DE102008060620A1

DE102008060620A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Kühlkreislaufes eines brennkraftmaschinenbetriebenen Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Nutzfahrzeugs

Info

Publication number: DE102008060620A1
Application number: DE200810060620
Authority: DE
Inventors: Christian Karl
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2010-06-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Kühlkreislaufes eines brennkraftmaschinenbetriebenen Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Nutzfahrzeuges, mit wenigstens einem Bestandteil des Kühlkreislaufes bildenden Kühlmittelpumpe und mit wenigstens einem, ebenfalls Bestandteil des Kühlmittelkreislaufes bildenden Kühlerlüfter, die von wenigstens einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung so angesteuert werden, dass mittels des Kühlkreislaufes zu vorgegebenen Zeit- und/oder Betriebspunkten eine definierte Wärmemenge von der Brennkraftmaschine abgeführt wird. Erfindungsgemäß wird eine bezüglich der Leistungsaufnahme optimierte Drehzahl des Kühlerlüfters und der Kühlmittelpumpe von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine zu einem definierten Zeit- und/oder Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abzuführende Wärmemenge so vorgegeben, dass die Gesamtleistungsaufnahme des Kühlerlüfters und der Kühlmittelpumpe einen vorgegebenen Leistungsschwellwert nicht überschreitet, insbesondere einen Minimalwert aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislaufes eines brennkraftmaschinenbetriebenen Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Nutzfahrzeuges, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Ein als Kühlsystem bezeichneter Kühlkreislauf für ein brennkraftmaschinenbetriebenes Nutzfahrzeug ist beispielsweise aus der DE 100 41 915 A1 bekannt. Dieser Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine umfasst einen hier mittels eines Elektromotors angetriebenen Kühlerlüfter, der hier zwischen einem Kühler und der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Zum Umwälzen des Kälte- bzw. Kühlmittels des Kühlkreislaufes ist bei dieser DE 100 41 915 A1 weiterhin eine ebenfalls mittels eines Elektromotors angetriebene Kühlmittelpumpe vorgesehen. Insbesondere in Verbindung mit Nutzfahrzeugen ist zu beachten, dass die Brennkraftmaschinen bei Nutzfahrzeugen bereits bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten von zum Beispiel 40 km/h dauerhaft mit maximalem Drehmoment betreibbar sein müssen und es dabei zu keiner Bauteilüberhitzung kommen darf; das heißt, dass an die Kühlmittelpumpe und den Kühlerlüfter auch bereits bei relativ geringen Geschwindigkeiten hohe Anforderungen an die Kühlleistung und damit den Wärmeaustrag gestellt werden, was üblicherweise durch entsprechende Ansteuerung und hohe Drehzahlen der Kühlmittelpumpe und des Kühlerlüfters erreicht wird. Dies alles trägt jedoch dazu bei, dass sowohl die Kühlmittelpumpe als auch der Kühlerlüfter mit relativ hohem Energieverbrauch betrieben werden.
Demgegenüber ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislaufes eines brennkraftmaschinenbetriebenen Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Nutzfahrzeuges, zur Verfügung zu stellen, mittels dem die Leistungsaufnahme einer Kühlmittelpumpe und eines Kühlerlüfters als Bestandteile eines Kühlkreislaufes optimiert werden kann. Weiter ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bezüglich der Vorrichtung wird diese Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird eine bezüglich der Leistungsaufnahme optimierte Drehzahl des Kühlerlüfters und der Kühlmittelpumpe von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine zu einem definierten Zeit- und/oder Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abzuführende Wärmemenge so vorgegeben, dass die Gesamtleistungsaufnahme des Kühlerlüfters und der Kühlmittelpumpe einen vorgegebenen Leistungsschwellwert nicht überschreitet, insbesondere einen Minimalwert aufweist.
Mit einer derartigen Verfahrensführung kann sichergestellt werden, dass sowohl die Kühlmittelpumpe als auch der Kühlerlüfter, hinsichtlich deren Drehzahl stets so eingeregelt werden, dass diese für einen vorgegebene Wärmestrom aus dem Kühlkreislauf stets mit einem, bezogen auf sowohl die Kühlmittelpumpe als auch den Kühlerlüfter, minimalem Gesamtenergieaufwand betrieben werden. Das heißt, dass mit der erfindungsgemäßen Regelstrategie genau diejenige Kombination aus Kühlmittelpumpendrehzahl und Kühlerlüfterdrehzahl eingeregelt wird, die den geringsten Gesamtleistungsbedarf aufweist, um eine bestimmte, vorgegebene Wärmemenge bzw. Wärmeleistung aus dem Kühlkreislauf abzuführen. In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, dass die Kühlmittelpumpe und der Kühlerlüfter jeweils unabhängig von der Motordrehzahl regelbar sind. Die Pumpe und der Lüfter können hier grundsätzlich zwar auch elektrisch betrieben sein, insbesondere für den Einsatz in Nutzfahrzeugen ist jedoch eine Ausbildung dieser Bauteile mit einer Viscokupplung bevorzugt.
Konkret kann hierzu vorgesehen sein, die bezüglich der Leistungsaufnahme optimierte Drehzahl des Kühlerlüfters und der Kühlmittelpumpe für jede vorgegebene, mittels des Kühlkreislaufes abzuführende Wärmemenge als Kennlinienpunkt und damit als Kühlkreislauf-Betriebspunkt in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung abzulegen, wobei mehrere dieser Kennlinienpunkte dann eine Betriebspunkt-Kennlinie ausbilden. Mit einer derartigen Kennlinie (optimale Kennlinie) kann die erfindungsgemäße Regelung in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Nutzfahrzeug auf einfache Weise realisiert werden: So kann die Regelung des Kühlerlüfters zum Beispiel in üblicher Weise mit der Kühlmittel-Temperatur als Stellgröße, insbesondere mittels der Kühlmitteltemperatur am Motoraustritt als Stellgröße, beibehalten werden, sodass die Kühlerlüfterdrehzahl die Regelgröße bildet. Wird dann zu einem bestimmten Zeitpunkt die Kühlerlüfterdrehzahl gemessen, kann anhand der zuvor beschriebenen bezüglich des Gesamtleistungsbedarfs der Kühlmittelpumpe und des Kühlerlüfters optimalen Kennlinie die entsprechend zugeordnete Kühlmittelpumpedrehzahl eingestellt werden. Mit dieser Regelstrategie im Fahrzeug, insbesondere im Nutzfahrzeug, wird dann sichergestellt, dass sowohl der Kühlerlüfter als auch die Kühlmittelpumpe, für eine zum jeweiligen Zeit- bzw. Betriebspunkt des Fahrzeuges gewünschte bzw. erforderliche Wärmeaustragsmenge, jeweils mit einer solchen Drehzahl betrieben werden, die lediglich einen minimalen Gesamtleistungsbedarf erfordert.
Das heißt, dass somit gemäß der vorliegenden Erfindung für jede mögliche abzuführende Wärmemenge die Kombination aus Kühlmittelpumpendrehzahl und Kühlerlüfterdrehzahl, die den geringsten Leistungsbedarf aufweist, ermittelt wird (optimale Kennlinie), sodass der Kühlkreislauf in jedem Betriebspunkt den maximalen Wirkungsgrad in Bezug auf das Verhältnis der abgeführten Wärmemenge zum Leistungsbedarf des Kühlerlüfters und der Kühlmittelpumpe aufweist.
Zur Ermittlung dieser optimalen Kennlinie wird, wie dies auch aus der 1 in Form eines Flussdiagramms dargestellt ist, der Kühlkreislauf nach dessen Aufbau bei einer definierten bevorzugt niedrigen ersten Kühlmittelpumpendrehzahl mit einem definierten Wärmeeintrag beaufschlagt. Anschließend wird dann in einem weiteren dritten Verfahrensschritt die Kühlerlüfterdrehzahl so eingestellt, dass eine dem Wärmeeintrag entsprechende Wärmeaustragsmenge aus dem Kühlkreislauf abgeführt wird und damit ein stationärer Betriebspunkt erhalten wird. Bei Erreichen des stationären Betriebspunktes wird anschließend der Gesamtleistungsbedarf der Kühlmittelpumpe und des Kühlerlüfters, insbesondere der diese beiden Bauteile betätigenden Elektromotoren/Aktuatoren, ermittelt bzw. erfasst und in ein Diagramm eingezeichnet, wie es beispielhaft und schematisch in der 2 dargestellt ist.
Die 2 zeigt die aus dem Kühlsystem ausgetragene Wärmemenge über der Kühlmittelpumpendrehzahl und der Summe der Leistungsbedarfe (P_ges) von Kühlmittelpumpe und Küh lerlüfter, wobei der Wärmeaustrag in kW in Form von Höhenlinien eingezeichnet ist. Auf dieses Diagramm wird nachfolgend noch näher eingegangen.
Anschließend wird dann die Kühlmittelpumpendrehzahl um einen vorgegebenen Iterationsschritt in einem nächsten Verfahrensschritt erhöht und die Kühlerlüfterdrehzahl wiederum so gewählt, dass der Wärmeeintrag aus dem Kühlmittelkreislauf abgeführt und wiederum ein stationärer Betriebspunkt erhalten wird. Anschließend wird dann wieder der Gesamtleistungsbedarf der Kühlmittelpumpe und des Kühlerlüfters ermittelt und zusammen mit der vorgegebenen Kühlmittelpumpendrehzahl in das Diagramm der 2 eingezeichnet. Nunmehr wird wiederum die Kühlmittelpumpendrehzahl um einen weiteren vorgegebenen Iterationsschritt erhöht und der eben beschriebene Vorgang nochmals durchgeführt, und zwar solange, bis die maximale Pumpendrehzahl erreicht ist.
Aus der Vielzahl der so ermittelten und in das Diagramm der 2 eingezeichneten Punkte (hier nicht dargestellt) kann dann für jede der hier beispielhaft als Höhenlinien vorgegebenen Wärmeaustragsmengen der minimalste Gesamtleistungsbedarf P_ges ermittelt werden. Wie dies aus dem Diagramm der 2 ersichtlich ist, schneidet eine Kurve K für eine optimale Regelstrategie die Wärmeaustrags-Höhenlinien immer bei dem bezogen auf die jeweilige Wärmeaustrags-Höhenlinie minimalsten Gesamtleistungsbedarf von Kühlmittelpumpe und Kühlerlüfter.
Mit Hilfe des Gesamtleistungsbedarfs P_ges und der Kühlmittelpumpendrehzahl für eine definierte Wärmeaustragsmenge kann dann auf einfache Weise die entsprechend zugeordnete Kühlerlüfterdrehzahl ermittelt werden. Werden diese beiden Drehzahlen (Kühlerlüfterdrehzahl und Kühlmittelpumpendrehzahl) in ein in der 3 dargestelltes Diagramm eingetragen, bei dem die Kühlerlüfterdrehzahl über der Kühlmittelpumpendrehzahl aufgetragen ist, ergibt sich die hier beispielhaft gezeigte lineare Kennlinie K_opt der optimalen Regelstrategie.
Wie zuvor beschrieben kann dann im Betrieb des Fahrzeuges zu jeder eingeregelten Kühlerlüfterdrehzahl auf der Basis dieser in der 3 gezeigten Kennlinie die einen minimalen Gesamtleistungsbedarf P_ges bewirkende Kühlmittelpumpendrehzahl ausgelesen und entsprechend eingestellt werden.
Insbesondere in Verbindung mit einem Nutzfahrzeug, insbesondere einem Lastkraftwagen, ist es vorteilhaft, die optimale Kennlinie mit einem Staudruck vor dem Kühler zu ermitteln, wie er bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit vorgegebener Größenordnung, insbesondere bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen 60 bis 100 km/h, bevorzugt bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen 70 bis 90 km/h, höchst bevorzugt bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit von in etwa 80 km/h anliegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10041915 A1 [0002, 0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislaufes eines brennkraftmaschinenbetriebenen Kraftfahrzeuges, insbesondere eines Nutzfahrzeuges, mit wenigstens einer Bestandteil des Kühlkreislaufes bildenden Kühlmittelpumpe und mit wenigstens einem, ebenfalls Bestandteil des Kühlmittelkreislaufes bildenden Kühlerlüfter, die von wenigstens einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung so angesteuert werden, dass mittels des Kühlkreislaufes zu vorgegebenen Zeit- und/oder Betriebspunkten eine definierte Wärmemenge von der Brennkraftmaschine abgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine bezüglich der Leistungsaufnahme optimierte Drehzahl des Kühlerlüfters und der Kühlmittelpumpe von der Steuer- und/oder Regeleinrichtung für eine zu einem definierten Zeit- und/oder Betriebspunkt der Brennkraftmaschine abzuführende Wärmemenge so vorgegeben wird, dass die Gesamtleistungsaufnahme des Kühlerlüfters und der Kühlmittelpumpe einen vorgegebenen Leistungsschwellwert nicht überschreitet, insbesondere einen Minimalwert aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpumpe und der Kühlerlüfter unabhängig von der Motordrehzahl der Brennkraftmaschine geregelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bezüglich der Leistungsaufnahme optimierte Drehzahl des Kühlerlüfters und der Kühlmittelpumpe für jede vorgegebene, mittels des Kühlkreislaufes abzuführenden Wärmemenge als Kennlinienpunkt und damit als Kühlkreislauf-Betriebspunkt in der Steuer- und/oder Regeleinrichtung abgelegt ist, wobei mehrere dieser Kennlinienpunkte eine Betriebspunkt-Kennlinie ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf nach dessen Aufbau zur Ermittlung der Kennlinienpunkte bei einer definierten ersten Kühlmittelpumpendrehzahl mit einem definiertem Wärmeeintrag beaufschlagt wird, – dass anschließend die Kühllüfterdrehzahl so eingestellt wird, dass eine dem Wärmeeintrag entsprechende Wärmeaustragsmenge aus dem Kühlkreislauf abgeführt wird und damit ein stationärer Betriebspunkt erhalten wird, – dass bei Erreichen des stationären Betriebspunktes der Gesamtleistungsbedarf der Kühlmittelpumpe und des Kühlerlüfters, insbesondere der diese betätigenden Aktuatoren, ermittelt und/oder erfasst wird, – dass anschließend dieser Vorgang für eine vorgegebene Anzahl von gegenüber der oder den vorliegenden Kühlmittelpumpendrehzahlen um einen definierten Wert abgeänderte, insbesondere erhöhte Kühlmittelpumpendrehzahl wiederholt wird, insbesondere solange wiederholt wird bis eine minimale und/oder maximale Kühlmittelpumpendrehzahl erreicht wird, – dass anschließend der minimale Gesamtleistungsbedarf des Kühllüfters und der Kühlmittelpumpe für jede vorgegebene Kühlmittelpumpendrehzahl ermittelt wird und auf der Basis dieses minimalen Gesamtleistungsbedarfs und der diesem zugeordneten Kühlmittelpumpendrehzahl eine Kühllüfterdrehzahl ermittelt wird, die zusammen mit der ihr zugeordneten Kühlmittelpumpendrehzahl einen Kennlinienpunkt der Betriebspunkt-Kennlinie ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, – dass die Drehzahl des Kühlerlüfters mit der Kühlmitteltemperatur als Stellgröße, insbesondere mit der Kühlmitteltemperatur am Brennkraftmaschinenaustritt als Stellgröße eingeregelt wird, – dass im Betrieb der Brennkraftmaschine, die zu einem bestimmten Zeit- und/oder Betriebspunkt eingeregelte bzw. aktuelle Kühlerlüfterdrehzahl erfasst wird, und – dass auf der Basis der eingeregelten bzw. aktuellen Kühlerlüfterdrehzahl, die dieser Kühlerlüfterdrehzahl für eine vorgegebene, insbesondere minimierte Gesamtleistungsaufnahme zugeordnete Kühlmittelpumpendrehzahl eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kennlinienpunkte in Verbindung mit einem Nutzfahrzeug bei einem Staudruck vor Kühler ermittelt werden, wie er bei einer vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit, insbesondere bei einer Fahrzeuggeschwindigkeit zwischen 60 bis 100 km/h, bevorzugt zwischen 70 bis 90 km/h, höchst bevorzugt bei in etwa 80 km/h, gegeben ist.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zum Betreiben eines Kühlkreislaufes eines brennkraftmaschinenbetriebenen Fahrzeuges, insbesondere eines Nutzfahrzeuges, nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Regel- und/oder Steuereinrichtung, mittels der auf der Basis einer aktuell erfassten Kühlerlüfterdrehzahl eines Kühlerlüfters eine dieser Kühlerlüfterdrehzahl für eine vorgegebene, insbesondere minimierte Gesamtleistungsaufnahme eines Kühlerlüfters und einer Kühlmittelpumpe zugeordnete Kühlmittelpumpendrehzahl der Kühlmittelpumpe einstellbar ist, insbesondere kennlinienbasiert einstellbar bzw. einregelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelpumpe und der Kühlerfilter als unabhängig von der Motordrehzahl der Brennkraftmaschine regelbare Bauteile ausgebildet sind.