem Strom mit der ersten Stromstärke beaufschlagt.
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In der zweiten Betriebsart ist es dagegen vorgesehen, den Wirkungsgrad des Gleichstrommotors zu verringern. Zu diesem Zweck wird er als Schrittmotor angesteuert, wobei jeweils eine oder mehrere der Spulengruppen mit elektrischem Strom mit der zweiten Stromstärke beaufschlagt werden. Diese zweite Stromstärke ist größer als die erste Stromstärke, welche in der ersten Betriebsart vorliegt. Somit werden in dem Schrittmotorbetrieb die Spulengruppen mit einer hohen Stromstärke beaufschlagt. Entsprechend wird ein hohes Drehmoment erzeugt, welches den Rotor eine mechanische Winkeldrehung von beispielsweise 30° bei einem zweipoligen bürstenlosen Gleichstrommotor durchführen lässt. Die Drehbewegung des Rotors endet aufgrund des hohen Drehmoments und der daraus resultierenden hohen Drehgeschwindigkeit, bevor in einen nächsten Kommutierungsschritt die nächste Spulengruppe bestromt wird. Zusätzlich sorgt der Strom mit der zweiten Stromstärke für ein hohes Haltemoment in der der momentan bestromten Spulengruppe zugeordneten Drehwinkelstellung.
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In dieser Drehwinkelstellung fließt also ein hoher Strom, während der Rotor kurzfristig stehenbleibt, bis der nächste Kommutierungsschritt durchgeführt wird. Diese Betriebsart ist energetisch sehr ineffizient und führt zu einer starken Erwärmung des Gleichstrommotors beziehungsweise der Spulengruppen. Erst mit dem nächsten Kommutierungsschritt wird wieder eine Drehbewegung des Rotors, beispielsweise um 30°, durchgeführt. In der zweiten Betriebsart beschreibt die Drehwinkelstellung der Stromphase stets beispielsweise einen vollen Schritt von 60° elektrisch, was bei einem zweipoligen Rotor einer Drehwinkeldifferenz von 30° mechanisch entspricht.
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Der zeitliche Abstand der Kommutierungsschritte bestimmt die Drehzahl des Rotors. In dieser zweiten Betriebsart entsteht somit ein periodisches, stark schwankendes Drehmoment, welches beim Betrieb der Kraftstofffördereinrichtung bedingt durch die Massenträgheit des hydraulischen Systems jedoch kaum spürbar ist. Dies gilt insbesondere bei höheren Drehzahlen, also bei schneller Schrittfolge der Kommutierungsschritte. Der Rotor folgt bedingt durch die zweite, größere Stromstärke den Kommutierungsschritten üblicherweise zuverlässig. Werden die Kommutierungsschritte allerdings zu schnell hintereinander durchgeführt, also der nächste Kommutierungsschritt bereits durchgeführt, bevor der Rotor seine angestrebte Drehwinkelstellung erreicht hat, kann der Rotor den Schrittvorgaben nicht mehr folgen, sodass die Kommutierung abreißt. Der Gleichstrommotor bleibt entsprechend stehen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kommutierung in der zweiten Betriebsart nur anhand einer vorgegebenen Solldrehzahl erfolgt. Aus der Solldrehzahl wird, wie bereits vorstehend erläutert, die Zeitspanne bestimmt, nach welcher der nächste Kommutierungsschritt durchgeführt wird. In der zweiten Betriebsart wird also keine Bestimmung der momentanen Drehwinkelstellung des Rotors vorgenommen beziehungsweise diese bei der Kommutierung nicht berücksichtigt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der zweiten Betriebsart für die Kommutierung nach Ablauf einer anhand der Solldrehzahl bestimmten Zeitspanne von einer momentan bestromten ersten Spulengruppe auf eine in Drehrichtung des Rotors unmittelbar folgende zweite Spulengruppe umgeschaltet wird. Die Zeitspanne wird aus der Solldrehzahl bestimmt, ist also eine Funktion von dieser. Vorzugsweise wird die Zeitspanne ausschließlich anhand der Solldrehzahl bestimmt; es fließen also keine weiteren (variablen) Größen in sie ein. Die Zeitspanne bestimmt den Abstand zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Kommutierungsschritten, legt also fest, wann von der momentan bestromten ersten Spulengruppe auf die zweite Spulengruppe umgeschaltet wird. Nach diesem Umschalten ist die zweite Spulengruppe bestromt, während die erste Spulengruppe nicht mehr bestromt wird. Diese Vorgehensweise wird bei allen in Drehrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Spulengruppen durchgeführt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der zweiten Betriebsart erst dann von der ersten auf die zweite Spulengruppe umgeschaltet wird, wenn der Rotor in einer der ersten Spulengruppe zugeordneten Drehwinkelstellung vorliegt. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die tatsächlich vorliegende Drehwinkelstellung bestimmt beziehungsweise gemessen wird. Alternativ kann auch durch Abwarten einer ausreichenden Zeitspanne sichergestellt werden, dass der Rotor die der ersten Spulengruppe zugeordnete Drehwinkelstellung erreicht hat, bevor auf die zweite Spulengruppe umgeschaltet wird. Dies entspricht im Wesentlichen einer Begrenzung der vorgegebenen Solldrehzahl, aus welcher die Zeitspanne zwischen den Kommutierungsschritten berechnet wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der zweiten Betriebsart zu jedem Zeitpunkt nur eine einzige der Spulengruppen bestromt wird. Es wird also zu keinem Zeitpunkt mehr als die eine der Spulengruppen bestromt. Somit wird insbesondere sichergestellt, dass ein ausreichend großes Drehmoment vorliegt, um den Rotor in die der jeweiligen Spulengruppe zugeordnete Drehwinkelstellung zu verlagern.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zweite Stromstärke in Abhängigkeit von der Solldrehzahl und/oder einer vorgegebenen Heizleistung gewählt wird. Dabei ist üblicherweise vorgesehen, dass die zweite Stromstärke umso höher ist, je größer die Solldrehzahl vorgegeben wird. Zusätzlich oder alternativ steigt die zweite Stromstärke mit der vorgegebenen Heizleistung, weil sie unmittelbar die in der Spulengruppe erzeugte Wärmemenge bestimmt.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Gleichstrommotor unterhalb der Mindestdrehzahl als Schrittmotor angesteuert wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Drehwinkelstellung des Rotors mithilfe der Back-EMF bestimmt wird. Dies ist üblicherweise erst ab Erreichen der Mindestdrehzahl möglich, sodass der Gleichstrommotor zunächst auf diese gebracht werden muss, bevor die erste Betriebsart durchgeführt werden kann. Die Mindestdrehzahl ist eine von Null verschiedene Drehzahl und beträgt beispielsweise 5%, 10% oder 25% der Maximaldrehzahl des Gleichstrommotors, also der maximal mit diesem erzielbaren Drehzahl.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der ersten Betriebsart die Spulengruppen des Gleichstrommotors mittels einer Pulsweitenmodulation angesteuert werden. In der ersten Betriebsart kann es vorgesehen sein, dass mehrere der Spulengruppen gleichzeitig bestromt werden, um einen möglichst gleichmäßigen Verlauf der Drehwinkelstellung des erzeugten Magnetfelds zu erzielen. Dies ist mithilfe der Pulsweitenmodulation vorgesehen.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens eine der Spulengruppen zur Ausbildung der Wärmeübertragungsverbindung von Kraftstoff überströmt und/oder durchströmt wird. Um die in der Spulengruppe erzeugte Wärme möglichst effizient an den Kraftstoff zu übertragen, muss diese möglichst unmittelbar an der Spulengruppe vorliegen. Entsprechend ist ein unmittelbarer Kontakt zwischen dem Kraftstoff und der Spulengruppen beziehungsweise einem Gehäuse der Spulengruppe vorgesehen. Dabei ist beispielsweise ein Überströmen beziehungsweise ein Durchströmen der Spulengruppe beziehungsweise des entsprechenden Gehäuses beabsichtigt.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kraftstofffördereinrichtung eines Kraftfahrzeugs, insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens, wobei die Kraftstofffördereinrichtung eine von einem bürstenlosen Gleichstrommotor angetriebene Kraftstoffpumpe aufweist, und wobei der Gleichstrommotor über mehrere Spulengruppen verfügt und in Wärmeübertragungsverbindung zu dem mittels der Kraftstofffördereinrichtung förderbaren Kraftstoff steht. Dabei ist die Kraftstofffördereinrichtung dazu ausgebildet, den Gleichstrommotor zumindest ab Erreichen einer Mindestdrehzahl in einer aus zwei Betriebsarten ausgewählten Betriebsart zu betreiben, wobei in einer ersten Betriebsart eine Drehwinkelstellung eines Rotors des Gleichstrommotors bestimmt und eine Kommutierung anhand der Drehwinkelstellung mit einer ersten Stromstärke durchgeführt wird und in einer zweiten Betriebsart der Gleichstrommotor zum Erwärmen des Kraftstoffs als Schrittmotor mit einer zweiten, größeren Stromstärke angesteuert wird. Das Verfahren kann gemäß den vorstehenden Ausführung weitergebildet sein. Auf die Vorteile einer solchen Ausführung wurde bereits eingegangen, sodass insoweit ebenfalls auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Kraftstoffsystems eines Kraftfahrzeugs.
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Die 1 zeigt ein Kraftstoffsystem 1 eines ansonsten nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. Das Kraftstoffsystem 1 verfügt über einen Kraftstofftank 2 und eine Kraftstofffördereinrichtung 3. Diese weist eine Kraftstoffpumpe 4 auf, die in Form einer Niederdruckkraftstoffpumpe vorliegt und von einem bürstenlosen Gleichstrommotor (nicht dargestellt) angetrieben wird. Mithilfe der Kraftstoffpumpe 4 kann Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 2 in Richtung einer Hochdruckkraftstoffpumpe 5 gefördert werden. Zwischen der Niederdruckkraftstoffpumpe 4 und der Hochdruckkraftstoffpumpe 5 ist dabei ein Filter 6 vorgesehen.
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Zwischen dem Filter 6 und der Hochdruckkraftstoffpumpe 5 zweigt zudem eine Rückführleitung 7 ab, durch welche Kraftstoff zurück in den Kraftstofftank 2 gelangen kann. In der Rückführleitung 7 ist dabei ein hier nicht dargestelltes Überdruckventil angeordnet, sodass nur bei Vorliegen eines zu hohen Kraftstoffdrucks vor der Hochdruckkraftstoffpumpe 5 Kraftstoff in Richtung des Kraftstofftanks 2 durch die Rückführleitung 7 abgeführt wird. Nachfolgend der Hochdruckkraftstoffpumpe 5, also auf deren Druckseite, folgen ein Drosselelement 8 sowie ein Rail 9, an welches Einbringvorrichtungen 10 angeschlossen sind. Zudem ist über ein Überdruckventil 11 eine Rückführleitung 12 an das Rail 9 angeschlossen, welche auf ihrer anderen Seite zwischen dem Filter 6 und der Hochdruckkraftstoffpumpe 5 einmündet. Bei Vorliegen eines zu hohen Drucks in dem Rail 9 kann also Kraftstoff aus diesem abgeführt werden.
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Das Kraftstoffsystem 1 verfügt weiterhin über eine Steuereinrichtung für die Kraftstofffördereinrichtung 3. Mit dieser kann der Gleichstrommotor, welcher mit der Kraftstoffpumpe 4 wirkverbunden ist, zumindest ab Erreichen einer Mindestdrehzahl in zwei Betriebsarten betrieben werden. In einer ersten der Betriebsarten soll dabei eine Drehwinkelstellung eines Rotors des Gleichstrommotors bestimmt und eine Kommutierung anhand dieser Drehwinkelstellung mit einer ersten Stromstärke durchgeführt werden. In einer zweiten der Betriebsarten wird dagegen der Gleichstrommotor zum Erwärmen des Kraftstoffs als Schrittmotor mit einer zweiten, größeren Stromstärke angesteuert. Durch die Verwendung der zweiten Stromstärke entsteht in der Kraftstofffördereinrichtung 3 eine Verlustleistung, welche von Spulengruppen des Gleichstrommotors in Wärme umgewandelt wird. Über eine Wärmeübertragungsverbindung kann diese Wärme beispielsweise an die Kraftstofffördereinrichtung 3 durchströmenden Kraftstoff beziehungsweise den in dem Kraftstofftank 2 vorliegenden Kraftstoff abgegeben werden.
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Sowohl in der ersten als auch in der zweiten Betriebsart ist ein Fördern von Kraftstoff mithilfe der Kraftstofffördereinrichtung 3 vorgesehen. In der zweiten Betriebsart ist also kein permanenter Stillstand des Gleichstrommotors vorgesehen, vielmehr treibt er die Niederdruckkraftstoffpumpe 4 permanent an. Prinzipbedingt kann es selbstverständlich bei dem Betreiben als Schrittmotor zu Unterbrechungen der Drehbewegung und einem Wegfall des Drehmoments kommen. Die mittlere Drehzahl des Rotors des Gleichstrommotors und mithin der Niederdruckkraftstoffpumpe 4 soll jedoch stets zumindest gleich der Mindestdrehzahl beziehungsweise größer als diese sein. Die Mindestdrehzahl ist dabei eine von Null verschiedene Drehzahl, welche ausreicht, um die Niederdruckkraftstoffpumpe 4 zum Fördern von Kraftstoff zu betreiben.
