EP0993546B1 - Verfahren zur wärmeregulierung einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP0993546B1
EP0993546B1 EP98938667A EP98938667A EP0993546B1 EP 0993546 B1 EP0993546 B1 EP 0993546B1 EP 98938667 A EP98938667 A EP 98938667A EP 98938667 A EP98938667 A EP 98938667A EP 0993546 B1 EP0993546 B1 EP 0993546B1
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combustion engine
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heat
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    • F01P7/12—Controlling of coolant flow the coolant being cooling-air by throttling amount of air flowing through liquid-to-air heat exchangers by thermostatic control

Definitions

  • the invention relates to a method for thermoregulating a Internal combustion engine for vehicles according to the features of the preamble of claim 1.
  • the thermal management of an internal combustion engine and a vehicle i.e. the cooling and heating of units and equipment an optimal operating temperature, is for efficiency and thus of crucial importance for the vehicle system, in particular in terms of economy, function, Lifespan and comfort. It is therefore desirable that the Devices and units, in particular the internal combustion engine the optimal operating temperature as quickly as possible reach and, if possible, maintain it throughout operation.
  • EP 0 499 071 A1 describes a cooling system for a vehicle Internal combustion engine known.
  • the cooling system comprises several circuits with assigned heat exchangers.
  • the temperatures different cooling media are measured and in a central Evaluation device processed to output signals by electrically controllable devices such as speed-controlled pumps, speed controlled fans, electrically controllable valves and a blind arranged in the air flow path can be controlled.
  • electrically controllable devices such as speed-controlled pumps, speed controlled fans, electrically controllable valves and a blind arranged in the air flow path can be controlled.
  • the heat exchanger performance or the fan speed is for everyone Cooling circuits always according to the highest demand of one of the cooling circuits aligned.
  • DE 37 38 412 A1 describes a method for heat regulation an internal combustion engine known in which the delivery rate of electric pumps not only depending on the coolant temperature, but depending on at least one other Operating parameter is carried out.
  • receives an electronic Switching device as input signals the operating temperature of the internal combustion engine, the air temperature in the immediate vicinity of the Internal combustion engine that is further away from the internal combustion engine measurable ambient temperature, the temperature of Engine parts and the speed of the internal combustion engine and one Information about the driving speed of the vehicle.
  • the electronic Switchgear processes the input signals Output signals and first gives an output signal to the electrical Pump off. Additional output signals may be on the valves are output and to an actuating device, the one arranged in front of a heat exchanger used as a cooler, adjustable Blind operated, and finally on heat exchangers assigned blower motors.
  • EP 0 084 378 A1 describes a control device for a cooling system an internal combustion engine known in which the input variables can be evaluated by means of a microprocessor. As input variables serve the cooling water temperature, the vehicle speed and the ambient temperature.
  • DE 38 10 174 A1 shows a device for regulating the coolant temperature an internal combustion engine, wherein a control device or evaluation device as input signals next to the cooling water temperature, the load and the speed of the internal combustion engine receives.
  • the load of the internal combustion engine can indirectly by measuring the intake manifold vacuum of a mixture-compressing one Internal combustion engine or by measuring the position of the Control rod of an injection pump of an air-compressing internal combustion engine be determined.
  • DE 41 09 498 describes a method for regulating the Temperature of an internal combustion engine is known, in which a control device the following operating parameters as input signals processed: temperature of the internal combustion engine, intake temperature, Engine speed, vehicle speed, load of Internal combustion engine, operating condition of the air conditioning, heating of the motor vehicle, the time, the diagnostic information, an output signal a knock control device and the temperature of the Cooling water.
  • DE 44 26 494 A1 describes a device for monitoring of the cooling system in an internal combustion engine. Under Using a microprocessor will improve the functionality of the Cooling system monitored by the course of a temperature signal is evaluated and detected temperature changes per unit of time be compared with plausible values. The evaluation serves not to control the cooling system, but only to control it Monitoring and to reliably and reliably detect malfunctions to be able to.
  • the cylinder head one is suitable as a critical component for this Internal combustion engine, namely the area between exhaust valves, the so-called dock zone. Because this area is exposed to the hot exhaust gases is, it is special due to high temperatures and frequent Temperature changes at risk. Because of its small mass and Due to its position, it reacts very much to changes in heat load quickly, so that its temperature for the heat accumulation in the internal combustion engine is very characteristic.
  • the optimal operating temperatures in the starting phase reach an internal combustion engine for vehicles particularly quickly, if with increasing temperature or increasing heat the pumps put the pumps into operation and be regulated, then the thermostats, then the blind and finally the fan.
  • the drawing shows the structure of a cooling system in a schematic manner to carry out the method according to the invention.
  • Temperature sensors 4 and 6 record the Cooling water temperature at cooling water inlet 2 or at the cooling water outlet 3. Furthermore, the internal combustion engine 1 has in the area between Exhaust valves, in the so-called “web zone", a temperature sensor 5.
  • the temperature sensors 4, 5 and 6 conduct the Temperature signals via signal lines 8 to an evaluation device 7, e.g. engine electronics, which also include performance characteristics of the Internal combustion engine 1 detects that specific to the heat are.
  • the evaluation device 7 converts the input variables and characteristic values to manipulated variables. Via signal lines 9 with dashed lines corresponding control signals are shown electrically controllable devices directed to cooling or To promote heating agents, especially cooling water, cooling air and oil and regulate their volume flows.
  • One of these facilities a fan 11, which is driven by a controllable electric motor 12 electrically driven and controllable water pumps 22 and 23, an electric thermostat 28 and an electrically driven one Venetian blind 24.
  • the fan 11 promotes cooling air through a water cooler 13, wherein the cooling air throughput through the water cooler 13 on the one hand the speed of the fan 11 is determined, and on the other hand if the fan 11 is switched off by the position of the blind 24.
  • the water pump 22 which serves as the main pump, conveys the cooling water through the water cooler 13 and the internal combustion engine 1 and through an oil cooler 14 with an oil inlet port 15 and a Oil outlet port 16, through an exhaust gas cooler 17 with an exhaust gas inlet port 18 and an exhaust outlet 19 and through a Interior heating 20.
  • the direction of flow of the cooling water is with small arrows along the cooling water lines 10 indicated.
  • the Cooling water system is via a compensating line 27 and a vent line 26 connected to an expansion tank 25.
  • the water pumps 22 and the fan 11 is switched off and the thermostat 28 and the blind 24 closed. With increasing temperature, the Water pump 22 started up and according to the heat regulated. Thereafter, regulation of the thermostat 28 begins. Finally, the blind 24 is opened and the fan 11 starts with the scheme. The temperature continues to rise, though everyone Facilities set to maximum values or because individual Components have failed, the performance of the Internal combustion engine reduced accordingly.

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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 das Systems Fahrzeug von entscheidender Bedeutung, insbesondere hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, Funktion, Lebensdauer und des Komforts. 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 entzogen 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 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 Umgebungstemperatur.
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 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.
Weiterhin 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.
Schließlich ist aus der gattungsbildenden US 4 768 484 ein Verfahren zur Regulierung einer Wärmeeinrichtung bekannt, bei der über einen Mikroprozessor Signale von Temperaturfühlern einer elektronischen Auswerteeinheit mit einem Mikroprozessor zugeführt werden.
Die Möglichkeiten einer (schnellen) Einwirkung auf den Wärmeentwicklung sind allerdings begrenzt.
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. 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 Bauteiltemperaturen und/oder Leistungskennwerte als solche, sondern Veränderungen pro Zeiteinheit bei der Regelung berücksichtigt werden. 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.
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 Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
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 ßStegzone", 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.
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 zunächst 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-bzw. 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) mit mindestens einem Mikroprozessor zu Stellsignalen für die Einrichtungen (11, 12, 22, 23, 24, 28) verarbeitet werden, wobei Temperaturen der Kühl- bzw. Heizmittel erfaßt und bei der Regelung berücksichtigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß kritische Bauteiltemperaturen und/oder Leistungskennwerte der Brennkraftmaschine (1) erfaßt werden und Veränderungen der kritischen Bauteiltemperaturen und/oder der Leistungskennwerte der Brennkraftmaschine pro Zeiteinheit bei der Regelung berücksichtigt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur eines Zylinderkopfs im Bereich zwischen 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 bzw. 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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