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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, die in einem Kühlmittelkreislauf geschaltet ist, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlmittelpumpe in einem solchen Kraftfahrzeug nach dem Patentanspruch 9.
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Um den Zylinderkopf oder den Motorblock nach einem Kaltstart möglichst schnell sowie ohne Thermoschock aufzuheizen, kann der Kaltstart in die folgenden drei Zeitphasen unterteilt sein: In einer ersten Kaltstartphase (Schließphase) wird das Kühlwasser nicht mittels einer schaltbaren Kühlwasserpumpe umgewälzt, sondern steht das Kühlwasser im Zylinderkopf/Motorblock. Unter einer solchen schaltbaren Kühlwasserpumpe ist eine modifizierte Wasserpumpe mit einer Zusatzmechanik zu verstehen, die die Flügelräder der Wasserturbine temporär mit einem Zylinder umgibt und so die Pumpwirkung der Turbine auf das wenige Wasser innerhalb des Zylinders beschränkt. Eine solche Pumpe wird auch als eine getopfte Kühlmittelpumpe bezeichnet, die vorzugsweise unterdruck- oder hydraulikgesteuert über das Laufrad der Kühlmittelpumpe verstellbar ist, um den Kühlmittelfluss zu unterbrechen oder freizugeben.
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In einer folgenden zweiten Kaltstartphase (Übergangsphase) wird die Kühlmittelpumpe in Zeitintervallen dem Kreislauf alternierend zugeschaltet oder davon abgeschaltet. Auf diese Weise ist am Kühlmitteleintritt und am Kühlmittelaustritt des Zylinderkopfes/Motorblocks ein Thermoschock vermeidbar, bei dem zu heißes Kühlwasser in die angrenzende kalte Umgebung abgeführt wird oder umgekehrt zu kaltes Kühlwasser in den Zylinderkopf/Motorblock eingeführt wird. In der abschließenden dritten Kaltstartphase (Offenphase) bleibt die Kühlmittelpumpe durchgängig zugeschaltet.
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Eine derartige gattungsgemäße Pumpenansteuerung ist aus der
DE 10 2010 035 366 B4 bekannt, bei der die Kühlmittelpumpe zusammen mit einem Temperatursensor und einem Steuergerät in einem Regelkreis eingebunden ist. Mit dem Steuergerät ist eine Brennkraftmaschinen-Isttemperatur beim Kaltstart bis auf eine Regelschwelle regelbar. Die Regelung erfolgt durch ein Abschalten der Kühlmittelpumpe (d.h. „stehendes Kühlwasser“), wodurch die Brennkraftmaschinen-Isttemperatur aufgrund der in der Brennkraftmaschine erzeugten Wärmeleistung ansteigt, und durch ein Zuschalten der Kühlmittelpumpe (d.h. „strömendes Kühlwasser“), wodurch die Brennkraftmaschinen-Isttemperatur aufgrund der vom Kühlmittelkreislauf eingetragenen Kühlleistung sinkt.
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In der obigen
DE 10 2010 035 366 B4 erfolgt die Zu- und Abschaltung der schaltbaren Kühlmittelpumpe in fest vorgegebenen Taktzeiten sowie mit einer vordefinierten Anzahl von Zuschalt- und Abschalt-Intervallen. Die beim Kaltstart tatsächlich in der Brennkraftmaschine generierte Wärmeleistung sowie die aktuelle Kühlleistung des Kühlkreislaufes bleiben in diesem Fall unberücksichtigt. Ein übermäßig großer Wärmeeintrag, zum Beispiel aufgrund einer übermäßig starken fahrerseitigen Gaspedal-Betätigung beim Kaltstart, ist daher nicht durch eine zeitliche Verlängerung des Zuschalt-Zeitintervalls (d.h. durch eine vergrößerte Kühlleistung) kompensierbar. Umgekehrt führt eine übermäßig starke fahrerseitige Reduzierung des Motormoments während des Kaltstarts zu einer stark reduzierten, von der Brennkraftmaschine generierten Wärmeleistung. In diesem Fall ist die im Zuschalt-Intervall bereitgestellte Kühlleistung zu groß, wodurch der Zylinderkopf/Motorblock zu stark abkühlt. Dieser Sachverhalt führt bei der Regelung zu übermäßig großen Überschwingern, d.h. einer nur geringen Regelgüte.
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Aus der
DE 10 2008 016 811 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose einer Kühlmittelpumpe für eine Brennkraftmaschine bekannt. Aus der
DE 103 51 148 A1 ist eine Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlmittelpumpe in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei dem während des Kaltstarts eine Pumpenansteuerung mit hoher Regelgüte (d.h. mit verbessertem Überschwingverhalten) ermöglicht ist, ohne dass es am Wassereintritt oder am Wasseraustritt der Brennkraftmaschine zu einem Thermoschock kommt.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 oder des Patentanspruches 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass es bei fest vorgegebenen Taktzeiten sowie bei einer vordefinierten Anzahl von Zuschalt- und Abschalt-Intervallen im Extremfall beim Kaltstart zu einer nachteiligen Abkühlung oder Überhitzung der Brennkraftmaschine kommen kann. Vor diesem Hintergrund ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 die schaltbare Kühlmittelpumpe beim Fahrzeug-Kaltstart keinen fest vorgegebenen Taktzeiten sowie keiner vordefinierten Anzahl von Zuschalt- und Abschalt-Intervallen unterworfen, sondern werden diese bedarfsgerecht geregelt. Hierzu weist das Steuergerät zur Ermittlung der Länge des Zuschalt- und/oder Abschalt-Zeitintervalls eine Auswerteeinheit auf, mittels der auf der Grundlage der in der Brennkraftmaschine erzeugten Wärmeleistung und der vom Kühlmittelkreislauf eingetragenen Kühlleistung zumindest das Zuschalt-Zeitintervall ermittelbar ist. Eine starke Erhöhung/Reduzierung des Wärmeeintrags während des Kaltstarts (zum Beispiel aufgrund einer Gaspedal-Betätigung des Fahrers) kann somit durch entsprechend angepasste Zuschalt-Zeitintervalle, in denen die Kühlmittelpumpe dem Kühlmittelkreislauf zugeschaltet ist, ausgeglichen werden. Auf diese Weise wird die Brennkraftmaschinen-Isttemperatur mit einer im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verbesserten Regelgüte auf die vorgegebene Regelschwelle geregelt, ohne dass es zu Thermoschocks kommt und ohne dass es zu großen Überschwingern im zeitlichen Verlauf der Brennkraftmaschinen-Isttemperatur kommt.
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Erfindungsgemäß endet zumindest bei einem, in der Kaltstartphase erstmaligen Überschreiten der Regelschwelle ein Abschalt-Zeitintervall und schaltet das Steuergerät die Kühlmittelpumpe über ein Zuschalt-Zeitintervall zu. Durch Ermittlung der während des Zuschalt-Zeitintervalls eingetragenen Kühlleistung sowie der in der Brennkraftmaschine erzeugten Wärmeleistung erfolgt eine Abschätzung darüber, wie lange das Zuschalt-Zeitintervall andauern soll, um die Brennkraftmaschinen-Isttemperatur auf die Regelschwelle zu regeln.
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Eine einfache sowie möglichst verzögerungsfreie Ermittlung der in der Brennkraftmaschine erzeugten Wärmeleistung und der vom Kühlmittelkreislauf erzeugten Kühlleistung ist von hoher Relevanz für die Regelgüte. In einer mess- oder sensortechnisch besonders vorteilhaften Weise kann die in der Brennkraftmaschine erzeugte Wärmeleistung auf der Grundlage eines sensorisch erfassten Ist-Motormomentes sowie einer sensorisch erfassten Ist-Motor-Drehzahl bzw. damit korrelierender Parameter in der Auswerteeinheit ermittelt werden.
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In bekannter Weise kann die Antriebswelle der Kühlmittelpumpe über einen Riementrieb mit einer Motorwelle der Brennkraftmaschine trieblich verbunden sein. Die Motordrehzahl und die Kühlmittelpumpen-Drehzahl korrelieren daher linear zueinander. In diesem Fall kann auf der Grundlage der Motordrehzahl, der Brennkraftmaschinen-Isttemperatur sowie der Kühlmittel-Isttemperatur eine Kühlleistung während eines Zuschalt-Zeitintervalls (das heißt bei zugeschalteter Kühlmittelpumpe) ermittelt werden.
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Dabei wird speziell die seit dem letzten Öffnungszeitpunkt der Kühlmittelpumpe eingetragene Kühlleistung erfasst (Leistungsintegral). Über die ebenfalls integrierte Motorleistung kann abgeleitet werden, wie viel Temperatur in der Brennkraftmaschine abgespeichert wurde.
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Über die Förderleistung der Wasserpumpe kann abgeschätzt werden, wie lange die Kühlmittelpumpe offen bleiben muss, um die Brennkraftmaschine ausreichend mit kaltem Kühlmittel zu durchspülen.
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Während der Öffnungszeit der Wasserpumpe (d.h. Zuschalt-Zeitintervall) wird warmes Wasser in den Kühlmittelkreislauf gespeist und kaltes Kühlmittel in die Brennkraftmaschine eingetragen. Das Abkühlpotential des einströmenden Kühlmittels kann anhand eines Temperaturniveaus im Kühlmittelkreislauf abgeschätzt werden (zum Beispiel über einen Zylinderkopf-Temperatursensor).
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Die Schließzeit (d.h. Abschalt-Zeitintervall) der Kühlmittelpumpe endet spätestens dann, wenn die zum Beispiel von einem Zylinderkopf-Temperatursensor erfasste Brennkraftmaschinen-Isttemperatur eine Regelschwelle erreicht. Um zu große Überschwinger aufgrund von Latenzzeiten des Temperatursensors zu vermeiden, kann die Regelschwelle durch die integrierte Motorleistung während der geschlossenen Kühlmittelpumpe reduziert werden, so dass das Öffnen der geschalteten Wasserpumpe zeitlich früher erfolgt.
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Zur Steigerung der Regelgüte ist es vorteilhaft, wenn nicht nur das Zuschalt-Zeitintervall, sondern auch das Abschalt-Zeitintervall zeitlich anpassbar ist. Für eine einfache Anpassung des Abschalt-Zeitintervalls kann die Regelschwelle in Abhängigkeit von der in der Brennkraftmaschine erzeugten Wärmeleistung variiert werden. D.h. dass exemplarisch bei einer hohen Wärmeleistung der Brennkraftmaschine das Steuergerät die Regelschwelle reduzieren kann, und zwar unter gleichzeitiger automatischer Reduzierung des Abschalt-Zeitintervalls. Demgegenüber ist bei einer niedrigen Wärmeleistung die Regelschwelle erhöhbar, und zwar unter gleichzeitiger automatischer Verlängerung der Reduzierung des Abschalt-Zeitintervalls.
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Der Kaltstart kann bevorzugt in drei Phasen unterteilt sein, nämlich in eine Geschlossenphase, in der die Kühlmittelpumpe durchgängig geschlossen ist, das heißt kein Kühlmittel gefördert wird. Die Geschlossenphase dauert solange an, bis die Brennkraftmaschinen-Isttemperatur die Regelschwelle erreicht hat. In der folgenden Kaltstart-Übergangsphase kann die Kühlmittelpumpe mit Hilfe des Steuergerätes über Zuschalt-Zeitintervalle zugeschaltet und über Abschalt-Zeitintervalle abgeschaltet werden, um einen Temperaturschock am Wassereintritt und am Wasseraustritt der Brennkraftmaschine zu vermeiden. In einer abschließenden Kaltstart-Offenphase ist die schaltbare Kühlmittelpumpe durchgängig zugeschaltet.
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Der Kühlmittelkreislauf kann in einer technischen Ausführung zusätzlich einen Luftkühler aufweisen, der in Reihe zu der Kühlmittelpumpe und zu der Brennkraftmaschine geschaltet ist. Der Luftkühler kann mit einer parallel geschalteten Bypassleitung überbrückbar sein. Mittels eines vom Steuergerät umschaltbaren Schaltventils kann die Bypassleitung oder die Luftkühler-Leitung stillgelegt werden. Bei Durchführung eines Kaltstarts ist bevorzugt die Luftkühler-Leitung stillgelegt, wodurch eine Abkühlung des Kühlmittels aufgrund des durchströmenden Fahrtwindes verhindert ist.
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Zur Vermeidung eines Thermoschocks ist es bevorzugt, wenn im Kaltstart, und zwar insbesondere in dessen Übergangsphase, die alternierend aufeinanderfolgenden Zuschalt- und Abschalt-Zeitintervalle mit fortlaufender Betriebsdauer zeitlich länger werden, um einen moderaten Temperaturübergang am Wassereintritt und am Wasseraustritt der Brennkraftmaschine zu erzielen.
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Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können - außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen - einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.
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Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 in einem schematischen Blockschaltdiagramm einen Kühlmittelkreislauf in einem Kraftfahrzeug sowie einen Regelkreis zur Ansteuerung der in den Kühlmittelkreislauf angeordneten schaltbaren Kühlmittelpumpe;
- 2 in einem Blockschaltdiagramm die Programmbausteine einer Auswerteeinheit eines im Regelkreis integrierten Steuergerätes; und
- 3 ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Brennkraftmaschinen-Isttemperatur, der Kühlmittel-Isttemperatur sowie die Kühlmittelpumpen-Ansteuerung zeigt.
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In der 1 ist ein Kühlmittelkreislauf in einem Kraftfahrzeug angedeutet, in dem eine Brennkraftmaschine 1 sowie eine trieblich mit der Brennkraftmaschine 1 verbundene schaltbare Kühlmittelpumpe 3 angeordnet sind. Der Kühlmittelkreislauf weist zudem einen Luftkühler 5 auf, der in Reihe zur Brennkraftmaschine 1 und zur Kühlmittelpumpe 3 geschaltet ist und mit einer parallel dazu verlaufenden Bypassleitung 7 überbrückbar ist. Die Bypassleitung 7 oder die Luftkühler-Leitung 9 können alternierend mittels eines von einem Steuergerät 11 umschaltbaren Schaltventils 13 entweder stillgelegt oder freigeschaltet werden.
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Wie aus der 1 weiter hervorgeht, sind die schaltbare Kühlmittelpumpe 3 sowie das Umschaltventil 13 zusammen mit dem Steuergerät 11 in einem Regelkreis R eingebunden, mit dem bei einem Kaltstart eine Brennkraftmaschinen-Isttemperatur TBKM bis auf einen Sollwert TS (nachfolgend als Regelschwelle bezeichnet) regelbar ist. Die Brennkraftmaschinen-Isttemperatur TBKM wird in der 1 mittels eines Temperatursensors 15 erfasst, der in der Brennkraftmaschine 1 integriert ist. Zudem ist an der Kühlmittel-Auslassseite der Brennkraftmaschine 1 ein Temperatursensor 17 bereitgestellt, der eine Kühlmittel-Temperatur TKM erfasst.
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Die Temperatursensoren 15, 17 sind in der 1 in Signalverbindung mit einer Auswerteeinheit 19, mittels der auf der Grundlage weiterer Betriebsparameter, nämlich dem Motormoment Mmot und der Motor-Drehzahl nmot, zumindest ein Zuschalt-Zeitintervall Δtein und zumindest ein Abschalt-Zeitintervall Δtaus der schaltbaren Kühlmittelpumpe 3 ermittelt und diese zum Steuergerät 11 weitergeleitet werden, mit dem die Kühlmittelpumpe 3 entsprechend ansteuerbar ist. Im Abschalt-Zeitintervall Δtaus ist die Kühlmittelpumpe 3 vom Kühlmittelkreislauf abgeschaltet, wodurch die Brennkraftmaschinen-Isttemperatur TBKM aufgrund der in der Brennkraftmaschine 1 erzeugten Wärmeleistung Q̊Wärme ansteigt. Im Zuschalt-Zeitintervall Δtein ist die Kühlmittelpumpe 3 zugeschaltet, wodurch die Brennkraftmaschinen-Isttemperatur TBKM aufgrund der vom Kühlmittelkreislauf beigetragenen Kühlleistung Q̊Kühl sinkt.
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In der 2 sind exemplarisch die Programmbausteine der Auswerteeinheit 19 zur Ermittlung des Zuschalt-Zeitintervalls Δtein und des Abschalt-Zeitintervalls Δtaus gezeigt. Wie aus der 2 hervorgeht, weist die Auswerteeinheit 19 einen Vergleicherbaustein 21 auf, in dem ermittelt wird, ob die Brennkraftmaschinen-Isttemperatur TBKM größer ist als die Regelschwelle TS.
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Falls nein, wird in der Auswerteeinheit 19 ein Signal Δtaus generiert und zum Steuergerät 11 weitergeleitet. Das heißt dass die Kühlmittelpumpe 3 abgeschaltet bleibt. Falls ja, d.h. die Brennkraftmaschinen-Isttemperatur TBKM hat die Regelschwelle TS überschritten, wird ein Programmbaustein 23 aktiviert, in dem ein Zuschalt-Zeitintervall Δtein ermittelbar ist. Hierzu weist der Programmbaustein 23 eine Einheit 25 auf, in der auf der Grundlage des Motormoments Mmot und der Motordrehzahl nmot eine während des Zuschalt-Zeitintervalls Δtein eingetragene Wärmeleistung Q̊̇Wärme berechnet wird. Zudem ist eine Einheit 27 integriert, in der eine vom Kühlmittelkreislauf abgegebene Kühlleistung Q̊Kühl ermittelt wird, und zwar auf der Grundlage der vom Sensor 17 erfassten Kühlmitteltemperatur TKM, der Motordrehzahl nmot und der Brennkraftmaschinen-Isttemperatur TBKM. Anhand der motorseitig eingetragenen Wärme Q̊Wärme und der vom Kühlmittelkreislauf eingetragenen Kühlleistung Q̊Kühl wird in einer weiteren Einheit 28 die zeitliche Länge des Zuschalt-Zeitintervalls Δtein ermittelt und ein entsprechendes Signal zum Steuergerät 11 weitergeleitet.
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In dem Programmbaustein 23 ist zudem eine Kühlmitteltemperatur-Konstanzeinheit 29 vorgesehen, mittels der erfassbar ist, ob die Kühlmitteltemperatur TKM in etwa konstant ist (das heißt eingeschwungen ist). Erst bei Vorliegen einer im Wesentlichen konstanten Kühlmitteltemperatur TKM erzeugt der Programmbaustein 30 ein Freigabesignal SFreigabe, mit dem eine Berechnung der Kühlleistung Q̊Kühl in der Einheit 27 freigegeben wird.
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Wie oben erwähnt, wird bei einem Überschreiten der Regelschwelle TS die Kühlmittelpumpe 3 über das Zuschalt-Zeitintervall Δtein zugeschaltet. Um zu große Überschwinger aufgrund hoher Latenzzeiten der Temperatursensoren 15, 17 zu vermeiden, ist in der 2 die Regelschwelle TS nicht starr festgelegt. Vielmehr ist die Regelschwelle Ts in einem Programmbaustein 30 in Abhängigkeit von der in der Brennkraftmaschine 1 erzeugten Wärmeleistung ̇Q̊Wärme variierbar. Auf diese Weise kann insbesondere bei einer sehr hohen Wärmeleistung ̇Q̊wärme das Steuergerät 11 die Regelschwelle TS reduzieren (d.h. das Abschalt-Zeitintervall Δtaus zeitlich verkürzen), um nachteilige Überschwinger im zeitlichen Verlauf der Brennkraftmaschinen-Isttemperatur TBKM zu vermeiden. Umgekehrt kann bei sehr niedriger Wärmeleistung Q̊Wärme das Steuergerät 11 die Regelschwelle TS erhöhen (das heißt das Abschalt-Zeitintervall Δtaus zeitlich verlängern).
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Anhand der 3 ist in einem Diagramm der Kaltstart des Kraftfahrzeugs wiedergegeben, und zwar mittels der zeitlichen Verläufe der Brennkraft maschinen-Isttemperatur TBKM, der Kühlmittel-Isttemperatur TKM sowie der Zuschalt- und Abschalt-Zeitintervalle Δtein, Δtaus der Kühlmittelpumpe 3. Demzufolge ist der Kaltstart in drei aufeinanderfolgende Startphasen I, II und III aufgeteilt. In der Geschlossenphase I ist die Kühlmittelpumpe 3 durchgängig abgeschaltet, und zwar solange, bis die Brennkraftmaschinen-Isttemperatur TBKM die Regelschwelle Ts erreicht. Mit dem Erreichen der Regelschwelle folgt die Übergangsphase II, in der die Kühlmittelpumpe 3 in Zuschalt-Zeitintervallen Δtein1, Δtein2, Δtein3, Δtein4 zugeschaltet ist und in Abschalt-Zeitintervallen Δtaus1, Δtaus2, Δtaus3, Δtaus4 abgeschaltet ist. In der abschließenden Offen-Phase III ist die Kühlmittelpumpe 3 durchgängig zugeschaltet. Während des Kaltstarts ist zudem die Luftkühler-Leitung 9 stillgelegt und die Bypassleitung 7 freigeschaltet.
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Wie aus der 3 hervorgeht, weist die Übergangsphase II insgesamt vier Zuschalt-Zeitintervalle Δtein1, Δtein2, Δtein3, Δtein4 auf, die mit fortlaufender Betriebsdauer zeitlich länger werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 3
- Kühlmittelpumpe
- 5
- Luftkühler
- 7
- Bypassleitung
- 9
- Luftkühler-Leitung
- 11
- Steuergerät
- 13
- Schaltventil
- 15, 17
- Temperatursensor
- 19
- Auswerteeinheit
- 21
- Vergleicherbaustein
- 23
- Programmbaustein
- 25, 27
- Einheiten
- 29
- Kühlmitteltemperatur-Konstanzeinheit
- 30
- Programmbaustein
- TBKM
- Brennkraftmaschinen-Isttemperatur
- TS
- Sollwert
- TKM
- Kühlmittel-Temperatur
- Mmot
- Motormoment
- Nmot
- Motor-Drehzahl
- Δtein
- Zuschalt-Zeitintervall
- Δtaus
- Abschalt-Zeitintervall
- Q̇wärme
- Wärmeleistung
- Q̇Kühl
- Kühlleistung
- SFreigabe
- Freigabesignal
- I, II, III
- Startphasen
