DE102016212104B4

DE102016212104B4 - Verfahren zur Steuerung einer Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE102016212104B4
Application number: DE102016212104.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Ziehr; Freddy Schönwald; Carsten Sczesny; Andreas Kutscherenko
Original assignee: Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2016-07-04
Filing date: 2016-07-04
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2036-07-05
Also published as: WO2018007302A1; DE102016212104A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Vakuumpumpe in der Vakuumversorgung eines Kraftfahrzeugs mit einer Ölversorgung zur Schmierung durch einen Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs, wobei die Vakuumpumpe elektrisch betrieben und mit einer Steuerung verbunden ist, gekennzeichnet durch die Schritte: Detektieren, ob der Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs abgeschaltet wurde (1), Starten der Vakuumpumpe mit einer Drehzahl unter der Arbeits- drehzahl (2), Detektion des aufgebrachten Drehmoments am BLDC-Motor der Vakuumpumpe, Abschalten der Vakuumpumpe bei Erreichung eines Schwellwertes des Drehmoments am BLDC-Motor der Vakuumpumpe.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Steuerung einer elektrisch betriebenen Vakuumpumpe.
Stand der Technik
Um den erhöhten Anforderungen des Klimaschutzes gerecht zu werden, sehen sich die Automobilhersteller gezwungen, die CO₂ Emissionen ihrer Fahrzeugflotten zu reduzieren und so den aufkommenden Normen zu entsprechen. Bis sich der Elektroantrieb technisch und wirtschaftlich nachhaltig darstellen lässt, behält der Verbrennungsmotor wohl seine dominierende Stellung als Antriebsquelle für Pkw und Nutzfahrzeuge. Begleitend zu verschiedenen Maßnahmen sollen die Reibungswiderstände der Verbrennungskraftmaschine bezüglich Wasser- und Vakuumpumpen reduziert werden. Anstatt also einen mit dem Motor mitdrehenden Antrieb für Pumpen zu verwenden, sieht man elektrische Pumpen als Lösung an, die nur bei Bedarf zugeschaltet werden und im Ruhezustand keinerlei zusätzlichen Reibwiderstand aufweisen.
Eine elektrische Vakuumpumpe, EVP deckt dabei unter Umständen den gesamten Vakuumbedarf eines Fahrzeugs ab, speziell in Elektro-, Hybrid- und Dieselfahrzeugen, sowie bei der Benzindirekteinspritzung. Darüber hinaus kommt die EVP zum Einsatz, wenn der Verbrennungsmotor bei z.B. Fahrzeugen mit aus Energieersparnisgründen verkleinerten Motoren kein ausreichendes Vakuum zum Betrieb des Bremskraftverstärkers und unterdruckgesteuerten Aktuatoren liefert.
Durch gesteuerten und abrufbaren Unterdruck unabhängig vom Antriebsstrang, trägt eine EVP zur Reduktion des CO2 Ausstoß konventioneller Verbrennungsmotoren bei. Elektrische Vakuumpumpen werden dabei sehr sparsam dimensioniert, um Gewicht und Materialien einzusparen.
Nasslaufende Vakuumpumpen starten umso schlechter, wenn Öl im Inneren einen definierten maximalen Pegel überschreitet. Dies begründet sich in der Auslegung einer Unterdruckpumpe auf das Arbeitsmedium Luft, wobei Öl für die Schmierung und Dichtung der Pumpen notwendig ist. Das zugeführte Öl hat eine deutlich höhere Viskosität und wird dementsprechend langsamer verdrängt.
In einem Fahrzeug-Vakuumsystem weist die elektrisch betriebene Pumpe lange Stillstandzeiten von bis zu 99% der Motorlaufzeit auf, das heißt der Verbrennungsmotor ist häufig im Betrieb, während die Vakuumpumpe steht.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors wird die Vakuumpumpe mit unter Überdruck stehendem Öl aus dem Verbrennungsmotor versorgt. Wird die Pumpe abgestellt, verbleibt Öl im Arbeitsraum oder läuft sogar noch zu.
Beim nächsten Start der Pumpe muss dann zunächst das angesammelte Öl ausgeschoben werden. Das ist im warmen Zustand noch problemlos möglich, aber in der Situation eines Kaltstartes ein Problem. Kühlen der Motor und die Vakuumpumpe aus, muss die Vakuumpumpe nach dem Start gegen den Widerstand des kalten, hochviskosen Öls arbeiten.
Zur Lösung des Problems gibt es unterschiedliche Ansätze. Baut man ein Ventil zwischen Verbrennungsmotor und Pumpe ein, damit die Ölversorgung bei stehendem Aggregat unterbunden ist, erhöht man die Kosten. Auch eine Dosierschmierung ist nur mit erhöhtem baulichen Aufwand pumpenseitig zu realisieren.
Es sind auch Lösungen mit Ablaufbohrungen im Pumpenraum und am Gehäuse möglich, die aber wiederum die Leitungsfähigkeit der Pumpe beeinträchtigen können.
Aus der DE 10 2012 222 795 A1 ist ein Kraftfahrzeug mit einer Unterdruckpumpe bekannt, wobei die Unterdruckpumpe eine eigene separate Zuleitung von Kühl- und Schmiermittel besitzt und nicht allein über den Antriebsmotor des Fahrzeugs mit Schmiermittel versorgt wird.
DE 10 2015 203 388 A1 zeigt ein Verfahren zum Steuern einer Vakuumpumpe, wobei die Vakuumpumpe nach dem Abstellen des Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs eine definierte Zeit lang betrieben wird. Die reine Regelung nur durch die Zeit ist nicht sicher, da das Austreiben des Öls nicht unter allen Bedingungen erfolgt.
DE 197 05 672 A1 zeigt eine Vakuumpumpe mit einem elektrischen Dreiphasen Antrieb.
DE 60 2004 007 325 T2 zeigt eine elektrisch betriebene Vakuumpumpe, mit einer elektronischen Steuerung versehen ist.
DE 33 35 892A1 zeigt eine Öldruckschmierung einer Vakuumpumpe.
DE10 2014 208 775 A1 zeigt eine Vakuumpumpe mit einem eigenen Ölreservoir unabhängig von der Ölversorgung des Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung den Betrieb einer Vakuumpumpe so zu optimieren, dass ein Kaltstart der Pumpe auch bei kleiner elektrischer Motorleistung ohne Problem möglich ist.
Gelöst wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur Steuerung einer Vakuumpumpe in der Vakuumversorgung eines Kraftfahrzeugs mit einer Ölversorgung zur Schmierung und Dichtung durch einen Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs, wobei die Vakuumpumpe elektrisch betrieben und mit einer Steuerung verbunden ist, wobei folgende Schritte ablaufen: Detektieren, ob der Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs abgeschaltet wurde, Starten der Vakuumpumpe mit einer Drehzahl unter der Arbeitsdrehzahl, Detektion des aufgebrachten Drehmoments am BLDC Motor (Brushless Direct Current = Bürstenloser Gleichstrom) der Vakuumpumpe, Abschalten bei Erreichung eines Schwellwertes des Drehmoments am BLDC Motor der Vakuumpumpe.
Dadurch, dass die Vakuumpumpe nachläuft, wird Öl aus dem Arbeitsraum der Pumpe entfernt, was unter geringer Drehzahl geschehen kann, um keine übermäßigen Geräusche zu erzeugen.
Das Verfahren ist vorteilhafterweise so gestaltet, dass die Detektion der Abschaltung bei Unterbrechung der Zündung beim Abstellen des Antriebsmotors - eines Verbrennungsmotors- des Fahrzeugs oder beim elektrischen Antrieb des Fahrzeugs beim Abstellen des Fahrzeugs erfolgt.
Es ist von Vorteil, wenn mit Betrieb der Vakuumpumpe mit geringer Drehzahl nach Abschaltung des Verbrennungsmotors ein Luftdurchsatz eingestellt wird. Dadurch wird verhindert, dass die langsam laufende Pumpe Unterdruck erzeugt und womöglich wieder Öl ansaugt.
Der Luftdurchsatz wird dabei durch Öffnen geeigneter Zuluftkanäle realisiert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung werden die Zuluftkanäle im Gehäuse der Vakuumpumpe angebracht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht mindestens ein Zuluftkanal aus einem Spülkanal, der mit einer Spülfunktion eines Filters verbunden ist.
Um das Verfahren zu realisieren ist die Steuerung eine eigenständige Pumpensteuerung oder Teil der Steuerung des Fahrzeugs.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben.

1 zeigt einen Verlauf des beispielhaften Verfahrens,
2 zeigt einen Verlauf mit Spülfunktion.

1 zeigt das Verfahren in der einfachsten Ausgestaltung. In Schritt 1 wird der Antriebsmotor vom Fahrer ausgeschaltet und dieser Zustand von der Steuerung des Fahrzeugs detektiert. Mit dem Vorliegen des Zustands „Abschaltung“ der Verbrennungsmaschine oder des Elektromotors in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug wird die Pumpe im Schritt 2 gestartet. Das Abschalten unterscheidet sich von dem Ruhezustand, der in Start-Stopp-Automatiken vorliegt. Das Verfahren wird nicht durch diesen Ruhezustand angetriggert.
Mit der Abschaltung der Antriebsmaschine wird die elektrische Vakuumpumpe gestartet und läuft bei einer minimalen Geschwindigkeit nach, bis das Öl aus der Pumpe gefördert ist, was anhand des Drehmoments des BLDC Motors, der die Vakuumpumpe antreibt, festgestellt werden kann. Dabei wird eine gewisse Restmenge des Öls im noch warmen Zustand aus der Pumpe herausgefördert. Dazu ist es sinnvoll einen gewissen Luftdurchsatz herzustellen. Dies kann mit unterschiedlichen Maßnahmen im Vakuumsystem erfolgen, es müssen nur Zuluftkanäle geöffnet werden.
Eine Möglichkeit zu Realisierung der Zuluft erfolgt dabei innerhalb der Pumpe durch konstruktive Zuluftkanäle im Gehäuse der Pumpe.
Eine weitere Möglichkeit das Verfahren durchzuführen, besteht in der Ausführungsform unter Verwendung einer Rückspülung wie sie in der DE 10 2014 224 750 ausgeführt ist.
In 2 wird das Verfahren schematisch dargestellt, wenn im Fahrzeug eine solche Rückspülfunktion vorhanden ist.
In modernen Kraftfahrzeugen existieren in der Regel Tankentlüftungssysteme. Die im Kraftstofftank entstehenden Kraftstoffdämpfe werden in einen Kraftstoffdampfspeicher geleitet. Der Kraftstoffdampfspeicher weist einen Aktivkohlefilter auf. Im Aktivkohlefilter werden die aus dem Kraftstoff austretenden Kohlenwasserstoffe aufgefangen und zurückgehalten. Sobald die maximale Partikelbeladung erreicht ist, muss der Aktivkohlefilter gespült werden.
Über ein Spülluftventil wird der Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine mit dem Kraftstoffdampfspeicher verbunden und durch Unterdruck einer elektrischen Vakuumpumpe ein Volumenstrom durch den Filter gezogen. Die Kraftstoffdämpfe gelangen so in den Luftansaugbereich des Verbrennungsmotors und werden mitverbrannt, auch wenn der Unterdruck im Ansaugtrakt gering ist.
Um politische Emissionsziele zu erreichen werden oftmals sehr feine Aktivkohlefilter eingesetzt. Diese fungieren aber als Drossel gegenüber der Luftzufuhr, es wird also mehr Unterdruck zur Aufrechterhaltung eines Volumenstroms benötigt. Durch Verringerung des Hubraums in Motoren steht weniger Unterdruck zur Vakuumerzeugung zur Verfügung. Moderne Motoren werden vermehrt mit offenen Drosselklappen betrieben, wodurch weniger Unterdruck für einen Spülvorgang zur Verfügung steht.
Somit muss die Spülluftfunktion über eine elektrische Spülpumpe dargestellt werden. Alternativ wird die Spülfunktion über eine elektrische Vakuumpumpe mit einem zusätzlichen Anschluss an das Spülventil realisiert.
Nachdem im Schritt 1 der Motor abgeschaltet wurde, wird eine Steuerung in Schritt 3 abgefragt, ob eine Spülfunktion integriert ist. Die Steuerung kann in der Gesamtsteuerung des Fahrzeugs integriert oder einer Steuerung des Vakuumsystems sein.
Sollte entsprechend der Bauart des Fahrzeugs keine Spülfunktion vorhanden sein, wird lediglich Schritt 2 ausgeführt und die Pumpe gestartet.
Ist aber eine Spülfunktion in Fahrzeug verbaut und die Steuerung entsprechend eingerichtet, wird in Schritt 4 das Spülventil des Spülkreislaufs geöffnet und die Pumpe dadurch belüftet. Es wird dadurch nur ein geringer Unterdruck aufgebaut.
In Schritt 2 wird wiederum die Pumpe bei einer im Verhältnis zur Arbeitsdrehzahl geringen Drehzahl, beispielsweise bei einer Drehzahl von 1000 rpm gestartet. Durch die Verwendung einer geringeren Drehzahl wird die Pumpe geschont und das Betriebsgeräusch minimiert. Es wird vor allem nur wenig Unterdruck aufgebaut. Die Pumpe arbeitet nur solange wie sie Öl fördern kann. Die Messung des Drehmoments am BLDC Motor der Pumpe über eine Strommessung bei konstanter Spannung ermöglicht die Einstellung eines Schwellwertes. Ist dieser erreicht oder wird unterschritten, da der Motor nicht mehr gegen das Öl im Arbeitsraum der Pumpe arbeiten muss, wird die Pumpe abgestellt.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Vakuumpumpe in der Vakuumversorgung eines Kraftfahrzeugs mit einer Ölversorgung zur Schmierung durch einen Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs, wobei die Vakuumpumpe elektrisch betrieben und mit einer Steuerung verbunden ist, gekennzeichnet durch die Schritte: Detektieren, ob der Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs abgeschaltet wurde (1), Starten der Vakuumpumpe mit einer Drehzahl unter der Arbeits- drehzahl (2), Detektion des aufgebrachten Drehmoments am BLDC-Motor der Vakuumpumpe, Abschalten der Vakuumpumpe bei Erreichung eines Schwellwertes des Drehmoments am BLDC-Motor der Vakuumpumpe.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der Abschaltung bei Unterbrechung der Zündung des Antriebsmotors - eines Verbrennungsmotors- des Fahrzeugs oder beim elektrischen Antrieb des Fahrzeugs beim Abstellen des Fahrzeugs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion des Drehmoments über eine Strommessung bei konstanter Spannungsversorgung in der Steuerung des BLDC Motors der Vakuumpumpe erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Betrieb der Vakuumpumpe mit geringer Drehzahl nach Abschaltung des Antriebmotors des Fahrzeugs ein Luftdurchsatz eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn-zeichnet, dass der Luftdurchsatz dadurch erfolgt, dass geeignete Zuluftkanäle geöffnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuluftkanäle im Gehäuse der Vakuumpumpe angebracht werden und für den Luftdurchsatz geöffnet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein vorhandener Spülkanal als mindestens ein Zuluftkanal verwendet wird (3), der mit einer Spülfunktion eines Filters verbunden wird und für den Luftdurchsatz geöffnet wird (4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren über eine eigenständige Pumpensteuerung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren von einem Teil der Steuerung des Fahrzeugs gesteuert wird.