Verfahren und Steuerung zur Regelung des Kühlkreislaufes eines Fahrzeuges mittels einer thermisch geregelten Wasserpumpe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung der Motortemperatur mittels eines Kühlkreislaufes sowie eine Vorrichtung zur Einstellung der Motortemperatur.
Zur Kühlung von Motoren, insbesondere Verbrennungsmotoren, werden heute in der Regel Kühlkreisläufe umfassend ein Kühlmittel, vorzugsweise Wasser mit den entsprechenden Frostschutzzusätzen, eingesetzt. Dabei durchströmt eine bestimmte Kühlmittelmenge pro Zeiteinheit den zu kühlenden Motor, nimmt dabei die abzuführende Wärme des Verbrennungsmotores auf und transportiert diese zu einem Kühler, beispielsweise einen Rippenkühler, in dem die aufgenommene und transportierte Wärmemenge an die Umgebung abgegeben wird. Die Kühlleistung eines solchen Systems wird im wesentlichen durch die umgewälzte Menge Kühlmittel bestimmt. Die Umwälzung des Kühlmittels erfolgt mittels einer Kühlmittelpumpe. Dabei bestimmt die Fördermenge der Kühlmittelpumpe den Kühlmittelfluß durch den Kühlkreislauf.
Wie aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, ist die Fördermenge der Kühlmittelpumpe im allgemeinen von deren Drehzahl abhängig. Herkömmliche Kühlmittelpumpen stehen in ständiger Triebverbindung mit dem Motor, sie arbeiten somit also motordrehzahlabhängig. Nachteilig an diesem Verfahren zur Kühlung eines Motors, insbesondere eines Verbrennungsmotors ist, daß eine hohe Pumpleistung auch in Fällen, in denen diese nicht benötigt wird, zur Verfügung gestellt wird. Beispielsweise wird Sommers wie Winters bei einer derartigen Anordnung immer dieselbe Menge Kühlmittel durch den Kühlkreislauf gefördert. Hierdurch kommt es zu einer unnötigen Leistungsaufnahme von seiten des Motors, was in
bestimmten Betriebssituationen zu einem unnötig hohen Kraftstoffverbrauch führt. Besonders gravierend wird dieses Problem, wenn in den Kühlkreislauf eine Retarder eingebracht wird, dessen Arbeitsmedium gleichzeitig Kühlmedium für den Motor ist. Dann muß zur sicheren Wärmeabfuhr die Fördermenge der Kühlmittelpumpe so ausgelegt sein, daß auch noch bei zugeschaltetem Retarder die Wärme abgeführt werden kann. Dies erfordert Pumpen mit sehr hoher Leistung.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Kühlung von Motoren, insbesondere Verbrennungsmotoren, anzugeben, mit dem die oben geschilderten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können, sowie eine Regelvorrichtung hierfür.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch 17 gelöst.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Einstellung der Motortemperatur ist vorgesehen, daß die Kühlmitteltemperatur in dem Kühlkreislauf mittels einer drehzahlgeregelten Kühlmittelpumpe derart eingestellt wird, daß möglichst schnell ein optimaler Motortemperaturwert erreicht und ein maximaler Wert keinesfalls überschritten wird.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Motortemperatur ständig ermittelt wird, beispielsweise in Abtastintervallen, die in einem Bereich von mehreren Sekunden bis zu Millisekunden liegen kann.
Anstelle eines fest vorgegebenen Temperaturmaximalwertes für den Motor kann dieser Wert in einer Weiterbildung in Abhängigkeit von der aktuellen Motorleistung vorgegeben werden. Auf diese Art und Weise ist es möglich, mit dem Kühlkreislauf immer nahe an der Temperaturgrenze des Motors zu
fahren, was besonders kraftstoffsparend ist, da die Leistung der Kühlmittelpumpe dann optimal angepaßt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, daß erfindungsgemäße Verfahren in Kühlkreisläufen anzuwenden, die einen Retarder umfassen, wobei dieser Retarder entweder mit einem seperaten Arbeitsmedium betrieben werden kann, und das Kühlmittel nur zum Wärmetausch eingesetzt wird oder aber auch in einer fortgebildeten Ausführungsform das Kühlmittel das Arbeitsmedium des Retarders selbst ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Retarder im Kühlkreislauf zu- und abgeschaltet werden kann, beispielsweise mittels eines Umschaltventiles, der das Kühlmittel in einem Bypass am Retarder vorbei leitet, wenn dieser nicht arbeitet.
Eine besonders kraftstoffeffiziente Ausführungsform sieht vor, daß neben der drehzahlgeregelten Kühlmittelpumpe mindestens eine weitere Kühlmittelpumpe vorgesehen ist. Diese kann entweder motordrehzahlabhängig, fahrgeschwindigkeitsabhängig oder retarderdrehzahlabhängig betrieben werden.
Bei einem Kühlmittelkreislauf, der mehrere Kühlmittelpumpen umfaßt, kann die drehzahigeregelte Kühlmittelpumpe so ausgelegt werden, daß sie die Grundkühllast im Kühlkreislauf zur Verfügung stellt und nur bei besonderen Belastungen die weitere Kühlmittelpumpe zugeschaltet wird, zum Beispiel bei
Bergfahrt. Insbesondere erweist sich eine derartige Anordnung bei Kühlkreisläufen, die einen Retarder umfassen, als besonders vorteilhaft. Hier kann vorgesehen sein, daß die drehzahlgeregelte Kühlmittelpumpe in ihrem Leistungsvermögen gerade so ausgelegt wird, daß sie für jede Betriebssituation des Motors bei nicht in Betrieb befindlichen oder
abgeschaltetem Retarder eine ausreichende Kühlung des Motors gewähleistet.
In einer Weiterbildung dieses Gedankens kann dann vorgesehen sein, daß die mindestens eine weitere Kühlmittelpumpe, wenn der Retarder betrieben wird, zugeschaltet wird, so daß die im Retarder zusätzlich erzeugte Wärme noch sicher abgeführt werden kann, d. h. mit Hilfe dieser weiteren Kühlmittelpumpe in Kombination mit der drehzahlgeregelten Kühlmittelpumpe eine ausreichende Kühlung des Motors gewährleistet wird.
Selbstverständlich ist es in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung auch möglich, daß die weitere Kühlmittelpumpe, die motordrehzahlabhängig, retarderdrehzahlabhängig oder aber fahrgeschwindigkeitsabhängig betrieben wird, in ihrem Leistungsvermögen so bemessen wird, daß sie die für eine ausreichende Kühlung des Motors benötigte Grundleistung in allen
Betriebszuständen zur Verfügung stellt. Die drehzahlgeregelte Kühlmittelpumpe wird dann nur bei zugeschaltetem Retarder betrieben und zwar genau derart, daß am Motor die zuvor bereits erwähnte maximale Motortemperatur nicht überschritten wird. Als Kühlmittel gelangt in der Regel Wasser mit den entsprechenden Frostschutzmitteln zum Einsatz.
Der Retarder kann sowohl ein Primärretard er, also ein Retarder, dessen Drehzahl motordrehzahlabhängig ist, oder aber auch ein Sekundärretarder, dessen Drehzahl fahrgeschwindigkeitsabhängig ist, sein. Selbstverständlich ist es möglich, daß das Kühlmittel gleichzeitig als Arbeitsmittel des Retarders dient. Die Erfindung soll aber auch den Fall umfassen, daß das Kühlmittel des Motors nicht zugleich Arbeitsmittel des Retarders ist, sondern lediglich beispielsweise durch einen Wärmetauscher geleitet wird und von dort die Wärme, die im Bremsbetrieb im Retarder erzeugt wird, aufnimmt.
Neben dem Verfahren stellt die Erfindung eine Vorrichtung zur Einstellung der Motortemperatur zur Verfügung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt Mittel zur Bestimmung der Motortemperatur, beispielsweise einen Temperatursensor, der in der Regel in der Nähe des Motors oder am Motor selbst angebracht ist. Des weiteren umfaßt die Vorrichtung einen Kühlkreislauf mit einem Kühlmittel und einer Kühlmittelpumpe zur Einstellung der Motortemperatur sowie einer Regelvorrichtung zur Regelung der Fördermenge der Kühlmittelpumpe bzw. Kühlmittelpumpen in Abhängigkeit von der bestimmten Motortemperatur.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eine der Kühlmittelpumpen eine drehzahlgeregelte Kühlmittelpumpe, d. h. eine solche deren Fördermenge abhängig von der Drehzahl ist.
Der Kühlkreislauf der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt in einer Weiterbildung der Erfindung einen Retarder sowie ein Umschaltventil.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei einer derartigen Vorrichtung mit einem Retarder und einem Umschaltventil die Vorrichtung des weiteren eine
Umschaltventilansteuerung aufweist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn weitere Pumpen im Kühlmittelkreislauf vorgesehen sind, diese mit einer seperaten Ansteuerung, beispielsweise zum Inbetriebnehmen und Außerbetriebnehmen, zu versehen.
Die Erfindung soll nunmehr anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Antriebseinheit mit der erfindungsgemäßeπ Regelvorrichtung. Fig. 2 eine Antriebseiπheit mit der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung und einer weiteren Kühlmittelpumpe.
Fig. 3 eine alternative Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 2.
In Figur 1 ist eine Antriebseiπheit bestehend aus einem Motor 1 sowie einem Kühlkreislauf 3 dargestellt. Der Kühlkreislauf 3 umfaßt einen Kühler 5, eine Kühlmittelpumpe 7, die als drehzahlgeregelte Kühlmittelpumpe ausgelegt ist, sowie einen Ausgleichsbehälter 9, der pumpensaugseitig immer für einen ausreichenden Überdruck sorgt. Des weiteren ist in dem Kühlkreislauf ein
Umschaltventil 11 sowie ein Retarder 13 vorgesehen. Die Erfindung beschränkt sich aber keinesfalls nur auf solche Ausführungsformen, bei denen im Kühlmittelkreislauf ein Retarder angeordnet ist. Die Erfindung ist auch anwendbar, wenn nur eine Motorkühlung mittels eines Kühikreislaufes und einer drehzahlgeregelten Kühlmittelpumpe vorgesehen ist.
Am Kühler führt eine Bypassleitung 40 vorbei, die sich im Punkt 42 verzweigt. Im Punkt 42 ist ein Umschaltventil 44 angeordnet, das als 3/2-Wege Ventil ausgelegt sein kann. Das 3/2-Wege-Ventil hat die Funktion den Kühlmittelstrom so zu steuern ,daß er entweder durch den Kühler oder aber durch die Bypassleitung 40 am Kühler vorbei geführt werden kann. In einer Betriebsphase mit hoher Wärmeabfuhr steuert das 3/2-Wege-Ventil den Kühlstrom teilweise oder größtenteils zum Kühler 5. In der Phase geringer Wärmeabführung steuert das 3/2-Wege-Umschaltveπtil 44 das Kühlmittel über die Bypassleitung zum Motor 1 bzw zur Pumpe 7. Das 3/2-Wege-Ventil kann als Dehnstoffregelventil ausgeführt sein oder als elektrisches oder pneumatische stetig regelndes Ventil.
Der Kühler kann mittels eines Lüfters 15 unterstützt werden. Der Motor 1 weist in vorliegendem Fall als Mittel zur Bestimmung der Temperatur einen
Temperatursensor 20 auf. Selbstverständlich können auch mehrere
Temperatursensoren an verschiedenen Stellen des Motors oder auch in der Kühlmittelleitung, die vom Motor wegführt, positioniert werden. Über die Signalleitung 22 wird einer Regelvorrichtung 24 ein Temperatursignal zugeführt, das die jeweils aktuelle Motortemperatur repräsentiert. Selbstverständlich ist es beispielsweise bei mehreren Temperatursensoren möglich, der Regelvorrichtung 24 eine Vielzahl von Temperatursignalen zuzuleiten und zur Bestimmung des Temperatur-Istwertes, der als Führungsgröße in vorliegendem Regelkreis dient, eine Mittelung über eine Vielzahl von Temperatursignalen vorzunehmen. In der Regelvorrichtung 24 selbst ist ein für den Motor maximaler Temperaturwert als Sollwert für den
Regelkreis abgelegt. Es ist möglich, daß dieser maximale Temperatur-Sollwert ein einziger Wert für alle Betriebszustände des Motors ist. Ebenso kann ein Wert, der dem Lastzustand des Motors folgt auf die Pumpendrehzahlregelung direkt einwirken, d.h. die Pumpenregelung ist nicht nur alleine von dem Temperatursollwert abhängig. Die Erkennung des Lastzustandes kann einen
Drehmomentsensor oder der Regeleinheit des Motors entnommen werden. Es sind nun verschiedene Regelalgorithmen denkbar. So kann die drehzahlgeregelte Kühlmittelpumpe 7 mit einer bestimmten konstanten Drehzahl betrieben werden und die Regelung greift nur dann ein, wenn die Motortemperatur den vorgegebenen maximalen Temperaturwert überschreitet.
Es wird dann nachgeregelt, d. h. die Fördermenge erhöht.
In einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, mittels der drehzahigeregelten Pumpe die Kühlmittelmenge, die durch den Motor gefördert wird, immer gerade so zu bemessen, daß der Motor an der maximal zulässigen Kühlmitteltemperatur gefahren wird, d. h. die Kühlmittelpumpe wird in ihrer Drehzahl sowohl bei Abweichungen zu höheren wie auch zu niedrigeren Temperaturen, als der vorgegebenen Solltemperatur mittels der Regelvorrichtung 24 geregelt. Auf diese Art und Weise wird sichergestellt, daß im Kühlkreislauf immer nur genau die Fördermenge umläuft, die zur
Erreichung der Motorsollwert-Temperatur erforderlich ist. Hierzu ist es
besonders vorteilhaft, wenn die Kühlmittelpumpe 7 drehzahlgeregelt ist, das bedeutet, ihre Fördermenge von der Drehzahl mit der sie umläuft, direkt abhängt.
Durch die in Fig. 1 dargestellte am Wasserkreislauf angeordnete
Regelvorrichtung gemäß der Erfindung, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, ist sichergestellt, daß die Fördermenge sowohl im Bypassbetrieb, d. h. wenn die Kühlmittelflüssigkeit durch Umschaltung des Umschaltventiles 11 im Bypass 26 am Retarder 13 vorbeigeleitet wird wie auch im Fall der Zuschaltung des Retarders 13 stets ausreichend ist, um eine genügende Motorkühlleistung zur Verfügung zu stellen. Als Vorteil gegenüber dem bislang verwendeten Kühlmittelpumpen kann aber ein erhebliches Einsparpotential genutzt werden, da bei abgeschaltetem Retarder die Fördermenge der Wasserpumpe 7 wesentlich niedriger ausfällt, wodurch eine Kraftstoffeinsparung erzielt werden kann.
In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei in dem Kühlkreislauf neben der drehzahlgeregelten Pumpe 7 eine weitere Pumpe 30 vorgesehen ist. Die Pumpe 30 ist in dieser Ausführungsform vor dem Schaltventil 11 für den Bypass 26 angeordnet. Für gleiche Aggregate wie in Fig. 1 werden in Fig. 2 wiederum gleiche Bezugszeichen gewählt.
Der Vorteil der Ausbildung gemäß Fig. 2 ist darin zu sehen, daß die drehzahlgeregelte Pumpe 7, die von der Regelvorrichtung 24 in Abhängigkeit der über den Sensor 20 aufgenommenen Motortemperatur geregelt wird, in ihrer Fördermenge sehr gering ausgelegt werden kann, da im Kühlkreislauf eine weitere Pumpe 30 vorgesehen ist, die in vorliegendem Ausführungsbeispiel fahrgeschwindigkeitsabhäπgig betrieben wird und für eine Grundfördermenge im Kühlkreislauf sorgt. Die Pumpe 30 ist so dimensioniert, daß sie bei nicht betriebenem Retarder, d. h. in dem Zustand, in dem das Kühlmittel am Retarder durch die Bypassleitung 26 vorbei geführt
wird, ausreichend ist, um die für die Motorkühlung benötigte Pumpleistung zur Verfügung zu stellen. Wird nunmehr Kühlmittel als Arbeitsmedium durch den Retarder 13 geleitet und dieses durch den im Betrieb befindlichen Retarder weiter mit Wärme belastet, so reicht die Fördermenge der Pumpe 30 nicht mehr aus, um die maximale, zulässige Motortemperatur einzuhalten. In diesem Fall wird die Regelung ansprechen und die Regelvorrichtung die drehzahlgeregelte Pumpe 7 in Betrieb setzen, die dann genau mit einer solchen Drehzahl betrieben wird, daß eine zusätzliche Fördermenge zur Verfügung gestellt wird, um eine unzulässige Erwärmung des Motors zu verhindern. Die Regelvorrichtung arbeitet wiederum wie bei Fig. 1 beschrieben, d. h. bei Abweichungen von einem vorgegebenen Motortemperatur-Sollwert wird die Drehzahl der Pumpe 7 solange entsprechend eingestellt, bis diese vorgegebene Sollwert-Motortemperatur erreicht ist. Wie oben gesagt, erlaubt es die Regelung, den Kühlmittelkreislauf immer gerade so zu fahren, daß sich der Motor nahe an der maximal zulässigen Temperatur befindet. Dies hat, wie bereits oben aufgezeigt, eine erhebliche Kraftstoffeinsparung zur Folge.
In einer in Fig. 3 dargestellten dritten Ausführungsform werden wiederum für gleiche Aggregate dieselben Bezugsziffern wie schon in Fig. 1 und 2 verwendet. Nunmehr ist die weitere Pumpe 30 hinter dem Umschaltventil 11 unmittelbar vor dem Retarder 13 angeordnet. Die Grundlast zur Kühlmittelförderung übernimmt jetzt die drehzahlgeregelte Pumpe 7. Sie wird wiederum in Abhängigkeit von der Motortemperatur mittels der Regelvorrichtung 24 angesteuert und zwar derart, daß in Abhängigkeit vom vorgegebenen Sollwert und der Abweichung des Istwertes hiervon die drehzahlgeregelte Pumpe angesteuert wird. Die drehzahlgeregelte Pumpe kann in ihrer Fördermenge sehr gering ausgelegt werden, da sie nur die im Kühlmittelskreislauf ohne zugeschalteten Retarder anfallende Wärme abtransportieren muß. Wird nun der Retarder zugeschaltet, so wird auch die weitere Pumpe 30 zugeschaltet und die zur Kühlung erforderliche höhere
Fördermenge hierdurch zur Verfügung gestellt. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß Fig. 2 wird also in dieser Ausführungsform die zusätzliche Kühlmittelmenge, die zur Reduktion der Wärmebelastung, die durch Zuschaltung des Retarders entsteht, von der weiteren Kühlmittelpumpe 30 gefördert.
Sowohl gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2 wie auch nach Fig. 3 kann die Regelvorrichtung zusätzlich über eine Signalleitung 32 mit dem Umschaltventil 11 verbunden sein, um hierüber ein Zustandssignal zugeführt zu bekommen, das Auskunft darüber gibt, ob das Kühlmittel durch den
Retarder oder über den Bypass an diesem vorbeigeleitet wird. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist es dann beispielsweise möglich, die Regelung mittels der Regelvorrichtung 24 nur dann zu aktivieren, wenn auf der Signalleitung 32 ein Zustandssignal anliegt, das angibt, das Kühlmittel durch den Retarder geleitet wird und dort als Arbeitsmedium dient.
Der Antrieb der drehzahlgeregelten Pumpen 7 kann mittels eines Elektromotores, der wiederum an den elektrischen Stromkreis des Fahrzeuges angeschlossen ist, betrieben werden. Die Ansteuerung der hierfür beispielsweise in Frage kommenden Elektromotoren sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik, siehe hierzu beispielsweise "Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau, 18. Auflage, 1995, Seiten V18 - V51 bekannt.
Selbstverständlich können neben dem Ausführungsbeispiel mit den dargestellten zwei Kühlmittelpumpen mehrere Kühlmittelpumpen vorgesehen sein, wovon eine oder mehrere drehzahlgeregelte Kühlmittelpumpen sind.