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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Drucks in einem Fluidfördersystem, mit einer Fluidförderpumpe und mit einem Elektromotor, wobei die Fluidförderpumpe durch den Elektromotor antreibbar ist und der Elektromotor durch ein Ansteuersignal ansteuerbar ist.
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Stand der Technik
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Fluidfördersysteme, wie beispielsweise Kraftstofffördersysteme, werden zur Förderung von einem Fluid eingesetzt. Im Falle eines Kraftstofffördersystems wird Kraftstoff aus einem Kraftstofftank zu einem Verbrennungsmotor gefördert. Hierzu weisen Fluidfördersysteme regelmäßig eine Fluidförderpumpe auf, die von einem Elektromotor angetrieben werden kann. Der Elektromotor kann durch unterschiedliche Ansteuersignale derart angesteuert werden, dass sich unterschiedliche Drehzahlen am Elektromotor einstellen. Über die Drehzahl des Elektromotors und damit über die Drehzahl der Fluidförderpumpe kann das jeweils geförderte Fluidvolumen genau festgelegt werden. Dieses Funktionsprinzip ist auch in Fluidfördersysteme, die beispielswiese zur Förderung von Wasser oder Öl eingesetzt werden, realisiert.
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Zusätzlich zu der Drehzahl der Fluidförderpumpe sind auch die durch die Bauart der Fluidförderpumpe und des restlichen Fluidfördersystems entstehenden Einflüsse zu berücksichtigen, um die geförderte Fluidmenge exakt zu bestimmen. Einer der wichtigsten Einflussfaktoren ist der sich im Fluidfördersystem einstellende Druck, gegen den die Fluidförderpumpe fördern muss.
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Der Druck im Fluidfördersystem ist daher ein wichtiger Einflussfaktor, der vorteilhafterweise bekannt ist, um einen möglichst optimalen und energieeffizienten Betrieb des Fluidfördersystems zu ermöglichen.
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Im Stand der Technik sind einerseits Vorrichtungen bekannt, die den Druck durch einen dedizierten Drucksensor erfassen, und andererseits Verfahren, die eine drucksensorlose Ermittlung des Drucks ermöglichen.
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Vorrichtungen mit einem zusätzlichen Drucksensor weisen eine höhere Komplexität auf und sind aufgrund des Drucksensors und der zu seinem Betrieb benötigten Elemente nicht kostenoptimal.
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Die zur Bestimmung des Drucks in einem sensorlosem Fluidfördersystem bekannten Verfahren sind oftmals ungenau oder verursachen einen hohen Rechenaufwand, weswegen die Rechenzeit sehr hoch ist, wodurch es zu einem großen zeitlichen Versatz zwischen dem tatsächlich auftretenden Druck im Fluidfördersystem und dem berechneten Druck kommen kann. Dies ist insbesondere nachteilig, da dies zu einem weniger effizientem Betrieb des Fluidfördersystems führen kann oder sogar zu einer Fehlsteuerung infolge eines falschen Drucks.
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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 in einem drucksensorlosen Fluidfördersystem eine optimierte Ermittlung des im Fluidfördersystem herrschenden Drucks erlaubt.
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Im Nachfolgenden wird stets ein Fluidfördersystem in seiner für unterschiedliche Fluide geeigneten allgemeinen Form beschrieben. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung eines Fluidfördersystems ist ein Kraftstofffördersystem, welches zur Förderung von Kraftstoff aus einem Kraftstofftank hin zu einem Verbrennungsmotor verwendet wird. Die hierzu verwendete Kraftstoffförderpumpe ist bevorzugt besonders auf den Einsatz in einem korrosiven Medium wie Kraftstoff ausgelegt. Die im Nachfolgenden gemachten Aussagen und die beschriebenen Merkmale sind insbesondere auf ein als ein Kraftstofffördersystem ausgebildetes Fluidfördersystem übertragbar.
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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 Ermittlung des Drucks in einem Fluidfördersystem, mit einer Fluidförderpumpe und mit einem Elektromotor, wobei die Fluidförderpumpe durch den Elektromotor antreibbar ist und der Elektromotor durch ein Ansteuersignal ansteuerbar ist, wobei die nachfolgenden Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- – Ermitteln der elektrischen Leistung des Elektromotors,
- – Berechnen des Drehmoments des Elektromotors unter Verwendung der ermittelten elektrischen Leistung,
- – Ermitteln des Drucks im Fluidfördersystem unter Zuhilfenahme des Drehmoments.
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Der Druck im Fluidfördersystem ist eine wichtige Größe, um die Fluidförderpumpe zu jeder Zeit möglichst genau ansteuern zu können und somit die geförderte Fluidmenge möglichst genau bestimmen zu können. Dies ist nützlich, um eine bedarfsgerechte Fluidförderung zu gewährleisten. Es ist hierbei besonders vorteilhaft, wenn der Druck möglichst genau mit einem möglichst kurzen Zeitversatz ermittelt werden kann. Dies erhöht die Regelgüte des Fluidfördersystems, wodurch insgesamt ein energieeffizienter Betrieb des Fluidfördersystems erreicht werden kann.
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Die Fluidförderpumpe weist eine Pumpenstufe auf, die durch den Elektromotor angetrieben werden kann, wodurch im Falle eines Kraftstofffördersystems der Kraftstoff aus dem Kraftstofftank hin zum Verbrennungsmotor gefördert werden kann.
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Die Verwendung eines Verfahrens, welches keine Werte aus einem Drucksensor benötigt, ist vorteilhaft, da die Systemkomplexität verringert werden kann und das Fluidfördersystem außerdem kostengünstiger hergestellt werden kann. Die Bestimmung der elektrischen Leistung des Elektromotors zum jeweils betrachteten Zeitpunkt kann durch eine bekannte Leistungsmessvorrichtung erfolgen oder alternativ aus bekannten Zustandsgrößen des Fluidfördersystems und insbesondere des Elektromotors errechnet werden.
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Die ermittelte elektrische Leistung des Elektromotors kann in einem weiteren Schritt hin zum Drehmoment des Elektromotors aufgelöst werden. Alternativ kann auch eine Messung des Drehmoments durch eine geeignete und bekannte Messvorrichtung erfolgen.
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Für Fluidfördersysteme hat sich gezeigt, dass das Drehmoment des Elektromotors, welcher die Fluidförderpumpe antreibt, in einem im Wesentlichen proportionalen Verhältnis zum Druck im Fluidfördersystem steht. Der genaue Zusammenhang zwischen dem Druck und dem Drehmoment ist spezifisch für jedes Fluidfördersystem und kann entweder durch empirische Versuchsreihen bestimmt werden oder durch eine geeignete Simulation ermittelt werden. Unter Kenntnis der jeweiligen Drehzahl des Elektromotors beziehungsweise der Fluidförderpumpe und dem jeweiligen Drehmoment kann so der Druck im Fluidfördersystem genau bestimmt werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Drehmoment aus der elektrischen Leistung unter Zuhilfenahme der Gleichung Pel = 2·π·n·M ermittelt wird. Dieser formelmäßige Zusammenhang zwischen der elektrischen Leistung und dem Drehmoment ist eine Grundformel der Physik, die insbesondere bei der Leistungsberechnung bei einer Rotation verwendet wird. Die Variable n steht für die Drehzahl des Elektromotors, die Variable M für das Drehmoment des Elektromotors und π steht für die konstante Kreiszahl.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der Druck im Fluidfördersystem proportional zum Drehmoment des Elektromotors ist. Die Proportionalität ermöglicht die einfache Ermittlung des Drucks mit wenigen Rechenschritten, sofern das Drehmoment bekannt ist. Der Proportionalitätsfaktor ist spezifisch für jedes Fluidfördersystem und kann wahlweise empirisch oder simulativ ermittelt werden. Alternativ kann auch ein anderer mathematischer Zusammenhang zwischen dem Druck im Fluidfördersystem und dem Drehmoment herrschen, der durch geeignete empirische Versuche oder Simulationen ermittelt werden kann.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zusammenhang zwischen dem Drehmoment des Elektromotors und dem im Fluidfördersystem herrschenden Druck über ein für das jeweilige Fluidfördersystem spezifisches Kennfeld hergestellt wird. Die Kennfelder können bevorzugt in einem identischen Vergleichssystem empirisch ermittelt werden oder simulativ erzeugt werden. Die gewonnenen Kennfelder werden bevorzugt in einem für die Ansteuerung des Fluidfördersystems verwendeten Steuergerät hinterlegt, um auf diese zur Ermittlung des Drucks zugreifen zu können.
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Auch ist es zu bevorzugen, wenn das pumpenspezifische Kennfeld das normierte Drehmoment aufweist. Eine Normierung des Drehmoments ist besonders vorteilhaft, um drehzahlbedingte Effekte, wie beispielsweise die Reibung in den Lagern, auszugleichen und somit eine genauere Ermittlung des Drucks vornehmen zu können.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn das Kennfeld das Drehmoment über dem herrschenden Druck im Fluidfördersystem für unterschiedliche Drehzahlen des Elektromotors beziehungsweise der Fluidförderpumpe darstellt. Dies ist vorteilhaft, um auf einfache Weise bei Kenntnis des Drehmoments und der Drehzahl den Druck im Fluidfördersystem bestimmen zu können.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Zusammenhang zwischen dem Drehmoment des Elektromotors und dem im Fluidfördersystem herrschenden Druck durch eine empirisch ermittelte oder mittels Simulation ermittelte Umrechnungsvorschrift ermittelt wird, wobei die Umrechnungsvorschrift spezifisch für das jeweilige Fluidfördersystem oder für einzelne Bestandteile des Fluidfördersystems ist. Die Umrechnungsvorschrift kann beispielsweise durch eine Formel gebildet sein, wobei in die Formel die jeweils bekannten Werte eingesetzt werden können, um den jeweiligen Druck zu erhalten. Alternativ kann auf Grundlage der Umrechnungsvorschrift ein vollständiges Kennfeld erstellt werden, welches die Ermittlung des Drucks erlaubt. Die Umrechnungsvorschrift ist spezifisch für jedes Fluidfördersystem und wird insbesondere durch die verwendete Fluidförderpumpe, die verwendeten Leitungen und die in der Strömungsstrecke des Fluids angeordneten Elemente, wie beispielsweise dem Filter, beeinflusst.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn die elektrische Leistung durch einen Leistungsmesser ermittelt wird oder aus Zustandsgrößen des Elektromotors berechnet wird.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn die Zustandsgrößen durch den zum Elektromotor fließenden Strom und/oder die Drehzahl des Elektromotors und/oder die am Elektromotor anliegende Spannung gebildet sind. Diese Zustandsgrößen sind besonders vorteilhaft, da sie auf einfache Weise ermittelt werden können und eine schnelle und zuverlässige Berechnung der elektrischen Leistung erlauben.
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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 Blockdiagramm zur Verdeutlichung des Verfahrens zur Ermittlung des Drehmoments des Elektromotors aus der elektrischen Leistung des Elektromotors,
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2 ein Diagramm, das ein für ein spezifisches Fluidfördersystem gültiges Kennfeld zeigt, wobei das Drehmoment des Elektromotors über dem Druck im Fluidfördersystem bei verschiedenen Drehzahlen des Elektromotors gezeigt sind,
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3 ein Diagramm, welches die Werte des Kennfeldes der 2 zeigt, wobei das gezeigte Drehmoment normiert ist,
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4 ein Blockschaltbild das neben der in 1 gezeigten Ermittlung des Drehmoments des Elektromotors auch die Ermittlung des Drucks auf Grundlage der in 2 und 3 gezeigten Kennfelder zeigt, und
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5 ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Die 1 zeigt ein Blockschaltbild 1. In dem Blockschaltbild 1 ist die Ermittlung des Drehmoments des Elektromotors aus der elektrischen Leistung des Elektromotors dargestellt. Über den Block 2 wird die zuvor entweder gemessene oder errechnete elektrische Leistung bereitgestellt. Der Wert für die elektrische Leistung kann beispielsweise über den Block 3 auch anderen Anwendungen zur Verfügung gestellt werden.
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Über den Pfad 4 wird der Wert für die elektrische Leistung in den Block 5 geführt. Dort wird der Wert durch eine Konstante geteilt, die aus dem Block 6 in den Block 5 geführt wird. Die Konstante ist durch den Wert 2π gebildet, wobei π die Kreiszahl Pi meint. Im Block 7 wird das Ergebnis der Operation aus Block 5 durch die von außen entlang dem Pfad 8 zur Verfügung gestellte Drehzahl des Elektromotors geteilt. Das aus dem Block 7 ausgegebene Ergebnis entspricht dem Drehmoment des Elektromotors und kann über den Block 9 an weitere Anwendungen weitergegeben werden.
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Das Blockschaltbild 1 entspricht den Rechenoperationen, die notwendig sind, um die Formel Pel = 2·π·n·M zur Errechnung der elektrischen Leistung hin zum Drehmoment umzustellen.
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Die 2 zeigt ein Diagramm 10. Auf der X-Achse 11 ist ein Druck in der Einheit bar abgetragen, wobei im Ausführungsbeispiel der 2 der Druck ausgehend von dem Nullpunkt 13 zunimmt bis acht bar. Auf der Y-Achse 12 ist das Drehmoment des Elektromotors von null im Nullpunkt 13 bis hin zu 0,0045 Ncm am oberen Ende der Y-Achse 12 abgetragen. Die Kurven 14 bis 20 zeigen den Verlauf des Drehmoments über dem Druck für unterschiedliche Drehzahlen. Die Kurve 14 zeigt den Verlauf für 2000 U/min, die Kurve 15 für 3000 U/min, die Kurve 16 für 4000 U/min, die Kurve 17 für 5000 U/min, die Kurve 18 für 6000 U/min, die Kurve 19 für 7000 U/min und die Kurve 20 für 8000 U/min. Die den Kurven 14 bis 20 zugeordneten Drehzahlen sind beispielhaft und charakterisieren insbesondere das durch das Diagramm beschriebene Ausführungsbeispiel. Für jedes spezifische Fluidfördersystem ergibt sich ein eigenes Kennfeld, wobei der qualitative Verlauf des Kennfeldes der 2 auch für ähnlich aufgebaute Fluidfördersysteme gilt.
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Die 3 zeigt ein Diagramm 21, welches ebenfalls auf der X-Achse 22 den Druck in der Einheit bar zeigt und auf der Y-Achse 23 das Drehmoment in der Einheit Ncm. Die Kurvenschar 24 zeigt eine Vielzahl von Kurven, die jeweils für die Drehzahlen stehen, die bereits in 2 erläutert wurden. Auch die 3 ist nur ein spezifisches Ausführungsbeispiel für ein bestimmtes Fluidfördersystem.
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Im Unterschied zur 2 sind die Kurven jedoch über der Drehzahl normiert, was insbesondere für einen Ausgleich der drehzahlbedingten Effekte, wie beispielsweise der Reibung in Lagern, bildet. Dies verbessert auch die Vergleichbarkeit.
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Die 4 zeigt im oberen Bereich das bereits in 1 gezeigte Blockschaltbild 1 zur Ermittlung des Drehmoments aus der elektrischen Leistung. Die Figur zeigt im Blockschaltbild weiter die Ermittlung des in Block 29 ausgegebenen Drucks im Fluidfördersystem. Über den Pfad 25 wird das Drehmoment dem Block 26 zugeführt. Dem Block 26 wird außerdem eine Drehzahl zugeführt, die aus dem Pfad 8 in den Block 27 geleitet wird. Im Block 27 werden die drehzahlbedingten Effekte ausgeglichen. Im Block 26 findet eine Verrechnung des Drehmoments aus Pfad 25 mit der in Block 27 bereinigten Drehzahl statt. Das Ergebnis wird in das in Block 28 abgebildete Kennfeld gegeben. Das Kennfeld entspricht dabei einem der Kennfelder der 2 oder 3. Aus diesem Kennfeld wird schließlich in Block 28 der Druck im Fluidfördersystem ausgelesen und über den Block 29 ausgegeben.
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Die 5 zeigt ein Blockschaltbild 30, welches das erfindungsgemäße Verfahren verdeutlicht. In Block 31 wird die elektrische Leistung des Elektromotors ermittelt. Dies kann mittels eines Messverfahrens geschehen oder durch eine Berechnung.
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In Block 32 wird aus der elektrischen Leistung das Drehmoment unter Anwendung der Formel Pel = 2·π·n·M bestimmt.
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Im Block 33 wird schließlich aus dem Drehmoment unter Zuhilfenahme einer definierten Rechenvorschrift oder unter Zuhilfenahme eines für das jeweilige Fluidfördersystem spezifischen Kennfeldes der Druck im Fluidfördersystem ermittelt.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 5 weisen insbesondere keinen beschränkenden Charakter auf und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens. Sie repräsentieren ein spezifisches Ausführungsbeispiel eines Fluidfördersystems. Der qualitative Verlauf ist für anders ausgebildete Fluidfördersysteme jedoch ähnlich.
