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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung
betrifft weiterhin eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
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Bekannte
Verbrennungskraftmaschinen, bspw. für den Einsatz in Kraftfahrzeugen
weisen eine Flüssigkeitskühlung mit
einer von der Brennkraftmaschine betriebenen Kühlmittelumwälzpumpe sowie ein Umschaltventil
zur wahlweisen Beaufschlagung eines Luft-Wasser-Wärmetauschers
und/oder einer Bypassleitung auf. Die Kühlmittelumwälzpumpe weist üblicherweise
einen mechanischen Antrieb auf, der mit der Verbrennungskraftmaschine
gekoppelt ist, so dass die Förderleistung
der Pumpe unmittelbar mit der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine
zusammen hängt.
Die Umschaltung zwischen dem Kühlkreislauf
und dem Bypasskreislauf erfolgt normalerweise temperaturgesteuert.
Während
einer Warmlaufphase wird das Kühlmittel
im sog. „kleinen Kreislauf', unter Umgehung
des Wärmetauschers durch
die Bypassleitung gefördert.
Sobald eine vorgegebene Betriebstemperatur erreicht ist, wird das Kühlmittel
durch den Wärmetauscher
gefördert.
Zusätzlich
ist dem Wärmetauscher
meist eine Ventilationseinrichtung in Gestalt eines Lüfterrades
zugeordnet, die für
einen ausreichenden Luftdurchsatz des Wärmetauschers sorgt, bspw. wenn
das Fahrzeug steht oder langsam fährt. Meist ist auch diese Ventilationseinrichtung
mit dem Antrieb der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt, bspw. unter
Zwischenschaltung einer sog. Viskokupplung.
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Aus
der
EP 0 128 365 A2 ist
eine Vorrichtung zum Kühlen
eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges bekannt, die ein
den Kühlmittelfluss
steuerndes Thermostatventil und wenigstens einen, einem Kühler zugeordneten
und in mehreren Leistungsstufen betreibbaren Lüfter aufweist. Das Thermostatventil
ist auf wenigstens zwei unterschiedliche Öffnungstemperaturen einstellbar,
wobei mit einem Verstellen des Thermostatventils auf eine höhere Öffnungstemperatur
das Einschalten des Lüfters
auf die einer niedrigen Kühlmitteltemperatur
zugeordnete Leistungsstufe gesperrt ist.
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Aus
der
DE 198 49 492
A1 ist eine Steuervorrichtung für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine
mit einem Kühler
als Wärmetauscher
bekannt, wobei der Kühlkreislauf
mit einer Kühlmittelpumpe
und mit einem den Kühlkreislauf
regelnden Steuerglied versehen ist. Der Kühlkreislauf weist einen Kühlerkreislauf
und einen Kurzschlusskreislauf auf. Das Steu erglied weist ein Stellventil
auf, mit je einem Anschluss für
den Kühlerkreislauf
und dem Kurzschlusskreislauf, und einen Sammelanschluss zur Zu-
oder Abfuhr des Kühlmittels
zu dem Kühlerkreislauf
uns zu dem Kurzschlusskreislauf bzw. aus dem Kühlerkreislauf und dem Kurzschlusskreislauf. Das
Steuerventil ist mit einem Ventilglied versehen, durch das wahlweise
eine Sperrstellung für
den Kühlerkreislauf
und den Kurzschlusskreislauf, eine Verbindung zwischen dem Kühlerkreislauf
oder dem Kurzschlusskreislauf und dem Sammelanschluss oder eine
Verbindung zwischen dem Kühlerkreislauf und
dem Kurzschlusskreislauf zu dem Sammelanschluss als Mischbetrieb
geschaffen wird.
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Aus
der
DE 101 55 339
A1 ist ein Verfahren zum Betrieb eines Verbrennungsmotors
bekannt, der einen Kühlmittelkreislauf
aufweist. Zum Erreichen oder Halten einer gewünschten Kühlmitteltemperatur ist 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. Der Kühlkreislauf weist eine von
der Motordrehzahl unabhängige
Ansteuerung einer Kühlmittelpumpe
auf. Zudem ist eine Bypassleitung zur Umgehung des Kühlmittelkühlers vorgesehen,
wobei die Einstellung des Kühlmittelstroms
durch die Bypassleitung und den Kühlmittelkühler variabel mittels eines
steuerbaren Mischventils geregelt werden kann.
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Aus
der
DE 197 28 814
A1 ist eine Kühlanlage
für einen
Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges bekannt, die ein Thermostatventil
aufweist, das mittels einer Betriebsparameter des Verbrennungsmotors
bzw. Umgebungsparameter auswertenden Steuerung auf unterschiedliche
Regelniveaus für
die Kühlmitteltemperatur
verstellbar ist. Die Steuerung bildet Informationssignale, die abhängig sind
von den Betriebsparametern und/oder Umgebungsparametern, die in
eine Lüftersteuerung
eines Lüfters
eingegeben werden, wobei die Lüftersteuerung
in Abhängigkeit
von diesen Informationssignalen die Lüfterleistung bestimmt.
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Aus
der
DE 195 00 648
A1 ist schließlich eine
Kühlanlage
für einen
Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit einem Thermostatventil
bekannt, die einen dem Kühlmittelkühler zugeordneten
Lüfter aufweist,
der eine Lüfterschaltung
mit einer Temperaturvergleichstufe enthält, welche die Ist-Temperatur des
Kühlmittels
mit einem Sollwert vergleicht und bei Überschreiten des Sollwertes
ein Temperatursignal bildet, das zur Einschaltsteuerung des Lüfters verwendet
wird.
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Ein
Ziel der Erfindung besteht darin, ein möglichst einfach funktionierendes
Verfahren zur effektiven Temperatursteuerung einer Verbrennungskraftmaschine
zur Verfügung
zu stellen, das insbesondere eine variable Ansteuerung von Komponenten
eines Kühlkreislaufs
vorsieht. Ein Ziel der Erfindung besteht weiterhin darin, eine entsprechend
betreibbare und ansteuerbare Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu
stellen.
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Diese
Ziele der Erfindung werden mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche erreicht.
Merkmale vorteilhafter Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen
abhängigen
Ansprüchen.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zur effektiven Temperatursteuerung des Kühlmittelkreislaufs einer Verbrennungskraftmaschine
zeichnet sich dadurch aus, dass eine variable Ansteuerung einer Kühlmittelumwälzpumpe
und/oder eines Kühlerlüfters zur
Steuerung des Luftdurchsatz durch einen Wärmetauscher sowie eines Ventils
zur Umschaltung des Kühlflüssigkeitsstromes
zwischen dem Kühlerkreislauf
und einem Bypasskreislauf vorgesehen ist. Die Ansteuerung dieser
Komponenten erfolgt vorzugsweise auf Basis der Auswertung von Temperatursignalen
der Verbrennungskraftmaschine, die von Temperatursensoren geliefert
werden. Diese Temperatursensoren messen die relevanten Temperaturen an
einem Kühlmitteleintritt
und einem Kühlmittelaustritt
der Verbrennungskraftmaschine. Vorzugsweise ist die Kühlmittelumwälzpumpe
unabhängig
von der Brennkraftmaschine antreibbar, bspw. mittels eines elektrischen
und/oder hydrostatischen Antriebes.
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Auf
diese Weise kann bei noch kalter Verbrennungskraftmaschine, die
bei höherer
Drehzahl läuft,
eine sehr niedrige Drehzahl der Umwälzpumpe und damit eine geringe
Förderleistung
für den
Bypasskreislauf eingestellt werden. Um einen definierten Wärmeaustrag
aus dem Kühlmittel
zu erhalten, kann wahlweise ein Misch- bzw. Umschaltventil vorgesehen
sein, das eine gleichzeitige Beaufschlagung des Kühlerkreislaufs
sowie des Bypasskreislaufs ermöglicht.
Darüber
hinaus kann eine variable Drehzahlreglung des Kühlerlüfters vorgesehen sein, bspw.
mittels einer steuerbaren Kupplung zwischen einem mechanischen Antrieb
von der Verbrennungskraftmaschine und dem Kühlerlüfter. Der Kühlerlüfter kann auch von der Verbrennungskraftmaschine über eine
elektrisch gesteuerte Viskokupplung modulierend angetrieben werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
eine sehr präzise
und bedarfsabhängige
Temperatursteuerung bzw. -regelung der Verbrennungskraftmaschine
durch eine geeignete Strategie der Ansteuerung der verschiedenen
Komponenten, die einen direkten Einfluss auf den Temperaturhaushalt der
Verbrennungskraftmaschine haben. Dies sind zum einen das Umschalt-
bzw. Mischventil, über
das der Kühlmittelstrom
variabel zwischen dem Wärme tauscher
und der Bypassleitung verteilt werden kann. Zum anderen ist dies
die Kühlmittelumwälzpumpe, über deren
Drehzahl die Förderleistung
unabhängig von
der Motordrehzahl reguliert werden kann. Bei einer noch kalten Verbrennungskraftmaschine
kann es bspw. sinnvoll sein, eine sehr geringe Förderleistung einzustellen,
um den Wärmeübergang
zwischen Verbrennungskraftmaschine und Kühlmittel so gering wie möglich zu
halten und ein schnelles Aufheizen des Motorblocks bzw. Zylinderkopfes
zu erreichen. Bei betriebswarmer Verbrennungskraftmaschine kann
durch Drehzahlvariation der Ventilationseinrichtung am Wärmetauscher
ein zusätzlicher
Einfluss auf die Wärmeabfuhr
gewonnen werden.
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Bei
kaltem Motor und nur durch den Bypasskanal strömendem Kühlfluid wird die Ventilationseinrichtung
normalerweise völlig
abgeschaltet, wodurch Antriebsenergie eingespart werden kann. Bewegt sich
das Fahrzeug mit hoher Geschwindigkeit, ist der fahrtwindabhängige Luftdurchsatz
durch den meist frontseitig am Fahrzeug angeordneten Wärmetauscher
normalerweise ausreichend hoch, so dass der Lüfter ebenfalls abgeschaltet
werden kann. Bei hoher Temperatur und langsam drehendem Motor, bspw. bei
Bergauffahrt oder bei hoher Motorleistung, ist hingegen ein hoher
Luftdurchsatz durch den Wärmetauscher
notwendig, weshalb bei diesen Bedingungen eine hohe Lüfterdrehzahl
wünschenswert
ist.
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Eine
erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 9 ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeaustausch
zwischen Verbrennungskraftmaschine und Kühlmittel in Abhängigkeit
von einer Temperaturdifferenz zwischen einer gemessenen Eintrittstemperatur
und einer Austrittstemperatur des Kühlmittels an der Verbrennungskraftmaschine
steuerbar ist. Zur Temperaturerfassung sind vorzugsweise geeignete Temperatursensoren
an der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen.
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Der
Wärmeaustausch
zwischen Umgebungsluft und Kühlmittel
kann vorzugsweise dadurch gesteuert bzw. geregelt werden, in dem
die Förderleistung
der Kühlmittelumwälzpumpe
und/oder die Förderleistung
der Ventilationseinrichtung an die Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine
angepasst wird. Ggf. kann zusätzlich
oder wahlweise ein Umschaltventil dahingehend angesteuert werden,
dass der Wärmetauscher
und/oder die Bypassleitung mit Kühlmittel
beaufschlagt wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer Brennkraftmaschine mit zugeordnetem
Kühlmittelkreislauf,
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2 ein
Diagramm zur Verdeutlichung eines qualitativen Zusammenhanges zwischen
einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und einem Steuersignal
für eine
Drehzahl der Kühlmittelumwälzpumpe,
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3 ein
Diagramm zur Verdeutlichung des qualitativen Zusammenhangs zwischen
einer Temperaturdifferenz am Motoreintritt bzw. am Motoraustritt
und einem Steuersignal für
die Drehzahl der Kühlmittelumwälzpumpe,
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4 ein
Diagramm zur Verdeutlichung eines qualitativen Zusammenhangs zwischen
einer Motoreintrittstemperatur und einem Stellsignal für ein Verteilerventil
zur Beaufschlagung der Bypassleitung mit Kühlmittel und
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5 ein
Diagramm zur Verdeutlichung eines qualitativen Zusammenhangs zwischen
der Kühlmitteleintrittstemperatur
und einem Steuersignal für
eine Viskokupplung zur Drehzahlreglung des Lüfterflügels.
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Die
schematische Darstellung der 1 verdeutlicht
den Aufbau einer Verbrennungskraftmaschine 10 und eines
dieser zugeordneten Kühlmittelkreislaufs 12,
der zur Sicherung eines geordneten Temperaturhaushalts der Verbrennungskraftmaschine 10 dient.
Der Kühlmittelkreislauf 12 umfasst
einen Wärmetauscher 14,
der bei einem Kraftfahrzeug vorzugsweise frontseitig angeordnet
ist und von Kühlluft durchströmt wird.
Der Wärmetauscher 14 weist
normalerweise ein sog. Kühlernetz
auf, das von dem im Kühlmittelkreislauf 12 zirkulierenden
Kühlmittel gleichmäßig durchströmt wird.
Zur Unterstützung
des Luftdurchsatzes durch den Wärmetauscher 14 dient ein
Kühlerlüfter 16,
der im gezeigten Ausführungsbeispiel über einen
mechanischen Direktantrieb 18 mit der Verbrennungskraftmaschine 10 gekoppelt
ist. Dieser Direktantrieb 18 weist eine auftrennbare und vorzugsweise
elektrisch ansteuerbare Kupplung 20 auf, bspw. eine Viskokupplung
o. dgl.
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Weiterhin
ist im Kühlmittelkreislauf 12 eine von
der Verbrennungskraftmaschine 10 unabhängig angetriebene Kühlmittelumwälzpumpe 22 angeordnet.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Kühlmittelumwälzpumpe 22 elektromotorisch
betrieben, wobei der elektrische Antriebsmotor 24 vorzugsweise
in seiner Drehzahl steuerbar ist. Diese Kühlmittelumwälzpumpe 22 fördert das
Kühlmittel
in Abhängigkeit
einer Differenztemperatur zwischen einer Kühlmittelaustrittstemperatur
T2 und einer Kühlmitteleintrittstemperatur
T1 an der Verbren nungskraftmaschine 10. Diese Temperaturen
T1 und T2 werden vorzugsweise über
geeignete Temperatursensoren (nicht dargestellt) gemessen, die an
geeigneter Stelle in den Leitungen des Kühlmittelkreislaufs 12 platziert sind.
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Weiterhin
ist ein elektrisch oder elektromagnetisch ansteuerbares 3/2-Wege-Ventil 26 erkennbar,
das wahlweise als Umschalt-, Verteiler- oder Mischventil ausgestaltet
sein kann und das zur wahlweisen Beaufschlagung des Wärmetauschers 14 und/oder
einer zusätzlichen
Bypassleitung 28 mit Kühlmittel
dient. In der gezeigten ersten Schaltstellung 1 wird ausschließlich der
Wärmetauscher 14 unter
Umgehung der Bypassleitung 28 mit umgewälztem Kühlmittel beaufschlagt. In der
zweiten Schaltstellung II wird ausschließlich die Bypassleitung 28 unter
Umgehung des Wärmetauschers 14 mit
Kühlmittel
beaufschlagt.
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Das
vorzugsweise durch die Kühlmitteleintrittstemperatur
T1 geregelte 3/2-Wege-Ventil 26 leitet den Kühlmittelstrom
durch den Wärmetauscher 14 bzw.
durch die Bypassleitung 28, so dass sich vor der Verbrennungskraftmaschine 10 eine
definierte Eintrittstemperatur T1 einstellt.
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Die
Wärmeabfuhr
aus dem Kühlmittel
im Wärmetauscher 14 wird
durch die Drehzahl des Kühlerlüfters 16 bestimmt.
Die Kühlerlüfterdrehzahl
wird vorzugsweise in Abhängigkeit
von der Kühlmitteleintrittstemperatur
T1 oder T2 geregelt. Der Kühlerlüfter wird
von der Verbrennungskraftmaschine 10 über die elektrisch angesteuerte
Viskokupplung 20 modulierend angetrieben.
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Zur
Reduzierung der Aufwärmzeit
der Verbrennungskraftmaschine 10 wird der Kühlmitteldurchsatz
durch die Verbrennungskraftmaschine 10 während der
Warmlaufphase reduziert. Die Regelung der Kühlmittelpumpendrehzahl wird
durch die Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen T2 und T1 bestimmt.
Darüber
hinaus kann als weitere Regelgröße für die Drehzahl
der Umwälzpumpe 22 die
Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 10 herangezogen
werden. Die maximale Kühlmittelpumpendrehzahl
wird in Abhängigkeit
der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine unabhängig von der Temperaturdifferenz
auf ein drehzahlabhängiges
Maximum begrenzt.
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Einen
qualitativen Verlauf zwischen der Drehzahl UV der
Verbrennungskraftmaschine und einer Antriebsdrehzahl UK für die Kühlmittelumwälzpumpe
gibt die 2 wieder. Daraus wird erkennbar, dass
mit steigender Motordrehzahl ein steigender Kühlmitteldurchsatzbedarf möglich ist,
der jedoch nach unten und oben jeweils begrenzt ist. Die Antriebsdrehzahl
UK der Umwälzpumpe weist einen minimalen
Wert U1 auf, der auch bei langsamer drehender
Verbrennungskraftmaschine nicht unterschritten wird. Gleichermaßen wird
auch ein Maximalwert U2 nicht überschritten,
unabhängig
davon, ob die Verbrennungskraftmaschine noch schneller dreht oder nicht.
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Der
in 2 gezeigte Zusammenhang berücksichtig noch nicht die gemessene
Temperaturdifferenz zwischen T1 und T2 an der Verbrennungskraftmaschine.
Eine weitere Regelgröße zur Drehzahlregelung
der Kühlmittelumwälzpumpe
wird anhand der 3 verdeutlicht. Die Kühlmittelpumpendrehzahl
wird zusätzlich
in Abhängigkeit
der Temperaturdifferenz ΔT
des Kühlmittels
zwischen Motoraustritt T2 und Motoreintritt T1 unabhängig von
der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine nach dem in 3 gezeigten
qualitativen Verlauf angehoben. Diese Anhebung erfolgt jedoch erst
ab einem Grenzwert ΔT1, unterhalb dessen keine Drehzahlsteigerung
vorgesehen ist.
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Das
Ventil 26 regelt die Aufteilung des Kühlmittelstromes durch den Wärmetauscher 14 und
die Bypassleitung 28 entsprechend der am Motoreintritt gemessenen
Temperatur T1. Bei noch kalter Verbrennungskraftmaschine
wird der gesamte Kühlmittelstrom
durch die Bypassleitung gelenkt. Bei steigender Temperatur T1 wird ein allmählich steigender Anteil durch
den Wärmetauscher
geleitet. Dieser Zusammenhang wird qualitativ im Diagramm der 4 verdeutlicht.
Dabei ist der mit steigender Temperatur T1 abnehmende
Volumenstromanteil durch die Bypassleitung mit VB bezeichnet.
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Die 5 zeigt
schließlich
einen qualitativen Zusammenhang zwischen der Motoreintrittstemperatur
T1 und der Ansteuerung der Viskokupplung 20, was
durch ein Schaltsignal SK angedeutet wird.
Die Viskokupplung 20 zur Reglung des Kühlerlüfters 16 wird in Abhängigkeit
der Kühlmitteleintrittstemperatur T1 qualitativ nach der in 5 gezeigten
Funktion geregelt.
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Bei
noch nicht betriebswarmer Verbrennungskraftmaschine 10 wird
normalerweise zunächst nur
die Bypassleitung 28 durchströmt, so dass ein Antrieb des
Kühlerlüfters 16 entbehrlich
ist. Die Viskokupplung 20 ist somit geöffnet. Erst mit steigender Temperatur
T1 wird der Wärmetauscher 14 beaufschlagt,
so dass dann ein erhöhter
Luftdurchsatz mittels des Kühlerlüfters 16 einen
erhöhten
Wärmeaustrag
aus dem Kühlmittel
ermöglicht.
Die Viskokupplung 20 wird in einem mittleren Bereich der
Temperatur T1 vorzugsweise intermittierend
betätigt.
Bei erhöhter
Temperatur T1 wird entsprechend 5 ein Dauersignal
SK geliefert, so dass die Kupplung 20 geschlossen
bleibt und der Kühlerlüfter 16 dauernd läuft.
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Wahlweise
kann anstelle des über
den mechanischen Direktantrieb 18 von der Verbrennungskraftmaschine 10 angetriebenen
Kühlerlüfters 16 auch
ein elektromotorisch betriebener Lüfter zum Einsatz kommen. Die
Regelstrategie ändert
sich hierdurch nicht. Anstelle der Kupplung wird hierbei der Elektroantrieb
an- und abgeschaltet oder geregelt.
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Aus
den unterschiedlichen Regelkomponenten der 2 bis 5 kann
eine geeignete Gesamtregelung zur optimalen Temperaturregelung der Verbrennungskraftmaschine 10 gebildet
werden. Hierdurch wird ein stabiler Thermohaushalt der Verbrennungskraftmaschine 10 unter
allen auftretenden Betriebsbedingungen gewährleistet.