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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Betreiben einer Elektrokraftstoffpumpe,
insbesonders in einem Kraftfahrzeug, nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Stand der
Technik
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Aus
der
DE 44 41 108 A1 ist
bereits eine Kraftstoff-Fördereinrichtung
bekannt, bei der eine Pumpenmotorsteuerung die Leistung eines Elektromotors
einer Kraftstoffpumpe bei jedem Anlaufen kurzfristig über seine
Normalleistung anhebt. Die Leistung wird vorzugsweise in Abhängigkeit
einer Temperatur verstellt, so dass insbesondere bei einem Start
der Brennkraftmaschine bei tiefen Temperaturen die Leistung des
Elektromotors angehoben wird.
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Ferner
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
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.
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Bei
der aus der
US 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.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
zum Betreiben einer Elektrokraftstoffpumpe, insbesonders in einem
Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 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.
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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.
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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.
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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.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Im einzelnen zeigen die 1 und 2 zwei Bordnetzsysteme,
mit denen eine erfindungsgemäße Spannungsversorgung
für die
Elektrokraftstoffpumpe möglich
ist. In den 3 und 4 sind zwei
Flußdiagramme
angegeben, die aufzeigen, wie die erfindungsgemäße Einrichtung arbeitet.
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Beschreibung
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In 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.
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Der
Feldstrom IF wird von der Regeleinrichtung R üblicherweise so geregelt, daß die gleichgerichtete
Ausgangsspannung des Generators UB einen vorgebbaren Wert, beispielsweise
14V 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.
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In 1 ist
mit 26 noch die Batterie bezeichnet, 27 und 28 bezeichnen
Verbraucher. Die Schalter 24, 25 sowie die Batterie 26 und
die Verbraucher 27, 28 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.
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Mit
dem in 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.
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Herkömmliche
Kraftstoffpumpenregelungen erfordern eine minimale Bordnetzspannung,
die der Kraftstoffpumpe zur Verfügung
gestellt werden kann, damit die Pumpgeschwindigkeit und damit die
Pumpleistung ausreicht.
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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 Kraftstoffpumpen ausgewählt, die
eine unnötig
hohe Leistungsaufnahme aufweisen.
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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.
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Da
mit den im folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren, wie sie in den 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.
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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 40 versorgt
würden.
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Eine
weitere schaltungstechnische Ausgestaltung ist in 2 dargestellt.
Bei dieser Schaltung, die weitgehend der Schaltung nach 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 31 können
zusätzlich
Verbraucher 30 zugeschaltet werden, die ebenfalls zumindest
zeitweilig mit höherer
Spannung versorgt werden sollen.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird der Feldstrom IF des Generators G in üblicher Weise geregelt. Die
Spannungserhöhung für die Elektrokraftstoffpumpe 20 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 3 und 4 erläutert.
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Beim
Ausführungsbeispiel
nach 3 wird im Schritt S1 die Motordrehzahl nM eingelesen.
Im Schritt S2 wird sie mit einem Schwellwert SW1 verglichen. Ist
die Motordrehzahl nM größer als
ein Schwellwert SW1 wird im Schritt S3 die Einspritzimpulsweite
pw eingelesen. Diese Einspritzimpulsweite pw wird vom Steuergerät der Brennkraftmaschine
in einem anderen Programm ohnehin berechnet und kann daher von dort übernommen
werden.
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Im
Schritt S4 wird die Einspritzimpulsweite pw mit einem weiteren Schwellwert
SW2 verglichen. Ist die Einspritzimpulsweite pw kleiner als dieser Schwellwert
SW2, arbeitet der Motor nicht unter extrem hoher Last. Es wird dann
im Schritt S5 die Systemspannungsdifferenz USD = Systemspannung – 14 Volt
eingelesen. Als Systemspannung wird zum Beispiel die Bordnetzspannung
UB genommen. Schritt S5 wird ebenfalls durchgeführt, wenn im Schritt S2 erkannt
wird, dass die Motordrehzahl nM unter dem Schwellwert SW1 liegt.
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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 n zuzüglich eines
gewissen Sicherheitsbereichs ns. 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
nM kleiner ist als diese Grenzdrehzahl n + ns, wird im Schritt S10 überprüft, ob die Einspritzpulsweite
pw kleiner ist als eine Grenzeinspritzpulsweite zuzüglich eines
Sicherheitswertes. Wird im Schritt S10 erkannt, dass die Einspritzpulsweite
pw nicht kleiner ist als dieser Grenzwert PWG, erfolgt im Schritt
S11 wiederum ein Return und das Programm beginnt von vorne. Wird dagegen
im Schritt S10 erkannt, dass die Einspritzpulsweite pw kleiner ist
als der Grenzwert, wird im Schritt S12 die Systemspannungsdifferenz
USD auf Null gesetzt und mit dem noch zu erläuternden Schritt S15 fortgefahren.
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Wird
im Schritt S4 erkannt, dass die Einspritzpulsweite pw größer ist
als der Schwellwert SW2, wird auf hohe Motorlast erkannt und im
Schritt S 13 erkannt, dass eine Spannungserhöhung gegenüber der herkömmlichen
14V-Systemspannung erforderlich ist. Im Schritt S14 wird die Systemspannungsdifferenz
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.
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Im
Schritt S15 wird der Sollwert der Systemspannung geändert, indem
zur Systemspannung UB 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 G angehoben
wird. Im Schritt S16 wird dann ein Return ausgelöst und das in 3 dargestellte
Verfahren beginnt erneut mit Schritt S1.
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In 4 ist
ein leicht modifiziertes Verfahren zur Erkennung der Erfordernis
einer Spannungserhöhung
und zur Durchführung
dieser Spannungserhöhung
dargestellt, das sich vom Verfahren nach 3 nur dadurch
unterscheidet, dass zwischen dem Schritt S4 und dem Schritt S13
noch die Schritte S17 und S18 eingefügt sind.
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Im
einzelnen wird nach Schritt S4, wenn erkannt wird, dass die Einspritzimpulsweite
pw größer ist
als ein Schwellwert SW2, wenn also erkannt wird, dass der Motor
in hohem Lastzustand arbeitet, im Schritt S17 geprüft, ob die
Systemspannung UB größer ist
als 14V. Ist dies der Fall, wird mit S18 ein Return ausgelöst und das
Programm beginnt von neuem. Ist dagegen die Systemspannung kleiner
als 14V, wird im modifizierten Schritt S13 die 14V-Systemspannung
als Spannungssollwert genommen. In den sich anschließenden Schritten
S14 und S15 wird dann der Sollwert für den Regler R wieder erhöht.