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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Kraftstofffördersystems, mit einer Kraftstoffförderpumpe und mit einem Elektromotor, wobei die Kraftstoffförderpumpe von dem Elektromotor antreibbar ist und der Elektromotor durch einen Ansteuerstrom ansteuerbar ist.
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Stand der Technik
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Verbrennungsmotorisch betriebene Kraftfahrzeuge weisen ein Kraftstofffördersystem auf, welches dazu ausgelegt ist Kraftstoff aus dem Tank an den Verbrennungsmotor zu fördern. Das Kraftstofffördersystem weist hierzu regelmäßig eine Kraftstoffförderpumpe auf, die zumindest ein Pumpwerk und einen Elektromotor aufweist. Über eine Anpassung der Stromstärke am Elektromotor kann dessen Drehzahl beeinflusst werden und somit die Förderleistung des Kraftstofffördersystems.
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Im Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, die auf Grundlage des im Kraftstofffördersystem herrschenden Drucks geregelt sind. Dabei wird auf Grundlage eines bekannten Soll-Drucks und eines bekannten Ist-Drucks über einen einfachen Regler, beispielsweise einem PID-Regler, eine Soll-Drehzahl bestimmt, welche notwendig ist, um die gewünschte Fördermenge durch die Kraftstoffförderpumpe zu fördern. Der Elektromotor wird dabei über den PID-Regler derart angesteuert, dass sich die Soll-Drehzahl einstellt, welche in Abhängigkeit von dem gewünschten Soll-Druck ermittelt wurde.
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Nachteilig an diesen Vorrichtungen ist, dass die Regelgüte eines einfachen Reglers nicht über den gesamten Arbeitsbereich des Reglers gleich gut ist. Dies führt in manchen Bereichen, insbesondere in niedrigen Drehzahlbereichen, zu starkem Überschwingen und teilweise zu Resonanzen. Gleichzeitig ist in besonders hohen Drehzahlbereichen oft mit einer deutlich langsameren Regelgeschwindigkeit zu rechnen oder damit, dass der Regler auf Störeinflüsse nur unzureichend reagieren kann.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zu schaffen, welches eine hinsichtlich der Regelgeschwindigkeit und der Regelgüte verbesserte Regelung des Kraftstofffördersystems ermöglicht.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Kraftstofffördersystems, mit einer Kraftstoffförderpumpe und mit einem Elektromotor, wobei die Kraftstoffförderpumpe von dem Elektromotor antreibbar ist und der Elektromotor durch einen Ansteuerstrom ansteuerbar ist, wobei zu einem vorgebbaren Zeitpunkt das durch die Kraftstoffförderpumpe geförderte Ist-Volumen bei einem zu diesem Zeitpunkt herrschenden Ist-Druck bestimmt wird und aus dem bestimmten Ist-Volumen und einem Soll-Druck eine Soll-Drehzahl für den die Kraftstoffförderpumpe antreibenden Elektromotor abgeleitet wird.
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Dies ist besonders vorteilhaft, da nicht nur auf Grundlage eines Ist-Drucks und eines Soll-Drucks eine Soll-Drehzahl abgeleitet wird, sondern das geförderte Volumen als Zwischengröße verwendet wird. Das geförderte Ist-Volumen wird vorzugsweise auf Basis des Ist-Drucks und der Ist-Drehzahl bestimmt, wodurch eine Aussage mit hoher Genauigkeit über das Ist-Volumen erreicht werden kann. Das Ist-Volumen wird dann vorzugsweise in einer weiteren Ermittlung weiterverwendet, in welcher unter Zuhilfenahme des Soll-Drucks, der ebenfalls mit einer hohen Güte vorbestimmt werden kann, eine Soll-Drehzahl ermittelt werden kann, die dem Elektromotor als Zielvorgabe gegeben wird.
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Insgesamt ist die Bestimmung der Soll-Drehzahl dabei sehr genau und nur mit geringen Störeinflüssen belegt.
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Der Elektromotor wird bevorzugt durch die Variation des Stromes, mit welchem er angesteuert wird, gesteuert. Aufgrund der bekannten Charakteristik des Elektromotors und des restlichen Kraftstofffördersystems kann die notwendige Stromstärke zur Erreichung einer gewissen Soll-Drehzahl unter gegebenen Randbedingungen sehr genau vorgegeben werden. Insbesondere der im Kraftstofffördersystem vorherrschende Druck ist hier eine relevante Randbedingung.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das zu dem vorgebbaren Zeitpunkt durch die Kraftstoffförderpumpe geförderte Ist-Volumen aus einem bekannten Kennfeld unter Kenntnis des vorherrschenden Ist-Drucks und der anliegenden Ist-Drehzahl ermittelt wird.
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Für jedes spezifische Kraftstofffördersystem kann man ein Kennfeld ermitteln, dass einen Zusammenhang zwischen dem geförderten Volumen, der Drehzahl und dem im Kraftstofffördersystem herrschenden Druck bildet. Ein typisches Kennfeld zeigt auf der X-Achse die Drehzahl der Kraftstoffförderpumpe, auf der Y-Achse das geförderte Volumen und Kurven, die in dem durch die Achsen aufgespannten Quadranten als Isobaren verlaufen. Mit jeweils zwei bekannten Werten kann so der dritte fehlende Wert ermittelt werden.
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Besonders zu bevorzugen ist es dabei, wenn die jeweils bekannten Werte zum gleichen Zeitpunkt ermittelt wurden, da alle Werte sich mit dem Lauf der Zeit verändern können, wobei auch in sehr kurzen Zeiträumen starke Veränderungen auftreten können. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Wertermittlung zu einem vorgegebenen Zeitpunkt geschieht. Natürlich kann die Ermittlung auf ständig fortlaufend geschehen. Hierbei ist es jedoch vorteilhaft, wenn die jeweils aus dem Kraftstofffördersystem ermittelten Ist-Werte immer zu einem identischen Zeitpunkt ermittelt werden.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn das Ist-Volumen aus einem bekannten Kennfeld unter Kenntnis des Ist-Drucks und dem Ist-Ansteuerstrom ermittelt wird.
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In einem alternativen Kennfeld kann auch der Ansteuerstrom anstelle der Drehzahl aufgetragen sein. Das Kennfeld behält seine übergeordnete Aussage bei und wird lediglich verändert aussehen. Auch mit der Stärke des Ansteuerstroms und dem jeweils geförderten Volumen kann auf den Druck geschlossen werden beziehungsweise umgekehrt. Es ist somit eine alternative Ermittlung von dem geförderten Ist-Volumen gegeben.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass die Soll-Drehzahl für den Elektromotor mittels des ermittelten Ist-Volumens und dem vorgebbaren Soll-Druck aus einem Kennfeld ermittelt wird.
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Dies ist besonders vorteilhaft, da der Wert für die Soll-Drehzahl besonders einfach ebenfalls aus einem Kennfeld bestimmt werden kann. Vorteilhaft wird ein Kennfeld verwendet, welches auf der X-Achse die Drehzahl, auf der Y-Achse das geförderte Volumen und in dem durch die Achsen aufgespannten Quadranten Kurven in Form von Isobaren trägt, wobei die Isobaren dem jeweils im Kraftstofffördersystem herrschenden Druck entsprechen. Als bekannte Größen werden der Soll-Druck und das als Zwischengröße bestimmte geförderte Ist-Volumen herangezogen, um eine Soll-Drehzahl zu ermitteln. Dies ist besonders einfach möglich und kann daher schnell bewerkstelligt werden.
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Die benötigten Kennfelder können auf Grundlage von berechneten Werten und/oder auf Grundlage von empirisch ermittelten Werten erstellt werden. Da zwischen dem Druck und der Fördermenge ein direkter physikalischer Zusammenhang besteht, kann hier eine gute Korrelation erreicht werden.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn das Ist-Volumen und die Soll-Drehzahl aus dem gleichen Kennfeld ermittelt werden.
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Besonders bevorzugt wird sowohl das Ist-Volumen, das als Zwischengröße zur Bestimmung der Soll-Drehzahl verwendet wird, als auch die Soll-Drehzahl auf Basis des gleichen Kennfeldes ermittelt. Dies ist vorteilhaft, da nur ein Kennfeld in der Fahrzeugelektronik abgebildet werden muss. Dies spart Speicherkapazität ein und führt insgesamt zu einer günstigeren Gestaltung des Kraftstofffördersystems. Außerdem werden Fehlerquellen reduziert, wodurch insgesamt die Güte des Regelungsverfahrens verbessert wird.
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In alternativen Ausgestaltungen kann das Kennfeld auch in tabellarischer Form vorliegen oder in Form von Berechnungsvorschriften. Auch können in dem Kennfeld noch weitere Einflüsse berücksichtigt werden, so dass eine weitere Erhöhung der Genauigkeit erreicht werden kann.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das ermittelte Ist-Volumen in einem Korrekturmodul verarbeitet wird, wobei zusätzlich der Ist-Druck und der Soll-Druck in das Korrekturmodul einfließen und ein adaptiertes Ist-Volumen ermittelt wird, wobei aus dem adaptierten Ist-Volumen und dem Soll-Druck mittels eines bekannten Kennfeldes eine Soll-Drehzahl für den Elektromotor ermittelt wird.
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Ein Korrekturmodul kann als gesondertes Bauelement ausgebildet sein oder in einem der verwendeten Steuergeräte als Rechenroutine abgelegt sein. Das Korrekturmodul dient bevorzugt dazu, den im Kraftstofffördersystem ermittelten Wert für das geförderte Ist-Volumen zu korrigieren. Hierbei sollen insbesondere Störeinflüsse von außerhalb oder von innerhalb des Kraftstofffördersystems minimiert oder gänzlich eliminiert werden.
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Die Ermittlung der Soll-Drehzahl kann ebenfalls im Korrekturmodul stattfinden. Alternativ kann hierzu auch ein eigenes Modul vorgesehen werden. Das Korrekturmodul soll hauptsächlich dem Einfluss der Volumenänderung über dem Druck entgegenwirken, um diese Fehlerquelle auszuschließen. Aber auch andere Störeinflüsse können über das Korrekturmodul durch entsprechende Algorithmen und Rechenverfahren aus dem Zielwert für die Soll-Drehzahl heraus gerechnet werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Korrekturmodul zur Korrektur der druckabhängigen Änderung des geförderten Volumens verwendet wird. Dies ist vorteilhaft, da die druckabhängige Volumenänderung nicht beeinflusst werden kann und daher dieses Phänomen immer auftreten wird.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn das Korrekturmodul zur Korrektur des Ist-Volumens auch Eingangsgrößen aufnimmt, welche das druckabhängige Verhalten von weiteren Elementen des Kraftstofffördersystems abbilden. Hierzu zählen insbesondere eine Saugstrahlpumpe und/oder eine Venturipumpe und/oder einer Düse.
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Da das Kraftstofffördersystem neben der Haupt-Kraftstoffförderpumpe auch Nebenpumpen aufweist, die beispielsweise für die Filterung oder die Ansaugung des Kraftstoffs notwendig sind, wirkt sich eine Druckveränderung auch insbesondere auf diese Nebenpumpen aus. Insgesamt ist daher eine Berücksichtigung dieses druckabhängigen Verhaltens vorteilhaft, um die Güte des ermittelten Wertes für die Soll-Drehzahl möglichst hoch zu halten.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die ermittelte Soll-Drehzahl für den Elektromotor in einen PID-Regler als Eingangsgröße gegeben wird und der Elektromotor über den PID-Regler angesteuert wird.
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Ein PID-Regler kann vorteilhaft eine schnelle Regelung mit hoher Regelgüte erreichen. Die mit einer hohen Genauigkeit ermittelte Soll-Drehzahl kann daher auf einfache Weise gut und zuverlässig erreicht werden, indem der Regler abhängig von der jeweiligen Soll-Drehzahl eine geeignete Stromstärke zum Ansteuern des Elektromotors wählt.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn der Ist-Druck durch einen Drucksensor ermittelt wird oder dadurch, dass der Ist-Druck durch ein Berechnungsverfahren und/oder Vergleichsverfahren ermittelt wird.
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Je nach Aufbau des Kraftstofffördersystems kann die Ermittlung des im Kraftstofffördersystem herrschenden Drucks vorteilhaft mit einem dedizierten Drucksensor erfolgen oder ohne Drucksensor unter der Verwendung von Berechnungsverfahren und/oder Vergleichsverfahren.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein Blockschaltbild, in welchem der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens verdeutlicht wird,
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2 ein Diagramm, welches ein Kennfeld für das geförderte Volumen über der Drehzahl zeigt, wobei im Koordinatensystem Isobaren eingezeichnet sind,
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3 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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4 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung einer weiteren alternativen Ausgestaltung des Verfahrens.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt ein Blockschaltbild 1, welches den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens widerspiegelt. Über die Blöcke 2, 3 und 4 werden jeweils Eingangsgrößen in das Verfahren eingegeben, die in den nachfolgenden Blöcken 5 und 6 verarbeitet werden. Über den Block 7 wird schließlich eine erzeugte Ausgangsgröße ausgegeben.
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Der Block 2 stellt als Eingangsgröße den aktuellen Ist-Druck zum Zeitpunkt der Datenerhebung dar. Der Ist-Druck kann sowohl klassisch durch einen Drucksensor bestimmt werden als auch durch ein Berechnungsverfahren oder durch Vergleichsverfahren bestimmt werden. Über den Block 3 wird als weitere Eingangsgröße die aktuelle Ist-Drehzahl eingegeben, die der Drehzahl entspricht, die am Elektromotor beziehungsweise des Pumpwerks zu dem Zeitpunkt anlag, zu dem auch der Ist-Druck ermittelt wurde.
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Über die Signalleitungen 8 und 9 werden die Eingangsgrößen dem Block 5 zugeführt. Im Block 5 wird aus dem Ist-Druck und der Ist-Drehzahl unter Zuhilfenahme bekannter Kennfelder, die das jeweilige Kraftstofffördersystem abbilden, ein Ist-Volumen bestimmt, das bei gegebener Ist-Drehzahl und gegebenem Ist-Druck durch das Kraftstofffördersystem gefördert wird.
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Das Ist-Volumen wird über die Signalleitung 11 an den Block 6 weitergeführt.
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In den Block 6 geht über die Signalleitung 10 außerdem die aus dem Block 4 stammende Eingangsgröße des Soll-Drucks ein, welche den anvisierten Zieldruck beschreibt. Im Block 6 wird unter Zuhilfenahme des Ist-Volumens aus Block 5 und dem Soll-Druck eine Soll-Drehzahl ermittelt, die über die Signalleitung 12 schließlich über Block 7 als Ausgangsgröße ausgegeben wird. Die Ermittlung der Soll-Drehzahl kann ebenso über ein Kennfeld unter Kenntnis des Ist-Volumens und des Soll-Drucks erfolgen. Im Idealfall kann sogar das gleiche Kennfeld in Block 6 herangezogen werden, das auch in Block 5 bereits verwendet wurde.
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Das Ist-Volumen wird im Verfahren nach 1 als Zwischengröße erzeugt, wobei das Ist-Volumen auf Basis von Werten ermittelt wird, die eine hohe Genauigkeit aufweisen. Die Verwendung des Ist-Volumens ist besonders vorteilhaft, da direkt das physikalische Verhalten der Pumpe berücksichtigt wird. Auch kann durch eine zusätzliche Volumenadaption, wie sie im Ausführungsbeispiel der 4 gezeigt ist, eine Anpassung an die jeweils verwendete Regelstrecke und insbesondere an deren physikalischen Eigenschaften erfolgen.
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2 zeigt ein Diagramm 20, welches insbesondere ein Kennfeld darstellt, wie es für die Ermittlung des Ist-Volumens in Block 5 der 1 und die Ermittlung der Soll-Drehzahl in Block 6 der 1 verwendet wurde. Das Diagramm 20 ist beispielhaft und repräsentiert eine mögliche Konfiguration eines Kraftstofffördersystems.
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Mit dem Bezugszeichen 21 ist die X-Achse bezeichnet, auf welcher die Umdrehungen des Elektromotors pro Minute abgetragen sind. Es kann sich hierbei auch um die Drehzahl des Pumpwerks der Kraftstoffförderpumpe handeln. Im Regelfall sind diese Drehzahlen im Wesentlichen identisch, da das Pumpwerk gewöhnlich ohne Getriebeübersetzung direkt von dem Elektromotor angetrieben wird.
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Mit dem Bezugszeichen 22 ist die Y-Achse bezeichnet, auf welcher das geförderte Volumen in l/h abgetragen ist. In dem durch die Achsen 21, 22 aufgespannten Quadraten ist eine Mehrzahl von Geraden 23 dargestellt, die Isobaren bilden. Entlang einer jeden der Geraden 23 herrscht somit der gleiche Druck im Kraftstofffördersystem vor. Entlang des Pfeils 24 nimmt der jeweilige Druck der Isobaren 23 zu.
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Ausgehend von einer Ist-Drehzahl, die beispielsweise durch den Punkt 28 dargestellt ist, kann aus dem Diagramm 20 bei bekanntem Ist-Druck 25 der Arbeitspunkt bestimmt werden, welchem ein Ist-Volumen entsprechend des Punktes 27 zugeordnet ist. Dieses Ist-Volumen 27 entspricht somit der Größe, welche in Block 5 der 1 als Ausgangsgröße erzeugt wird und per Signalleitung 11 in den Block 6 überführt wird.
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Ausgehend von dem Ist-Volumen 27 unter Heranziehung des Soll-Drucks 26 aus Block 3 der 1 gelangt man in 2 zu einem Arbeitspunkt, dem die zugehörige Soll-Drehzahl 29 zugeordnet ist. Dieses Verfahren entspricht dem Block 6 der 2.
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Unter Zuhilfenahme eines Kennfeldes, wie es das Diagramm 20 der 2 zeigt, können somit die Ist-Volumen und bei bekanntem Soll-Druck die Soll-Drehzahlen für unterschiedliche Betriebszustände einer Kraftstoffförderpumpe bestimmt werden.
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3 zeigt ein Blockschaltbild 30, wobei über die Blöcke 31, 32 und 33 die Eingangsgrößen zur Verfügung gestellt werden. Von Block 36 wird die Ausgangsgröße ausgegeben. In Block 34 findet die Ermittlung des Ist-Volumens statt, welches in Block 35 zu einer Soll-Drehzahl verarbeitet wird. Die Eingangsgrößen werden über die Signalleitungen 37, 38 und 39 auf die Blöcke 34 und 35 verteilt. Der Aufbau des Blockschaltbildes 30 gleicht in weiten Teilen dem Blockschaltbild 1 der 1. Abweichend zur 1 wird über den Block 32 als Eingangsgröße nicht die Ist-Drehzahl zugeführt, sondern die Ist-Stromstärke, mit welcher der Elektromotor zu dem betrachteten Zeitpunkt bestromt wird.
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Bei einem bekannten Kraftstofffördersystem kann aus der Stromstärke, mit welcher der Elektromotor angesteuert wird, auch auf die Drehzahl des Elektromotors geschlossen werden. Die Stromstärke bildet somit eine gegen die Drehzahl austauschbare Größe. Beide Größen können im erfindungsgemäßen Verfahren gleichbedeutend verwendet werden.
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Wie in 1 wird das ermittelte Ist-Volumen über eine Signalleitung 40 zum Block 35 geführt, wo unter Zuhilfenahme des Soll-Drucks eine Soll-Drehzahl ermittelt wird, die als Grundlage für eine Ansteuerung des Elektromotors ausgegeben wird.
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4 zeigt eine alternative Ausgestaltung eines Blockschaltbildes 50, welches das erfindungsgemäße Verfahren in erweiterter Form abbildet.
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Über die Blöcke 51, 52 und 53 werden die Eingangsgrößen Ist-Druck, Ist-Drehzahl und Soll-Druck zugeführt. In Block 54 werden der Ist-Druck und die Ist-Drehzahl, welche entlang der Signalleitung 59 in den Block 54 geführt wird, zu einem Ist-Volumen verarbeitet. Das Ist-Volumen wird dann über die Signalleitung 61 in den Block 55 geleitet, wo es unter Einbeziehung des Ist-Drucks, der über die Signalleitung 58 zugeführt wird, und des Soll-Drucks, der über die Signalleitung 60 zugeführt wird, zu einem adaptierten Ist-Volumen verarbeitet wird. Über die Adaption im Block 55 soll eine Fehlerkorrektur des ermittelten Ist-Volumens stattfinden. Außerdem können die Einflüsse weiterer sich auf das Ist-Volumen auswirkender Störgrößen ebenfalls im Block 55 eliminiert werden. Insbesondere die Eigenschaft, dass sich das Volumen mit dem Druck verändert kann so ausgeglichen werden.
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Das adaptierte Ist-Volumen wird dann über die Signalleitung 62 in den Block 56 zugeführt, wo unter Zuhilfenahme des Soll-Drucks eine Soll-Drehzahl analog der Ausführungsbeispiele der 1 und 3 ermittelt wird. Diese Soll-Drehzahl wird über die Signalleitung 63 an den Block 57 als Ausgangsgröße ausgegeben.
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Die Ausgangsgrößen, die über die Blöcke 7, 36 und 57 ausgegeben werden, können direkt in ein Steuergerät gegeben werden, welches die Ansteuerung des Elektromotors veranlasst. Insbesondere können die Ausgangsgrößen auch in einen klassischen PID-Regler gegeben werden, der die Soll-Drehzahl in einen jeweiligen Ansteuerstrom verwandelt und dem Elektromotor zuführt.
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Es sind auch Kombinationen der Ausführungsbeispiele der 1, 3 und 4 vorsehbar. Insbesondere kann als eine der Eingangsgrößen in 4 auch der Ist-Strom verwendet werden, wie er beispielsweise in 3 verwendet wird.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 4 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Blockdiagramm
- 02
- Block
- 03
- Block
- 04
- Block
- 05
- Block
- 06
- Block
- 07
- Block
- 08
- Signalleitung
- 09
- Signalleitung
- 10
- Signalleitung
- 11
- Signalleitung
- 12
- Signalleitung
- 20
- Diagramm
- 21
- X-Achse [rpm]
- 22
- Y-Achse [l/h]
- 23
- Isobaren
- 24
- Pfeil
- 25
- Ist-Druck
- 26
- Soll-Druck
- 27
- Ist-Volumen
- 28
- Ist-Drehzahl
- 29
- Soll-Drehzahl
- 30
- Blockschaltbild
- 31
- Block
- 32
- Block
- 33
- Block
- 34
- Block
- 35
- Block
- 36
- Block
- 37
- Signalleitung
- 38
- Signalleitung
- 39
- Signalleitung
- 40
- Signalleitung
- 41
- Signalleitung
- 50
- Blockschaltbild
- 51
- Block
- 52
- Block
- 53
- Block
- 54
- Block
- 55
- Block
- 56
- Block
- 57
- Block
- 58
- Signalleitung
- 59
- Signalleitung
- 60
- Signalleitung
- 61
- Signalleitung
- 62
- Signalleitung
- 63
- Signalleitung
