EP2739833A1 - Kühlmittelkreislauf für eine brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben eines kühlmittelkreislaufs - Google Patents

Kühlmittelkreislauf für eine brennkraftmaschine und verfahren zum betreiben eines kühlmittelkreislaufs

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EP2739833A1 EP12732543.9A EP12732543A EP2739833A1 EP 2739833 A1 EP2739833 A1 EP 2739833A1 EP 12732543 A EP12732543 A EP 12732543A EP 2739833 A1 EP2739833 A1 EP 2739833A1
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Abstract

Kühlmittelkreislauf (1) für eine Brennkraftmaschine (2), wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine (2) und einer Wärmesenke (3) in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils (4), das im Ausgangszustand bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine (2) geschlossen ist, zirkulieren kann, wobei das Ventil (4) in Abhängigkeit eines von der Brennkraftmaschine (2) emittierten Abgasmassenstroms in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand schaltbar ist und wobei eine Steuereinrichtung (6) ein Integral des Abgasmassenstroms nach der Zeit ermittelt und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes das Ventil (4) in den Folgezustand schaltet.

Description

Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine und Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs
Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine und einer Wärmesenke in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils, das im Ausgangszustand bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine geschlossen ist, zirkulieren kann, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs.
Derartige Kühlmittelkreisläufe werden insbesondere im Fahrzeugbau dazu verwendet, um das von der Brennkraftmaschine erwärmte Kühlmittel durch Zirkulation über die Wärmesenke zu kühlen. Dadurch wird die Brennkraftmaschine vor Schäden durch Überhitzung geschützt. Zur Verringerung der Reibleistung der Brennkraftmaschine im Sinne einer Wirkungsgradverbesserung, ist bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eine rasche Erwärmung der Brennkraftmaschine und dementsprechend auch des Kühlmittels wünschenswert. Aus diesem Grund kann ein in einen geschlossenen Zustand geschaltetes Ventil die Kühlmittelzirkulation so lange unterbinden, bis eine ausreichende Erwärmung erreicht wurde.
Die Ermittlung des Zeitpunkts zum Öffnen des Ventils erfolgt nach dem Stand der Technik in Abhängigkeit von der Überschreitung einer Drehmoment- bzw. Drehzahlschwelle durch die Brennkraftmaschine. So zeigt die DE 100 45 613 A1 ein Verfahren zur Kühlmitteltemperaturregelung einer Motorkühlung, wobei die Kühlmitteltemperatur in Abhängigkeit von einer Last und/oder einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine geregelt wird. Dies führt häufig jedoch zur vorzeitigen Öffnung des Ventils bei zu niedrigen Kühlmitteltemperaturen, wodurch Wirkungsgradverluste in Kauf genommen werden müssen.
Die DE 101 54 091 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Kühlsystems einer Verbrennungskraftmaschine, wobei die Leistung einer Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit von einer der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Kraftstoffmenge regelbar ist. Die Kraftstoffmenge eignet sich jedoch nicht ohne weiteres als Regelgröße zur Regelung eines Kühlsystems, da insbesondere bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine regelmäßig keine stöchiometrische Umsetzung des Kraftstoffes stattfindet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs bereitzustellen, das einen wirkungsgradoptimierten Kaltstart der Brennkraftmaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 5 gelöst.
Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine und einer Wärmesenke in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils, das im Ausgangszustand bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine geschlossen ist, zirkulieren kann und wobei das Ventil in Abhängigkeit eines von der Brennkraftmaschine emittierten Abgasmassenstroms in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand schaltbar ist, wobei eine Steuereinrichtung ein Integral des Abgasmassenstroms nach der Zeit ermittelt und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes das Ventil in den Folgezustand schaltet. Indem die Öffnung des Ventils nach dem Kaltstart vom emittierten Abgasmassenstrom abhängig gemacht wird, kann sehr genau der optimale Zeitpunkt zur Beendigung der schnellen Erwärmung der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Der Integralwert des Abgasmassenstroms nach der Zeit spiegelt den tatsächlichen Eintrag von Wärmeenergie in das Kühlmittel wieder. Überschreitet der Integralwert einen vorher definierten Integralschwellwert, wird das Ventil vollständig oder schrittweise geöffnet. Dadurch werden auf der einen Seite lokale Überhitzungen der Brennkraftmaschine (sog. „Hot-Spots") wirksam verhindert und auf der anderen Seite ein schnellstmögliches Erreichen einer niedrigen Reibleistung erzielt. Als Kaltstart kann in diesem Zusammenhang eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine verstanden werden, bei der die Kühlmitteltemperatur annähernd der Temperatur der Umgebungsluft entspricht. Als Wärmesenke eignet sich ein üblicher Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher, der über eine Verschlauchung mit der Brennkraftmaschine einen Kreislauf ausbildet. Zur erzwungenen Zirkulation des Kühlmittels eignen sich Kühlmittelpumpen, beispielsweise Kreiselpumpen. Das Ventil ist vorzugsweise als beheizbarer Kennfeldthermostat ausgebildet bzw. wird per Pneumatik oder Elektromechanik betätigt.
In einer bevorzugten Ausführung des Kühlmittelkreislaufs ermittelt die Steuereinrichtung den Abgasmassenstrom aus einer Einspritzmenge eines Kraftstoffs. Die Steuereinrichtung ist dazu vorzugsweise als Steuergerät für die Brennkraftmaschine ausgebildet und bemisst in dieser Funktion unter anderem die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Aus der Kraftstoffmenge leitet sich zwangsläufig der nach der Verbrennung emittierte Abgasmassenstrom ab, der durch die Abgasanlage abgeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführung des Kühlmittelkreislaufs ermittelt die Steuereinrichtung die Einspritzmenge je Zeiteinheit. Besonders vorteilhaft ist die Unterteilung des Einspritzvorgangs in möglichst kleine Zeiteinheiten zur genaueren Bestimmung der Einspritzmenge. In einer bevorzugten Ausführung des Kühlmittelkreislaufs ist das Ventil Teil einer Kühlmittelpumpe oder wird durch die Kühlmittelpumpe gebildet. Das Ventil kann in die Kühlmittelpumpe integriert sein oder durch eine schaltbare Kühlmittelpumpe gebildet werden. Dadurch lassen sich Bauteile und Bauraum sparen.
Ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs für eine Brennkraftmaschine, wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine und einer Wärmesenke in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils zirkulieren kann, um- fasst die folgenden Schritte:
- Schalten eines geschlossenen Ausgangszustandes des Ventils bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine;
- Kontinuierliches Erfassen eines von der Brennkraftmaschine emittierten Abgasmassenstroms ab dem Kaltstart;
- Schalten des Ventils in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms, wobei ein Integral des Abgasmassenstroms nach der Zeit gebildet und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes der Folgezustand geschaltet wird.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ebenso die bereits für den Kühlmittelkreislauf genannten Vorteile.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Darin zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Kühlmittelkreislaufs für eine Brennkraftmaschine;
Figur 2 ein Diagrammdarstellung des Abgasmassenstroms über die Zeit. Gemäß Fig. 1 hat ein Kühlmittelkreislauf 1 für eine Brennkraftmaschine 2 eine Wärmesenke 3. Die Wärmesenke 3 wird zum Einen mit Umgebungsluft und zum Anderen mit Kühlmittel durchströmt. Durch den stattfindenden Wärmeaustausch kühlt das im Kühlmittelkreislauf 1 zirkulierende Kühlmittel ab. Die Kühlmittelzirkulation wird durch eine Kühlmittelpumpe 5 erzeugt, wobei ein schaltbares Ventil 4 die Kühlmittelzirkulation unterbinden kann. Die Brennkraftmaschine 2 hat mehrere Brennräume 2c, in denen Kraftstoff verbrannt wird, wodurch sich die Brennkraftmaschine 2 erwärmt. Die entstehende Wärme kann durch das Kühlmittel an die Wärmesenke 3 abgeführt werden. Der Kraftstoff wird entweder in die Ansauganlage 2a oder direkt in die Brennräume 2c eingespritzt und anschließend mit der angesaugten Luft vermischt. Das abgebrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch wird durch die Abgasanlage 2b ausgestoßen. Eine Steuereinrichtung 6 erfasst die Einspritzmenge des Kraftstoffs je Zeiteinheit und ermittelt daraus den Abgasmassenstrom durch die Abgasanlage 2b. Die Steuereinrichtung 6 bildet ein Integral des Abgasmassenstroms über die Zeit, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 2, also der Inbetriebnahme bei einer Kühlmitteltemperatur, die annähernd der Umgebungstemperatur entspricht, befindet sich das Ventil 4 in seinem geschlossenen Ausgangszustand und es findet keine Kühlmittelzirkulation statt. Die Steuereinrichtung 6 beginnt gleichzeitig mit einer kontinuierlichen Berechnung des Integralwerts und veranlasst eine zumindest teilweise Öffnung des Ventils 4, sobald der Integralwert einen definierten Integralschwellwert überschreitet.
Gemäß der Fig. 2 wird der Integralwert dadurch gebildet, indem der emittierte Abgasmassenstrom je Zeiteinheit tx erfasst und so lange kontinuierlich aufintegriert wird, bis der Integralschwellwert überschritten ist. Liste der Bezugszeichen: tx Zeiteinheit
1 Kühlmittelkreislauf
2 Brennkraftmaschine 2a Ansauganlage
2b Abgasanlage
2c Brennraum
3 Wärmesenke
4 Ventil
5 Kühlmittelpumpe
6 Steuereinrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Kühlmittelkreislauf (1) für eine Brennkraftmaschine (2), wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine (2) und einer Wärmesenke (3) in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils (4), das im Ausgangszustand bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine (2) geschlossen ist, zirkulieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4) in Abhängigkeit eines von der Brennkraftmaschine (2) emittierten Abgasmassenstroms in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand schaltbar ist, wobei eine Steuereinrichtung (6) ein Integral des Abgasmassenstroms nach der Zeit ermittelt und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes das Ventil (4) in den Folgezustand schaltet.
2. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) den Abgasmassenstrom aus einer Einspritzmenge eines Kraftstoffs ermittelt.
3. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) die Einspritzmenge je Zeiteinheit ermittelt.
4. Kühlmittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4) Teil einer Kühlmittelpumpe (5) ist oder durch die Kühlmittelpumpe (5) gebildet wird.
5. Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs (1 ) für eine Brennkraftmaschine (2), wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftma- schine (2) und einer Wärmesenke (3) in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils (4) zirkulieren kann, umfassend die folgenden Schritte:
- Schalten eines geschlossenen Ausgangszustandes des Ventils (4) bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine (2);
- Kontinuierliches Erfassen eines von der Brennkraftmaschine (2) emittierten Abgasmassenstroms ab dem Kaltstart;
- Schalten des Ventils (4) in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms, wobei ein Integral des Abgasmassenstroms nach der Zeit gebildet und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes der Folgezustand geschaltet wird.
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