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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Steuerung einer drehzahlvariablen Pumpe für ein Kühlmittelsystem einer Brennkraftmaschine und insbesondere auf das Minimieren des Energieverbrauchs für den Betrieb der Pumpe, während für jede Komponente oder für jeden Knoten, die bzw. der in dem Kühlmittelkreislauf angeschlossen ist, eine minimal erforderliche Strömung aufrechterhalten wird.
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Wegen ihrer hohen Betriebstemperaturen erfordern Brennkraftmaschinen die Verwendung eines Kühlsystems, um Wärme über einen Kühler abzuleiten, um die Kraftmaschine auf einer optimalen Temperatur zu halten. Die Anforderungen für das Kühlmittelsystem enthalten die schnelle Erwärmung einer kalten Kraftmaschine, das Abführen überschüssiger Wärme von der Kraftmaschine und das Zuführen von Wärme zu Komponenten, die die Wärme verwenden, wie etwa zu einem Heizungswärmetauscher für die Fahrgastraumerwärmung oder zu einer Wärmerückgewinnungsvorrichtung eines Typs, der (z. B. auf der Grundlage von Abgas oder des Krümmers) Elektrizität erzeugen kann oder der Abgase für ein Abgasrückführungsventil (AGR-Ventil) kühlt.
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Eine Kühlmittelpumpe (häufig die Wasserpumpe genannt) wird herkömmlich mechanisch von der Ausgabe der Brennkraftmaschine angetrieben. Herkömmlich ist die Pumpe so bemessen, dass sie eine Pumpleistung (d. h. einen Durchfluss) ergibt, die (der) ausreicht, um die Maximalanforderungen zu erfüllen.
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Um die Last an die Kraftmaschine zu Zeiten, zu denen keine Strömung oder eine niedrige Strömung in dem Kühlmittelkreislauf notwendig ist, zu verringern, haben elektrische Pumpen mechanisch angetriebene zu ersetzen begonnen. Elektrische Pumpen werden ebenfalls in Hybrid-Benzin/Elektro-Fahrzeugen aus dem zusätzlichen Grund verwendet, dass eine Kühlmittelströmung während Zeiten notwendig sein kann, zu denen das Fahrzeug an der Batterie arbeitet und die Brennkraftmaschine inaktiv ist (z. B., um über eine mit dem Kühlmittelsystem gekoppelte elektrische Heizeinrichtung eine Fahrgastraumheizung bereitzustellen oder um die Batterie oder die Brennstoffzelle des Elektrofahrzeugs zu kühlen).
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Eine elektrische Pumpe kann mit einer variablen Drehzahl betrieben werden, um ihren Energieverbrauch während Zeiten, zu denen die Notwendigkeit einer Kühlmittelströmung niedriger ist, zu verringern. Allerdings sind frühere Kühlsysteme zum Modulieren der Strömung komplex und teuer (indem sie z. B. zusätzliche Durchflusssteuerventile, Sensoren und komplexe Steuerstrategien erfordern). Es wäre erwünscht, den Leistungsverbrauch einer elektrischen Wasserheizeinrichtung auf einfache und effiziente Weise zu verringern, während eine ausreichende Strömung für alle Komponenten aufrechterhalten wird.
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In einem Aspekt der Erfindung umfasst eine Fahrzeugvorrichtung eine drehzahlvariable Kühlmittelpumpe und mehrere Wärmeübertragungsknoten, die in einem Kühlmittelkreislauf mit der Pumpe gekoppelt sind. Jeder Knoten erzeugt auf der Grundlage eines Betriebszustands des Knotens eine Durchflussanforderung. Ein Pumpencontroller empfängt die Durchflussanforderungen, bildet jede jeweilige Strömungsanforderung auf einen Gesamtpumpendurchfluss, der die jeweilige Pumpendurchflussanforderung erzeugen würde, ab, wählt einen größten abgebildeten Pumpendurchfluss aus und weist den Betrieb der Pumpe an, um den ausgewählten Durchfluss zu erzeugen.
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1 ist ein Blockschaltplan, der einen Kühlmittelkreislauf und zugeordnete Komponenten für eine erste Ausführungsform, die für ein Benzin-Elektro-Hybridfahrzeug ausgelegt ist, zeigt.
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2 ist ein Blockschaltplan, der einen Kühlmittelkreislauf und zugeordnete Komponenten für eine zweite Ausführungsform, die für eine andere Benzin-Elektro-Hybridfahrzeugarchitektur ausgelegt ist, zeigt.
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3 veranschaulicht einen allgemeinen Prozess der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen eines optimalen Durchflusses zum Betreiben der Pumpe.
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4 ist ein Graph, der Beziehungen zwischen der Gesamtförderleistung und dem resultierenden Durchfluss bei verschiedenen Knoten in dem Kühlmittelkreislauf zeigt.
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5 veranschaulicht eine abgeleitete Strömungsverteilung und ihre Verwendung beim Abbilden auf eine Pumpenströmung.
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6 ist ein Ablaufplan, der ein bevorzugtes Verfahren der Erfindung zeigt.
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Der Hauptzweck der elektrischen Kühlmittelpumpe ist das Liefern der notwendigen Kühlmittelströmung, um die Wärmeaustauschanforderungen für alle Komponenten (hier als Wärmeübertragungsknoten bezeichnet), die mit dem Kühlsystem verbunden sind, einschließlich der Kraftmaschine, Klimakomponenten wie etwa eines Heizungswärmetauschers und Wärmerückgewinnungskomponenten wie etwa einer AGR-Kühleinrichtung zu erfüllen. Anstatt die Kühlmittelpumpe ununterbrochen mit einer niedrigen Rate zu betreiben, die groß genug ist, um die ungünstigsten Kühlnotwendigkeiten einzuschließen, wäre es erwünscht, durch Minimieren des Leistungsverbrauchs des Kühlmittelsystems die Kraftstoffwirtschaftlichkeit zu maximieren. Allerdings ist noch keine Pumpensteuerstrategie verfügbar, die auf einfache und effiziente Weise das Ziel erreicht, den Leistungsverbrauch zu minimieren, ohne potentiell zu irgendwelchen Komponenten zu wenig Strömung zu liefern.
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In der vorliegenden Erfindung fordert jeder Knoten einen Kühlmitteldurchfluss an, den er in Übereinstimmung mit seinen spezifischen Anforderungen zum Zeitpunkt der Anforderung (unabhängig davon, wie die Komponentenhardware mit dem Kühlsystem verbunden ist oder wie ihre Strömung mit anderen Komponenten in Wechselwirkung steht) bestimmt. Die Durchflussanforderung jedes Knotens wird (z. B. über eine Nachschlagetabelle oder Formel) auf einen Gesamtpumpendurchfluss abgebildet, von dem empirisch bekannt ist, dass er zu einer Komponentenströmung gleich der Anforderung führt. Um sicherzustellen, dass alle Komponenten wenigstens ihren angeforderten Durchfluss empfangen, entscheidet die vorliegende Erfindung alle Strömungsanforderungen von den verschiedenen Komponenten und betreibt sie die Pumpe dementsprechend.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass für die Pumpensteuerung unabhängig davon, wie die Komponenten in dem System verbunden sind, eine einzige Herangehensweise verwendet werden kann. Wenn eine Pumpensteuerung für ein anderes Fahrzeugmodell entwickelt wird, brauchen lediglich die geeigneten Abbildungsbeziehungen konfiguriert zu werden.
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Nun in 1 enthält eine Fahrzeugvorrichtung 10 eine Kraftmaschine 11, die eine Brennkraftmaschine sein kann, die z. B. in ein Hybridelektrofahrzeug eingebaut ist. Eine Pumpe 12 führt über mehrere Kühlmittelleitungen 13 Druckkühlmittel zum Umwälzen über die Kraftmaschine 11 und über verschiedene andere Komponenten zu. Außer der Kraftmaschine 11 enthalten andere Wärmeübertragungsknoten einen Heizungswärmetauscher 15, eine Standheizung 16 und eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung in Form einer Abgasrückführungs-Kühleinrichtung (AGR-Kühleinrichtung) 17. Zwischen die Kraftmaschine 11 und die Pumpe 12 ist in dem Kühlmittelkreislauf über einen Thermostat 21 ein Kühler 20 gekoppelt. Wenn die Kühlmitteltemperatur unter einem Schwellenwert liegt, sperrt der Thermostat 21 die Kühlerströmung, so dass das Kühlmittel stattdessen einer Umgehung 22 folgt. Der Kühler 20 ist auf herkömmliche Weise mit einem Entgasungssystem 23 gekoppelt.
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Jeder Wärmeübertragungsknoten arbeitet mit einem jeweiligen Controller zusammen. Somit wird die Kraftmaschine 11 durch ein Kraftmaschinensteuermodul (ECM) 25 gesteuert. Ein elektronischer automatischer Temperatursteuerungscontroller (EATC-Controller) 26 betreibt ein Klimasteuersystem, das einen Heizungswärmetauscher 15 und eine Standheizung 16, die elektrisch mit Leistung versorgt wird, um dem Fahrgastraum Wärme zuzuführen, wenn die Kraftmaschine 11 ausgeschaltet ist, enthält. Die AGR 17 kann durch das ECM 25 oder durch einen getrennten Controller gesteuert werden.
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Ein Pumpencontroller 27 ist mit einer Pumpe 12 gekoppelt, um eine Pumpenbetriebsdrehzahl in Übereinstimmung mit einem wie in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung bestimmten Pumpendurchfluss anzuweisen. Der Pumpencontroller 27 ist mit dem ECM 25 und mit der EATC 26 gekoppelt, um den verschiedenen Wärmeübertragungsknoten entsprechende Durchflussanforderungen zu empfangen. Der Pumpencontroller 27 entscheidet die verschiedenen Anforderungen und aktiviert die Pumpe 12 mit der niedrigsten geeigneten Drehzahl (d. h. mit dem niedrigsten Leistungsverbrauch), um alle gegenwärtigen Strömungsanforderungen zu erfüllen.
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1 repräsentiert ein System, das einem vollständigen (d. h. selbständigen) Hybridelektrofahrzeug entspricht. In 2 ist eine Systemarchitektur des für ein Plug-in-Hybridelektrofahrzeug verwendeten Typs gezeigt. Eine Brennkraftmaschine 30 weist einen Kühlmitteleinlass 31 auf, der mit dem Auslass einer drehzahlvariablen Pumpe 32 verbunden ist. Die Kraftmaschine 30 weist einen Kühlmittelauslass 33 auf, der über eine Umgehung 36 mit einem Kühler 34 und mit einem Thermostat 35 verbunden ist. Der Kühler 34 ist mit einer Entgasungsflasche 37 verbunden und weist einen Auslass auf, der mit dem Thermostat 35 verbunden ist.
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Der Auslass 33 ist außerdem mit einem Einlass eines Ventils 40 gekoppelt. Der Auslass des Ventils 40 ist mit dem Einlass einer Zusatzpumpe 41 verbunden, deren Auslass mit einem Heizungswärmetauscher 42 verbunden ist. Eine elektrische Heizeinrichtung 43 ist mit dem Heizungswärmetauscher 42 in Reihe geschaltet und ihr Auslass ist zu einem zweiten Einlass des Ventils 40 und zu dem Thermostat 35 parallel geschaltet. Das Ventil 40 ist zum Liefern einer Strömung von dem Kraftmaschinenauslass 33 über den Heizungswärmetauscher 42 während Zeiten, zu denen die Kraftmaschine 30 arbeitet, konfigurierbar. Wenn die Kraftmaschine 30 nicht arbeitet und es einen Bedarf für Wärme in dem Fahrgastraum gibt, wird das Ventil 40 zum Liefern einer Strömung zu einem Zusatzkreislauf, der die Zusatzpumpe 41, den Heizungswärmetauscher 42 und die Ergänzungsheizeinrichtung 43 enthält, geschaltet.
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Ein AGR 45 empfängt Kühlmittel von der Kraftmaschine 30 und gibt es daraufhin zurück zu einem Einlass des Thermostats 35.
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Mit der Pumpe 32 ist ein Pumpencontroller 46 gekoppelt. Ein ECM 47 und eine EATC 48 steuern Kraftmaschinen- bzw. Klimasteuersysteme und senden entsprechende Durchfluss-Anforderungsnachrichten über einen Multiplexbus 49 an den Pumpencontroller 46.
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Der Pumpencontroller führt eine wie in 3 gezeigte Strömungsanforderungsentscheidung aus. Im Block 50 wird eine Kraftmaschinen-Strömungsanforderung empfangen, die durch das Kraftmaschinensteuersystem auf der Grundlage der Kühlmittelströmung, die erforderlich ist, damit die Kraftmaschine ihre gegenwärtigen Attribute erfüllt, erzeugt wurde. Im Block 51 wird der Pumpendurchfluss bestimmt, der notwendig ist, um die Kraftmaschinen-Strömungsanforderung zu erfüllen. Gleichfalls ist im Block 52 eine Heizungswärmetauscher-Strömungsanforderung gezeigt und im Block 53 wird der Pumpendurchfluss bestimmt, der notwendig ist, um die Heizungswärmetauscher-Strömungsanforderung zu erfüllen. Falls eine Wärmerückgewinnungsvorrichtung vorhanden ist, wird im Block 54 eine Wärmerückgewinnungs-Strömungsanforderung empfangen und bestimmt der Pumpencontroller bei Block 55 die Pumpenströmung, die diese Anforderung erfüllt. Falls andere Wärmeübertragungsknoten mit einzigartigen Anforderungen zum Empfangen von Kühlmittel vorhanden sind, würden ähnliche Durchflussanforderungen empfangen und ähnlich abgebildete Pumpendurchflüsse bestimmt, die jede jeweilige Anforderung erfüllen. Im Block 56 wird der maximale Pumpendurchfluss bestimmt und im Block 57 wird die Pumpe mit dem gewählten Durchfluss betrieben.
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Jeder einzigartige Fahrzeugentwurf nutzt eine bestimmte Anordnung des Kühlmittelkreislaufs, die zu einer charakteristischen Verteilung der Strömung von der Wasserpumpe führt. Üblicherweise kann die Kraftmaschine 100 % der Gesamtströmung empfangen (d. h., ist sie zwischen der Pumpe und allen anderen Komponenten in Reihe geschaltet), wobei das aber nicht notwendig der Fall ist. Außerdem enthält der typische Kühlmittelkreislauf verschiedene parallele Zweige, wie etwa einen, der den Heizungswärmetauscher versorgt, und einen, der die AGR versorgt. Wie in 4 gezeigt ist, ist die proportionale Verteilung der Gesamtströmung zwischen diesen parallelen Zweigen im Wesentlichen konstant. Es sind die Komponentenströmungen für verschiedene Knoten in Übereinstimmung mit einer Gesamtförderleistung zwischen einer minimalen Förderleistung und einer maximalen Förderleistung gezeigt. In einem angenommenen Beispiel ist eine Kraftmaschinenströmung 60 gezeigt, die gleich (d. h. 100 %) der Förderleistung ist. Eine AGR-Strömung 61 erhält eine Strömung von etwa 75 % der Förderleistung aufrecht und eine Heizungswärmetauscherströmung 62 erhält eine Strömung von etwa 50 % der Förderleistung aufrecht.
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Die charakteristische Strömungsverteilung für einen Kühlmittelkreislauf stellt eine Abbildung zum Bestimmen des notwendigen Pumpendurchflusses, wie sie in 5 gezeigt ist, bereit. Im Block 65 werden Strömungsverteilungen des Kühlmittelkreislaufs wie etwa eine Heizungswärmetauscherverteilung, in der die gegenwärtige Heizungswärmetauscherströmung (HCflow) gleich der Gesamtpumpenströmung (PUMPflow) mal 80 % ist, identifiziert. Ähnliche Verteilungswerte für die anderen Komponenten werden durch empirische Messung oder durch Simulation bestimmt, wobei alle Beziehungen als eine Abbildungstabelle oder als Formeln zur Verwendung durch den Pumpencontroller gespeichert werden. Nachfolgend werden die gespeicherten Beziehungen von dem Pumpencontroller für die im Block 66 gezeigte Abbildung verwendet, wobei eine angeforderte Komponentenströmungsanforderung (HCrequest) mit 1,25 multipliziert wird (äquivalent der Division durch 80 %), um die entsprechende Pumpenströmung zu erhalten. Dieser Wert der Pumpenströmung wird daraufhin mit den in Übereinstimmung mit den Anforderungen von den anderen Komponenten erhaltenen Werten entschieden.
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Die vorliegende Erfindung kann in einer Weise implementiert werden, die den Pumpenbetrieb auf der Grundlage der neuesten Anforderungen periodisch aktualisiert, oder kann zum Aktualisieren des Pumpenbetriebs nur in Ansprechen auf tatsächliche Strömungsanforderungen wie in 6 gezeigt konfiguriert sein. Somit überwachen die Schritte 70–72 jedes Mal, wenn die Brennkraftmaschine aktiv ist, in dieser Reihenfolge ankommende Durchflussanforderungen von der Kraftmaschine, von dem Heizungswärmetauscher oder von der Wärmerückgewinnungsvorrichtung. Wenn irgendeine der Anforderungen detektiert wird, bestimmt der Pumpencontroller in den Schritten 73–75 den Durchfluss, den die ankommende Anforderung erfordert, und bildet daraufhin in den Schritten 76–78 jeden erforderlichen Durchfluss auf die Pumpenströmung ab, die sicherstellt, dass eine Strömung dieselbe wie die jeder jeweiligen Anforderung ist. In Schritt 80 wird die maximale aller abgebildeten Strömungen ausgewählt, woraufhin die elektrische Kühlmittelpumpe in Schritt 81 die entschiedene Strömung liefert.
