Verbetering van de brandstofefficiëntie met borstelloze motoren in brandstofpompen in de tank

Delphi Powertrain Systems, Troy, Michigan

De meeste autobrandstofsystemen maken gebruik van een Fuel Delivery Module (FDM) met componenten om benzine met een gespecificeerde druk en stroomsnelheid van de brandstoftank naar de motor te filteren en te pompen. De FDM maakt gebruik van een reservoirsamenstel om de brandstoftoevoer bij de pompinlaat op peil te houden en ondersteunt componenten zoals drukregelaars en/of begrenzers, filters, niveausensor en de elektrische en hydraulische aansluitingen die door de tank lopen. De huidige systemen maken voornamelijk gebruik van passieve elektrische componenten zoals borstelpompen en resistieve brandstofniveausensoren die onafhankelijk zijn aangesloten op respectievelijk een voedingsspanning en een carrosserieregelmodule. De hoge stroomniveaus van deze systemen vereisen pompen met hoog vermogen die continu op maximale snelheid kunnen werken. Sommige nieuwere systemen maken mogelijk gebruik van een spanningsregelaar om de voedingsspanning van de pomp te moduleren tot discrete snelheden, afhankelijk van de verwachte motorvraag, en zorgen voor enige verbetering in het energieverbruik.

De voertuigarchitectuur met de geïntegreerde module die de borstelloze controller in de FDM omvat

Een nieuwe FDM maakt gebruik van een borstelloze (BL) motor in de pompconstructie en bevat een geïntegreerde controller om elektrische commutatie voor de motor te bieden. Omdat de BL-pomp efficiënter is dan de borstelpomp en omdat de controller een snelheidsregeling met gesloten lus biedt, biedt deze oplossing aanzienlijke verbeteringen in het energieverbruik en bijgevolg in de uitstoot van kooldioxide (CO2). Een ander voordeel van de BL-pomp is de magnetische koppeling tussen de stator en de rotor van de motor, en het elimineren van de contacten die kunnen slijten en/of filmen in agressieve brandstoffen. Dit verbetert de duurzaamheid en betrouwbaarheid van de FDM.

Bovendien biedt de geïntegreerde controller pompdiagnostiek en kan deze sensorsignaalverwerkingscircuits in de tankconstructie bevatten om aanvullende informatie over de gezondheidstoestand mogelijk te maken en/of verdere systeemprestatieverbeteringen te bieden door te communiceren met verbeterde detectietechnologieën zoals een contactloze brandstofniveausensor. De BL-controller profiteert van de nabijheid van de pomp, naast de vermindering van het geluid gekoppeld aan de achterste EMF-detectiefase (ElectroMotive Force) voor sensorloze motorsnelheidsmetingen.

De afbeelding toont een voertuigarchitectuur met de geïntegreerde module die de BL-controller binnen de FDM omvat. Met behulp van een soortgelijke techniek als de spanningsregelaar voor borstelpompen moduleert de BL-pompregelaar de stroom die door elk van de drie fasen vloeit door de voedingsspanning met hoge frequentie uit te schakelen. De uitschakeltijd wordt aangepast om het aandrijfstroomniveau te bereiken dat nodig is om de pompsnelheid op het niveau te houden dat wordt aangestuurd door de Engine Control Module (ECM). Dit pulsbreedtegemoduleerde (PWM) spanningssignaal maakt een snelheidsregeling met gesloten lus mogelijk om de brandstofstroom te garanderen, onafhankelijk van omgevingsfactoren zoals druk, voedingsspanning, brandstofeigenschappen en temperatuur.

Bovendien compenseert de BL-controller variaties in pompparameters en tijdsgeïnduceerde drift. De geïntegreerde FDM-assemblage optimaliseert de systeemprestaties door de afstand tot de BL-pomp te minimaliseren en door een besturingsalgoritme te bieden dat is afgestemd op het pompontwerp en de toepassingsvereisten. Bovendien bevat de BL-controller pompdiagnostiek voor het bewaken van de voedingsspanning, aandrijfstromen, controllertemperatuur en motortoerental. Variaties in deze parameters die buiten voorspelbare en/of acceptabele limieten vallen, kunnen aanleiding geven tot het afsluiten van het systeem om schade te voorkomen of eenvoudigweg een abnormale toestand aan de ECM doorgeven.

Robuuste technische technieken en andere statistische hulpmiddelen werden gebruikt om de optimale oplossing te vinden om te voldoen aan de strenge eisen op het gebied van koppel, snelheid, druk en stroom. Het volledige factoriële ontwerp van de experimenten werd uitgevoerd met behulp van analytische hulpmiddelen om de motorprestaties te simuleren en de combinatie van parameters af te leiden die voldoen aan de koppel- en efficiëntie-eisen van de toepassing, terwijl het tandwielkoppel, de koppelrimpel en de ongebalanceerde magnetische trekkracht die resulteert in overmatige trillingen en geluid tot een minimum worden beperkt. De optimale combinatie en analytische resultaten werden bevestigd door laboratoriumtests met behulp van motorassemblages. De experimenten leidden tot een motorontwerp met 9 polen in de stator en 10 polen in de rotor. De wikkelconfiguratie is afgesteld om te voldoen aan een koppel van meer dan 0,10 Nm bij 12 volt en 5000 tpm, met een efficiëntie van 68% binnen de ontwerptolerantieniveaus van de assemblage.

Dit werk werd gedaan door Duane Collins, Philip Anderson, Sharon Beyer en Daniel Moreno van Delphi Powertrain Systems. Het volledige technische document over deze technologie is te koop via SAE International op http://papers.sae.org/2012-01-0426 .