DE4324178A1 - Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit einem Thermostatventil, das ein elektrisch beheizbares Dehnstoffelement enthält - Google Patents
Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit einem Thermostatventil, das ein elektrisch beheizbares Dehnstoffelement enthältInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage für einen Verbren
nungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit einem Kühler und ei
nem Thermostatventil, mit dem die Temperatur des Kühlmit
tels in einem Warmlaufbetrieb, einem Mischbetrieb und ei
nem Kühlerbetrieb regelbar ist, wobei das Thermostatven
til ein Dehnstoffelement enthält, das zum Reduzieren der
Kühlmitteltemperatur elektrisch beheizbar ist.
Dabei regelt das Thermostatventil die Strömung des Kühl
mittels zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kühler
derart, daß während des Warmlaufbetriebs das vom Verbren
nungsmotor kommende Kühlmittel im wesentlichen unter Um
gehen des Kühlers durch einen Kurzschluß hindurch zum
Verbrennungsmotor zurückströmt, daß während des Mischbe
triebs das von dem Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel
teilweise durch den Kühler hindurch und teilweise durch
den Kurzschluß hindurch zum Verbrennungsmotor zurück
strömt und daß während des Kühlerbetriebs das vom
Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel im wesentlichen
durch den Kühler hindurch zum Verbrennungsmotor zurück
strömt. Die elektrische Beheizung des Dehnstoffelements
dient zum Vergrößern des Öffnungsquerschnittes zum Kühler
hin gegenüber einem durch die Temperatur des Kühlmittels
bedingten öffnungsquerschnitt.
Eine Kühlanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 ist beispielsweise aus der DE 30 18 682 A1 bekannt. Bei
dieser bekannten Kühlanlage ist in einem Dehnstoffelement
eines Thermostatventils ein elektrischer Heizwiderstand
angeordnet, dem elektrische Energie durch einen stationär
gehaltenen Arbeitskolben hindurch zuführbar ist. Die Zu
fuhr der elektrischen Energie erfolgt über eine Regelein
richtung, um die vom Thermostatventil eingeregelte Kühl
mitteltemperatur besser als bei einem normalen Thermo
statventil konstant halten zu können. Hierzu wird die
Ist-Kühlmitteltemperatur gemessen und mit einem vorgege
benen oberen und mit einem vorgegebenen unteren Tempera
turwert verglichen. Wird der obere Temperaturwert er
reicht, so wird der Heizwiderstand mit elektrischer Ener
gie versorgt, so daß das Thermostatventil weiter öffnet,
um eine erhöhte Kühlleistung und damit eine Absenkung der
lst-Kühlmitteltemperatur zu erreichen. Sinkt die Ist-
Kühlmitteltemperatur danach unter den unteren Temperatur
wert, so wird die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem
Heizwiderstand unterbrochen, so daß das Dehnstoffelement
vom kälteren Kühlmittel abgekühlt wird. Dadurch wird der
Ventilquerschnitt wieder verringert, so daß die Ist-Kühl
mitteltemperatur wieder ansteigt. Diese Regelspiele wer
den ständig wiederholt, um eine Kühlmitteltemperatur von
beispielsweise 95°C möglichst konstant einzuhalten.
Aus der DE 37 05 232 A1 ist eine Temperaturregeleinrich
tung bekannt, bei der anstelle eines üblichen Thermostat
ventils mit einem Dehnstoffelement ein mittels eines
Stellmotors regelbares Ventil vorgesehen ist. Bei dieser
bekannten Temperaturregeleinrichtung wird der Stellmotor
zur Verstellung des Ventils in Abhängigkeit von einem
Sensor gesteuert, der die Kühlmitteltemperatur in einer
mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Leitung mißt. Der
Sensor ist darüber hinaus mit einer Heizeinrichtung ver
sehen. Die Heizeinrichtung ist in Abhängigkeit von Kenn
feldgrößen des Verbrennungsmotors ein- und ausschaltbar.
Bei dieser bekannten Temperaturregeleinrichtung kann dem
nach durch Beheizen des Sensors eine höhere als die reale
Kühlmitteltemperatur vorgetäuscht werden, um eine ver
stärkte Kühlung des Kühlmittels zu erzeugen. Eine derar
tige Temperaturregeleinrichtung ist konstruktiv besonders
aufwendig und damit kostenintensiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanlage
F der eingangs genannten Art möglichst einfach so weiterzu
bilden, daß damit der Betrieb des Verbrennungsmotors be
züglich des Kraftstoffverbrauchs und der Abgaswerte opti
miert werden kann, ohne daß im Falle eines erhöhten Lei
stungsbedarfs die Leistung des Verbrennungsmotors verrin
gert ist.
Diese Aufgabe wird nach dem Kennzeichenteil des Anspruchs
1 dadurch gelöst, daß das Dehnstoffelement derart ausge
legt wird, daß sich die Kühlmitteltemperatur (TK, TKist)
ohne Beheizung des Dehnstoffelementes im Mischbetrieb auf
eine obere Arbeitsgrenztemperatur (TAG) einregelt, und
daß eine Steuereinheit (18) vorgesehen ist, die abhängig
von erfaßten Betriebs- und/oder Umweltgrößen (DK, n, v,
TS, LAST, TKist, LL) des Verbrennungsmotors (10) die Be
heizung des Dehnstoffelementes bei Bedarf freigibt, um
die Betriebsweise der Kühlanlage hin zum Kühlerbetrieb zu
verlagern.
Die obere Arbeitsgrenztemperatur ist vorzugsweise gleich
der verbrauchsgünstigsten Betriebstemperatur des Ver
brennungsmotors und ist geringfügig kleiner als die maxi
mal zulässige Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors.
Vorzugsweise liegt die obere Arbeitsgrenztemperatur über
100°C, insbesondere bei ca. 105°C. Die maximal zulässige
Betriebstemperatur ist die höchst mögliche Temperatur,
mit der der Verbrennungsmotor im Normalbetrieb über län
gere Zeit störungsfrei betrieben werden kann. Dadurch
wird auch bei Ausfall der elektrischen Beheizung des
Dehnstoffelements eine Beschädigung des Verbrennungsmo
tors verhindert. Üblicherweise liegt die maximal zuläs
sige Betriebstemperatur zwischen 105°C und 120°C.
Wird das Dehnstoffelement nicht elektrisch beheizt,
stellt sich ein Öffnungsquerschnitt zum Kühler hin aus
schließlich in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur
ein. Dieser Öffnungsquerschnitt bewirkt ein Einregeln der
Kühlmitteltemperatur auf die definierte obere Arbeits
grenztemperatur. Dabei wird erfindungsgemäß das
Dehnstoffelement, z. B. durch Auswahl eines entsprechenden
temperaturabhängigen Materials und einer geeigneten kon
struktiven Ausgestaltung, so ausgelegt, daß bei der defi
nierten oberen Arbeitsgrenztemperatur der Öffnungsquer
schnitt des Kühlers noch nicht maximal ist, d. h. kein
reiner Kühlerbetrieb erreicht wird. So ist durch
zusätzliches Beheizen des Dehnstoffelements eine weitere
Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes und damit eine
Verlagerung in Richtung des Kühlerbetriebes hin möglich.
Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß der Öffnungsquer
schnitt zum Kühler hin und der Öffnungsquerschnitt zu dem
den Kühler umgehenden Kurzschluß hin gegensinnig verän
dert werden.
Durch die Erfindung wird im Normalbetrieb, d. h. nicht bei
erhöhter Leistungsanforderung wie z. B. im Vollastbetrieb
oder bei Bergfahrt, eine möglichst hohe Betriebstempera
tur des Verbrennungsmotors erreicht. Dabei ist bei
spielsweise aufgrund von geringerer Reibung die Lei
stungsaufnahme des Verbrennungsmotors geringer, wodurch
sich der Kraftstoffverbrauch senken und die Abgaszusam
mensetzung verbessern läßt. Um jedoch dann, wenn der Be
triebszustand des Verbrennungsmotors durch erhöhte Lei
stungsanforderung ein niedrigeres Kühlmitteltemperaturni
veau erfordert, schnell auf dieses Kühlmitteltemperatur
niveau umschalten zu können, wird abhängig von den Be
triebs- und/oder Umweltgrößen elektrische Energie dem be
heizbaren Dehnstoffelement in dem Sinne zugeführt, daß
eine erhöhte Kühlleistung durch weiteres Öffnen des Ther
mostatventils erhalten wird und damit eine verringerte
Kühlmitteltemperatur schnell erreicht wird. Zu hohe Kühl
mittel- bzw. Motortemperaturen bei erhöhter Leistungsan
forderung würden zu einem verringerten Füllungsgrad und
damit zu einer verringerten Leistung führen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Ge
genstand des Anspruchs 2. Darin wird vorgesehen, daß die
Steuerung die Beheizung bzw. die Zufuhr von elektrischer
Energie zum Dehnstoffelement sperrt, wenn die erfaßte
Ist-Temperatur des Kühlmittels unterhalb einer vorgegebe
nen Soll-Temperatur liegt. Die vorgegebene Soll-Tempera
tur liegt dabei stets unterhalb der definierten oberen
Arbeitsgrenztemperatur. Damit wird sichergestellt, daß
eine Regelung der Kühlmitteltemperatur in Richtung eines
verringerten Temperaturniveaus nur dann vorgenommen wird,
wenn eine Mindesttemperatur bereits erreicht ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist
der Gegenstand des Anspruchs 3. Darin wird vorgesehen,
daß die Steuerung ein Freigeben bzw. Sperren der Behei
zung des Dehnstoffelements in Abhängigkeit von der Fahr
zeuggeschwindigkeit vornimmt.
Zum einen kann beispielsweise der Leerlauf bei Stillstand
des Kraftfahrzeuges festgestellt werden, worauf eine Küh
lung wegen des fehlenden Fahrtwinds notwendig werden kann
und damit die Beheizung des Dehnstoffelementes freigege
ben wird.
Wird eine sehr hohe Fahrzeuggeschwindigkeit und z. B.
auch zusätzlich ein großer Drosselklappenöffnungswinkel
erfaßt, wird auf eine erhöhte Leistungsanforderung an den
Verbrennungsmotor geschlossen, wodurch ebenfalls eine er
höhte Kühlung sinnvoll ist und damit die Beheizung des
Dehnstoffelementes freigegeben werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist
der Gegenstand des Anspruchs 4. Darin wird vorgesehen,
daß die Steuerung ein Freigeben bzw. Sperren der Behei
zung des Dehnstoffelementes in Abhängigkeit von der Dreh
zahl des Verbrennungsmotors, des Drosselklappenöffnungs
winkels und/oder dem Lastzustand des Verbrennungsmotors
vornimmt.
Beispielsweise kann die Steuereinheit (18) den Ist-Last
zustand (LAST) und/oder den Ist-Drosselklappenöffnungs
winkel (DK) und/oder die Ist-Drehzahl (n) mit einem
vorgegebenen Schwellwert vergleichen und bei überschrei
ten dieses Schwellwertes die Beheizung des Dehnstoffele
ments freigeben.
Der Lastzustand des Verbrennungsmotors kann beispiels
weise durch die Drehzahl des Verbrennungsmotors in Ver
bindung mit dem Öffnungswinkel der Drosselklappe ohne Hö
henkorrektur oder in Verbindung mit der Luftmasse im An
saugtrakt mit Höhenkorrektur festgestellt werden.
Es kann jedoch auch in Form eines Kennfeldes eine Soll-
Temperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit von dem Dros
selklappenwinkel und der Drehzahl bestimmt werden.
Auf diese Weise wird sichergestellt, daß bei hoher Last
oder bei hoher Drehzahl oder bei großem Drosselklappen
öffnungswinkel die geforderte Leistungsabgabe des Ver
brennungsmotors nicht durch eine zu hohe Betriebstempera
tur reduziert wird, die zu einem verschlechterten Fül
lungsgrad und damit zu einer verringerten Leistung führen
könnte.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist
der Gegenstand des Anspruchs 5. Darin wird vorgesehen,
daß die Steuerung die Beheizung des Dehnstoffelementes
freigibt, wenn die Ist-Temperatur der Ansaugluft oder der
Umgebungstemperatur oberhalb eines vorgegebenen Wertes
liegt. Damit wird sichergestellt, daß bei hohen Außentem
peraturen beispielsweise bei langsamer Fahrt, bei Leer
lauf im Stillstand oder bei Stop-and-go-Betrieb eine
Überhitzung des Verbrennungsmotors verhindert wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist
der Gegenstand des Anspruchs 6. Darin wird vorgesehen,
daß die Soll-Temperatur des Kühlmittels durch ein oder
mehrere Tabellen, Kennlinien und/oder Kennfelder in Ab
hängigkeit von mehreren Betriebs- und Umweltgrößen ent
nommen wird. Beispielsweise werden zur Erstellung eines
Kühlmitteltemperatur-Kennfeldes einer Vielzahl von Be
triebspunkten, die z. B. durch die Werte der Drehzahl des
Verbrennungsmotors, des Drosselklappenöffnungswinkels
und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit definiert sind, ein
zelne Kühlmittel-Soll-Temperaturen zugeordnet. Die Zufuhr
der elektrischen Energie zum Dehnstoffelement wird frei
gegeben, wenn die aus dem Kennfeld entnommene Soll-Tempe
ratur unterhalb der momentanen Ist-Temperatur des Kühl
mittels liegt. Mit dieser Ausbildung ist es möglich, die
Kühlmitteltemperatur zu jedem Betriebspunkt oder Be
triebszustand des Verbrennungsmotors zu optimieren.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist
der Gegenstand des Anspruchs 7. Darin wird vorgesehen,
daß die Steuereinheit die Beheizung des Dehnstoffelemen
tes erst nach einer vorgegebenen Betriebsgrößen- oder Um
weltgrößen-Hysterese und/oder nach einer vorgegebenen
Verzögerungszeit freigibt, wenn eine die Beheizung des
Dehnstoffelementes freigebende Bedingung erfüllt ist.
Beispielsweise wird bei einer Soll-Temperatur unterhalb
der Ist-Temperatur die Beheizung des Dehnstoffelementes
erst nach einer vorgegebenen Temperatur-Hysterese
und/oder nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit freige
geben.
Ebenso ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 8 vorgese
hen, daß die Steuereinheit die Beheizung des Dehnstoff
elementes erst nach einer vorgegebenen Betriebsgrößen-
oder Umweltgrößen-Hysterese und/oder nach einer vorgege
benen Verzögerungszeit sperrt, wenn eine die Beheizung
des Dehnstoffelementes sperrende Bedingung erfüllt ist.
Beispielsweise wird bei einer Soll-Temperatur oberhalb
der Ist-Temperatur die Zufuhr der elektrischen Energie
zum Dehnstoffelement erst nach einer vorgegebenen Tempe
ratur-Hysterese und/oder nach einer vorgegebenen Verzöge
rungszeit gesperrt.
Mit diesen beiden Ausgestaltungen der Erfindung wird er
reicht, daß bei nur kurzfristigen Änderungen der Be
triebs- und/oder Umweltgrößen die Anzahl der Regelvor
gänge reduziert wird. Das heißt, wenn von der Freigabe
der Beheizung auf ein Sperren und umgekehrt übergegangen
werden soll, wird dieser Übergang solange verzögert, bis
eine längerfristige Änderung festgestellt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung be
steht nach dem Gegenstand des Anspruchs 9 darin, daß die
jeweils vorgegebene Soll-Temperatur im wesentlichen durch
eine in Abhängigkeit von den Betriebs- und/oder Umwelt
größen zulässige Maximaltemperatur des Kühlmittels be
stimmt wird. Die Intention dieser erfindungsgemäßen Aus
gestaltung ist, daß zur Optimierung des Kraftstoffver
brauchs und der Abgasemissionen eine höchstmögliche
Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors eingestellt
wird, die jedoch abhängig von der momentanen Belastung
des Verbrennungsmotors nur so hoch bestimmt wird, daß
eine Beschädigung des Verbrennungsmotors oder ein Lei
stungsverlust aufgrund von Überhitzung vermieden wird.
Es sei ergänzend angemerkt, daß ein Freigeben der Zufuhr
der elektrischen Energie bzw. der Beheizung nicht zwin
gend ein tatsächliches Einschalten der Energiezufuhr zur
Folge hat. Eine Freigabe kann auch lediglich eine auf ei
ner bestimmten Bedingung basierende Einschaltoption sein.
Ein tatsächliches Einschalten kann beispielsweise von ei
ner logischen Verknüpfung mehrerer durch unterschiedliche
Betriebs- und Umweltgrößen hervorgerufenen Einschalt
optionen abhängen. Ebenso kann auch der Begriff Sperren
als Sperroption bezogen auf eine Einzelbedingung oder als
tatsächliches Ausschalten verstanden werden.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung
und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zei
gen
Fig. 1 ein Schemabild einer Kühlanlage, die der Erfin
dung zu Grunde liegt
Fig. 2 einen Logikplan für eine mögliche erfindungsge
mäße Regelung der Kühlanlage
Fig. 3 einen mit der erfindungsgemäßen Kühlanlage er
reichbaren Temperaturverlauf der Kühlmitteltem
peratur und
Fig. 4 die Darstellung eines Kühlmittel-Soll-Tempera
tur-Kennfeldes.
Die in Fig. 1 dargestellte Kühlanlage für einen Verbren
nungsmotor 10 enthält einen Kühler 11. Zwischen dem Ver
brennungsmotor 10 und dem Kühler 11 ist eine Kühlmittel
pumpe 12 angebracht, die eine Strömung des Kühlmittels in
die mit Pfeilen dargestellte Richtung erzeugt. Vom Kühl
mittelaustritt des Verbrennungsmotors 10 führt eine Vor
laufleitung 13 zum Kühlmitteleingang des Kühlers 11. Vom
Kühlmittelaustritt des Kühlers 11 führt zum Kühlmit
teleintritt des Verbrennungsmotors 10 eine Rücklauflei
tung 14. In der Rücklaufleitung 14 ist ein Thermostatven
til 15 mit einem hier nicht dargestellten Dehnstoffele
ment angeordnet. Von der Vorlaufleitung 13 zweigt eine
Kurzschlußleitung 16 zum Thermostatventil 15 ab.
Die Kühlanlage arbeitet im wesentlichen in drei Betriebs
weisen. In einer ersten Betriebsweise, dem sog. Warm
laufbetrieb insbesondere nach dem Kaltstart des Verbren
nungsmotors 10, ist das Thermostatventil 15 so einge
stellt, daß die vom Verbrennungsmotor 10 kommende
Kühlmittelströmung über die Kurzschlußleitung 16 im we
sentlichen vollständig zum Verbrennungsmotor 10 zurückge
führt wird. In einer zweiten Betriebsweise arbeitet die
Kühlanlage im Mischbetrieb, d. h. das vom Verbrennungsmo
tor 10 kommende Kühlmittel läuft teilweise durch den Küh
ler 11 und teilweise über die Kurzschlußleitung 16 zurück
zum Verbrennungsmotor 10. In einer dritten Betriebsweise
arbeitet die Kühlanlage im Kühlerbetrieb, d. h. das vom
Verbrennungsmotor 10 kommende Kühlmittel wird im wesent
lichen vollständig durch den Kühler 11 hindurch zum
Verbrennungsmotor 10 zurückgeführt.
Die Betriebsweise der Kühlanlage kann durch Beheizung des
Dehnstoffelementes des Thermostatventils 15 über eine
elektrische Leitung 17 in Richtung des Kühlerbetriebes
verstellt oder vollständig auf Kühlerbetrieb umgeschaltet
werden. Damit verringert sich das Temperaturniveau des
Kühlmittels gegenüber dem mit einer Betriebsweise ohne
Beheizung des Dehnstoffelementes erreichten Temperaturni
veau. Wird danach die Beheizung über die elektrische Lei
tung 17 wieder unterbrochen, so kühlt das jetzt kühlere
Kühlmittel das Dehnstoffelement des Thermostatventils 15
ab bis es eine eingeregelte Endstellung im Mischbetrieb
einnimmt, so daß die Kühlmitteltemperatur wieder auf eine
Endtemperatur angehoben wird. Die eingeregelte Endtempe
ratur im Mischbetrieb wird erfindungsgemäß auf die obere
Arbeitsgrenztemperatur festgelegt.
Die Versorgung des Thermostatventils 15 mit elektrischer
Energie über die Leitung 17 wird von einem Steuergerät 18
veranlaßt, das mehrere Signale von Betriebs- und/oder Um
weltgrößen erhält und auswertet. Am Kühlmittelaustritt
des Verbrennungsmotors 10 ist ein Temperatursensor 19
angeordnet, der die Ist-Temperatur des Kühlmittels erfaßt
und an das Steuergerät 18 übermittelt. In einem Sammler
der Ansaugleitung des Verbrennungsmotors 10 ist ein wei
terer Temperatursensor 20 angeordnet, der die Temperatur
der Ansaugluft (Frischluft) erfaßt und an die
Steuereinrichtung 18 weitergibt. Vorzugsweise ist die
Steuereinrichtung 18 in einer bekannten elektronischen
Motorsteuerung 21 integriert, beispielsweise an eine un
ter dem Warenzeichen "Motronic" von der Firma Robert
Bosch GmbH vertriebene elektronische Motorsteuerung.
Die Motorsteuerung 21 stellt Signale zur Erfassung von
Betriebs- und Umweltgrößen, wie der Fahrzeugge
schwindigkeit, der Umgebungstemperatur, der Drehzahl des
Verbrennungsmotors und/oder den Drosselklap
penöffnungswinkel, zur Verfügung. Ferner ermittelt die
Motorsteuerung 21 den Lastzustand des Verbrennungsmotors
10 aus den erfaßten Signalen. Der Lastzustand wird bei
spielsweise direkt oder indirekt aus der Stellung der
Drosselklappe, aus der Drehzahl und/oder der Luftmasse im
Ansaugrohr bestimmt. Abhängig von den vom Steuergerät 18
erhaltenen Signalen wird beispielsweise eine Soll-Tempe
ratur des Kühlmittels ermittelt. Wenn diese Soll-Tempera
tur größer als die Ist-Temperatur des Kühlmittels ist,
wird das Dehnstoffelement des Thermostatventils 15 über
die Leitung 17 beheizt.
In Fig. 2 ist eine mögliche Kühlmitteltemperaturregelung
dargestellt, bei der das tatsächliche Einschalten der Be
heizung des Dehnstoffelementes ("Dehnstoffelement behei
zen") über eine besonders vorteilhafte logische Verknüp
fung mehrerer Einzelbedingungen bezogen auf verschiedene.
Betriebs- und Umweltgrößen des Kraftfahrzeuges gesteuert
wird. Eine derartige Regellogik ist beispielsweise in der
Steuereinheit 18 gespeichert, wobei die Steuereinheit 18
beispielsweise in einem ohnehin vorhandenen Steuergerät
integriert oder auch ein eigenes integriertes Bauteil im
Thermostatventil selbst sein kann.
In Fig. 2 werden insbesondere die Betriebs- und Umwelt
größen Drosselklappenöffnungswinkels DK, Motordrehzahl
n, Ist-Temperatur des Kühlmittels TKist, Fahrzeugge
schwindigkeit v und Ansauglufttemperatur TS, die bei
spielsweise in Form von Sensorsignalen vorliegen, zur
Regelung der Kühlmitteltemperatur verarbeitet. Über die
reinen Sensorsignale der Betriebs- und Umweltgrößen des
Kraftfahrzeuges hinaus können auch Zustandssignale, die
aus einer Verknüpfung der einzelnen Sensorsignale bzw.
der Betrieb- und Umweltgrößen gebildet wurden, in der Re
gelung verarbeitet werden. Ein derartiges Zustandssignal
ist in diesem Beispiel das Signal Leerlauf LL bei Fahr
zeugstillstand, wobei dieses Signal beispielsweise aus
der Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Motordrehzahl n ge
bildet wird. Es sind jedoch auch noch weitere Zustandssi
gnale möglich, die in einer Regelung der Kühlmitteltempe
ratur verwendet werden, wie beispielsweise der bereits
erwähnte Lastzustand des Verbrennungsmotors sowie Berg
fahrt oder Hängerbetrieb, die vorzugsweise aus den Be
triebsgrößen Drosselklappenöffnungswinkel DK und
Fahrzeuggeschwindigkeit v gebildet werden.
In Fig. 2 werden die Sensorsignale Drosselklappenöff
nungswinkel DK und Motordrehzahl n herangezogen, um aus
einem Kennfeld K die Soll-Temperatur TKsoll des Kühlmit
tels zu den durch den Drosselklappenöffnungswinkel DK und
die Motordrehzahl n bestimmten Betriebspunkten zu ermit
teln. Die so bestimmte Soll-Temperatur des Kühlmittels
TKsoll wird mit der Ist-Temperatur des Kühlmittels TKist
verglichen. Ist die Ist-Temperatur TKist größer als die
Soll-Temperatur TKsoll wird die Beheizung des Dehnstoff
elements freigegeben. Eine Freigabe entspricht hier einer
Freigabeoption F (eingekreist), nicht zwingend einem
tatsächlichen Beheizen.
Weiterhin wird in einem Hystereseglied VT beobachtet, ob
sich die Differenz δT zwischen der Ist- und Soll-Tempera
tur um mehr als eine vorgegebene Differenz δTH ändert.
Nur dann wird die Freigabeoption F zum Beheizen des Dehn
stoffelementes aufrechterhalten. Dazu wird am Ausgang des
Hysteresegliedes VT ein logisches High-Signal abgegeben.
Dieses Ausgangssignal des Hysteresegliedes VT wird an die
Eingänge der Und-Gatter UND-1 und UND-3 herangeführt.
Generell entspricht in diesem Ausführungsbeispiel ein lo
gisches High-Signal einer Freigabeoption F.
Weitere Freigabeoptionen F zum Einschalten der Beheizung
des Dehnstoffelements werden in Abhängigkeit von der
Ansauglufttemperatur TS erzeugt. Die Beheizung des
Dehnstoffelements in Abhängigkeit von der Ansauglufttem
peratur TS soll nur dann freigegeben werden, wenn zumin
dest eine der drei Schwellen TS1, TS2 und TS3 überschrit
ten ist. Bei Überschreiten der ersten Schwelle TS1 wird
ein logisches High-Signal an das UND-Gatter UND-1, bei
Überschreiten der zweiten Schwelle TS2 wird ein logisches
High-Signal an das UND-Gatter UND-2 und bei Überschreiten
der dritten Schwelle TS3 ein logisches High-Signal an das
UND-Gatter UND-3 abgegeben.
Weiterhin wird bei Leerlauf im Stillstand des Fahrzeuges
das Zustandssignal LL (bei v = 0) in Form eines logischen
High-Signals an das UND-Gatter UND-3 herangeführt.
Darüber hinaus kann nach diesem Ausführungsbeispiel die
Freigabeoption F der Beheizung des Dehnstoffelements auch
vom Überschreiten einer Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle
VS der Fahrzeuggeschwindigkeit v abhängen, worauf ein lo
gisches High-Signal vom Ausgang eines weiteren Hysterese
gliedes VV an einen zweiten Eingang des UND-Gatters UND-2
ausgegeben wird. Zum Sperren (Sperroption) der Beheizung
wird im Hystereseglied VV beobachtet, ob die Fahrzeugge
schwindigkeit v die Schwelle VS um einen Differenzwert
δvH unterschritten hat. Erst dann wird wieder ein logi
sches Low-Signal (Sperroption) vom Ausgang des Hy
steresegliedes VV an den zweiten Eingang des UND-Gatters
UND-2 ausgegeben.
Die Hystereseglieder VT und VV können auch Zeitverzöge
rungsglieder sein oder mit Zeitverzögerungsgliedern ver
bunden werden.
Die Ausgänge der UND-Gatter UND-1 bis UND-3 sind mit drei
Eingängen eines ODER-Gatters ODER verbunden. Wenn auf der
Ausgangsleitung zumindest eines UND-Gatters ein logisches
High-Signal anliegt, wird auch am Ausgang des ODER-Gat
ters eine Freigabeoption F in Form eines logischen High-
Signals erzeugt.
Darüber hinaus kann noch ein Zeitverzögerungsglied δt am
Ausgang des ODER-Gatters vorgesehen sein, durch das eine
Freigabeoption F am Ausgang des ODER-Gatters nur dann zum
tatsächlichen Beheizen des Dehnstoffelementes führt, wenn
diese Freigabeoption F für eine vorgegebenen Zeit δt an
liegt, um bei kurzfristigen Änderungen ein ständiges Ein-
und Ausschalten der Beheizung zu verhindern.
Die Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle VS ist vorzugsweise
eine Fahrzeuggeschwindigkeit v, bei der der Verbrennungs
motor thermisch stark belastet wird. Die Schwellen TS1
bis TS3 der Ansauglufttemperatur TS werden beispielsweise
in Abhängigkeit von der Länderausführung des Fahrzeuges
oder der Bauart des Verbrennungsmotors oder des Kühlers
abgestimmt. Die Schwelle TS3 wird beispielsweise niedri
ger liegen als die Schwellen TS1 und TS2, da in Verbin
dung mit dem Leerlauf des Motors, bei dem keine zusätzli
che Kühlung durch Fahrtwind auftritt, eine stärkere Küh
lung erforderlich ist, als beispielsweise bei hohen
Fahrzeuggeschwindigkeiten. Daher wird beispielsweise die
Schwelle TS2, die in Verbindung mit der
Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle VS ausgelegt wird, höher
als die Schwellen TS1 und TS3 sein, da bei erhöhter Fahr
zeuggeschwindigkeit zusätzlich Kühlung durch den Fahrt
wind auftritt. Im allgemeinen werden die Fahrzeug- und
Ansauglufttemperaturschwellen jedoch empirisch in Versu
chen ermittelt werden. Wichtig ist beispielsweise bei
sehr kalten Umgebungs- bzw. Ansauglufttemperaturen (z. B.
in "Nordländern"), den Kühlerbetrieb in Abhängigkeit von
der Ansaug- oder Umgebungstemperatur zu steuern, um einem
Thermoschock des Verbrennungsmotors entgegenzuwirken. Bei
sehr heißen Umgebungs- bzw. Ansauglufttemperaturen (z. B.
in "Tropenländern") kann mit der Regelung der
Kühlmitteltemperatur in Abhängigkeit von der Ansaug- oder
Umgebungstemperatur eine Anfahrschwäche bei Heißleerlauf-
bzw. Stop-and-go-Betrieb vermieden werden.
Ergänzend wird darauf hingewiesen, daß in weiteren Aus
führungsformen der Erfindung auch bei einer zu einer
Freigabeoption F führenden Erfüllung nur einer der in
Fig. 2 dargestellten Bedingungen die Beheizung tatsäch
lich eingeschaltet werden kann. D.h., daß beispielsweise
die in Fig. 2 mit eingekreistem F gekennzeichneten Punkte
jeder für sich auch direkt mit der Einschaltvorrichtung
der Beheizung des Dehnstoffelementes verbunden sein kön
nen.
In Fig. 3 ist in einem Diagramm der Verlauf der Kühlmit
teltemperatur TK über der Zeit t bei Teillast und Vollast
dargestellt, wie er sich mittels der erfindungsgemäßen
Kühlanlage erreichen läßt. Das Dehnstoffelement des Ther
mostatventils 15 wird beispielsweise durch die Zusammen
setzung des Dehnstoffes auf eine obere Arbeitsgrenztempe
ratur TAG ausgelegt, die hier einer Kühlmitteltemperatur
von ca. 105°C im eingeregelten Mischbetrieb ist. Diese
Temperatur ist mit einer oberen Linie dargestellt. Ein
Temperaturniveau von 105°C im Teillastbereich ist
zweckmäßig, um durch Verminderung von Reibung oder dgl.
den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig
die Abgaszusammensetzung zu verbessern. Grundsätzlich
soll die Kühlmitteltemperatur zur Verbrauchsoptimierung
immer so heiß wie möglich, aber bei Leistungsanforderun
gen im Vollastbereich zur Verbesserung der Füllung kühl
sein.
Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors wird im Be
reich A bis B zunächst im Warmlaufbetrieb und an
schließend im Mischbetrieb während eines Teillastbetrie
bes die Kühlmitteltemperatur TK mit einem höheren Tempe
raturgradienten dT/dt auf das Temperaturniveau von 105°C
gebracht, als bei übrigen Kühlanlagen möglich ist. Dabei
wird das Dehnstoffelement des Thermostatventils 15
ausschließlich durch die Kühlmitteltemperatur TK erwärmt.
Das Dehnstoffelement ist so ausgelegt, daß bei hier
105°C der mögliche Verstellweg des Ventils bzw. der maximal
mögliche Öffnungsquerschnitt noch nicht eingestellt ist.
So kann bei Vollast im Bereich zwischen C und E das Dehn
stoffelement z. B. so stark beheizt werden, daß zur mög
lichst schnellen Abkühlung ein maximaler Öffnungs
querschnitt zum Kühler hin eingestellt wird und dadurch
vollständig in den Kühlerbetrieb übergegangen wird. In
diesem Beispiel wird nach einer kurzen Abkühlzeit ein
Temperaturniveau von ca. 70°C erreicht. Geht der Betrieb
des Verbrennungsmotors 10 von Vollast bei Punkt E wieder
auf Teillast zurück, so wird die Zufuhr von elektrischer
Energie zum Dehnstoffelement unterbrochen. Das nun käl
tere Kühlmittel, das das Dehnstoffelement umströmt, kühlt
den Dehnstoff ab und bewirkt, daß sich wieder eine Ver
stellung des Thermostatventils durch das Dehnstoffelement
allein in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur TK
einstellt. Das Thermostatventil regelt dann wieder die
Kühlmitteltemperatur TK und damit die Temperatur des Ver
brennungsmotors 10 auf das Temperaturniveau von 105°C ein.
Die Absenkung der Kühlmitteltemperatur TK im Vollastbe
trieb auf beispielsweise ein Temperaturniveau von ca.
70°C hat den Vorteil, daß dann vom Verbrennungsmotor 10
die volle Leistung erbracht werden kann. Es wird damit
vermieden, daß aufgrund einer zu hohen Temperatur ein ge
ringerer Füllungsgrad bei der Verbrennung erhalten wird,
der zu einer Leistungsverminderung führt. Die geregelte
Absenkung der Kühlmitteltemperatur TK durch Beheizung des
Dehnstoffelements kann jedoch auch abhängig von verschie
denen anderen Betriebs- und/oder Umweltgrößen des Kraft
fahrzeuges geregelt werden.
Vollast kann beispielsweise durch Größen wie die Fahr
zeuggeschwindigkeit, die Motordrehzahl oder den Dros
selklappenwinkel erkannt werden. Beispielsweise ist es
auch sinnvoll, bei sehr niedrigen Fahrzeuggeschwindigkei
ten oder im Leerlauf und bei Stillstand des Fahrzeugs so
wie bei hohen Außentemperaturen, bei Bergfahrten oder im
Hängerbetrieb die Kühlmitteltemperatur TK durch Beheizen
des Dehnstoffelementes abzusenken.
In Fig. 4 ist ein Kennfeld zur Bestimmung einzelner Soll-
Temperaturen TKsoll des Kühlmittels bei einzelnen Be
triebspunkten in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwin
digkeit V und dem Lastzustand LAST dargestellt. Dabei
kann der Lastzustand LAST beispielsweise wiederum in Ab
hängigkeit des Drosselklappenöffnungswinkels und der
Drehzahl oder der Luftmasse im Ansaugrohr bestimmt sein.
Die jeweils einem durch je zwei Betriebsgrößen bestimmten
Betriebspunkt zugeordnete Soll-Temperatur des Kühlmittels
kann berechnet oder durch Versuche empirisch ermittelt
werden. Es ist auch möglich, eine Soll-Temperatur des
Kühlmittels in Abhängigkeit von mehreren Kennfeldern zu
bestimmen, die verschiedene Betriebs- und/oder Umwelt
größen des Fahrzeuges verarbeiten.
Insbesondere ist es erfindungsgemäß auch möglich, über
die Abstimmung eines Kennfeldes und durch Abstimmung der
Schwellwerte eine Kühlanlage für verschiedene Länderva
rianten zu erhalten, ohne die Hardware oder die Software
der Kühlanlage zu ändern.
Claims (9)
1. Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraft
fahrzeuges mit einem Kühler und einem Thermostatven
til, mit dem die Temperatur des Kühlmittels in einem
Warmlaufbetrieb, einem Mischbetrieb und einem Küh
lerbetrieb regelbar ist, wobei das Thermostatventil
ein Dehnstoffelement enthält, das zum Reduzieren der
Kühlmitteltemperatur elektrisch beheizbar ist, da
durch gekennzeichnet, daß sich durch Auslegung des
Dehnstoffelementes die Kühlmitteltemperatur (TK,
TKist) ohne Beheizung des Dehnstoffelementes im
Mischbetrieb auf eine obere Arbeitsgrenztemperatur
(TAG) einregelt und daß eine Steuereinheit (18).
vorgesehen ist, die abhängig von erfaßten Betriebs
und/oder Umweltgrößen (DK, n, v, TS, LAST, TKist,
LL) des Verbrennungsmotors (10) die Beheizung des
Dehnstoffelementes bei Bedarf freigibt, um die Be
triebsweise der Kühlanlage zum Kühlerbetrieb hin zu
verlagern.
2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuereinheit (18) als Betriebsgröße des
Verbrennungsmotors (10) die Ist-Temperatur (TK,
TKist) des Kühlmittels erfaßt, diese Ist-Temperatur
(TKist) mit einer vorgegebenen Soll-Temperatur
(TKsoll) vergleicht und bei einer oberhalb der Soll-
Temperatur (TKsoll) liegenden Ist-Temperatur (TKist)
die Beheizung des Dehnstoffelementes freigibt.
3. Kühlanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuereinheit als Betriebsgröße
die Fahrzeuggeschwindigkeit (v) erfaßt und abhängig
von der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) die Beheizung
des Dehnstoffelementes bei Bedarf freigibt.
4. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuereinheit die Drehzahl
(n) des Verbrennungsmotors, den Drosselklappenöff
nungswinkel (DK) und/oder den Lastzustand (LAST) des
Verbrennungsmotors (10) als Betriebsgrößen erfaßt
und abhängig von der Drehzahl (n), dem
Drosselklappenöffnungswinkel (DK) und/oder dem
Lastzustand (LAST) die Beheizung des Dehnstoff
elementes bei Bedarf freigibt.
5. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) die Ist-
Temperatur (TS) der Ansaugluft oder der Umgebungs
luft als Umweltgröße erfaßt, diese Ist-Temperatur
(TS) mit einem vorgegebenen Schwellwert (TS1, TS2,
TS3) vergleicht und bei Überschreiten dieses
Schwellwertes die Beheizung des Dehnstoffelements
freigibt.
6. Kühlanlage nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Soll-Temperatur (TKsoll) des
Kühlmittels in Abhängigkeit von beliebigen Betriebs
und/oder Umweltgrößen (DK, n, v, TS, LAST, TKist,
LL) in Form einer Tabelle, einer Kennlinie oder ei
nes Kennfeldes (K) bestimmt wird.
7. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) bei Er
füllung einer die Beheizung freigebenden Bedingung
die Beheizung des Dehnstoffelements entsprechend ei
ner Betriebsgrößen- oder Umweltgrößen-Hysterese
(δvH, δTH) und/oder entsprechend einem vorgegebenen
Zeitfenster (δt) verzögert freigibt.
8. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) bei Er
füllung einer die Beheizung sperrenden Bedingung die
Beheizung des Dehnstoffelements entsprechend einer
Betriebsgrößen- oder Umweltgrößen-Hysterese (δvH,
δTH) und/oder entsprechend einem vorgegebenen Zeit
fenster (δt) verzögert sperrt.
9. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) kontinu
ierlich eine aktuelle in Abhängigkeit von den Be
triebs- und/oder Umweltgrößen (DK, n, v, TS, LAST,
TKist, LL) zulässige Maximaltemperatur des Kühlmit
tels ermittelt, durch die die Soll-Temperatur
(TKsoll) des Kühlmittels im wesentlichen jeweils be
stimmt wird.
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