WO2001012964A1 - Verfahren zur temperaturregelung des kühlmittels eines verbrennungsmotors mittels einer elektrisch betriebenen kühlmittelpumpe - Google Patents

Verfahren zur temperaturregelung des kühlmittels eines verbrennungsmotors mittels einer elektrisch betriebenen kühlmittelpumpe Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for regulating the temperature of the coolant of an internal combustion engine, which is connected to a cooler via at least one flow and return line, and to a coolant pump according to the preamble of the main claim.
  • DE 37 05 232 C2 proposes a method for regulating the temperature of the coolant, in which a sensor actuates a servomotor which opens or opens a bypass valve or the like, depending on individual map parameters, for example the speed and / or the load on the internal combustion engine closes in order to achieve a predetermined temperature value in the engine cooling circuit.
  • the sensor is heated by means of a heating device in accordance with the specified characteristics, so that it can emit a corresponding signal to the servomotor.
  • the inventive method for temperature control of the coolant of an internal combustion engine with the characterizing features of claim 1 has the advantage that the speed of the coolant pump itself is regulated or controlled so that its speed is only in accordance with the heat to be dissipated.
  • the engine warm-up phase can advantageously be controlled in a simple manner.
  • the specification of the target temperature through a time table appears to be particularly favorable, since it enables particularly simple adaptation to different engine types and your cooling circuits.
  • the control signal for the coolant pump can be controlled particularly simply and advantageously. It is considered a further advantage that in addition to controlling the coolant pump, further valves, for example the thermostatic valve, the heating valve or a motor fan, are activated in order to optimize the cooling capacity. This additional influence on the coolant circuit can be used to either warm up the engine faster in the cold start phase or to dissipate the excess heat more quickly when the engine is under high load and is switched off. This reduces exhaust gas pollution and prevents thermal overloading of the engine.
  • the parameters are linked step by step according to the type of fuzzy logic in order to ensure optimal temperature conditions for the internal combustion engine.
  • a control signal can be generated for the coolant pump, which takes into account all operating conditions that occur.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a coolant circuit of an internal combustion engine and Figure 2 shows a block diagram for the temperature control.
  • the internal combustion engine 1 is connected to a cooler 4 via a flow line 7 via an electrically operated coolant pump M and a thermostatic valve 2.
  • a flow sensor 6a for detecting the flow temperature is attached to the flow line 7 at a suitable point.
  • the current temperature of the internal combustion engine 1 is measured with a temperature sensor 6.
  • a return line 8 connects the radiator 4 to the cooling circuit of the internal combustion engine 1 via a heating valve 3.
  • the heating valve 3 is also connected to the heater 5 of the passenger compartment.
  • the thermostatic valve 2 is connected to the return line 8 via a further valve and the bypass line 9.
  • the cooler is thermally coupled to one or more motor fans 10, wherein the motor fan 10 can be designed for several speed levels.
  • the valves 2, 3 are designed as 3-way valves.
  • Position 11 is a setpoint generator for the motor temperature, which is specified, for example, as a function of time or in the form of a table.
  • the current engine temperature which was measured with the temperature sensor 6, is processed in a suitable manner and passed on to the summer 14.
  • the difference signal between the setpoint transmitter 11 and the block 12 forms a correction variable for the control signal for the coolant pump M in block 13.
  • the PID controller signal of block 13 is now taken into account in summer 15. view of further parameters for the control of the coolant pump, which are supplied by block 16, added.
  • the further parameters are, for example, values for the engine speed, the current engine load of the internal combustion engine, the vehicle speed, the intake or outside temperature, the engine temperature itself and / or the on-board voltage. This is symbolically represented by the parallel arrows on block 16.
  • the control signal for the coolant pump M is formed in block 15.
  • the coolant pump M runs at the corresponding speed and thus causes a corresponding change in the speed of the coolant flow m in the supply line 7 or the return line 8.
  • block 17 follows Corresponding evaluation of the current engine temperature (block 12) and the control signal for the coolant pump, a control of the thermostatic valve 2, the multi-stage engine fan 10 or the control of a warning display on the dashboard. These elements are symbolically indicated by the parallel arrows of block 17.
  • a device is provided in block 18 with which the coolant pump M can be driven separately.
  • This block 18 therefore contains suitable devices, for example for connecting a workshop tester which drives the coolant pump M when filling and venting the cooling system.
  • the internal combustion engine can also be warmed up by means of an auxiliary heater (not shown in the drawing) via this line. Furthermore, it is provided, via this line, the actuation of the coolant pump M to prevent To control overheating after switching off the hot internal combustion engine 1.
  • the blocks shown in FIG. 2 are designed as known components (e.g. PID controller, temperature sensor, etc.). The easiest way to link is through an appropriate program.
  • Table 2 shows an example of the measures that are taken to reduce the cooling capacity. If the motor temperature tmot ⁇ 105 ° C and the cooling capacity ⁇ 80%, the warning indicator "overheating" is switched off. Accordingly, at motor temperatures ⁇ 97 ° C and ⁇ 80% cooling capacity or 60% cooling capacity, fans stage 2 and 1 are switched off. If the temperature continues to drop, for example tmot ⁇ than 83 ° C. and a cooling capacity ⁇ 40%, the valve 2 is switched so that the cooler 4 is now suspended, so that the bypass line 9 leads to the return flow to the internal combustion engine 1 Thermostat valve 2 also closes at temperatures below 75 ° C, so that the motor quickly follows the specified temperature curve is heated. Rapid heating of the internal combustion engine 1 has the advantage that the harmful exhaust gases are reduced as quickly as possible in the warm-up phase.

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Abstract

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittelkreises eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, bei dem eine elektrisch betriebene Kühlmittelpumpe verwendet wird, deren Drehzahl die Kühlleistung regelt oder steuert. Durch eine zusätzliche Bypaß-Leitung mit entsprechenden Thermostatventilen lassen sich sowohl hohe Wärmeüberschüsse abführen wie auch eine schnelle Aufheizung des Verbrennungsmotors erreichen.

Description

Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittels eines Ver- brennungsmotors mittels einer elektrisch betriebenen Kühlmittelpumpe
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittels eines Verbrennungsmotors, der über wenigstens eine Vorlauf- und Rücklaufleitung mit einem Kühler verbunden ist und mit einer Kühlmittelpumpe nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Verfahren und Vorrichtungen zur Kühlung des Kühlmittels des Verbrennungsmotors sind prinzipiell schon bekannt. Beispielsweise wird in der DE 37 05 232 C2 ein Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittels vorgeschlagen, bei dem ein Sensor in Abhängigkeit von einzelnen Kennfeldgrößen, z.B. der Drehzahl und/oder der Belastung der Brennkraftmaschine einen Stellmotor betätigt, der ein Bypaß-Ventil oder dergleichen öffnet bzw. schließt, um einen vorgegebenen Temperaturwert im Motorkühlkreis zu erreichen. Zur Steuerung des Stellmotors wird dabei der Sensor mittels einer Heizeinrichtung entsprechend den vorgegebenen Kenndaten aufgeheizt, so daß er ein entsprechendes Signal an den Stellmotor abgeben kann. Eine derartige Vorrichtung erscheint aus energetischer Sicht relativ aufwendig, da der Antriebsmotor für die Kühlmittelpumpe ständig läuft, unabhängig davon, ob im Leerlauf des Verbrennungsmotors wenig Abwärme oder bei Last entsprechend viel Abwärme abgeführt werden muß.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittels eines Verbrennungsmotors mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß die Drehzahl der Kühlmittelpumpe selbst geregelt oder gesteuert wird, so daß deren Drehzahl nur entsprechend der abzuführenden Wärme ist .
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch genannten Verfahrens möglich. Besonders vorteilhaft ist, die Drehzahlregelung aus der Temperaturdifferenz zwischen dem Soll- und dem aktuellen Temperaturwert des Verbrennungsmotors zu bestimmen, da in dieser Temperaturdifferenz bereits wesentliche Betriebszu- stände des Motors erfaßt sind.
Durch Vorgabe der Solltemperatur als Funktion der Zeit kann auf einfache Weise vorteilhaft die Warmlaufphase des Motors gesteuert werden.
Besonders günstig erscheint die Vorgabe der Solltemperatur durch eine Zeittabelle, da in dieser eine besonders einfache Anpassung an verschiedene Motorentypen und Ihren Kühlkreisläufen möglich ist.
Durch die Verwendung eines PID-Reglers läßt sich das Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe besonders einfach und vorteilhaft regeln. Als weiterer Vorteil wird angesehen, daß zur Optimierung der Kühlleistung neben der Steuerung der Kühlmittelpumpe weitere Ventile, beispielsweise das Thermostatventil, das Heizventil oder ein Motorlüfter angesteuert werden. Diese zusätzliche Beeinflussung des Kühlmittelkreislaufs kann dazu genutzt werden, den Motor entweder in der Kaltstartphase schneller warmlaufen zu lassen oder bei hoher Last und Abschalten des Motors die auftretende Überschußwärme schneller abzuführen. Dadurch werden Abgasbelastungen verringert bzw. thermische Überlastungen des Motors verhindert.
Günstig erscheint auch, daß bei Überschreiten der Motortemperatur eine entsprechende Anzeige erscheint, so daß der Fahrer entsprechend reagieren kann und somit einen Schaden verhindert .
Weiterhin ist vorteilhaft, daß beispielsweise nach Art der Fuzzy-Logik die Parameter stufenweise verknüpft werden, um optimale Temperaturbedingungen für den Verbrennungsmotor zu gewährleisten .
Durch die Verknüpfung der verschiedenen Parameter wie Drehzahl, Motorlast, Fahrzeuggeschwindigkeit, Ansaug- oder Außentemperatur läßt sich ein Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe bilden, die alle auftretenden Betriebsbedingungen berücksichtigt.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 einen schematischen Aufbau eines Kühlmittelkreislaufs eines Verbrennungsmotors und Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild für die Temperaturregelung .
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Beim schematischen Aufbau des Kühlmittelkreislaufs der Figur 1 ist der Verbrennungsmotor 1 über eine elektrisch betriebene Kühlmittelpumpe M und ein Thermostatventil 2 mit einem Kuhler 4 über eine Vorlaufleitung 7 verbunden. An der Vorlaufleitung 7 ist an einer geeigneten Stelle ein Vorlauffühler 6a zur Erfassung der Vorlauftemperatur angebracht . Des weiteren wird mit einem Temperaturfühler 6 die momentane Temperatur des Verbrennungsmotors 1 gemessen. Eine Rücklauf- leitung 8 verbindet den Kühler 4 über ein Heizventil 3 mit dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 1. Das Heizventil 3 ist des weiteren mit der Heizung 5 des Fahrgastraumes verbunden. Ebenso ist das Thermostatventil 2 über ein weiteres Ventil und der Bypaß-Leitung 9 mit der Rücklaufleitung 8 verbunden. Zur Vollständigkeit wird noch erwähnt, daß der Kühler mit einem oder mehreren Motorlüftern 10 thermisch gekoppelt ist, wobei der Motorlüfter 10 für mehrere Drehzahlstufen ausgebildet sein kann. Gemäß der Figur 1 sind die Ventile 2, 3 als 3 -Wege-Ventile ausgebildet.
Die Funktionsweise dieser Anordnung wird anhand des Blockschaltbildes der Figur 2 im nachfolgenden näher erläutert. Position 11 ist ein Sollwert-Geber für die Motortemperatur, die beispielsweise als Funktion der Zeit oder m Form einer Tabelle vorgegeben wird. Im Block 12 wird die aktuelle Mo- tortemperatur , die mit dem Temperaturfühler 6 gemessen wurde, m geeigneter Weise aufbereitet und auf den Summierer 14 gegeben. Das Differenzsignal zwischen dem Sollwert-Geber 11 und dem Block 12 bildet eine Korrekturgröße für das Ansteu- ersignal für die Kühlmittelpumpe M im Block 13. Im Summierer 15 wird nun das PID-Reglersignal des Blocks 13 unter Berück- sichtigung weiterer Parameter für die Ansteuerung der Kühlmittelpumpe, die von Block 16 geliefert werden, aufaddiert. Die weiteren Parameter sind beispielsweise Werte für die Motordrehzahl, die momentane Motorlast des Verbrennungs- motors, der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Ansaug- oder Außentemperatur, der Motortemperatur selbst und/oder der Bordspannung. Dieses ist symbolisch durch die parallel liegenden Pfeile am Block 16 dargestellt. Nach der Verknüpfung der Signale mit dem PID-Reglersignal wird im Block 15 das Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe M gebildet. Entsprechend dieses Wertes läuft die Kühlmittelpumpe M mit der entsprechenden Drehzahl und bewirkt somit eine entsprechende Geschwindigkeitsänderung des Kühlmittelflusses m der Vorlaufleitung 7 bzw. der Rücklaufleitung 8. Reicht dieser Re- gelalgorithmus nicht aus, um die Temperaturvorgabe für den Motor einzustellen, erfolgt m Block 17 nach entsprechender Auswertung der aktuellen Motortemperatur (Block 12) und dem Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe eine Steuerung des Thermostatventils 2, des mehrstufigen Motorlüfters 10 oder auch die Ansteuerung einer Warnanzeige am Armaturenbrett. Diese Elemente sind symbolisch durch die parallel dargestellten Ausgangspfeile des Blocks 17 angedeutet.
Da beispielsweise be Wartungsarbeiten oder m der Werkstatt auch Sonderfunktionen für die Ansteuerung der Kühlmittelpumpe M benötigt werden können, ist m Block 18 eine Vorrichtung vorgesehen, mit der die Kühlmittelpumpe M separat angetrieben werden kann. Dieser Block 18 enthält daher geeignete Einrichtungen, beispielsweise zum Anschluß eines Werkstatt- Testers, der beim Befüllen und Entlüften des Kühlsystems die Kühlmittelpumpe M antreibt. Als alternative Lösung kann auch über diese Leitung das Aufwärmen des Verbrennungsmotors mittels einer Standheizung (m der Zeichnung nicht dargestellt) erfolgen. Des weiteren ist vorgesehen, über diese Leitung die Betätigung der Kühlmittelpumpe M zur Verhinderung von Überhitzungen nach dem Abstellen des heißen Verbrennungsmotors 1 anzusteuern.
Die in Figur 2 dargestellten Blöcke sind als bekannte Bau- steine (z.B. PID-Regler, Temperaturfühler usw.) ausgebildet. Die Verknüpfung erfolgt am einfachsten durch ein entsprechendes Programm.
Regelungen für die Einstellung der Kühlleistung sind aus den Tabellen 1 und 2 entnehmbar. Ist beispielsweise gemäß Tabelle 1 die Motortemperatur tmot > 85° C und ist die Vorlauftemperatur der Kühlmittelpumpe tvkmp > 90%, dann wird z.B. das Thermostatventil 2 betätigt, um das Kühlmittel über die Vorlaufleitung 7 in den Kühler 4 und dann über die Rücklauf- leitung 8 zurückzuführen. Steigt die Motortemperatur tmot weiter an und ist sie > 95° C bei gleicher, relativen Leistung der Kühlmittelpumpe M, dann wird die Lüfterstufe 1 eingeschaltet. Bei weiterer Erhöhung der Motortemperatur auf über 100° C wird dann die Lüfterstufe 2 eingeschaltet. Bei weiterem Anstieg der Temperatur des Verbrennungsmotors auf über 110° C wird die Warnanzeige „Überhitzung" am Armaturenbrett eingeschaltet .
Tabelle 2 zeigt beispielhaft die Maßnahmen, die zur Verrin- gerung der Kühlleistung getroffen werden. Ist die Motortemperatur tmot < 105° C und die Kühlleistung < 80%, dann wird die Warnanzeige „Überhitzung" ausgeschaltet. Entsprechend wird bei Motortemperaturen < 97° C und < 80% Kühlleistung bzw. 60% Kühlleistung die Lüfter Stufe 2 und 1 ausgeschal- tet . Sinkt die Temperatur weiter, z. B. tmot < als 83 °C und einer Kühlleistung <40%, wird das Ventil 2so geschaltet, daß der Kühler 4 nun abgehängt ist, so daß die Bypaß-Leitung 9 den Rückfluß zum Verbrennungsmotor 1 übernimmt. Bei Temperaturen unter 75° C schließt auch das Thermostatventil 2, da- mit der Motor nach der vorgegebenen Temperaturkurve schnell aufgeheizt wird. Ein schnelles Aufheizen des Verbrennungsmotors 1 hat den Vorteil, daß die schädlichen Abgase in der Warmlaufphase möglichst schnell reduziert werden.
Da für Regelvorgänge häufig käuflich zu erwerbende elektronische Baugruppen (IC's) verwendet werden, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, diese Steuerung nach den Gesetzen der Fuzzy-Logik aufzubauen.
Zur Erhöhung der Kühlleistung können besipielhaft folgende Maßnahmen getroffen werden:
tmot > 85 °C &. tvkmp > 90% dann Therrriostatventil öffnen tmot > 95 °C & tv mp > 90% dann Lüfters tufe 1 einschalten tmot> 100 °C & tvkmp > 90% dann Lüfters rufe 2 einschalten tmot> 110 °C tvkmp > 90% dann Warn anzeige
„Überhitzung" einschalten
/ OJ i.
Zur Verringerung der Kühlleistung können besipielhaft folgende Maßnahmen getroffen werden: tmot < 105 °C &. tvkmp < 80% dann Warn anzeige
„Überhitzung" ausschalten tmot < 97 °C & tvkmp < 80% dann Lüfters tufe 2 ausschalten tmot < 97 °C & tvkmp < % dann Lüfterstufe 1 ausschalten tmot < 83 °C & tvkmp < 40% dann Thεrmostatventil schließen tmot < 75 °C dann Ther ostatventil schließen
/ Cl& • Z 9

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittels eines Verbrennungsmotors (1), der mit wenigstens einer Vorlauf - leitung (6) und einer Rücklaufleitung (7) mit dem Kühler (4) verbunden ist, mit einem Thermostatventil (2), mit einer By- paß-Leitung (9) zwischen der Vorlauf- und Rücklaufleitung (7, 8) und mit einer Kühlmittelpumpe (M) , dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelpumpe (M) elektrisch angetrieben wird, und daß eine Steuerung die Drehzahl für die Kühlmittelpumpe (M) in Abhängigkeit von Motor- und/oder Umgebungsparametern w e der Motordrehzahl, der Motor- Ist -
Temperatur, der Motor-Soll -Temperatur, und/oder von Lastparametern vorgibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl der Kühlmittelpumpe (M) wenigstens durch die
Temperaturdifferenz zwischen dem Soll- und dem aktuellen Temperaturwert des Verbrennungsmotors (1) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekenn- zeichnet, daß die Solltemperatur nach dem Start des Verbrennungsmotors (1) als Funktion der Zeit vorgegeben ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Solltemperatur nach dem Start des Verbrennungsmotors (M) m Form einer Zeittabelle vorgegeben ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung einen Regler mit PID-Charakteristik aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe zur Steuerung eines Thermostatventils (2) verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal der Kühlmittelpumpe (M) zur Steuerung eines Motorlüfters (10) verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten der Motortemperatur und/oder der Vorlauftemperatur vorzugsweise ein optisches oder akustisches Warnsignal abgegeben wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Motortemperatur (tmot) und der Kühlmittelle stung (tvkmp) der Kühlmittelpumpe (M) wenigstens eine weitere Entscheidungsschwelle vorgegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß je nach Entscheidungsschwelle das Thermostatventil (2), die Mo- torlüfterstufe oder die Warnanzeige geschaltet wird.
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