DE19728351B4 - Verfahren zur Wärmeregulierung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Wärmeregulierung einer Brennkraftmaschine (1) für Fahrzeuge mit elektrisch ansteuerbaren Einrichtungen, um Kühl- und Heizmittel zu fördern und ihre Volumenströme zu regeln, wobei Temperaturfühler (4, 5, 6) an mehreren Stellen der Brennkraftmaschine (1) temperaturabhängige Signale erzeugen, die in einer elektronischen Auswerteeinrichtung (7) zu Stellsignalen für die Einrichtungen (11, 12, 22, 23, 24, 28), verarbeitet werden, wobei außer den Temperaturen der Kühl und Heizmittel kritische Bauteiltemperaturen und/oder Leistungskennwerte der Brennkraftmaschine (1) erfaßt und bei der Regelung berücksichtigt werden, die für das Wärmeverhalten spezifisch sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (7) mindestens einen Mikroprozessor enthält und die Veränderung der Temperaturen pro Zeiteinheit bei der Regelung berücksichtigt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeregulierung einer Brennkraftmaschine für Fahrzeuge nach den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
  • Das Wärmemanagement einer Brennkraftmaschine und eines Fahrzeuges, d.h. das Kühlen und Erwärmen von Aggregaten und Einrichtungen auf eine optimale Betriebstemperatur, ist für den Wirkungsgrad und damit für die Wirtschaftlichkeit des Systems „Fahrzeug" von entscheidender Bedeutung. Es ist daher wünschenswert, daß die Einrichtungen und Aggregate, insbesondere die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs, möglichst schnell ihre optimale Betriebstemperatur erreichen und möglichst während des gesamten Betriebs beibehalten.
  • Aus der EP 0 499 071 A1 ist eine Kühlanlage für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor bekannt. Die Kühlanlage umfaßt mehrere Kreisläufe mit zugeordneten Wärmetauschern. Die Temperaturen unterschiedlicher Kühlmedien werden gemessen und in einer zentralen Auswerteeinrichtung zu Ausgangssignalen verarbeitet, durch die elektrisch ansteuerbare Einrichtungen wie drehzahlgeregelte Pumpen, drehzahlgeregelte Lüfter, elektrisch ansteuerbare Ventile und eine im Luftströmungsweg angeordnete Jalousie ansteuerbar sind. Die Wärmetauscherleistung bzw. die Lüfterdrehzahl wird für alle Kühlkreisläufe stets nach dem höchsten Bedarf eines der Kühlkreisläufe ausgerichtet. Durch das zentrale Wärmemanagement wird erreicht, daß für die Kühlung und Erwärmung des Systems wenig Antriebsenergie für Pumpen und Lüfter aufzuwenden ist und dem System nicht zuviel Wärmeenergie entzo gen wird. Infolgedessen werden beim Start schnell die erforderlichen Betriebstemperaturen erreicht.
  • Allerdings besteht die Schwierigkeit, rechtzeitig in die Wärmeregelung einzugreifen, da die für die Regelung verwendeten Kühlmitteltemperaturen sich erst relativ spät nach dem tatsächlichen Wärmeanfall auf ein höheres oder niedrigeres Temperaturniveau einstellen. Ferner ist die Temperaturerfassung selbst mit erheblichen Verzögerungen behaftet.
  • Aus der DE 37 38 412 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zur Wärmeregulierung einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Förderleistung der elektrischen Pumpen nicht nur in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur, sondern in Abhängigkeit von wenigstens einer weiteren Betriebskenngröße erfolgt. Hierzu erhält ein elektronisches Schaltgerät als Eingangssignale die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine, die Lufttemperatur in unmittelbarer Umgebung der Brennkraftmaschine, die in weiterer Entfernung von der Brennkraftmaschine meßbare Umgebungstemperatur, die Temperatur von Motorteilen sowie die Drehzahl der Brennkraftmaschine und eine Information über die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs. Das elektronische Schaltgerät verarbeitet die Eingangssignale zu Ausgangssignalen und gibt zunächst ein Ausgangssignal an die elektrische Pumpe ab. Weitere Ausgangssignale werden gegebenenfalls an die Ventile ausgegeben sowie an eine Stelleinrichtung, die eine vor einem als Kühler verwendeten Wärmetauscher angeordnete, verstellbare Jalousie betätigt, und schließlich an Wärmetauschern zugeordnete Gebläsemotoren.
  • Aus der EP 0 084 378 A1 ist eine Steuervorrichtung für ein Kühlsystem einer Brennkraftmaschine bekannt, bei der die Eingangsgrößen mittels eines Mikroprozessors ausgewertet werden. Als Eingangsgrößen dienen die Kühlwassertemperatur, die Fahrzeuggeschwindigkeit und die Ungebungstemperatur.
  • Die DE 38 10 174 A1 zeigt eine Einrichtung zur Regelung der Kühlmitteltemperatur einer Brennkraftmaschine, wobei eine Regeleinrichtung bzw. Auswerteeinrichtung als Eingangssignale neben der Kühlwassertemperatur, die Last und die Drehzahl der Brennkraftmaschine erhält. Die Last der Brennkraftmaschine kann indirekt durch Messen des Saugrohrunterdrucks einer gemischverdichtenden Brennkraftmaschine oder durch Messen der Stellung der Regelstange einer Einspritzpumpe einer luftverdichtenden Brennkraftmaschine ermittelt werden.
  • Ferner ist aus der DE 41 09 498 A1 ein Verfahren zur Regelung der Temperatur einer Brennkraftmaschine bekannt, bei dem eine Steuereinrichtung als Eingangssignale die folgenden Betriebsparameter verarbeitet: Temperatur der Brennkraftmaschine, Ansaugtemperatur, Drehzahl der Brennkraftmaschine, Fahrzeuggeschwindigkeit, Last der Brennkraftmaschine, Betriebszustand der Klimaanlage, der Heizung des Kraftfahrzeugs, die Zeit, die Diagnoseinformationen, ein Ausgangssignal einer Klopfregelungseinrichtung und die Temperatur des Kühlwassers.
  • Schließlich ist aus der DE 44 26 494 A1 eine Einrichtung zur Überwachung des Kühlsystems bei einer Brennkraftmaschine bekannt. Unter Verwendung eines Mikroprozessors wird die Funktionsfähigkeit des Kühlsystems überwacht, indem der Verlauf eines Temperatursignals ausgewertet wird und erkannte Temperaturveränderungen pro Zeiteinheit mit plausiblen Werten verglichen werden. Die Auswertung dient nicht zur Regelung des Kühlsystems, sondern lediglich zu dessen Überwachung und um Fehlfunktionen sicher und zuverlässig erkennen zu können.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem schneller und unmittelbarer in die Wärmeregulierung der Brennkraftmaschine eingegriffen werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren und seiner Ausgestaltungen lassen sich die optimalen Betriebstemperaturen in der Startphase einer Brennkraftmaschine für Fahrzeuge besonders schnell erreichen, wenn mit steigender Temperatur bzw, zunehmendem Wärmeanfall von den Einrichtungen zunächst die Pumpen in Betrieb genommen und geregelt werden, dann die Thermostate, dann die Jalousie und schließlich der Lüfter.
  • Man erreicht durch alle diese Maßnahmen, daß der Brennraum nach dem Start schnell aufgeheizt wird mit der Folge, daß die Zylinderladung sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren besser durchbrennt und sich daher geringere Kohlenwasserstoffemissionen ergeben. Ferner verbessert sich die Selbstzündung bei Dieselmotoren, wodurch schon nach einer sehr kurzen Warmlaufzeit ein gleichmäßiger und sehr leiser Lauf mit stark reduzierten Geräuschemissionen erreicht wird. Infolge geringer Wärmeverluste über die Brennraumwand kann die beim Start üblicherweise erhöhte Leerlaufmenge deutlich früher reduziert sowie der Zeitraum der Mengenerhöhung deutlich verkürzt werden. Dadurch wird der thermische Wirkungsgrad während dieser Betriebszustände verbessert und der Kraftstoffverbrauch verringert.
  • Schließlich steigen die Abgastemperaturen sehr schnell an, wodurch ein Katalysator schneller anspringt und das Ansprechverhalten eines Turboladers verbessert wird. Da die Wärmeregulierung sehr schnell anspricht, wenn sich die Temperaturen oder der Wärmeanfall ändert, sind die Bauteile der Brennkraftmaschine vor thermischer Überbelastung besser geschützt. Ferner wird das Schmieröl schnell auf eine optimale Temperatur gebracht, so daß es sehr bald seine volle Funktionsfähigkeit entwickelt, ohne durch Überbelastung bezüglich seiner Alterung gefährdet zu sein.
    •
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels. In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Die Zeichnung zeigt in schematischer Weise den Aufbau einer Kühlanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Mit 1 ist eine wassergekühlte Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs bezeichnet, die einen Kühlwassereinlaß 2 und einen Kühlwasserauslaß 3 aufweist. Temperaturfühler 4 und 6 erfassen die Kühlwassertemperatur am Kühlwassereinlaß 2 bzw. am Kühlwasserauslaß 3. Ferner besitzt die Brennkraftmaschine 1 im Bereich zwischen Auslaßventilen, in der sogenannten „Stegzone", einen Temperaturfühler 5. Die Temperaturfühler 4, 5 und 6 leiten die Temperatursignale über Signalleitungen 8 an eine Auswerteeinrichtung 7, z.B. eine Motorelektronik, die auch Leistungskennwerte der Brennkraftmaschine 1 erfaßt, die für den Wärmeanfall spezifisch sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zu den Temperaturen der Kühl- bzw. Heizmittel kritische Bauteiltemperaturen und/oder Leistungskennwerte der Brennkraftmaschine erfaßt und bei der Regelung berücksichtigt. Da die kritischen Bauteile direkter auf einen erhöhten Wärmeanfall reagieren und sich ihre Temperatur deutlich früher verändert, bevor die Kühlmitteltemperatur durch Wärmeübergänge verzögert reagiert, kann schnell in die Wärmeregulierung eingegriffen werden. Dies wird durch das erfindungsgemäße Verfahren beschleunigt, indem nicht nur die Temperaturwerte als solche, sondern die Veränderung der Temperaturen pro Zeiteinheit bei der Regelung berücksichtigt wird. Die Tendenz des Temperaturverlaufs gibt schon früh einen wichtigen Hinweis dafür, ob intensiver oder schwächer gekühlt werden muß.
  • Als kritisches Bauteil eignet sich hierfür der Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, und zwar der Bereich zwischen Auslaßventilen, die sogenannte Stegzone. Da dieser Bereich den heißen Abgasen ausgesetzt ist, ist er besonders durch hohe Temperaturen und häufige Temperaturwechsel gefährdet. Aufgrund seiner geringen Masse und seiner Lage reagiert er auf Wärmebelastungsänderungen sehr schnell, so daß seine Temperatur für den Wärmeanfall in der Brennkraftmaschine sehr charakteristisch ist.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner vorgeschlagen, Leistungskennwerte der Brennkraftmaschine zu erfassen, die für das Wärmeverhalten spezifisch sind, z.B. zweckmäßigerweise die in einem Brennraum pro Zeiteinheit oder Arbeitszyklus eingebrachte Kraftstoffmenge. Somit kann man eine Kenngröße für die Regelung gewinnen, bevor der eigentliche Wärmeanfall stattfindet oder ein kritisches Bauteil die entsprechende Temperatur erreicht hat. Grundsätzlich ist es möglich, die Temperaturen und Kennwerte aller Zylinder einer Brennkraftmaschine zu erfassen. In der Regel wird es aber ausreichen, wenn nur die Werte des kritischsten Zylinders oder einiger Zylinder erfaßt werden.
  • Die Auswerteeinrichtung 7 wandelt die Eingangsgrößen und Kennwerte zu Stellgrößen. Über Signalleitungen 9, die mit gestrichelten Linien dargestellt sind, werden entsprechende Stellsignale an elektrisch ansteuerbare Einrichtungen geleitet, um Kühl- bzw. Heizmittel, insbesondere Kühlwasser, Kühlluft und Öl, zu fördern und ihre Volumenströme zu regeln. Zu diesen Einrichtungen gehört ein Lüfter 11, der von einem regelbaren Elektromotor 12 angetrieben wird, elektrisch angetriebene und regelbare Wasserpumpen 22 und 23, ein elektrischer Thermostat 28 und eine elektrisch angetriebene Jalousie 24.
  • Der Lüfter 11 fördert Kühlluft durch einen Wasserkühler 13, wobei der Kühlluftdurchsatz durch den Wasserkühler 13 zum einen durch die Drehzahl des Lüfters 11 bestimmt wird, und zum anderen, wenn der Lüfter 11 abgestellt ist, durch die Stellung der Jalousie 24.
  • Die Wasserpumpe 22, die als Hauptpumpe dient, fördert das Kühlwasser durch den Wasserkühler 13 und die Brennkraftmaschine 1 sowie durch einen Ölkühler 14 mit einem Öleinlaßstutzen 15 und einem Ölauslaßstutzen 16, durch einen Abgasrückkühler 17 mit einem Abgaseinlaßstutzen 18 und einem Abgasauslaßstutzen 19 und durch eine Innenraumheizung 20. Die Strömungsrichtung des Kühlwassers ist mit kleinen Pfeilen längs der Kühlwasserleitungen 10 angedeutet. Das Kühlwassersystem ist über eine Ausgleichsleitung 27 und eine Entlüftungsleitung 26 mit einem Expansionsbehälter 25 verbunden.
  • Die Wasserpumpe 23, die als Zusatzpumpe dient, stellt die Kühlwasserförderung sicher, wenn die Wasserpumpe 22 bei geringem Wärmeanfall still gesetzt wird. Sie stellt vor allem die Funktion der Innenraumheizung 20 sicher, die über ein Duoventil 21 gesteuert werden kann.
  • Wird das Fahrzeug gestartet, sind zunächst die Wasserpumpe 22 und der Lüfter 11 ausgeschaltet sowie der Thermostat 28 und die Jalousie 24 geschlossen. Mit zunehmender Temperatur wird zu nächst die Wasserpumpe 22 in Betrieb genommen und entsprechend dem Wärmeanfall geregelt. Danach beginnt die Regelung des Thermostats 28. Schließlich wird die Jalousie 24 geöffnet und der Lüfter 11 beginnt mit der Regelung. Steigt die Temperatur weiter, obwohl alle Einrichtungen auf maximale Werte eingestellt oder weil einzelne Komponenten ausgefallen sind, wird zur Sicherheit die Leistung der Brennkraftmaschine entsprechend reduziert.

Claims (6)

  1. Verfahren zur Wärmeregulierung einer Brennkraftmaschine (1) für Fahrzeuge mit elektrisch ansteuerbaren Einrichtungen, um Kühl- und Heizmittel zu fördern und ihre Volumenströme zu regeln, wobei Temperaturfühler (4, 5, 6) an mehreren Stellen der Brennkraftmaschine (1) temperaturabhängige Signale erzeugen, die in einer elektronischen Auswerteeinrichtung (7) zu Stellsignalen für die Einrichtungen (11, 12, 22, 23, 24, 28), verarbeitet werden, wobei außer den Temperaturen der Kühl und Heizmittel kritische Bauteiltemperaturen und/oder Leistungskennwerte der Brennkraftmaschine (1) erfaßt und bei der Regelung berücksichtigt werden, die für das Wärmeverhalten spezifisch sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (7) mindestens einen Mikroprozessor enthält und die Veränderung der Temperaturen pro Zeiteinheit bei der Regelung berücksichtigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur eines Zylinderkopfs im Bereich zwischenden Auslaßventilen erfaßt wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in einen Brennraum pro Zeiteinheit oder Arbeitszyklus eingebrachte Kraftstoffmenge erfaßt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen mindestens eine elektrisch angetriebene Wasserpumpe (22, 23), einen elektrisch betätigten Thermostaten (28) und/oder Standardthermostaten, einen elektrisch angetriebenen Lüfter (11) und/oder eine elektrisch angetriebene Jalousie (24) umfassen und mit steigender Temperatur und zunehmendem Wärmeanfall zunächst die Regelung der Wasserpumpe (22, 23), dann des Thermostaten (28), dann der Jalousie (24) und schließlich des Lüfters (11) beginnt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine (1) nur die Werte des kritischsten Zylinders oder einiger Zylinder erfaßt werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wasserpumpe (22) als Hauptpumpe dient und Kühlwasser durch den Wasserkühler (13), die Brennkraftmaschine (1), einen Ölkühler (14), einen Abgasrückkühler (17) und eine Innenraumheizung (20) fördert und eine Zusatzpumpe (23) die Kühlwasserförderung sicherstellt, wenn die Wasserpumpe (22) bei geringem Wärmeanfall stillgesetzt wird.
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