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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Kühlung von Motorsystemen in Kraftfahrzeugen, insbesondere Maßnahmen zum Betreiben von Kühlsystemen.
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Stand der Technik
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Zur Abführung der Abwärme von Antriebsmotoren in Motorsystemen für Kraftfahrzeuge sind üblicherweise Kühlsysteme vorgesehen. Kühlsysteme weisen in der Regel Lüfter auf, die in derzeit gängigen Kraftfahrzeugen elektrisch angetrieben werden, um so einen von der Drehzahl des Antriebsmotors unabhängigen Betrieb zu gewährleisten. Um den Lüfter nicht permanent betreiben zu müssen, wird üblicherweise eine Zweipunktregelung vorgesehen, die den Lüfter abhängig von einer Kühlwassertemperatur ein- bzw. ausschaltet.
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Der Lüfter wird mit elektrischer Energie aus einer Batterie oder einer vergleichbaren elektrischen Energiequelle betrieben. Die Bereitstellung dieser elektrischen Energie ist in der Regel mit erheblichen Verlusten behaftet und erfordert eine Batterie mit ausreichend hoher Kapazität, um den Energiebedarf zum Betreiben des Lüfters bereitzustellen. Insbesondere beim Betreiben des Lüfters mit elektrischer Energie aus der Batterie liegt ein geringer Wirkungsgrad vor, da die elektrische Energie zuvor aus der Umwandlung von mechanischer Energie gewonnen werden muss.
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Die Druckschrift
DE 603 17 125 T2 offenbart ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor, wobei eine Strömungsrate eines Kühlmittels, das durch den Kühlergrill strömt, abhängig von einer Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors gesteuert wird. Insbesondere wird die Steuerung auf Basis einer Fahrgeschwindigkeit und/oder einer Umgebungstemperatur des Kraftfahrzeugs durchgeführt.
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Die Druckschrift
DE 10 2010 000 713 A1 offenbart ein Verfahren zur Regulierung eines Kühlluftstroms eines Kraftfahrzeugs abhängig von einer Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems für ein Motorsystem eines Kraftfahrzeugs gemäß Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung und ein System gemäß den nebengeordneten Ansprüchen vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems für einen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei das Kühlsystem eine Kühleinrichtung zum Bereitstellen einer Kühlsystem-Kühlleistung und einer durch einen externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung umfasst. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- – Bestimmen eines prognostizierten Verlaufs einer für die Kühlung des Antriebsmotors benötigten Motorkühlleistung innerhalb eines vorgegebenen vorausliegenden Zeitraums; und
- – Einstellen der momentanen Kühlsystem-Kühlleistung abhängig von dem prognostizierten Verlauf der benötigten Motorkühlleistung und von einem prognostizierten Verlauf der zu erwartenden durch den externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung.
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Eine Idee des obigen Verfahrens besteht darin, die Kühlleistung des Kühlsystems prädiktiv an Umgebungsbedingungen und Fahrzustände des Kraftfahrzeugs, nämlich an den prognostizierten Verlauf der zu erwartenden durch den externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung, anzupassen. Insbesondere können beispielweise aus Navigationsdaten künftige Umgebungsbedingungen und Fahrzustände ermittelt werden, aus denen dann entsprechend der vom Antriebsmotor erzeugten Abwärme ein zu erwartender Motorkühlleistungsbedarf ermittelt wird. Entsprechend dem zu erwartenden Bedarf an Motorkühlleistung wird das Kühlsystem angesteuert, um eine Kühlsystem-Kühlleistung einzustellen. Der vorgegebene vorausliegende Zeitraum kann direkt oder indirekt durch eine vorgegebene vorausliegende Fahrstrecke bestimmt sein, die aufgrund der Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs innerhalb eines bestimmten Zeitraums durchfahren wird.
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Insbesondere kann die momentane Kühlsystem-Kühlleistung entsprechend dem prädizierten Kühlleistungsbedarf angepasst werden. Auf diese Weise kann beispielsweise die momentane Kühlsystem-Kühlleistung bereits vor dem Eintritt einer Phase mit einem erhöhten Kühlleistungsbedarf bereitgestellt werden, um so die Kühlmitteltemperatur in der Kühleinrichtung vor dem Beginn der Phase des erhöhten Kühlleistungsbedarfs zu verringern.
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Umgekehrt kann auch bei einer hohen Kühlmitteltemperatur die Kühlleistung reduziert werden, wenn eine Betriebszeit mit verringerter Abwärmeerzeugung und/oder mit erhöhter passiver Kühlung, z. B. durch Gegenwind, sinkende Außenlufttemperatur und dergleichen, und folglich mit einem verringerten Kühlleistungsbedarf erwartet wird. Auf diese Weise kann elektrische Energie zum Betreiben des Lüfters des Kühlsystems eingespart werden, da dieser vorausschauend betrieben wird.
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Weiterhin kann die momentane Kühlsystem-Kühlleistung abhängig von einer momentanen Kühlmitteltemperatur eines Kühlmittels des Kühlsystems und abhängig von einem vorgegebenen Kühlmitteltemperaturbereich eingestellt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der vorausliegende Zeitraum durch eine Zeitdauer zum Fahren einer geplanten Fahrtroute oder eines Abschnitts einer geplanten Fahrtroute bestimmt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die zu erwartende durch den externen Luftmassenstrom bewirkte Kühlleistung einer Kühlleistung entsprechen, die durch Fahrtwind, Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Lufttemperatur erreicht wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass der prognostizierte Verlauf der benötigten Motorkühlleistung basierend auf einem prognostizierten Verlauf einer Last des Antriebsmotors bestimmt wird, wobei der prognostizierte Verlauf der Last des Antriebsmotors abhängig von einem oder mehreren Streckenparametern einer geplanten Fahrtroute, einem Beladungszustand des Kraftfahrzeugs sowie von einer oder mehreren Umgebungsbedingungen während der Fahrt entlang der geplanten Fahrtroute bestimmt wird.
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Wird innerhalb der vorbestimmten vorausliegenden Zeitdauer ein Abschalten des Antriebsmotors erwartet, so kann die momentane Kühlsystem-Kühlleistung weiterhin so eingestellt werden, dass eine zum Zeitpunkt des Abschaltens des Antriebsmotors zu erwartende Kühlmitteltemperatur kleiner ist als ein vorgegebener Kühlmitteltemperatur-Schwellenwert.
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Insbesondere kann die momentane Kühlsystem-Kühlleistung unter Berücksichtigung des prognostizierten Verlaufs der zu erwartenden durch den externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung innerhalb des vorgegebenen vorausliegenden Zeitraums nach dem Abschalten des Antriebsmotors eingestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung zum Betreiben eines Kühlsystems für einen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, wobei das Kühlsystem eine Kühleinrichtung zum Bereitstellen einer Kühlsystem-Kühlleistung umfasst, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist, um:
- – einen prognostizierten Verlauf einer für die Kühlung des Antriebsmotors benötigten Motorkühlleistung innerhalb eines vorgegebenen vorausliegenden Zeitraums zu bestimmen; und
- – die momentane Kühlsystem-Kühlleistung abhängig von dem prognostizierten Verlauf der benötigten Motorkühlleistung und von einem prognostizierten Verlauf einer zu erwartenden durch einen externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung einzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kühlsystem für einen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Das Kühlsystem umfasst:
- – eine Kühleinrichtung zum Bereitstellen einer einstellbaren Kühlsystem-Kühlleistung und zum Bereitstellen einer durch einen externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung; und
- – die obige Vorrichtung.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogramm vorgesehen, welches ausgebildet ist, um alle Schritte des obigen Verfahrens auszuführen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein elektronisches Speichermedium vorgesehen, auf welchem das obige Computerprogramm gespeichert ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein elektronisches Steuergerät vorgesehen, welches das obige elektronische Speichermedium aufweist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Motorsystem und einem Kühlsystem; und
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2 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Betreiben eines Kühlsystems für ein Kraftfahrzeug.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 1 in einer Draufsicht dargestellt. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst ein Motorsystem 2 mit einem Antriebsmotor 3, der im gezeigten Ausführungsbeispiel einem Verbrennungsmotor entspricht.
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Der Antriebsmotor 3 erzeugt bei seinem Betrieb Wärme, die zur Vermeidung einer Überhitzung abgeführt werden muss. Dazu ist in der Regel ein Kühlsystem 4 vorgesehen, das einen Kühlmittelkreislauf aufweist, der durch den Antriebsmotor 3 geführt wird. Der Kühlmittelkreislauf verläuft weiterhin durch eine Kühleinrichtung, die einen Kühlergrill 6 und einen Lüfter 5 aufweist. Das aus dem Kühlmittelkreislauf und der Kühleinrichtung gebildete Kühlsystem 4 nimmt durch die Zirkulation des Kühlmittels Abwärme des Antriebsmotors 3 auf, die an die durch den Kühlergrill 6 strömende Umgebungsluft abgegeben wird.
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Der Lüfter 5 wird elektrisch betrieben, wobei eine Wärmeabfuhr des Antriebsmotors 3 durch die Drehgeschwindigkeit des Lüfters 5 bzw. dessen Luftförderung bestimmt wird. Der Lüfter 5 fördert Frischluft durch den Kühlergrill 6 und bestimmt somit die Menge an von dem Kühlmittel abgeführter Wärme bzw. die Kühlsystem-Kühlleistung. Die Kühlsystem-Kühlleistung ist somit durch den Lüfter 5 steuerbar.
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Zusätzlich ist der Kühlergrill 6 im Frontbereich des Kraftfahrzeugs 1 angeordnet, so dass Luftbewegungen aufgrund einer Vorwärtsfahrt des Kraftfahrzeugs 1 (Fahrtwind) oder aufgrund eines auf den Frontbereich gerichteten Winds bzw. Windanteils ebenfalls zu einem Luftstrom durch den Kühlergrill 6 führen und damit zur Abfuhr der Wärme von dem Kühlmittel beitragen.
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Die Wärmeentwicklung in dem Antriebsmotor 3 hängt stark von dem Betriebspunkt des Antriebsmotors 3 ab. Bei hoher Last und/oder hoher Drehzahl erhöht sich die pro Zeiteinheit in dem Antriebsmotor 3 umgesetzte Kraftstoffmenge, so dass aufgrund des realen Wirkungsgrads ein höherer Anteil in Form von Wärmeenergie bereitgestellt wird. Dies führt zu einer Erhöhung der Kühlmitteltemperatur in dem Kühlmittelkreislauf und entspricht einer benötigten Motorkühlleistung.
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Die Betriebstemperatur des Antriebsmotors 3 ist in der Regel so gewählt, dass einerseits ein guter Wirkungsgrad bei der Umsetzung von chemischer Kraftstoffenergie in Bewegungsenergie erreicht werden kann und andererseits die Komponenten des Antriebsmotors 3 in einem möglichst geringen Ausmaß einem Verschleiß oder sonstigen Beeinträchtigungen durch Wärme ausgesetzt sind. Eine solche Betriebstemperatur wird daher innerhalb eines bevorzugten Betriebstemperaturbereichs gehalten, indem die Kühlmitteltemperatur auf eine Temperatur innerhalb eines bestimmten Kühlmitteltemperaturbereichs eingestellt wird.
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Bisherige Kühlsysteme sehen häufig eine Zweipunktregelung vor, d. h. eine Kühlleistung wird reduziert, wenn die Kühlmitteltemperatur unter einen unteren Schwellenwert absinkt, und eine Kühlleistung wird erhöht, wenn die Kühlmitteltemperatur über einen oberen Schwellenwert steigt. Eine solche Zweipunktregelung führt in der Praxis häufig dazu, dass eine erhöhte Motorkühlleistung gerade dann benötigt wird, wenn der Antriebsmotor 3 ebenfalls eine erhöhte mechanische Leistung bereitstellen muss, was selbstverstärkend zu einer erhöhten Wärmeerzeugung führt. Dies führt zu einer zusätzlichen Belastung des Motorsystems 2 und/oder einer Batterie 9, die die zum Betrieb des Lüfters 5 benötigte elektrische Energie bereitstellen soll. Auch tritt häufig der Fall auf, dass das Kühlsystem 4 auch nach Abstellen des Antriebsmotors 3 weiter betrieben werden muss, wodurch die Batterie 9 ebenfalls erheblich belastet wird.
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Es ist eine Kühlsystemsteuereinheit 7 vorgesehen, die den Betrieb des Lüfters 5 steuert und so eine aktive Kühlleistung zum Abführen von Wärme durch das Kühlsystem 4 bereitstellen kann.
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Weiterhin weist das Kraftfahrzeug 1 ein Navigationssystem 11 auf, mit dem eine Fahrtroute geplant werden kann und in dem Streckenparameter für eine geplante Fahrtroute bereitgestellt werden. Die Streckenparameter geben einen Straßentyp auf Streckenabschnitten der geplanten Fahrtroute sowie ein Höhenprofil auf den Streckenabschnitten, wie beispielsweise eine Steigung oder ein Gefälle, an und ermöglichen weiterhin in Abhängigkeit von der Position des Kraftfahrzeugs 1 das Abrufen eines jeweiligen Verkehrszustands auf den einzelnen Streckenabschnitten sowie der dort vorherrschenden Wetterbedingungen, insbesondere das Abrufen aus externen Quellen. Die obigen Streckenparameter werden der Kühlsystemsteuereinheit 7 bereitgestellt.
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Weiterhin kann ein Beladungszustandssensor 12 vorgesehen sein, der mit der Kühlsystemsteuereinheit 7 in Verbindung steht, um eine Beladungsangabe über einen Beladungszustand des Kraftfahrzeugs 1 bereitzustellen. Der Beladungszustandssensor 12 kann beispielsweise einen Sitzbelegungserkennungssensor, eine Innenraumkamera, einen Stoßdämpferzustandssensor oder dergleichen umfassen. Die Beladungsangabe wird ebenfalls der Kühlsystemsteuereinheit 7 bereitgestellt.
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Weiterhin kann ein Anhängersensor 10 die Belegung einer Anhängerkupplung erfassen und eine entsprechende Anhängerbelegungsangabe an die Kühlsystemsteuereinheit 7 bereitstellen.
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Weiterhin ist ein Kühlmitteltemperatursensor 8 vorgesehen, um die Temperatur des Kühlmittels zu erfassen und der Kühlsystemsteuereinheit 7 eine entsprechende Angabe zur Verfügung zu stellen.
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Aus der momentanen Kühlmitteltemperatur, dem Beladungszustand des Kraftfahrzeugs 1 sowie den Eigenschaften einer vorausliegenden Fahrtstrecke, insbesondere Steigungen und Gefälle auf vorausliegenden Streckenabschnitten, kann der Bedarf an Motorkühlleistung, insbesondere ein Verlauf der zu erwartenden benötigten Motorkühlleistung, ermittelt werden. Gleichzeitig können aus den für die vorausliegenden Streckenabschnitte verfügbaren Daten die dort vorherrschenden Umgebungsbedingungen bestimmt werden, wie beispielsweise Wetterbedingungen, insbesondere Lufttemperatur, Windgeschwindigkeit und Windrichtung. Die Umgebungsbedingungen auf den vorausliegenden Streckenabschnitten bestimmen einen prognostizierten Verlauf einer durch einen externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung. Durch Gegenüberstellen der prognostizierten Verläufe der benötigten Motorkühlleistung und der durch einen externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung kann der Verlauf einer Kühlsystem-Kühlleistung ermittelt werden, die durch das Kühlsystem 4 aktiv bereitgestellt werden muss.
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Insbesondere wird über den Beladungszustand, die momentane Kühlmitteltemperatur und die Eigenschaften der vorausliegenden Fahrtstrecke die zu erwartende Last für den Antriebsmotor 3 des Motorsystems 2 auf der vorausliegenden Fahrtstrecke ermittelt. Aus der zu erwartenden Last des Antriebsmotors 3 ergeben sich ein entsprechender Verlauf der Wärmeabgabe des Antriebsmotors 3 und daraus die erforderliche Kühlsystem-Kühlleistung, um die Kühlmitteltemperatur innerhalb des vorgegebenen Kühlmitteltemperaturbereichs zu halten. Abhängig von dem künftigen Kühlleistungsbedarf wird der Betrieb des Lüfters 5 gesteuert. Insbesondere kann die Kühlsystemsteuereinheit 7 ein Ein- und Ausschalten des Lüfters 5 sowie die Drehzahl des Lüfters 5 einstellen.
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Nachfolgend wird anhand des Flussdiagramms der 2 das Verfahren zum Betreiben des Kühlsystems 4 näher erläutert.
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In Schritt S1 wird zunächst die aktuelle Kühlmitteltemperatur ermittelt.
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In einem nachfolgenden Schritt S2 werden die Streckenparameter ausgewertet und für einen oder mehrere der vorausliegenden Streckenabschnitte die voraussichtliche Wärmeabgabe des Antriebsmotors 3 und die durch den externen Luftmassenstrom bewirkte Kühlleistung ermittelt.
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In Schritt S3 wird basierend auf der Kühlmitteltemperatur, einem prognostizierten Verlauf einer zu erwartenden Wärmeabgabe des Antriebsmotors 3 und dem prognostizierten Verlauf einer zu erwartenden durch einen externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung bestimmt, welche Kühlsystem-Kühlleistung momentan benötigt wird. Die Kühlsystem-Kühlleistung kann beispielsweise aus einer Kühlenergiebilanz bestimmt werden, wobei die momentane Kühlsystem-Kühlleistung so eingestellt wird, dass für einen betrachteten Zeitraum sichergestellt ist, dass die Kühlmitteltemperatur den oberen Schwellenwert des Kühlmitteltemperaturbereichs nicht überschreitet.
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Insbesondere die Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Lufttemperatur, Windrichtung und Windgeschwindigkeit, können den Bedarf an Kühlsystem-Kühlleistung, die von dem Lüfter 5 zusätzlich erbracht werden muss, erheblich beeinflussen. Wird anhand der vorausliegenden Fahrtstrecke erkannt, dass die Fahrt bald in einer Gegenwindrichtung oder in einer längeren Bergabfahrt verlaufen wird, so kann die Drehzahl des Lüfters 5 frühzeitig reduziert oder der Lüfter 5 ausgeschaltet werden, da die benötigte Kühlleistung auf der vorausliegenden Fahrtstrecke aufgrund des externen Luftmassenstroms erreicht wird. Dies kann insbesondere dadurch festgestellt werden, dass sich bei einer Gegenüberstellung der Verläufe der benötigten Motorkühlleistung und der durch den externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung zumindest ein zeitweiliger Überschuss der durch den externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung ergibt.
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Ein Abschalten des Lüfters 5 ist vor allem dann möglich, wenn für die Kühlmitteltemperatur ein Kühlmitteltemperaturbereich definiert wird, innerhalb dessen die Kühlmitteltemperatur schwanken darf. Im Fall des obigen Beispiels wird somit zugelassen, dass die Kühlmitteltemperatur innerhalb des Kühlmitteltemperaturbereichs ansteigen kann, insbesondere bis zu dem oberen Schwellenwert des Kühlmitteltemperaturbereichs, wenn das Fahrzeug den Streckenabschnitt, für den Gegenwind, ein Gefälle oder eine niedrige Lufttemperatur und damit eine erhöhte passive Kühlleistung erwartet wird, erreicht, bevor die Kühlmitteltemperatur den oberen Schwellenwert des Kühlmitteltemperaturbereichs überschreitet.
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In Schritt S4 wird der Lüfter 5 so angesteuert, dass die ermittelte Kühlsystem-Kühlleistung von dem durch den Lüfter 5 erzeugten Luftstrom durch den Kühlergrill 6 bereitgestellt wird. Ist der ermittelte Kühlsystem-Kühlleistungsbedarf negativ, so kann der Lüfter 5 vollständig deaktiviert bzw. abgeschaltet werden.
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Ergibt sich aus der aktuell geschätzten oder gemessenen durch den externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung und einer Prognose der durch den externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung über den nachfolgenden Streckenabschnitt bzw. den betrachteten Zeitraum eine hinreichende Kühlleistung, so dass eine Kühlmitteltemperatur oberhalb des oberen Schwellenwerts des Kühlmitteltemperaturbereichs auch für einen Zeitpunkt nach einem Abstellen des Antriebsmotors 3 nicht auftritt, so kann auf ein Bereitstellen einer Kühlsystem-Kühlleistung bzw. einen Nachlauf des Lüfters 5 nach Abstellen des Antriebsmotors 3 verzichtet werden. Dadurch kann die Batterie 9 entweder geschont oder von vorneherein mit einer geringeren Kapazität vorgesehen werden, da keine zusätzliche elektrische Energie für die Kühlung nach Abstellen des Antriebsmotors 3 bereitgestellt werden muss.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass aus den Streckenparametern der geplanten Fahrtroute feststellbar ist, ob das Kraftfahrzeug 1 innerhalb des betrachteten Zeitraums in einer Garage oder Tiefgarage oder in einem Parkhaus abgestellt werden soll. In diesem Fall kann nicht mit einer durch einen externen Luftmassenstrom bewirkten Kühlleistung nach Abstellen des Antriebsmotors 3 gerechnet werden, weshalb ein Nachlauf des Lüfters 5 zu erwarten ist. In diesem Fall kann vor dem Abstellen des Kraftfahrzeugs 1 eine erhöhte aktive Kühlleistung bereitgestellt werden, um die Kühlmitteltemperatur in Richtung des unteren Schwellenwerts des Kühlmitteltemperaturbereichs abzukühlen. Auf diese Weise kann ein Nachlauf des Lüfters 5 vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 60317125 T2 [0004]
- DE 102010000713 A1 [0005]
