DE102011108953B4

DE102011108953B4 - Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs

Info

Publication number: DE102011108953B4
Application number: DE102011108953.9A
Authority: DE
Inventors: Johann Graf
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2031-07-30
Also published as: US9903255B2; EP2739833A1; EP2739833B1; DE102011108953A1; WO2013017188A1; US20140182523A1

Abstract

Kühlmittelkreislauf 1 für eine Brennkraftmaschine 2, wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine 2 und einer Wärmesenke 3 in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils 4, das im Ausgangszustand bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 2 geschlossen ist, zirkulieren kann und wobei das Ventil 4 in Abhängigkeit eines von der Brennkraftmaschine 2 emittierten Abgasmassenstroms in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand schaltbar ist, sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Kühlmittelkreislaufs 1.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine und einer Wärmesenke in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils, das im Ausgangszustand bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine geschlossen ist, zirkulieren kann, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs.
Derartige Kühlmittelkreisläufe werden insbesondere im Fahrzeugbau dazu verwendet, um das von der Brennkraftmaschine erwärmte Kühlmittel durch Zirkulation über die Wärmesenke zu kühlen. Dadurch wird die Brennkraftmaschine vor Schäden durch Überhitzung geschützt. Zur Verringerung der Reibleistung der Brennkraftmaschine im Sinne einer Wirkungsgradverbesserung, ist bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eine rasche Erwärmung der Brennkraftmaschine und dementsprechend auch des Kühlmittels wünschenswert. Aus diesem Grund kann ein in einen geschlossenen Zustand geschaltetes Ventil die Kühlmittelzirkulation so lange unterbinden, bis eine ausreichende Erwärmung erreicht wurde.
Die Ermittlung des Zeitpunkts zum Öffnen des Ventils erfolgt nach dem Stand der Technik in Abhängigkeit von der Überschreitung einer Drehmoment- bzw. Drehzahlschwelle durch die Brennkraftmaschine. So zeigt die DE 100 45 613 A1 ein Verfahren zur Kühlmitteltemperaturregelung einer Motorkühlung, wobei die Kühlmitteltemperatur in Abhängigkeit von einer Last und/oder einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine geregelt wird. Dies führt häufig jedoch zur vorzeitigen Öffnung des Ventils bei zu niedrigen Kühlmitteltemperaturen, wodurch Wirkungsgradverluste in Kauf genommen werden müssen.
Die DE 101 54 091 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Kühlsystems einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Leistung einer Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit von einer der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Kraftstoffmenge regelbar ist. Die Kraftstoffmenge eignet sich jedoch nicht ohne weiteres als Regelgröße zur Regelung eines Kühlsystems, da insbesondere bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine regelmäßig keine stöchiometrische Umsetzung des Kraftstoffes stattfindet.
Die DE 60 2004 004 016 T2 zeigt ein Verfahren zum Steuern eines Ventils in einem Abgas-Wärmetauschersystem einer Verbrennungskraftmaschine, wobei das System einen Wärmetauscherkanal mit einem Wärmetauscher aufweist sowie einen Bypass-Kanal, der betätigbar ist, um den Wärmetauscher zu umgehen. Das Verfahren enthält die folgenden Schritte:
es wird bestimmt, dass Wärme von durch das Abgassystem strömendem Abgas zum Wärmetauscher übertragen werden soll;
das Ventil wird in eine erste Position geschaltet, in welcher das gesamte Abgas durch den Wärmetauscherkanal strömt;
es wird mit direkten oder indirekten Mitteln ein Druckabfall über dem Wärmetauschersystem überwacht;
das Ventil wird in eine Zwischenposition geschaltet, wenn der Druckabfall einen vorbestimmten Grenzwert erreicht, wobei die Zwischenposition dazu führt, dass ein erster Teil des Abgases durch den Wärmetauscherkanal strömt und ein verbleibender Teil durch den Bypass-Kanal strömt, wodurch der Druckabfall über dem Wärmetauschersystem verringert wird;
das Ventil wird in eine zweite Position geschaltet, wenn der Druckabfall wieder einen vorbestimmten Grenzwert erreicht, wobei die zweite Position dazu führt, dass ein zweiter Teil des Abgases durch den Wärmetauscherkanal strömt, wobei der zweite Teil kleiner als der erste Teil ist, wodurch der Druckabfall über dem Wärmetauschersystem weiter verringert wird.
Die DE 10 2009 054 359 A1 offenbart ein Motorsteuerungssystem, umfassen d ein Temperaturvergleichsmodul, das eine Temperaturdifferenz zwischen einer Motorkühlmitteltemperatur und einer Radiatorkühlmitteltemperatur erzeugt, ein Energiebestimmungsmodul, das einen Energiewert bestimmt, der einer von einem Motor erzeugten Wärmeenergie entspricht, wobei die Wärmeenergie die Motorkühlmitteltemperatur und/oder die Radiatorkühlmitteltemperatur erhöht, und ein Diagnosemodul, das einen Vergleich der Temperaturdifferenz und des Energiewerts erzeugt und einen Status eines Thermostats, das mit dem Motor verbunden ist, auf der Grundlage des Vergleichs bestimmt. Nachteilig ist, dass der Energiewert sich auf eine Temperaturänderung des Motorkühlmittels und/oder des Radiatorkühlmittels anspricht und daher bauartbedingt nur verzögert reagiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs bereitzustellen, das einen wirkungsgradoptimierten Kaltstart der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 5 gelöst.
Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine und einer Wärmesenke in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils, das im Ausgangszustand bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine geschlossen ist, zirkulieren kann und wobei das Ventil in Abhängigkeit eines von der Brennkraftmaschine emittierten Abgasmassenstroms in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand schaltbar ist, wobei eine Steuereinrichtung ein Integral des Abgasmassenstroms nach der Zeit ermittelt und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes das Ventil in den Folgezustand schaltet.
Indem die Öffnung des Ventils nach dem Kaltstart vom emittierten Abgasmassenstrom abhängig gemacht wird, kann sehr genau der optimale Zeitpunkt zur Beendigung der schnellen Erwärmung der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Der Integralwert des Abgasmassenstroms nach der Zeit spiegelt den tatsächlichen Eintrag von Wärmeenergie in das Kühlmittel wieder. Überschreitet der Integralwert einen vorher definierten Integralschwellwert, wird das Ventil vollständig oder schrittweise geöffnet. Dadurch werden auf der einen Seite lokale Überhitzungen der Brennkraftmaschine (sog. „Hot-Spots”) wirksam verhindert und auf der anderen Seite ein schnellstmögliches Erreichen einer niedrigen Reibleistung erzielt. Als Kaltstart kann in diesem Zusammenhang eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine verstanden werden, bei der die Kühlmitteltemperatur annähernd der Temperatur der Umgebungsluft entspricht. Als Wärmesenke eignet sich ein üblicher Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher, der über eine Verschlauchung mit der Brennkraftmaschine einen Kreislauf ausbildet. Zur erzwungenen Zirkulation des Kühlmittels eignen sich Kühlmittelpumpen, beispielsweise Kreiselpumpen. Das Ventil ist vorzugsweise als beheizbarer Kennfeldthermostat ausgebildet bzw. wird per Pneumatik oder Elektromechanik betätigt.
In einer bevorzugten Ausführung des Kühlmittelkreislaufs ermittelt die Steuereinrichtung den Abgasmassenstrom aus einer Einspritzmenge eines Kraftstoffs. Die Steuereinrichtung ist dazu vorzugsweise als Steuergerät für die Brennkraftmaschine ausgebildet und bemisst in dieser Funktion unter anderem die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Aus der Kraftstoffmenge leitet sich zwangsläufig der nach der Verbrennung emittierte Abgasmassenstrom ab, der durch die Abgasanlage abgeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführung des Kühlmittelkreislaufs ermittelt die Steuereinrichtung die Einspritzmenge je Zeiteinheit. Besonders vorteilhaft ist die Unterteilung des Einspritzvorgangs in möglichst kleine Zeiteinheiten zur genaueren Bestimmung der Einspritzmenge.
In einer bevorzugten Ausführung des Kühlmittelkreislaufs ist das Ventil Teil einer Kühlmittelpumpe oder wird durch die Kühlmittelpumpe gebildet. Das Ventil kann in die Kühlmittelpumpe integriert sein oder durch eine schaltbare Kühlmittelpumpe gebildet werden. Dadurch lassen sich Bauteile und Bauraum sparen.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs für eine Brennkraftmaschine, wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine und einer Wärmesenke in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils zirkulieren kann, umfasst die folgenden Schritte:

– Schalten eines geschlossenen Ausgangszustandes des Ventils bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine;
– Kontinuierliches Erfassen eines von der Brennkraftmaschine emittierten Abgasmassenstroms ab dem Kaltstart;
– Schalten des Ventils in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms, wobei ein Integral des Abgasmassenstroms nach der Zeit gebildet und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes der Folgezustand geschaltet wird.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ebenso die bereits für den Kühlmittelkreislauf genannten Vorteile.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Darin zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Kühlmittelkreislaufs für eine Brennkraftmaschine;
2 ein Diagrammdarstellung des Abgasmassenstroms über die Zeit.
Gemäß 1 hat ein Kühlmittelkreislauf 1 für eine Brennkraftmaschine 2 eine Wärmesenke 3. Die Wärmesenke 3 wird zum Einen mit Umgebungsluft und zum Anderen mit Kühlmittel durchströmt. Durch den stattfindenden Wärmeaustausch kühlt das im Kühlmittelkreislauf 1 zirkulierende Kühlmittel ab. Die Kühlmittelzirkulation wird durch eine Kühlmittelpumpe 5 erzeugt, wobei ein schaltbares Ventil 4 die Kühlmittelzirkulation unterbinden kann. Die Brennkraftmaschine 2 hat mehrere Brennräume 2c, in denen Kraftstoff verbrannt wird, wodurch sich die Brennkraftmaschine 2 erwärmt. Die entstehende Wärme kann durch das Kühlmittel an die Wärmesenke 3 abgeführt werden. Der Kraftstoff wird entweder in die Ansauganlage 2a oder direkt in die Brennräume 2c eingespritzt und anschließend mit der angesaugten Luft vermischt. Das abgebrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch wird durch die Abgasanlage 2b ausgestoßen. Eine Steuereinrichtung 6 erfasst die Einspritzmenge des Kraftstoffs je Zeiteinheit und ermittelt daraus den Abgasmassenstrom durch die Abgasanlage 2b. Die Steuereinrichtung 6 bildet ein Integral des Abgasmassenstroms über die Zeit, wie es in 2 dargestellt ist. Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 2, also der Inbetriebnahme bei einer Kühlmitteltemperatur, die annähernd der Umgebungstemperatur entspricht, befindet sich das Ventil 4 in seinem geschlossenen Ausgangszustand und es findet keine Kühlmittelzirkulation statt. Die Steuereinrichtung 6 beginnt gleichzeitig mit einer kontinuierlichen Berechnung des Integralwerts und veranlasst eine zumindest teilweise Öffnung des Ventils 4, sobald der Integralwert einen definierten Integralschwellwert überschreitet.
Gemäß der 2 wird der Integralwert dadurch gebildet, indem der emittierte Abgasmassenstrom je Zeiteinheit t_x erfasst und so lange kontinuierlich aufintegriert wird, bis der Integralschwellwert überschritten ist.
Bezugszeichenliste

t_x: Zeiteinheit
1: Kühlmittelkreislauf
2: Brennkraftmaschine
2a: Ansauganlage
2b: Abgasanlage
2c: Brennraum
3: Wärmesenke
4: Ventil
5: Kühlmittelpumpe
6: Steuereinrichtung

Claims

Kühlmittelkreislauf (1) für eine Brennkraftmaschine (2), wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine (2) und einer Wärmesenke (3) in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils (4), das im Ausgangszustand bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine (2) geschlossen ist, zirkulieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4) in Abhängigkeit eines von der Brennkraftmaschine (2) emittierten Abgasmassenstroms in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand schaltbar ist, wobei eine Steuereinrichtung (6) ein Integral des Abgasmassenstroms nach der Zeit ermittelt und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes das Ventil (4) in den Folgezustand schaltet.
Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) den Abgasmassenstrom aus einer Einspritzmenge eines Kraftstoffs ermittelt.
Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) die Einspritzmenge je Zeiteinheit ermittelt.
Kühlmittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4) Teil einer Kühlmittelpumpe (5) ist oder durch die Kühlmittelpumpe (5) gebildet wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs (1) für eine Brennkraftmaschine (2), wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine (2) und einer Wärmesenke (3) in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils (4) zirkulieren kann, umfassend die folgenden Schritte: – Schalten eines geschlossenen Ausgangszustandes des Ventils (4) bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine (2); – Kontinuierliches Erfassen eines von der Brennkraftmaschine (2) emittierten Abgasmassenstroms ab dem Kaltstart; – Schalten des Ventils (4) in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms, wobei ein Integral des Abgasmassenstroms nach der Zeit gebildet und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes der Folgezustand geschaltet wird.