DE19737988A1 - Einrichtung zum Betreiben einer Elektrokraftstoffpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Betreiben einer Elektrokraftstoffpumpe, insbesonders in einem Kraftfahrzeug, nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Stand der Technik

Es ist bekannt, daß bei Einrichtungen zur Kraftstoffversorgung in einem Kraftfahrzeug der Kraftstoff mit Hilfe einer Elektrokraftstoffpumpe aus dem Kraftstoffbehälter zu den Einspritzventilen gefördert wird. Der überschüssige Kraftstoff wird dabei über eine Rückleitung in den Kraftstoffbehälter zurückgeführt. Da bei unterschiedlicher Belastung der Brennkraftmaschine mehr oder weniger Kraftstoff benötigt wird, wird die Ansteuerung der Elektrokraftstoffpumpe vom Steuergerät der Brennkraftmaschine durchgeführt. Eine solche bedarfsgesteuerte Ansteuerung der elektrischen Kraftstoffpumpe wird beispielsweise in der US-PS 4 791 905 beschrieben. Dabei werden in einem Steuergerät Signale bezüglich des Luftdurchsatzes im Ansaugrohr, der Drehzahl, dem Druck im Ansaugrohr, der Wassertemperatur und der Batteriespannung verarbeitet. Ausgehend von diesen Größen bildet das Steuergerät Ansteuersignale zur Steuerung der Elektrokraftstoffpumpe. Durch Zu- oder Wegschaltung eines in Serie mit der Elektrokraftstoffpumpe liegenden Vorwiderstandes läßt sich die an der Elektrokraftstoffpumpe liegende Spannung verändern. Damit läßt sich eine große Förderleistung bei hohem Kraftstoffbedarf und eine Absenkung der Förderleistung bei geringerem Kraftstoffbedarf erzielen.

Bei der aus der US-PS 4 791 905 bekannten bedarfsgesteuerten elektrischen Kraftstoffpumpe kann jedoch nur eine Verringerung der an der Elektrokraftstoffpumpe zur Verfügung stehenden Spannung realisiert werden. Eine Spannungserhöhung, bei der die an der Elektrokraftstoffpumpe zur Verfügung stehende Spannung höher ist als die übliche Bordnetzspannung, ist nicht möglich. Die Kraftstoffpumpe muß daher so ausgelegt werden, daß sie unter allen Umständen mit der zur Verfügung stehenden Bordnetzspannung die benötigte Kraftstoffmenge liefern kann. Da die Bordnetzspannung unter bestimmten Betriebsbedingungen, nämlich bei kleinen Generatordrehzahlen und bei großer elektrische Belastung unter ihren üblichen Wert absinken kann, besteht zudem die Möglichkeit, daß die für die elektrische Kraftstoffpumpe zur Verfügung stehende Spannung deutlich unter der Bordnetzspannung liegen kann. Damit kann der Fall eintreten, daß die gewünschte Fördermenge unter Umständen nicht mehr geliefert werden kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Einrichtung zum Betreiben einer Elektrokraftstoffpumpe, insbesonders in einem Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen der beiden nebengeordneten Ansprüche hat den Vorteil, daß an der Elektrokraftstoffpumpe auch bei kritischen Betriebszuständen eine Spannung zur Verfügung steht, die gewährleistet, daß die benötigte Förderleistung erzielt werden kann. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß gerade in kritischen Betriebszuständen eine ausreichende Spannungsversorgung gewährleistet ist.

Erzielt werden diese Vorteile, indem entweder die vom Generator gelieferte und vom Spannungsregler geregelte Ausgangsspannung zeitweilig auf höhere Werte geregelt wird oder indem die vom Generator gelieferte Ausgangsspannung über einen Spannungswandler erhöht wird, wobei die Erhöhung der vom Generator gelieferten Ausgangsspannung oder die Erhöhung der gewandelten Spannung in Abhängigkeit von herrschenden Betriebszuständen erfolgt, wobei diese Betriebszustände wenigstens abhängen von der Drehzahl des Motors und/oder des Generators und von der Förderleistung der Elektrokraftstoffpumpe bei den herrschenden Betriebszuständen.

Durch die Erhöhung der an der Elektrokraftstoffpumpe liegenden Spannung insbesonders während der kritischen Phasen, solange der Generator nicht genügend Leistung liefern kann oder solange besonders hohe Anforderungen an die Förderleistung der Elektrokraftstoffpumpe vorliegen, kann in vorteilhafter Weise eine schwächer dimensionierte Elektrokraftstoffpumpe eingesetzt werden und es ist dennoch sichergestellt, daß genügend Kraftstoff gefördert wird.

Weitere Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen erzielt. Es ist dabei in vorteilhafter Weise möglich, die Betriebsparameter, die zur Spannungserhöhung ausgewertet werden, entsprechend zu erwartenden Erfordernissen auszuwählen. Als mögliche Größen, die ausgewertet werden, kann die Motortemperatur, die Umgebungstemperatur, die Ladelufttemperatur, der Widerstand der Zuleitungen, der barometrische Druck, die Sollbordnetzspannung, die Einspritzpulsweite oder das Erregerstromtastverhältnis des Spannungsreglers ausgewertet werden.

Zeichnung

Die Erfindung wird in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Im einzelnen zeigen die Fig. 1 und 2 zwei Bordnetzsysteme, mit denen eine erfindungsgemäße Spannungsversorgung für die Elektrokraftstoffpumpe möglich ist. In den Fig. 3 und 4 sind zwei Flußdiagramme angegeben, die aufzeigen, wie die erfindungsgemäße Einrichtung arbeitet.

Beschreibung

In Fig. 1 sind die wesentlichen Teile eines Fahrzeuggenerators zur Versorgung des Bordnetzes sowie einer Elektrokraftstoffpumpe dargestellt. Der Generator G umfaßt die Feldspule 10, die vom Feldstrom IF durchflossen wird sowie die Statorspulen 11, 12 und 13. In den Statorspulen wird bei rotierendem Generator eine Spannung induziert, die einen Strom erzeugt, der durch die Gleichrichterbrücke GL mit den Gleichrichterelementen 14 bis 19 an das Bordnetz weitergegeben wird. Am Ausgang der Gleichrichterbrücke GL, die noch Bestandteil des Generators G ist, entsteht der Generatorstrom IG. Die Gleichrichterelemente 14 bis 19 können einfache Dioden, Zenerdioden oder auch gesteuerte Gleichrichterelemente sein.

Der Feldstrom IF wird von der Regeleinrichtung R üblicherweise so geregelt, daß die gleichgerichtete Ausgangsspannung des Generators UB einen vorgebbaren Wert, beispielsweise 14 V aufweist. Die Regeleinrichtung R kann der Spannungsregler mit erweitertem Funktionsumfang sein. Als Regeleinrichtung R kann auch ein System, bestehend aus einem Spannungsregler und dem Steuergerät der Brennkraftmaschine angesehen werden. Der Regeleinrichtung R werden die für die Regelung sowie die Ansteuerung der Elektrokraftstoffpumpe 20 erforderlichen Informationen zugeführt. Diese Informationen werden der Regeleinrichtung über wenigstens eine Leitung 21 zugeführt und beispielsweise von Sensoren 22 geliefert. Die Regeleinrichtung R beeinflußt nicht nur den Feldstrom IF sondern gibt auch weitere Ansteuerimpulse ab, die über die Ausgabe 23 abgegeben werden. Diese Ansteuerimpulse können beispielsweise zum Öffnen oder Schließen von Schaltern 24, 25 verwendet werden. Beim Einsatz von gesteuerten Gleichrichtern kann die Ansteuerung über von der Regeleinrichtung abgegebene Ansteuersignale erfolgen.

In Fig. 1 ist mit 26 noch die Batterie bezeichnet, 27 bezeichnet einen Verbraucher. Die Schalter 24, 25 sowie die Batterie 26 und der Verbraucher 27 sind stellvertretend für die Verbraucher des Bordnetzes BN angegeben. Als Größen, die dem Regler R zugeführt werden, sind die Generatordrehzahl nG, die Motordrehzahl nM, die Bordnetzspannung UB, die Generatorspannung UG sowie der Generatorstrom IG, eine Regelspannung UR, Last der Brennkraftmaschine, Pulsweite der Einspritzimpulse, Temperatur der Brennkraftmaschine und der Umgebung, Ladelufttemperatur, Widerstand der Elektrokraftstoffpumpe, Luftdruck, Saugrohrdruck, maximal erforderliche Durchflußmenge und gegebenenfalls weitere Größen.

Mit dem in Fig. 1 dargestellten System ist eine Generatorregelung möglich, bei der durch Beeinflussung des Feldstromes, beispielsweise durch Taktung die Ausgangsspannung des Generators auf einen optimalen Wert bezüglich der Batterieladung sowie der Spannungsversorgung der Verbraucher geregelt werden kann. Kritische Betriebsbereiche sind bei kleiner Motordrehzahl und gleichzeitig hohem elektrischen Verbrauch. In diesem Bereich ist der Generator an seiner Leistungsgrenze und der Feldstrom praktisch zu 100% eingeschaltet, damit die erforderliche Generatorleistung erzeugt werden kann. Die erforderliche Leistung des Generators steht jedoch nicht zur Verfügung, solange die Generatordrehzahl nG kleiner ist als 2000 Umdrehungen pro Minute. Eine zweite Extrembedingung ist bei hoher Drehzahl, bei der der Generator im Kurzschlußbetrieb betrieben wird und unter Umständen Übererregung auftreten kann. Diese beiden Betriebsbereiche betreffen auch die Versorgung der Elektrokraftstoffpumpe 20. Insbesonders in dem Bereich, in dem der Generator nicht die geforderte Leistung erzeugen kann, kann die an der Elektrokraftstoffpumpe verfügbare Spannung soweit absinken, daß Kraftstoffversorgungsprobleme auftreten können.

Herkömmliche Kraftstoffpumpenregelungen erfordern eine minimale Bordnetzspannung, die der Kraftstoffpumpe zur Verfügung gestellt werden kann, damit die Pumpgeschwindigkeit und damit die Pumpleistung ausreicht. Die maximalen Verbrauchserfordernisse der Brennkraftmaschine müssen von der Pumpe bei dieser Spannung aufrechterhalten werden. Dadurch wird ein weniger optimaler Leistungsverbrauch bei anderen, öfters vorkommenden Arbeitspunkten verursacht. Andere schwierige Arbeitspunkte der Elektrokraftstoffpumpe sind bei heißem Kraftstoff oder bei Kaltstart bei tiefen Temperaturen. Diese Belastungen sind bei der Auswahl der geeigneten Kraftstoffpumpe zu berücksichtigen und erschwerten diese Auswahl. Es werden daher unter Umständen ausgewählt, die eine unnötig hohe Leistungsaufnahme aufweisen.

Mit den erfindungsgemäßen Einrichtungen wird die Auswahl der geeigneten Elektrokraftstoffpumpen erleichtert. Eine Methode, den Leistungsverbrauch der Pumpe zu reduzieren besteht darin, die Systemspannung, die üblicherweise der Bordnetzspannung entspricht, zumindest zeitweise zu erhöhen. Damit kann eine effizientere Auswahl der Pumpen hinsichtlich der Geschwindigkeit bzw. der Fördermenge vorgenommen werden. Die Zeitspannen, in denen maximale Leistungsanforderungen bestehen, sind üblicherweise nur kurz und leicht zu erkennen. Der maximale Verbrauch ist erforderlich bei hoher Last und bei hoher Drehzahl. Durch die Verwendung einer Funktion, die solche Parameter kombiniert, wie beispielsweise Motordrehzahl nM, Einspritzpulsweite PW, Motortemperatur TM, Umgebungstemperatur TU, Ladelufttemperatur TL, Zuleitungswiderstand W und Luftdruck p kann ein Verfahren dargestellt werden, mit dem sicher erkannt wird, ob eine Erhöhung der Systemspannung erforderlich ist und die Erhöhung dieser Spannung kann dann von der Regeleinrichtung R durchgeführt werden, indem die Erregung des Generators gesteigert und zum Beispiel der Feldstrom IF auf höhere Werte als normal geregelt wird. Wenn die Systemspannung erhöht wird, wird auch die von der Elektrokraftstoffpumpe geförderte Kraftstoffmenge erhöht. Damit kann genau zu den Zeitpunkten, zu denen viel Kraftstoff benötigt wird, auch viel Kraftstoff gefördert werden. In Betriebszuständen, in denen lange Einspritzimpulse abgegeben werden und gleichzeitig hohe Drehzahl vorliegt, ist der Generator infolge der hohen Drehzahl üblicherweise in einem Betriebszustand, in welchem er in der Lage ist, eine hohe elektrische Leistung abzugeben. Er ist dann auch in der Lage, eine Ausgangsspannung abzugeben, die zu einer Systemspannung führt, die höher ist als die übliche Bordnetzspannung.

Da mit den im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt sind, eine Spannungserhöhung und damit eine Erhöhung der Förderleistung der Kraftstoffpumpe gerade bei Auftreten kritischer Betriebszustände möglich ist, kann eine Elektrokraftstoffpumpe eingesetzt werden, an die weniger hohe Anforderungen hinsichtlich der maximalen Leistungsfähigkeit gestellt werden.

Da unter Umständen zumindest einige der Bordnetzverbraucher nicht mit einer höheren Spannung betrieben werden dürfen, kann es erforderlich sein, daß solche Verbraucher und gegebenenfalls auch die Batterie mit Hilfe von Schaltmitteln 24, 25 vom Generator abgekoppelt werden, solange dieser eine höhere Ausgangsspannung liefert. In diesem Fall würde die Versorgung der Verbraucher zeitweise ausschließlich aus der Batterie 26 erfolgen. Anstelle des Schalters 25 könnte auch ein Gleichspannungswandler eingesetzt werden, der bei erhöhter Ausgangsspannung des Generators diese erhöhte Spannung auf die übliche Bordnetzspannung verringert. Damit könnte die Elektrokraftstoffpumpe 20 zumindest zeitweilig mit höherer Spannung betrieben werden, während die übrigen Verbraucher des Bordnetzes BN mit der herkömmlichen Bordnetzspannung versorgt würden.

Eine weitere schaltungstechnische Ausgestaltung ist in Fig. 2 dargestellt. Bei dieser Schaltung, die weitgehend der Schaltung nach Fig. 1 entspricht, liegt die Batterie 26 direkt an der Gleichrichterbrücke GL. Mit der Batterie in Verbindung steht ein Gleichspannungswandler 29, der vom Regler R ansteuerbar ist und ausgangsseitig zumindest zeitweise eine höhere Spannung liefert. Mit dieser höheren Spannung läßt sich dann die Elektrokraftstoffpumpe 20 betreiben. Über weitere Schaltmittel 30 können zusätzlich Verbraucher 31 zugeschaltet werden, die ebenfalls zumindest zeitweilig mit höherer Spannung versorgt werden sollen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Feldstrom des Generators in üblicher Weise geregelt. Die Spannungserhöhung für die Elektrokraftstoffpumpe erfolgt durch Ansteuersignale, die der Regler R über eine Ansteuerleitung 32 an den Gleichspannungswandler 29 abgibt. Nach welchen Kriterien der Regler die Spannungserhöhung anleitet, wird nun anhand der Fig. 3 und 4 erläutert.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird im Schritt S1 die Motordrehzahl eingelesen. Im Schritt S2 wird sie mit einem Schwellwert verglichen. Ist die Drehzahl größer als ein Schwellwert wird im Schritt S3 die Einspritzimpulsweite eingelesen. Diese Einspritzimpulsweite wird vom Steuergerät der Brennkraftmaschine in einem anderen Programm ohnehin berechnet und kann daher von dort übernommen werden.

Im Schritt S4 wird die Einspritzimpulsweite mit einem weiteren Schwellwert verglichen. Ist die Einspritzimpulsweite kleiner als dieser Schwellwert, arbeitet der Motor nicht unter extrem hoher Last. Es wird dann im Schritt S5 die Systemspannungsdifferenz USD=14 Volt- Systemspannung eingelesen. Als Systemspannung wird zum Beispiel die Bordnetzspannung UB genommen. Schritt S5 wird ebenfalls durchgeführt, wenn im Schritt S2 erkannt wird, daß die Motordrehzahl unter dem Schwellwert liegt.

Im Schritt S6 wird geprüft, ob die Systemspannungsdifferenz USD größer als Null ist. Ist dies nicht der Fall, springt das Programm auf Return und Schritt S1 wird erneut durchgeführt. Ist dagegen die Systemspannungsdifferenz USD größer als Null, wird im Schritt S8 geprüft, ob die Motordrehzahl nM kleiner ist als ein Drehzahlwert von trg zuzüglich eines gewissen Sicherheitsbereichs. Ist dies nicht der Fall, erfolgt in Schritt S9 ein Sprung auf Return und das Programm beginnt erneut von vorne. Wird dagegen im Schritt S8 erkannt, daß die Motordrehzahl kleiner ist als diese Grenzdrehzahl, wird im Schritt S10 überprüft, ob die Einspritzpulsweite kleiner ist als eine Grenzeinspritzpulsweite zuzüglich eines Sicherheitswertes. Wird im Schritt S10 erkannt, daß die Einspritzpulsweite nicht kleiner ist als dieser Grenzwert, erfolgt im Schritt S11 wiederum ein Return und das Programm beginnt von vorne. Wird dagegen im Schritt. S10 erkannt, daß die Einspritzpulsweite kleiner ist als der Grenzwert, wird im Schritt S12 die Spannung USD auf Null gesetzt und mit dem noch zu erläuternden Schritt S15 fortgefahren.

Wird im Schritt S4 erkannt, daß die Einspritzpulsweite größer ist als der Schwellwert, wird auf hohe Motorlast erkannt und im Schritt S13 erkannt, daß eine Spannungserhöhung gegenüber der herkömmlichen 14 V-System­ spannung erforderlich ist. Im Schritt S14 wird die Spannung USD erhöht, indem zusätzliche Spannungen addiert werden. Diese zusätzlichen Spannungen sind als UU, Up, UL und ULA bezeichnet, wobei die zugehörigen Spannungswerte abhängig sind von Umgebungsbedingungen, vom gemessenen Umgebungsdruck, vom Ladezustand der Batterie und von der Last der Brennkraftmaschine.

Im Schritt S15 wird der Sollwert der Systemspannung geändert, indem zur Systemspannung US noch die im Schritt S14 ermittelte Korrekturspannung addiert wird. Mit diesem geänderten Sollwert erhöht der Regler R den Feldstrom IF durch die Feldwicklung 10 des Generators so, daß die Ausgangsspannung des Generators angehoben wird. Im Schritt S16 wird dann ein Return ausgelöst und das in Fig. 3 dargestellte Verfahren beginnt erneut mit Schritt S1.

In Fig. 4 ist ein leicht modifiziertes Verfahren zur Erkennung der Erfordernis einer Spannungserhöhung und zur Durchführung dieser Spannungserhöhung dargestellt, das sich vom Verfahren nach Fig. 3 nur dadurch unterscheidet, daß zwischen dem Schritt S4 und dem Schritt S13 noch die Schritte S17 und S18 eingefügt sind.

Im einzelnen wird nach Schritt S4, wenn erkannt wird, daß die Einspritzimpulsweite größer ist als ein Schwellwert, wenn also erkannt wird, daß der Motor in hohem Lastzustand arbeitet, im Schritt S17 geprüft, ob die Spannung größer ist als 14 V. Ist dies der Fall, wird mit S18 ein Return ausgelöst und das Programm beginnt von neuem. Ist dagegen die Spannung USD kleiner als 14 V, wird im Schritt S13 die 14 V-Systemspannung als Spannungssollwert genommen. In den sich anschließenden Schritten S14 und S15 wird dann der Sollwert für den Regler R wieder erhöht.

Claims (6)

1. Einrichtung zum Betreiben einer Elektrokraftstoffpumpe in einem Fahrzeug, mit einem von einem Spannungsregler auf wenigstens eine erste vorgebbare Ausgangsspannung regelbaren Generator, der die Versorgungsspannung für das Bordnetz und für die Elektrokraftstoffpumpe liefert, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Generator gelieferte Spannung zumindest zeitweilig über die erste Ausgangsspannung erhöht wird und die Spannungserhöhung abhängig von vorgebbaren Bedingungen erfolgt, wobei eine dieser Bedingungen die Motor- und/oder Generatordrehzahl ist und eine andere Bedingung die erforderliche Förderleistung der Elektrokraftstoffpumpe ist.

2. Einrichtung zum Betreiben einer Elektrokraftstoffpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung der der Elektrokraftstoffpumpe zugeführten Spannung durch Erhöhung des Erregerstroms des Generators erhalten wird, wobei die Erhöhung des Erregerstromes und damit die Erhöhung der Ausgangsspannung des Generators von der Spannungsregeleinrichtung R ausgelöst und wieder beendet wird.

3. Einrichtung zum Betreiben einer Elektrokraftstoffpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Elektrokraftstoffpumpe zugeführte erhöhte Spannung mit Hilfe eines Gleichspannungswandlers erzeugt wird, der zwischen dem Generator und der Elektrokraftstoffpumpe liegt und die Ansteuerung des Gleichspannungswandlers zur Spannungserhöhung von der Regeleinrichtung R eingeleitet und wieder beendet wird.

4. Einrichtung zum Betreiben einer Elektrokraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel vorhanden sind, die zwischen der Elektrokraftstoffpumpe und Verbrauchern des Bordnetzes, insbesonders der Batterie liegen und von der Regeleinrichtung geöffnet werden, sofern der Elektrokraftstoffpumpe eine erhöhte Spannung zugeführt wird.

5. Einrichtung zum Betreiben einer Elektrokraftstoffpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erhöhung der Spannung nur dann erfolgt, wenn die Motordrehzahl über einem Schwellwert liegt und die Länge der Einspritzimpulse über einem weiteren Schwellwert liegt.

6. Einrichtung zum Betreiben einer Elektrokraftstoffpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungserhöhung erfolgt, indem zur Sollspannung der Regeleinrichtung Teilspannungen addiert werden, die von weiteren Bedingungen abhängen, wobei diese Bedingungen wenigstens eine der folgenden umfassen: Umgebungstemperatur, Motortemperatur, Umgebungsdruck, Ladezustand der Batterie, Last der Brennkraftmaschine und diese Bedingungen mit Hilfe geeigneter Erkennungsmittel oder Sensoren ermittelt werden.