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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Ladelufttemperatur
einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus
der Zeitschrift Schiff & Hafen/Kommandobrücke, Heft
1/1990, Seiten 49 und 50, ist ein Kühlmittel-Kreislauf einer Brennkraftmaschine
bekannt. Der Kühlmittel-Kreislauf
besteht aus einem Hochtemperaturkreis mit Kühlmittelpumpe und einem Niedertemperaturkreis,
der aus dem Hochtemperaturkreis abzweigt. Im Niedertemperaturkreis
sind in Reihe ein Thermostatventil, ein Rückkühler mit Bypassleitung, ein
Ladeluftkühler
und ein Schmieröl-Wärmetauscher angeordnet. Der
aus dem Hochtemperaturkreis abgezweigte Kühlmittelstrom im Niedertemperaturkreis
wird über
die Stellung des Thermostatventils in einen Rückkühler-Kühlmittelstrom, welcher den Rückkühler durchströmt, und
einen Bypass-Kühlmittelstrom
aufgeteilt. Nach dem Rückkühler werden
die beiden Kühlmittelströme wieder
zusammengeführt und
als Ladeluftkühler-Kühlmittelstrom
dem Ladeluftkühler
zugeführt.
Das Thermostatventil bestimmt somit über die Aufteilung des Kühlmittelstroms
die Temperatur des Ladeluftkühler-Kühlmittelstroms.
Die Temperatur des Ladeluftkühler-Kühlmittelstroms
wiederum definiert über
die Temperaturdifferenz zur Ladelufttemperatur die Wärmemenge,
welche der Ladeluft im Ladeluftkühler
entzogen wird. Zum Beispiel bei Volllast der Brennkraftmaschine
ist das Thermostatventil vollständig
geöffnet,
sodass der gesamte Kühlmittelstrom
des Niedertemperaturkreises durch den Rückkühler fließt und daher der Ladeluft möglichst
viel Wärmeenergie
entzogen wird. Bei Leerlauf der Brennkraftmaschine ist das Thermostatventil
vollständig
geschlossen, wodurch der gesamte Kühlmittelstrom des Niedertemperaturkreises über die
Bypassleitung strömt
und der Ladeluft wenig Wärmeenergie
entzogen wird. Den Schaltzustand des Thermostatventils bestimmt
ein thermostatisches Arbeitselement, beispielsweise ein Dehnstoffelement,
welches mit zunehmender Temperatur des Kühlmittelstroms sich ausdehnt,
wodurch das Thermostatventil öffnet, oder
mit abnehmender Temperatur des Kühlmittelstroms
sich verkürzt
und federkraftunterstützt schließt. Bedingt
durch die Bauart des Thermostatventils, ist die Regelung der Ladelufttemperatur
noch nicht in allen Betriebspunkten gegeben.
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Aus
der
DE 201 22 420
U1 ist ein elektrisch beheizbares Thermostatventil bekannt,
bei dem über die
elektrische Ansteuerung des Heizelements die Kennlinie des thermostatischen
Arbeitselements verschoben werden kann. Beispielsweise kann bei
einer kalten Brennkraftmaschine und großer angeforderter Last der
Kühlmittelstrom
durch die Bypassleitung zu einem früheren Zeitpunkt beeinflusst
werden, als dies durch das thermostatische Arbeitselement gegeben
wäre. Im
weiteren Text wird ein derartiges Thermostatventil als Kennfeld-Thermostatventil
bezeichnet. Ein entsprechendes Verfahren zur Ansteuerung dieses
Kennfeld-Thermostatventils ist aus der
DE 102 23 686 A1 bekannt.
Darin beschrieben wird eine 2-Punktregelung mit Vorsteuerung des
Arbeitselements. Zur Regelung der Ladelufttemperatur im oben beschriebenen
Kühlmittelkreislauf
bietet dieses Verfahren jedoch keine wesentliche Verbesserung.
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Aus
der
US 4 697 551 A ist
ein Kühlmittelkreislauf
mit einem Hoch- und einen Niedertemperaturkreis bekannt. Im Niedertemperaturkreis
sind in Reihe ein Kühler
mit Bypass, ein erstes Thermostatventil, ein Ladeluftkühler mit
Bypass und ein zweites Thermostatventil angeordnet. Das erste Thermostatventil
wird in Abhängigkeit
der Ladelufttemperatur gesteuert. Über dessen Stellung wiederum
werden der Kühler-Bypass-Kühlmittelstrom und der Kühler-Kühlmittelstrom
miteinander gemischt, wodurch über
den Ladeluftkühler
die Ladeluft aufgewärmt oder
gekühlt
werden kann. Das zweite Thermostatventil wird in Abhängigkeit
der Temperatur des Hochtemperaturkreises gesteuert. Über dessen
Stellung werden der Ladeluftkühler-Bypass-Kühlmittelstrom und
der Ladeluftkühler-Kühlmittelstrom
miteinander gemischt, wobei der Ladeluftkühler-Bypass-Kühlmittelstrom
aus dem Kühler-Kühlmittelstrom
nach dem Kühler
entnommen wird. Zielsetzung dieser Fundstelle ist es, über ein
Steuerungsverfahren bei einer transienten Laständerung eine schnelle Reaktionszeit
zu erzielen.
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Ein
Verfahren zur Wärmeregulierung
einer Brennkraftmaschine ist aus der
DE 102 28 355 A1 bekannt. In einer Kühlmittelleitung,
welche unmittelbar von der Brennkraftmaschine abzweigt und in die Hauptleitung
einmündet,
sind ein Öl-Wasser-Wärmetauscher und ein Ladeluft-Wärmetauscher
angeordnet. Der Ladeluft-Wärmetauscher
ist in Abhängigkeit von
Betriebsparametern der Brennkraftmaschine zu- und abschaltbar. Dies
entspricht einer Ladelufttemperatur-Steuerung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren
zur Regelung der Ladelufttemperatur beim aus der Zeitschrift Schiff & Hafen/Kommandobrücke bekannten
Kühlmittel-Kreislauf
zu entwerfen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.
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Geregelt
wird die Ladelufttemperatur, indem eine Regelabweichung einer Soll-Ladelufttemperatur zu
einer Ist-Ladelufttemperatur berechnet wird und aus der Regelabweichung über einen
Ladeluft-Temperaturregler ein Soll-Bypass-Kühlmittelstrom als Stellgröße berechnet
wird. Aus dem Soll-Bypass-Kühlmittelstrom
wird dann über
eine Berechnungseinheit ein Ansteuersignal zur Beaufschlagung des
Kennfeld-Thermostatventils bestimmt. Über das Ansteuersignal wiederum
wird letztendlich die Stellung des Kennfeld-Thermostatventils festgesetzt. In der
Berechnungseinheit zusammengefasst sind ein erster Funktionsblock
zur Berechnung eines Soll-Thermostatwegs, ein zweiter Funktionsblock
zur Berechnung einer Soll-Spannung aus dem Soll-Thermostatweg und
ein dritter Funktionsblock zur Umsetzung der Soll-Spannung in das
Ansteuersignal, beispielsweise ein PWM-Signal. Berechnet wird die Soll-Spannung über ein
inverses Thermostatkennfeld und eine Korrekturkurve.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt die Regelung der Ladelufttemperatur im gesamten Betriebsbereich
der Brennkraftmaschine. Die Vorteile sind: Durch die Reduktion der
Ladelufttemperatur werden die Schadstoffemissionen im Sinne einer Verringerung
verbessert. Eine Anhebung der Ladelufttemperatur verringert den
Zünddruckgradienten, wodurch
die Belastung der Brennkraftmaschine und die Laufruhe positiv beeinflusst
werden.
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Indem
das Auskühlen
der Brennkraftmaschine und der Abgasleitungen verhindert wird, verringern
sich die Weißrauch-
und Schwarzrauchbildung sowie der Verbrauch. Zudem ist die Regelung
der Ladelufttemperatur nunmehr unabhängig von der Temperatur des
zugeführten
Kühlmediums,
beispielsweise des Seewassers, im Rückkühler.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den Soll-Bypass-Kühlmittelstrom
als Stellgröße ergänzend aus
einem Vorsteuerwert zu berechnen. Der Vorsteuerwert wird in Abhängigkeit
der Motordrehzahl und einem leistungsbestimmenden Signal, zum Beispiel
einem Soll-Moment oder einer Soll-Einspritzmenge, über ein
Kennfeld bestimmt.
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In
den Figuren ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt.
Es zeigen:
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1 ein
Systemschaubild,
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2 einen
Regelkreis zur Ladeluftregelung,
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3 ein
Blockschaltbild der Berechnungseinheit,
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4 Zeitdiagramme (4A bis 4F) und
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5 einen
Programm-Ablaufplan.
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Die 1 zeigt
ein Systemschaubild. Der Kühlkreislauf
zur Kühlung
der Brennkraftmaschine 1 umfasst einen Hochtemperaturkreis 2 mit
einer Kühlmittelpumpe 14 und
einen Niedertemperaturkreis 3. Der Niedertemperaturkreis 3 zweigt
an einer Stelle A aus dem Hochtemperaturkreis 2 ab und
mündet
an einer Stelle B wieder in den Hochtemperaturkreis 2 ein. Über eine
nicht dargestellte Drosselstelle im Hochtemperaturkreis 2 wird
der Kühlmittelstrom
im Hochtemperaturkreis 2 und im Niedertemperaturkreis 3 eingestellt.
Der Kühlmittelstrom
im Niedertemperaturkreis 3 nach der Abzweigung (Stelle
A) aus dem Hochtemperaturkreis 2 ist in der Figur als Kühlmittelstrom 4 gekennzeichnet.
Im Niedertemperaturkreis 3 sind in Reihe ein Kennfeld-Thermostatventil 6, ein
Rückkühler 5 mit
Bypassleitung, ein Ladeluftkühler 10 und
ein Schmieröl-Wärmetauscher 11 mit
Bypassleitung angeordnet. Der Kühlmittelstrom 4 wird in
Abhängigkeit
der Stellung des Kennfeld-Thermostatventils 6 in einen
Rückkühler-Kühlmittelstrom 7 und/oder
einen Bypass-Kühlmittelstrom 8 aufgeteilt. Bei
vollständig
geschlossenem Kennfeld-Thermostatventil 6 wird der gesamte
Kühlmittelstrom 4 über die
Bypassleitung am Rückkühler 5 vorbeigeführt. Bei
vollständig
geöffnetem
Kennfeld-Thermostatventil 6 durchströmt der gesamte
Kühlmittelstrom 4 den Rückkühler 5.
Im Rückkühler 5 erfolgt
ein Wärmeübergang
aus dem Rückkühler-Kühlmittelstrom 7 in das
Seewasser, wodurch der Rückkühler-Kühlmittelstrom 7 gekühlt wird.
Die Seewasser-Zufuhr erfolgt über
eine eigene Seewasserpumpe 13. Nach Durchströmen des
Rückkühlers 5 wird
das Seewasser wieder zurückgeleitet.
In der Figur ist die Seewasser-Zufuhr mit dem Bezugszeichen SW Zu
und die Seewasser-Abfuhr mit dem Bezugszeichen SW Ab gekennzeichnet.
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An
einer Stelle C werden der Rückkühler-Kühlmittelstrom 7 und
der Bypass-Kühlmittelstrom 8 wieder
zusammengeführt.
Dies entspricht dem Ladeluftkühler-Kühlmittelstrom 9,
dessen Temperatur durch die Volumenanteile und Temperaturen des
Rückkühler-Kühlmittelstroms
und des Bypass-Kühlmittelstroms
bestimmt wird. Der Ladeluftkühler-Kühlmittelstrom 9 durchströmt danach
den Ladeluftkühler 10.
In diesem erfolgt ein Wärmeübergang
aus der Ladeluft in den Ladeluftkühler-Kühlmittelstrom 9, wodurch
die Ladeluft stark gekühlt
wird. Die Ladeluft-Zufuhr erfolgt über den Verdichter eines nicht
dargestellten Abgasturboladers. Nach Durchströmen des Ladeluftkühlers 10 wird
die Ladeluft den Brennräumen
der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. In der Figur ist die Ladeluft-Zufuhr
mit dem Bezugszeichen LL Zu und die Ladeluft-Abfuhr mit dem Bezugszeichen
LL Ab gekennzeichnet. Der erwärmte Ladeluftkühler-Kühlmittelstrom 9 durchströmt danach den
Schmieröl-Wärmetauscher 11.
Im Schmieröl-Wärmetauscher 11 erfolgt
ein Wärmeübergang aus
dem Schmiermittel in den Ladeluftkühler-Kühlmittelstrom 9, wodurch
das Schmiermittel gekühlt wird.
In der Figur ist die Schmiermittel-Zufuhr mit dem Bezugszeichen ÖL Zu und
die Schmiermittel-Abfuhr mit dem Bezugszeichen ÖL Ab gekennzeichnet. Ein Teil
des Ladeluftkühler-Kühlmittelstroms 9 wird über eine
Bypassleitung am Schmieröl-Wärmetauscher 11 vorbeigeführt. An
einem Punkt D werden die beiden Volumina wieder zusammengeführt und
am Punkt B in den Hochtemperaturkreis 2 eingespeist.
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Mit
Bezugszeichen 12 ist ein elektronisches Motorsteuergerät (ECU)
gekennzeichnet. Über
dieses wird das Verhalten der Brennkraftmaschine 1 bestimmt.
Das elektronische Motorsteuergerät 12 beinhaltet
die üblichen
Bestandteile eines Mikrocomputersystems, beispielsweise einen Mikroprozessor, I/O-Bausteine,
Puffer und Speicherbausteine (EEPROM, RAM). In den Speicherbausteinen
sind die für den
Betrieb der Brennkraftmaschine 1 relevanten Betriebsdaten
in Kennfeldern/Kennlinien appliziert. Über diese berechnet das elektronische
Motorsteuergerät 12 aus
den Eingangsgrößen die
Ausgangsgrößen. In
der 1 sind exemplarisch folgende Eingangsgrößen dargestellt:
eine Drehzahl nMOT, eine Ladelufttemperatur TLL (Rohwerte), welche
von einem Temperatursensor 15 gemessen wird, eine (Hochtemperaturkreis-)Kühlmitteltemperatur
TKM, welche von einem Temperatursensor 16 gemessen wird,
und eine Eingangsgröße EIN.
Unter der Eingangsgröße EIN sind
beispielsweise ein Raildruck des Common-Railsystems und eine Leistungsanforderung
durch einen Bediener zusammengefasst. Als Ausgangsgrößen des
elektronischen Motorsteuergeräts 12 sind
ein Signal PWM zur Ansteuerung des Kennfeld-Thermostatventils 6 und
eine Größe AUS dargestellt.
Die Größe AUS steht
stellvertretend für die
weiteren Stellsignale zur Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine 1,
zum Beispiel für
einen Spritzbeginn oder ein Spritzende und ein Signal zur Ansteuerung
einer Saugdrossel bei einem Common-Railsystem.
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In
der 2 ist ein Regelkreis zur Regelung der Ladelufttemperatur
dargestellt. Die Eingangsgrößen des
Regelkreises sind eine Soll-Ladelufttemperatur TLL(SL), die Drehzahl
nMOT, ein leistungsbestimmendes Signal ve, die (Hochtemperaturkreis-)Kühlmitteltemperatur
TKM und die Batteriespannung UB. Das leistungsbestimmende Signal
ve entspricht einem Soll-Moment bei einer momentbasierten Motorregelung
oder einer Soll-Einspritzmenge
bei einer einspritzmengenbasierten Motorregelung. Wird ein Stillstand
der Brennkraftmaschine erkannt, so wird kein Ansteuersignal ausgegeben.
Dies bedeutet, dass das Kennfeld-Thermostatventil vollständig geschlossen
wird. Die Ausgangsgröße des Regelkreises
entspricht den Rohwerten der Ladelufttemperatur TLL.
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Die
Soll-Ladelufttemperatur TLL(SL) wird in Abhängigkeit der Drehzahl nMOT
und dem leistungsbestimmenden Signal ve als Ausgangsgröße eines nicht
dargestellten 3D-Kennfelds berechnet. Optional kann ein Filter vorgesehen
sein. Aus der Soll-Ladelufttemperatur TLL(SL) und einer Ist-Ladelufttemperatur
TLL(IST) wird an einem Punkt A eine Regelabweichung dTLL berechnet.
Die Regelabweichung dTLL ist die Eingangsgröße eines Ladeluft-Temperaturreglers 17.
Der Ladeluft-Temperaturregler 17 ist vorzugsweise als PI-Regler ausgelegt,
möglich
wäre auch
ein PID- oder PIDT1-Regler. Zur Verbesserung der Reglerdynamik kann
ein Proportionalbeiwert kp zur Berechnung des P-Anteils auch in
Abhängigkeit der
Regelabweichung dTLL berechnet werden: kp = kpSTAT
+ kpDYNmit: kpDYN = f(dTLL)
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Hierin
bedeutet kp der Proportionalbeiwert, kpSTAT ein vorgegebener, statischer
Proportionalbeiwert und kpDYN ein dynamischer Proportionalbeiwert.
Berechnet wird der dynamische Proportionalbeiwert kpDYN über eine
Einheit 23.
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Die
Ausgangsgröße S1 des
Ladeluft-Temperaturreglers 17 wird an einem Punkt B optional
mit einem Vorsteuerwert VS addiert. Die Summe entspricht dem Signal
S2. Der Vorsteuerwert VS wird über
ein Vorsteuerkennfeld 18 ermittelt. Dieses hat zwei Eingangsgrößen: die
Drehzahl nMOT und das leistungsbestimmende Signal ve. Die Addition
am Punkt B stellt eine Störgrößenaufschaltung
dar und soll die Dynamik des Regelkreises verbessern. Ist keine
Vorsteuerung vorgesehen, so wird der I-Anteil des Ladeluft-Temperaturreglers 17 nach
unten auf den Wert Null begrenzt. Bei applizierter Vorsteuerung wird
der I-Anteil des Ladeluft-Temperaturreglers 17 nach unten
auf den negativen Vorsteuerwert VS begrenzt. Nach oben wird der
I-Anteil des Ladeluft-Temperaturreglers 17 in Abhängigkeit
der Drehzahl nMOT auf folgenden Wert begrenzt: WERT = (nMOT·VMAX)/nNENN (Formel 1)mit:
- nMOT
- aktuelle Drehzahl
- nNENN
- Nenndrehzahl
- VMAX
- maximaler Bypass-Kühlmittelstrom
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Der
Wert des Signals S2 wird nach unten auf Null und nach oben entsprechend
der Formel 1 begrenzt. Der obere Grenzwert entspricht also der Zuordnung
WERT. Dies erfolgt über
die Begrenzung 19. Die Ausgangsgröße der Begrenzung 19 stellt
die Stellgröße des Ladelufttemperatur-Regelkreises
dar, Bezugszeichen SG. Sie ist identisch mit dem Soll-Bypass-Kühlmittelstrom.
Der untere Grenzwert des Soll-Bypass-Kühlmittelstroms ist Null. Der
obere Grenzwert berechnet sich entsprechend der Formel 1, wobei
WERT dem oberen Grenzwert entspricht.
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Die
Stellgröße SG wird über eine
Berechnungseinheit 20 in Abhängigkeit der Drehzahl nMOT, der
(Hochtemperaturkreis-)Kühlmitteltemperatur TKM
und der Batteriespannung UB in ein Ansteuersignal PWM umgesetzt.
Die Berechnungseinheit 20 ist in der 3 dargestellt
und wird in Verbindung mit dieser erläutert. Über den Schalter SR wird entweder das
Ansteuersignal PWM (durchgezogene Linie) oder der konstante Wert
0% (gestrichelte Linie) auf die Regelstrecke 21 geführt. Die
Regelstrecke 21 umfasst das Kennfeld-Thermostatventil 6, den Rückkühler 5 mit
Bypassleitung und den Ladeluftkühler 10.
Die Ausgangsgröße der Regelstrecke 21,
also die Regelgröße, entspricht
den Rohwerten der Ladelufttemperatur TLL. Über ein Filter 22,
welches in der Rückführung angeordnet
ist, werden aus den Rohwerten der Ladelufttemperatur TLL die Ist-Ladelufttemperatur
TLL(IST) berechnet und auf den Punkt A zurückgeführt. Damit ist der Regelkreis
geschlossen.
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Die
Wirksamkeit des Regelkreises kann folgendermaßen erklärt werden: Ist die Ist-Ladelufttemperatur
TLL(IST) kleiner als die Soll-Ladelufttemperatur TLL(SL), so muss
der Bypass-Kühlmittelstrom erhöht werden,
damit die Ist-Ladelufttemperatur TLL(IST) ansteigen kann. Dies ist
der Fall, da die Stellgröße SG des
Regelkreises bei positiver Regelabweichung vergrößert wird. Ist die Ist-Ladelufttemperatur
TLL(IST) hingegen größer als
die Soll-Ladelufttemperatur TLL(SL), so muss der Bypass-Kühlmittelstrom
reduziert werden, damit das Kühlmittel und
die Ist-Ladelufttemperatur TLL(IST) abgekühlt werden. Dies wird dadurch
erreicht, dass die Stellgröße SG des
Regelkreises bei negativer Regelabweichung dTLL verkleinert wird.
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In
der 3 ist ein Blockschaltbild der Berechnungseinheit 20 dargestellt.
Die Berechnungseinheit 20 umfasst einen ersten Funktionsblock 24 zur
Berechnung eines Soll-Thermostatwegs sTH(SL),
einen zweiten Funktionsblock 25 zur Berechnung einer Soll-Spannung U(SL) und
einen dritten Funktionsblock 26 zur Umsetzung der Soll-Spannung
U(SL) in das Ansteuersignal PWM. Über den ersten Funktionsblock 24 wird
aus der Stellgröße SG in
Abhängigkeit
der Drehzahl nMOT der Soll-Thermostatweg sTH(SL) mittels einer mathematischen Funktion
berechnet. In einer einfachen Ausführungsform ist als mathematische
Funktion eine Geradengleichung für
eine fallende Gerade hinterlegt. Ein erster Eckpunkt der Geraden
bestimmt sich dadurch, dass bei maximalem Soll-Thermostatweg sTH(SL) das Kennfeld-Thermostatventil
voll geöffnet
ist und damit der Soll-Bypass-Kühlmittelstrom
Null ist. Ein zweiter Eckpunkt der Geraden bestimmt sich dadurch,
dass bei einem Soll-Thermostatweg sTH(SL) von Null das Kennfeld-Thermostatventil
voll geschlossen ist und der Soll-Bypass-Kühlmittelstrom maximal ist.
Der maximale Soll-Bypass-Kühlmittelstrom
hängt von
der Drehzahl nMOT ab. Berechnet wird dieser entsprechend der Formel
1, wobei WERT dem maximalen Soll-Bypass-Kühlmittelstrom entspricht.
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Über den
zweiten Funktionsblock 25 wird der Soll-Thermostatweg sTH(SL)
in eine Soll-Spannung U(SL)
umgerechnet. Das physikalische Verhalten des Kennfeld-Thermostatventils
ist folgendermaßen: Wird
an dieses bei einer bestimmten Kühlmitteltemperatur
eine bestimmte Spannung angelegt, so ergibt sich ein bestimmter
Thermostatweg. Ändert
sich die Temperatur des Kühlmittels
oder wird eine andere Spannung angelegt, so ergibt sich auch ein
anderer Thermostatweg. Dieser Zusammenhang kann in Form eines 3D-Kennfelds
beschrieben werden: sTH(SL) = f(TKW, U(SL))
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Worin
TKW die Kühlmitteltemperatur,
U(SL) die Soll-Spannung und sTH(SL) den Soll-Thermostatweg bedeuten. Zur Regelung
der Ladelufttemperatur TLL muss dieses Kennfeld invertiert werden.
Es gilt somit: U(SL) = f[TKW, sTH(SL)]
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Die
Soll-Spannung U(SL) wird also in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur
TKM und des Soll-Thermostatwegs sTH(SL) berechnet. Der Wärmeeintrag
des Heizelements in das Dehnstoffelement des Kennfeld-Thermostatventils
hängt von
der Fließgeschwindigkeit
des Kühlmittels
ab. Fließt
dieses schneller, so ist der Wärmeeintrag
in das Dehnstoffelement möglicherweise
etwas geringer. Die Fließgeschwindigkeit
des Kühlmittels
wiederum hängt
von der Drehzahl ab, da die Kühlmittelpumpe (1: 14)
von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Das
inverse Thermostatkennfeld ist mit dem Bezugszeichen 27 gekennzeichnet.
Auf Grund der Drehzahlabhängigkeit
ist dem inversen Thermostatkennfeld 27 eine drehzahlabhängige Korrekturkurve 28 nachgeschaltet
ist. Die Ausgangsgröße des zweiten
Funktionsblocks 25 ist die Soll-Spannung U(SL).
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Über den
dritten Funktionsblock 26 wird der Soll-Spannung U(SL)
ein Ansteuersignal PWM zur Beaufschlagung des Kennfeld-Thermostatventils
zugeordnet. Hierzu wird über
eine Berechnungseinheit 29 die Soll-Spannung U(SL) in Abhängigkeit
der Batteriespannung UB in die Einschaltdauer eines PWM-Signals
umgerechnet. Die Ausgangsgröße entspricht
dem Signal PWM1 und ist in der Einheit Prozent definiert. Da der
Widerstand des Heizelements im Kennfeld-Thermostatventil von der
Temperatur des Kühlmittels
abhängt
und eine maximale Ausgangsleistung der Endstufe im elektronischen Motorsteuergerät nicht überschritten
werden darf, wird das Signal PWM1 über eine Begrenzung 30 in Abhängigkeit
der Batteriespannung UB und der Kühlmitteltemperatur TKW begrenzt.
In der Begrenzung 30 ist ein entsprechendes 3D-Kennfeld
hinterlegt. Das Ausgangssignal des dritten Funktionsblocks 26 ist
das Ansteuersignal PWM mit dem das Kennfeld-Thermostatventil angesteuert
wird.
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In
der 4 sind Zeitdiagramme für denselben
Vorgang dargestellt. Die 4 umfasst
die Teilfiguren 4A bis 4F. Dargestellt
ist die Soll-Ladelufttemperatur TLL(SL) in 4A, die
Ist-Ladelufttemperatur
TLL(IST) in 4B, die Stellgröße SG in 4C,
der Soll-Thermostatweg
sTH(SL) in 4D, die Soll-Spannung U(SL)
in 4E und das Ansteuersignal PWM in 4F,
mit welchem das Kennfeld-Thermostatventil beaufschlagt wird. Zum
Zeitpunkt t1 befindet sich das Gesamtsystem im eingeschwungenen
Zustand. Es wird angenommen, dass die Soll-Ladelufttemperatur TLL(SL)
zum Zeitpunkt t2 sprunghaft von 60°C auf 50°C und zum Zeitpunkt t4 wiederum
sprunghaft von 50°C
auf 60°C
geändert wird.
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In
Folge der Ladeluft-Temperaturregelung ergeben sich folgende Signalverläufe:
Wird
die Soll-Ladelufttemperatur TLL(SL) zum Zeitpunkt t2 abgesenkt,
so ergibt sich eine negative Regelabweichung. Hierauf reagiert der
Ladeluft-Temperaturregler im Zeitraum t2/t3 dadurch, dass er die Stellgröße SG, welche
dem Soll-Bypass-Kühlmittelstrom
entspricht, reduziert (4C). Eine sich verringernde
Stellgröße SG wird über die
Berechnungseinheit 20 in einen zunehmenden Soll-Thermostatweg sTH(SL),
siehe 4D, in eine analog hierzu verlaufende
Soll-Spannung U(SL), siehe 4E, und
ein in der Einschaltdauer zunehmendes Ansteuersignal PWM (4F)
umgesetzt. Hierdurch wird das Kennfeld-Thermostatventil in Öffnungsrichtung beaufschlagt,
sodass der Bypass-Kühlmittelstrom
abnimmt. Entsprechend steigt der Rückkühler-Kühlmittelstrom, welcher durch
den Rückkühler fließt. Dies bedeutet,
dass die Kühlleistung
vergrößert wird.
Als Folge ergibt sich eine abnehmende Ist-Ladelufttemperatur TLL(IST),
welche sich asymptotisch der Soll-Ladelufttemperatur TLL(SL) annähert.
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Wird
hingegen die Soll-Ladelufttemperatur erhöht, Zeitpunkt t4, so ergibt
sich eine positive Regelabweichung. Der Ladeluft-Temperaturregler
berechnet daher im Zeitraum t4/t5 ein zunehmende Stellgröße SG. Über die
Berechnungseinheit 20 wird der zunehmenden Stellgröße SG ein
abnehmender Soll-Thermostatweg sTH(SL), eine analog hierzu verlaufende
Soll-Spannung U(SL) und ein in der Einschaltdauer abnehmendes Ansteuersignal
PWM zugeordnet. Hierdurch wird das Kennfeld-Thermostatventil in
Schließrichtung
beaufschlagt, so dass der Bypass-Kühlmittelstrom zunimmt. Entsprechend
reduziert sich der Rückkühler-Kühlmittelstrom.
Dies bedeutet, dass die Kühlleistung
sinkt. Als Folge ergibt sich eine ansteigende Ist-Ladelufttemperatur TLL(IST),
welche sich wiederum asymptotisch der Soll-Ladelufttemperatur TLL(SL)
annähert.
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In
der 5 ist ein Programm-Ablaufplan dargestellt. Bei
S1 wird die Soll-Ladelufttemperatur TLL(SL) über ein
3D-Kennfeld in Abhängigkeit
der Drehzahl und des leistungsbestimmenden Signals, beispielsweise
einem Soll-Moment oder einer Soll-Einspritzmenge, berechnet. Bei S2 wird
die Ladelufttemperatur TLL (Rohwerte) erfasst und gefiltert. Das
Ergebnis entspricht der Ist-Ladelufttemperatur TLL(IST). Danach
wird eine Regelabweichung dTLL berechnet, S3. Bei S4 wird über den
Ladeluft-Temperaturregler ein Ausgangssignal S1 in Abhängigkeit der
Regelabweichung dTLL berechnet. Bei S5 wird ein Vorsteuerwert VS über die
Vorsteuerung (2: 18) berechnet und
bei S6 werden die Werte der beiden Signale S1 und VS addiert. Die
Summe entspricht dem Stellsignal SG. Bei S7 wird das Stellsignal
SG in Abhängigkeit
der Drehzahl begrenzt. Danach wird bei S8 der Soll-Thermostatweg sTH(SL) über den
ersten Funktionsblock (3: 24) bestimmt, bei
S9 über
das inverse Thermostatkennfeld und bei S10 über die Korrekturkurve die
Soll-Spannung U(SL) berechnet. Aus der Soll-Spannung U(SL) wird
dann das Signal PWM1 in Abhängigkeit
der Batteriespannung UB berechnet und bei S12 in Abhängigkeit
der Batteriespannung UB und der Kühlmitteltemperatur begrenzt.
Der Ausgangswert entspricht dem Ansteuersignal PWM mit dem das Kennfeld-Thermostatventil
letztendlich beaufschlagt wird. Damit ist der Programm-Ablauf beendet.
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Dadurch
dass die Ladelufttemperatur geregelt wird, ergeben sich zusammenfassend
folgende Vorteile:
- – Die Schadstoffemissionen
werden im Sinne einer Reduktion verbessert;
- – Der
Zünddruckgradient
wird verringert;
- – Die
Weiß-
und Schwarzrauchentstehung wird verringert;
- – Der
Kraftstoffverbrauch wird reduziert;
- – Der
Motorverschleiß ist
geringer;
- – Die
Ladelufttemperatur ist unabhängig
vom Kühlmittel
des Rückkühlers, zum
Beispiel der Seewassertemperatur.
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Hochtemperaturkreis
- 3
- Niedertemperaturkreis
- 4
- Kühlmittelstrom
(vor Rückkühler)
- 5
- Rückkühler
- 6
- Kennfeld-Thermostatventil
- 7
- Rückkühler-Kühlmittelstrom
- 8
- Bypass-Kühlmittelstrom
- 9
- Ladeluftkühler-Kühlmittelstrom
- 10
- Ladeluftkühler
- 11
- Schmieröl-Wärmetauscher
- 12
- elektronisches
Motorsteuergerät
- 13
- Seewasserpumpe
- 14
- Kühlmittelpumpe
- 15
- Temperatursensor,
Ladeluft
- 16
- Temperatursensor,
Kühlmittel
- 17
- Ladeluft-Temperaturregler
- 18
- Vorsteuerkennfeld
- 19
- Begrenzung
- 20
- Berechnungseinheit
- 21
- Regelstrecke
- 22
- Filter
- 23
- Einheit
zur Berechnung des dynamischen Proportionalbeiwerts kpDYN
- 24
- erster
Funktionsblock
- 25
- zweiter
Funktionsblock
- 26
- dritter
Funktionsblock
- 27
- inverses
Thermostatkennfeld
- 28
- Korrekturkurve
- 29
- Berechnungseinheit
- 30
- Begrenzung