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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein System und Verfahren zum Ermitteln, ob ein Absperrventil ordnungsgemäß arbeitet, und insbesondere ein System und Verfahren zum Ermitteln, ob ein Absperrventil, das ein in einem Brennstoffzellensystem strömendes Kühlfluid lenkt, ordnungsgemäß arbeitet, indem ermittelt wird, ob bei einer Pumpe, die das Kühlfluid pumpt, ein elektrischer Strom der Pumpe anzeigt, dass das Ventil geschlossen ist.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode gespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen treten durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyten treten und werden daher durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zur Kathode geschickt werden. Die Arbeit kann zum Betreiben eines Fahrzeugs dienen.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, kurz vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine gängige Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymerelektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und die Kathode umfassen typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln gelagert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus katalytischer Mischung der Anode, katalytischer Mischung der Kathode und der Membran bildet eine Membranelektrodeneinheit (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly).
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Typischerweise sind mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die erwünschte Leistung zu erzeugen. Bei dem vorstehend erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr einzelne Zellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktantgas auf, typischerweise eine von einem Verdichter durch den Stapel gedrückte Luftströmung. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verzehrt, und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgegeben, das flüssiges Wasser und/oder Wasserdampf als Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anoden-Wasserstoffreaktantgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
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Es ist erforderlich, dass ein Brennstoffzellenstapel bei einer optimalen relativen Feuchte und Temperatur arbeitet, um effizienten Stapelbetrieb und Haltbarkeit vorzusehen. Eine typische Betriebstemperatur liegt bei Kraftfahrzeuganwendungen bei etwa 80°C. Die Stapeltemperatur sieht für einen bestimmten Stapeldruck die relative Feuchte in den Brennstoffzellen in dem Stapel vor. Übermäßige Stapeltemperaturen über der optimalen Temperatur können Brennstoffzellenkomponenten beschädigen und die Lebensdauer der Brennstoffzellen verringern. Auch verringert eine Stapeltemperatur unterhalb der optimalen Temperatur die Stapelleistung. Daher nutzen Brennstoffzellensysteme thermische Subsysteme, die die Temperatur im Brennstoffzellenstapel steuern, um ein Wärmegleichgewicht zu halten.
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Ein typisches thermisches Subsystem für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs umfasst einen Kühler, ein Gebläse und eine Pumpe. Die Pumpe pumpt ein Kühlfluid, wie etwa Wasser- und Glykolgemisch, durch Kühlfluidkanäle in dem Brennstoffzellenstapel, in denen das Kühlfluid die Abwärme des Stapels aufnimmt. Das Kühlfluid wird durch ein Rohr oder einen Schlauch von dem Stapel zu dem Kühler geleitet, wo es durch Umgebungsluft, die entweder durch Bewegung des Fahrzeugs oder durch Betrieb des Gebläses durch den Kühler gedrückt wird, gekühlt wird. Aufgrund des hohen Bedarfs an Kühlerluftströmung zum Abführen eines großen Betrags an Abwärme, um einen relativ niedrige Betriebstemperatur vorzusehen, ist das Gebläse für gewöhnlich leistungsstark und der Kühler ist relativ groß. Die Baugröße des Kühlers und die Leistung des Gebläses müssen aufgrund der niedrigeren Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems und der Tatsache, dass nur ein vergleichsweise kleiner Wärmebetrag durch das Kathodenabgas in dem Brennstoffzellensystem abgeführt wird, verglichen mit denen einer Brennkraftmaschine von ähnlicher Nennleistung höher sein.
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Das Kühlfluid, das durch den Brennstoffzellenstapel gepumpt wird, wird im Allgemeinen auch genutzt, um für den Fahrzeuginnenraum Fahrgastraumbeheizung vorzusehen. Um eine solche Beheizung vorzusehen, wird ein Nebenkreislauf weg von dem Hauptkühlmittelkreislauf vorgesehen, der das Kühlfluid zu einem Fahrgastraumheizungskühler leitet, der die Wärme aus dem Kühlfluid nutzt, um erwärmte Luft zum Fahrgastraum des Fahrzeugs zu verteilen. Der Fahrgastraumheizungskühler ist in einem Klimaregelungsmodul in dem Fahrgastraum des Fahrzeugs vorgesehen. In dem Nebenkreislauf ist typischerweise eine elektrische Heizung vorgesehen, um die Temperatur des Kühlfluids auf eine Temperatur anzuheben, die zum Vorsehen von Fahrgastraumbeheizung geeignet ist. Der Heizungskühler dient als Wärmetauscher, der das erwärmte Kühlfluid aufnimmt und zu erwärmende Luft dadurch strömen lässt. In dem Nebenkreislauf ist ein Absperrventil vorgesehen, das abhängig davon, ob Fahrgastraumbeheizung erwünscht ist, entweder geöffnet oder geschlossen werden kann. Wenn das Ventil offen ist, wird das Kühlfluid dem Fahrgastraumheizungskühler geliefert, um die Beheizung vorzusehen, und wenn das Ventil geschlossen ist, steht das Kühlfluid dem Fahrgastraumheizungskühler nicht zur Verfügung.
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Das Absperrventil ist typischerweise ein kostengünstiges Ventil, das defektanfällig sein kann. Wenn das Ventil in geschlossener Stellung klemmt und ein Befehl zum Öffnen des Ventils gegeben wird, können die elektrische Heizung oder andere Komponenten beschädigt werden, da das Kühlfluid zum Abführen der Wärme nicht verfügbar ist. Da das Absperrventil typischerweise billig ist, wird von dem Ventil als Reaktion auf einen Befehl keine Rückmeldung geliefert, ob es tatsächlich geöffnet oder geschlossen ist.
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In und um die elektrische Heizung des Fahrgastraums können Sensoren und Schalter vorgesehen sein, um die Temperatur zu detektieren und die elektrische Heizung in dem Fall abzuschalten, dass die Temperatur, möglicherweise aufgrund des Ausfalls des Ventils, zu hoch ist. Diese Komponenten und Vorrichtungen erhöhen aber die Kosten und das Gewicht des Systems, wobei es erwünscht ist, die Komponenten zu eliminieren. Ferner erhöhen auch die Kabelbäume und Konnektoren, die an die Sensoren angeschlossen werden müssen, die Kosten und Komplexität des Systems. Typischerweise müssen die Sensoren direkt mit der elektrischen Heizung verbunden werden, um zu ermitteln, ob eine Überhitzung aufgetreten ist.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und Verfahren zum Ermitteln offenbart, ob ein Absperrventil in einer Fahrgastraumheizungsumgehungsleitung eines einer Maschine zugeordneten thermischen Subsystems ausgefallen ist, das bei einer Pumpe, die Kühlfluid durch die Umgehungsleitung pumpt, den elektrischen Strom der Pumpe nutzt. Das Verfahren umfasst das Festlegen einer vorbestimmten konstanten Drehzahl der Pumpe und dann das Geben eines Ventilbefehls, der das Umgehungsventil öffnet. Dann ermittelt das Verfahren, ob der elektrische Strom der Pumpe gestiegen oder im Wesentlichen konstant geblieben ist, wenn dem Umgehungsventil der Befehl zum Öffnen gegeben wurde, und ermittelt, dass das Umgehungsventil nicht geöffnet hat, wenn der elektrische Strom der Pumpe im Wesentlichen konstant bleibt, wenn dem Umgehungsventil der Befehl zum Öffnen gegeben wurde.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines thermischen Subsystems eines Brennstoffzellensystems;
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2 ist ein Graph mit Volumenströmung an der horizontalen Achse und Druck an der vertikalen Achse, der Systemeigenschaften und eine Pumpenkennlinie bei geschlossenem Umgehungsventil und offenem Umgehungsventil zeigt;
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3 ist ein Graph mit Volumenströmung an der horizontalen Achse und elektrischem Strom an der vertikalen Achse, der eine Beziehung zwischen elektrischem Strom der Pumpe und den Systemeigenschaften des Graphen von 2 bei geschlossenem Umgehungsventil und offenem Umgehungsventil zeigt; und
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4 ist ein Graph mit Zeit an der horizontalen Achse und Größenordnung an der vertikalen Achse, der eine Beziehung zwischen Pumpendrehzahl, elektrischem Strom der Pumpe und Ventilbefehl zeigt.
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EINGEHENDE BESCHREIBUNG der AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System und Verfahren zum Ermitteln beruhend auf elektrischem Strom der Pumpe, ob ein Fahrgastraumheizungsumgehungsventil geöffnet oder geschlossen ist, gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und soll in keiner Weise die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Nutzungsmöglichkeiten beschränken. Die vorliegende Beschreibung verweist zum Beispiel auf ein thermisches Subsystem für ein Brennstoffzellensystem. Für den Fachmann ist aber ersichtlich, dass das System und Verfahren der Erfindung bei anderen Arten von Systemen, einschließlich anderen Systemen für Fahrzeuge, einschließlich Brennkraftmaschinenfahrzeuge, Anwendung finden kann.
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1 ist ein schematisches Diagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Auch wenn diese Beschreibung spezifisch für ein Brennstoffzellensystem ist, ist die nachstehend näher beschriebene Methode zum Ermitteln, ob ein Fahrgastraumheizungsumgehungsventil ausgefallen ist, nicht auf ein Brennstoffzellensystem beschränkt, sondern kann bei anderen Arten von Fahrzeugen, die Fahrgastraumbeheizung nutzen, wie etwa Brennkraftmaschinenfahrzeuge, anwendbar sein. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ein thermisches Subsystem mit einem Kühlmittelkreislauf 14, durch den ein Kühlfluid außerhalb des Stapels 12 strömt. Das Kühlfluid kann ein beliebiges Kühlfluid sein, das für die hierin beschriebenen Zwecke geeignet ist, wovon viele dem Fachmann bekannt sind. Eine Pumpe 16 pumpt das Kühlfluid durch den Kühlmittelkreislauf 14 und durch Kühlfluidströmungskanäle in dem Brennstoffzellenstapel 12. Die Pumpe 16 ist eine durch einen Gleichstrommotor 18 angetriebene elektrische Pumpe und kann speziell eine elektrische/proportionale Kühlfluidpumpe sein, wenngleich andere Arten von elektrischen Pumpen verwendbar sind.
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Die Pumpe 16 pumpt das Kühlfluid durch den Kühlmittelkreislauf 14 und durch einen Kühler 20, der die Temperatur des Kühlfluids verringert, bevor es wieder dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt wird, um mehr Abwärme aufzunehmen. Der Kühler 20 kann ein beliebiger Kühler sein, der für die hierin beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie etwa ein Kühler, der eine von einem (nicht gezeigten) Gebläse durch den Kühler gezwungene Kühlluft aufnimmt. Das Gebläse kann selektiv steuern, wie viel Kühlung dem Kühlfluid durch den Kühler 20 geboten wird. Ferner ist um den Kühler 20 eine Umgehungsleitung 22 vorgesehen, wobei durch die Umgehungsleitung 22 und/oder den Kühler 20 strömendes Kühlfluid durch ein Umgehungsproportionalventil 24 gesteuert wird. Bei Niedertemperaturbetrieb kann das Ventil 24 Kühlfluid so strömen lassen, dass es den Kühler 20 vollständig umgeht, so dass das Kühlfluid schneller auf die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 erwärmt wird, und kann während Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 die Menge von Kühlfluid selektiv steuern, die durch den Kühler 20 und um den Kühler 20 an der Umgehungsleitung 22 strömt, um das Steuern der Temperatur des Kühlfluids in Verbindung mit der Drehzahl der Pumpe 16 und der durch den Kühler 20 vorgesehenen Kühlung weiter zu unterstützen.
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Das Kühlfluid kann auch genutzt werden, um Wärme für einen Wärmetauscher vorzusehen, der den Fahrgastraum oder Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs beheizt. Insbesondere kann das Kühlfluid selektiv durch eine Fahrgastraumheizungsumgehungsleitung 26 geschickt werden, die durch ein Absperrventil 28 gesteuert wird. Das Absperrventil 28 ist ein offenes/geschlossenes Ventil, bei dem Kühlfluid entweder durch die Umgehungsleitung 26 geliefert wird oder nicht. Eine elektrische Heizung 30 in der Umgehungsleitung, beispielsweise eine Widerstandsheizung, beheizt das Kühlfluid in der Umgehungsleitung 26, um die Temperatur über die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 anzuheben, um gesteigertes Fahrgastraumbeheizen vorzusehen. Das erwärmte Kühlfluid in der Umgehungsleitung 26 wird dann zu einem Fahrgastraumheizungskühler 32 geschickt, der als Wärmetauscher dient, der das erwärmte Kühlfluid nutzt, um Luft, die in den Fahrzeuginnenraum geblasen wird, in einer Weise zu erwärmen, die dem Fachmann gut bekannt ist. Wenn keine Fahrgastraumbeheizung erwünscht ist, dann wird das Ventil 28 geschlossen, so dass keine Fahrgastraumbeheizung verfügbar ist, und die elektrische Heizung 30 wird abgeschaltet.
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Wie vorstehend erläutert kann das Ventil 28 ausfallen und in einer geschlossenen Stellung klemmen, auch wenn ein Befehl zum Öffnen des Ventils 28 erteilt wurde. Bei der in diesen Arten von thermischen Subsystemen verwendeten Art von Ventilen gibt es keine Möglichkeit festzustellen, ob das Ventil 28 eine Fehlfunktion hat, und dadurch kann die elektrische Heizung 30 ohne Kühlfluidströmung zu der Heizung 30 eingeschaltet werden, was eine Beschädigung verschiedener Komponenten hervorrufen kann. In Verbindung mit der elektrischen Heizung 30 können Sensoren vorgesehen sein, doch erhöhen diese Sensoren und die damit verbundene elektrische Verschaltung die Kosten des Systems signifikant. Die vorliegende Erfindung schlägt eine Technik zum Ermitteln vor, ob das Ventil 28 in einer geschlossenen Stellung klemmt, indem der elektrische Strom der Pumpe in dem Motor 18 beobachtet wird. Wenn das Ventil 28 offen ist, ist insbesondere der Widerstand der Fluidströmung durch den Kühlmittelkreislauf 14 und die Umgehungsleitung 26 niedriger, was den elektrischen Strom der Pumpe bei der gleichen Pumpendrehzahl steigen lässt.
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2 und 3 sind Graphen, die Systembeziehungen zeigen, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, um zu ermitteln, ob das Ventil 28 geöffnet oder geschlossen ist. 2 umfasst normalisierte Volumenströmung des Kühlfluids an der horizontalen Achse und normalisierten Druck in dem Kühlmittelkreislauf 14 an der vertikalen Achse. Die Graphenlinie 40 stellt eine Pumpenkennlinie dar, die die Beziehung zwischen dem Druck in dem Kühlmittelkreislauf 14 und der Volumenströmung durch den Pumpe 16 bei Pumpenbetrieb bei einer konstanten Pumpendrehzahl veranschaulicht. Die Graphenlinie 42 stellt die Kennkurve des thermischen Subsystems zwischen dem Druck des thermischen Subsystems und der Volumenströmung des Kühlfluids dar, wenn das Umgehungsventil 28 geschlossen ist. Die Subsystemeigenschaften berücksichtigt, wie vorstehend in dem System 10 erläutert, alle Strömungspfade und Komponenten, durch die das Kühlfluid strömt, wenn das Kühlfluid nicht durch die Umgehungsleitung 26 strömt. Der Schnittpunkt der Kurven 40 und 42 bezeichnet die Stelle auf dem Pumpenkennfeld, an der die Pumpe 16 arbeitet, wenn das Umgehungsventil 28 geschlossen ist.
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Wenn das Umgehungsventil 28 offen ist, sinkt der Gesamtdruck in denn thermischen Subsystem und dem Kühlmittelkreislauf 14, da der Strömung des Kühlfluids durch den Kühlmittelkreislauf 14 und nun die Umgehungsleitung 26 weniger Widerstand entgegengesetzt wird. Da der Kühlfluidströmung in dem thermischen Subsystem bei offener Stellung des Umgehungsventils 28 weniger Widerstand entgegengesetzt wird, bewegt sich die Kennkurve des System zu Linie 46, bei der der Schnittpunkt der Kennkurve 46 und des Pumpenkennfeldkurve 40 bei Punkt 48 liegt. Es liegt also bei dem niedrigeren Druck ein Anstieg des Strömungsvolumens des Kühlfluids vor.
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3 zeigt normalisierte Volumenströmung an der horizontalen Achse und normalisierten elektrischen Strom der Pumpe an der vertikalen Achse, wobei die Graphenlinie 50 für die Kennkurve der Pumpe bei einer konstanten Pumpendrehzahl für die Beziehung zwischen diesen Werten darstellt. Wenn das Umgehungsventil 28 geschlossen ist, befindet sich der elektrische Strom der Pumpe für diesen Systemdruck an Punkt 52. Wenn das Umgehungsventil 28 geöffnet ist, dann arbeitet der elektrische Strom der Pumpe bei dem niedrigeren Druck und niedrigeren Widerstand an Punkt 54.
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Wenn das Umgehungsventil 28 geöffnet oder geschlossen wird und sich der Strömungswiderstand ändert, wird der von dem Motor 18 vorgesehene elektrische Strom der Pumpe so eingestellt, dass die Drehzahl der Pumpe 16 und somit die Volumenströmung des Kühlfluids konstant bleibt. Wenn daher ein Befehl zum Öffnen des Umgehungsventils 28 gegeben wird, der den Strömungswiderstand als Reaktion auf eine Abnahme des Gesamtdrucks senken würde, sollte der an der Pumpe 16 angelegte elektrische Strom als Reaktion darauf steigen. Wenn somit ein Befehl zum Öffnen des Umgehungsventils 28 bei einer bestimmten Pumpendrehzahl gegeben wird und der elektrische Strom der Pumpe steigt nicht, dann weiß das System, dass das Ventil 28 nicht als Reaktion auf den Befehl geöffnet hat.
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Die vorstehend beschriebenen Beziehungen können als Diagnoseinstrument verwendet werden, um zu ermitteln, ob das Umgehungsventil 28 ordnungsgemäß arbeitet, wie durch den Graphen bei 4 gezeigt wird, wo Zeit an der horizontalen Achse ist und Größenordnung an der vertikalen Achse ist. Die Ermittlung, ob das Umgehungsventil 28 ordnungsgemäß arbeitet, wird während eines Diagnosezyklus zwischen den von den Linien 60 und 62 festgelegten Zeitpunkten vorgesehen. Bei Zeitpunkt 60 lässt ein Diagnosebefehl die Pumpendrehzahl auf einen bestimmten und konstanten Wert, der durch Linie 64 gezeigt ist, steigen. Zu diesem Zeitpunkt ist das Umgehungsventil 28 geschlossen, wie durch die Ventilbefehlslinie 66 gezeigt ist. Wenn die Pumpendrehzahl angehoben wird, steigt auch der elektrische Strom der Pumpe, wie durch die Linie 68 des elektrischen Stroms der Pumpe gezeigt wird. Bei einem bestimmten Zeitpunkt, der von der Linie 70 angezeigt wird, wird dem Umgehungsventil 28 der Befehl zum Öffnen gegeben, wie durch die Ventilbefehlslinie 66 gezeigt ist. Wenn das Umgehungsventil 28 ordnungsgemäß arbeitet, lässt der niedrigere Widerstand in dem thermischen Subsystem infolge des Aufnehmens der Umgehungsleitung 26 den elektrischen Strom der Pumpe steigen, um die konstante Pumpendrehzahl und Volumenströmung beizubehalten. Wenn daher der elektrische Strom der Pumpe bei Zeitpunkt 70, dargestellt durch Linie 72, nicht steigt, dann weiß das Diagnoseinstrument, dass das Umgehungsventil 28 nicht geöffnet hat, auch wenn der Befehl zum Öffnen gegeben wurde. Bevor dem Ventil 28 bei Zeitpunkt 70 der Befehl zum Öffnen gegeben wird, wird der Wert des elektrischen Stroms der Pumpe für die bestimmte Pumpendrehzahl gespeichert, so dass er mit dem elektrischen Strom der Pumpe nach dem Zeitpunkt 70 verglichen werden kann. Wenn die Differenz zwischen dem elektrischen Strom der Pumpe vor und nach dem Zeitpunkt 70 einen vorbestimmten Schwellenwert nicht übersteigt, dann setzt das System ein Diagnoseflag, das anzeigt, dass das Umgehungsventil 20 ausgefallen ist, und schaltet die Heizung 30 nicht ein.
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Die vorstehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Ein Fachmann wird anhand einer solchen Darlegung und anhand der Begleitzeichnungen und Ansprüche mühelos erkennen, dass daran verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung, wie sie in den folgenden Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen.
