DE102016106068A1

DE102016106068A1 - Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Kühlmediums im Vorlauf eines Wärmeübertragers

Info

Publication number: DE102016106068A1
Application number: DE102016106068.2A
Authority: DE
Inventors: Alexander Herzog
Original assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Current assignee: IAV GmbH Ingenieurgesellschaft Auto und Verkehr
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2016-04-04
Publication date: 2017-10-05

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bestimmung der Temperatur eines Kühlmediums im Vorlauf eines Wärmeübertragers möglichst kostensparend, präzise und geeignet für eine Steuergeräteanwendung in der Serie zu gestalten. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (TK,us) eines Kühlmediums im Vorlauf eines Wärmeübertragers, d. h. bei Eintritt in den Wärmeübertrager, der von einem Kühlmedium und einem zu kühlenden Medium durchströmt wird, in Abhängigkeit der Temperatur (TG,us) des zu kühlenden Mediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager, der Temperatur (TG,ds) des zu kühlenden Mediums bei Austritt aus dem Wärmeübertrager, d. h. des gekühlten Mediums, sowie des Massenstroms (ṁG) des zu kühlenden Mediums und des Massenstroms (ṁK) an Kühlmedium bestimmt wird. Erfindungsgemäß wird dazu die dimensionslose Temperaturänderung (P) herangezogen. Die dimensionslose Temperaturänderung (P) beschreibt das Verhältnis der Differenz zwischen der Temperatur (TG,us) des zu kühlenden Mediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager und der Temperatur (TG,ds) des zu kühlenden Mediums/gekühlten Mediums bei Austritt aus dem Wärmeübertrager und der Differenz zwischen der Temperatur (TG,us) des zu kühlenden Mediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager und der Temperatur (TK,us) des Kühlmediums im Vorlauf des Wärmeübertragers, d. h. bei Eintritt in den Wärmeübertrager. Erfindungsgemäß wird eine Beziehung zwischen der dimensionslosen Temperaturänderung (P) und dem Massenstrom (ṁG) des zu kühlenden Mediums und dem Massenstrom (ṁK) des Kühlmediums gebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines Kühlmediums im Vorlauf eines Wärmeübertragers gemäß den Patentansprüchen.
Zur Regelung der Kühlung mittels eines Wärmeübertragers ist es bekannt, die Temperatur des Kühlmediums im Vorlauf des Wärmeübertragers mittels eines Sensors zu erfassen. Beispielsweise weist eine Brennkraftmaschine zur Kühlung der mittels eines Verdichters komprimierten Luft, die den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird, stromab des Verdichters einen so genannten Ladeluftkühler auf. Dieser Ladeluftkühler kann derart ausgeführt sein, dass die verdichtete Luft thermisch mit einer zirkulierenden Kühlflüssigkeit in Kontakt steht. D. h. der Wärmeübertrager wird einerseits von einer Kühlflüssigkeit und andererseits von der zu kühlenden Luft durchströmt. Für eine Regelung der Kühlung ist dabei ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur der Kühlflüssigkeit im Kühlmittelvorlauf, d. h. stromauf des Wärmeübertragers angeordnet. Wie bekannt, sind Temperatursensoren kostenintensiv. Der Verzicht auf eine Erfassung der Temperatur der Kühlflüssigkeit im Kühlmittelvorlauf hat jedoch Beeinträchtigungen der Regelgüte zur Folge.
Beispielsweise gemäß dem Dokument DE 10 2005 055 333 A1 ist zur Überwachung eines Ladeluftkühlers beim Betrieb einer Brennkraftmaschine das Verfahren bekannt, den Wärmeübertrager in mehrere Zellen zu unterteilen und für jede einzelne Zelle Zustandsgrößen zu bestimmen. Es handelt sich dabei um eine iterative Methode, die sehr wahrscheinlich eine hohe Genauigkeit aufweist, die in mehreren Schritten rechnet und somit infolge hoher Rechenzeiten eher ungeeignet für eine Steuergeräteanwendung in der Serie ist. Zudem erfordert dieses Verfahren die Kenntnis der effektiven Fläche des Wärmeübertragers und dessen Wärmedurchgangskoeffizient. Ferner ist es notwendig, die ab- und zugeführten Wärmeströme zu berechnen. Es handelt sich hierbei folglich um eine wissenschaftlich exakte Methode. Gleichwohl erscheint diese Methode für eine einfache Steuergeräteanwendung eher ungeeignet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bestimmung der Temperatur eines Kühlmediums im Vorlauf eines Wärmeübertragers möglichst kostensparend, präzise und geeignet für eine Steuergeräteanwendung in der Serie zu gestalten.
Diese Aufgabe wird mittels eines Verfahrens mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur eines Kühlmediums im Vorlauf eines Wärmeübertragers, d. h. bei Eintritt in den Wärmeübertrager, der von einem Kühlmedium und einem zu kühlenden Medium durchströmt wird, in Abhängigkeit der Temperatur des zu kühlenden Mediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager, der Temperatur des zu kühlenden Mediums bei Austritt aus dem Wärmeübertrager, d. h. des gekühlten Mediums, sowie des Massenstroms des zu kühlenden Mediums und des Massenstroms an Kühlmedium bestimmt wird.
Erfindungsgemäß wird dazu die dimensionslose Temperaturänderung herangezogen bzw. verwendet.
Die dimensionslose Temperaturänderung beschreibt das Verhältnis der Differenz zwischen der Temperatur des zu kühlenden Mediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager und der Temperatur des zu kühlenden Mediums/gekühlten Mediums bei Austritt aus dem Wärmeübertrager und der Differenz zwischen der Temperatur des zu kühlenden Mediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager und der Temperatur des Kühlmediums im Vorlauf des Wärmeübertragers, d. h. bei Eintritt in den Wärmeübertrager.
Erfindungsgemäß wird eine Beziehung zwischen der dimensionslosen Temperaturänderung und dem Massenstrom des zu kühlenden Mediums und dem Massenstrom des Kühlmediums gebildet. D. h. die dimensionslose Temperaturänderung wird erfindungsgemäß durch andere geeignete bzw. verfügbare Größen ausgedrückt, so dass die dimensionslose Temperaturänderung eine bekannte Größe/Variable ist. Erfindungsgemäß wird die dimensionslose Temperaturänderung als Funktion des Massenstroms des zu kühlenden Mediums und des Massenstroms des Kühlmediums ausgedrückt.
Noch anders gesagt, wird erfindungsgemäß die dimensionslose Temperaturänderung – beispielsweise mittels eines Kennfeldes – in Abhängigkeit der beiden Eingangsgrößen Massenstrom des zu kühlenden Mediums und Massenstrom des Kühlmediums abgebildet. D. h. den zwei Funktionsargumenten (Massenstrom des zu kühlenden Mediums und Massenstrom des Kühlmediums) wird der Funktionswert (dimensionslose Temperaturänderung) zugeordnet.
Diese Abhängigkeit bzw. Zuordnung zwischen den genannten Mengen wird beispielsweise experimentell bzw. im Versuch ermittelt.
Jedenfalls ist es erfindungsgemäß möglich, die Temperatur des Kühlmediums im Vorlauf des Wärmeübertragers anhand der somit bekannten Größen durch einfache Rechenoperationen (Subtraktion, Division, Filterung) zu bestimmen, was eine Steuergeräteanwendung in der Serie gut möglich macht.
Von Vorteil ist es weiterhin, dass ein Ausrollen des erfindungsgemäßen Verfahrens in die Serie einfach möglich ist, da nur wenige funktionale Zusammenhänge geknüpft werden müssen und nur ein Kennfeld bereitgestellt werden muss. Insbesondere bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler ist die Güte des Modellansatzes hoch, da der Ladeluftkühler kompakt ist.
Denkbar ist es, das erfindungsgemäße Verfahren derart zu erweitern, dass in Abhängigkeit des Kühlmittelmassenstroms, insbesondere wenn dieser eine gewisse Schwelle unterschreitet, auf ein (reines) Wärmeleitungsmodell umgeschaltet wird, wobei gegebenenfalls ein Zwischenbereich vorgesehen wird, in dem ein bestimmter Prozentsatz aus der Wärmeleitung und ein bestimmter Prozentsatz aus der dimensionslosen Temperaturänderung berechnet wird. Wärmeleitungsmodelle sind dem Fachmann gemäß dem Stand der Technik hinreichend bekannt.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind der folgenden detaillierten Beschreibung zu entnehmen.
1 zeigt einen Wärmeübertrager. Der Wärmeübertrager, auch als Wärmetauscher bezeichnet, ist insbesondere ein Ladeluftkühler. Ein Ladeluftkühler ist Bestandteil einer aufgeladenen Brennkraftmaschine. Eine solche Brennkraftmaschine weist zur Kühlung der mittels eines Verdichters komprimierten Luft, die den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird, stromab des Verdichters, einen derartigen Ladeluftkühler auf. Dieser Ladeluftkühler ist so ausgeführt, dass die verdichtete Luft thermisch mit einer zirkulierenden Kühlflüssigkeit in Kontakt steht. D. h. der Wärmeübertrager wird einerseits von einer Kühlflüssigkeit (oder einem gasförmigen Kühlmedium) und andererseits von der zu kühlenden Luft durchströmt.
Die verdichtete Luft wird dem Wärmeübertrager mit einer Temperatur T_G,us zugeführt. Insbesondere wird dem Wärmeübertrager ein Massenstrom ṁ_G an verdichteter Luft mit einer Temperatur T_G,us zugeführt. Dieser Massenstrom ṁ_G an verdichteter Luft wird wiederum von dem Wärmeübertrager mit einer Temperatur T_G,ds abgeführt. Dem Wärmeübertrager wird weiterhin ein Kühlmedium, beispielsweise eine Kühlflüssigkeit, mit einer Temperatur T_K,us zugeführt. Insbesondere wird dem Wärmeübertrager ein Massenstrom ṁ_K an Kühlmedium mit einer Temperatur T_K,us zugeführt. Anstelle des Massestromes kann natürlich auch der Mengen- bzw. Volumenstrom betrachtet werden.
Wie allgemein bekannt, wird die in der verdichteten Luft, d. h. die in dem zu kühlenden Medium enthaltene Wärme auf das Kühlmedium übertragen, so dass die Temperatur T_G,ds der Luft bei Austritt aus dem Wärmeübertrager niedriger ist, als die Temperatur T_G,us beim Eintritt in den Wärmeübertrager und die Temperatur T_K,ds des Kühlmediums beim Austritt aus dem Wärmeübertrager höher ist, als die Temperatur T_K,us beim Eintritt in den Wärmeübertrager.
Erfindungsgemäß wird die Temperatur T_K,us im Kühlmittelvorlauf bzw. stromauf des Wärmeübertragers, d. h. die Temperatur T_K vor Eintritt in den Wärmeübertrager, nicht mittels eines Temperatursensors erfasst bzw. bestimmt. Vielmehr wird die Temperatur T_K,us bei Eintritt in den Wärmeübertrager in Abhängigkeit der Temperatur T_G,us des zu kühlenden Mediums, also der verdichteten Luft beim Eintritt in den Wärmeübertrager, der Temperatur T_G,ds der verdichteten Luft bei Austritt aus dem Wärmeübertrager sowie des Massenstroms ṁ_G an verdichteter Luft und des Massenstroms ṁ_K an Kühlmedium, das in dem Kühlkreislauf zirkuliert, bestimmt. Insbesondere die gegenüber Gastemperaturen hohe Trägheit der Temperaturentwicklung von Flüssigkeiten ermöglicht es hierbei auch im transienten Betrieb eine hohe Modellierungsgüte zu erreichen. Begründet wird dieser Sachverhalt durch das viel niedrigere mittlere Geschwindigkeitsquadrat der Flüssigkeitsmoleküle in der Kühlflüssigkeit gegenüber den Gasmolekülen.
Erfindungsgemäß wird die dimensionslose Temperaturänderung P herangezogen bzw. genutzt. Angewendet auf den beschriebenen Wärmeübertrager lautet die dimensionslose Temperaturänderung
Erfindungsgemäß wird die dimensionslose Temperaturänderung P durch andere geeignete Größen beschrieben, nämlich anhand des Massenstroms ṁ_G an verdichteter Luft, die den Wärmeübertrager durchströmt und des Massenstroms ṁ_K an Kühlmedium, das den Wärmeübertrager durchströmt, so dass in Kenntnis der Temperatur T_G,us des zu kühlenden Mediums, also der verdichteten Luft beim Eintritt in den Wärmeübertrager, der Temperatur T_G,ds der verdichteten Luft bei Austritt aus dem Wärmeübertrager sowie in Kenntnis des Massenstroms ṁ_G an verdichteter Luft und des Massenstroms ṁ_K an Kühlmedium die Temperatur T_K,us bei Eintritt in den Wärmeübertrager bestimmt werden kann. D. h. es wurde erkannt, dass die dimensionslose Temperaturänderung P in sehr guter Approximation als Funktion des Massenstroms ṁ_G an verdichteter Luft und des Massenstroms ṁ_K an Kühlmedium ausgedrückt werden kann.
Die Temperatur T_G,ds der verdichteten Luft bei Austritt aus dem Wärmeübertrager wird mittels eines Temperatursensors bestimmt bzw. erfasst, d. h. es wird das Signal des vorhandenen Saugrohremperatursensors der Brennkraftmaschine verwendet.
Die Temperatur T_G,us des zu kühlenden Mediums, also der verdichteten Luft beim Eintritt in den Wärmeübertrager, wird entweder mittels eines weiteren Temperatursensors, der stromab des Verdichters/stromauf des Wärmeübertragers im Luftpfad der Brennkraftmaschine angeordnet ist, bestimmt bzw. erfasst oder modelliert, beispielsweise anhand der dem Fachmann aus der Thermodynamik hinreichend bekannten Zusammenhänge, insbesondere betreffend polytrope Zustandsänderungen. Der Massenstrom ṁ_G an verdichteter Luft wird beispielsweise mittels eines bekannten Luftmassenmessers bestimmt bzw. erfasst, der insbesondere stromauf des Verdichters angeordnet ist. Zusätzliche Gasmassenströme, z. B. aufgrund von Abgasrückführung werden implizit durch Bilanzierungsgleichungen beschrieben und sind standardmäßig im Steuergerät abgelegt. Der Massenstrom ṁ_K an Kühlmedium wird beispielsweise anhand eines Modells einer Kühlmittelpumpe (in 1 nicht gezeigt) bestimmt oder messtechnisch erfasst. Der Zusammenhang P = f(ṁ_G, ṁ_K) wird beispielsweise als Tabelle/Kennfeld in einem Seriensteuergerät gespeichert. Jedenfalls können alle zur erfindungsgemäßen Bestimmung der Temperatur T_K,us des Kühlmediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager notwendigen Größen mittels eines serienmäßigen Steuergerätes bereitgestellt werden.
Die Bestimmung der Temperatur T_K,us des Kühlmittels bei Eintritt in den Wärmeübertrager erfolgt dann anhand des Zusammenhanges
Die Temperatur T_K,us des Kühlmediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager kann nun als Regelgröße herangezogen werden, wie gemäß dem Stand der Technik bekannt, so dass eine Regelung der Kühlung mittels des Wärmeübertragers durchgeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005055333 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Temperatur (T_K,us) eines Kühlmediums im Vorlauf eines Wärmeübertragers, der von einem Kühlmedium und einem zu kühlenden Medium durchströmt wird, wobei die dimensionslose Temperaturänderung (P) herangezogen wird, wobei die dimensionslose Temperaturänderung (P) das Verhältnis der Differenz zwischen der Temperatur (T_G,us) des zu kühlenden Mediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager und der Temperatur (T_G,ds) des gekühlten Mediums bei Austritt aus dem Wärmeübertrager und der Differenz zwischen der Temperatur (T_G,us) des zu kühlenden Mediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager und der Temperatur (T_K,us) des Kühlmediums im Vorlauf des Wärmeübertragers beschreibt, wobei eine Beziehung zwischen der dimensionslosen Temperaturänderung (P) und dem Massenstrom (ṁ_G) des zu kühlenden Mediums und dem Massenstrom (ṁ_K) des Kühlmediums gebildet wird, wobei in Abhängigkeit der Temperatur (T_G,us) des zu kühlenden Mediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager, der Temperatur (T_G,ds) des gekühlten Mediums bei Austritt aus dem Wärmeübertrager, des Massenstroms (ṁ_G) des zu kühlenden Mediums und des Massenstroms (ṁ_K) an Kühlmedium, eine Bestimmung der Temperatur (T_K,us) des Kühlmediums im Vorlauf des Wärmeübertragers erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei die dimensionslose Temperaturänderung (P) mittels eines Kennfeldes in Abhängigkeit des Massenstroms (ṁ_G) des zu kühlenden Mediums und des Massenstroms (ṁ_K) des Kühlmediums abgebildet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei die Zuordnung zwischen den Mengen (P, ṁ_G, ṁ_K) experimentell ermittelt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, 2 oder 3, wobei der Wärmeübertrager der Ladeluftkühler einer aufgeladenen Brennkraftmaschine ist.
Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei die Temperatur (T_G,us) des zu kühlenden Mediums beim Eintritt in den Wärmeübertrager mittels eines Temperatursensors erfasst wird, der stromab eines Verdichters/stromauf des Wärmeübertragers im Luftpfad der Brennkraftmaschine angeordnet ist und die Temperatur (T_G,ds) des gekühlten Mediums bei Austritt aus dem Wärmeübertrager mittels eines Temperatursensors erfasst wird, der stromab des Wärmeübertragers im Luftpfad der Brennkraftmaschine angeordnet ist.
Verfahren nach Patentanspruch 4 oder 5, wobei der Massenstrom (ṁ_G) des zu kühlenden Mediums mittels eines Luftmassenmessers erfasst wird.
Verfahren nach Patentanspruch 4, 5 oder 6, wobei der Massenstrom (ṁ_K) an Kühlmedium anhand eines Modells einer Kühlmittelpumpe bestimmt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 7, wobei die Temperatur (T_K,us) des Kühlmediums bei Eintritt in den Wärmeübertrager eine Regelgröße ist.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 8, wobei dann in Abhängigkeit des Kühlmittelmassenstroms (ṁ_K) auf ein Wärmeleitungsmodell umgeschaltet wird, wenn der Kühlmittelmassenstrom (ṁ_K) eine Schwelle unterschreitet.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 9, wobei eine Filterung des Rohsignals der Temperatur (T_K,us) erfolgt.