DE102006009892A1

DE102006009892A1 - Steuervorrichtung zum Steuern der Kühlmitteltemperatur eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs sowie Verbrennungsmotor mit einer solchen Steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102006009892A1
Application number: DE200610009892
Authority: DE
Inventors: Sebastian Grams; Christian Koch
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2007-09-06

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Steuern oder Regeln der Kühlmitteltemperatur eines Verbrennungsmotors (17) eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlmittelpumpe (10) sowie einem in einem Kühlkreislauf angeordneten Kühlmittelkühler (19), wobei die Kühlmittelpumpe (10) elektrisch betrieben ist und die Förderleistung der Kühlmittelpumpe (10) über eine Steuereinheit (12) einstellbar ist und wobei als Eingangssignal für die Steuereinheit (12) ein Spannungssignal in Abhängigkeit von einer kritischen Bauteiltemperatur vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Verbrennungsmotor mit einer solchen Steuervorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung zum Steuern der Kühlmitteltemperatur eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs sowie einen Verbrennungsmotor mit einer solchen Steuervorrichtung.

Ein Kraftfahrzeugmotor arbeitet bei sehr unterschiedlichen klimatischen Bedingungen und stark schwankenden Motorbelastungen. Um trotzdem eine in engen Grenzen konstante Kühlmittel- und damit auch Motortemperatur zu erhalten, findet eine Regelung der Kühlmitteltemperatur statt. Hierfür sind Vorrichtungen zum Steuern der Kühlmitteltemperatur vorgesehen, die einen in einem Kühlmittelkreislauf angeordneten Kühlmittelkühler und eine von dem Verbrennungsmotor angetriebene Kühlmittelpumpe umfasst. Kühlmittelpumpen werden üblicherweise mittels eines Riemenantriebs oder eines sonstigen Getriebes von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben, so dass sie synchron mit der Motordrehzahl laufen. Die Fördermenge der Kühlmittelpumpe ist somit von der Motordrehzahl abhängig und üblicherweise auf den schlechtesten Fall ausgelegt, so dass sie an den maximalen Kühlbedarf angepasst ist. Das bedeutet in sehr vielen Fällen, dass die Kühlmittelpumpe zu viel Förderleistung zur Verfügung stellt, insbesondere nach einem Kaltstart in einer Warmlaufphase. Dies führt zu einem rascheren mechanischen Verschleiß sowie zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors. Gleichzeitig wird in dieser Warmlaufphase, in der an sich kein Kühlbedarf besteht, das Erreichen der Betriebstemperatur des Kühlmittels und damit des Verbrennungsmotors verzögert. Dies hat einen erhöhten Kraftstoffverbrauch zur Folge. Bei hohen Motordrehzahlen und entsprechend hohen Fahrgeschwindigkeiten des Fahrzeugs wird aufgrund der großen Fördermenge an Kühlmittel unter Umständen zu stark gekühlt, so dass die Betriebstemperatur des Kühlmittels und damit des Verbrennungsmotors unter den gewünschten Wert sinken kann.

Es sind viele Lösungen zur Anpassung der Fördermenge an den Kühlmittelbedarf bekannt. Nach dem Stand der Technik werden beispielsweise elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpen oder elektrisch schaltbare Wasserpumpen vorgeschlagen, deren Betrieb jedoch mit einem hohen Regelungsaufwand verbunden ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Steuervorrichtung zum Steuern der Kühlmitteltemperatur eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs sowie einen verbesserten Verbrennungsmotor bereitzustellen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Bei einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung zum Steuern der Kühlmitteltemperatur eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlmittelpumpe sowie einem in einem Kühlkreislauf angeordneten Kühlmittelkühler ist die Kühlmittelpumpe elektrisch betreibbar, wobei die Förderleistung der Kühlmittelpumpe über eine Steuereinheit einstellbar ist, und wobei als Eingangssignal für die Steuereinheit ein Spannungssignal in Abhängigkeit von einer kritischen Bauteiltemperatur vorgesehen ist. Unter dem Steuern der Kühlmitteltemperatur ist auch das Regeln der Kühlmitteltemperatur zu verstehen. Günstigerweise kann mit der vorgeschlagenen Lösung eine bedarfsgeregelte Förderleistung an Kühlmittel erzielt werden, was Verbrauchs- und Emissionsvorteile mit sich bringt. Von weiterem Vorteil ist, dass der Montageaufwand einer derartigen Steuervorrichtung minimiert werden kann.

Die Kühlmittelpumpe ist damit bevorzugt unabhängig von der Motordrehzahl steuerbar und wird über die kritischen Bauteiltemperaturen geregelt. Als kritische Bauteiltemperatur wird die höchste Temperatur im Verbrennungsraum des Motors bezeichnet. Bevorzugt wird die kritische Bauteiltemperatur im Zylinderblock durch sensorische Zylinderkopfdichtungen erfasst. Die kritische Bauteiltemperatur ist dabei wenigstens von einem Temperaturwert im Zylinderblock in Korrelation mit einem Temperaturwert im Bereich einer Zylinderkopfdichtung abhängig. Zur Erfassung des Temperaturwerts im Bereich die Zylinderkopfdichtung kann beispielsweise wenigstens ein Thermoelement pro Zylinderkopf vorgesehen sein, das vorzugsweise an einer temperaturkritischen Stelle im Motor, bevorzugt in der sensorischen Zylinderkopfdichtung, angeordnet ist. Die Zylinderkopfdichtung dichtet an der Schnittstelle Zylinderkopf/Motorblock sowohl die Brennräume als auch den Kühlkreislauf und den Ölkreislauf gegeneinander ab und ist somit eine besonders günstige Stelle zur Temperaturerfassung. Bei dieser vorgeschlagenen Platzierung der Sensoren kann die günstige Lage in unmittelbarer Näher des Verbrennungsmotors genutzt werden, um die Temperatur zu messen und die Signale direkt von den Bauteilen aus dem Inneren des Motors nach außen an die Steuereinheit zu leiten. Dadurch erhöht sich vorteilhafterweise auch die Regeldynamik im Gegensatz zu den üblicherweise zur Kühlmitteltemperaturerfassung verwendeten T_mot-Sensoren, die relativ träge arbeiten. Derartige T_Mot-Sensoren können günstigerweise bei der vorgeschlagenen Lösung entfallen.

Um die Temperatursensoren, die bevorzugt als Thermoelemente ausgebildet sind, in der Zylinderkopfdichtung vor mechanischer Zerstörung und Druckbelastung zu schützen, sind diese bevorzugt zwischen Dichtlagen der Zylinderkopfdichtung angeordnet, was bei den heutzutage miniaturisierten Sensoren gut möglich ist. In einer bevorzugten Weiterbildung sind mindestens 4 Thermoelemente pro Zylinder, also insgesamt 16 pro Zylinderkopfdichtung, angeordnet. Auf diese Weise kann eine hinreichende und zuverlässige Aussage über die Bauteiltemperaturen im Umfeld aller Zylinder auf Höhe der Zylinderkopfdichtung getroffen werden. Eine bevorzugte Anzahl an Sensoren für die erfindungsgemäße Steuervorrichtung kann an einem Prüfstand festgelegt werden.

In einer günstigen Weiterbildung ist in der Steuereinheit ein Temperaturmodell über ein Betriebsspektrum des Verbrennungsmotors hinterlegt, wobei das Betriebsspektrum charakteristische Betriebspapameter des Verbrennungsmotors umfasst. Dabei können wenigstens Lastmoment und Drehzahl des Verbrennungsmotors bei unterschiedlichen Temperaturwerten hinterlegt werden. Auch weitere Betriebsparameter, wie beispielsweise Abgastemperaturen und eine Temperatur im Wassermantel in direkter Zylindernähe, können herangezogen werden. Das Temperaturmodell kann als Kennfeld ausgebildet sein, in dem einerseits die Bauteiltemperaturen definierter Betriebspunkte des Motors, beispielsweise der so genannten „Hot Spots", hinterlegt werden können. Nachdem die Bauteiltemperaturen und die auf der sensorischen Zylinderkopfdichtung erfassten Temperaturen nicht übereinstimmen, kann eine Korrelation zwischen diesen Werten beispielsweise durch eine mathematische Ausgleichsfunktion oder einen standardisierten Offfsetfaktor stattfinden. Andererseits können in dem Kennfeld zusätzlich empirisch ermittelte maximal tolerierbare Temperaturdifferenzen des Motorblocks bei ein- und ausgeschaltetem Motor für die einzelnen Betriebspunkte hinterlegt werden.

Besonders bevorzugt wird in Abhängigkeit von dem als Spannungssignal zugeführten Eingangssignal in die Steuereinheit ein im Temperaturmodell hinterlegtes Ausgangssignal ausgegeben. Die Steuereinheit kann dabei über externe Signalverarbeitung arbeiten. Es kann auch ein elektronisches Steuergerät (ECU = electronic control unit) ausgebildet sein. Als Ausgangssignal wird günstigerweise ein Drehzahlwert an den Elektromotor der Kühlmittelpumpe ausgegeben. Über diese Drehzahlregelung kann zweckmäßigerweise eine Förderleistung der Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Steuereinheit eingestellt werden. Über beide Einflussgrößen, also über das von der kritischen Bauteiltemperatur abhängige Eingangssignal und über das Ausgangssignal wird somit bevorzugt der Kühlmittelvolumenstrom im Motor geregelt und an den jeweiligen Kühlleistungsbedarf in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betriebszustand des Motors optimal angepasst. Eine Ansteuerung der elektrischen Kühlmittelpumpe kann somit über das Thermomanagement-Modell in der Steuereinheit stattfinden.

Es kann auch vorgesehen sein, die Kühlmittelpumpe während der Kaltstartphase des Motors abgeschaltet zu lassen, um eine beschleunigte Aufheizung des Motors herbeizuführen. In einem Teillastbetrieb kann die Förderleistung der Kühlmittelpumpe vorteilhafterweise an die tatsächlich geforderte Kühlmittelleistung angepasst werden. Dies führt vorteilhafterweise zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads des Motors, zu einer Senkung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemissionen sowohl in der Aufwärmphase als auch im Fahrzustand. Durch die zusätzliche Absicherung des im Steuergerät hinterlegten Temperaturmodells über den Sensor bzw. die Sensoren kann der Motor näher an die kritische Bauteiltemperatur betrieben werden, ohne Schaden zu nehmen. Damit ist vorteilhafterweise eine schnellere Aufheizphase des Motors verbunden, was wiederum zu Verbrauchs- und Emissionseinsparungen führt. Grundsätzlich ist auch ein Temperaturmodell ohne Sensorabsicherung denkbar, wobei jedoch ein ausreichend hoher Sicherheitsfaktor eingeführt werden müsste. Bei der vorgeschlagenen Steuervorrichtung ist jedoch ein weitaus höheres Einsparpotential erzielbar als bei der Variante ohne Sensorabsicherung, je nachdem, welcher Sicherheitsfaktor gewählt wird. Bei einem Temperaturmodell ohne Sensorabsicherung wäre ein derartiges Einsparpotential nicht erzielbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Bestückung des Motors mit Sensoren über den herkömmlichen Einbau der Zylinderkopfdichtung erfolgt, was den Montageaufwand reduziert und zu weiteren Kostenvorteilen führt.

Bei einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor mit einer vorgeschlagenen Steuervorrichtung ist wenigstens ein Temperatursensor in der Zylinderkopfdichtung angeordnet. Bevorzugt ist dabei für jeden Zylinder ein Temperatursensor in die Zylinderkopfdichtung integriert.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in der schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Steuervorrichtung eines flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotors 17 eines Fahrzeugs dargestellt ist mit vier in einem Zylinderkurbelgehäuse 11 angeordneten Zylindern 23a, 23b, 23c, 23d. Der Verbrennungsmotor 17 steht mit Kühlmittelkanälen 18 in Verbindung, die in einem Kreislauf mit einem Kühlmittelkühler 19 angeordnet sind. Das Kühlmittel strömt von einer Motoraustrittsöffnung 20 in erwärmten Zustand zu dem Kühlmittelkühler 19 und von dort entlang einer Strömungsrichtung 21 zurück in eine Motoreintrittsöffnung 22.
Im Bereich der Motoreintrittsöffnung 22 ist eine Kühlmittelpumpe 10 angeordnet, die das Kühlmittel in dem Kühlkreislauf fördert. Die Kühlmittelpumpe 10 ist elektrisch betrieben, und zwar insbesondere durch einen Servo-Gleichstrommotor 16 mit einer Spannung von 12V. Die Kühlmittelpumpe 10 steht somit nicht in einer direkten Antriebsverbindung mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 17, sondern ihre Drehzahl ist unabhängig von der Motordrehzahl. Die Förderleistung der Kühlmittelpumpe 10 wird dabei über eine Steuereinheit 12 eingestellt, wobei als Eingangssignal für die Steuereinheit 12 ein Spannungssignal in Abhängigkeit von einer kritischen Bauteiltemperatur vorgesehen ist. Die kritische Bauteiltemperatur ist dabei wenigstens von einem Temperaturwert im Zylinderblock 13 in Korrelation mit einem Temperaturwert im Bereich einer Zylinderkopfdichtung 14 abhängig.
Zur Erfassung des Temperaturwerts im Bereich die Zylinderkopfdichtung 14 ist in der dargestellten Ausführungsform ein Thermoelement 15 pro Zylinderkopf vorgesehen. Die Zylinderkopfdichtung 14 ist dabei bevorzugt als sensorische Zylinderkopfdichtung 14 ausgebildet, wobei die Temperatursensoren 15 zwischen den einzelnen Dichtlagen der Zylinderkopfdichtung 14 angeordnet sind.
In der Steuereinheit 12 ist ein Temperaturmodell über ein Betriebsspektrum des Verbrennungsmotors 17 hinterlegt, wobei das Temperaturmodell vorzugsweise als Kennfeld ausgebildet ist. In dem Betriebsspektrum sind wenigstens Lastmoment und Drehzahl des Verbrennungsmotors 17 bei unterschiedlichen Temperaturwerten erfasst. In Abhängigkeit von dem Eingangssignal in die Steuereinheit 12 wird ein im Temperaturmodell hinterlegtes Ausgangssignal ausgegeben, wobei als Ausgangssignal ein Drehzahlwert an einen Elektromotor 16 der Kühlmittelpumpe 10 ausgegeben wird. Die Steuereinheit 12 ermittelt somit aus den Signalen der Thermoelemente 15 in Verbindung mit dem hinterlegten Kennfeld Situationen, in denen die geförderte Kühlmittelmenge reduziert werden soll und gibt ein zugehöriges Ausgangssignal an den Elektromotor 16 der Kühlmittelpumpe 10 ab. Eine Förderleistung der Kühlmittelpumpe 10 ist somit in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Steuereinheit 12 einstellbar, das wiederum von dem temperaturabhängigen Eingangssignal abhängig ist.
Der Elektromotor 16 der Kühlmittelpumpe 10 ist somit über eine Drehzahlregelung des Elektromotors 16 ansteuerbar, wobei vorgesehen ist, dass die Kühlmittelpumpe 10 während der Kaltstartphase des Motors 17 steht. Damit kann die Aufheizphase des Verbrennungsmotors 17 beschleunigt werden. In einem Teillastbetrieb kann eine Fördermenge der Kühlmittelpumpe 10 so geregelt werden, dass nur die tatsächlich geforderte Kühlleistung erbracht wird. Der Verbrennungsmotor 17 kann somit näher an den kritischen Bauteiltemperaturen betrieben werden, ohne dass es zu einer Schädigung durch Überhitzung und dgl. kommt. Damit sind Kraftstoffverbrauchs- und Emissionseinsparungen möglich. Die Steuerung kann zudem so ausgelegt sein, dass bei Unterschreiten einer vorgegebenen, unterhalb der Betriebstemperatur liegenden Kühlmitteltemperatur und bei Überschreiten einer vorgegebenen Motordrehzahl die Mittel zum Einstellen der Fördermenge der Kühlmittelpumpe 10 über die Steuereinheit 12 eine reduzierte Fördermenge einstellbar ist. Damit wird dem Fall Rechnung getragen, dass bei hohen Motordrehzahlen und/oder hohen Fahrgeschwindigkeiten eventuell eine zu starke Kühlung erfolgt, so dass die Kühlmitteltemperatur zu stark absinken könnte. Die für diesen Fall vorgegebene Kühlmitteltemperatur liegt unterhalb der Betriebstemperatur, jedoch oberhalb der Mindesttemperatur.

10: Kühlmittelpumpe
11: Zylinderkurbelgehäuse
12: Steuereinheit
13: Zylinderblock
14: Zylinderkopfdichtung
15: Thermoelement
16: Elektromotor
17: Verbrennungsmotor
18: Kühlkanäle
19: Kühlmittelkühler
20: Motoraustrittsöffnung
21: Strömungsrichtung
22: Motoreintrittsöffnung
23a-d: Zylinder

Claims

Steuervorrichtung zum Steuern der Kühlmitteltemperatur eines Verbrennungsmotors (17) eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlmittelpumpe (10) sowie einem in einem Kühlkreislauf angeordneten Kühlmittelkühler (19), wobei – die Kühlmittelpumpe (10) elektrisch betreibbar ist, – die Förderleistung der Kühlmittelpumpe (10) über eine Steuereinheit (12) einstellbar ist, und – als Eingangssignal für die Steuereinheit (12) ein Spannungssignal in Abhängigkeit von einer kritischen Bauteiltemperatur vorgesehen ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kritische Bauteiltemperatur wenigstens von einem Temperaturwert im Zylinderblock (13) in Korrelation mit einem Temperaturwert im Bereich einer Zylinderkopfdichtung (14) abhängig ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung des Temperaturwerts im Bereich die Zylinderkopfdichtung (14) wenigstens ein Temperatursensor (15) pro Zylinderkopf vorgesehen ist.
Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinheit (12) ein Temperaturmodell über ein Betriebsspektrum des Verbrennungsmotors (17) hinterlegt ist.
Steuervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsspektrum wenigstens Lastmoment und Drehzahl des Verbrennungsmotors (17) bei unterschiedlichen Temperaturwerten umfasst.
Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von dem Eingangssignal in die Steuereinheit (12) ein im Temperaturmodell hinterlegtes Ausgangssignal ausgegeben wird.
Steuervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangssignal ein Drehzahlwert an einen elektrischen Antriebsmotor (16) der Kühlmittelpumpe (10) ausgegeben wird.
Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Förderleistung der Kühlmittelpumpe (10) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der Steuereinheit (12) einstellbar ist.
Verbrennungsmotor mit einer Steuervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Temperatursensor (15) in der Zylinderkopfdichtung (14) angeordnet ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Zylinder (23a, 23b, 23c, 23d) ein Temperatursensor (15) in die Zylinderkopfdichtung (14) integriert ist.