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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Managementsystem zum Betrieb eines Kühlsystems einer Verbrennungskraftmaschine.
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Die Verwendung von steuerbaren Drehschieberventilen, die einen oder mehrere geschaltete Ein- oder Ausgänge aufweisen, erlaubt gegenüber den herkömmlich vorgesehenen Wachsaktuatoren eine erheblich dynamischere Steuerung des gesamten Kühlsystems.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kühlsystem einer Verbrennungskraftmaschine mit einem steuerbaren Drehschieberventil zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wird dies bei einem Verfahren zum Betrieb eines Kühlsystems einer Verbrennungskraftmaschine erreicht, wobei in dem Kühlsystem ein steuerbares Drehschieberventil mit wenigstens einem geschalteten Eingang oder Ausgang vorgesehen ist, indem das Drehschieberventil so angesteuert wird, dass es bei vorbestimmten Kühlsystemzuständen und/oder Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine nur Schaltpositionen einnehmen kann, bei denen wenigstens ein vorbestimmter Minimalfluss an Kühlmittel durch einen Kühlkreislauf des Kühlsystems aufrechterhalten wird.
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Durch eine derartige Ansteuerung wird erreicht, dass eine Beschränkung des Kühlmittelflusses, die zu einer Beeinträchtigung oder Schädigung von Komponenten des Kühlsystems oder der Verbrennungskraftmaschine führen könnte, von vornherein ausgeschlossen wird, auch wenn derartige Kühlsystemzustände von anderen Steuerkomponenten der Verbrennungskraftmaschine oder des Fahrzeugs angefordert werden sollten. Derartige Anforderungen können z. B. von einer Kraftstoffverbrauchsregelung kommen, aber auch von einer Steuerung einer Fahrzeuginnenraumheizung, eines Getriebeölwärmetauschers, eines Motorölwärmetauschers oder anderer mit dem Kühlkreislauf verbundener Komponenten. Das Kühlsystem umfasst dabei vorzugsweise mehrere von Kühlmittel durchströmte Kühlkreisläufe, die zumindest über das Drehschieberventil miteinander verbunden werden können. Hierzu zählt insbesondere auch ein direkt durch die Verbrennungskraftmaschine, genauer ein Zylinderkopfgehäuse, führender Motor-Kühlkreis.
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Die Schaltpositionen des Drehschieberventils können so eingeschränkt werden, dass wenigstens ein vorbestimmter Teilkreislauf des Kühlmittelkreises wenigstens mit einem vorbestimmten Kühlmittelfluss durchströmt wird. Es kann vorgesehen sein, dass ein vorbestimmter minimaler Kühlmittelfluss im gesamten Kühlkreislauf eingehalten wird. Es ist aber auch möglich, eine Minimaldurchströmung nur für einen oder mehrere spezifische Teilkreisläufe aufrechtzuerhalten. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass ein durch die Verbrennungskraftmaschine, vorzugsweise den Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine, verlaufender Teilkreislauf mit dem vorbestimmten Minimalfluss durchströmt wird.
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Das Drehschieberventil kann zumindest eine Schaltposition aufweisen, in der alle Eingänge oder alle Ausgänge verschlossen sind, was einer vollständigen Schließstellung entspricht, in der im Wesentlichen keine Durchströmung des Drehschieberventils erfolgt. Alternativ kann auch in der minimal durchströmten Schaltposition noch ein gewisser Kühlmittelfluss durch das Drehschieberventil vorgesehen sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht jedoch vor, das Drehschieberventil nicht in diese Schließstellungen zu verfahren, wenn die vorbestimmten Zustände erreicht sind. Der vorbestimmte minimale Kühlmittelfluss ist daher stets größer gewählt als der minimal mögliche Kühlmittelfluss durch das Drehschieberventil.
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Der vorbestimmte Minimalfluss an Kühlmittel kann für verschiedene Kühlsystemzustände und/oder Betriebszustände unterschiedlich gewählt werden.
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Vorzugsweise wird das Drehschieberventil beim Versuch der Ansteuerung einer nicht zugelassenen Schaltposition auf diejenige Schaltposition „umgelenkt”, die dem minimalen Kühlmittelstrom durch den jeweiligen Teilkreislauf entspricht.
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Das Anfahren nicht zugelassener Schaltstellungen wird bevorzugt auf elektronischem Weg von einer mit dem Drehschieberventil in Verbindung stehenden elektronischen Ansteuereinheit verhindert.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel ist im Kühlsystem eine mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpe vorgesehen, und es wird die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine überwacht. Das Drehschieberventil wird bei Überschreiten einer Motordrehzahlschwelle so angesteuert, dass es nur Schaltpositionen einnimmt, bei denen wenigstens der vorbestimmte Minimalfluss von Kühlmittel durch den Kühlkreislauf aufrechterhalten wird. Da die mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpe in ihrer Drehzahl mit der Motordrehzahl gekoppelt ist, nimmt der Druck im Kühlkreislauf automatisch mit steigender Motordrehzahl zu. Erfindungsgemäß wird jedoch stets ein ausreichender Strömungsquerschnitt zur Verfügung gestellt, um den Aufbau eines übermäßigen Drucks im Kühlkreisauf zu verhindern.
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Es ist möglich, die Anzahl von Überschreitungen der Motordrehzahlschwelle zu protokollieren und, wenn diese Anzahl einen Schwellwert überschreitet, das Drehschieberventil so anzusteuern, dass es nur Schaltpositionen einnimmt, bei denen wenigstens der vorbestimmte Minimalfluss von Kühlmittel durch den Kühlkreislauf aufrechterhalten wird. Auf diese Weise lässt sich ein ständiges Verfahren des Drehschieberventils zwischen zwei Schaltpositionen bei widersprüchlichen Anforderungen verhindern, wenn abzusehen ist, dass der Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine für längere Zeit bei hohen Drehzahlen liegen wird.
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Der Zähler, in dem die Überschreitung der Motordrehzahlschwelle protokolliert wird, kann beispielsweise zurückgesetzt werden, wenn erkennbar ist, dass der Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine sich für eine längeren Zeitraum deutlich zu niedrigen Drehzahlen hin geändert hat.
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In einer zweiten Ausführungsform wird eine Kühlmitteltemperatur überwacht, und bei Überschreiten einer vorbestimmten Kühlmittelschwelltemperatur wird das Drehschieberventil so angesteuert, dass es nur Schaltpositionen einnimmt, bei denen wenigstens der Minimalfluss von Kühlmittel durch den Kühlkreislauf aufrechterhalten wird. Durch diese Maßnahme wird stets eine ausreichende Kühlleistung für die Verbrennungskraftmaschine sichergestellt und ein zu hohes Ansteigen der Kühlmitteltemperatur verhindert. Auch hier werden wieder gegenläufige Anforderungen anderer Fahrzeugkomponenten durch das Managementsystem geblockt und die Schaltpositionen des Drehschieberventils auf diejenigen eingegrenzt, in denen wenigstens der Minimalfluss von Kühlmittel durch den Kühlkreislauf fließt.
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Vorzugsweise wird in diesem Fall zumindest der Durchfluss durch den durch die Verbrennungskraftmaschine führenden Teilkreislauf mit der Minimaldurchströmung aufrechterhalten, um eine ausreichende Kühlung der Verbrennungskraftmaschine zu gewährleisten.
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Es wäre möglich, eine abgestufte Reaktion in Abhängigkeit von dem Ort der Kühlmitteltemperaturmessung durchzuführen und z. B. bei einer Überschreitung der Schwelltemperatur am Zylinderkopf nur eine geringe Anzahl von Schaltpositionen für das Drehschieberventil zuzulassen.
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Nach einem dritten Ausführungsbeispiel ist im Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschine eine Kühlmittelpumpe vorgesehen, und das Drehschieberventil wird so angesteuert, dass es sich nur in Schaltpositionen befindet, in denen ein vorbestimmter Minimalfluss von Kühlmittel an der Pumpensaugseite aufrechterhalten wird, wenn ein Kühlmitteldurchfluss durch die Kühlmittelpumpe erfolgt. Diese Maßnahme dient dazu, durch die Zufuhr einer Minimalmenge an Kühlmittel zur Pumpensaugseite Kavitation in der Kühlmittelpumpe zu verhindern, die durch eine unzureichende Versorgung an der Pumpensaugseite auftreten könnte. Das Managementsystem überwacht beispielsweise die Pumpendrehzahl und/oder den Druck auf der Pumpendruckseite und gibt dementsprechend nur diejenigen Schaltpositionen des Drehschieberventils frei, die in dem erwünschten Minimalfluss zur Pumpensaugseite oder einem höheren Fluss resultieren.
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Wenn eine Absperreinheit an der Druckseite der Kühlmittelpumpe vorgesehen ist, wird das Drehschieberventil vorzugsweise so angesteuert, dass es sich nur in Schaltpositionen befindet, in denen der vorbestimmte Minimalfluss von Kühlmittel an der Pumpensaugseite aufrechterhalten wird, wenn die Absperreinheit geöffnet ist. Wird die Absperreinheit auf der Druckseite geschlossen, kann auch die Pumpensaugseite durch dementsprechende Schaltpositionen des Drehschieberventils abgesperrt werden, ohne dass dies negative Folgen hätte.
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Es ist hier nicht entscheidend, ob die Kühlmittelpumpe mechanisch über die Verbrennungskraftmaschine oder elektrisch angetrieben ist. Bei rein mechanischen Kühlmittelpumpen ohne Absperreinheit auf der Druckseite sollte jedoch das Managementsystem dafür sorgen, dass immer ein Minimalfluss zur Pumpensaugseite gegeben ist.
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Zur Optimierung des Kühlsystems einer Verbrennungskraftmaschine ist vorzugsweise ein erfindungsgemäßes Managementsystem vorgesehen. Das Kühlsystem umfasst ein gesteuertes Drehschieberventil mit wenigstens einem geschalteten Ein- oder Ausgang sowie eine Kühlmittelpumpe. Das Managementsystem weist eine Überwachungsvorrichtung für eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine und/oder eine Überwachungsvorrichtung für eine Kühlmitteltemperatur auf. Außerdem ist im Managementsystem eine Steuereinheit zur Ansteuerung des Drehschieberventils vorgesehen, in der eine Ansteuerroutine abgelegt ist, die die vom Drehschieberventil einnehmbaren Schaltpositionen auf vorbestimmte Schaltpositionen begrenzt. Dieses Managementsystem eignet sich zur Durchführung der oben beschriebenen Verfahren und verhindert sicher Fehlfunktionen im Kühlsystem.
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Wenn auf der Druckseite der Kühlmittelpumpe eine Absperreinheit vorgesehen ist, kann deren Sperrzustand vorzugsweise durch das Managementsystem gesteuert werden, wobei vorteilhaft Anforderungen anderer Komponenten an die Absperreinheit durch das Managementsystem übersteuert werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Kühlsystems einer Verbrennungskraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Managementsystem zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform; und
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3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt ein Kühlsystem 10 einer Verbrennungskraftmaschine 12 mit einem Managementsystem 14. Ein Kühlkreislauf des Kühlsystems 10 ist in der Figur nur ausschnittsweise und in schematischer Form dargestellt. Er kann beliebig viele Teilkreisläufe aufweisen, die nach Ermessen des Fachmanns verschaltet sind.
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Im Kühlkreislauf des Kühlsystems 10 ist ein schaltbares Drehschieberventil 16 angeordnet, das in diesem Beispiel drei schaltbare Eingänge 18 aufweist. Ein Ausgang 20 des Drehschieberventils 16 ist hier ungeschaltet. Der Ausgang 20 ist strömungsmäßig mit einer Kühlmittelpumpe 22 verbunden, an deren Druckseite eine Absperreinheit 23 angeordnet ist. Die geschalteten Eingänge 18 des Drehschieberventils 16 sind hier unter anderem mit einem Kühlerrücklauf 24 sowie einer von der Verbrennungskraftmaschine 12 kommenden Bypassleitung 26 verbunden.
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Die Schaltpositionen des Drehschieberventils 16 werden durch einen elektrischen Stellmotor 28 vorgegeben, der mit einer Steuereinheit 30 verbunden ist. Die Steuereinheit 30 gehört zum Managementsystem 14 und ist mit einer Überwachungseinrichtung 32 verbunden, die in diesem Beispiel Temperatursensoren 34, 36 überwacht, die eine Kühlmitteltemperatur in einer zum Fahrzeugkühler führenden Leitung bzw. im Zylinderkopf erfassen. Außerdem überwacht die Überwachungsvorrichtung 32 eine aktuelle Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine 12.
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Im Managementsystem 14 sind Schwellwerte für eine oder mehrere Temperaturen sowie für einen oder mehrere Drehzahlwerte abgelegt. Außerdem ist im Managementsystem 14, hier in der Steuereinheit 30, eine Ansteuerroutine für das Drehschieberventil 16 abgelegt, die nur vorbestimmte Schaltpositionen des Drehschieberventils 16 zulässt und das Anfahren aller anderen Schaltpositionen sperrt.
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Wenn die Kühlmittelpumpe 22 mechanisch angetrieben ist, sodass ihre Drehzahl mit der Motordrehzahl korreliert, wird die Ansteuerroutine in einer ersten Ausführungsform ausgeführt, falls die Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine 12 den Drehzahlschwellwert übersteigt.
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Zur Vermeidung eines Überdrucks im Kühlsystem 10 werden oberhalb der Motordrehzahlschwelle nur noch Schaltpositionen für das Drehschieberventil 16 zugelassen, bei denen wenigstens ein vorbestimmter Strömungsquerschnitt geöffnet ist, der einem akzeptablen maximalen Druckwert in den Leitungen des Kühlsystems 10 entspricht, wobei wenigstens ein Minimaldurchfluss von Kühlmittel durch den Kühlkreislauf stattfindet. Schaltpositionen, bei denen dieser Minimaldurchfluss nicht gegeben wäre, werden durch die Steuereinheit 30 ausgeschlossen, auch wenn andere Fahrzeugkomponenten eine solche Schaltposition anfordern würden.
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Auf diese Weise wird das Kühlsystem 10 stets in Zuständen gehalten, bei denen wenigstens der vorbestimmte Minimaldurchfluss durch die Kühlmittelleitungen strömt.
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In einer Variante wird in der Überwachungsvorrichtung 32 mitprotokolliert, wie oft die aktuelle Motordrehzahl den vorgegebenen Schwellwert überschreitet.
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Sinkt die Motordrehzahl wieder unter den Schwellwert, ohne dass der Zähler eine vorgegebene Höchstanzahl an Überschreitungen übersteigt, wird der gesamte Arbeitsbereich des Drehschieberventils 16 wieder freigegeben, sowohl für Anforderungen des Managementsystems 14 als auch für Anforderungen von anderen Fahrzeugkomponenten.
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Übersteigt dieser Zähler jedoch eine vorgegebene Höchstanzahl, so werden die Schaltzustände des Drehschieberventils dauerhaft bis zum Zurücksetzen des Zählers oder für eine gewisse Zeitspanne auf diejenigen Schaltzustände begrenzt, die den vorgegebenen Mindestdurchfluss zur Folge haben. Das Zurücksetzen des Zählers kann z. B. erfolgen, wenn die Motordrehzahl für eine definierte Zeitdauer auf niedrigere Werte sinkt oder der aktuelle Fahrzyklus beendet und die Verbrennungskraftmaschine für einen längeren Zeitraum abgestellt wird.
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In einer zweiten Ausführungsform wird die Ansteuerroutine ausgeführt, wenn die von den Temperatursensoren 34, 36 erfasste Kühlmitteltemperatur oberhalb einer Kühlmittelschwellwerttemperatur liegt, und der Bereich der vom Drehschieberventil 16 einnehmbaren Schaltpositionen wird auf diejenigen Schaltzustände begrenzt, bei denen der Minimaldurchfluss durch das Kühlsystem 10 und insbesondere ein Minimaldurchfluss durch den Zylinderkopf der Verbrennungskraftmaschine 12 erfolgt, um immer eine ausreichende Kühlleistung für die Verbrennungskraftmaschine 12 bereitzustellen.
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Es ist möglich, mit verschiedenen Schwellwerttemperaturen an unterschiedlichen Temperatursensoren 34, 36 zu arbeiten, die an unterschiedlichen Orten im Kühlsystem 10 angeordnet sind, beispielsweise am Zylinderkopf oder direkt stromabwärts des Zylinderkopfes in einer zum Fahrzeugkühler führenden Kühlmittelleitung, und die Schaltpositionen des Drehschieberventils 16 entsprechend zu beschränken. Es wäre auch möglich, in Reaktion auf das Überschreiten einer spezifischen Schwellwerttemperatur gezielt Schaltzustände auszuschließen, die eine weitere Erhöhung der Temperatur in diesem spezifischen Teilkreislauf des Kühlsystems 10 zur Folge hätten.
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Sinkt die Temperatur an einem oder allen der Temperatursensoren 34, 36 wieder unter die Schwellwerttemperatur, so wird der Arbeitsbereich des Drehschieberventils 16 durch das Managementsystem 14 wieder vollständig freigegeben.
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In einer dritten Ausführungsform steuert die Steuereinheit 30 das Drehschieberventil 16 stets so, dass ein vorbestimmter minimaler Kühlmittelfluss an der Saugseite der Kühlmittelpumpe 22 zur Verfügung steht, wenn Kühlmittel durch die Kühlmittelpumpe 22 gefördert wird. Dies dient dazu, Kavitation an der Pumpensaugseite zu verhindern.
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Ist die Kühlmittelpumpe 22 eine rein mechanische Wasserpumpe und ist keine Absperreinheit 23 auf der Pumpendruckseite vorgesehen, läuft diese Ansteuerroutine ständig.
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Ist eine Absperreinheit 23 auf der Pumpendruckseite vorgesehen, kann der gesamte Arbeitsbereich des Drehschieberventils 16 freigegeben werden, wenn die Absperreinheit 23 geschlossen ist, sodass kein Kühlmittel durch die Kühlmittelpumpe 22 gefördert wird. Sobald jedoch die Absperreinheit 23 geöffnet wird und die Kühlmittelpumpe 22 läuft, wird durch die Steuereinheit 30 das Drehschieberventil 16 nur noch in solchen Schaltpositionen betrieben, die einen minimalen Kühlmittelstrom an der Pumpensaugseite bereitstellen.
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Die beschriebenen Ausführungsformen lassen sich ohne Weiteres im Ermessen des Fachmanns miteinander kombinieren.
