DE19717049A1 - Temperaturmeßanordnung für einen Verbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Tempe­ raturmeßanordnung zum Messen der Temperatur in einem Verbren­ nungsmotor, insbesondere ein Wärmeübertragungselement zum übertragen von Wärme sowohl von dem Motorkühlmittel als auch von dem Zylinderkopf des Motors an einen Temperatursensor.

Es ist allgemein bekannt, daß Fehlfunktionen von Motorkühlsy­ stemen, wie z. B. eine Leckage, zu einer Beschädigung des Mo­ tors aufgrund einer übermäßigen Motorüberhitzung führen kön­ nen. Um ein solches Vorkommnis zu melden, weist eine Tempera­ turmeßanordnung für einen Verbrennungsmotor einen Sensor auf, der mit einem Kühlmittelkanal in dem Zylinderkopf in Verbin­ dung steht. Der Temperatursensor erfaßt die Volumentemperatur des Kühlmittels und gibt die Information an eine elektroni­ sche Motorsteuerung weiter, welche wiederum die Information an den Fahrer weitergibt. Bei einem Kühlsystemausfall kann der Temperatursensor sogar einen Temperaturabfall melden, da es in diesem Falle passieren kann, daß der Temperatursensor mit in dem Kühlkanal befindlicher Luft in Verbindung steht. Da der Temperatursensor darauf eingerichtet ist, einen Fehler anzuzeigen, wenn die Kühlmitteltemperatur einen Schwellenwert überschreitet, wird ein derartiger Fehler nicht angezeigt.

Zur Behebung dieses Problems ist eine Temperaturmeßanordnung mit zwei Temperatursensoren bekannt. Typischerweise steht ein Motorkühlmittel-Temperatursensor mit dem Kühlmittelkanal und ein Zylinderkopf-Temperatursensor mit dem Zylinderkopf an ei­ ner Stelle in der Nähe des Brennraums des Motors in Verbin­ dung. Somit erfaßt unter normalen Betriebszuständen des Mo­ tors der Motorkühlmittel-Temperatursensor die Motorkühlmitteltemperatur des Motors (ECT - engine coolant temperature) und der Zylinderkopf-Temperatursensor die Zylin­ derkopftemperatur (CHT - cylinder head temperature). Falls ein Kühlsystemausfall auftritt, steigt die Zylinderkopftempe­ ratur CHT an und wird somit von dem Zylinderkopf-Temperatur­ sensor erfaßt.

Dieses bekannte System weist jedoch erhebliche Nachteile auf, wie z. B. höhere Fertigungskosten und Unterbringungsprobleme. Da der Zylinderkopf-Temperatursensor typischerweise tief in­ nerhalb des Motors angeordnet wird, muß eine Steuerleitung durch den Motor hindurch zur Motorsteuerung geführt werden. Ferner kann im Falle eines Ausfalls des Zylinderkopf-Tempera­ tursensors eine vollständige Zerlegung des Motors erforder­ lich werden. Ein weiterer Nachteil des Zwei-Sensoren-Systems besteht darin, daß der in der Motorsteuerung programmierte Algorithmus aufgrund der Notwendigkeit, Informationen von zwei Sensoren aufzunehmen, komplexer ist.

Ferner bieten Systeme nach dem Stand der Technik keinen aus­ reichenden Schutz für die Unversehrtheit des Motors. Typi­ scherweise beträgt die Zeitspanne zwischen einem katastropha­ len Kühlsystemausfall und der korrigierenden Maßnahme des Fahrers bei 96,6 km/h (60 mph) etwa 3 Minuten. Innerhalb die­ ser Zeitspanne kann der Motor bereits beschädigt werden.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Temperaturmeßanordnung mit nur einem Sensor für die Messung der Kühlmitteltemperatur und der Zylinderkopftemperatur des Motors bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst und Nachteile von Anordnungen nach dem Stand der Technik werden dadurch überwunden, indem eine neuartige Temperaturmeßanordnung für die Erfassung der Kühlmitteltemperatur und der Zündungsebenen-Temperatur in ei­ nem Verbrennungsmotor geschaffen wird. Der Motor weist einen Zylinderblock mit einem Kolben auf, der sich in einem Zylin­ der hin- und herbewegt. Ein Zylinderkopf mit einem Kühlmit­ telkanal und einer Zündungsebene ist so auf dem Zylinderblock befestigt, daß er das Außenende des Zylinders verschließt und dadurch einen Verbrennungsraum zwischen der Zylinderkopf- Zündungsebene und der Oberseite des Kolbens bildet. Die Temperaturmeßanordnung weist ein Wärmeübertragungselement, welches in Betriebskontakt mit dem Zylinderkopf in der Nähe der Zündungsebene und mit dem Kühlmittelkanal steht, und einen Temperatursensor für die Messung der Temperatur des Wärmeübertragungselementes auf.

Weiterhin wird erfindungsgemäß ein neuartiges Verfahren für die Feststellung einer Kühlkapazitätsverschlechterung eines Kühlsystems in einem Verbrennungsmotor geschaffen. Der Motor weist einen Zylinderblock mit einem Kolben auf, der sich in einem Zylinder hin- und herbewegt. Ein Zylinderkopf mit einem Kühlmittelkanal und einer Zündungsebene ist so auf dem Zylin­ derblock befestigt, daß er das Außenende des Zylinders ver­ schließt und dadurch einen Verbrennungsraum zwischen der Zy­ linderkopf-Zündungsebene und der Oberseite des Kolbens bil­ det. Das Verfahren umfaßt die Schritte: Anordnen eines Wär­ meübertragungselementes in Betriebskontakt mit dem Zy­ linderkopf in der Nähe der Zündungsebene und in Betriebskon­ takt mit dem Kühlmittelkanal und Messen der Temperatur des Wärmeübertragungselementes. Das Verfahren umfaßt ferner die Schritte: Vergleichen der gemessenen Temperatur mit einer ge­ speicherten optimalen Temperatur und Erzeugen eines Signals, das die Abweichung zwischen der gemessenen Temperatur und der gespeicherten optimalen Temperatur darstellt.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß eine preiswerte Temperaturmeßanordnung geschaffen wird.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß nur ein Temperatursensor verwendet wird, um sowohl die Motorkühlmitteltemperatur als auch die Zylinderkopftempe­ ratur des Motors zu erfassen.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß ein Motorüberhitzungszustand schnell detektiert werden kann.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß auch eine Kühlkapazitätsverschlechterung festge­ stellt werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen bei­ spielhaft näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Teilquerschnittsansicht eines Ver­ brennungsmotors mit einer Temperaturmeßanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnittes des mit der Linie 2 markierten Bereichs der Temperaturmeßanordnung von Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Motortemperatur, wie sie von der erfindungsgemäßen Temperaturmeßanordnung erfaßt wird, abhängig von der Zeit, und

Fig. 4 ein Flußdiagramm, welches ein erfindungsgemäßes Ver­ fahren für die Feststellung einer Kühlsystemver­ schlechterung darstellt.

Die in Fig. 1 dargestellte Temperaturmeßanordnung 10 detek­ tiert sowohl die mit ECT bezeichnete Kühlmitteltemperatur als auch die mit CHT bezeichnete Zylinderkopftemperatur eines Mo­ tors 12. Der Motor 12 weist einen Zylinderblock 14 mit einem Zylinder 16 und einem darin hin- und herbeweglichen Kolben 18 auf. Ein Zylinderkopf 20 ist auf dem Zylinderblock 14 befe­ stigt, wobei eine Zylinderkopfdichtung 22 dazwischen angeord­ net ist, so daß der Zylinderkopf 20 das äußere Ende des Zy­ linders 16 verschließt und dadurch einen Brennraum 24 zwi­ schen der Oberseite des Kolbens 18 und einer Zündungsebene 25 des Zylinderkopfes 20 bildet. Eine Zündkerze 26 ist so in dem Zylinderkopf 20 angeordnet, daß sie mit dem Brennraum 24 in Verbindung steht. Das Kühlsystem des Motors weist einen in dem Zylinderkopf 20 ausgebildeten Kühlmittelkanal 28 auf. Die Kühlung des Motors 12 erfolgt dadurch, daß Kühlmittel 30 in dem Kühlmittelkanal 28 zirkuliert.

Erfindungsgemäß steht das Wärmeübertragungselement 32 sowohl mit dem Kühlmittelkanal 28 als auch mit der Zündungsebene 25 an einer Stelle 34 im Zylinderkopf 20 in der Nähe des Verbrennungsraums 24 in Verbindung. Das Wär­ meübertragungselement 32 kann ein metallischer oder nicht­ metallischer Wärmeleiter sein. Bevorzugt ist das Wärmeübertragungselement 32 als Wärmerohr ausgebildet. Ein Wärmerohr ist ein verschlossenes Metallrohr mit einer Innen­ auskleidung aus einem dochtartigen Kapillarmaterial und einer kleinen Menge Fluid in einem Teilvakuum. Wärme wird in der Nähe des einen Endes durch Verdampfung des Fluids absorbiert und an dem anderen Ende durch Kondensation des Dampfs abgege­ ben. Ein Temperatursensor 36 mißt die Temperatur des Wärme­ übertragungselementes 32 und gibt diese Information an eine elektronische Motorsteuerung (EEC) 38 mit einer Speichervor­ richtung 39 weiter. Somit kann die Kühlmitteltemperatur ECT mit nur einem Sensor unter normalen Motorbetriebszuständen gemessen werden, da das Wärmeübertragungselement 32 Wärme aus dem Kühlmittel 30 an den Sensor 36 überträgt. Wenn Kühlmittel 30 verlorengeht oder anderweitig aus dem Kühlmittelkanal 28 abfließt, erfaßt der Temperatursensor 36 die Zylinderkopftem­ peratur CHT an der Zündungsebene 25, da die Wärme an dieser Stelle durch das Wärmeübertragungselement 32 schnell übertra­ gen wird. Somit ist die erfindungsgemäße Tem­ peraturmeßanordnung 10 mit nur einem Sensor und einem Wärme­ übertragungselement 32 sowohl zum Erfassen der Kühlmitteltem­ peratur ECT unter normalen Motorbetriebszuständen als auch zum Erfassen der Zylinderkopftemperatur während eines Motorüberhitzungszustandes, wie z. B. bei Verlust des Kühlmit­ tels, in der Lage.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Wärmeübertra­ gungselement 32 ein langgestrecktes Element, welches sich so durch den Kühlmittelkanal 28 erstreckt, daß ein erstes Ende 40 in die in dem Zylinderkopf 20 in der Zündungsebene 25 aus­ gebildete Vertiefung 45 eingreift. Die Vertiefung 45 kann an einer Stelle in der Nähe der Zündungsebene 25 gemäß Darstel­ lung in Fig. 1 ausgebildet werden. Das zweite Ende 42 des Wärmeübertragungselementes 32 steht mit dem Temperatursensor 36 in Verbindung.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich, weist das Ende 42 des Wärmeübertragungselementes 32 eine Bohrung 44 auf. Der Temperatursensor 36 ist innerhalb der Bohrung 44 unter Verwendung von Wärmleitpaste 46 befestigt. Um einen uner­ wünschten Austritt von Kühlmittel 30 aus dem Kühlmittelkanal 28 zu vermeiden, ist eine Dichtung 48 zwischen dem Sensor 36 und dem Zylinderkopf 20 vorgesehen. Eine weitere Dichtung 50 verringert ein Verschmutzen der Verbindung zwischen der Spitze 52 des Sensors 36 und dem Wärmeübertragungselement 32.

In Fig. 3 ist der Zeit/Temperatur-Verlauf der Kühlmitteltem­ peratur ECT während normaler Betriebsbedingungen und der Zylinderkopftemperatur CHT während eines Verlustes des Motor­ kühlmittels graphisch dargestellt. Ab dem Zeitpunkt t₀, in dem der Motor gestartet wird, steigt die Kühlmitteltemperatur ECT stetig so an, daß zu einem Zeitpunkt t₁, wenn die Tempe­ ratur bei T₁ liegt, ein (nicht dargestellter) Thermostat öff­ net, was bewirkt, daß die Kühlmitteltemperatur ECT im wesent­ lichen konstant bleibt. Zum Zeitpunkt t₂ möge beispielsweise das Kühlsystem des Motors 12 ausfallen. In Systemen nach dem Stande der Technik, welche nur einen die Kühlmitteltemperatur ECT messenden Sensor verwenden (in Fig. 3 mit "Stand der Technik" bezeichnet), liegt dann die gemessene Temperatur tatsächlich niedriger als die zuvor erfaßte Temperatur T₁, da kein Fluidmedium in dem Kühlmittelkanal existiert, um Wärme zu dem Temperatursensor zu übertragen. Letztendlich kann es doch zu einem Anstieg der gemessenen Temperatur kommen, wo­ durch zu einem Zeitpunkt t₃ ein Problem anzeigt wird, wenn die Temperatur einen Schwellenwert T₁ überschreitet. Demzu­ folge entsteht eine erhebliche Zeitverzögerung zwischen t₂ und t₃, bevor der Fahrer das Problem erkennt. Gemäß der vor­ liegenden Erfindung wird im Falle eines Kühlmittelverlustes zum Zeitpunkt t₂ die Zylinderkopftemperatur CHT nahezu unmit­ telbar erfaßt, da die Wärme aus der Zündungsebene 25 schnell über das Wärmeübertragungselement 32 zu dem Sensor 36 über­ tragen wird. Somit erkennt der Fahrer nahezu unmittelbar, daß ein Problem vorliegt, so daß entsprechende Maßnahmen ergrif­ fen werden können, bevor ein wesentlicher Motorschaden auf­ tritt.

Alternativ kann gemäß der vorliegenden Erfindung die Motor­ steuerung 38 eine Korrekturmaßnahme einleiten, um die Wahr­ scheinlichkeit eines vollständigen Motorausfalles auf Grund eines Kühlmittelverlustes zu verringern. Die Steuerung 38 kann die Motorbetriebsstrategie an den Verlust des Motorkühl­ mittels anpassen. Beispielsweise kann eine Deaktivierung einiger Zylinder als Reaktion auf den Motorüberhitzungszu­ stand einen fortgesetzten Betrieb des Motors 12 für eine ge­ wisse Zeitdauer vor der Reparatur des Kühlsystems ermögli­ chen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 kann gemäß der vorliegenden Er­ findung eine Kühlkapazitätsverschlechterung des Kühlsystems 27 festgestellt werden. Bei Schritt 110 mißt der Tempera­ tursensor 36 die Temperatur des Wärmeübertragungselementes 32 und gibt diese Information an die Motorsteuerung 38 weiter. Bei Schritt 112 vergleicht die Motorsteuerung 38 die ge­ messene Temperatur mit einer in einer Speichervorrichtung 39 gespeicherten optimalen Temperatur. Bei dem Schritt 114 be­ rechnet die Motorsteuerung 38 das Ausmaß der Kühlkapazitäts­ verschlechterung. D.h., daß gemäß Fig. 3 dann, wenn zum Zeit­ punkt t₄ die gemessene Temperatur T₂ über eine optimale Tem­ peratur T₁ angestiegen ist, aber innerhalb akzeptabler Grenz­ werte (zwischen T₃ und T₄) beispielsweise aufgrund eines nur langsamen Kühlmittelverlustes bleibt, die Motorsteuerung 38 die Abweichung zwischen der gemessenen Temperatur T₂ und der optimalen Temperatur T₁ berechnet. Bei dem Schritt 116 er­ zeugt die Motorsteuerung aus der bei dem Schritt 114 berech­ neten Abweichung ein Signal. Dieses Signal stellt das Ausmaß der Kühlkapazitätsverschlechterung dar. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuerung 38 - wie vorstehend erläu­ tert - die Motorbetriebsstrategie verändern um die Kühlkapazitätsverschlechterung zu kompensieren. Zusätzlich kann sich auf längere Sicht die Wärmeübertragungscharakte­ ristik des Wärmeübertragungselementes 32 verändern, und zwar beispielsweise dadurch, daß sich isolierende Mineralablage­ rungen an dem Wärmeübertragungselement 32 ausbilden und da­ durch die Empfindlichkeit der Temperaturmeßanordnung 10 ver­ ringert wird. In diesem Falle kann die Steuerung 38 bei Schritt 118 die gespeicherte optimale Temperatur T₁ entspre­ chend anpassen, um so eine neue Basislinie für die optimale Temperatur T₁ festzulegen.

Claims (14)

1. Temperaturmeßanordnung (10) für die Erfassung der Kühl­ mitteltemperatur (ECT) und der Zündungsebenen-Temperatur in einem Verbrennungsmotor (12), wobei der Motor einen Zylinderblock (14) mit einem Kolben (18), der sich in ei­ nem Zylinder (16) hin- und herbewegt, und einen Zylinder­ kopf (20) mit einem Kühlmittelkanal (28) und mit einer Zündungsebene (25) aufweist, wobei der Zylinderkopf so auf dem Zylinderblock angeordnet ist, daß er das Außen­ ende des Zylinders (16) verschließt und dadurch einen Verbrennungsraum (24) zwischen der Zylinderkopf-Zündungs­ ebene und der Oberseite des Kolbens bildet, mit:
einem Wärmeübertragungselement (32) in Betriebskontakt mit dem Zylinderkopf (20) in der Nähe der Zündungsebene (25) und mit dem Kühlmittelkanal (28) und
einem Temperatursensor (36) für die Messung der Tempera­ tur des Wärmeübertragungselementes (32).

2. Temperaturmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Wärmeübertragungselement (32) ein lang­ gestrecktes Element mit einem ersten (40) und zweiten (42) Ende ist, das sich durch den Kühlmittelkanal (28) erstreckt, mit dem ersten Ende mit der Zündungsebene (25) in Kontakt steht und mit dem zweiten Ende mit dem Tempe­ ratursensor (36) verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (36) mit dem Wärmeübertragungselement (32) in Kontakt steht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das zweite Ende (42) eine Bohrung (44) für die Aufnahme zumindest eines Abschnittes des Tempera­ tursensors (36) aufweist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Befestigung des Temperatursensors (36) an dem Wärmeübertragungselement (32) unter Verwen­ dung von Wärmeleitpaste (46) erfolgt.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Wärmeübertragungselement (32) ein Wärmerohr ist.

7. Verbrennungsmotor (12), mit:
einem Zylinderblock (14) mit einem Kolben (18), der sich in einem Zylinder (16) hin- und herbewegt,
einem Zylinderkopf (20) mit einem Kühlmittelkanal (28) mit einem darin zirkulierenden Kühlmittel (30) und einer Zündungsebene (25), wobei der Zylinderkopf so auf dem Zy­ linderblock befestigt ist, daß er das Außenende des Zy­ linders (16) verschließt und dadurch einen Verbrennungs­ raum (24) zwischen der Zylinderkopf-Zündungsebene und der Oberseite des Kolbens bildet,
einem Wärmeübertragungselement (32) in Betriebskontakt mit der Zylinderkopf-Zündungsebene (25) und mit dem durch den Kühlmittelkanal (28) zirkulierenden Kühlmittel (30) und
einem Temperatursensor (36) für die Messung der Tempera­ tur des Wärmeübertragungselementes (32).

8. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß das Wärmeübertragungselement (32) ein langge­ strecktes Element ist, das sich durch den Kühlmittelkanal (28) erstreckt und ein erstes (40) und zweites (42) Ende aufweist, wobei das erste Ende mit der Zündungsebene (25) in Kontakt steht und das zweite Ende mit dem Temperatur­ sensor (36) verbunden ist.

9. Verbrennungsmotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Vertiefung (45) in dem Kühlmittelkanal (28) für die Aufnahme des ersten Endes (40) des Wärmeübertragungselementes (32) ausgebildet ist.

10. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß das zweite Ende (42) eine Boh­ rung (44) für die Aufnahme zumindest eines Abschnittes des Temperatursensors (36) aufweist.

11. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß sie ferner eine Wärmeleitpaste (46) für die Befestigung des Temperatursensors (36) an dem Wärmeübertragungselement (32) aufweist.

12. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungselement (32) ein Wärmerohr ist.

13. Verfahren zur Ermittlung der Kühlkapazitätsver­ schlechterung eines Kühlsystems (27) in einem Verbren­ nungsmotor (12), wobei der Verbrennungsmotor einen Zylin­ derblock (14) mit einem Kolben (18), der sich in einem Zylinder (16) hin- und herbewegt, und einen Zylinderkopf (20) mit einem Kühlmittelkanal (28) und einer Zündungs­ ebene (25) aufweist, wobei der Zylinderkopf (20) so auf dem Zylinderblock angeordnet ist, daß er das Außenende des Zylinders verschließt und dadurch einen Verbrennungs­ raum (24) zwischen der Zylinderkopf-Zündungsebene und der Oberseite des Kolbens bildet, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
Anordnen eines Wärmeübertragungselementes (32) in Be­ triebskontakt mit dem Zylinderkopf (20) in der Nähe der Zündungsebene (25) und mit dem Kühlmittelkanal (28),
Messen der Temperatur des Wärmeübertragungselementes (32),
Vergleichen der gemessenen Temperatur mit einer gespei­ cherten optimalen Temperatur (T₁) und
Erzeugen eines Signals, das die Abweichung zwischen der gemessenen Temperatur und der gespeicherten optimalen Temperatur (T₁) darstellt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner den Schritt einer Anpassung der gespeicherten optimalen Temperatur T₁ aufweist, um so eine neue opti­ male Temperatur festzulegen.