DE102009018012B4

DE102009018012B4 - Verfahren zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf

Info

Publication number: DE102009018012B4
Application number: DE102009018012.5A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bäuerlein; Bernd Bartl; Benjamin Faupel
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Daimler Truck Holding AG
Priority date: 2009-04-18
Filing date: 2009-04-18
Publication date: 2021-02-04
Anticipated expiration: 2029-04-19
Also published as: DE102009018012A1

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, bei welchem mittels eines Drucksensors (18) ein Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen wird und bei Abweichung von einem Solldruck (P) durch Zuführen oder Abführen eines gasförmigen Mediums in einen Gasraum (14) eines Ausgleichsbehälters (10) der Solldruck im Kühlmittelkreislauf eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmitteltemperatur (T) im Kühlmittelkreislauf ermittelt wird und der Solldruck (P) mittels eines Druck-Temperatur-Kennfeldes ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Um in beispielsweise zur Motorkühlung oder auch zur Kühlung von Wasserretardem eingesetzten Kühlmittelkreisläufen von Brennkraftmaschinen die Bildung von Dampfblasen bzw. Kavitation im flüssigen Kühlmedium zu vermeiden, werden diese Kühlmittelkreisläufe in der Regel unter Überdruck betrieben. Bei üblichen Systemen stellt sich dabei der Überdruck nach dem Start der Brennkraftmaschine langsam von selbst ein, da dass flüssige Kühlmedium sich erwärmt und so durch seine Ausdehnung den Druck im geschlossenen Kühlmittelsystem erhöht. Um bei verschiedenen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine dabei jeweils den notwendigen Druck aufrecht zu erhalten werden komplexe, mehrkammrige Ausgleichsbehälter benötigt, welche sowohl konstruktiv aufwendig sind als auch nachteilig hohen Bauraumbedarf aufweisen.
In moderneren Kühlmittelkreisläufen wird in der Anlaufphase der Brennkraftmaschine der Druck zudem aktiv geregelt. Da gerade beim Start der Brennkraftmaschine die Kühlmitteltemperatur noch der Umgebungstemperatur entspricht, ist gerade hier die Gefahr von Dampfblasenbildung und Kavitation besonders hoch. Die DE 10 2005 007 781 A1 offenbart daher ein Verfahren zum schnellen Aufbau des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine. Beim Start der Brennkraftmaschine wird hierbei der Druck im Kühlmittelkreislauf durch einen externen Druckerzeuger so lange erhöht, bis ein gewünschter Solldruck erreicht ist. Der Druck wird dabei durch einen im Kühlmittelkreislauf, insbesondere in einem Ausgleichsbehälter des Kühlmittelkreislaufs angeordneten Drucksensors überwacht. Durch weitere Erwärmung des Kühlmittels entstehender Überdruck wird in der Folge durch ein Überdruckventil abgeblasen.
Nachteiligerweise arbeitet ein derartiger Kühlmittelkreislauf somit immer an seinem Maximaldruck, sodass in gewissen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, insbesondere im Niedriglastbereich, die Komponenten des Kühlmittelkreislaufs mit unnötig hohem Druck beaufschlagt werden. Dies führt zu einer höheren Belastung und einen größeren Verschleiß der genannten Komponenten.
Die DE 10 2007 058 575 A1 und die DE 33 45 931 A1 offenbaren Verfahren zum Steuern eines Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, bei welchem mittels eines Sensors ein Betriebszustand der Brennkraftmaschine gemessen wird und bei Abweichung von einem Solldruck durch Zuführen oder Abführen von Druckluft in einen Gasraum eines Ausgleichsbehälters der Solldruck im Kühlmittelkreislauf eingestellt wird.
Die DE 101 28 423 A1 offenbart ein Verfahren zum Steuern eines Volumenstroms in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiter zu entwickeln, dass die druckbedingte Belastung von Komponenten des Kühlmittelkreislaufs minimiert wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine wird mittels eines Drucksensors ein Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen und bei Abweichung von einem Solldruck durch Zuführen oder Abführen von einem gasförmigen Medium, insbesondere von Druckluft in einen Gasraum eines Ausgleichsbehälters der Solldruck im Kühlmittelkreislauf eingestellt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass zusätzlich eine Kühlmitteltemperatur im Kühlmittelkreislauf ermittelt wird und der Solldruck mittels eines Druck-Temperatur-Kennfeldes ermittelt wird.
Im Unterschied zum Stand der Technik stellt das erfindungsgemäße Verfahren somit nicht den konstanten Maximaldruck ein, sondern wählt temperaturabhängig einen jeweiligen einzustellenden Druck aus dem Druck-Temperatur-Kennfeld aus. Das Kennfeld ist dabei insbesondere so gewählt, dass jeder Kühlmitteltemperatur ein Druck zugeordnet ist, der gerade hoch genug ist, um Dampfblasenbildung und Kavitation im Kühlmittel zu unterbinden. Damit wird also für jeden Betriebszustand der Brennkraftmaschine gerade nur derjenige Druck eingestellt, der für einen optimalen Betrieb des Kühlmittelkreislaufs notwendig ist. Die Belastung von Komponenten des Kühlmittelkreislaufs durch einen beständig hohen Druck wird somit vorteilhaft reduziert und deren Verschleiß verringert.
Vorteilhafter Weise wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine kontinuierlich der Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen und auf den Solldruck eingestellt. Der Solldruck wird dabei wiederum aus einem Druck-Temperatur-Kennfeld ermittelt. Eine Druckoptimierung im Kühlmittelkreislauf findet somit nicht nur beim Start der Brennkraftmaschine, sondern während deren gesamten Betriebszyklus statt. Damit wird auch in Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, in welchen eine niedrige Kühlmitteltemperatur vorliegt, also im Niedriglast- oder Leerlaufbetrieb, jeweils nur der gerade nötige Kühlmitteldruck eingestellt, der genügt um Dampfblasenbildung und Kavitation zu unterbinden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird beim Zuführen von Druckluft in den Gasraum des Ausgleichsbehälters der Druck der zugeführten Druckluft durch ein Druckbegrenzungsventil begrenzt. Damit können gegebenenfalls von einem externen Druckerzeuger verursachte Druckspitzen abgefangen werden, sodass eine Änderung des Drucks im Kühlmittelsystem niemals ruckartig, sondern immer kontinuierlich erfolgt. Auch hierdurch wird die Belastung der Komponenten des Kühlmittelkreislaufes reduziert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks im Kühlmittelkreislauf ein Überdruckventil des Ausgleichsbehälters geöffnet wird, bis der Druck im Kühlmittelkreislauf den Maximaldruck unterschreitet. Dies ist eine vorteilhafte Sicherheitsvorkehrung, die Beschädigungen des Kühlmittelkreislaufes durch einen Überdruck vermeidet. Im Gegensatz zum Abführen des gasförmigen Mediums aus dem Gasraum des Ausgleichsbehälters im Normalbetrieb des Kühlmittelkreislaufes, also zur Druckreduktion bei sinkender Kühlmitteltemperatur, erfolgt das Öffnen des Überdruckventils nicht gesteuert. Bevorzugter Weise handelt es sich bei diesem Überdruckventil um ein rein mechanisches Ventil, welches eine von der Steuerung des Systemdrucks im Kühlmittelkreislauf unabhängige Vorkehrung gegen den Aufbau von Überdruck darstellt. Beim Öffnen dieses mechanischen Überdruckventils wird das gasförmige Medium, insbesondere die Druckluft aus dem Gasraum des Ausgleichsbehälters bevorzugt direkt an die Umwelt gegeben.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Druck im Kühlmittelkreislauf direkt im Gasraum des Ausgleichsbehälters gemessen. Damit wird sichergestellt, dass die durch Zuführen oder Abführen des gasförmigen Mediums in den Gasraum verursachten Druckveränderungen unmittelbar erfasst werden, sodass keine Über- oder Untersteuerung stattfinden kann.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
Hierbei zeigen:

1 Eine schematische Darstellung eines Teils eines Kühlmittelkreislaufs für eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 ein Beispiel eines Druck-Temperatur-Kennfeldes zur Verwendung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren.

1 zeigt einen Ausgleichsbehälter 10 für einen nicht im Ganzen dargestellten Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine. Der Ausgleichsbehälter 10 enthält ein Reservoir flüssigen Kühlmediums 12 sowie einen Gasraum 14. Über einen Nachfüllstutzen 16 kann zusätzliches Kühlmedium in den Ausgleichsbehälter 10 eingefüllt werden. Mittels eines Drucksensors 18 wird ein Innendruck im Gasraum 14 gemessen. Dieser ist repräsentativ für den Druck im gesamten Kühlmittelsystem.
Um den Druck im Kühlmittelkreislauf auf den jeweiligen Optimalwert einzustellen, wird zusätzlich die Temperatur des Kühlmittels 12 bestimmt. Aus einem beispielhaften 2 dargestellten Druck-Temperatur-Kennfeld wird der gemessenen Kühlmitteltemperatur ein jeweiliger Druck zuordnet, welcher gerade hoch genug ist, dass es zu keiner Kavitation bzw. Dampfblasenbildung im Kühlmittel 12 kommt.
Der so ermittelte Druck wird in der Folge im Gasraum 14 des Ausgleichsbehälters 10 eingestellt. Hierzu weist der Ausgleichsbehälter 10 einen Zufuhrstutzen 20 zum Zuführen eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Druckluft auf. Druckluft wird von einem Druckerzeuger 22 bereitgestellt und kann in einem Reservoir 24 vorgehalten werden. Über ein von einem nicht gezeigten Steuergerät angesteuertes Druckregelventil 26 wird solange Druckluft in den Gasraum 14 eingebracht bzw. aus diesem abgeführt, bis der aus dem Druck-Temperatur-Kennfeld ermittelte Solldruck erreicht ist.
Zum Abfangen von Druckspitzen ist dabei zusätzlich ein mechanisches Druckbegrenzungsventil 28 zwischen dem Druckregelventil 26 und dem Anschlussstutzen 20 vorgesehen. Weiterhin weist der Ausgleichsbehälter 10 ein rein mechanisches Überdruckventil 30 auf, welches nicht mit der übrigen Steuerung in Verbindung steht.
Überschreitet der Druck im Gasraum 14 des Ausgleichsbehälters 10 einen vorgegebenen, absoluten Maximaldruck, so wird gasförmiges Medium aus dem Gasraum 14 über das Überdruckventil 30 an die Umgebung abgeblasen, bis der Druck wieder unter den vorgegeben Maximaldruck fällt und sich das Überdruckventil 30 selbsttätig wieder schließt.
Die Ermittlung des jeweils optimalen Druckes für das Kühlmedium aus dem Druck-Temperatur-Kennfeldes erfolgt dabei kontinuierlich während des gesamten Betriebes der Brennkraftmaschine. In jedem Betriebszustand, also zu jeder Kühlmitteltemperatur, wird somit lediglich genau der Druck im Kühlmittelkreislauf eingestellt, welcher notwenig ist, um Dampfblasenbildung und Kavitation zu vermeiden. Eine Überbelastung von Komponenten des Kühlmittelkreislaufs, welche auftreten würde, wenn der Druck im Kühlmittelkreislauf ständig auf dem Maximaldruck gehalten würde, wird somit vorteilhaft vermieden.
Bezugszeichenliste

10: Ausgleichsbehälter
12: Kühlmedium
14: Gasraum
16: Nachfüllstutzen
18: Drucksensor
20: Zufuhrstutzen
22: Druckerzeuger
24: Reservoir
26: Druckregelventil
28: Druckbegrenzungsventil
30: Überdruckventil

Claims

Verfahren zum Steuern eines Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, bei welchem mittels eines Drucksensors (18) ein Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen wird und bei Abweichung von einem Solldruck (P) durch Zuführen oder Abführen eines gasförmigen Mediums in einen Gasraum (14) eines Ausgleichsbehälters (10) der Solldruck im Kühlmittelkreislauf eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmitteltemperatur (T) im Kühlmittelkreislauf ermittelt wird und der Solldruck (P) mittels eines Druck-Temperatur-Kennfeldes ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Druckluft als gasförmigen Mediums zugeführt oder abgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs der Brennkraftmaschine kontinuierlich der Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen und auf den Solldruck (P) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beim Zuführen des gasförmigen Mediums in den Gasraum (14) des Ausgleichsbehälters (10) der Druck des zugeführten gasförmigen Mediums durch ein Druckbegrenzungsventil (28) begrenzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks im Kühlmittelkreislauf ein Überdruckventil (30) des Ausgleichsbehälters (10) geöffnet wird, bis der Druck im Kühlmittelkreislauf den Maximaldruck unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck im Kühlmittelkreislauf direkt im Gasraum (14) des Ausgleichsbehälters (10) gemessen wird.