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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Um in beispielsweise zur Motorkühlung oder auch zur Kühlung von Retardern 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, mehrkammerige Ausgleichsbehälter benötigt, welche sowohl konstruktiv aufwendig sind, als auch nachteilig hohen Bauraumbedarf aufweisen.
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Die
DE 10 2009 018 012 A1 beschreibt ein Verfahren zum Steuern des Systemdrucks in einem Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, bei welchem mittels eines Drucksensors ein Druck im Kühlmittelkreislauf gemessen wird und bei Abweichung von einem Solldruck durch Zuführen oder Abführen von Druckluft in einen Gasraum des Ausgleichsbehälters der Solldruck im Kühlmittelkreislauf eingestellt wird, wobei eine Kühlmitteltemperatur im Kühlmittelkreislauf ermittelt wird und der Solldruck mittels eines Druck-Temperatur-Kennfeldes ermittelt wird.
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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.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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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. Das verwendete Druck-Temperatur-Kennfeld ist hierbei vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängig und für verschiedene Betriebszustände der Brennkraftmaschine werden unterschiedliche Druck-Temperatur-Kennfelder genutzt.
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Im Unterschied zum Stand der Technik kann so nicht nur der Druck abhängig von der Temperatur des Kühlmediums gesteuert werde, sondern auch abhängig von unterschiedlichen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, in denen ein unterschiedlicher Wärmeeintrag in das Kühlmedium erwartet wird. Unter Steuern ist hierbei Steuern und Regeln zu verstehen.
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Die betriebszustandsabhängige Kennfeldsteuerung kann insbesondere bei einem Retarderbetrieb, welcher ebenfalls einen Wärmeeintrag in das Kühlmedium verursacht aber auch einen Füllstand im Ausgleichsbehälter durch Fluten des Retarders verändert, den Kühlmittelkreislauf mit einer eigenen Kennfeldliniensteuerung auf ein optimales Druckniveau einstellen und entsprechend einer Retarderbetriebskennlinie nachregeln. Hierbei wird in der Kennlinie und beim Nachregeln ein vergrößerter Gasraum im Ausgleichsbehälter wegen einer Retarderflutung mit berücksichtigt, wodurch sich in der Kennlinie Unterschiede zu einer Kennlinie eines verbrennungsmotorisch angetrieben Betriebszustand ergeben können, bei dem der Füllstand im Ausgleichsbehälter höher ist und so der Gasraum im Ausgleichsbehälter kleiner ist.
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Die Kennfelder und die entsprechend eingestellten Druckniveaus und Mindestdrücke können sich für die betriebszustandsabhängigen Kennlinien unterscheiden
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Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit nicht den konstanten Maximaldruck oder für jede Temperatur des Kühlmediums den gleichen Druck ein, sondern wählt temperaturabhängig und betriebszustandsabhänigig einen jeweiligen einzustellenden Systemdruck aus dem entsprechenden Druck-Temperatur-Kennfeld des jeweiligen Betriebszustandes aus. Das Kennfeld ist dabei insbesondere so gewählt, dass jeder Kühlmitteltemperatur ein Systemdruck zugeordnet ist, der gerade hoch genug ist, um Dampfblasenbildung und Kavitation im Kühlmedium an allen Stellen im Kühlmittelkreis 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 zu hohen Systemdruck wird somit vorteilhaft reduziert und deren Verschleiß verringert.
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Vorteilhafter Weise wird während des Betriebs der Brennkraftmaschine kontinuierlich in bestimmten Regelintervallen der Systemdruck im Kühlmittelkreislauf gemessen und auf den Solldruck eingestellt. Der Solldruck wird dabei wiederum aus einem Druck-Temperatur-Kennfeld des entsprechenden Betriebszustandes ermittelt. Eine Druckoptimierung im Kühlmittelkreislauf kann somit nicht nur beim Start der Brennkraftmaschine, sondern während deren gesamten Betriebs stattfinden. 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.
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Da ein Wärmeeintrag in das Kühlmedium lastabhängig sein wird, werden die Betriebszustände der Brennkraftmaschine vorteilhaft auch lastabhängig bestimmt. So wird der Druck im Kühlmittelkreislauf insbesondere vorteilhaft durch mindestens ein Druck-Temperatur-Kennfeld für den Betriebszustand der Volllast der Brennkraftmaschine und/oder durch mindestens ein Druck-Temperatur-Kennfeld für den Betriebszustand der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine und/oder durch mindestens ein Druck-Temperatur-Kennfeld für den Betriebszustand eines Retarderbetriebs gesteuert.
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Vorteilhaft werden auch die Regelintervalle betriebszustandsabhängig gewählt, so dass jedes Druck-Temperatur-Kennfeld für einen Betriebszustand ein eigenes Regelintervall aufweist, innerhalb dem der Solldruck im Kühlmittelkreislauf bestimmt und der Systemdruck S nachgeregelt wird.
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Auch erweist es sich als vorteilhaft, dass mindestens ein Druck-Temperatur-Kennfeld zu einem Betriebszustand existiert, bei dem das Regelintervall so groß ist, dass bis zu einem Wechsel des Betriebszustandes der Systemdruck S nicht nachgeregelt wird. In manchen Betriebszuständen ist ein Nachregeln des Systemdrucks des Kühlmittelkreislaufes nicht notwendig, da sich das Druckniveau im Kühlmittelkreislauf innerhalb akzeptabler Bereiche bewegt. Durch ein Regelintervall das ein Nachregeln entsprechend lang beziehungsweise unendlich lang hinauszögert, wird ein Nachregeln vermieden, was in manchen Betriebszuständen ausreichend ist.
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Durch unterschiedlich lange Regelintervalle wird eine Nachregelungshäufigkeit verringert und an die jeweiligen Betriebszustände angepasst, so dass vom Betriebszustand abhängig eine optimale Einstellung des Systemdrucks unterschiedlich häufig erfolgt. Durch die reduzierten Nachregeleingriffe wird ein Steuerungsaufwand verringert, die Steuerungskomponenten werden geschont und es wird weniger Energie verbraucht. Des Weiteren wird durch weniger Nachregeleingriffe der Kühlmittelkreislauf nur mit einer geringen Menge an Frischluft beaufschlagt, was einen Sauerstoffeintrag ins Kühlmittel möglichst vermeidet und so Korrosionsmechanismen und ein vorzeitiges Altern des Kühlmittel verhindert.
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Insbesondere wird so auch einem vermehrten Austrag von feucht gesättigter Luft aus dem Kühlmittelkreislauf, der den Kühlmittelstand über die Zeit absinken lassen würde, durch weniger Nachregeleingriffe entgegengewirkt. Ein vermehrter Austrag von feuchter Luft würde ein häufigeres Nachfüllen eines Kühlmediums erforderlich machen und könnte auch eine Zusammensetzung des Kühlmediums verändern, da zum Beispiel eine Mischung aus Wasser und Frostschutzmittel wie Glykol, unterschiedlich in der feuchten Luft enthalten sein können und so auch unterschiedlich beim Nachregeln ausgetragen werden, was über die Zeit ein Mischungsverhältnis des Kühlmediums verändern kann und so auch ein Frostschutz des Kühlmediums gefährdet sein kann.
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Insbesondere könnte es so auch sinnvoll sein, Betriebszustände zu definieren, in denen ein aktives Nachregeln des Systemdrucks eingeschränkt ist. Dies könnte insbesondere durch ein sehr flaches Druck-Temperatur-Kennfeld mit breiten Regelkorridoren erfolgen, bei denen eine Nachregelnotwendigkeit selten erforderlich sein wird oder durch lange Regelintervalle, so dass Regeleingriffe selten erfolgen. Hierbei können diese Betriebszustände von zum Beispiel der Fahrgeschwindigkeit, dem Neigungswinkel eines Fahrzeuges, dem Umgebungsluftdruck, Kurvenradien, Fahrbahnbeschaffenheiten, Höhenlagen, Ortspositionen, Verkehrshindernissen, Verkehrsfluss und/oder Längs- und Querbeschleunigungen abhängen. Beispielsweise könnte auch ein Betriebszustand der Startphase ein direktes Beaufschlagen des Kühlmittelkreislaufes sofort nach dem Motorstart verhindern und erst nach einer kurzen Laufphase und/oder temperaturbedingt und/oder geschwindigkeitsbedingt die Druckregelung aktiveren, um zum Beispiel bei geöffnetem Ausgleichsbehälter und einem fälschlicherweise gestartetem Motor ein Austreten des Kühlmediums zu verhindern.
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Um beim Zuführen von Druckluft in den Gasraum des Ausgleichsbehälters den Druck der zugeführten Druckluft zu begrenzen, kann ein Druckbegrenzungsventil und/oder eine Drossel genutzt werden. 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.
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Beim Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks im Kühlmittelkreislauf wird ein Überdruckventil und/oder Sicherheitsventil des Ausgleichsbehälters geöffnet, 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, zum Beispiel zur Druckreduktion bei sinkender Kühlmitteltemperatur entsprechend eines Druck-Temperatur-Kennfeldes eines Betriebszustandes, 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.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform 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.
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In einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Druck durch einen Drucksensor direkt am Ventilblock der Druckregeleinheit gemessen. Um eine fehlerhafte Steuerung wegen Messfehler des Druckes eines strömenden Mediums während der Regeleingriffe am Zu- und Ablassventil der Druckregeleinheit zu vermeiden, kann der gemessene Druck während der Regeleingriffe nicht zur Kennfeldermittlung herangezogen werden und die Messwerte des Drucksensors können temporär ausgeblendet werden. Die notwendige Öffnungszeit des Regeleingriffes zum Erreichen des korrekten Endwertes der Kennfeldsteuerung wird von einer Steuereinheit durch die Regelabweichung und weiteren Systemparameter, wie zum Beispiel Druckunterschied, aktueller Systemdruck, Füllstand im Ausgleichsbehälter und/oder Kühlmitteltemperatur, bestimmt.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
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Hierbei zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Teils eines Kühlmittelkreislaufs für eine Brennkraftmaschine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt einen Ausgleichsbehälter 10 für einen nicht im Ganzen dargestellten Kühlmittelkreislaufes 1 einer Brennkraftmaschine. Dabei ist die Brennkraftmaschine als herkömmlicher Verbrennungsmotor nach dem Diesel- oder Ottomotorprinzip ausgebildet. Der Ausgleichsbehälter 10 enthält ein Reservoir flüssigen Kühlmediums 12 sowie einen Gasraum 14. Über einen Nachfüllstutzen 16 kann zusätzliches Kühlmedium 12 in den Ausgleichsbehälter 10 eingefüllt werden. Mittels eines Drucksensors 18 wird ein Innendruck im Gasraum 14 gemessen. Dieser ist repräsentativ für den Systemdruck S im gesamten Kühlmittelkreislauf 1.
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Um den Druck im Kühlmittelkreislauf 1 auf den jeweiligen Optimalwert einzustellen, wird zusätzlich die Temperatur T des Kühlmediums 12 bestimmt. Aus einem Druck-Temperatur-Kennfeld eines Betriebszustandes wird der gemessenen Kühlmitteltemperatur T ein jeweiliger Solldruck SD bei diesem Betriebszustand zuordnet, welcher gerade hoch genug ist, dass es zu keiner Kavitation bzw. Dampfblasenbildung im Kühlmittel 12 kommt. Der Ausgleichsbehälter 10 ist mittels zumindest einer Verbindungsleitung 34 mit dem übrigen Kühlmittelkreislauf 1 der Brennkraftmaschine gekoppelt. In dieser Verbindungsleitung 34 ist ein Temperatursensor 36 angeordnet, welcher die Kühlmitteltemperatur T erfasst.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Temperatursensor 36 auch an einer anderen Position im Kühlmittelkreislauf 1 angeordnet sein, wie zum Beispiel direkt am Kühlmittelkreiseintritt der Brennkraftmaschine in Flussrichtung nach einer Kühlmittelpumpe. Vorteilhaft könnten insbesondere auch mehrere Temperatursensoren verwendet werden um mit weiteren Systemgrößen wie zum Beispiel einer aktuellen Motorleistung und/oder Motormoment anhand eines Rechenalgorithmus eine verfeinerte Bestimmung der effektiven, mittleren Temperatur im Kühlsystem und daraus eine verbesserte Kennfeldsteuerung des Druckes zu ermöglichen.
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Der so ermittelte Solldruck SD 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 einer Steuereinheit 32 angesteuertes Druckregelventil 26 wird solange Druckluft in den Gasraum 14 eingebracht bzw. aus diesem abgeführt, bis der aus dem Druck-Temperatur-Kennfeld ermittelte Solldruck SD erreicht ist. Das ansteuerbare Druckregelventil 26 verfügt hierbei insbesondere über zwei Einzelventile, wobei ein erstes Einzelventil zum Einbringen von Druckluft in den Gasraum 14 geöffnet werden kann und ein zweites Einzelventil zum Abführen aus dem Gasrum 14 an die Umgebung geöffnet werden kann. Jedes Einzelventil weist einen definierten Querschnitt auf und wirkt im geöffneten Zustand als Drossel, durch die ein definierbarer Luftstrom geleitet werden kann. Die Steuereinheit 32 regelt entsprechend eines Rechenalgorithmus die Öffnungszeiten der Einzelventile und kann so durch Zu- und Abführen eines definierten Luftstromes den Druck im Gasraum 14, im Ausgleichsbehälter 10 und damit im Kühlmittelkreislauf 1 steuern.
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Zum Abfangen von Druckspitzen ist dabei zusätzlich ein mechanisches Druckbegrenzungsventil 28 zwischen dem Druckregelventil 26 und dem Anschlussstutzen 20 vorgesehen. In einer alternativen Ausführungsform könnte ein Druckbegrenzungsventil 28 auch zwischen dem Druckregelventil 26 und dem Reservoir 24 angeordnet sein, um Druckspitzen durch den Druckerzeuger 22 zu verhindern. 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 Systemdruck S wieder unter den vorgegeben Maximaldruck fällt und sich das Überdruckventil 30 selbsttätig wieder schließt.
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Die Ermittlung des jeweils optimalen Solldruckes SD für das Kühlmedium 12 aus dem Druck-Temperatur-Kennfeldes des jeweiligen Betriebszustandes erfolgt dabei in Regelintervallen während des Betriebes der Brennkraftmaschine, wobei die Regelintervalle von dem Druck-Temperatur-Kennfeld und damit vom jeweiligen Betriebszustandes abhängen. In jedem Betriebszustand und zu jeder Kühlmitteltemperatur, wird somit lediglich genau der Systemdruck S im Kühlmittelkreislauf 1 eingestellt, welcher notwenig ist, um Dampfblasenbildung und Kavitation zu vermeiden. Dabei werden zur Verminderung der Regelhäufigkeit gewisse, temperaturabhängige und/oder betriebszustandsabhängige Regelkorridore zugelassen. Eine Überbelastung von Komponenten des Kühlmittelkreislaufs 1, welche auftreten würde, wenn der Systemdruck S im Kühlmittelkreislauf 1 ständig auf dem Maximaldruck oder nur von der Kühlmitteltemperatur T abhängig gehalten würde, wird somit vorteilhaft vermieden.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform kann der Drucksensor 18 auch an einer Position direkt am Druckbegrenzungsventil 28 oder am Druckregelventil 26 angeordnet sein, welches je nach Ausführungsform mit dem Gasraum 14 des Ausgleichsbehälters 10 in Kontakt steht und so an der Position des Druckbegrenzungsventils 28 oder des Druckregelventils 26 der Druck im Gasraumes 14 bestimmt werden kann. Durch die Anordnung des Drucksensors 18 am Druckbegrenzungsventil 28 oder am Druckregelventil 26 kann eine Vorrichtung zur Nachreglung des Druckes des Kühlmittelkreislaufes 1 als bauliche Einheit ausgeführt sein, die zugleich den Drucksensor 18 enthält und so mit der Steuereinheit 32 eigenständig in verschiedene Kraftfahrzeuge einbaubar ist. Ein im Kraftfahrzeug bereits vorhandener Temperatursensor 36 liefert dann noch die Kühlmitteltemperatur, so dass eine eventuelle Nachrüstung des Kraftfahrzeuges mit einer solchen Vorrichtung einfach ermöglicht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlmittelkreislauf
- 10
- Ausgleichsbehälter
- 12
- Kühlmedium
- 14
- Gasraum
- 16
- Nachfüllstutzen
- 18
- Drucksensor
- 20
- Zufuhrstutzen
- 22
- Druckerzeuger
- 24
- Reservoir
- 26
- Druckregelventil
- 28
- Druckbegrenzungsventil
- 30
- Überdruckventil
- 32
- Steuereinheit
- 34
- Verbindungsleitung
- 36
- Temperatursensor
- S
- Systemdruck
- SD
- Solldruck
- T
- Kühlmitteltemperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009018012 A1 [0003]
