EP0731260B1 - Verfahren zur Regelung eines Kühlkreislaufes eines Verbrennungskraftmotors - Google Patents

Verfahren zur Regelung eines Kühlkreislaufes eines Verbrennungskraftmotors Download PDF

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EP0731260B1
EP0731260B1 EP96100636A EP96100636A EP0731260B1 EP 0731260 B1 EP0731260 B1 EP 0731260B1 EP 96100636 A EP96100636 A EP 96100636A EP 96100636 A EP96100636 A EP 96100636A EP 0731260 B1 EP0731260 B1 EP 0731260B1
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Definitions

  • the invention relates to a method for regulating a cooling circuit Internal combustion engine, in particular for motor vehicles, with at least one Coolant pump for setting a coolant flow, a cooler module in which a Heat exchange between an air flow adjustable by means of a fan and the coolant, possibly a temperature-dependent valve for adjustment a mixing ratio between that passed through the cooler module Coolant flow and a guided over a second flow branch Coolant flow and a control unit that is at least that of the coolant pump generated coolant flow and controls the air flow generated by the fan.
  • a device for controlling the cooling of a device is known Internal combustion engine that uses a coolant pump to generate the Flow of the coolant in an internal combustion engine and a radiator guided coolant circuit, a fan for generating an air flow through the Cooler and a control device depending on a temperature setpoint of the coolant controls the air flow generated by the fan.
  • the Coolant pump is driven by an organ of the internal combustion engine and thus a function of the speed of the internal combustion engine Coolant flow generated, especially in the warm-up phase after the start of Internal combustion engine requires too much energy and the Warm-up phase of the internal combustion engine unnecessarily extended.
  • German laid-open specification DE 38 10 174 A1 Device for controlling the coolant temperature of an internal combustion engine is indeed in addition to the blowers that generate the air flow through the cooler, also those from one Electric motor driven coolant pump depending on a temperature setpoint controlled, but the temperature setpoint is dependent on the engine load and Engine speed specified so that the warm-up phase through the Operating point-dependent control of the coolant pump and fan is unnecessary is extended.
  • WO-A-84 00578 describes a control method according to the preamble of Claim 1 known.
  • the speed of the coolant pump being regulated in such a way that the temperature difference between the inlet and outlet temperature of the Motor is below a certain limit.
  • Has the temperature at the outlet of the Motors reaches a certain threshold the temperature difference between the temperature at the inlet and outlet of the motor in relation to the aforementioned Limit value and also the temperature at the output of the motor in relation to one certain temperature limit regulated by the speed of the coolant pump and if necessary, the fan speed is also set accordingly.
  • the circuitry complexity is relatively high and Operation carried out continuously and two separate temperature measurements must be evaluated.
  • the present invention is therefore based on the object of a method for To provide control of a cooling circuit for an internal combustion engine, in which with the simplest possible means, the power consumption of the coolant pump and the Air flow through the cooler module producing blower kept low Warm-up phase of the internal combustion engine by generating too high Coolant flow is not unnecessarily extended.
  • a temperature limit of the coolant between the warm-up phase after the start of the internal combustion engine and one Operation of the internal combustion engine with operating temperature differentiated. Below of the temperature limit is both that generated by the coolant pump Coolant flow and the air flow generated by the fan through the cooler module in Regulated depending on a differential temperature setpoint. After reaching the The temperature limit value controls the coolant pump and the blower both as a function of the differential temperature setpoint and a temperature setpoint of the coolant at the engine outlet.
  • the Temperature limit only the coolant flow generated by the coolant pump in Regulate dependence of the differential temperature, but no air flow through the Generate cooler module.
  • a further shortening of the warm-up phase is achieved if below one Initial coolant temperature that is less than the temperature limit and one defined period of time after starting the internal combustion engine neither Coolant flow from the coolant pump still generates an air flow from the blower. The time period in which neither the coolant pump nor the blower are activated, is determined so that no hot spots can occur on the internal combustion engine.
  • the control of the coolant pump and / or the fan generating the air flow as a function of the heat flow in the coolant occurs. This is done by creating those from the control unit Control signals with a delay to the coolant pump and / or the fan to get redirected. The size of the delay is chosen so that the Time behavior of the coolant pump and the blower the dynamic behavior of the Heat flow of the coolant corresponds.
  • the temperature setpoint of the coolant for the control at least the Coolant pump and blower is preferred depending on one for each Operating point of the internal combustion engine optimal engine temperature determined.
  • the at least from the operating point of the internal combustion engine and from The coolant flow predetermined heat flow is stored as a map in the control unit.
  • the coolant circuit shown in FIG. 1 for an internal combustion engine 2 of a motor vehicle consists of several line branches a to f, the opening cross sections of which are controlled by a temperature-dependent valve 6 (thermostat).
  • the direction of rotation of the coolant flow, which is driven by the coolant pump 3, is indicated by arrows.
  • the line branch a is guided via a cooler module 1 for cooling the coolant emerging from the internal combustion engine 2. Air is drawn in from outside the motor vehicle by the fan 4 arranged behind the radiator module 1. When flowing through the cooler module 1, a heat exchange takes place between the air flow m ⁇ l adjustable by the blower 4 and the coolant flow m ⁇ w .
  • a line branch b is provided, the cross section of which can be controlled by the temperature-dependent valve 6 in order to influence the coolant temperature.
  • the line branch c has an expansion tank 7 and serves to regulate the pressure in the entire coolant circuit.
  • a heat exchanger 8 for the interior heating of the motor vehicle and a cooler 9 and 10 for cooling the engine oil and the transmission oil are arranged in the additional line branches d to f. These line branches d to f are optional.
  • the corresponding cooling or heating functions can also be solved in other ways.
  • the coolant circuit includes a control unit 5, for example the control unit of the internal combustion engine, which receives the output signal S sen of the coolant temperature ⁇ w as an input signal , is detected at the engine outlet temperature sensor 11 and via the output signals S pump , S air and S therm both the speed of the Coolant pump 3 and the fan 4 and the temperature-dependent valve 6 controls.
  • a control unit 5 for example the control unit of the internal combustion engine, which receives the output signal S sen of the coolant temperature ⁇ w as an input signal , is detected at the engine outlet temperature sensor 11 and via the output signals S pump , S air and S therm both the speed of the Coolant pump 3 and the fan 4 and the temperature-dependent valve 6 controls.
  • the warm-up V1 of the internal combustion engine As illustrated in FIG. 2, three cases are distinguished in the method according to the invention; the warm-up V1 of the internal combustion engine, the driving mode V2 at the operating temperature of the coolant and the run-on V3.
  • the first method step A1 it is checked whether the internal combustion engine 2 has been started. If this is the case, the coolant temperature ⁇ w is compared (output signal S sen from the temperature sensor 11) at the engine outlet with a temperature limit value ⁇ w characterizing the end of the warm-up phase V1 , warm. At a coolant temperature ⁇ w, below this temperature limit, warm-up V1 is detected. If the coolant temperature ⁇ w, the temperature limit ⁇ w, warml has been reached, the coolant circuit is controlled according to the algorithm for driving mode V2 at operating temperature.
  • the coolant circuit is controlled using an algorithm for the run-on V3. If the coolant temperature ⁇ w is below the temperature limit ⁇ w, the control stops after the internal combustion engine 2 is restarted.
  • the first step is to compare the coolant temperature ⁇ w, at the engine outlet, with a coolant start temperature ⁇ w, start . If the coolant temperature is below the coolant start value ⁇ w, start , the coolant pump 3 starts with a delay of the time period t start in order to keep the heat flow from components of the internal combustion engine 2 into the coolant as low as possible and thus to achieve a faster heating of the components .
  • the coolant flow m ⁇ w generated by the coolant pump 3 is continuously increased until, for the first time, the minimum coolant flow m ⁇ w , min for maintaining the differential temperature setpoint ⁇ w, Mot is intended between Motorein- reaches and exits.
  • the control signal S pump, min for the coolant pump 3 is calculated in the control unit 5 from the minimum coolant flow m ⁇ w , min .
  • the coolant pump 3 is controlled to maintain the differential temperature setpoint ⁇ w, Mot, coolant with a control signal S pump, warml .
  • the actual differential temperature ⁇ w, Mot, required for the control results from the heat flow Q ⁇ Mot from the internal combustion engine into the coolant, which in turn is calculated from the current coolant flow m ⁇ w , the current engine load L Mot and the engine speed n.
  • the heat flow Q ⁇ Mot is preferably stored as a map in the control unit 5 for the special internal combustion engine 2.
  • the reaction of the coolant pump 3 to short-term engine load and speed changes should be prevented. Since, due to the thermal inertia of the internal combustion engine 2, brief changes in the engine load L Mot and the engine speed n play no role for the heat flow Q ⁇ Mot in the coolant, carrying the speed of the coolant pump 3 would represent unnecessary energy consumption.
  • the control signal S pump for the coolant pump is therefore assigned a dynamic transmission behavior, the time constant T stg of which is chosen so that the time behavior of the coolant pump roughly corresponds to the behavior of the heat flow Q ⁇ Mot from the internal combustion engine into the coolant. It follows from this that the speed change of the coolant pump 3 follows the change in the heat flow Q Q mot into the coolant.
  • the blower 4 is not activated during the warm-up phase V1, ie no airflow m ⁇ l is generated by the cooler module 1.
  • the warm-up phase V1 has ended when the current coolant temperature ⁇ w, the temperature limit value den w, warml is reached for the first time.
  • the coolant temperature is also controlled as a function of a temperature setpoint ⁇ w, according to the algorithm for driving mode V2 at operating temperature instead.
  • the temperature setpoint ⁇ w, set is first calculated. For this purpose, there is a map in the control unit 5 in which the optimum temperature setpoint ⁇ w, for the specified engine temperature with variable engine load L Mot , engine speed n and coolant flow m ⁇ w , is stored.
  • the control temperature ⁇ w, therm results for the temperature-dependent valve 6, from which the control signal S therm is determined for the temperature-dependent valve 6.
  • the valve 6 regulates the coolant temperature ⁇ w via the coolant flow conditions between the line branch a led via the cooler module 1 and the line branch b.
  • the coolant circuit is simultaneously used to cool the engine oil via a cooler 9, the current oil temperature ⁇ oil can be monitored with a sensor (not shown). Exceeds the current oil temperature ⁇ oil has a temperature limit value ⁇ oil, cross so the coolant temperature is gradually ⁇ w, is lowered until the oil temperature ⁇ oil drops below this limit temperature value. The coolant temperature required for the selected engine temperature is then set again.
  • the dynamic behavior of the control in the event of brief changes in the engine load L Mot and the engine speed n is different for compliance with the differential temperature setpoint ⁇ w, Mot, setpoint and the temperature setpoint ⁇ w, setpoint.
  • the control according to the differential temperature setpoint ⁇ w, Mot, soll corresponds in its dynamics to that of warming up V1.
  • the regulation according to the temperature setpoint ⁇ w should be done faster by varying the valve current S term and the speeds of the coolant pump 3 and blower 4.
  • a compromise must be found between an energetic optimum and the temperature constancy of the components of the internal combustion engine 2. For energy purposes, it makes sense to allow brief temperature changes in the components, such as those that occur during the overtaking process.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Kühlkreislaufes eines Verbrennungskraftmotors, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit mindestens einer Kühlmittelpumpe zur Einstellung eines Kühlmittelstromes, einem Kühlermodul, in dem ein Wärmeaustausch zwischen einem mittels einem Gebläses einstellbaren Luftstrom und dem Kühlmittel erfolgt, eventuell einem temperaturabhängigen Ventil zum Einstellen eines Mischungsverhältnisses zwischen dem über das Kühlermodul geführten Kühlmittelstrom und einem über einen zweiten Strömungszweig geführten Kühlmittelstrom und einem Steuergerät, das mindestens den von der Kühlmittelpumpe erzeugten Kühlmittelstrom und den von dem Gebläse erzeugten Luftstrom steuert.
Bekannt ist eine Vorrichtung zur Regelung der Kühlung eines Verbrennungskraftmotors, die eine Kühlmittelpumpe zur Erzeugung der Strömung des Kühlmittels in einem über den Verbrennungskraftmotor und einen Kühler geführten Kühlmittelkreislauf, ein Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms durch den Kühler und eine Steuerungseinrichtung, die in Abhängigkeit eines Temperatursollwertes des Kühlmittels den von dem Gebläse erzeugten Luftstrom steuert, beinhaltet. Die Kühlmittelpumpe wird von einem Organ des Verbrennungskraftmotors angetrieben und damit eine von der Drehzahl des Verbrennungskraftmotors abhängige Kühlmittelströmung erzeugt, die insbesondere in der Warmlaufphase nach dem Start des Verbrennungskraftmotors einen zu hohen Energiebedarf erfordert und die Warmlaufphase des Verbrennungskraftmotors unnötig verlängert.
Bei der in der deutschen Offenlegungsschrift DE 38 10 174 A1 beschriebenen Einrichtung zur Regelung der Kühlmitteltemperatur einer Brennkraftmaschine wird zwar neben den den Luftstrom durch den Kühler erzeugenden Gebläse auch die von einem Elektromotor angetriebene Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit eines Temperatursollwertes gesteuert, der Temperatursollwert wird jedoch in Abhängigkeit der Motorlast und der Motordrehzahl vorgegeben, so daß auch hier die Warmlaufphase durch die betriebspunktabhängige Regelung der Kühlmittelpumpe und des Gebläses unnötig verlängert wird.
Aus der WO-A-84 00578 ist ein Regelungsverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Gemäß dieser Druckschrift wird in der Warmlaufphase nur die Kühlmittelpumpe betrieben, wobei die Drehzahl der Kühlmittelpumpe derart geregelt wird, daß die Temperaturdifferenz zwischen der Eingangs- und Ausgangstemperatur des Motors unter einem bestimmten Grenzwert liegt. Hat die Temperatur am Ausgang des Motors einen bestimmten Schwellenwert erreicht, wird die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur am Eingang und Ausgang des Motors in Bezug auf den zuvor genannten Grenzwert und zudem die Temperatur am Ausgang des Motors in Bezug auf einen bestimmten Temperaturgrenzwert geregelt, indem die Drehzahl der Kühlmittelpumpe und gegebenenfalls zusätzlich die Drehzahl des Gebläses entsprechend eingestellt wird. Zur Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur am Eingang und der Temperatur am Ausgang des Motors werden zwei separate Temperatursensoren verwendet, wodurch jedoch der schaltungstechnische Aufwand relativ hoch ist und im Betrieb kontinuierlich zwei separate Temperaturmessungen durchgeführt und ausgewertet werden müssen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Regelung eines Kühlkreislaufes für einen Verbrennungskraftmotor zu schaffen, bei dem mit möglichst einfachen Mitteln die Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe und des den Luftstrom durch das Kühlermodul erzeugenden Gebläses gering gehalten und die Warmlaufphase des Verbrennungskraftmotors durch die Erzeugung eines zu hohen Kühlmittelstromes nicht unnötig verlängert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche definieren vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß der Erfindung wird durch Vorgabe eines Temperaturgrenzwertes des Kühlmittels zwischen der Warmlaufphase nach dem Start des Verbrennungskraftmotors und eines Betriebes des Verbrennungskraftmotors mit Betriebstemperatur unterschieden. Unterhalb des Temperaturgrenzwertes wird sowohl der von der Kühlmittelpumpe erzeugte Kühlmittelstrom und der vom Gebläse erzeugte Luftstrom durch das Kühlermodul in Abhängigkeit eines Differenztemperatur-Sollwertes geregelt. Nach Erreichen des Temperaturgrenzwertes erfolgt die Regelung der Kühlmittelpumpe und des Gebläses sowohl in Abhängigkeit des Differenztemperatur-Sollwertes als auch eines Temperatur-Sollwertes des Kühlmittels am Motoraustritt.
Mit Hilfe der Erfindung wird somit ein schnelles Aufheizen des Verbrennungskraftmotors und eine Verkürzung der Warmlaufphase erreicht, wobei jedoch durch die Einhaltung des Differenztemperatur-Sollwertes zwischen Motoreintritt und Motoraustritt keine Heißpunkte an einzelnen Bauteilen des Verbrennungskraftmotors entstehen können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, unterhalb des Temperaturgrenzwertes nur den von der Kühlmittelpumpe erzeugten Kühlmittelstrom in Abhängigkeit der Differenztemperatur zu regeln, jedoch keinen Luftstrom durch das Kühlermodul zu erzeugen.
Eine weitere Verkürzung der Warmlaufphase wird erreicht, wenn unterhalb einer Kühlmittelanfangstemperatur, die geringer ist als der Temperaturgrenzwert, und einer definierten Zeitdauer nach dem Starten des Verbrennungskraftmotors weder ein Kühlmittelstrom von der Kühlmittelpumpe noch ein Luftstrom vom Gebläse erzeugt wird. Die Zeitdauer, in der weder die Kühlmittelpumpe noch das Gebläse angesteuert werden, wird so festgelegt, daß keine Heißpunkte am Verbrennungskraftmotor entstehen können.
Da aufgrund der thermischen Trägheit des Verbrennungskraftmotors kurzzeitige Änderungen der Motorlast und der Motordrehzahl für den Wärmestrom vom Verbrennungskraftmotor in das Kühlmittel keine Rolle spielen, ist nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Ansteuerung der Kühlmittelpumpe und/oder des den Luftstrom erzeugenden Gebläses in Abhängigkeit des Wärmestroms in das Kühlmittel erfolgt. Das geschieht, indem die vom Steuergerät erzeugten Ansteuersignale mit einer Verzögerung an die Kühlmittelpumpe und/oder das Gebläse weitergeleitet werden. Die Größe der Verzögerung ist jeweils so gewählt, daß das Zeitverhalten der Kühlmittelpumpe und des Gebläses dem dynamischen Verhalten des Wärmestroms des Kühlmittels entspricht.
Nach dem Erreichen des Temperaturgrenzwertes wird für einen minimalen Energieeinsatz nach einer Ausbildung der Erfindung der durch die Kühlmittelpumpe erzeugte Kühlmittelstrom und der durch das Gebläse einstellbare Luftstrom in Abhängigkeit eines zeitlichen Vergleiches der Wirkungsgrade von Kühlmittelpumpe und Gebläse für die Wärmeabfuhr vom Kühlermodul gesteuert.
Der Temperatur-Sollwertes des Kühlmittels für die Regelung mindestens der Kühlmittelpumpe und des Gebläses wird bevorzugt in Abhängigkeit einer für jeden Betriebspunkt des Verbrennungskraftmotors optimalen Motortemperatur ermittelt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den für die Regelung in Abhängigkeit des Differenztemperatur-Sollwertes notwendigen Differenztemperatur-Istwert aus dem Wärmestrom vom Verbrennungskraftmotor in das Kühlmittel und dem Kühlmittelstrom zu ermitteln. Der mindestens vom Betriebspunkt des Verbrennungskraftmotors und vom Kühlmittelstrom vorbestimmte Wärmestrom ist dafür als Kennfeld im Steuergerät abgelegt.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Figur 1
eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkreislaufes,
Figur 2
ein Ablaufdiagramm für das gesamte Regelverfahren,
Figur 3
ein Ablaufdiagramm für die Regelung in der Warmlaufphase des Verbrennungskraftmotors und
Figur 4
ein Ablaufdiagramm für die Regelung der Betriebstemperatur.
Der in Figur 1 gezeigte Kühlmittelkreislauf für einen Verbrennungskraftmotor 2 eines Kraftfahrzeuges besteht aus mehreren Leitungszweigen a bis f, deren Öffnungsquerschnitte über ein temperaturabhängiges Ventil 6 (Thermostat) gesteuert werden. Die Umlaufrichtung des Kühlmittelstromes, der über die Kühlmittelpumpe 3 angetrieben wird, ist mit Hilfe von Pfeilen gekennzeichnet. Der Leitungszweig a ist zur Kühlung des aus dem Verbrennungskraftmotors 2 austretenden Kühlmittels über ein Kühlermodul 1 geführt. Durch das hinter dem Kühlermodul 1 angeordnete Gebläse 4 wird von außerhalb des Kraftfahrzeugs Luft angezogen. Beim Durchströmen des Kühlermoduls 1 findet ein Wärmeaustausch zwischen dem durch das Gebläse 4 einstellbaren Luftstrom m ˙l und dem Kühlmittelstrom m ˙w statt. Weiterhin ist ein Leitungszweig b vorgesehen, dessen Querschnitt zur Beeinflussung der Kühlmitteltemperatur vom temperaturabhängigen Ventil 6 steuerbar ist. Der Leitungszweig c weist einen Ausgleichsbehälter 7 auf und dient zur Druckregulierung im gesamten Kühlmittelkreislauf. In den zusätzlichen Leitungszweigen d bis f sind ein Wärmetauscher 8 für die Innenraumheizung des Kraftfahrzeuges und jeweils ein Kühler 9 und 10 zur Kühlung des Motoröls und des Getriebeöls angeordnet. Diese Leitungszweige d bis f sind fakultativ vorgesehen. Die entsprechenden Kühl- bzw. Heizfunktionen können auch auf anderem Wege gelöst werden. Weiterhin beinhaltet der Kühlmittelkreislauf ein Steuergerät 5, beispielsweise das Steuergerät des Verbrennungskraftmotors, das als Eingangssignal das Ausgangssignal Ssen eines die Kühlmitteltemperatur ϑw,ist am Motoraustritt erfassenden Temperatursensors 11 erhält und über die Ausgangssignale Spump, Sluft und Stherm sowohl die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 3 und des Gebläses 4 als auch das temperaturabhängige Ventil 6 steuert.
Im Weiteren sollen das vom Steuergerät 5 durchzuführende Regelverfahren des Kühlmittelkreislaufes näher beschrieben werden. Die Figuren 2 bis 4 zeigen zur Erläuterung Ablaufdiagramme dieses Regelverfahrens.
Wie in Figur 2 verdeutlicht, werden im erfindungsgemäßen Verfahren drei Fälle unterschieden; der Warmlauf V1 des Verbrennungskraftmotors, der Fahrbetrieb V2 bei Betriebstemperatur des Kühlmittels und der Nachlauf V3. Im ersten Verfahrensschritt A1 wird überprüft, ob der Verbrennungskraftmotor 2 gestartet wurde., ist dies der Fall, erfolgt ein Vergleich der Kühlmitteltemperatur ϑw,ist (Ausgangssignal Ssen des Temperatursensors 11) am Motoraustritt mit einem die Beendigung der Warmlaufphase V1 kennzeichnenden Temperaturgrenzwert ϑw,warml. Bei einer Kühlmitteltemperatur ϑw,ist unterhalb dieses Temperaturgrenzwertes wird auf Warmlauf V1 erkannt. Hat die Kühlmitteltemperatur ϑw,ist den Temperaturgrenzwert ϑw,warml erreicht, wird der Kühlmittelkreislauf nach dem Algorithmus für den Fahrbetrieb V2 bei Betriebstemperatur gesteuert.
Ist der Verbrennungskraftmotor 2 nicht gestartet, wird überprüft, ob die Kühlmitteltemperatur ϑw,ist einen Temperaturgrenzwert ϑw,nach überschreitet, d. h. der Verbrennungskraftmotor 2 muß weiter gekühlt werden. In diesem Fall erfolgt die Regelung des Kühlmittelkreislaufs mit einem Algorithmus für den Nachlauf V3. Liegt die Kühlmitteltemperatur ϑw,ist unterhalb des Temperaturgrenzwertes ϑw,nach stoppt die Regelung bis zum erneuten Starten des Verbrennungskraftmotors 2.
In der Warmlaufphase V1, deren Ablauf in Figur 3 dargestellt ist, erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt der Vergleich der Kühlmitteltemperatur ϑw,ist am Motoraustritt mit einer Kühlmittelanfangstemperatur ϑw,start. Wenn die Kühlmitteltemperatur unterhalb des Kühlmittelanfangswertes ϑw,start liegt, startet die Kühlmittelpumpe 3 mit einer Verzögerung der Zeitdauer tstart, um den Wärmestrom von Bauteilen des Verbrennungskraftmotors 2 in das Kühlmittel so gering wie möglich zu halten und damit ein schnelleres Aufheizen der Bauteile zu erreichen. Nach Ablauf der Zeitdauer tstart oder dem Erreichen des Temperaturanfangswertes ϑw,start wird der durch die Kühlmittelpumpe 3 erzeugte Kühlmittelstrom m ˙w kontinuierlich vergrößert, bis erstmalig der minimale Kühlmittelstrom m ˙w ,min für die Einhaltung des Differenztemperatur-Sollwertes Δϑw,Mot,soll zwischen Motorein- und austritt erreicht ist. Aus dem minimalen Kühlmittelstrom m ˙w ,min wird im Steuergerät 5 das Ansteuersignal Spump,min für die Kühlmittelpumpe 3 berechnet. Ab dem erstmaligen Erreichen des minimalen Kühlmittelstroms m ˙w ,min wird die Kühlmittelpumpe 3 auf die Einhaltung des Differenztemperatur-Sollwertes Δϑw,Mot,soll des Kühlmittels mit einem Ansteuersignal Spump,warml geregelt. Der für die Regelung notwendige Differenztemperatur-Istwert Δϑw,Mot,ist ergibt sich aus dem Wärmestrom Q ˙Mot vom Verbrennungskraftmotor in das Kühlmittel, der sich wiederum aus dem momentanen Kühlmittelstrom m ˙w , der momentanen Motorlast LMot und der Motordrehzahl n errechnet. Vorzugsweise ist der Wärmestrom Q ˙Mot als Kennfeld im Steuergerät 5 für den speziellen Verbrennungskraftmotor 2 abgelegt.
Nach dem Erreichen des minimalen Kühlmittelstroms m ˙w ,min sollte das Reagieren der Kühlmittelpumpe 3 auf kurzfristige Motorlast- und Drehzahländerungen verhindert werden. Da aufgrund der thermischen Trägheit des Verbrennungskraftmotors 2 kurzzeitige Änderungen der Motorlast LMot und der Motordrehzahl n für den Wärmestrom Q ˙Mot in das Kühlmittel keine Rolle spielen, würde das Mitführen der Drehzahl der Kühlmittelpumpe 3 einen unnötigen Energieverbrauch darstellen. Das Ansteuersignal Spump für die Kühlmittelpumpe wird daher mit einem dynamischen Übertragungsverhalten belegt, dessen Zeitkonstanten Tstg so gewählt ist, daß das Zeitverhalten der Kühlmittelpumpe etwa dem Verhalten des Wärmestroms Q ˙Mot vom Verbrennungskraftmotor in das Kühlmittel. Hieraus ergibt sich, daß die Drehzahländerung der Kühlmittelpumpe 3 der Änderung des Wärmestroms Q ˙mot in das Kühlmittel folgt.
Während der Warmlaufphase V1 wird das Gebläse 4 nicht angesteuert, d. h. es wird kein Luftstrom m ˙l durch das Kühlermodul 1 erzeugt. Die Warmlaufphase V1 ist beendet, wenn erstmalig die momentane Kühlmitteltemperatur ϑw,ist den Temperaturgrenzwert ϑw,warml erreicht.
Beim Erreichen des Temperaturgrenzwertes ϑw,warml (Figur 4) findet neben der Regelung in Abhängigkeit des Differenztemperatur-Sollwertes Δϑw,Mot,soll auch eine Regelung der Kühlmitteltemperatur in Abhängigkeit eines Temperatur-Sollwertes ϑw,soll nach dem Algorithmus für den Fahrbetrieb V2 bei Betriebstemperatur statt. Hierfür wird zunächst der Temperatur-Sollwert ϑw,soll errechnet. Dazu liegt im Steuergerät 5 ein Kennfeld vor, in dem der optimale Temperatur-Sollwert ϑw,soll für die vorgegebene Motortemperatur bei variabler Motorlast LMot, Motordrehzahl n und Kühlmittelstrom m ˙w abgelegt ist. Aus diesem variablen Temperatur-Sollwert ϑw,soll am Motoraustritt, dem Kühlmittelstrom m ˙w und dem Wärmestrom Q ˙Mot vom Verbrennungskraftmotor 2 in das Kühlmittel ergibt sich die Regeltemperatur ϑw,therm für das temperaturabhängige Ventil 6, aus der das Ansteuersignal Stherm für das temperaturabhängige Ventil 6 ermittelt wird. Wie auch in einem herkömmlichen Kühlkreislauf regelt das Ventil 6 über die Kühlmittelströmungsverhältnisse zwischen dem über das Kühlermodul 1 geführten Leitungszweig a und dem Leitungszweig b die Kühlmitteltemperatur ϑw,ist.
Aus der Berechnung des minimalen Kühlmittelstromes m ˙w ,min ergibt sich die erforderliche Mindestdrehzahl der Kühlmittelpumpe 3 und damit das optimale Ansteuersignal Spump, min. Überschreitet die momentane Kühlmitteltemperatur ϑw,ist den Temperatursollwert ϑw,soll am Motoraustritt um einen Differenzwert Δϑw,heiß, so wird entweder die Drehzahl der Kühlmittelpumpe 3 und damit der Kühlmittelstrom m ˙w oder die Drehzahl des Gebläses 4 und damit der Luftstrom m ˙l gesteigert. Ob es energetisch sinnvoller ist, Drehzahl der Kühlmittelpumpe 3 oder des Gebläses 4 zu verändern, wird einem zeitlichen Vergleich ihrer Wirkungsgrade für die Wärmeabfuhr am Kühlermodul 1 entnommen. Die Wärmeabfuhr bzw. der Wärmestrom Q ˙w , k am Kühlermodul 1 hängt vom Wärmedurchgangskoeffizienten k ab, der sich aus den Wärmeübergangskoeffizienten Kühlmittel-Kühlermodul und Kühlermodul-Luft ergibt und nach der Formel: k = 1 Ak · 0,8 m l · m w ak · m w  0,8+bk · m l  0,8+ck 0,8 m l · m w berechnet wird, wobei Ak die Fläche am Kühlermodul 1 und ak, bk und ck Konstanten für die Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten sind.
Um die Effektivität der Veränderung des Luftstroms m ˙l und des Kühlmittelstroms m ˙w zu beurteilen werden die partiellen Ableitungen gebildet:
Figure 00080001
Figure 00080002
Für jeden Betriebspunkt des Kühlermoduls ergibt sich damit die Größe der Wärmeabfuhrsteigerung pro Masseneinheit der beteiligten Stoffe. Setzt man diese Werte jetzt im Bezug zum Energieeinsatz PL, Pwapu, den man für die Bereitstellung des Kühlmittelstroms bzw. Luftstroms benötigt, erhält man einen Vergleichswert Kη zur Beurteilung der günstigsten Betriebspunktänderung. Kη = η k,l·1 PL η k,wapu ·1 Pwapu
Ist der Kennwert Kη > 1 ist es Wirkungsgrad günstiger den Luftstrom m ˙l zu steigern. Für Kη < 1 sollte der Kühlmittelstrom m ˙w erhöht werden.
Wenn der Kühlmittelkreislauf, wie in Figur 1 gezeigt, über einen Kühler 9 gleichzeitig zur Kühlung des Motoröls verwendet wird, kann mit einem nicht dargestellten Sensor die momentane Öltemperatur ϑÖl überwacht werden. Überschreitet die momentane Öltemperatur ϑÖl einen Grenztemperaturwert ϑÖl,grenz so wird schrittweise die Kühlmitteltemperatur ϑw,ist gesenkt, bis die Öltemperatur ϑÖl wieder unter diesen Grenztemperaturwert sinkt. Danach wird wieder die für die gewählte Motortemperatur benötigte Kühlmitteltemperatur eingestellt.
Das dynamische Verhalten der Regelung bei kurzzeitigen Veränderungen der Motorlast LMot und der Motordrehzahl n ist für die Einhaltung des Differenztemperatur-Sollwertes Δϑw,Mot,soll und des Temperatur-Sollwertes ϑw,soll unterschiedlich. Die Regelung nach dem Differenztemperatur-Sollwert Δϑw,Mot,soll entspricht in ihrer Dynamik der des Warmlaufs V1. Die Regelung nach dem Temperatur-Sollwert ϑw,soll mittels Variation des Ventilstroms Sterm sowie der Drehzahlen von Kühlmittelpumpe 3 und Gebläse 4 muß schneller erfolgen. Bei der Auslegung muß ein Kompromiß gefunden werden zwischen einem energetischen Optimum und der Temperaturkonstanz der Bauteile des Verbrennungskraftmotors 2. Für die Energiebetrachtung ist es sinnvoll, kurzzeitige Temperaturänderungen der Bauteile, wie sie zum Beispiel beim Überholvorgang entstehen, zuzulassen. Optimiert man in Richtung Temperaturkonstanz der Bauteile des Verbrennungskraftmotors, so kann man durch die Reaktion auf Veränderungen der Motorlast eine Vorsteuerung gegenüber der Veränderung der Kühlmitteltemperatur ϑw,ist bzw. des Wärmestroms Q ˙mot in das Kühlmittel erreichten. Wird ein Motorbetriebspunkt eingestellt, der einen erhöhten Wärmestrom Q ˙Mot in das Kühlmittel zur Folge hätte, so kann man durch Steuerung des temperaturabhängigen Ventils 6 kälteres Kühlmittel in den Verbrennungskraftmotor pumpen, was einen höheren Wärmestrom Q ˙Mot in das Kühlmittel und damit geringere Bauteiltemperaturschwankungen zur Folge hätte. Weiterhin kann im Vorgriff der Kühlmittelstrom m ˙w oder der Luftstrom m ˙l erhöht werden. Dies empfiehlt sich insbesondere, wenn das Ventil 6 aufgrund seiner Bauart nicht in der Lage ist, schnellen Änderungen zu folgen.
BEZUGSZEICHENLISTE
1
Kühlermodul
2
Verbrennungskraftmotor
3
Kühlmittelpumpe
4
Gebläse
5
Steuergerät
6
temperaturabhängiges Ventil
7
Ausgleichsbehälter
8
Wärmetauscher
9
Kühler
10
Kühler
11
Temperatursensor
a - f
Leitungszweige
m ˙w , min
minimaler Kühlmittelstrom
m ˙w
Kühlmittelstrom
m ˙l
Luftstrom
ϑw,warml
Temperaturgrenzwert für den Warmlauf
Δϑw,Mot,ist
Differenztemperatur-Istwert
Δϑw,Mot,soll
Differenztemperatur-Sollwert
ϑw,soll
Temperatursollwert
ϑw,nach
Temperaturgrenzwert für den Nachlauf
tstart
Zeitdauer der Verzögerung
ϑw,start
Temperaturanfangswert
ϑw,therm
Regeltemperatur des temperaturabhängigen Ventils
Δϑw,heiß
Differenzwert
ϑw,ist
momentane Temperatur des Kühlmittels am Motoraustritt
LMot
Motorlast
n
Motordrehzahl
BEZUGSZEICHENLISTE
Q ˙w,k
Wärmestrom am Kühlermodul
Q ˙Mot
Wärmestrom
V1
Warmlauf
V2
Fahrbetrieb bei Betriebstemperatur
V3
Nachlauf
Ssen
Ausgangssignal des Temperatursensors
Spump
Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe
Spump,min
Ansteuersignal für den minimalen Kühlmittelstrom
Spump,warml
Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe in der Warmlaufphase
Stherm
Ansteuersignal für das Ventil
Sluft
Ansteuersignal für das Gebläse
Tstg
Zeitkonstante
ϑÖl
Öltemperatur
ϑÖl,Grenz
Grenztemperaturwert
k
Wärmedurchgangskoeffizient
Ak
Fläche am Kühlermodul
ak, bk, ck
Konstanten
PL
Energieeinsatz für das Gebläse
Pwapu
Energieeinsatz für die Kühlmittelpumpe
Kη
Vergleichswert
ηk,wapu
Wirkungsgrad der Kühlmittelpumpe
ηk,l
Wirkungsgrad des Gebläses

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regelung eines Kühlkreislaufes eines Verbrennungskraftmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeuges,
    mit mindestens einer Kühlmittelpumpe (3) zur Einstellung eines Kühlmittelstromes,
    mit einem Kühlermodul (1), in dem ein Wärmeaustausch zwischen einem mittels eines Gebläses (4) einstellbaren Luftstromes und dem Kühlmittel erfolgt, und
    mit einem Steuergerät (5), das mindestens den von der Kühlmittelpumpe (3) erzeugten Kühlmittelstrom und den von dem Gebläse (4) erzeugten Luftstrom steuert,
    wobei der von der Kühlmittelpumpe (3) erzeugte Kühlmittelstrom und der von dem Gebläse (4) erzeugte Luftstrom durch das Kühlermodul (1) unterhalb eines Temperaturgrenzwertes (ϑw,warml) des Kühlmittels in Abhängigkeit eines Differenztemperatur-Sollwertes (Δϑw,Mot,soll) des Kühlmittels zwischen dem Motoreintritt und dem Motoraustritt und nach Erreichen des Temperaturgrenzwertes (ϑw,warml) in Abhängigkeit sowohl des Differenztemperatur-Sollwertes (Δϑw,Mot,soll) als auch eines Temperatur-Sollwertes (ϑw,soll) geregelt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein für die Regelung in Abhängigkeit des Differenztemperatur-Sollwertes (Δϑw,Mot,soll) notwendiger Differenztemperatur-Istwert (Δϑw,Mot,ist) aus dem Wärmestrom (Q ˙Mot) vom Verbrennungskraftmotor (2) in das Kühlmittel und dem Kühlmittelstrom (m ˙w ) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenztemperatur-Sollwert (Δϑw,Mot,soll) und/oder der Temperatur-Sollwert (ϑw,soll) von dem Betriebspunkt (LMot,n) des Verbrennungskraftmotors (2) abhängig sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgrenzwert (ϑw,warml) das Ende der Warmlaufphase (V1) des Verbrennungskraftmotors (2) kennzeichnet.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des Temperaturgrenzwertes (ϑw,warml) nur der durch die Kühlmittelpumpe (3) erzeugte Kühlmittelstrom (m ˙w ) in Abhängigkeit der Differenztemperatur (Δϑw,Mot,soll) geregelt wird, jedoch kein Luftstrom (m ˙l ) vom Gebläse (4) erzeugt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Starten des Verbrennungskraftmotors (2) unterhalb einer Kühlmittelanfangstemperatur (ϑw,start), die kleiner ist als der Temperaturgrenzwert (ϑw,warml) und während einer vorgegebenen Zeitdauer (tstart) weder ein Kühlmittelstrom (m ˙w ) von der Kühlmittelpumpe (3) noch ein Luftstrom (m ˙l ) vom Gebläse (4) erzeugt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der vorgebbaren Zeitdauer (tstart) in Abhängigkeit der seit dem Start der Brennkraftmaschine vorgekommenen Betriebspunkte definiert wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Kühlmittelpumpe (3) und/oder des Gebläses (4) mit einer Verzögerung erfolgt, deren Zeitkonstanten (Tstg,wapu; Tstg,l) so gewählt sind, daß das Zeitverhalten der Kühlmittelpumpe (3) und/oder des Gebläses (4) dem Verhalten des Wärmestromes (Q ˙Mot ) vom Verbrennungskraftmotor (2) Lin das Kühlmittel bei hohen Motordrehzahlen (n) entspricht.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des Temperaturgrenzwertes (ϑw,warml) und der durch die Kühlmittelpumpe (3) erzeugte Kühlmittelstrom (m ˙w ) und der durch das Gebläse (4) entstellbare Luftstrom (m ˙l ) in Abhängigkeit eines zeitlichen Vergleiches der Wirkungsgrade (ηk,wapu;k,l) von Kühlmittelpumpe und Gebläse für die Wärmeabfuhr am Kühlermodul (1) gesteuert werden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursollwert (ϑw,soll) in Abhängigkeit einer für jeden Betriebspunkt (LMot,n) des Verbrennungskraftmotors (2) optimalen Motortemperatur ermittelt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrom (Q ˙Mot ) vom Verbrennungskraftmotor (2) in das Kühlmittel vom Betriebspunkt (LMot,n) des Verbrennungskraftmotors (2) und vom Kühlmittelstrom (m ˙w ) abhängig im Steuergerät (5) abgelegt ist.
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