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Die Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpe zum Fördern von Kraftstoff von einem Kraftstofftank zu einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die Kraftstoffpumpe weist ein Gehäuse auf, in welchem eine elektrische Maschine zum Fördern des Kraftstoffs angeordnet ist, wobei die elektrische Maschine beim Fördern des Kraftstoffs von einem Fluidstrom des Kraftstoffs durchspült wird. Zu der Erfindung gehören auch ein Kraftfahrzeug mit der Kraftstoffpumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben der Kraftstoffpumpe.
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Eine Kraftstoffpumpe der genannten Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 018 603 A1 bekannt. Diese Kraftstoffpumpe weist eine Kraftstoffpumpenelektronik oder Steuerschaltung auf, mittels welcher eine Förderleistung der Kraftstoffpumpe zum adaptiven Versorgen der Verbrennungskraftmaschine gesteuert oder geregelt wird. Zum Einstellen der Förderleistung wird eine Drehzahl der elektrischen Maschine auf eine Soll-Drehzahl eingeregelt. Um die Ist-Drehzahl zu kennen, kann eine separate Drehzahlerfassung vorgesehen sein. Dies ist aber aufwendig, da die mit der Drehzahl rotierenden Teile der Kraftstoffpumpe vorzugsweise in dem Gehäuse gekapselt sind, um einen Austritt von Kraftstoff zu vermeiden. Das Vorsehen einer separaten Drehzahlerfassung bedingt deshalb, dass die Welle des Rotors der elektrischen Maschine aus dem Gehäuse herausgeführt werden muss, um dort dann die Drehzahl der Welle erfassen zu können.
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Aus der
EP 1 281 860 A2 ist bekannt, eine Hochdruckpumpe zum Fördern von Kraftstoff über eine Welle mit einer Verbrennungskraftmaschine zu koppeln, sodass die Drehzahl der Hochdruckpumpe mit der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine korreliert. Es sind dann ein Drehwinkelsensor und ein Drehzahlsensor für die Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt, mit denen dann auch auf die Drehlage der Kraftstoffpumpe rückgeschlossen werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fördermenge eines Kraftstoffs präzise einstellen zu können.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung und die Figur.
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Durch die Erfindung ist eine Kraftstoffpumpe zum Fördern von Kraftstoff von einem Kraftstofftank zu einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt. In der beschriebenen Weise ist bei der Kraftstoffpumpe die elektrische Maschine zum Fördern des Kraftstoffs in ein Gehäuse integriert und wird dort von dem Fluidstrom des Kraftstoffs durchspült oder umspült. Es ist ein Gehäuse mit einem Saug-Anschluss zum fluidischen Koppeln der Kraftstoffpumpe mit dem Kraftstofftank und mit einem Pump-Anschluss zum fluidischen Koppeln der Kraftstoffpumpe mit der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen. Die elektrische Maschine ist zum Fördern des Kraftstoffs von dem Saug-Anschluss zu dem Pump-Anschluss in dem Gehäuse derart angeordnet, dass sie beim Fördern des Kraftstoffs von dem Fluidstrom des Kraftstoffs durchspült oder umspült wird.
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Um die elektrische Maschine präzise regeln zu können, sodass die geförderte Kraftstoffmenge eingestellt werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Kraftstoffpumpe zumindest ein Drehsensor zum Erfassen einer Drehzahl und/oder Drehlage eines Rotors der elektrischen Maschine bereitgestellt ist. Der zumindest eine Drehsensor ist hierbei jeweils gekapselt, das heißt er weist eine Kapselung als Schutz gegen den Kraftstoff auf. Der zumindest eine Sensor ist in dem Gehäuse dabei derart angeordnet, dass er beim Fördern des Kraftstoffs in Kontakt mit dem Fluidstrom ist. Mit anderen Worten ist bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe zumindest ein Drehsensor in dem Gehäuse integriert, sodass eine Welle des Rotors nicht aus dem Gehäuse herausgeführt werden muss, um die Drehzahl des Rotors außerhalb des Gehäuses erfassen zu können. Damit der zumindest eine Drehsensor der zersetzenden Wirkung z.B. der Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffs widerstehen kann, ist die Kapselung vorgesehen, sodass die eigentliche Sensoreinheit jedes Drehsensors selbst nicht in spezifischer Weise resistent ausgestaltet sein muss. Stattdessen kann eine herkömmliche Sensoreinheit verwendet werden, die durch die Kapselung gegen den Kraftstoff geschützt ist.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Kraftstoffpumpe über einen großen Drehzahlbereich hinweg, insbesondere bei geringen Drehzahlen, beispielsweise beim Anlaufen der Kraftstoffpumpe, durch die nun verfügbare Information über die Drehzahl und/oder Drehlage des Rotors präzise und insbesondere stabil geregelt werden kann. Dabei bleibt dennoch die Dichtigkeit der Kraftstoffpumpe erhalten, da keine drehenden Teile aus dem Gehäuse herausgeführt werden müssen, sondern die Erfassung der Drehzahl und/oder Drehlage im Inneren des Gehäuses unmittelbar an vom Fluidstrom erfassten drehenden Teilen erfolgen kann.
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Zu der Erfindung gehören auch optionale Weiterbildungen, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Kapselung durch einen Verguss der jeweiligen Sensoreinheit des Drehsensors mit einer Vergussmasse bereitgestellt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Kapselung nachträglich erfolgen kann, nachdem eine Sensoreinheit, insbesondere eine herkömmliche Sensoreinheit, in der gewünschten Weise zum Erfassen der Drehzahl und/oder Drehlage verkabelt worden ist. Aus dem Verguss können dann die benötigten Anschlusskabel herausgeführt sein. Mit nachträglich ist hierbei zum einen gemeint, dass die Sensoreinheit vergossen wird und anschließend in das Gehäuse eingebaut wird, oder sogar auch die Sensoreinheit in dem Gehäuse erst eingebaut wird und nach dem Befestigen der Sensoreinheit in dem Gehäuse die Vergussmasse aufgebracht wird.
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Als Vergussmasse hat sich insbesondere Glas oder ein Polymer bewährt. Glas, insbesondere Glas auf Siliziumbasis, ist gegen Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffs besonders resistent. Ein optischer Drehsensor kann mittels eines transparenten Glases geschützt werden. Ein Polymer weist den Vorteil auf, dass es eine geringe spezifische Dichte aufweist, sodass die Kraftstoffpumpe durch den Verguss dennoch leichtbauend ausgestaltet werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit der Kapselung ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung gegeben, indem die jeweilige Sensoreinheit zumindest eines Drehsensors auf der Grundlage einer Sperrschichtfolie gekapselt ist, die für Benzin und/oder Dieselkraftstoff impermeabel oder undurchlässig ist. Hierdurch kann eine besonders dünne Trennschicht zwischen Sensoreinheit einerseits und dem zu erfassenden, rotierenden Teil der Kraftstoffpumpe andererseits bereitgestellt werden, sodass die Sensoreinheit besonders nahe an dem rotierenden Teil angeordnet werden kann und hierdurch besonders zuverlässige und/oder rauscharme Sensorsignale erzeugt werden können.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zumindest eine Drehsensor zumindest eine Hall-Sensoreinheit und/oder zumindest eine optische Sensoreinheit und/oder zumindest eine Kodierscheibe aufweist. Ein Hall-Sensor weist den Vorteil auf, dass mit ihm die Erfassung der Drehzahl und/oder Drehlage unabhängig von einer Trübung des Kraftstoffs erfolgen kann. Eine optische Sensoreinheit weist den Vorteil auf, dass die Erfassung der Drehzahl und/oder Drehlage unabhängig von einem magnetischen Streufeld der elektrischen Maschine erfolgen kann. Eine Kodierscheibe weist den Vorteil auf, dass die Drehlage des Rotors besonders präzise erfasst werden kann.
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Für eine ausfallsichere und/oder gegen Störungen robuste Erfassung der Drehzahl und/oder Drehlage sieht eine Weiterbildung vor, dass mehrere Drehsensoren unterschiedlicher Erfassungstechnologie bereitgestellt sind, also beispielsweise ein Drehsensor mit einer Hall-Sensoreinheit und ein Drehsensor mit einer optischen Sensoreinheit.
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Die Erfindung umfasst auch mehrere Weiterbildungen, die die Steuerung der elektrischen Maschine durch eine Kraftstoffpumpenelektronik betreffen.
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Eine Weiterbildung sieht vor, dass eine Kraftstoffpumpenelektronik zum Betreiben eines Stators der elektrischen Maschine mittels eines elektrisches Versorgungsstroms vorgesehen ist und die Kraftstoffpumpenelektronik dazu eingerichtet ist, den Versorgungsstrom in Abhängigkeit von einem jeweiligen Sensorsignal des zumindest einen Drehsensors zu regeln. Hierdurch erfolgt also eine Drehzahlregelung. Bevorzugt ist hierzu als elektrische Maschine eine elektronisch kommutierte (EC – electronically commutated) elektrische Maschine vorgesehen, insbesondere eine Synchronmaschine.
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Eine Weiterbildung der Erfindung nutzt dabei alle Phasen der elektrischen Maschine für den Antrieb, das heißt es wird keine Phase zur Drehzahldetektion genutzt, was im Stand der Technik nötig ist, wenn kein Drehsensor in der Kraftstoffpumpe vorgesehen werden kann. Mit anderen Worten ist bei der Weiterbildung vorgesehen, dass der Stator drei oder mehr Phasen aufweist und die Kraftstoffpumpenelektronik dazu eingerichtet ist, zum Betreiben des Stators alle Phasen in bekannter Weise mit dem Versorgungsstrom zu beaufschlagen. Hierdurch kann beispielsweise eine reine Synchronmaschine betrieben werden, da alle Phasen für den Antrieb zur Verfügung stehen.
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Durch das Vorsehen zumindest eines Drehsensors ist insbesondere die Möglichkeit gegeben, auch bei niedrigen Drehzahlen eine Fördermenge präzise einzustellen. Hierzu sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass die Kraftstoffpumpenelektronik dazu eingerichtet ist, auf der Grundlage des zumindest einen Sensorsignals dauerhaft eine Drehzahlregelung des Rotors in einem Drehzahlbereich durchzuführen, der einem Fluidstrom mit einer Fördermenge von weniger als 70 Liter pro Stunde entspricht. Hierdurch kann mittels der Kraftstoffpumpe auch bei einem sparsamen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine dennoch ein regelmäßiger Motorlauf der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe handelt es sich insbesondere um eine Niederdruckpumpe, das heißt bevorzugt ist die Kraftstoffpumpenelektronik dazu eingerichtet, auf der Grundlage des zumindest einen Sensorsignals den Fluidstrom mit einem Förderdruck von weniger als 10 bar zu erzeugen.
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Wie bereits ausgeführt, umfasst die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einem Kraftstofftank und einer Verbrennungskraftmaschine, die beide über eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kraftstoffpumpe gekoppelt sind.
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Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe, um Kraftstoff von einem Kraftstofftank zu einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zu fördern. In der beschriebenen Weise ist das Gehäuse der Kraftstoffpumpe mit dem Sauganschluss und dem Pump-Anschluss bereitgestellt. Eine elektrische Maschine fördert Kraftstoff von dem Saug-Anschluss zu dem Pump-Anschluss. Die elektrische Maschine ist dabei in der beschriebenen Weise in dem Gehäuse angeordnet und wird beim Fördern des Kraftstoffs von dem Fluidstrom des Kraftstoffs durchspült oder umspült. In dem Gehäuse ist zumindest ein Drehsensor zum Erfassen einer Drehzahl und/oder Drehlage eines Rotors der elektrischen Maschine bereitgestellt und der zumindest eine Drehsensor weist eine Kapselung als Schutz gegen den Kraftstoff auf und ist beim Fördern des Kraftstoffs in Kontakt mit dem Fluidstrom.
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Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt die einzige Figur (Fig.) eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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Die Figur zeigt ein Kraftfahrzeug 1, bei dem es sich beispielsweise um einen Kraftwagen, insbesondere um einen Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, handeln kann. Dargestellt sind ein Kraftstofftank 2 und eine Verbrennungskraftmaschine 3. In dem Kraftstofftank 2 kann ein Kraftstoff 4 vorrätig gehalten werden, beispielsweise Benzin oder Dieselkraftstoff. Zum Fördern des Kraftstoffs 4 aus dem Kraftstofftank 2 hin zur Verbrennungskraftmaschine 3 ist eine Kraftstoffpumpe 5 bereitgestellt. Von der Kraftstoffpumpe 5 sind ein Gehäuse 6 und eine Kraftstoffpumpenelektronik oder kurz Steuereinheit 7 dargestellt. Die Steuereinheit 7 ist über Kabel 8 mit dem Gehäuse 6 verschaltet. Das Gehäuse 6 weist einen Saug-Anschluss 9 und einen Pump-Anschluss 10 auf. Um von dem Saug-Anschluss 9 Kraftstoff 4 zum Pump-Anschluss 10 zu fördern, ist in dem Gehäuse 6 eine elektrische Maschine 11 mit einem Stator 12 und einem Rotor 13 bereitgestellt. Bei der elektrischen Maschine 11 handelt es sich insbesondere um eine EC-Maschine, bevorzugt eine Synchronmaschine. Die Steuereinheit 7 kann den Stator 12 in an sich bekannter Weise über die Kabel 8 mit einem elektrischen Versorgungsstrom I versorgen und hierdurch den Rotor 13 in Rotation versetzen, wodurch eine Pumpenstufe 14 in Rotation versetzt wird und in bekannter Weise einen Fluidstrom 15 in dem Gehäuse 6 erzeugt, der von dem Saug-Anschluss 9 zum Pump-Anschluss 10 fließt.
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Für eine Drehzahlregelung ist in dem Gehäuse 6 ein Drehsensor 16 bereitgestellt, dessen Sensorsignal 17 von der Steuereinheit 7 empfangen wird und zum Stellen des Versorgungsstromes I verwendet wird.
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Anstelle des gezeigten einzelnen Drehsensors 16 können auch mehrere Drehsensoren bereitgestellt sein.
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Mit anderen Worten ist also bei der Kraftstoffpumpe 5 die Implementierung eines oder mehrerer Drehsensoren, insbesondere Drehzahlsensoren, vorgesehen. Jeder der Drehsensoren ist mit einer Kapselung 18 gekapselt und somit dicht gegenüber dem Kraftstoff 4. Hierdurch ist jeder Drehsensor vor Beschädigungen geschützt, beispielsweise chemische Angriffe und/oder Reaktionen mit dem Kraftstoff 4. Somit kann der Drehsensor 16 im Betrieb der Kraftstoffpumpe 5 mit Kraftstoff 4 umspült werden. Als Kapselung 18 kann beispielsweise vorgesehen sein, dass jede Sensoreinheit 19 jedes Drehsensors 16 in Glas oder Kunststoff vergossen ist oder mittels einer Sperrschichtfolie vom Kraftstoff 4 abgeschirmt oder getrennt ist. Als gekapselte Sensoreinheit 19 eines Drehzahlsensors 16 kann dabei beispielsweise ein Hall-Sensor oder ein optischer Sensor vorgesehen sein.
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Die Auswertung des Sensorsignals 17 erfolgt über die Kraftstoffpumpenelektronik oder Steuereinrichtung 7. Diese kann beispielsweise auf der Grundlage eines Mikrocontrollers realisiert sein. Da eine Drehzahl und/oder Drehlage des Rotors 13 bezüglich des Stators 12 mittels des Drehsensors 16 und gegebenenfalls mittels eines oder mehrerer weiterer Drehsensoren ermittelt werden kann, kann die Ansteuerung des Stators 12 über alle seine elektrischen Phasen erfolgen, da keine Phase für eine Drehzahlerkennung benötigt wird.
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Insgesamt ergibt sich eine verbesserte Regelstabilität gegenüber einer bloßen Schätzung der Drehzahl und/oder Drehlage. Dies macht sich insbesondere bei geringen Drehzahlen bemerkbar, also beim Pumpenanlauf, und bei einer Variation der Randbedingungen, beispielsweise einer veränderten Viskosität des Kraftstoffs, einer veränderten Temperatur und/oder einem veränderten Druck. Somit ist die Kraftstoffpumpe 5 auch in ihrer Robustheit gesteigert, da die Ansteuerung der elektrischen Maschine 11 veränderte Randbedingungen berücksichtigen kann. Durch die stets bekannte Drehzahl und/oder Drehlage ist eine Regelbarkeit bis zu sehr kleinen Drehzahlen, beispielsweise kleiner als 20 Umdrehungen pro Minute, möglich und damit das Fördern eines kleinen Volumenstroms bei präziser Einstellung der Fördermenge. Da alle Phasen des Stators genutzt werden können, ergibt sich auch eine Erhöhung des Wirkungsgrades im Vergleich zu einem Stator, bei welchem eine Phase zur Drehzahlmessung genutzt wird. Bei der Kraftstoffpumpe 5 ist auch keine spezifische Anpassung der Steuereinheit 7 nötig, sodass eine universelle Kraftstoffpumpenelektronik möglich ist und auch ein Austausch der Kombination aus Gehäuse 6 mit elektrischer Maschine 11 einerseits und einer Kraftstoffpumpenelektronik 7 andererseits.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein Drehsensor für eine elektronisch kommutierte (EC) Kraftstoffpumpe bereitgestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Kraftstofftank
- 3
- Verbrennungskraftmaschine
- 4
- Kraftstoff
- 5
- Kraftstoffpumpe
- 6
- Gehäuse
- 7
- Steuereinheit
- 8
- Kabel
- 9
- Saug-Anschluss
- 10
- Pump-Anschluss
- 11
- elektrische Maschine
- 12
- Stator
- 13
- Rotor
- 14
- Pumpenstufe
- 15
- Fluidstrom
- 16
- Drehsensor
- 17
- Sensorsignal
- 18
- Kapselung
- 19
- Sensoreinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008018603 A1 [0002]
- EP 1281860 A2 [0003]
