-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ansteuerung einer schaltbaren Kühlmittelpumpe für ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Verbrennungsmotor.
-
Stand der Technik
-
Aus der
DE 10 2004 054 637 B4 ist eine regelbare Kühlmittelpumpe bekannt. Die Kühlmittelpumpe weist einen im Pumpeninnenraum angeordneten, von einer Druckfeder beaufschlagten, den Ausströmbereich eines Flügelrades der Kühlmittelpumpe regelnden, elektromagnetisch betätigten Ventilschieber auf.
-
Der Hub des Ventilschiebers kann durch Pulsweitenmodulation der an der Magnetspule anliegenden Spannung gesteuert werden.
-
Somit können bei konstanter Pulsfrequenz durch die Variation der Pulsbreite die Schieberhübe und die Schieberöffnungszeiten derart variiert werden, dass eine aktive stufenlose Steuerung der Kühlmittelfördermenge möglich ist, so dass der Kühlmittelförderstrom kontinuierlich, in Abhängigkeit vom jeweiligen aktuellen Bedarf geregelt werden kann, um einerseits eine allmähliche optimale Erwärmung des Motors zu gewährleisten und gleichzeitig nach der Erwärmung des Motors die Motortemperatur im Dauerbetrieb so zu beeinflussen, dass im gesamten Arbeitsbereich des Motors sowohl die Schadstoffemission, wie auch die Reibungsverluste und der Kraftstoffverbrauch deutlich reduziert werden können.
-
Aus
DE 102 42 014 A1 ist ein Foerderaggregat zur Umwaelzung einer Fluessigkeit in einem Kreislauf mit einem Gehaeuse bekannt, in welchem eine Antriebswelle gelagert ist, die ueber einen Antrieb angetrieben ist und die ein Pumpenrad enthaelt, welches die Fluessigkeit innerhalb des Kreislaufes umwaelzt und innerhalb des Gehaeuses des Foerderaggregates eine elektromagnetische Kupplung angeordnet ist, ueber die das Pumpenrad mit einer von der Drehzahl n
1 des Antriebes verschiedenen Drehzahl n
2 antreibbar ist.
-
Aus
DE 195 19 378 A1 ist eine Kuehlanlage bekannt, mit elektrisch regelbarem Stellglied zur Beeinflussung der Kuehlmitteltemperatur von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen und mit einem dem Stellglied vorgeschalteten elektronischen Regler, der zumindest in Abhaengigkeit von einer durch die Kuehlmitteltemperatur beeinflussten Groesse die Stellsignalgroesse zur Ansteuerung des Stellglieds zum Erreichern einer Soll- Kuehlmitteltemperatur erzeugt und die Parameter des Reglers waehrend des Brennkraftmaschinenbetriebs adaptiv durch Auswertung der Sprungantwort einer der Ist-Kuehlmitteltemperatur proportionalen Groesse auf eine Sprunganregung als Eingangssignal des Stellglieds hin bestimmt werden.
-
Aufgabe der Erfindung
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ansteuerung für eine Kühlmittelpumpe bereitzustellen, die eine Variation hinsichtlich der Kompensation von Umgebungsbedingungen sowie eine vielfältige Dimensionierung des Kühlmittelvolumenstroms gewährleistet.
-
Lösung der Aufgabe
-
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst.
-
Vorteile der Erfindung
-
Bei einer schaltbaren Kühlmittelpumpe wird diese während der Kaltstartphase nicht angesteuert, so dass das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf nicht zirkuliert. Im direkten Anschluss an die Kaltstartphase wird die Kühlmittelpumpe nur zeitweise angesteuert, so dass der geförderte Volumenstrom anfänglich gering ist, mit der Folge, dass das kalte Kühlmittel, d. h. das sich stromaufwärts des Verbrennungsmotors im Kühlkreislauf befindliche Kühlmittel, mit geringer Strömungsgeschwindigkeit und in einem geringen Umfang (geringer Volumenstrom) in den Verbrennungsmotor einströmt.
-
Durch dieses gezielte Einströmen von kaltem Kühlmittel, in einer definiert steuerbaren Menge, wird der sogenannte Thermoschock für den Verbrennungsmotor vermieden.
-
Zur Einstellung des Volumenstroms und der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels wird mindestens eine Systemvariable, beispielsweise die Kühlmitteltemperatur des im Verbrennungsmotor befindlichen Kühlmittels (vorzugsweise kurz vor dem Austritt aus dem Verbrennungsmotor), erfasst. Weitere Systemvariablen stellen beispielsweise die Drehzahl des Verbrennungsmotors sowie der thermische Umsatz im Verbrennungsmotor dar.
-
Diese Einstellung des Volumenstroms und der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels kann insbesondere abhängig vom momentanen Lastzustand des Verbrennungsmotors erfolgen.
-
Weiterhin erfolgt eine Einstellung des Kühlmittelvolumenstroms in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, die als Systemvariablen abgebildet werden.
-
Bei einem mit Unterdruck beaufschlagbaren Ventilschieber stellen der Saugrohrdruck, der Umgebungsdruck sowie die Drehzahl des Verbrennungsmotors relevante Umgebungsbedingungen und somit Systemvariablen dar.
-
Bei einer mittels Magnetkupplung vom Riementrieb abkoppelbaren Kühlmittelpumpe bildet die Drehzahl des Verbrennungsmotors eine relevante Systemvariable.
-
Das Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe setzt sich aus der Impulsfrequenz, d. h. die Impulsanzahl pro Zeiteinheit, und der Impulsdauer, d. h. die Zeitdauer pro Impuls, zusammen. Um einen geforderten Kühlmittelvolumenstrom zu erzielen, wird das Ansteuersignal und somit die Impulsdauer und/oder die Impulsfrequenz entsprechend der vorliegenden Systemvariablenwerte individuell angepasst.
-
Erfindungsgemäß ist demnach eine Anpassung hinsichtlich einer Variation der Impulsfrequenz bei konstanter Impulsdauer, einer Variation der Impulsdauer bei konstanter Impulsfrequenz sowie eine Variation der Impulsdauer und der Impulsfrequenz möglich. Hierdurch wird eine vielfältige Dimensionierung des erforderlichen Kühlmittelvolumenstroms gewährleistet.
-
Der sich einstellende Kühlmittelvolumenstrom wird bei konstanter Drehzahl des Verbrennungsmotors von der Impulsdauer und der Impulsfrequenz des Ansteuersignals beeinflusst.
-
Bei einer Variation der Impulsdauer und einer konstanten Impulsfrequenz ist bei einer linearen Verlängerung der Impulsdauer ein überproportionales Ansteigen der Kühlmittelströmung erzielbar.
-
Bei einer Variation der Impulsfrequenz und einer konstanten Impulsdauer ist bei einer linearen Steigerung der Impulsfrequenz eine anfängliche antiproportionale Steigerung des geförderten Kühlmittelvolumenstroms erzielbar. Die antiproportionale Steigerung geht in eine nichtlineare Steigerung über, wenn die Magnetkupplung oder der Ventilschieber zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen nicht mehr vollständig schließt.
-
Je geringer der zeitliche Anteil für das Öffnen und Schließen der Kupplung oder des Ventilschiebers im Vergleich zu dem zeitlichen Anteil, bei dem die Kupplung vollständig geöffnet oder geschlossen bzw. der Ventilschieber sich in einer der beiden Endlagen verharrt, ist, desto größer ist eine Unabhängigkeit von den Größen hinsichtlich der Verstellbewegung der Kupplung oder des Ventilschiebers, beispielsweise die Rückstellkraft der Pumpentopf-Feder oder die Reibung des Verfahrmechanik. Diese Unabhängigkeit korreliert mit einer Genauigkeit des einzustellenden Kühlmittelvolumens, so dass die erfindungsgemäße Ansteuerung präziser gegenüber einer reinen Pulsweitenmodulation mit konstanter hoher Pulsfrequenz und variabler Pulsbreite ist.
-
Eine Kompensation von Umgebungsbedingungen ist dadurch erzielbar, dass unabhängig von den momentanen Werten der Systemvariablen ein konstantes Kühlmittelvolumen pro Impuls gefördert wird.
-
Wesentliche Einflüsse auf das geförderte Kühlmittelvolumen sind dabei die Drehzahl des Verbrennungsmotors sowie die Druckdifferenz zwischen Saugrohrdruck und Umgebungsdruck bei einem mittels Unterdruck beaufschlagbaren Ventilschieber, da die Druckdifferenz dessen Öffnungsgeschwindigkeit wesentlich bestimmt.
-
Ein Kriterium zur Auswahl einer geeigneten Impulsdauer stellt somit der bezüglich den Werten der Systemvariablen konstantes Kühlmittelvolumen pro Impuls dar.
-
Wenn durch die Kompensation sichergestellt ist, dass ein definiertes Kühlmittelvolumen pro Öffnungsimpuls gefördert wird, kann aus einem gewünschten Kühlmittelvolumenstrom die erforderliche Impulsfrequenz berechnet werden. Die gilt solange, wie sichergestellt ist, dass die Kupplung oder der Ventilschieber vollständig schließt, bevor der nächste Impuls beginnt.
-
Um ein vollständiges Schließen sicherzustellen, darf die berechnete Impulsfrequenz eine maximale Impulsfrequenz nicht überschreiten. Die maximale Impulsfrequenz ist der Kehrwert einer minimalen Periodendauer, die die Zeitdauer darstellt, die die Kupplung oder der Ventilschieber im ungünstigsten Fall benötigt, um nach einem Ansteuerimpuls die Kühlmittelpumpe wieder vollständig anzuhalten oder zu verschließen.
-
Sofern die maximale Impulsfrequenz der berechneten Impulsfrequenzentspricht (oder von dieser überschritten wird), wird die Kühlmittelpumpe kontinuierlich angesteuert, so dass kein gepulster Betrieb, sondern ein Dauerbetrieb erfolgt.
-
Eine Variation der Impulsfrequenz erfolgt anhand der ermittelten Soll-Förderleistung (Kühlmittelvolumen pro Zeiteinheit). Die Ermittlung der Soll-Förderleistung kann beispielsweise über ein Kennfeld erfolgen, wobei mindestens eine Variable des Kennfelds eine Systemvariable (beispielsweise die Kühlmitteltemperatur) bildet.
-
Sofern die Ermittlung der Soll-Förderleistung als Ergebnis keine Förderleistung ergibt, wird die Kühlmittelpumpe nicht angesteuert.
-
Andernfalls wird, beispielsweise anhand eines Kennfelds, ein zu der Soll-Förderleistung entsprechendes Vielfaches der minimalen Periodendauer ermittelt.
-
Die maximale Förderleistung im gepulsten Zustand ergibt sich in Abhängigkeit von der sog. Schluckgröße und der Impulsfrequenz und liegt unter der im kontinuierlichen Betrieb. Daher muss bei einem Wert des Vielfachen von „eins” oder weniger die Kühlmittelpumpe in den Dauerbetrieb versetzt werden.
-
Andernfalls wird das Vielfache der minimalen Periodendauer einem Pulserzeuger zugeführt, der alle Vielfache Perioden einen Impuls mit einer voreingestellten Impulsdauer erzeugt.
-
Die Impulsdauer wird, beispielsweise anhand eines Kennfelds, aus mindestens einer erfassten Systemgröße ermittelt.
-
Vorteilhafterweise wird die Impulsdauer derart gewählt, dass unabhängig von den Werten der Systemvariablen ein konstantes Kühlmittelvolumen pro Impuls gefördert wird.
-
Eine Ansteuereinheit setzt aus der vom Pulserzeuger generierten Impulsfrequenz und der ermittelten Impulsdauer ein entsprechendes Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe zusammen. Bei einem Betrieb der Kühlmittelpumpe mit dem generierten Ansteuersignal ist der geforderte Kühlmittelvolumenstrom erzielbar.
-
Für die individuelle Anpassung des Kühlmittelvolumenstroms kann die schaltbare Kühlmittelpumpe somit mit einem gepulsten Ansteuersignal, keinem Ansteuersignal oder einem kontinuierlichen Ansteuersignal beaufschlagt werden.
-
Die Auswahl von relevanten Systemvariablen erfolgt abhängig von der Schaltungsart der Kühlmittelpumpe.
-
Zeichnungen
-
Es zeigen:
-
1: eine schematische Darstellung eines Kühlkreislaufs eines Verbrennungsmotors;
-
2: ein Ablaufdiagramm einer erfindungsgemäße Ablaufsteuerung;
-
3a–3c: unterschiedliche zeitliche Verläufe von Ansteuersignalen.
-
In 1 ist ein Kühlkreislauf 1 für einen Verbrennungsmotor 2 dargestellt. Das Kühlmittel wird von einer Kühlmittelpumpe 3 in Richtung des Pfeils 4 gefördert. Der Kühlkreislauf 1 weist einen inneren und einen äußeren Kühlkreislauf auf. In dem inneren Kühlkreislauf zirkuliert das Kühlmittel zwischen der Kühlmittelpumpe 3, dem Verbrennungsmotor 2 und einem Bypass 5. In dem äußeren Kühlkreislauf zirkuliert das Kühlmittel zwischen der Kühlmittelpumpe 3, dem Verbrennungsmotor 2 und einem Kühler 6. Die Steuerung des jeweiligen Kühlkreislaufs erfolgt über ein Steuerventil 7.
-
Ein Ansteuersignal 8 für den Betrieb der Kühlmittelpumpe 3 wird von einem Steuergerät 9 generiert. Die Eingangsgrößen für das Steuergerät 9 bilden Systemvariablen 10 des Verbrennungsmotors 2. In der in 1 dargestellten Ausführungsform bilden die Systemvariablen 10 die Drehzahl des Verbrennungsmotors und die Temperatur des Kühlmittels, welches von einem Temperatursensor 11 stromabwärts des Verbrennungsmotors 2 gemessen wird.
-
In 2 ist ein Ablaufdiagramm für die im Steuergerät 9 ablaufende Steuerung zur Generierung eines Ansteuersignals 8 für die Kühlmittelpumpe 2 dargestellt. Die gemessene Kühlmitteltemperatur 10.1 geht als Systemvariable 10 in ein Kennfeld K1 ein. Aus dem Kennfeld K1 kann die entsprechende Soll-Förderleistung 12 ermittelt werden, wobei die Soll-Förderleistung 12 das pro Zeiteinheit durch die Kühlmittelpumpe 3 zu fördernde Kühlmittelvolumen bildet.
-
In einem Vergleich V1 erfolgt ein Vergleich hinsichtlich einer Soll-Förderleistung 12 von dem Wert „null”. Sofern dies vorliegt, wird ein entsprechendes Ansteuersignal 8.1 generiert, so dass die Kühlmittelpumpe 3 nicht angesteuert wird.
-
Andernfalls bildet die Soll-Förderleistung 12 eine Variable des Kennfelds K2. Eine weitere Variable des Kennfelds K2 bildet eine minimale Periodendauer Tmin, die der Kehrwert einer maximalen Impulsfrequenz ist.
-
Die minimale Periodendauer Tmin ist diejenige Zeitdauer, die sich aus der Zeit ergibt, die die Kühlmittelpumpe 3 maximal benötigt, um nach einem Ansteuersignal(-impuls) wieder in den Zustand mit einer Förderleistung von „null” zu gelangen.
-
Anhand des Kennfelds K2 kann ein zu der Soll-Förderleistung 12 entsprechendes Vielfaches X der minimalen Periodendauer Tmin ermittelt werden.
-
In einem Vergleich V2 erfolgt ein Vergleich hinsichtlich eines Vielfaches X von dem Wert „eins”. Bei einem Wert von „eins” entspricht die ermittelte Impulsfrequenz f (Kehrwert der Periodendauer T) der maximalen Impulsfrequenz (Kehrwert der minimalen Periodendauer Tmin), so dass die Kühlmittelpumpe 3 demnach auch in den Dauerbetrieb versetzt werden kann. Sofern dies vorliegt, wird ein entsprechendes Ansteuersignal 8.2 generiert, so dass die Kühlmittelpumpe 3 kontinuierlich angesteuert wird.
-
Andernfalls wird das Vielfache X einem Pulserzeuger 13 zugeführt. Dem Pulserzeuger 13 liegen weiterhin Impulse 14, die von einem Timer 15 generiert werden, an. Der Pulserzeuger 13 erzeugt alle Vielfache X Perioden einen Impuls 14 mit einer voreingestellten Impulsdauer timpv. Der Impuls 14 wird mit einer voreingestellten Impulsfrequenz f generiert oder er weist die Periodendauer T auf.
-
Die ermittelte Impulsfrequenz f (Kehrwert der Periodendauer T) wird einer Ansteuereinheit 16, beispielsweise in Ausbildung einer Verzögerungseinheit (TurnOffDelay), zugeführt.
-
Der gemessene Saugrohrdruck 10.2 und Umgebungsdruck 10.3 können relevante Systemvariablen 10 bilden. Aus dem Saugrohrdruck 10.2 und dem Umgebungsdruck 10.3 wird ein Differenzdruck 10.4 gebildet. Der Differenzdruck 10.4 und die erfasste Motordrehzahl 10.5 gehen als Systemvariablen 10 in ein Kennfeld K3 ein. Eine weitere Variable des Kennfelds K3 kann neben der Impulsdauer timp das Kühlmittelvolumen pro Impuls bilden. Das Kühlmittelvolumen pro Impuls stellt das durch die Kühlmittelpumpe 3 geförderte Kühlmittelvolumen dar, das während eines Impulses 14 gefördert werden kann. Der Wert des Kühlmittelvolumens pro Impuls wird durch die Systemvariablenwerte 10 beeinflusst.
-
Um eine Kompensation der Umgebungsbedingungen und somit eine Kompensation der Systemvariablenwerte 10 zu erhalten, wird die Impulsdauer timp hinsichtlich eines konstanten Kühlmittelvolumens pro Impuls gewählt. Hierzu werden Isolinien mit gleichem Kühlmittelvolumen pro Impuls bezüglich der Systemvariablenwerte 10 gebildet.
-
Die anhand des Kennfelds K3 ermittelte Impulsdauer timp wird der Ansteuereinheit 16 zugeführt. Die Ansteuereinheit 16 generiert entsprechend der Impulsfrequenz f (Kehrwert der Periodendauer T) und der Impulsdauer timp ein gepulstes Ansteuersignal 8.3 zur Ansteuerung der Kühlmittelpumpe 3.
-
In 3a bis 3c sind unterschiedliche. Zeitverläufe von Impulsen 14 dargestellt.
-
3a zeigt den Verlauf der vom Timer 15 erzeugten Impulse 14 über die Zeit t. Der Timer 15 generiert Impulse 14 mit der voreingestellten Impulsdauer timpv und der minimalen Periodendauer Tmin.
-
Die 3b zeigt den Zeitverlauf der durch den Pulserzeuger 13 veränderten Impulse 14. Durch die Multiplikation der minimalen Periodendauer Tmin mit dem Vielfachen X wird die Periodendauer T variiert. In diesem Beispiel beträgt das Vielfache X den Wert „zwei”.
-
3c zeigt den Zeitverlauf der durch die Ansteuereinheit 16 veränderten Impulse 14. Entsprechend dem Kennfeld K3 wird in der Ansteuereinheit 16 die Impulsdauer timp variiert.
