EP1924764B1 - Verfahren zum betreiben einer kraftstoffpumpe - Google Patents

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EP1924764B1 EP06778421A EP06778421A EP1924764B1 EP 1924764 B1 EP1924764 B1 EP 1924764B1 EP 06778421 A EP06778421 A EP 06778421A EP 06778421 A EP06778421 A EP 06778421A EP 1924764 B1 EP1924764 B1 EP 1924764B1
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    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/3082—Control of electrical fuel pumps
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    • F02D2041/202—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit
    • F02D2041/2024—Output circuits, e.g. for controlling currents in command coils characterised by the control of the circuit the control switching a load after time-on and time-off pulses
    • F02D2041/2027—Control of the current by pulse width modulation or duty cycle control

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel pump to supply fuel from a fuel tank of an internal combustion engine, in which the fuel pump electrical energy is supplied in pulse form and the duty cycle in dependence on the fuel demand on the internal combustion engine regel.wird.
  • Such controlled fuel pumps are used in particular in fuel tanks of motor vehicles.
  • a depending on the fuel demand electronically controlled fuel pump is from the DE 43 02 383 A1 known.
  • the fuel pump is supplied with pulsed electrical energy, wherein the duty cycle is changed as a direct function of a position output signal of an air mass sensor, wherein the sensor generates the signal as a function of the position of a throttle valve whose position is a measure of the fuel consumption of the internal combustion engine.
  • This method of regulated pulsed delivery of electrical energy is also known as pulse width modulation.
  • electric motors are made of magnetic or magnetically conductive material, which may have magnetostriction effects. In addition, they contain current-carrying electrical conductors in magnetic fields, which experience a force corresponding to the electric current.
  • the power loss of power switching transistors of a corresponding control electronics is composed of control and switching losses. While the conduction losses are determined by the voltage drop across the component and the current, the switching losses are determined by the number of switching operations per unit time and the switched current. Depending on the operating parameters of the system to be controlled, the switching losses can significantly exceed the conduction losses. Another disadvantage is that the power loss leads to an increase in temperature of the switching electronics, which is reflected in a reduction in the life of the switching electronics.
  • the object of the invention is to provide a method for operating a fuel pump, on the one hand avoids disturbing noise for the user and on the other hand, the power loss of the control electronics is reduced.
  • the object is achieved in that the frequency of the pulses is controlled such that at low flow rate of the fuel pump, the frequency is set higher than at higher flow rate.
  • the delivery rate of the fuel pump is regulated by a pulse width modulation of the electrical energy supply to the fuel pump
  • the operation of the fuel pump allows with different frequencies of the pulsed energy supply, an adaptation of the fuel pump to different environmental conditions.
  • Operating the fuel pump with a high frequency pulse width modulation at low flow rate causes the fuel pump runs very quietly in this operating condition, since it emits little structure-borne noise due to magnetic effects. This is particularly desirable when the low flow rate of the fuel pump with a low speed of the motor vehicle is accompanied, since due to the low driving speed and the driving noise are low, so that loud noises of the fuel pump are perceived disturbing.
  • the fuel pump can therefore be operated with a lower frequency of the pulse width modulation. As a result, due to the smaller number of switching operations per unit time, the switching losses for the pulse width modulation are minimized. As a result, the temperature load on the control electronics is reduced as a result of the frequency reduction, which positively affects the life of the control electronics.
  • the method has the additional advantage that it is not only related to a specific system, but can be used for fuel systems with fuel pumps of different performance classes and mechanical or electronic commutation.
  • a low delivery rate of the fuel pump is less than 40% duty cycle of the operating voltage according to this method, preferably less than 30% duty cycle of the operating voltage of the fuel pump.
  • a frequency for the pulse width modulation of at least 10 kHz, preferably at least 20 kHz, has proven to be advantageous. At these frequencies, the electromagnetic or magnetostrictive generation of audible structure-borne noise in the fuel pump is largely avoided, so that the fuel pump can be operated so quietly that the noise generated in this way can not be acoustically perceived even in relatively quiet environment.
  • the method allows a reduction in the frequency of the pulse width modulation at a higher flow rate to 50 Hz to 10 kHz, preferably in the range of 1 kHz, being considered as a higher flow rate already 40% duty cycle of the operating voltage of the fuel pump.
  • the change in frequency can be done easily in a simple manner.
  • the frequency is changed abruptly or stepwise in a change between lower and higher flow rate of the fuel pump.
  • a particularly simple control of the frequency is given if the frequency is changed depending on the current. Due to the load dependency of the flow of the fuel pump, the current is a good controlled variable.
  • load changes can occur in very short time intervals. For a current-dependent frequency control, this can be just as frequent frequency changes to lead. To avoid such rapid frequency changes has proven to be advantageous to make the rate of change of the frequency control integral current-dependent by at least one integral controller is provided. In particular, fast current changes are defused by the integral controller, since the frequency change is slower than the current change. Another, also suitable control of the frequency can be done by evaluating the temperature of the control electronics. Depending on the measured temperature of particularly critical components, the frequency is changed. As a result, the integrator can be saved because the temperature represents the integration of past current loads and is the critical parameter for the control electronics.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the fuel tank 1 of a motor vehicle, not shown.
  • a fuel pump 2 is arranged, which promotes fuel from the fuel tank 1 via a flow line 3 to an internal combustion engine 4 of the motor vehicle.
  • the control electronics 6 comprises a pulse generator 7, which supplies the power for the fuel pump 2 in the form of pulses of the fuel pump 2.
  • the pulses are supplied with constant amplitude, wherein the pulse width is a measure of the supplied electrical energy.
  • the control electronics 6 is in the illustration shown outside of the fuel tank 1, for example, as part of the engine control arranged.
  • control electronics 6 on or in the fuel tank 1, for example on a flange or in the fuel pump 2.
  • control electronics 6 comprises an integral controller 8, which makes frequency changes slower than the current changes, in particular during rapid load changes to the internal combustion engine 4.
  • the diagram in FIG. 2 shows in the area I the current pulses generated by the pulse generator 7 at a signal 5, which corresponds to a full load operation, ie, the internal combustion engine is operated with approximately maximum fuel consumption.
  • the pulses are clocked at a relatively low frequency of 1 kHz.
  • the noise of the internal combustion engine and the corresponding driving noise is relatively loud, so that possibly generated at this frequency by magnetostriction or magnetic forces noise of the fuel pump can not be perceived.
  • Area II shows the operation of the internal combustion engine with about 60% power.
  • the pulse width of the pulses is correspondingly shorter, but the frequency of the pulses is equal to that in the region I. Also in this operation of the internal combustion engine, the noise of the internal combustion engine louder than the noise of the fuel pump, so that even in this power range of the internal combustion engine, the pulses Frequency of 1 kHz can be clocked without the noise of the fuel pump are perceived.
  • the area III shows the operation of the internal combustion engine in the lower power range, which corresponds for example to idling or driving at low speeds.
  • the noise of the internal combustion engine and the driving noise are much lower than in a driving behavior according to area I or II.
  • the pulses are therefore generated by the pulse generator with a frequency of 20 kHz. This frequency is so high that in the fuel pump no noise in the human hearing are generated, so that no noise from the fuel pump are perceived even in this operation of the internal combustion engine.

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Description

  • Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe um Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter einer Brennkraftmaschine zuzuführen, bei dem der Kraftstoffpumpe elektrische Energie in Pulsform zugeführt wird und der Tastgrad in Abhängigkeit vom Kraftstoffbedarf an der Brennkraftmaschine geregelt.wird. Derart geregelte Kraftstoffpumpen werden insbesondere in Kraftstoffbehältern von Kraftfahrzeugen eingesetzt.
  • Eine in Abhängigkeit vom Kraftstoffbedarf elektronisch geregelte Kraftstoffpumpe ist aus der DE 43 02 383 A1 bekannt. Hierbei wird der Kraftstoffpumpe elektrische Energie gepulst zugeführt wird, wobei der Tastgrad als direkte Funktion eines Stellungsausgangssignals eines Luftmassensensors geändert wird, wobei der Sensor das Signal als Funktion der Stellung eines Drosselventils erzeugt, dessen Stellung ein Maß für den Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine ist. Dieses Verfahren der geregelten gepulsten Zuführung von elektrischer Energie ist auch als Pulsweitenmodulation bekannt. Insbesondere Elektromotoren bestehen aus magnetischem oder magnetisch leitfähigem Material, welches Magnetostriktionseffekte aufweisen kann. Außerdem enthalten sie stromführende elektrische Leiter in Magnetfeldern, die eine dem elektrischen Strom entsprechende Kraft erfahren. Wird ein solcher Elektromotor mittels Pulsweitenmodulation geregelt, so wirken entsprechende Wechselkräfte auf die elektrischen Leiter. Zusätzlich bewirkt die Magnetostriktion der Magnetwerkstoffe in dem wechselnden Magnetfeld ebenfalls eine wechselnde Kraftwirkung und/oder Dimensionsänderungen dieser Bauteile. Infolge der wechselnden Kraftwirkungen und der Dimensionsänderungen kann es zu einer mechanischen Anregung des Elektromotors kommen, so dass Schallwellen in die Umgebung abgestrahlt werden. Liegt die Frequenz der Schallwellen im menschlichen Hörfrequenzbereich, werden die Schallwellen als Geräusch wahrgenommen. Dies ist im Allgemeinen unerwünscht.
  • Es ist daher allgemein bekannt, zur Vermeidung von für das menschliche Ohr hörbaren Geräuschen, eine Frequenz des Tastverhältnisses der Pulsweitenmodulation außerhalb des menschlichen Hörfrequenzbereichs zu wählen, vorzugsweise von mehr als 20 kHz.
  • Die Verlustleistung von Leistungsschalttransistoren einer entsprechenden Regelelektronik setzt sich aus Leit- und Schaltverlusten zusammen. Während die Leitverluste durch den Spannungsabfall am Bauteil und den Strom bestimmt sind, werden die Schaltverluste von der Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeiteinheit und dem geschalteten Strom bestimmt. In Abhängigkeit von den Betriebsparametern des zu regelnden Systems können die Schaltverluste die Leitverluste deutlich übertreffen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Verlustleistung zu einer Temperaturerhöhung der Schaltelektronik führt, die sich in einer Absenkung der Lebensdauer der Schaltelektronik bemerkbar macht.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe zu schaffen, mit dem einerseits für den Nutzer störende Geräusche vermieden und andererseits die Verlustleistung der Regelelektronik vermindert wird.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Frequenz der Pulse derart geregelt wird, dass bei geringer Förderleistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz höher als bei höherer Förderleistung eingestellt wird.
  • Während die Förderleistung der Kraftstoffpumpe durch eine Pulsweitenmodulation der elektrischen Energiezufuhr zur Kraftstoffpumpe geregelt wird, erlaubt das Betreiben der Kraftstoffpumpe mit verschiedenen Frequenzen der pulsförmigen Energiezufuhr eine Anpassung der Kraftstoffpumpe an verschiedene Umweltbedingungen. Das Betreiben der Kraftstoffpumpe mit einer hohen Frequenz der Pulsweitenmodulation bei geringer Förderleistung bewirkt, dass die Kraftstoffpumpe in diesem Betriebszustand besonders leise läuft, da sie wenig Körperschall infolge magnetischer Effekte aussendet. Dies ist insbesondere dann erwünscht, wenn die geringe Förderleistung der Kraftstoffpumpe mit einer geringen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs einhergeht, da aufgrund der geringen Fahrgeschwindigkeit auch die Fahrgeräusche gering sind, so dass laute Geräusche der Kraftstoffpumpe störend wahrgenommen werden.
  • Dagegen tritt eine höhere Förderleistung der Kraftstoffpumpe nur bei einem größeren Kraftstoffbedarf der Brennkraftmaschine auf. Dieser erhöhte Kraftstoffbedarf geht einher mit einem lauteren Geräusch der Brennkraftmaschine und bei entsprechender Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs mit entsprechenden Windgeräuschen. Aufgrund dieser Geräusche sind die Geräusche der Kraftstoffpumpe derart vernachlässigbar, dass auch lautere Geräusche der Kraftstoffpumpe nicht mehr wahrgenommen werden. Die Kraftstoffpumpe kann daher mit einer niedrigeren Frequenz der Pulsweitenmodulation betrieben werden. Das hat zur Folge, dass aufgrund der geringeren Anzahl von Schaltvorgängen pro Zeiteinheit die Schaltverluste für die Pulsweitenmodulation minimiert werden. Dadurch wird die Temperaturbelastung der Regelelektronik infolge der Frequenzabsenkung verringert, was die Lebensdauer der Regelelektronik positiv beeinflusst. Das Verfahren hat darüber hinaus den Vorteil, dass es nicht nur auf ein spezielles System bezogen ist, sondern für Kraftstoffsysteme mit Kraftstoffpumpen der unterschiedlichsten Leistungsklassen und mechanischer oder elektronischer Kommutierung einsetzbar ist.
  • Eine geringe Förderleistung der Kraftstoffpumpe ist nach diesem Verfahren weniger als 40 % Einschaltdauer der Betriebsspannung, vorzugsweise weniger als 30 % Einschaltdauer der Betriebsspannung der Kraftstoffpumpe.
  • Zum Betreiben der Kraftstoffpumpe bei geringer Förderleistung hat sich eine Frequenz für die Pulsweitenmodulation von mindestens 10 kHz, vorzugsweise mindestens 20 kHz, als vorteilhaft erwiesen. Bei diesen Frequenzen wird die elektromagnetische oder magnetostriktive Erzeugung von hörbarem Körperschall in der Kraftstoffpumpe weitgehend vermieden, so dass die Kraftstoffpumpe so leise betrieben werden kann, dass die auf diesem Weg erzeugten Geräusche auch bei relativ ruhiger Umgebung akustisch nicht wahrgenommen werden können.
  • Dagegen erlaubt das Verfahren eine Absenkung der Frequenz der Pulsweitenmodulation bei höherer Förderleistung auf 50 Hz bis zu 10 kHz, vorzugsweise im Bereich von 1 kHz, wobei als höhere Förderleistung bereits 40 % Einschaltdauer der Betriebsspannung der Kraftstoffpumpe angesehen werden.
  • Bei einem Wechsel zwischen geringer und höherer Förderleistung der Kraftstoffpumpe kann die Änderung der Frequenz in einfacher Weise stetig erfolgen.
  • In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung wird bei einem Wechsel zwischen geringer und höherer Förderleistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz sprungartig oder stufenartig verändert.
  • Eine besonders einfache Regelung der Frequenz ist gegeben, wenn die Frequenz stromabhängig verändert wird. Infolge der Lastabhängigkeit des Stroms der Kraftstoffpumpe, stellt der Strom eine gute Regelgröße dar.
  • Unter bestimmten Fahrbedingungen können Lastwechsel in sehr kurzen Zeitabständen auftreten. Bei einer stromabhängigen Frequenzregelung kann dies zu ebenso häufigen Frequenzänderungen führen. Um derart schnelle Frequenzänderungen zu vermeiden hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Änderungsgeschwindigkeit der Frequenzregelung integral stromabhängig erfolgen zu lassen, indem zumindest ein Integral-Regler vorgesehen wird. Insbesondere schnelle Stromänderungen werden durch den Integral-Regler entschärft, da die Frequenzänderung dadurch langsamer als die Stromänderung erfolgt. Eine andere, ebenfalls geeignete Regelung der Frequenz kann durch die Auswertung der Temperatur der Regelelektronik erfolgen. Abhängig von der gemessenen Temperatur besonders kritischer Bauteile wird die Frequenz verändert. Hierdurch kann der Integraregler eingespart werden, weil die Temperatur die Integration vergangener Strombelastungen darstellt und der kritische Parameter für die Regelelektronik ist.
  • Falls die Temperatur alleine eine zu langsame Stellgröße darstellt, kann auch eine Kombination aus Temperatur und Strom zur Frequenzregelung verwendet werden.
  • An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1:
    eine Vorrichtung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird,
    Figur 2:
    ein Strom-Zeit-Diagramm gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
  • Figur 1 zeigt in einer schematischen Darstellung den Kraftstoffbehälter 1 eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs. In dem Kraftstoffbehälter 1 ist eine Kraftstoffpumpe 2 angeordnet, die Kraftstoff aus dem Kraftstoffbehälter 1 über eine Vorlaufleitung 3 zu einer Brennkraftmaschine 4 des Kraftfahrzeugs fördert. Ein in bekannter Weise gewonnenes elektrisches Signal 5, welches ein Maß für den momentanen Kraftstoffbedarf an der Brennkraftmaschine 4 darstellt, wird einer Regelelektronik 6 für die Kraftstoffpumpe 2 zugeführt. Die Regelelektronik 6 umfasst einen Pulsgenerator 7, der den Strom-für die Kraftstoffpumpe 2 in Form von Pulsen der Kraftstoffpumpe 2 zuführt. Die Pulse werden mit gleichbleibender Amplitude zugeführt, wobei die Pulsweite ein Maß für die zugeführte elektrische Energie ist. Die Regelelektronik 6 ist in der gezeigten Darstellung außerhalb des Kraftstoffbehälters 1, beispielsweise als Bestandteil der Motorsteuerung, angeordnet. Es ist aber auch denkbar, die Regelelektronik 6 am oder im Kraftstoffbehälter 1, beispielsweise an einem Flansch oder in der Kraftstoffpumpe 2 anzuordnen. Weiterhin umfasst die Regelelektronik 6 einen Integral-Regler 8, der insbesondere bei schnellen Lastwechseln an der Brennkraftmaschine 4 Frequenzänderungen langsamer als die Stromänderungen erfolgen lässt.
  • Das Diagramm in Figur 2 zeigt im Bereich I die vom Pulsgenerator 7 erzeugten Strompulse bei einem Signal 5, welches einen Volllastbetrieb entspricht, d. h., die Brennkraftmaschine wird mit annähernd maximalem Kraftstoffverbrauch betrieben. Die Pulse sind mit einer relativ niedrigen Frequenz von 1 kHz getaktet. Bei einem derartigen Betrieb der Brennkraftmaschine ist das Geräusch der Brennkraftmaschine und die entsprechenden Fahrgeräusche relativ laut, so dass eventuell bei dieser Frequenz durch Magnetostriktion oder Magnetkräfte erzeugte Geräusche der Kraftstoffpumpe nicht wahrgenommen werden.
  • Der Bereich II zeigt den Betrieb der Brennkraftmaschine mit ungefähr 60 % Leistung. Die Pulsweite der Pulse ist dementsprechend kürzer, die Frequenz der Pulse ist jedoch gleich der im Bereich I. Auch bei diesem Betrieb der Brennkraftmaschine sind die Geräusche der Brennkraftmaschine lauter als die Geräusche der Kraftstoffpumpe, so dass auch in diesem Leistungsbereich der Brennkraftmaschine die Pulse mit einer Frequenz von 1 kHz getaktet werden können, ohne dass die Geräusche der Kraftstoffpumpe wahrgenommen werden.
  • Der Bereich III zeigt den Betrieb der Brennkraftmaschine im unteren Leistungsbereich, der beispielsweise dem Leerlauf oder dem Fahren mit niedrigen Drehzahlen entspricht. Bei diesem Fahrverhalten sind die Geräusche der Brennkraftmaschine und die Fahrgeräusche wesentlich geringer als bei einem Fahrverhalten gemäß Bereich I oder II. Die Pulse werden vom Pulsgenerator daher mit einer Frequenz von 20 kHz erzeugt. Diese Frequenz ist so hoch, dass in der Kraftstoffpumpe keine Geräusche im menschlichen Hörbereich erzeugt werden, so dass auch bei diesem Betrieb der Brennkraftmaschine keine Geräusche von der Kraftstoffpumpe wahrgenommen werden.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe um Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter einer Brennkraftmaschine zuzuführen, bei dem der Kraftstoffpumpe sowohl bei geringer Förderleistung als auch bei höherer Förderleistung elektrische Energie in Pulsform periodisch zugefügt wird und die Pulsbreite der Pulse in Abhängigkeit vom Kraftstoffbedarf an der Brennkraftmaschine geregelt wird, dadurch gekennzeichnet , dass die Frequenz der Pulse derart geregelt wird, dass bei geringer Förderleistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz höher als bei höherer Förderleistung eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine geringe Förderleistung der Kraftstoffpumpe weniger als 40 % Einschaltdauer der Betriebsspannung, vorzugsweise weniger als 30 % Einschaltdauer der Betriebsspannung, der Kraftstoffpumpe beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Frequenz bei geringer Förderleistung der Kraftstoffpumpe mindestens 10 kHz, vorzugsweise mindestens 20 kHz, beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Frequenz der Pulse bei höherer Förderleistung maximal 50 Hz bis zu 10 kHz, vorzugsweise im Bereich von 1 kHz beträgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass beim Wechsel zwischen geringerer und höherer Förderleistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz stetig verändert wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass beim Wechsel zwischen geringerer und höherer Förderleistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz sprungartig oder stufenartig verändert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da - durch gekennzeichnet , dass der Strom für die Kraftstoffpumpe als Regelgröße für die Frequenzänderungen verwendet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da - durch gekennzeichnet , dass die Temperatur der Regelelektronik als Regelgröße für die Frequenzänderungen verwendet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass eine Kombination aus Temperatur der Regelelektronik und Strom als Regelgröße für die Frequenzänderungen verwendet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass zumindest ein Integral-Regler für die Änderungen der Frequenz verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verfahren mit gleitender Mittelwerterzeugung für die Änderungen der Frequenz verwendet wird.
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