EP1405992B1 - Regelsystem zur Regelung eines Kühlungssystems einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Regelsystem zur Regelung eines Kühlungssystems einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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EP1405992B1
EP1405992B1 EP03022279A EP03022279A EP1405992B1 EP 1405992 B1 EP1405992 B1 EP 1405992B1 EP 03022279 A EP03022279 A EP 03022279A EP 03022279 A EP03022279 A EP 03022279A EP 1405992 B1 EP1405992 B1 EP 1405992B1
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    • F01P2025/60—Operating parameters
    • F01P2025/66—Vehicle speed

Definitions

  • the present invention relates to a control system for controlling a vehicle engine cooling system.
  • Known cooling systems supply cooling water to an internal combustion engine, which in turn supplies water to the inlet of a radiator via a thermostatic control valve, and the water from the radiator is pumped back into the engine.
  • the control valve also recirculates part of the water from the engine along a bypass conduit extending from the control valve to the engine cooling water inlet; and, before the water is recirculated, parallel branches may supply other user devices, such as the exhaust gas cooler before recirculation, passenger compartment heater, engine oil cooler, etc., see for example JP 05 231 149 A .
  • the cooling water temperature is regulated solely by the thermostatic valve, which is by nature extremely inaccurate (some known thermostatic valves, for example, operate on the basis of wax expansion, a poorly repeatable phenomenon which is difficult to control.
  • a control system for controlling a cooling system of a vehicle engine, wherein an internal combustion engine receives a stream F a of cooling fluid, and supplies a stream of fluid F u to the inlet of at least a radiator via regulating means controllable by a drive signal; said control system being characterized by comprising: a closed-loop control system, which receives a reference signal T des related to a desired operating temperature of the engine, and a signal T mis representing a measured operating temperature of the engine, said closed-loop control system generating a first component P cl_loop of said drive signal; and an open-loop control system, which receives at least said reference signal T des , and generates a second component P op_loop of said drive signal by means of a model representing the inverse engine-radiator thermal system.
  • the temperature of the cooling fluid thus converges to the reference temperature.
  • Number 1 in Figure 1 indicates as a whole a control system for controlling a cooling system 2 connected to an internal combustion engine 3 of a vehicle (not shown).
  • Internal combustion engine 3 receives a stream F a of cooling fluid (water for instance in the described example), and supplies a stream of water F u to the inlet of a radiator 4 via a control valve 5.
  • Radiator 4 in turn supplies a stream of water which is pumped back along a conduit 6 to engine 3 by a pump 7.
  • Control valve 5 (known type) also recirculates part of stream F u along a recirculating conduit 9 extending from control valve 5 to the engine cooling water inlet.
  • Control valve 5 operates under control of an actuator 10, which receives a drive signal P from an electronic central control unit 12.
  • Electronic central control unit 12 generates the drive signal by means of a closed-loop control system 14 and an open-loop control system 15.
  • closed-loop control system 14 comprises an adding node 17, to which are supplied, with opposite signs, a signal related to the measured operating temperature of the engine, in particular a signal representing the measured temperature T mis of cooling water stream F u at the outlet of engine 3, and a reference signal T des representing a desired target operating temperature of the engine, in particular a target temperature of the stream of cooling water.
  • Adding node 17 generates an error signal T des -T mis , which is supplied to a controller block 20 (e.g. a PID block) to generate a first drive signal component P cl_loop which in turn is supplied to an adding node 22.
  • a controller block 20 e.g. a PID block
  • the measured operating temperature of the engine may be defined by the temperature, measured at characteristic points on the engine, of the metal from which the engine is made; in which case, the reference temperature represents a target temperature of characteristic points of the engine.
  • a second drive signal component P op_loop is supplied by open-loop control system 15, which receives information relating to reference signal T des , and generates the second component P op_loop by means of a mathematical model representing the inverse engine-radiator thermal system.
  • Open-loop control system 15 comprises a number of blocks which together define a model of the engine-radiator thermal system.
  • open-loop control system 15 comprises a first block 30 (detailed below), which receives the desired engine operating temperature value T des (i.e. the desired cooling water temperature or the desired metal temperature at given points on the engine), and generates the estimated value of a coefficient Kr representing, in an appropriate model, the heat exchange performance of the radiator required to maintain the desired temperature value T des .
  • T des i.e. the desired cooling water temperature or the desired metal temperature at given points on the engine
  • Open-loop control system 15 comprises a second block 40, which receives the estimated value of coefficient Kr, and generates the value of the cooling water flow Qf which must be physically circulated in radiator 4 to maintain the desired temperature value T des .
  • the cooling water flow value is expressed as a function of the radiator fan operating state (on/off), and possibly fan speed in the case of electric fans with continuous or step speed adjustment.
  • Open-loop control system 15 comprises a third block 50, which receives the calculated cooling water flow value Qf and information relating to the fan on/off state or fan speed in the case of continuous or step speed adjustment.
  • block 50 calculates, on the basis of the information received, the opening value ⁇ of control valve 5 required to maintain the desired temperature value T des .
  • valve opening value refers not only to valve 5 in the Figure 1 embodiment, but also to the auxiliary valves (not shown in Figure 1 for the sake of simplicity) controlling cooling water flow in the various branches of the cooling circuit. Variations in the opening or closure of the auxiliary valves, in fact, affects cooling water flow to radiator 4.
  • the above calculation is performed using an appropriate table, which supplies an opening value ⁇ of valve 5 (and any auxiliary valves) for each input value Qf.
  • the first variation is advantageously used when the speed of pump 7 cannot be adjusted independently, in which case, flow can only be regulated by working on the opening of control valve 5 (and any auxiliary valves).
  • block 50 calculates, on the basis of the information received, the pump speed ⁇ and the opening ⁇ of valve 5 (and any auxiliary valves) which together provide for maintaining the desired temperature value T des .
  • the pump speed and opening of valve 5 are selected to maximize a given requirement, such as minimizing consumption or reducing noise.
  • the second variation is advantageously used when pump 7 allows of independent speed adjustment, in which case, flow can be regulated by working both on the opening of control valve 5 (and any auxiliary valves) and on the speed of the pump (electrically powered, program-powered by the drive shaft via friction wheels, electromagnetic clutches, etc..).
  • Equation (1) as shown above may obviously be based on a subset of the above nine input variables.
  • Equation (1) may be derived from analytical formulation, or from a test-based data table, or from a combination of the two.
  • engine sensor readings or information derived from processing them
  • the parameters of equation (1) can be updated continuously, or in predetermined time steps, or with reference to mileage, or on command.
  • K r K cc + S h ⁇ H h ⁇ T ⁇ m - T des T des - T 0 - 1 L 0 ⁇ d T des d t
  • Equation (2) as shown above may obviously be based on a subset of the above twelve input variables.
  • Equation (2) may be derived from a mathematical model, which determines the metal temperature at various characteristic points of the engine, or from a table of values memorized beforehand on the basis of test results, or from a combination of the two.
  • second block 40 comprises a block 41, which applies the Kr value to a first table which in return supplies the value Qf of the cooling water flow required by the radiator to maintain the desired temperature value T des .
  • the first table calculates flow in a condition in which the radiator fan is off.
  • Block 41 is followed by a block 42, which determines whether the calculated flow value is below a given limit value. If it is, the flow measured using the first table is acquired and used for subsequent calculations. Conversely, block 42 is followed by a block 43, which applies the Kr value to a second table which in return supplies the value Qf of the cooling water flow which must be physically implemented to maintain the desired temperature value T des .
  • the second table calculates flow in a condition in which the radiator fan is on, and likewise in the event the speed of the radiator fan is continuously or step adjustable.
  • control system Being a smart system, the control system according to the invention provides for all-round cooling water temperature control, thus greatly improving performance of all the thermal functions dependent on the engine cooling system, e.g. the vehicle heating system, EGR exhaust gas cooling system, etc.
  • the open-loop control system model may also supply an information flow Inf2 to controller 20 of closed-loop control system 14 to continuously update the control parameters of controller 20.
  • Information flow Inf2 thus provides for updating the parameters of the controller on the basis of information flow Inf1 from the engine.
  • Information flows Inf1, Inf2 may even be disabled or accentuated in relation to particular operating conditions of the engine.

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Claims (21)

  1. Steuersystem zum Steuern eines Kühlsystems (2) eines Fahrzeugmotors, wobei ein interner Verbrennungsmotor (3) einen Strom Fa aus Kühlfluid empfängt und einen Strom aus Fluid Fu über Regulierungseinrichtungen (5), die durch ein Ansteuersignal (P) gesteuert werden können, dem Einlass wenigstens eines Kühlers (4) zuführt,
    wobei das Steuersystem dadurch gekennzeichnet ist, dass es umfasst:
    ein geschlossenes Regelsystem (14), das ein Referenzsignal Tdes, das sich auf eine erwünschte Betriebstemperatur des Motors bezieht, und ein Signal Tmis, das eine gemessene Betriebstemperatur des Motors darstellt, empfängt, wobei das geschlossene Regelsystem eine erste Komponente Pcl_loop des Ansteuersignals erzeugt und
    ein offenes Regelsystem (15), das wenigstens das Referenzsignal Tdes empfängt und eine zweite Komponente Pop_loop des Ansteuersignals mit Hilfe eines Modells erzeugt, das das inverse Motor-Kühler-Wärmesystem darstellt.
  2. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Referenzsignal durch eine SollTemperatur des Kühlfluids definiert wird und das Signal Tmis eine gemessene Betriebstemperatur des Motorkühlfluids darstellt.
  3. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Referenzsignal durch eine Solltemperatur von charakteristischen Punkten des Motors definiert wird und das Signal Tmis eine gemessene Temperatur des Metalls des Motors darstellt.
  4. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das geschlossene Regelsystem (14) einen ersten Addierknoten (17) umfasst, an den das Referenzsignal Tdes und das Signal Tmis mit umgekehrten Vorzeichen bereitgestellt werden, wobei der erste Addierknoten (17) ein Fehlersignal erzeugt, das in die Steuereinrichtung (20) eingespeist wird, die die erste Komponente Pcl_loop des Ansteuersignals erzeugt.
  5. Steuersystem nach Anspruch 4, wobei ein zweiter Addierknoten (22) bereitgestellt ist, der die erste und die zweite Komponente des Ansteuersignals empfängt, um das Ansteuersignal zu erzeugen.
  6. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das offene Regelsystem erste Berechnungseinrichtungen (30) umfasst, die den erwünschten Temperaturwert Tdes empfangen und den geschätzten Wert eines Koeffizienten Kr erzeugen, mit dem die Leistung des Kühlers in Bezug auf einen Wärmeaustausch mit der Außenseite zu bestimmen ist und die physikalisch implementiert werden muss, um den erwünschten Temperaturwert Tdes vorzuhalten.
  7. Steuersystem nach Anspruch 6, wobei das offene Regelsystem (15) zweite Berechnungseinrichtungen (40) umfasst, die den Wert des Koeffizienten Kr empfangen und den Wert Qf des Kühlfluid-Durchflusses erzeugen, der physikalisch in dem Kühler zirkuliert werden muss, um den erwünschten Temperaturwert Tdes vorzuhalten.
  8. Steuersystem nach Anspruch 7, wobei der Kühlfluid-Durchflusswert Qf als eine Funktion des Betriebszustands (EIN/AUS) des dem Kühler zugehörigen Gebläses oder der kontinuierlichen oder stufenweise einstellbaren Drehzahl des Gebläses ausgedrückt wird.
  9. Steuersystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei das offene Regelsystem (15) dritte Berechnungseinrichtungen (50) umfasst, die den Kühlfluid-Durchflusswert empfangen und auf Basis von an ihren Eingängen bereitgestellten Informationen den Öffnungswert der Regulierungseinrichtungen (5) erzeugen, durch den der erwünschte Temperaturwert Tdes vorgehalten wird.
  10. Steuersystem nach Anspruch 7 oder 8, wobei das offene Regelsystem (15) dritte Berechnungseinrichtungen (50) umfasst, die den berechneten Kühlfluid-Durchflusswert Qf empfangen und auf Basis von an ihren Eingängen bereitgestellten Informationen die Geschwindigkeit einer Pumpe des Kühlsystems und die Öffnung der Regulierungseinrichtungen (5) erzeugen, die zusammen das Vorhalten des erwünschten Temperaturwertes Tdes sichern.
  11. Steuersystem nach Anspruch 6, wobei die ersten Berechnungseinrichtungen (30) den geschätzten Wert des Koeffizienten Kr mit Hilfe einer Gleichung K r = f S h ⁢ H h ⁢ T m ⁢ T des ⁢ T 0 ⁢ k cc ⁢ L 0 ⁢ k rgr ⁢ k oil
    Figure imgb0008
     berechnen, die auf wenigstens zwei der folgenden Variablen basiert:
    - Sh, welche die Motorkühlfluid-Wärmeaustauschfläche darstellt;
    - Hh, welche den Motorkühlfluid-Wärmeaustauschkoeffizienten darstellt;
    - Tm, welche die Motormetalltemperatur darstellt;
    - To, welche die Umgebungstemperatur darstellt;
    - Kcc, welche ein Parameter ist, durch den die Wärmeleistung zu bestimmen ist, die für die Fahrgastraumklimaanlage erforderlich ist;
    - Kegr, welche einen Parameter darstellt, durch den die durch den AGR-Wärmeaustauscher ausgetauschte Wärmeleistung zu bestimmen ist;
    - Koil, welche ein Parameter ist, durch den die durch den Ölaustauscher ausgetauschte Wärmeleistung zu bestimmen ist;
    - Tdes, welche die Zieltemperatur darstellt;
    - Lo, welche die thermische Trägheit des Kühlfluids darstellt.
  12. Steuersystem nach Anspruch 11, wobei die Gleichung analytisch ist.
  13. Steuersystem nach Anspruch 11, wobei die Gleichung eine Datenbank umfasst, die auf Versuchen aufgebaut ist.
  14. Steuersystem nach Anspruch 11, wobei die Gleichung folgenden Typs ist: K r = K cc ⁢ S h ⁢ H h ⁢ T ˙ m - T des T des - T 0 - 1 L 0 ⁢ dT des dt .
    Figure imgb0009
  15. Steuersystem nach Anspruch 11, wobei die Metalltemperatur Tm mit Hilfe eines Sensors auf dem Motor gemessen wird.
  16. Steuersystem nach Anspruch 11, wobei die Metalltemperatur Tm mittels einer Gleichung T ^ m = f M m ⁢ C m ⁢ Q load ⁢ S m ⁢ H m ⁢ T 0 ⁢ S h ⁢ H n ⁢ T mis ⁢ K r ⁢ K cc ⁢ K olio ⁢ K egr
    Figure imgb0010
     bestimmt wird, die auf wenigstens zwei der folgenden Variablen basiert:
    - Mm, welche die Metallmasse darstellt;
    - Cm, welche die Metall-Wärmekapazität darstellt;
    - Qload, welche die durch den Motor ausgetauschte Wärmelast darstellt;
    - Sm, welche die Motorluft-Wärmeaustauschfläche darstellt;
    - Hm, welche den Motorluft-Wärmeaustauschkoeffizienten darstellt;
    - Sh, welche die Motorkühlfluid-Wärmeaustauschfläche darstellt;
    - Hh, welche den Motorkühlfluid-Wärmeaustauschkoeffizienten darstellt;
    - To, welche die Umgebungstemperatur darstellt;
    - Tmis, welche die Motorauslass-Kühlfluidtemperatur darstellt;
    - Kcc, welche ein Parameter ist, durch den die Wärmeleistung zu bestimmen ist, die für die Fahrgastraumklimaanlage erforderlich ist;
    - Kegr, welche einen Parameter darstellt, durch den die durch den AGR-Wärmeaustauscher ausgetauschte Wärmeleistung zu bestimmen ist;
    - Koil, welche ein Parameter ist, durch den die durch den Ölaustauscher ausgetauschte Wärmeleistung zu bestimmen ist.
  17. Steuersystem nach Anspruch 16, wobei die Gleichung (2) auf einem mathematischen Modell basiert, das die Metalltemperatur an verschiedenen charakteristischen Punkten des Motors bestimmt.
  18. Steuersystem nach Anspruch 16, wobei die Gleichung (2) auf einer Datenbank basiert, die auf Basis von Prüfmessungen eingelesen wurde.
  19. Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die zweiten Berechnungseinrichtungen (40) umfassen:
    - eine erste Tabelle, die auf Basis eines empfangenen Wertes des Koeffizienten Kr den Wert Qf des Kühlfluid-Durchflusses bereitstellt, der erforderlich ist, um den erwünschten Temperaturwert Tdes vorzuhalten, wobei die erste Tabelle den Kühlfluid-Durchfluss in einem Zustand berechnet, in dem das dem Kühler zugehörige Gebläse abgeschaltet ist, und
    - Vergleichseinrichtungen (42) zum Bestimmen, ob der berechnete Kühlfluid-Durchflusswert unter einem gegebenen Grenzwert ist, falls er es ist, wird der unter Verwendung der ersten Tabelle erhaltene Kühlfluid-Durchfluss bezogen und in dem Modell genutzt,
    - umgekehrt wird eine zweite Tabelle gewählt, die den Wert Qf des Kühlfluid-Durchflusses, der erforderlich ist, um den erwünschten Temperaturwert Tdes vorzuhalten, für den Kühler bereitstellt, wobei die zweite Tabelle den Kühlfluid-Durchfluss in einem Zustand berechnet, in dem das dem Kühler zugehörige Gebläse eingeschaltet ist.
  20. Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Modell des offenen Regelsystems (15) eine Anzahl von Informationselementen (Inf1), die an dem Motor detektiert werden, empfängt und das Modell auf Basis der Informationselemente aktualisiert.
  21. Steuersystem nach Anspruch 20, wobei das Modell einen Informationsstrom (Inf2) für einen Kontroller (20) des geschlossenen Regelsystems (14) bereitstellt, um die Steuerparameter des Kontrollers kontinuierlich zu aktualisieren.
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