Kraftstoffpumpeinrichtung mit bürstenloser Gleichstrommaschine

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kraftstoffpumpeinrichtung zum Fördern von Kraftstoff in einem Kraftfahrzeug. Die Erfindung betrifft ferner eine

Kraftstofffördereinrichtung und ein Fahrzeug, die mit einer solchen

Kraftstoffpumpeinrichtung ausgestattet sind.

STAND DER TECHNIK

Kraftstoffpumpen werden in Kraftfahrzeugen verwendet, um flüssigen Kraftstoff, wie zum Beispiel Benzin oder Diesel, aus einem Kraftstofftank hin zu einem

Verbrennungsmotor zu fördern.

Herkömmlich wird hierfür die Kraftstoffpumpe von einem kleinen Gleichstrommotor angetrieben, bei dem eine von außen bereitgestellte elektrische Leistung klassisch kommutiert wird, das heißt mit Kohlebürsten und einem Kupfer- oder Kohlekommutator zwischen einem Stator und einem Rotor des Motors übertragen wird. Der Kraftstoff kann dabei beim Pumpen durch den Innenraum des Elektromotors geleitet werden, um Leckagen, beispielweise durch Lagerdichtungen, zu minimieren. Insbesondere bei klassisch kommutierenden El ektrokraftstoff pumpen kann der durchströmende Kraftstoff während des Betriebes nicht nur kühlen, sondern auch eine Funkenbildung zwischen den Bürsten und dem Kommutator verhindern.

Insbesondere aus ökologischen Gründen werden zunehmend Kraftstoffe eingesetzt, die stark alkoholhaltig sind. Beispielsweise aufgrund von chemischen Reaktionen zwischen dem Kommutator der Kraftstoffpumpe und dem Kraftstoff können bei Verwendung solcher hochalkoholischer Kraftstoffe jedoch Probleme auftreten. Es sind bürstenlose Gleichstrommaschinen (BLDC-Gleichstrommaschinen, brushless direct current) bekannt, bei denen eine zugeführte elektrische Leistung nicht klassisch mechanisch kommutiert wird und die auf Bürsten und Kommutatoren verzichten.

Solche Elektromotoren werden teilweise auch als elektronisch kommutierende Motoren

(EC-Motoren, electronically commutated) bezeichnet. Mit einer geeigneten

Ansteuerungselektronik können hierbei kleine permanenterregte Synchronmotoren so betrieben werden, dass sie von außen ähnlich beschrieben werden können wie eine Gleichstrommaschine. Vom Aufbau her können diese Motoren ungedämpften permanenterregten Synchronmaschinen gleich sein.

DE 10 2005 005 953 A1 beschreibt ein Beispiel einer bürstenlosen

Gleichstrommaschine. BLDC-Gleichstrommaschinen können zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe verwendet werden, wie dies beispielsweise in DE 10 2009 039 780 A1 beschrieben ist.

Allerdings erfordern BLDC-Gleichstrommaschinen eine phasengenaue Ansteuerung, so dass ein die Kraftstoffpumpeinrichtung steuerndes Steuergerät erhöhten

Anforderungen gerecht werden muss.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Eine Kraftstoffpumpeinrichtung bzw. eine mit einer solchen Kraftstoffpumpeinrichtung ausgestattete Kraftstofffördereinrichtung oder ein entsprechend ausgestattetes

Fahrzeug, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert sind, ermöglichen eine kostengünstige und einfache Ansteuerung einer Kraftstoffpumpe bei gleichzeitiger hoher Widerstandsfähigkeit gegenüber Kraftstoffen mit Anteilen aus regenerativen Quellen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, eine

Kraftstoffpumpeinrichtung für ein Fahrzeug mit einer Kraftstoffpumpe auszustatten, die durch eine bürstenlose Gleichstrommaschine angetrieben wird. Ergänzend weist die Kraftstoffpumpeinrichtung einen Wechselfeldgenerator auf, der dazu ausgelegt ist, bei Anlegen einer Eingangsgleichspannung ein konstantes Drehzahlsignal zum Betreiben der bürstenlosen Gleichstrommaschine zu erzeugen.

Eine Idee hierbei ist, zum Antreiben einer Kraftstoffpumpe eine bürstenlose

Gleichstrommaschine zu verwenden, um auf Bürsten und einen Kommutator verzichten zu können und somit potentiell kritische chemische Reaktionen zwischen dem Kommutator und einem die Kraftstoffpumpe durchströmenden Kraftstoff zu vermeiden. Um die bürstenlose Gleichstrommaschine möglichst einfach ansteuern zu können, wird ein Wechselfeldgenerator, das heißt ein Einfachststeuergerät mit fester Eingangsspannung und Ausgabe eines festen Drehzahlsignals, vorgesehen. Der

Wechselfeldgenerator kann mit Hilfe einer einfachen Elektronik implementiert werden, die es ermöglicht, bei Anlegen einer bestimmten Eingangsspannung, die zum Beispiel der Bordnetzspannung des Fahrzeugs entspricht, ein bestimmtes Drehzahlsignal in Form einer Wechselspannung zu erzeugen.

Der Wechselfeldgenerator kann dabei derart einfach aufgebaut sein, dass auf die Möglichkeit einer steuernden oder regelnden Variierbarkeit des ausgegebenen Drehzahlsignals verzichtet wird. Stattdessen kann der Wechselfeldgenerator dazu ausgelegt sein, ein einziges Drehzahlsignal zu erzeugen, wobei das ausgegebene Drehzahlsignal weitgehend unabhängig von der exakten Stärke der angelegten

Eingangsgleichspannung sein kann.

Insbesondere kann der Wechselfeldgenerator dazu ausgelegt sein, mit einer einzigen Eingangsgleichspannung angesteuert zu werden. Mit anderen Worten kann der Wechselfeldgenerator derart einfach aufgebaut sein, dass mit seiner Hilfe die bürstenlose Gleichstrommaschine lediglich an- oder ausgeschaltet werden kann, ohne jedoch die Möglichkeit einer Steuerbarkeit oder Regelbarkeit der Drehzahl der bürstenlosen Gleichstrommaschine vorzusehen. Hierzu kann zum Beispiel vorgesehen sein, dass für den Fall, dass ein

Fahrzeugsteuergerät während des Betriebs des Fahrzeugs eine Bordspannung an den Wechselfeldgenerator anlegt, dieser Wechselfeldgenerator ein konstantes

Drehzahlsignal an die Gleichstrommaschine weitergibt, so dass die

Gleichstrommaschine beim Betrieb des Fahrzeugs stets mit einer gleichbleibenden Drehzahl betrieben wird. Die Drehzahl der Gleichstrommaschine ist hierbei unabhängig von äußeren Einflüssen wie beispielsweise einer Lastanforderung durch den Motor des Fahrzeugs.

Der Wechselfeldgenerator kann hierfür über lediglich zwei Eingangsanschlüsse zum Anlegen der Eingangsgleichspannung verfügen. Über diese beiden

Eingangsanschlüsse kann die Eingangsgleichspannung an den Wechselfeldgenerator angelegt werden. Der Wechselfeldgenerator verfügt ferner über mindestens drei Ausgangsanschlüsse zum Ausgeben des Drehzahlsignals an die bürstenlose

Gleichstrommaschine.

Über die beiden Eingangsanschlüsse kann der Wechselfeldgenerator mit der Endstufe eines Steuergeräts verbunden werden, wie es herkömmlich auch in Fahrzeugen verwendet wird, die eine mechanisch kommutierende El ektrokraftstoff pumpe verwenden. Die von dem Steuergerät als Signal ausgegebene

Eingangsgleichspannung kann dabei von dem Wechselfeldgenerator in ein

Drehzahlsignal umgewandelt werden, wobei dieses Drehzahlsignal über die drei Ausgangsanschlüsse an die bürstenlose Gleichstrommaschine weitergegeben wird und diese dazu ansteuert, mit einer konstanten Drehzahl zu rotieren.

Durch die Verwendung des Wechselfeldgenerators kann die beschriebene

Kraftstoffpumpeinrichtung auch in Fahrzeugen nachgerüstet werden, die über ein herkömmliches Steuergerät zur Ansteuerung mechanisch kommutierender

Elektrokraftstoffpumpen verfügen. Der direkte Betrieb einer bürstenlosen

Gleichstrommaschine mit nur zwei Leitungen ist nicht möglich.

Aufgrund des Verzichts auf eine Bedarfsregelung oder Drehzahlsteuerung können in dem Wechselfeldgenerator alle Bauteile zur Kommunikation mit einem

Motorsteuergerät sowie die dazu notwendigen Steckerverbindungen im Gehäuse entfallen. Nachdem keine Kommunikation mit dem Motorsteuergerät möglich ist, können weiter alle Funktionen und Bauelemente, welcher einer Diagnose und deren Rückmeldung dienen, entfallen. Durch die permanente Vollansteuerung der die Pumpe antreibenden Gleichstrommaschine, d.h. eine reine Kommutierung ohne ein Schalten, können z.B. Schaltverluste durch das Takten entfallen, was zu günstigeren

Entwärmungskonzepten führen kann. Die zuvor beschriebene Kraftstoffpumpeinrichtung kann in einem Kraftstofftank eines Fahrzeugs eingesetzt werden. Dabei kann sowohl die durch die bürstenlose

Gleichstrommaschine angetriebene Kraftstoffpumpe als auch der

Wechselfeldgenerator innerhalb des Kraftstofftanks angeordnet werden. Dadurch wird außerhalb des Kraftstofftanks kein zusätzlicher Bauraum erforderlich, was ansonsten insbesondere bei Fahrzeugen, bei denen der Kraftstofftank z.B. eng bei den

Rücksitzen angeordnet ist, zu Platzproblemen führen könnte. Der

Wechselfeldgenerator kann innerhalb des Kraftstoffs, z.B. in einem Schwalltopf des Moduls, angeordnet werden, sodass er durch den Kraftstoff gekühlt werden kann. Außerdem kann der Wechselfeldgenerator direkt an der Gleichstrommaschine angebaut sein, sodass auf Kabel zwischen dem Wechselfeldgenerator und der Gleichstrommaschine verzichtet werden kann bzw. diese kurz ausfallen können.

Alternativ kann der Wechselfeldgenerator außerhalb des Kraftstofftanks angeordnet werden. Dadurch kann eine optimierte Lage bezüglich der elektromagnetischen

Verträglichkeit in der Fahrzeugkarosserie, eine leichtere Wechselbarkeit im Servicefall oder eine Anordnung in einem Stecker des Kraftstofffördermoduls erreicht werden.

Ein mit der beschriebenen Kraftstoffpumpeinrichtung ausgestattetes Fahrzeug kann über ein Steuergerät zum Ansteuern der Kraftstoffpumpeinrichtung verfügen, wobei das Steuergerät dazu ausgelegt ist, die Kraftstoffpumpeinrichtung über geeignete Endstufen lediglich mit einer konstanten Gleichspannung anzusteuern. Das

Steuergerät kann somit im Wesentlichen einem in Kraftfahrzeugen herkömmlich verwendeten Motorsteuergerät entsprechen, dass lediglich ein Signal ausgibt, ob die Kraftstoffpumpe betrieben werden soll oder nicht, ohne dass jedoch ein zusätzliches

Tanksteuergerät vorgesehen ist, dass die Menge des durch die Kraftstoffpumpe geförderten Kraftstoffs steuert oder regelt. Das Steuergerät kann somit ähnlich oder gleich arbeiten, wie dies für die Steuerung herkömmlicher Kraftstoffpumpen mit mechanisch kommutierenden Motoren vorgesehen ist. Die einfache Ausgestaltung des Wechselfeldgenerators der Kraftstoffpumpeinrichtung ist an die Art der Steuerung durch das Steuergerät angepasst, so dass sich das durch das Steuergerät bewirkte Steuern darauf beschränkt, die Kraftstoffpumpeinrichtung ein- bzw. auszuschalten. Die von dem Steuergerät an die Kraftstoffpumpeinrichtung angelegte konstante

Gleichspannung kann dabei der Bordspannung des Fahrzeugs entsprechen, die beispielsweise 12 V sein kann. Das Steuergerät kann dabei sein Steuersignal an den Wechselfeldgenerator liefern und die Kraftstoffpumpeeinrichtung somit über lediglich zwei elektrische Leitungen ansteuern.

Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile von

Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf eine

Kraftstoffpumpeinrichtung und teilweise mit Bezug auf eine Kraftstofffördereinrichtung bzw. ein Fahrzeug mit einer solchen Kraftstoffpumpeinrichtung beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die beschriebenen Merkmale miteinander kombiniert werden können oder von der Kraftstoffpumpeinrichtung auf die

Kraftstofffördereinrichtung bzw. das Fahrzeug und umgekehrt übertragen werden können und dass auf diese Weise weitere Ausgestaltungen der Erfindung mit Synergieeffekten erreicht werden können.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen.

Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug mit einer Kraftstoffpumpeinrichtung gemäß einer

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Kraftstoffpumpeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder ähnliche Merkmale werden in den Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen betitelt.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Fig. 1 zeigt ein Fahrzeug 100 mit einer Kraftstofffördereinrichtung 3. Die

Kraftstofffördereinrichtung 3 weist einen Kraftstofftank 19 auf, an dem eine

Kraftstoffpumpeinrichtung 1 vorgesehen ist. Die Kraftstoffpumpeinrichtung 1 weist eine von einer bürstenlosen

Gleichstrommaschine angetriebene Kraftstoffpumpe 5 auf. Die Kraftstoffpumpe 5 ist in einem Fördermodul 9 integriert und kann Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 19 ansaugen. Der Kraftstoff wird dabei durch die Kraftstoffpumpe 5 und die darin angeordnete bürstenlose Gleichstrommaschine geführt und dann durch eine Leitung 21 hin zu einem Motor 17 des Fahrzeugs gefördert.

Um die Kraftstoffpumpeinrichtung 1 zu steuern bzw. zu schalten, verfügt das Fahrzeug über ein Steuergerät 15, mit Hilfe dessen eine Eingangsgleichspannung über zwei Leitungen 11 und zwei Eingangsanschlüsse 13 an einen Wechselfeldgenerator 7 angelegt werden kann. Der Wechselfeldgenerator 7 erzeugt daraufhin ein konstantes Drehzahlsignal und gibt dies über drei Ausgangsanschlüsse 23 an die bürstenlose Gleichstrommaschine der Kraftstoffpumpe 5 aus. Mit Hilfe des von dem Steuergerät 15 erzeugten einfachen Gleichstromsignals kann somit über den Wechselfeldgenerator 7 die Kraftstoffpumpe 5 der Kraftstoffpumpeinrichtung 1 ein- und ausgeschaltet werden. Im eingeschalteten Zustand wird die bürstenlose Gleichstrommaschine dabei fest auf eine bestimmte Drehzahl von beispielsweise 6000 Umdrehungen pro Minute angesteuert.

Während bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Wechselfeldgenerator 7 außerhalb des Kraftstofftanks 19 angeordnet ist, ist der Wechselfeldgenerator 7 bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform innerhalb des Kraftstofftanks 19 eingebaut.

Mit der vorgeschlagenen Kraftstoffpumpeinrichtung 1 kann eine mechanische

Kommutierung, wie sie bei herkömmlichen Kraftstoffpumpeinrichtungen und den darin verwendeten kommutierenden Elektrokraftstoffpumpen eingesetzt wird, durch die Verwendung einer elektronischen Kommutierung durch ein äußeres Wechselfeld entfallen, ohne dass gleichzeitig eine aufwendig zu applizierende und mit höheren Kosten verbundene volle Bedarfsregelung eines Niederdruckkraftstoffkreises in dem Fahrzeug umgesetzt werden müsste.

Damit kann der Einsatz der robusten und von der Kraftstoffsorte unabhängigen elektrischen Kommutierung ohne Änderung eines Kabelbaums innerhalb des

Fahrzeugs ermöglicht werden. Dies ermöglicht unter anderem den Einsatz von bürstenlosen Kraftstoffpumpen auch in einfacheren Fahrzeugen, wie sie beispielsweise in Märkten mit rein lokalen Kraftstoffqualitäten mit z.B. variablen biogenen Anteilen häufig vorkommen.