Kraftstoffeffizienz steigern mit bürstenlosen Motoren in Tankkraftstoffpumpen

Neue Fuel Delivery Module (FDM) mit bürstenlosem Motor und integriertem Controller

Die meisten Kfz-Kraftstoffsysteme nutzen ein Fuel Delivery Module (FDM) mit Komponenten zur Filterung und Förderung von Benzin bei definiertem Druck/Volumenstrom vom Tank zum Motor. FDM nutzt Reservoirbaugruppe für Kraftstoffvorrat am Pumpeneingang und trägt Bauteile: Druckregler/Begrenzer, Filter, Füllstandssensor, elektrisch/hydraulische Anschlüsse durch Tankwand.

Aktuelle Systeme: passive elektrische Komponenten (Bürstenpumpen, resistive Füllstandssensoren) – unabhängig an Spannungsversorgung bzw. Body Control Module angebunden. Hohe Fördermengen erfordern Hochleistungspumpen, die oft kontinuierlich bei Maximaldrehzahl laufen. Neuere Systeme: Spannungsregler moduliert Pumpenversorgungsspannung auf diskrete Stufen je nach Motorbedarf → gewisse Stromverbrauchsverbesserung.

Lösung: Bürstenloser (BL) Motor + integrierter Controller

Neues FDM setzt bürstenlosen Motor in Pumpe ein mit integriertem Controller für elektrische Kommutierung. Vorteile:

• BL-Pumpe effizienter als Bürstenpumpe
• Controller liefert Closed-Loop-Drehzahlregelung
• → Signifikante Verbesserung Stromverbrauch & CO₂-Emissionen
• Magnetische Kopplung Stator/Rotor + Wegfall von Kontakten (Verschleiß/Beschichtung in aggressiven Kraftstoffen) → höhere Haltbarkeit/Zuverlässigkeit des FDM

Zusatzfunktionen des integrierten Controllers

• Pumpdiagnose
• Sensorsignalverarbeitung im Tank → zusätzlicher State-of-Health-Info, weitere Systemverbesserungen via verbesserte Sensorik (z. B. berührungsloser Füllstandssensor)
• Nähe zum Pump: Vorteil für BL-Controller + Rauschreduktion an Back-EMF-Sensorphase (sensorlose Drehzahlmessung)

Funktionsweise: PWM-Steuerung

Fahrzeugarchitektur mit integriertem Modul (BL-Controller im FDM). Ähnlich wie Spannungsregler bei Bürstenpumpen: BL-Controller moduliert Strom in den drei Phasen durch Hochfrequenz-Abschalten der Versorgungsspannung. Abschaltzeit wird angepasst, um Antriebsstrom für vom Engine Control Module (ECM) vorgegebenen Pumpendrehzahl zu halten. Dieses PWM-Spannungssignal ermöglicht Closed-Loop-Drehzahlregelung → kraftstoffflussunabhängig von Umwelteinflüssen (Druck, Versorgungsspannung, Kraftstoffeigenschaften, Temperatur).

Zusätzlich: BL-Controller kompensiert Pumpenparameter-Variationen und zeitbedingte Drift. Integrierte FDM-Baugruppe optimiert Systemperformance: minimierter Abstand zum BL-Pump, Regelalgorithmus abgestimmt auf Pumpendesign/Anforderungen. Diagnose: Überwachung Versorgungsspannung, Antriebsströme, Controllertemperatur, Motordrehzahl. Abweichungen außerhalb vorhersehbarer/akzeptabler Grenzen → Systemabschaltung (Schutz) oder Meldung an ECM.

Robustes Engineering & Optimierung

Robuste Engineering-Techniken/statistische Tools für optimale Lösung: strenge Drehmoment-, Drehzahl-, Druck-, Durchflussanforderungen. Vollfaktorieller Versuchsplan (DoE) mit Analysetools → Motorenleistung simulieren, Parameterkombination für Drehmoment/Wirkungsgrad bei Minimierung von Rastmoment, Drehmomentwelligkeit, unausgeglichenem magnetischem Zug (übermäßige Vibration/Noise). Optimale Kombination + Analyseresultate im Labor mit Motorbaugruppen bestätigt.

Ergebnis: Motordesign mit 9 Polen im Stator, 10 Polen im Rotor. Wicklungskonfiguration abgestimmt auf Drehmoment > 0,10 Nm bei 12 V, 5000 rpm, 68 % Wirkungsgrad (Montagetoleranzen berücksichtigt).

Arbeit von Duane Collins, Philip Anderson, Sharon Beyer, Daniel Moreno, Delphi Powertrain Systems. Vollständiges technisches Paper bei SAE International: https://papers.sae.org/2012-01-0426.