DE102013206445A1

DE102013206445A1 - Verfahren zum Betrieb eines Niederdruck-Kraftstofffördersystems und ein Niederdruck-Kraftstofffördersystem

Info

Publication number: DE102013206445A1
Application number: DE102013206445.4A
Authority: DE
Inventors: Holger Rapp
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-04-11
Filing date: 2013-04-11
Publication date: 2014-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Niederdruck-Kraftstofffördersystems (1) eines Verbrennungsmotors, aufweisend eine elektrische Kraftstoffpumpe (10) und eine Bordnetzspannungsversorgung (5), wobei in einem ersten Betriebsmodus die elektrische Kraftstoffpumpe (10) mit einer Bordnetzspannung betrieben wird und in einem zweiten Betriebsmodus die elektrische Kraftstoffpumpe (10) mit einer Ausgangsspannung betrieben wird, wobei die Ausgangsspannung einen größeren Spannungswert als die Bordnetzspannung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Niederdruck-Kraftstofffördersystems sowie ein Niederdruck-Kraftstofffördersystem
Stand der Technik
Um in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen einem Einspritzsystem Kraftstoff mit einem geforderten Druck zuzuführen, können Niederdruck-Kraftstofffördersysteme mit elektrischen Kraftstoffpumpen genutzt werden. Bei einer elektrischen Kraftstoffpumpe wird ein Förderwerk von einem Elektromotor angetrieben. Die Kraftstoffpumpe kann mit der Bordnetzspannung betrieben werden. Dabei soll auch dann ein störungsfreier Betrieb des Verbrennungsmotors und des Kraftfahrzeugs gewährleistet werden, wenn die Bordnetzspannung auf einen Wert unterhalb eines Normalwerts absinkt.
Dafür kann das Niederdruck-Kraftstofffördersystem derart ausgebildet sein, dass die Kraftstoffpumpe permanent einen Kraftstoffvolumenstrom bereitstellt, der sehr viel höher als der von dem Einspritzsystem geforderte Kraftstoffvolumenstrom ist, auch dann, wenn die Bordnetzspannung unterhalb des Normalwerts absinkt. Das von dem Einspritzsystem nicht abgenommene Kraftstoffvolumen kann über ein Überströmventil zu dem Kraftstofftank zurückgeleitet werden.
Dies hat allerdings zur Folge, dass während eines Normalbetriebs des Verbrennungsmotors ein Großteil des von der Kraftstoffpumpe geförderten Kraftstoffvolumens ungenutzt in den Tank zurückfließt. Für diese ungenutzte hydraulische Leistung muss permanent eine elektrische Leistung bereitgestellt werden, die praktisch vergeudet wird. Diese ungenutzte Leistung wirkt sich merklich auf den Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Bilanz des Kraftfahrzeugs aus.
Um diese vergeudete hydraulische Leistung zu reduzieren, kann die Kraftstoffpumpe mit einem Tiefsetzsteller betrieben werden. Dadurch kann die an der Kraftstoffpumpe anliegende mittlere Spannung so weit abgesenkt werden, dass die Kraftstoffpumpe ein Kraftstoffvolumen fördert, das nur etwas über dem von dem Einspritzsystem geforderten Kraftstoffvolumen liegt. Der Tiefsetzsteller legt dabei z.B. hochfrequent taktend abwechselnd die Bordnetzspannung und eine Spannung von 0V an die Kraftstoffpumpe an. Eine somit erzeugte pulsierende Ausgangsspannung des Tiefsetzstellers in Verbindung mit häufigen und schnellen Spannungsänderungen führen zu einer hohen elektromagnetischen Störstrahlung, welche zulässige Grenzwerte der Elektromagnetischen Verträglichkeit überschreiten kann. Insbesondere entfällt durch diese pulsierende Eingangsspannung der Kraftstoffpumpe die Möglichkeit, an deren Eingangsklemmen einen Entstörkondensator anzubringen, der hochfrequente Störspannungen, welche die Kraftstoffpumpe selbst erzeugt, abzupuffern in der Lage ist.
Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit bereitzustellen, mit der die benötigte elektrische Leistung eines Niederdruck-Kraftstofffördersystem und somit Kraftstoffverbrauch und CO₂ Bilanz eines Kraftfahrzeugs reduziert werden, insbesondere ohne dass dazu eine pulsierende Spannung an die Klemmen der Kraftstoffpumpe angelegt wird.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zum Betrieb eines Niederdruck-Kraftstofffördersystems sowie ein Niederdruck-Kraftstofffördersystem mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Im Zuge eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Niederdruck-Kraftstofffördersystem eines Verbrennungsmotors, welches eine elektrische Kraftstoffpumpe und eine Bordnetzspannungsversorgung aufweist, in einem ersten Betriebsmodus oder in einem zweiten Betriebsmodus betrieben. In dem ersten Betriebsmodus wird die elektrische Kraftstoffpumpe mit einer Bordnetzspannung betrieben. In dem zweiten Betriebsmodus wird die elektrische Kraftstoffpumpe mit einer Ausgangsspannung betrieben, wobei die Ausgangsspannung einen größeren Spannungswert als die Bordnetzspannung aufweist. Bei der elektrischen Kraftstoffpumpe wird ein Förderwerk von einem Elektromotor angetrieben. Die Erfindung eignet sich sowohl für Gleichstrommotoren als auch für Wechselstrommotoren.
Vorteile der Erfindung
In dem ersten Betriebsmodus wird die elektrische Kraftstoffpumpe in einem Normalbetrieb mit der Bordnetzspannung betrieben. Die elektrische Kraftstoffpumpe wird in dem zweiten Betriebsmodus betrieben, wenn der von der elektrischen Kraftstoffpumpe geförderte Kraftstoffvolumenstrom geringer als ein geforderter Kraftstoffvolumenstrom ist. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn die Bordnetzspannung auf einen Wert unterhalb eines Normalwerts absinkt, da sich mit sinkender Bordnetzspannung auch der geförderte Kraftstoffvolumenstrom erheblich verringert, oder wenn der Verbrennungsmotor in einem hohen Drehzahlbereich betrieben wird, wodurch sich der geforderte Kraftstoffvolumenstrom stark erhöhen kann.
Durch das Bereitstellen der Ausgangsspannung mit einem größeren Spannungswert als der Bordnetzspannung, kann in dem zweiten Betriebsmodus der zu geringe geförderte Kraftstoffvolumenstrom auf den geforderten Kraftstoffvolumenstrom erhöht werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es daher nicht notwendig, permanent einen Kraftstoffvolumenstrom bereitzustellen, welcher den maximal geforderten Kraftstoffvolumenstrom übersteigt. Es muss daher nicht mehr permanent ein Großteil des geförderten Kraftstoffvolumens ungenutzt in den Kraftstofftank zurückfließen. Hydraulische und elektrische Leistung werden nicht unnütz vergeudet.
Insbesondere kann der geförderte Kraftstoffvolumenstrom in dem zweiten Betriebsmodus auf den geforderten Wert geregelt werden. Reicht die Bordnetzspannung nicht mehr aus, um den geforderten Kraftstoffvolumenstrom bereitzustellen, wird der Wert der Ausgangsspannung so weit erhöht, bis der geforderte Kraftstoffvolumenstrom wieder bereitgestellt werden kann.
Im Zuge der Erfindung bietet es sich insbesondere an, dass Drahtwicklungen der elektrischen Kraftstoffpumpe im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Kraftstoffpumpen gemäß dem Stand der Technik verändert werden. Insbesondere können für elektrische Kraftstoffpumpen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren Drähte genutzt werden, welche einen geringeren Durchmesser aufweisen als in herkömmlichen elektrischen Kraftstoffpumpen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Windungszahl der Drahtwicklungen im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Kraftstoffpumpen erhöht werden. Insbesondere können der Durchmesser der Drähte derart verringert und die Windungszahl der Drahtwicklungen derart erhöht werden, dass dennoch eine gleiche Masse an Draht verwendet wird wie in einer herkömmlichen elektrischen Kraftstoffpumpe gemäß dem Stand der Technik. Aufgrund dieser veränderten Dimensionierung der Drähte und der Drahtwicklungen kann die Strom- und Leistungsaufnahme im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Kraftstoffpumpen deutlich verringert werden. Die benötigte Stromstärke, um ein gefordertes Drehmoment der elektrischen Kraftstoffpumpe zu erreichen, sinkt dabei umgekehrt proportional zu der Windungszahl der Drahtwicklungen. Der benötigte Spannungswert, um einen geforderten Kraftstoffvolumenstrom zu erreichen, erhöht sich dabei allerdings proportional zu der Windungszahl der Drahtwicklungen. Dieser erhöhte Spannungswert kann problemlos durch das erfindungsgemäße Verfahren und die im Vergleich zu der Bordnetzspannung erhöhte Ausgangsspannung bereitgestellt werden.
Vorteilhafterweise wird das Niederdruck-Kraftstofffördersystem in dem zweiten Betriebsmodus betrieben, wenn der von der elektrischen Kraftstoffpumpe geförderte Kraftstoffvolumenstrom einen vorgegebenen Mindestwert unterschreitet oder wenn der geforderte Kraftstoffvolumenstrom einen Wert überschreitet. Das zugehörige Kriterium kann beispielsweise lauten, dass ein Ist-Wert des geförderten Kraftstoffvolumenstroms einen vorgegebenen Bedarfswert unterschreitet. Der Bedarfswert beschreibt dabei z.B. einen Mindestwert des geförderten Kraftstoffvolumenstroms, um ein Kraftstoff-Einspritzsystem in einem aktuell vorliegenden Arbeitspunkt zu bedienen. Das zugehörige Kriterium kann insbesondere lauten, dass ein Verhältnis aus Ist-Wert und Bedarfswert des Kraftstoffvolumenstroms einen Schwellwert erreicht. Es wäre auch denkbar, die Betriebsmodi abhängig von der Bordnetzspannung zu wählen. Der zweite Betriebsmodus wird demgemäß genutzt, wenn der Spannungswert der Bordnetzspannung einen zulässigen Normalwert unterschreitet oder einen Schwellwert erreicht. Auch ein Kriterium in Abhängigkeit von einer Drehzahl und/oder von einem Drehmoment des Verbrennungsmotors ist denkbar.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Motor der elektrischen Kraftstoffpumpe als ein mehrphasiger Wechselstrommotor ausgebildet. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in einfacher Weise in Systemen anwenden, bei denen die elektrische Kraftstoffpumpe mit einem mehrphasigen Wechselstrommotor ausgeführt ist, beispielsweise mit einem BLDC (Brushless-DC) Motor. Vor dem Elektromotor ist dabei ein mehrphasiger Wechselrichter geschaltet. In dem ersten Betriebsmodus wird der mehrphasige Wechselrichter an seinem Eingang mit der Bordnetzspannung gespeist. In dem zweiten Betriebsmodus wird der Wechselrichter mit der Ausgangspannung mit einem größeren Spannungswert als der Bordnetzspannung versorgt.
Herkömmliche elektrische Kraftstoffpumpen mit mehrphasigem Wechselstrommotor können durch den Wechselrichter stufenlos mit Spannungen zwischen dem Wert 0 bis maximal zu einer Eingangs-Gleichspannung des Wechselrichters, im herkömmlichen Fall also der Bordnetzspannung gespeist werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Eingangs-Gleichspannung des Wechselrichters in dem zweiten Betriebsmodus die Ausgangsspannung mit einem größeren Spannungswert als der Bordnetzspannung. Die elektrische Kraftstoffpumpe mit mehrphasigem Wechselstrommotor wird in dem zweiten Betriebsmodus demgemäß mit einer Spannung, die größer als die Bordnetzspannung ist, gespeist.
Dabei ergibt sich der Vorteil, dass die elektrische Kraftstoffpumpe so ausgelegt werden kann, dass sie beim Betrieb mit der wechselgerichteten Bordnetzspannung nur einen Bruchteil des maximal erforderlichen Kraftstoff-Volumenstroms liefert, und dass folglich der Energieverbrauch des Niederdruck-Kraftstofffördersystems erheblich reduziert ist. Des weiteren besteht der Vorteil, dass elektrische Kraftstoffpumpen gleichen Typs nun in Fahrzeugen mit sehr unterschiedlicher Motorleistung und damit sehr verschiedenem maximalem Kraftstoff-Volumenströmen eingesetzt werden können, da der maximale Kraftstoff-Volumenstrom jeweils durch verschieden starke Anhebungen der Bordnetzspannungen durch den Wechselrichter erreicht werden können.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät eines Kraftfahrzeugs, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Auch die Implementierung des Verfahrens in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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 von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Niederdruck-Kraftstofffördersystems, das dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
2 zeigt schematisch ein Kraftstoffvolumenstrom-Spannungs-Diagramm für verschiedene Niederdruck-Kraftstofffördersysteme nach dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung.
3 zeigt schematisch ein Leistungs-Spannungs-Diagramm für verschiedene Niederdruck-Kraftstofffördersysteme nach dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung.
4 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Niederdruck-Kraftstofffördersystems mit einem mehrphasigen Wechselstrommotor, das dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Niederdruck-Kraftstofffördersystems 1 eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Das Niederdruck-Kraftstofffördersystem 1 weist dabei eine als Batterie ausgebildete Bordnetzspannungsversorgung 5 auf, welche eine Bordnetzspannung bereitstellt. Des Weiteren weist das Niederdruck-Kraftstofffördersystem 1 eine elektrische Kraftstoffpumpe 10 sowie einen Hochsetzsteller 20 auf. Die elektrische Kraftstoffpumpe 10 weist ein Förderwerk und einen als Gleichstrommotor ausgebildeten Elektromotor auf.
Der Hochsetzsteller 20 weist eine Glättungsdrossel 21, einen Ausgangskondensator 22, ein als erster MOSFET 23 ausgebildetes erstes Schalterbauelement und ein als zweiter MOSFET 15 ausgebildetes zweites Schalterbauelement auf.
Der zweite MOSFET 15 ist dabei zweckmäßigerweise derart angebracht, dass er in Rückwärtsrichtung – beispielsweise bei einem n-Kanal-MOSFET von einem Source-Anschluss zu einem Drain-Anschluss hin – von Strom durchflossen wird. Der zweite MOSFET 15 ist dabei auch dann funktionsfähig, wenn auf dessen Ansteuerung verzichtet wird, da dessen inhärent vorhandene Inversdiode dann den Strom leitet. Durch Einschalten des MOSFET 15 kann die Durchlassspannung gegenüber der der inhärenten Diode nochmals erheblich abgesenkt und so der Wirkungsgrad des Hochsetzstellers 20 erheblich gesteigert werden.
Alternativ kann das zweite Schalterbauelement 15 auch als eine Diode ausgebildet sein. Grundsätzlich ist es auch möglich, die Schalterbauelemente 15, 23 nicht als MOSFETs, sondern beispielsweise als bipolare Transistoren auszuführen. Die Ausführung als MOSFETs bietet sich bei Spannungsniveaus von vorzugsweise unter 30V besonders an wegen der geringen Durchlassverluste, des schnellen Schaltverhaltens und des geringen Ansteueraufwands.
Die Glättungsdrossel 21 und der zweite MOSFET 15 sind in Reihe zwischen einen Pluspol der Bordnetzspannungsversorgung 5 und einen Pluspol der elektrischen Kraftstoffpumpe 10 geschaltet. Der erste MOSFET 23 liegt zwischen einem Anschlusspunkt zwischen der Glättungsdrossel 21 und dem zweiten MOSFET 15 sowie einem Minuspol der Bordnetzspannungsversorgung 5. Ein Minuspol der Bordnetzspannungsversorgung 5 und ein Minuspol der elektrischen Kraftstoffpumpe 10 sind direkt miteinander verbunden. Der Ausgangskondensator 22 ist parallel zum Ausgang des Hochsetzstellers 20 und damit zu der elektrischen Kraftstoffpumpe 10 geschaltet.
Die beiden MOSFETs 15 und 23 sind stets in einander entgegengesetzten Zuständen geschaltet. Ist der zweite MOSFET 15 leitend, dann sperrt der erste MOSFET 23. Leitet der erste MOSFET 23, sperrt der zweite MOSFET 15.
In dem ersten Betriebsmodus wird die elektrische Kraftstoffpumpe 10 mit der Bordnetzspannung betrieben. Dabei ist der erste MOSFET 23 gesperrt und der Hochsetzsteller 20 ist ausgeschaltet. Der zweite MOSFET 15 ist in leitendem Zustand. Die Bordnetzspannung liegt über die Glättungsdrossel 21 und den zweiten MOSFET 15 an der elektrischen Kraftstoffpumpe 10 an.
Die elektrische Kraftstoffpumpe 10 fördert einen Kraftstoffvolumenstrom aus einem Kraftstofftank und führt das geförderte Kraftstoffvolumen einem Einspritzsystem zu. Der Ist-Wert des geförderten Kraftstoffvolumenstroms ist dabei stets größer als ein vorgegebener Bedarfswert. Die elektrische Kraftstoffpumpe 10 ist so ausgelegt, dass der von ihr bei Betrieb mit Bordnetzspannung geförderte Kraftstoffvolumenstrom für die überwiegende Mehrzahl der Betriebszustände in einem Fahrzeug ausreicht, aber nicht für den maximal erforderlichen Kraftstoffvolumenstrom, der benötigt wird, wenn der Verbrennungsmotor bei seiner Nennleistung betrieben wird. Insbesondere liegt der Kraftstoffvolumenstrom, den die elektrische Kraftstoffpumpe 10 bei Betrieb mit der Bordnetzspannung liefert, bei 20% bis 50% des maximal erforderlichen Kraftstoffvolumenstroms. Reicht die Bordnetzspannung nicht mehr aus, um den aktuell geforderten Kraftstoffvolumenstrom zu erreichen, wäre also der Ist-Wert des geförderten Kraftstoffvolumenstroms bei Betrieb mit Bordnetzspannung geringer als der Bedarfswert, wird das Niederdruck-Kraftstofffördersystem 1 in dem zweiten Betriebsmodus betrieben. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn der Spannungswert der Batterie, welche die Bordnetzspannungsversorgung 5 bildet, aufgrund einer langen Betriebsdauer und Verschleißeffekten oder auf Grund tiefer Temperaturen zu weit abnimmt. Auch wenn der Verbrennungsmotor in einem sehr hohen Drehzahlbereich betrieben wird bzw. bei seltenen Lastspitzen des Verbrennungsmotors, kann der Fall eintreten, dass mittels der Bordnetzspannung der geforderte Kraftstoffvolumenstrom nicht mehr bereitgestellt werden kann.
Um zu erkennen, wann das Niederdruck-Kraftstofffördersystem 1 von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus geschaltet werden soll, können feste Kriterien bestimmt werden. Beispielsweise kann das Kriterium lauten, dass ein Verhältnis zwischen Bedarfswert und Ist-Wert des Kraftstoffvolumenstroms einen Schwellwert erreicht.
In dem zweiten Betriebsmodus wird der Hochsetzsteller 20 aktiv und beginnt zu takten. Dadurch wird dessen Ausgangskondensator 22 auf eine Ausgangsspannung aufgeladen, die höher ist als die Bordnetzspannung. Die an der elektrischen Kraftstoffpumpe 10 anliegende Spannung wird angehoben und der geförderte Kraftstoffvolumenstrom wird auf den geforderten Kraftstoffvolumenstrom erhöht.
Dazu wird der erste MOSFET 23 hochfrequent taktend abwechselnd ein- und wieder ausgeschaltet. Leitet der erste MOSFET 23, so liegt an der Glättungsdrossel 21 die Bordnetzspannung an und der Strom in der Glättungsdrossel 21 steigt. Die elektrische Kraftstoffpumpe 10 speist sich so lange aus dem Ausgangskondensator 22, der durch den dann gesperrten zweiten MOSFET 15 von der Glättungsdrossel 21 entkoppelt ist. Wird der erste MOSFET 23 wieder gesperrt, so fließt der Strom der Glättungsdrossel 21 über den zweiten MOSFET 15 zum Ausgangskondensator 22, der dadurch geladen wird. Die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers 20 steigt dadurch wieder an, während der Strom in der Glättungsdrossel 21 wieder abnimmt. Im eingeschwungenen Zustand stellt sich am Ausgang des Hochsetzstellers 20 die Ausgangsspannung höher als die Bordnetzspannung ein. Der Spannungswert der Ausgangsspannung ist dabei der Spannungswert der Bordnetzspannung dividiert durch eine relative Ausschaltdauer des ersten MOSFET 23.
Die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers 20 kann somit stufenlos ausgehend von der Bordnetzspannung erhöht werden, indem die relative Einschaltdauer des ersten MOSFET 23 zwischen 0% (Ruhezustand) und nahezu 100% verstellt wird. Mittels der stufenlosen Steuerung der Ausgangsspannung kann auch der geförderte Kraftstoffvolumenstrom stufenlos gesteuert werden. Der Ist-Wert des Kraftstoffvolumenstroms kann somit präzise auf den Soll-Wert des Kraftstoffvolumenstroms geregelt werden. Dabei sind die maximal erreichbare Ausgangsspannung und damit die maximal zulässige relative Einschaltdauer des ersten MOSFET 23 durch die Sperrfähigkeit der leistungselektronischen Bauteile in Form der ersten und zweiten MOSFETs 15 und 23 sowie durch eine maximal zulässige Drehzahl der Kraftstoffpumpe begrenzt.
Da der Hochsetzsteller 20 an seinem Ausgang den Ausgangskondensator 22 aufweist, der zur Glättung seines eigentlich pulsierenden Ausgangsstroms eingerichtet ist, ist die am Ausgang des Hochsetzstellers 20 bereitgestellte Ausgangsspannung im Wesentlichen eine Gleichspannung ohne nennenswerte hochfrequente Wechselanteile. Damit liegt die elektromagnetische Störstrahlung, die von der Leitung zwischen Hochstellsetzer 20 und elektrischer Kraftstoffpumpe 10 abgestrahlt wird, auf demselben Niveau, wie dies bei herkömmlichem Niederdruck-Kraftstofffördersystem ohne Hochstellsetzer 20 gemäß dem Stand der Technik der Fall ist. Des Weiteren kann parallel zu der elektrischen Kraftstoffpumpe 10 ein Entstörkondensator 11 geschaltet werden.
In Niederdruck-Kraftstofffördersystemen gemäß dem Stand der Technik, in denen die Kraftstoffpumpe mit einem Tiefsetzsteller betrieben wird, ist es nicht möglich, einen Entstörkondensator zu nutzen. Da ein Tiefsetzsteller keine konstante Ausgangsspannung, sondern eine Ausgangsspannung, die hochfrequent zwischen der Bordnetzspannung und 0V pulsiert, bereitstellt und an die Kraftstoffpumpe anlegt, muss ein Entstörkondensator zwingend entfallen. Dies führt zu einem erheblichen Anstieg der abgestrahlten Störstrahlung und kann eine unzulässige Verletzung von EMV-Grenzwerten zur Folge haben.
Da im Sinne der Erfindung durch den Hochsetzsteller eine nicht pulsierende Ausgangsspannung bereitgestellt wird, wird es ermöglicht, den Entstörkondensator 11 parallel zu der elektrischen Kraftstoffpumpe 10 zu schalten. Durch den Entstörkondensator 11 ergeben sich erhebliche Vorteile. EMV-Vorschriften und Grenzwerte können auf einfache Weise eingehalten werden, im Gegensatz zu Systemen mit Tiefsetzstellern gemäß dem Stand der Technik.
Pulsierende Spannungen oder Ströme treten bei der erfindungsgemäßen Lösung nur noch direkt in der Endstufe, also in dem Hochsetzsteller 20, auf, wo im Bedarfsfall einfache und räumlich eng begrenzte Abschirmungsmaßnahmen möglich sind. Sowohl in der elektrischen Kraftstoffpumpe 10 als auch auf deren elektrischer Zuleitung treten keine pulsierenden elektrischen Größen auf. Da im ersten Betriebsmodus die Stromaufnahme der elektrischen Kraftstoffpumpe 10 geringer ist als beim Stand der Technik, wo stets ein viel zu hoher Kraftstoffvolumenstrom bereitgestellt wird, wird der ohmsche Spannungsabfall auf der Zuleitung ebenfalls geringer, was den Wirkungsgrad des Niederdruck-Kraftstofffördersystems 1 im Sinne der Erfindung zusätzlich gegenüber dem Stand der Technik erhöht.
In 2 sind verschiedene Kurven in einem Kraftstoffvolumenstrom-Spannungs-Diagramm 200 schematisch dargestellt. Auf der Ordinate ist der geförderte Kraftstoffvolumenstrom Q (in Liter pro Stunde) aufgetragen, auf der Abszisse die an die elektrische Kraftstoffpumpe angelegte Spannung U (in Volt).
Kurve 210 zeigt einen Verlauf eines Niederdruck-Kraftstofffördersystems gemäß dem Stand der Technik. Um dabei auch dann einen störungsfreien Betrieb des Verbrennungsmotors zu gewährleisten, wenn die Bordnetzspannung auf einen Wert unterhalb eines Normalwerts absinkt, stellt die Kraftstoffpumpe permanent einen Kraftstoffvolumenstrom bereit, der sehr viel höher als der von dem Einspritzsystem geforderte Kraftstoffvolumenstrom ist.
Das herkömmliche Niederdruck-Kraftstofffördersystem ist dabei derart ausgestaltet, dass bei einem Schwellwert U_min der Bordnetzspannung ein Kraftstoffvolumenstrom Q_max bereitgestellt wird. Dieser Wert Q_max entspricht einem Kraftstoffvolumenstrom, der maximal von einem Einspritzsystem aufgenommen werden kann. Dieser maximale Kraftstoffvolumenstrom Q_max würde bei einem maximalen Drehmoment bei maximaler Drehzahl des Verbrennungsmotors benötigt. Das Niederdruck-Kraftstofffördersystem gemäß dem Stand der Technik ist also derart ausgebildet, dass es einen maximalen Kraftstoffvolumenstrom Q_max bei minimaler Bordnetzspannung U_min bereitstellt. Dies ist in 2 durch einen Auslegungspunkt 211 gekennzeichnet.
Die Bordnetzspannung weist einen Normalwert von U_norm auf. Der zu dem Normalwert U_norm zugehörige Kraftstoffvolumenstrom Q₂₁₂ kennzeichnet einen Betriebspunkt 212. Der zu dem Betriebspunkt 212 zugehörige Kraftstoffvolumenstrom Q₂₁₂ ist dabei deutlich höher als der maximal aufnehmbare Kraftstoffvolumenstrom Q_max. In normalen Betrieb des Verbrennungsmotors, beispielsweise im normalen Straßenverkehr, wo der Verbrennungsmotor weit unterhalb des maximalen Drehmoments und der maximalen Drehzahl betrieben wird, liegt der geforderte normale Kraftstoffvolumenstrom unterhalb des Wertes Q_norm. Das Niederdruck-Kraftstofffördersystem gemäß dem Stand der Technik stellt also während der meisten Zeit des Fahrbetriebs des Verbrennungsmotors einen viel zu hohen Kraftstoffvolumenstrom bereit, welcher größtenteils ungenutzt über ein Überstromventil zurück in den Kraftstofftank fließt.
Die Kurven 220, 230 und 240 repräsentieren hingegen Ausführungsformen eines Niederdruck-Kraftstofffördersystems im Sinne der Erfindung gemäß 1. Wie bereits ausführlich beschrieben, bietet es sich im Zuge der Erfindung insbesondere an, eine Windungszahl an Drahtwicklungen der elektrischen Kraftstoffpumpe im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Kraftstoffpumpen gemäß dem Stand der Technik zu erhöhen. Kurven 220, 230 bzw. 240 repräsentieren daher jeweils eine elektrische Kraftstoffpumpe mit jeweils einer 30%, 50% bzw. 75% höheren Windungszahl als es bei der elektrischen Kraftstoffpumpe der Kurve 210 gemäß dem Stand der Technik der Fall ist.
In den Kurven 220, 230 bzw. 240 sind die zugehörigen Betriebspunkte 222, 232 bzw. 242 dargestellt, also das jeweilige geförderte Kraftstoffvolumen bei dem Normalwert U_norm der Bordnetzspannung. Alle drei Kraftstoffvolumenwerte liegen oberhalb des normalen Kraftstoffvolumenstroms Q_norm, aber unterhalb des maximalen Kraftstoffvolumenstroms Q_max. Bei dem Normalwert U_norm der Bordnetzspannung können die jeweiligen Niederdruck-Kraftstofffördersystem in dem ersten Betriebsmodus betrieben werden.
In 2 sind die zugehörigen Auslegungspunkte 221, 231 bzw. 241 dargestellt. Erreicht die Bordnetzspannung den Schwellwert U_min kann das zu Kurve 220 zugehörige Niederdruck-Kraftstofffördersystem mit der elektrischen Kraftstoffpumpe mit einer 30% höheren Windungszahl immer noch in dem ersten Betriebsmodus betrieben werden, so fern der aktuell benötigte Kraftstoffvolumenstrom nicht oberhalb von Q_norm liegt. Bei dem Schwellwert U_min der Bordnetzspannung stellen die zu den Kurven 230 bzw. 240 zugehörigen elektrischen Kraftstoffpumpen mit einer 50% bzw. 75% höheren Windungszahl jeweils ein Kraftstoffvolumen unterhalb des Normalwertes Q_norm bereit. Ist dieses für den aktuellen Betriebspunkt des Verbrennungsmotors nicht mehr ausreichend, so schalten die zugehörigen Niederdruck-Kraftstofffördersysteme in den zweiten Betriebsmodus, damit die an den jeweiligen elektrischen Kraftstoffpumpen anliegende Spannung erhöht wird. Zur Bereitstellung des maximal erforderlichen Kraftstoffvolumenstroms Q_max benötigt die zu der Kurve 220 zugehörige Kraftstoffpumpe mit einer um 30% erhöhten Windungszahl die nominale Bordnetzspannung U_norm. Ein Betrieb dieses Niederdruck-Kraftstofffördersystems in dem zweiten Betriebsmodus ist also nur erforderlich, wenn die Bordnetzspannung unter ihren Nominalwert U_norm absinkt und gleichzeitig ein hoher Kraftstoff-Volumenstrom vom Einspritzsystem benötigt wird. Die zu den Kurven 230 bzw. 240 zugehörigen elektrischen Kraftstoffpumpen mit einer 50% bzw. 75% höheren Windungszahl benötigen dagegen zur Bereitstellung des maximal erforderlichen Kraftstoffvolumenstroms Q_max eine Spannung, die über der nominalen Bordnetzspannung liegt. Ein Betrieb dieses Niederdruck-Kraftstofffördersystems in dem zweiten Betriebsmodus ist also bei diesen Systemen immer dann erforderlich, wenn ein hoher Kraftstoff-Volumenstrom vom Einspritzsystem benötigt wird.
In 3 sind verschiedene Kurven in einem Leistungs-Spannungs-Diagramm 300 analog zu 2 schematisch dargestellt. Auf der Abszisse ist ebenfalls die an die elektrische Kraftstoffpumpe angelegte Spannung U (in Volt) aufgetragen, auf der der Ordinate ist eine elektrische Leistung (in Watt) aufgetragen, die zur Förderung des Kraftstoffvolumenstroms Q aus 2 benötigt wird. Die Kurve 310 bezieht sich dabei auf die Kurve 210 aus 2 und auf den Stand der Technik. Die Kurven 320. 330 bzw. 340 beziehen sich auf die Kurven 220, 230 bzw. 240 aus 2.
Die zugehörigen Betriebspunkte sind in 3 mit den Bezugszeichen 312, 322, 332 bzw. 342 gekennzeichnet. Dabei ist zu erkennen, dass mit zunehmender Windungszahl die benötigte elektrische Leistung des Niederdruck-Kraftstofffördersystems bei Betrieb mit Bordnetzspannung, also im ersten Betriebsmodus erheblich abnimmt. Durch die Erhöhung der Windungszahl an Drahtwicklungen der elektrischen Kraftstoffpumpe kann also die benötigte elektrische Leistung des Niederdruck-Kraftstofffördersystems erheblich reduziert werden. Im Bedarfsfall kann diese Leistung durch Aktivieren des Hochsetzstellers 20 dann kurzzeitig angehoben werden.
Die erfindungsgemäße Verwendung eines Hochsetzstellers bzw. das erfindungsgemäße Bereitstellen einer Ausgangsspannung, die einen größeren Spannungswert als die Bordnetzspannung aufweist, ermöglichen erst eine Erhöhung der Windungszahl an Drahtwicklungen der elektrischen Kraftstoffpumpe im Vergleich zum Stand der Technik. Durch die Erfindung kann die benötigte elektrische Leistung des Niederdruck-Kraftstofffördersystem und somit der Kraftstoffverbrauch und die CO₂-Bilanz des Kraftfahrzeugs im Vergleich zum Stand der Technik erheblich reduziert werden.
Ferner ist es nun möglich, für unterschiedliche Niederdruck-Kraftstofffördersysteme mit verschiedenen maximalen Kraftstoffvolumenströmen Q_max eine einheitliche elektrische Kraftstoffpumpe zu verwenden, indem am jeweiligen Maximalleistungspunkt des Systems der Hochsetzsteller mit den jeweils dazu passenden Tastverhältnis und damit der passenden Ausgangsspannung betrieben wird. In Systemen mit geringerer Motorleistung kann es beispielsweise erforderlich sein, die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers in dem zweiten Betriebsmodus bis auf beispielsweise maximal 16V zu erhöhen. In einem System mit deutlich höherer Motorleistung kann nun dieselbe elektrische Kraftstoffpumpe eingesetzt werden, indem im Maximalleistungspunkt die Ausgangsspannung des Hochsetzstellers auf beispielsweise 22V erhöht wird. Dadurch lassen sich die Variantenvielfalt bei Kraftstoffpumpen erheblich reduzieren und so Kosten in erheblichem Umfang einsparen.
In 4 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Niederdruck-Kraftstofffördersystems 1*, das dazu eingerichtet ist, eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, schematisch dargestellt.
Das Niederdruck-Kraftstofffördersystem weist dabei eine elektrische Kraftstoffpumpe 10* auf, deren Motor als ein mehrphasiger Wechselstrommotor ausgeführt ist. Beispielsweise handelt es sich bei dem mehrphasigen Wechselstrommotor um eine Drehfeldmaschine. Die elektrische Kraftstoffpumpe 10* wird aus einem mehrphasigen Wechselrichter 30 mit elektrischer Energie versorgt. Der Gleichspannungs-Eingang des Wechselrichters 30 wird in dem ersten Betriebsmodus mit der Bordnetzspannung versorgt. In dem ersten Betriebsmodus kann eine Amplitude der Leiterspannung des Wechselstrommotors maximal den Wert der Bordnetzspannung annehmen.
In dem zweiten Betriebsmodus wird der Gleichspannungs-Eingang des Wechselrichters 30 mit einer Spannung versorgt, die gegenüber der Bordnetzspannung erhöht ist. Auf diese Weise wird auch die maximal einstellbare Leiterspannung des mehrphasigen Wechselstrommotors und damit dessen Drehzahl gegenüber dem ersten Betriebsmodus erhöht.
Die Versorgung des Wechselrichters 30 mit seiner Eingangs-Gleichspannung erfolgt über einen Hochsetzsteller 20, der aus der Bordnetzspannung gespeist wird. Im ersten Betriebsmodus ist der Hochsetzsteller inaktiv, so dass am Eingang des Wechselrichters 30 die Bordnetzspannung anliegt. Im zweiten Betriebsmodus wird der Hochsetzsteller 20 aktiv, so dass die Eingangs-Gleichspannung des Wechselrichters 30 gegenüber der Bordnetzspannung erhöht ist. Zur Glättung des pulsierenden Ausgangsstroms des Hochsetzstellers 20 ist parallel zu dessen Ausgang der Kondensator 22 geschaltet. Dieser Kondensator kann auch, wie bereits erläutert, in den Hochsetzsteller (20) integriert sein oder auch in den Wechselrichter 30 oder verteilt in den Hochsetzsteller (20) und in den Wechselrichter (30) integriert sein.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Niederdruck-Kraftstofffördersystems (1, 1*) eines Verbrennungsmotors, aufweisend eine elektrische Kraftstoffpumpe (10) und eine Bordnetzspannungsversorgung (5), wobei – in einem ersten Betriebsmodus die elektrische Kraftstoffpumpe (10) mit einer Bordnetzspannung betrieben wird und – in einem zweiten Betriebsmodus die elektrische Kraftstoffpumpe (10) mit einer Ausgangsspannung betrieben wird, wobei die Ausgangsspannung einen größeren Spannungswert als die Bordnetzspannung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Niederdruck-Kraftstofffördersystem (1, 1*) in dem zweiten Betriebsmodus betrieben wird, wenn ein Verhältnis aus einem Ist-Wert und einem Bedarfswert eines Kraftstoffvolumenstroms einen Schwellwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kraftstoffvolumenstrom in dem zweiten Betriebsmodus durch stufenloses Verändern der Ausgangsspannung gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Hochsetzsteller (20), der mit der Bordnetzspannung betrieben wird, die Ausgangsspannung bereitstellt.
Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen.
Niederdruck-Kraftstofffördersystem (1, 1*) eines Verbrennungsmotors, aufweisend – eine elektrische Kraftstoffpumpe (10), – eine Bordnetzspannungsversorgung (5) und – einen Hochsetzsteller (20), wobei der Hochsetzsteller (20) zwischen der elektrischen Kraftstoffpumpe (10) und der Bordnetzspannungsversorgung (5) geschaltet ist.
Niederdruck-Kraftstofffördersystem (1, 1*) nach Anspruch 6, aufweisend eine Recheneinheit nach Anspruch 5.
Niederdruck-Kraftstofffördersystem (1, 1*) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die elektrische Kraftstoffpumpe (10) einen Gleichstrommotor oder einen Wechselstrommotor aufweist.
Niederdruck-Kraftstofffördersystem (1, 1*) nach Anspruch 6, 7 oder 8, wobei der Hochsetzsteller (20) einen parallel zu der elektrischen Kraftstoffpumpe (10) geschalteten Kondensator (22), eine Spule (21) und ein zweites Schalterbauelement (15), die in Reihe zwischen einem Pol der Bordnetzspannungsversorgung (5) und einem Pol der elektrischen Kraftstoffpumpe (10) geschaltet sind, und ein erstes Schalterbauelement (23), welches zwischen einem Anschlusspunkt zwischen der Spule (21) und dem zweiten Schalterbauelement (15) sowie einem anderen Pol der Bordnetzspannungsversorgung (5) und der elektrischen Kraftstoffpumpe (10) geschaltet ist, aufweist.
Niederdruck-Kraftstofffördersystem (1, 1*) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die elektrische Kraftstoffpumpe als eine elektrische Kraftstoffpumpe mit einem mehrphasigen Wechselstrommotor (10*) ausgebildet ist, wobei vor die elektrische Kraftstoffpumpe mit dem mehrphasiger Wechselstrommotor (10*) ein Wechselrichter (30) geschaltet ist.
Niederdruck-Kraftstofffördersystem nach Anspruch 10, wobei der Wechselrichter (30) mit einer Bordnetzspannung der Bordnetzspannungsversorgung (5) oder Ausgangsspannung des Hochsetzstellers (20) versorgbar ist.
Niederdruck-Kraftstofffördersystem (1, 1*) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei ein Entstörkondensator (11) parallel zu der elektrischen Kraftstoffpumpe (10) geschaltet ist.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die eine Recheneinheit veranlassen, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 durchzuführen, wenn sie auf der Recheneinheit, insbesondere nach Anspruch 5, ausgeführt werden.
Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 13.