Beschreibung

Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftstoffpumpe um Kraftstoff aus einem Kraftstoffbehälter ei ^¬ ner 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 insbe ^¬ sondere in Kraftstoffbehältern von Kraftfahrzeugen eingesetzt.

Eine in Abhängigkeit vom Kraftstoffbedarf elektronisch geregelte Kraftstoffpumpe ist aus der DE 43 02 383 Al bekannt. Hierbei wird der Kraftstoffpumpe elektrische Energie gepulst zugeführt wird, wobei der Tastgrad als direkte Funktion eines Stellungs ^¬ ausgangssignals eines Luftmassensensors geändert wird, wobei der Sensor das Signal als Funktion der Stellung eines Drosselventils erzeugt, dessen Stellung ein Maß für den Kraftstoffbe- darf der Brennkraftmaschine ist. Dieses Verfahren der geregel ^¬ ten gepulsten Zuführung von elektrischer Energie ist auch als Pulsweitenmodulation bekannt. Insbesondere Elektromotoren bestehen aus magnetischem oder magnetisch leitfähigem Material, welches Magnetostriktionseffekte aufweisen kann. Außerdem ent- halten 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 elektri ^¬ schen Leiter. Zusätzlich bewirkt die Magnetostriktion der Mag- netwerkstoffe 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 ab- gestrahlt 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 Spannungs ^¬ abfall am Bauteil und den Strom bestimmt sind, werden die Schaltverluste von der Anzahl der Schaltvorgänge pro Zeitein- heit und dem geschalteten Strom bestimmt. In Abhängigkeit von den Betriebsparametern des zu regelnden Systems können die Schaltverluste die Leitverluste deutlich übertreffen. Ein wei ^¬ terer Nachteil besteht darin, dass die Verlustleistung zu ei ^¬ ner 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 Fre ^¬ quenz der Pulse derart geregelt wird, dass bei geringer Förder- leistung der Kraftstoffpumpe die Frequenz höher als bei höherer Förderleistung eingestellt wird.

Während die Förderleistung der Kraftstoffpumpe durch eine Puls ^¬ weitenmodulation der elektrischen Energiezufuhr zur Kraftstoff- pumpe geregelt wird, erlaubt das Betreiben der Kraftstoffpumpe

mit verschiedenen Frequenzen der pulsförmigen Energiezufuhr eine Anpassung der Kraftstoffpumpe an verschiedene Umweltbedin ^¬ gungen. Das Betreiben der Kraftstoffpumpe mit einer hohen Frequenz der Pulsweitenmodulation bei geringer Förderleistung be- wirkt, dass die Kraftstoffpumpe in diesem Betriebszustand be ^¬ sonders leise läuft, da sie wenig Körperschall infolge magneti ^¬ scher Effekte aussendet. Dies ist insbesondere dann erwünscht, wenn die geringe Förderleistung der Kraftstoffpumpe mit einer geringen Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs einhergeht, da auf- grund der geringen Fahrgeschwindigkeit auch die Fahrgeräusche gering sind, so dass laute Geräusche der Kraftstoffpumpe stö ^¬ rend 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 Windge ^¬ räuschen. Aufgrund dieser Geräusche sind die Geräusche der Kraftstoffpumpe derart vernachlässigbar, dass auch lautere Ge ^¬ räusche 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 Zeitein- heit die Schaltverluste für die Pulsweitenmodulation minimiert werden. Dadurch wird die Temperaturbelastung der Regelelektronik infolge der Frequenzabsenkung verringert, was die Lebens ^¬ dauer der Regelelektronik positiv beeinflusst. Das Verfahren hat darüber hinaus den Vorteil, dass es nicht nur auf ein spe- zielles 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 Kraft- stoffpumpe 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 Lastab- hängigkeit des Stroms der Kraftstoffpumpe, stellt der Strom ei ^¬ ne gute Regelgröße dar.

Unter bestimmten Fahrbedingungen können Lastwechsel in sehr kurzen Zeitabständen auftreten. Bei einer stromabhängigen Fre- quenzregelung 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 Rege ^¬ lung der Frequenz kann durch die Auswertung der Temperatur der Regelelektronik erfolgen. Abhängig von der gemessenen Tempera- tur besonders kritischer Baueile wird die Frequenz verändert. Hierdurch kann der Integralregler 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 dar ^¬ stellt, kann auch eine Kombination aus Temperatur und Strom zur Frequenzregelung verwendet werden.

An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher erläu- tert . 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 angeord ^¬ net, 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 um- fasst 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 Bestand ^¬ teil der Motorsteuerung, angeordnet. Es ist aber auch denkbar, die Regelelektronik 6 am oder im Kraftstoffbehälter 1, bei- spielsweise an einem Flansch oder in der Kraftstoffpumpe 2 an ^¬ zuordnen. 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 PuI- se 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 Fre ^¬ quenz durch Magnetostriktion oder Magnetkräfte erzeugte Geräu- sehe der Kraftstoffpumpe nicht wahrgenommen werden.

Der Bereich II zeigt den Betrieb der Brennkraftmaschine mit un ^¬ gefähr 60 % Leistung. Die Pulsweite der Pulse ist dementspre ^¬ chend 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 Kraftstoff- pumpe wahrgenommen werden.

Der Bereich III zeigt den Betrieb der Brennkraftmaschine im un ^¬ teren 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 mensch ^¬ lichen Hörbereich erzeugt werden, so dass auch bei diesem Be- trieb der Brennkraftmaschine keine Geräusche von der Kraft ^¬ stoffpumpe wahrgenommen werden.