Повышение эффективности использования топлива с помощью бесщеточных двигателей в топливных насосах в баке

Delphi Powertrain Systems, Трой, Мичиган

В большинстве автомобильных топливных систем используется модуль подачи топлива (FDM) с компонентами для фильтрации и перекачки бензина при заданном давлении и скорости потока из топливного бака в двигатель. В FDM используется узел резервуара для поддержания подачи топлива на входе насоса и вспомогательные компоненты, такие как регуляторы и/или ограничители давления, фильтры, датчик уровня, а также электрические и гидравлические соединения, проходящие через бак. В современных системах преимущественно используются пассивные электрические компоненты, такие как щеточные насосы и резистивные датчики уровня топлива, которые независимо подключаются к источнику питания и модулю управления кузовом соответственно. Высокие уровни потока в этих системах требуют мощных насосов, которые могут работать непрерывно в условиях максимальной скорости. В некоторых новых системах может использоваться контроллер напряжения для модуляции напряжения питания насоса до дискретных скоростей в зависимости от прогнозируемой потребности двигателя и обеспечения некоторого улучшения энергопотребления.

Архитектура автомобиля со встроенным модулем, включающим бесщеточный контроллер в составе FDM.

В новом FDM в насосном узле используется бесщеточный (BL) двигатель, а также встроенный контроллер, обеспечивающий электрическую коммутацию двигателя. Поскольку насос BL более эффективен, чем щеточный насос, и поскольку контроллер обеспечивает регулирование скорости с обратной связью, это решение обеспечивает значительное снижение энергопотребления и, следовательно, выбросов углекислого газа (CO2). Еще одно преимущество насоса BL заключается в магнитной муфте между статором и ротором двигателя и исключении контактов, которые могут изнашиваться и/или налипать в агрессивном топливе. Это повышает долговечность и надежность FDM.

Кроме того, встроенный контроллер обеспечивает диагностику насоса и может включать в себя схему обработки сигналов датчиков внутри бака в сборе для предоставления дополнительной информации о состоянии и/или обеспечения дальнейшего улучшения производительности системы за счет взаимодействия с улучшенными технологиями обнаружения, такими как бесконтактный датчик уровня топлива. Контроллер BL выигрывает от непосредственной близости к насосу, а также от снижения шума, связанного с фазой измерения обратной ЭДС (электродвижущей силы) для измерения скорости двигателя без датчиков.

На рисунке показана архитектура автомобиля со встроенным модулем, включающим контроллер BL в составе FDM. Используя тот же метод, что и контроллер напряжения для щеточных насосов, контроллер насоса BL модулирует ток, протекающий через каждую из трех фаз, отключая напряжение питания на высокой частоте. Время отключения регулируется для достижения уровня приводного тока, необходимого для поддержания скорости насоса на уровне, заданном модулем управления двигателем (ECM). Этот сигнал напряжения с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) позволяет управлять скоростью с обратной связью, чтобы обеспечить подачу топлива независимо от факторов окружающей среды, таких как давление, напряжение питания, свойства топлива и температура.

Кроме того, контроллер BL компенсирует изменения параметров насоса и дрейф, вызванный временем. Интегрированный узел FDM оптимизирует производительность системы за счет сведения к минимуму расстояния до насоса BL и предоставления алгоритма управления, настроенного в соответствии с конструкцией насоса и требованиями применения. Кроме того, контроллер BL включает в себя диагностику насоса для мониторинга напряжения питания, токов возбуждения, температуры контроллера и скорости двигателя. Изменения этих параметров за пределами предсказуемых и/или приемлемых пределов могут привести к отключению системы, чтобы предотвратить повреждение, или просто сообщить ECM о ненормальном состоянии.

Надежные инженерные методы и другие статистические инструменты были использованы для получения оптимального решения, отвечающего строгим требованиям к крутящему моменту, скорости, давлению и расходу. Полное факторное планирование экспериментов было выполнено с использованием аналитических инструментов для моделирования производительности двигателя и получения комбинации параметров, которые соответствуют требованиям к крутящему моменту и эффективности применения, при этом минимизируя зубчатый момент, пульсации крутящего момента и несбалансированное магнитное притяжение, которое приводит к избыточной вибрации и шуму. Оптимальное сочетание и аналитические результаты подтверждены лабораторными испытаниями на моторных агрегатах. Эксперименты привели к созданию двигателя с 9 полюсами в статоре и 10 полюсами в роторе. Конфигурация обмотки была настроена так, чтобы обеспечить крутящий момент более 0,10 Нм при 12 В и 5000 об/мин с эффективностью 68 % при проектных допусках сборки.

Эту работу выполнили Дуэйн Коллинз, Филип Андерсон, Шэрон Бейер и Дэниел Морено из Delphi Powertrain Systems. Полный технический документ по этой технологии можно приобрести через SAE International по адресу http://papers.sae.org/2012-01-0426.