DE10155339A1 - Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und Kraftfahrzeug - Google Patents

Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors und Kraftfahrzeug

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DE10155339A1
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Matthias Klingebiel
Ruediger Pfaff
Heiko Sass
Lothar Welte
Frank Duvinage
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der einen Kühlmittelkreislauf aufweist, mit einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist zum Erreichen oder Halten einer gewünschten Kühlmitteltemperatur ein Aufheizbetrieb einstellbar, in dem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors bei Erfüllung angeforderter Leistungssollwerte für einen maximal möglichen Wärmeeintrag in das Kühlmittel und/oder das Abgas eingestellt werden. DOLLAR A Verwendung z. B. für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren mit hohem thermodynamischen Wirkungsgrad.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der einen Kühlmittelkreislauf aufweist, mit einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors.
  • Moderne Verbrennungsmotoren erreichen hohe thermodynamische Wirkungsgrade. Dadurch entstehen neue Zielkonflikte bezüglich des Wärmehaushalts der Motoren. Einerseits wird eine schnelle Aufwärmphase nach dem Kaltstart gewünscht, um so schnell wie möglich eine Verminderung der Reibleistung durch eine Erwärmung des Öls sowie eine optimale Verbrennung zu erreichen. Die Umsetzung hierauf gerichteter Maßnahmen führt aber andererseits dazu, dass ein Heizkomfort im Fahrzeuginnenraum nicht zufriedenstellend ist, da das Kühlmittel, das einen Heizungswärmetauscher durchströmt, nicht ausreichend schnell erwärmt wird. Um einen zufriedenstellenden Heizkomfort zu erreichen, müssen folglich Sekundärheizmaßnahmen vorgesehen werden.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 197 28 351 A1 ist ein Verfahren zur Wärmeregulierung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem Bauteiltemperaturen und Leistungskennwerte eines Verbrennungsmotors erfasst und bei einer Regelung von Kühlmittelvolumenströmen berücksichtigt werden. Zur Verwirklichung der Regelung können drehzahlgeregelte Pumpen, Lüfter, elektrisch ansteuerbare Ventile und Jalousien verwendet werden.
  • Mit der Erfindung soll ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors sowie ein Kraftfahrzeug angegeben werden, mit dem ohne Sekundärheizmaßnahmen ein zufriedenstellender Heizkomfort erreicht wird.
  • Erfindungsgemäß ist hierzu ein Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der einen Kühlmittelkreislauf aufweist, mit einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors vorgesehen, bei dem zum Erreichen oder Halten einer gewünschten Kühlmitteltemperatur ein Aufheizbetrieb einstellbar ist, in dem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors bei Erfüllung angeforderter Leistungssollwerte für einen maximal möglichen Wärmeeintrag in das Kühlmittel und/oder das Abgas eingestellt werden.
  • Indem der Verbrennungsmotor kurzfristig auf einen Betrieb mit einem schlechtestmöglichen thermodynamischen Wirkungsgrad bei noch rundem Lauf und Erfüllung der angefragten Leistungssollwerte umgestellt wird, kann das Kühlmittel möglichst schnell aufgeheizt werden. Indem lediglich kurzfristig auf den Aufheizbetrieb geschaltet wird, können Verbrauchs- und Abgasgrenzwerte eingehalten werden. Durch die Umstellung auf den Aufheizbetrieb können Sekundärheizmaßnahmen entfallen.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird im Aufheizbetrieb zur Erhöhung einer Brennraumoberflächentemperatur eine Schwerpunktlage der Verbrennung gegenüber der Schwerpunktlage der Verbrennung im Normalbetrieb unter Einhaltung eines maximal möglichen Brennraumdrucks zeitweise vorgezogen.
  • Durch Vorziehen der Schwerpunktlage der Verbrennung und/oder Anhalten des Kühlmittelstroms kann eine Brennraumoberfläche schnellstmöglich angewärmt werden. Dies ist eine Voraussetzung für den Betrieb mit möglichst schlechtem thermodynamischen Wirkungsgrad, da nur bei hoher Brennraumoberflächentemperatur Zündaussetzer vermieden werden können. Liegt eine erfasste Brennraumoberflächentemperatur daher unter einem vorgegebenen Grenzwert, ab dem ein schlechter thermodynamischer Wirkungsgrad eingestellt werden könnte, wird eine Schwerpunktlage der Verbrennung zunächst vorgezogen bzw. der Kühlmittelstrom angehalten oder verringert, um die Brennraumoberflächentemperatur zu erhöhen. Unter einer Schwerpunktlage der Verbrennung ist derjenige Zeitpunkt zu verstehen, um den herum die Verbrennung schwerpunktmäßig stattfindet, insbesondere bei der Umsetzung von 50% des Kraftstoffs.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird im Aufheizbetrieb eine . zeitliche Schwerpunktlage der Verbrennung unter Einhaltung vorgegebener Grenzen einer Brennraumoberflächentemperatur gegenüber einer zeitlichen Schwerpunktlage der Verbrennung im Normalbetrieb verzögert.
  • Durch Verzögerung der Schwerpunktlage der Verbrennung ergeben sich eine hohe Abgastemperatur und ein schlechter thermodynamischer Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors. Dabei wird auf die Einhaltung vorgegebener Grenzen einer Brennraumoberflächentemperatur geachtet, um Zündaussetzer zu vermeiden und einen noch runden Lauf des Verbrennungsmotors zu ermöglichen. Durch die hohe Abgastemperatur und den schlechten thermodynamischen Wirkungsgrad ergibt sich eine hohe Heizleistung und ein maximaler Wärmeeintrag in den Verbrennungsmotor. Dadurch kann das Kühlmittel schnell aufgeheizt werden, um einen zufriedenstellenden Heizkomfort zu erreichen. Neben einem ausgesprochenen Kaltstartbetrieb können diese Maßnahmen auch im Teillastbetrieb durchgeführt werden, um ein Auskühlen des Motors zu vermeiden. Eine solche Auskühlung des Motors kann sich dadurch ergeben, dass Kühlsysteme im allgemeinen nach Maximalanforderungen, beispielsweise Bergfahrt mit Anhänger im Volllastbetrieb und bei hohen Umgebungstemperaturen, ausgelegt werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird im Aufheizbetrieb eine Leerlaufdrehzahl unter Berücksichtigung einer Öltemperatur und einer Kühlmitteltemperatur gegenüber dem Normalbetrieb angehoben.
  • Auch diese Maßnahme trägt dazu bei, die Kühlmitteltemperatur auf einen Wert anzuheben, der einen zufriedenstellenden Heizkomfort sichert.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird im Aufheizbetrieb ein Kühlmittelstrom durch den Verbrennungsmotor für einen vorbestimmten Zeitraum nach einem Kaltstart auf Null gesetzt.
  • Auf diese Weise kann eine Brennraumoberflächentemperatur nach einem Kaltstart möglichst rasch auf einen Wert angehoben werden, der dann einen Betrieb des Verbrennungsmotors mit schlechtem thermischen Wirkungsgrad erlaubt. Ein Kühlmittelstrom durch den Verbrennungsmotor wird beispielsweise durch Abstellen einer elektrischen Kühlwasserpumpe oder Umleiten der Strömung erreicht.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird im Aufheizbetrieb ein Kühlmittelstrom durch den Verbrennungsmotor in Abhängigkeit von der Brennraumoberflächentemperatur und vom Motorbetriebspunkt eingestellt.
  • Auf diese Weise kann eine Brennraumoberflächentemperatur innerhalb eines vorgegebenen Fensters gehalten werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird im Aufheizbetrieb eine Abgasrückführrate einer Abgasrückführeinrichtung des Verbrennungsmotors unter Einhaltung vorgegebener Grenzwerte auf einen maximal möglichen Wert eingestellt.
  • Die Grenzwerte für die Abgasrückführrate sind durch Laufruhe, Schadstoffemission und Kraftstoffverbrauch bestimmt. Eine hohe Abgasrückführrate führt zu einer hohen Wärmeleistung eines Abgasrückführ-Wärmetauschers. Durch eine hohe Abgasrückführung wird der kalte Frischluftmassenstrom verringert, was zu reduzierten Wärmeverlusten durch den dadurch verringerten Abgasmassenstrom führt. Vorteilhafterweise wird eine Abgasrückführrate so weit erhöht, dass sich ein Trübungswert des Abgases gerade noch unterhalb der Sichtbarheitsgrenze hält.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird im Aufheizbetrieb zur Erhöhung der Abgasrückführrate ein Ladedruck einer Aufladeeinrichtung des Verbrennungsmotors erhöht.
  • Dadurch kann die dem Motor sowie einem Abgasrückführkühler entnehmbare Wärmemenge weiter erhöht werden. Darüber hinaus kann eine Verbesserung der dynamischen Eigenschaften des Fahrzeugs erreicht werden, da die Abgastemperaturen deutlich höher sind als im Normalbetrieb, so dass der Aufbau des Ladedrucks aufgrund größerer Turbinenleistung verzögerungsärmer erfolgen kann.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird im Aufheizbetrieb ein Luftstrom durch einen Ladeluftkühler einer Aufladeeinrichtung des Verbrennungsmotors auf Null gesetzt (Bypass).
  • Auch diese Maßnahme trägt zu einer möglichst raschen Erwärmung des Verbrennungsmotors bzw. des Kühlmittels im Verbrennungsmotor bei.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird im Aufheizbetrieb eine Kühlerjalousie geschlossen.
  • In Weiterbildung der Erfindung wird im Aufheizbetrieb zur Verschiebung der Schwerpunktlage der Verbrennung gegenüber dem Normalbetrieb eine Veränderung der Einspritzmengen und/oder Einspritzzeitpunkte einer Vor-, Haupt- und/oder Nacheinspritzung vorgenommen. Weiterhin kann im Aufheizbetrieb zum Erhöhen einer Einspritzmenge ein Einspritzdruck erhöht werden.
  • Beispielsweise können in Verbindung mit einer Erhöhung des Drucks und einer Vergrößerung der Einspritzmenge eine Doppel-, Dreifach- oder Mehrfachvoreinspritzung vorgenommen werden, wobei die einzelnen Einspritzungen variablen Abstand untereinander und von der Haupteinspritzmenge haben. Dadurch resultiert letztendlich eine Verschiebung der Schwerpunktlage der Verbrennung nach früh und der Brennraumdruck kann bis zur maximal zulässigen Größe erhöht werden.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist eine Regelung für die Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors, die Brennraumoberflächentemperatur und/oder die Öltemperatur vorgesehen.
  • Die Kühlmitteltemperatur kann beispielsweise am Kühlmittelaustritt des Verbrennungsmotors für eine Regelung erfasst werden. Durch Überwachung und Regelung der Kühlmitteltemperatur, der Brennraumoberflächentemperatur und/oder der Öltemperatur kann eine schnellstmögliche Aufheizung erreicht werden, ohne dass Überhitzungsschäden zu befürchten wären.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind bei einer Regelung die Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelaustritt des Verbrennungsmotors, die Brennraumoberflächentemperatur und die Öltemperatur in dieser Reihenfolge priorisiert.
  • Auf diese Weise hat die Kühlmitteltemperatur die höchste Priorität, so dass eine komfortorientierte Regelung erreicht wird.
  • In Weiterbildung der Erfindung weist die Regelung wenigstens einen Regler mit veränderbarer Regelcharakteristik auf.
  • Beispielsweise kann ein Regler mit einem sogenannten Zustandsautomaten eingesetzt werden, bei dem in Abhängigkeit der Regelabweichung und der Störgrößen ein Regelbereich in mehrere Teilbereiche mit jeweils unterschiedlicher Regelcharakteristik aufgeteilt ist. Beispielsweise kann auch ein PI-Regler eingesetzt werden, der bei einer über einem vorbestimmten Grenzwert liegenden Störgröße als P-Regler arbeitet.
  • Das der Erfindung zugrundeliegende Problem wird auch durch ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor und Heizungsanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, bei dem Mittel zum Erfassen von für einen Erwärmungszustand des Verbrennungsmotors charakteristischen Größen und Mittel zum wahlweisen Einstellen eines Aufheizbetriebs des Verbrennungsmotors vorgesehen sind. In dem Aufheizbetrieb werden Betriebsparameter des Verbrennungsmotors bei Erfüllung angeforderter Leistungssollwerte für einen maximal möglichen Wärmeeintrag in das Kühlmittel und/oder das Abgas eingestellt. Vorteilhafterweise ist eine ansteuerbare Kühlmittelpumpe zur motordrehzahlunabhängigen Einstellung des Kühlmittelstroms vorgesehen. Ebenfalls vorteilhaft ist ein Abgasrückführwärmetauscher im Kühlmittelkreislauf.
  • Durch diese Maßnahmen kann ein Betrieb des Verbrennungsmotors im Sinne eines intelligenten Heizkomfort-Managements optimiert werden. Einerseits ist ein Betrieb für schnellstmögliche Aufheizung des Kühlmittels und andererseits ein möglichst schadstoff- und verbrauchsarmer Betrieb möglich. Vorteilhaft ist eine separate, steuer- oder regelbare Heizungswasserpumpe.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind der Abgasrückführwärmetauscher und ein Heizungswärmetauscher in bezug auf den Kühlmittelkreislauf in Serie geschaltet. Eine solche Anordnung ist besonders effektiv, da das Kühlmittel im Abgasrückführwärmetauscher zusätzlich erhitzt und unmittelbar darauf im Heizungswärmetauscher wieder abgekühlt wird. Auf diese Weise kann das Kühlmittel zwischen Abgasrückführwärmetauscher und Heizungswärmetauscher nur unwesentlich abkühlen und erreicht durch die genannte Anordnung die höchstmögliche Eintrittstemperatur in den Heizungswärmetauscher.
  • In Weiterbildung der Erfindung sind eine Bypassleitung zur Umgehung des Kühlmittelkühlers sowie ein mittels eines zentralen Steuergeräts steuerbares Mischventil zur Einstellung des Kühlmittelstroms durch die Bypassleitung und den Kühlmittelkühler vorgesehen.
  • Dadurch werden die Voraussetzungen für eine Steuerung bzw. Regelung des Kühlmittelstroms in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Verbrennungsmotors geschaffen. Vorteilhafterweise können ein querdurchströmter Zylinderkopf und/oder Motorblock sowie ein dicht abschließbarer Motorraum vorgesehen sein.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
  • Fig. 2 eine schematische Darstellung der Regelung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren.
  • In der schematischen Darstellung der Fig. 1 ist ein Verbrennungsmotor 10 dargestellt, wie er in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen ist. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Kühlmittelkreislauf auf, in dem ein Kühlmittel zirkuliert. Eine Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf ist an verschiedenen Stellen jeweils durch einen Pfeil angedeutet. Ausgehend von einer Auslassöffnung 12 des Verbrennungsmotors 10 gelangt Kühlmittel zu einem steuerbaren Mischventil 14, das als Drehschieber ausgebildet ist. Das Mischventil 14 wird mittels eines zentralen Steuergeräts 16 angesteuert. Die Übertragung von Daten von dem Steuergerät 16 zum Bypassventil 14 und umgekehrt ist durch einen strichlierten Doppelpfeil angedeutet. Mittels des Mischventils 14 wird der vom Verbrennungsmotor 10 kommende Kühlmittelstrom über eine Bypassleitung 18 bzw. über einen Wärmetauscher 20 geleitet.
  • Stromabwärts des Wärmetauschers 20 mündet die Bypassleitung 18 wieder in eine Hauptleitung 22, die zu einer Kühlmittelpumpe 24führt. Die Kühlmittelpumpe 24 wird elektrisch betrieben und kann mittels pulsweitenmodulierter Signale (PWM) von dem Steuergerät 16 angesteuert werden. Ein Datenaustausch zwischen der Kühlmittelpumpe 24 und dem Steuergerät 16 ist durch einen strichlierten Doppelpfeil angedeutet. Ausgehend der Kühlmittelpumpe 24 gelangt das Kühlmittel wieder in den Verbrennungsmotor 10.
  • Stromaufwärts des Mischventils 14 zweigt eine Leitung 26 vom Kühlmittelauslaß 12 ab, die nacheinander einen Abgasrückführwärmetauscher 28 und einen Heizungswärmetauscher 30 durchsetzt und daraufhin in die Hauptleitung 22 mündet, die zu der Kühlmittelpumpe 24 führt.
  • Eine weitere Kühlmittelleitung 32 zweigt unmittelbar vom Verbrennungsmotor 10 ab und führt über einen Öl-Wasser-Wärmetauscher 34 und einen Ladeluft-Wärmetauscher 36 wieder zu der Hauptleitung 22, die zur Kühlmittelpumpe 24 führt.
  • Die Anordnung der Komponenten kann in modifizierten Ausführungsbeispielen variieren. Beispielsweise kann anstelle der dargestellten Anordnung der Öl-Wasser-Wärmetauscher dem Heizungswärmetauscher nachgeschaltet sein. Alternativ kann ein zusätzlicher Öl-Wasser-Wärmetauscher dem Heizungswärmetauscher 30 nachgeschaltet sein.
  • Der Kühler 20 ist mit einer Kühlerjalousie 38 und einem elektrischen Ventilator 40 versehen, die beide mittels des Steuergeräts 16 angesteuert werden können. Der Verbrennungsmotor 10 ist in einem dicht abgeschlossenen Motorraum angeordnet, so dass kein Wärmeverlust durch Fahrtwind oder dergleichen auftreten kann.
  • Das zentrale Steuergerät 16 erhält Eingangssignale von einem Bauteiltemperatursensor, der als Brennraumoberflächentemperatursensor 42 ausgebildet ist und mit dem eine Brennraumoberflächentemperatur in dem Verbrennungsmotor 10 bestimmt und an das Steuergerät 16 übergeben werden kann. Mittels eines Öltemperatursensors 44 wird eine Öltemperatur des Verbrennungsmotors 10 erfaßt und an das Steuergerät 16 übergeben. Darüber hinaus wird mittels eines Kühlmitteltemperatursensors 46 eine Kühlmitteltemperatur stromabwärts des Kühlmittelauslasses 12 und stromaufwärts des Bypassventils 14 erfaßt und ebenfalls an das Steuergerät 16 übergeben. Anstelle der Sensorwerte können auch Rechengrößen und/oder Erfahrungswerte Verwendung finden.
  • Mittels des Steuergeräts 16 kann ein Zündzeitpunkt, eine Einspritzmenge und ein Einspritzzeitpunkt des Verbrennungsmotors 10 verändert werden. Der Verbrennungsmotor 10 stellt dem Steuergerät 16 Istwerte zur Verfügung. Dieser Datenaustausch zwischen dem Steuergerät 16 und Verbrennungsmotor 10 ist durch einen strichlierten Doppelpfeil 48 angedeutet.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll ein bedarfgerechtes, intelligentes Heizkomfort-Management für Otto- und Dieselmotoren in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebs- und Umgebungsbedingungen erreicht werden, ohne dass zusätzliche Sekundärheizmaßnahmen erforderlich sind. Hierzu wird der Verbrennungsmotor 10 in einem Aufheizbetrieb als "Brenner" zur Aufheizung des Fahrzeuginnenraums verwendet. Dies bedeutet, dass der Verbrennungsmotor 10 zeitweise mit möglichst schlechtem thermodynamischen Wirkungsgrad betrieben wird, um einen maximal möglichen Wärmeeintrag in das Abgas und den Motor, somit auch in das Kühlmittel, zu erhalten. Um dies zu erreichen, wird eine Schwerpunktlage der Verbrennung extrem nach spät verschoben.
  • Voraussetzung für eine solche Verschiebung der Schwerpunktlage der Verbrennung nach spät ist eine hohe Temperatur der den Brennraum begrenzenden Bauteile, da sonst unweigerlich Zündaussetzer die Fahrbarkeit des Fahrzeugs beeinträchtigen. Infolgedessen muß eine Brennraumoberflächentemperatur überwacht werden und dann, wenn eine Brennraumoberflächentemperatur unterhalb eines kritischen Werts liegt, müssen zunächst Maßnahmen getroffen werden, um die den Brennraum begrenzenden Bauteile sehr schnell aufzuheizen.
  • Zur schnellstmöglichen Aufheizung der Brennraumoberfläche wird die Schwerpunktlage der Verbrennung nach früh verlegt. Hierzu wird beispielsweise mittels des Steuergeräts 16 eine Einspritzmenge durch Erhöhung eines Raildrucks erhöht und gleichzeitig wird die Anzahl der Voreinspritzungen erhöht. Eine Grenze bildet hierbei der maximal zulässige Brennraumdruck, der nicht überschritten werden darf.
  • In Abhängigkeit der Brennraumoberflächentemperatur, die mittels des Brennraumoberflächentemperatursensors 42 erfaßt und an das Steuergerät 16 übergeben wird, wird die Schwerpunktlage der Verbrennung daraufhin kontinuierlich nach spät verschoben, um eine Abgastemperatur so hoch wie möglich zu treiben und einen Wärmeeintrag in das Kühlmittel maximal zu erhöhen. Eine solche Verschiebung der Schwerpunktlage der Verbrennung wird beispielsweise durch eine Doppel- oder Dreifachnacheinspritzung, gegebenenfalls in Verbindung mit einer Erhöhung der Einspritzmenge durch Erhöhung des Raildrucks und/oder Verlängerung der Einspritzdauer erreicht. Die Schwerpunktlage der Verbrennung wird so weit nach spät verschoben, dass der vom Fahrer geforderte Vortrieb, die angeforderte Last, mit dem schlechtestmöglichen effektiven Wirkungsgrad bereitgestellt wird und damit eine möglichst hohe Restenergie für die Aufheizung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung steht.
  • Dieser sogenannte Aufheizbetrieb wird lediglich zeitweise eingestellt, so dass dann, wenn eine gewünschte Kühlmitteltemperatur erreicht ist, wieder auf einen verbrauchs- und schadstoffoptimierten Betrieb umgeschaltet werden kann. Eine Umschaltung vom Aufheizbetrieb in den Normalbetrieb ist ebenfalls dann erforderlich, wenn während einer Kaltstartphase eine erhöhte Leistungsanforderung vorliegt, beispielsweise durch Volllast- Beschleunigung. In solchen Fällen muß ausgehend vom Aufheizbetrieb die Schwerpunktlage der Verbrennung schnellstmöglich wieder nach früh verschoben werden, um den Leistungs- bzw. Drehmomentanforderungen des Fahrers gerecht zu werden.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind weitere Maßnahmen vorgesehen, um ein intelligentes Heizkomfort-Management für Verbrennungsmotoren bereitzustellen. So wird die Leerlaufdrehzahl des Verbrennungsmotors 10 durch das Steuergerät 16 in Abhängigkeit der Öltemperatur, die durch den Öltemperatursensor 44 erfaßt wird, und in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur, die durch den Kühlmitteltemperatursensor 46 erfaßt wird, angehoben.
  • Darüber hinaus wird während der ersten Sekunden der Kaltstartphase das Kühlwasser nicht umgewälzt. Hierzu schaltet das Steuergerät 16 die Kühlmittelpumpe 24 ab und/oder schließt/sperrt das Mischventil 14. Dieser Zeitraum kann sich bis zu 2 Minuten erstrecken. Im weiteren Verlauf der Kaltstartphase wird dann der Kühlwasserstrom mittels des Mischventils 14 und der Kühlmittelpumpe 24 in Abhängigkeit der Brennraumoberflächentemperatur, die durch den Brennraumoberflächentemperatursensor 42 erfaßt wird, und der gerade eingestellten Schwerpunktlage der Verbrennung eingestellt.
  • Darüber hinaus wird eine Abgasrückführrate auf einen maximal möglichen Wert gerade noch unterhalb einer sichtbaren Trübung des Abgases eingestellt, um über den Abgasrückführwärmetauscher 28 eine möglichst große Wärmemenge in das Kühlmittel in der Leitung 26 einzubringen. Je nach aktuellem Betriebspunkt kann durch eine Erhöhung des Ladedrucks einer Aufladeeinrichtung des Verbrennungsmotors die maximal mögliche Abgasrückführrate noch gesteigert werden.
  • Während des Aufheizbetriebs hält das Steuergerät 16 die Kühlerjalousie 38 geschlossen. In Verbindung mit der bereits erwähnten Abdichtung des Motorraums wird ein Wärmeverlust dadurch möglichst gering gehalten.
  • Mittels des Steuergeräts 16 wird eine Regelung der Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelaustritt 12 des Verbrennungsmotors 10, der Brennraumoberflächentemperatur des Verbrennungsmotors 10 sowie der Öltemperatur verwirklicht. Die Istwerte der Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelauslass 12 werden mittels des Kühlmitteltemperatursensors 46, eine Brennraumoberflächentemperatur mittels des Brennraumoberflächentemperatursensors 42 und eine Öltemperatur mittels des Öltemperatursensors 44 erfaßt und an das Steuergerät 16 übergeben. Die Sollwerte der drei Führungsgrößen Kühlmitteltemperatur am Auslass, Brennraumoberflächentemperatur und Öltemperatur werden anhand von Kennfeldern vorgegeben. So ist in dem Steuergerät 16 ein Grundkennfeld für die Kühlmitteltemperatur am Motorauslass in Abhängigkeit der Motorlast und der Fahrgeschwindigkeit vorgegeben. Mittels der Führungsgröße Kühlmitteltemperatur am Motorauslass wird in erster Linie die bedarfsgerechte Kühlung für den Motor sichergestellt und der Heizkomfort in Fahrzeuginnenraum maßgeblich beeinflusst.
  • Ebenfalls in dem Steuergerät 16 abgelegt ist ein Kennfeld von Sollwerten der Brennraumoberflächentemperatur in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Einspritzmenge. Diese Führungsgröße ist für das gezielte Temperieren der Brennraumoberfläche unbedingt erforderlich, um nach dem Kaltstart eine gezielte Erwärmung der Brennraumoberflächen zu bewirken. Eine Erfassung der Brennraumoberflächentemperatur zeigt darüber hinaus am zuverlässigsten und schnellstens an, wenn das Kühlsystem eine Fehlfunktion aufweist.
  • Als dritte Führungsgröße wird mittels des Steuergeräts 16 die Öltemperatur vorgegeben. Dadurch kann in Verbindung mit einer Berücksichtigung der Kühlmittelaustrittstemperatur und der Brennraumoberflächentemperatur vor allem bei Teillastbetrieb ein besserer Heizkomfort realisiert werden. Eine Erfassung der Öltemperatur trägt auch zu einem wirkungsvollen Motorschutz bei hoher Last und Drehzahl bei.
  • Die Regelung anhand der beschriebenen Führungsgrößen mittels des Steuergeräts 16 ist in der Fig. 2 schematisch dargestellt. In einem Funktionsblock 50 werden Regeldifferenzen sowie Grenzwerte für Betriebsparameter des Verbrennungsmotors bestimmt. Regelgrößen sind die Kühlmitteltemperatur am Auslaß, die Brennraumoberflächentemperatur sowie die Öltemperatur, wobei eine Priorisierung vorgesehen ist, die der Kühlmitteltemperatur am Auslaß die höchste Priorität, der Brennraumoberflächentemperatur die zweithöchste Priorität und der Öltemperatur die niedrigste Priorität zuordnet. Als Eingangsgrößen werden in dem Funktionsblock 50 somit die Kühlmitteltemperatur am Auslaß, die Brennraumoberflächentemperatur beispielsweise als eine Stegtemperatur und die Öltemperatur, beispielsweise in der Ölwanne, verarbeitet. Diese Eingangsgrößen dienen zur Ermittlung einer jeweiligen Regeldifferenz. Weitere Eingangsgrößen in dem Funktionsblock 50 dienen beispielsweise zur Bestimmung betriebszustandsabhängiger Grenzwerte für Betriebsparameter des Verbrennungsmotors sowie zur Bestimmung einer für den aktuellen Betriebszustand des Verbrennungsmotors geeigneten Regelcharakteristik. Solche weiteren Eingangsgrößen sind beispielsweise eine Motordrehzahl, eine Fahrgeschwindigkeit, eine Einspritzmenge, eine Außenlufttemperatur sowie ein Kältemitteldruck in einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs. Die Eingangsgröße Kältemitteldruck wird dazu verwendet, die Ansteuerung des Lüfters 40 (Fig. 1) zu beeinflussen.
  • Im Block 52 stehen daraufhin Regeldifferenzen und Grenzwerte zur Verfügung. Diese Werte werden einerseits an einen Zustandsautomaten 54 übergeben, der in Abhängigkeit der Größe der Regeldifferenz und eventueller Überschreitung von Grenzwerten eine geeignete Regelcharakteristik auswählt. Beispielsweise kann ein Regelbereich in vier Quadranten unterteilt sein, in denen jeweils eine andere Regelcharakteristik verwendet wird.
  • Der Zustandsautomat 54 übergibt eine geeignete Reglereinstellung an den Regler 56. Dem Regler 56 werden aus dem Block 52 ebenfalls die Regeldifferenzen übergeben, woraufhin der Regler 56 Stellgrößen ausgibt, die durch den Block 58 dargestellt sind. Stellgrößen sind beispielsweise pulsweitenmodulierte Signale (PWM) zur Ansteuerung der elektrischen Kühlmittelpumpe 24, PWM-Signale zur Ansteuerung des als Drehschieber ausgebildeten Mischventils 14, PMW-Signale für den Lüfter 40 sowie die Kühlerjalousie 38. Darüber hinaus gibt der Regler 56 Signale zur Einstellung der Stellgrößen Einspritzmenge und Einspritzzeitpunkt aus. Im Falle eines Ottomotors kann der Regler 56 darüber hinaus Signale zur Veränderung eines Zündzeitpunkts ausgeben. Einspritzmenge und Einspritzzeitpunkt werden beispielsweise durch Erhöhung des Raildrucks, Veränderung der Einspritzdauer sowie Veränderung der Anzahl der Vor-, Haupt- und Nacheinspritzungen erreicht.
  • Eine Rückmeldung von Istwerten an dem Funktionsblock 50, d. h. von Istwerten, die mittels der Sensoren 42, 44, 46 sowie gegebenenfalls weiterer Sensoren erfasst werden, ist durch eine Verbindung zwischen dem Block 58 und dem Funktionsblock 50 symbolisiert.

Claims (20)

1. Verfahren zum Betreiben eines Verbrennungsmotors, der einen Kühlmittelkreislauf aufweist, mit einem Normalbetrieb des Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erreichen oder Halten einer gewünschten Kühlmitteltemperatur ein Aufheizbetrieb einstellbar ist, in dem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors bei Erfüllung angeforderter Leistungssollwerte für einen maximal möglichen Wärmeeintrag in das Kühlmittel und/oder das Abgas eingestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufheizbetrieb zur Erhöhung einer Brennraumoberflächentemperatur eine Schwerpunktlage der Verbrennung gegenüber einer Schwerpunktlage der Verbrennung im Normalbetrieb unter Einhaltung eines maximal möglichen Brennraumdrucks zeitweise vorgezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufheizbetrieb eine zeitliche Schwerpunktlage der Verbrennung unter Einhaltung vorgegebener Grenzen einer Brennraumoberflächentemperatur gegenüber einer zeitlichen Schwerpunktlage der Verbrennung im Normalbetrieb verzögert wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufheizbetrieb eine Leerlaufdrehzahl unter Berücksichtigung einer Öltemperatur und einer Kühlmitteltemperatur gegenüber dem Normalbetrieb angehoben wird.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufheizbetrieb ein Kühlmittelstrom durch den Verbrennungsmotor für einen vorbestimmten Zeitraum nach einem Kaltstart auf Null gesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufheizbetrieb ein Kühlmittelstrom durch den Verbrennungsmotor in Abhängigkeit von der Brennraumoberflächentemperatur und vom Motorbetriebspunkt eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufheizbetrieb eine Abgasrückführrate einer Abgasrückführeinrichtung des Verbrennungsmotors unter Einhaltung vorgegebener Grenzwerte auf einen maximal möglichen Wert eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufheizbetrieb zur Erhöhung der Abgasrückführrate ein Ladedruck einer Aufladeeinrichtung des Verbrennungsmotors erhöht wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufheizbetrieb ein Luftstrom durch einen Ladeluftkühler einer Aufladeeinrichtung des Verbrennungsmotors auf Null gesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufheizbetrieb eine Kühlerjalousie geschlossen wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufheizbetrieb zur Verschiebung der Schwerpunktlage der Verbrennung gegenüber dem Normalbetrieb eine Veränderung der Einspritzmengen und/oder Einspritzzeitpunkte einer Vor-, Haupt- und/oder Nacheinspritzung vorgenommen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Aufheizbetrieb zum Erhöhen einer Einspritzmenge ein Einspritzdruck und/oder die Einspritzzeit erhöht wird.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung für die Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors, die Brennraumoberflächentemperatur und/oder die Öltemperatur vorgesehen ist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regelung die Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelaustritt des Verbrennungsmotors, die Brennraumoberflächentemperatur und die Öltemperatur in dieser Reihenfolge priorisiert sind.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung wenigstens einen Regler mit veränderbarer Regelcharakteristik aufweist.
16. Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor (10) und Heizungsanlage (30) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (42, 44, 46) zum Erfassen von für einen Erwärmungszustand des Verbrennungsmotors (10) charakteristischen Größen und Mitteln (16) zum wahlweisen Einstellen eines Aufheizbetriebs des Verbrennungsmotors (10), bei dem Betriebsparameter des Verbrennungsmotors (10) bei Erfüllung angeforderter Leistungssollwerte für einen maximal möglichen Wärmeeintrag in das Kühlmittel und/oder das Abgas eingestellt sind.
17. Kraftfahrzeug nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine ansteuerbare Kühlmittelpumpe (24) zur motordrehzahlunabhängigen Einstellung des Kühlmittelstroms.
18. Kraftfahrzeug nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasrückführwärmetauscher (28) im Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist.
19. Kraftfahrzeug nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasrückführwärmetauscher (28) und ein Heizungswärmetauscher (30) in bezug auf den Kühlmittelkreislauf in Serie geschaltet sind.
20. Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 16 bis 19, mit einer Bypassleitung zur Umgehung eines Kühlmittelkühlers (20), gekennzeichnet durch ein mittels eines zentralen Steuergeräts (16) steuerbares Mischventil (14) zur Einstellung des Kühlmittelstroms durch die Bypassleitung (18) und den Kühlmittelkühler (20).
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