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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Diagnose einer unabhängig vom
Betriebszustand einer Brennkraftmaschine zu- und abschaltbaren Kühlmittelpumpe
zum Umwälzen
eines Kühlmittels
in einem geschlossenen Kühlkreislauf
der Brennkraftmaschine.
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Bei
der Verbrennung des Kraftstoff-Luftgemisches im Brennraum einer
Brennkraftmaschine können
Spitzentemperaturen von mehr als 2000°C auftreten. Um eine thermische Überlastung
der eingesetzten Materialien für
Zylinderkopf, Ventile, Zündkerzen,
Einspritzventil, Zylinder, Kolben, Kolbenringe, Dichtungen usw.
zu verhindern, muss eine Kühlung
erfolgen. Dabei hat sich weitgehend die Zwangsumlaufkühlung mittels
einer Kühlflüssigkeit durchgesetzt.
Dabei sind Zylinder und Zylinderkopf doppelwandig ausgeführt. Der
Zwischenraum ist mit einer Kühlflüssigkeit
gefüllt
und so ausgebildet, dass ein Kühlmittelkreislauf
entsteht. Als Kühlflüssigkeit dient
eine Mischung aus Wasser, Frostschutzmittel und fallspezifischen
Inhibitoren.
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Solche
konventionelle Kühlsysteme
beinhalten in der Regel eine entweder unmittelbar oder mittelbar über ein
bewegliches Zugmittel, z. B. Keilriemen von der Brennkraftmaschine
angetriebene Kühlmittelpumpe
und ein Dehnstoffthermostat. Die Kühlmittelpumpe arbeitet daher
motordrehzahlabhängig und
ist so ausgelegt, dass in jedem Betriebszustand der Brennkraftmaschine
ein ausreichender Kühlmittelstrom
zur Verfügung
gestellt wird. Um eine in engen Grenzen konstante Kühlmittel- und damit auch Brennkraftmaschinentemperatur
zu erhalten, wird die Kühlmitteltemperatur
geregelt. Hierzu ist ein temperaturabhängiger Dehnstoffregler vorgesehen,
der ein Ventil betätigt,
das bei sinkender Kühlmitteltemperatur
einen zunehmenden Kühlmittelstrom
am Kühler vorbeiführt. Dehnstoffregler und
Ventil bilden eine bauliche Einheit und werden im Allgemeinen als
Kühlerthermostat
bezeichnet.
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Ausgehend
vorn kalten Betriebszustand der Brennkraftmaschine ist das Kühlerthermostat
zunächst
geschlossen und die Kühlmittelzirkulation
findet ausschließlich
in einem Bypasskreislauf der Brennkraftmaschine statt. Dies wird
auch als ”kleiner Kühlkreislauf” bezeichnet.
Ab einer bestimmten Kühlmitteltemperatur öffnet das
Kühlerthermostat
und der Kühlmittelstrom
fließt
zum Kühler,
wird dort aufgrund des Fahrtwindes und/oder des Kühlerventilators
abgekühlt
und wieder zur Brennkraftmaschine zurückgeleitet. Dies wird auch
als ”großer Kühlkreislauf” bezeichnet.
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Aus
der
DE 102 26 928
A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine
bekannt, bei der das Kühlmittel
mittels einer Kühlmittelpumpe
innerhalb eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufes
bedarfsweise umgewälzt
wird. Abhängig
von einer, die Temperatur der Brennkraftmaschine charakterisierenden
Größe ist der
Kühlmittelvolumenstrom
von einem, einen Kühlmitteleinlass und
einen Kühlmittelauslass
der Brennkraftmaschine verbindenden ersten Kühlmittelkreislauf zu einem,
einen Kühler
der Brennkraftmaschine enthaltenden zweiten Kühlmittelkreislauf mittels eines
Stellgliedes umschaltbar. Am Kühlmittelauslass
der Brennkraftmaschine ist in Abhängigkeit der Größe der Kühlmittelvolumenstrom
in einen ersten Kühlmittelvolumenstrom
in dem ersten Kühlmittelkreislauf
und in einen zweiten Kühlmittelvolumenstrom
in einen, mindestens einen Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher
enthaltenden Bypass aufteilbar. Dadurch kann nach Erkennen eines
Kaltstarts der Brennkraftmaschine das Stellglied derart angesteuert
werden, dass der Kühlmittelvolumenstrom
ausschließlich über den Öl-Kühlmittel-Wärmetauscher
enthaltenden Bypass geleitet wird, was zu einer schnellen Erwärmung der
Betriebsstoffe wie Motoröl
und/oder Getriebeöl
und/oder Hydrauliköl
führt.
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Eine
besonders schnelle Erwärmung
der Brennkraftmaschine und in Folge davon der Betriebsstoffe ergibt
sich, wenn ausgehend von Kaltstartverhältnissen der Brennkraftmaschine
zunächst keine
Zirkulation des Kühlmittels
erfolgt, was zur Folge hat, dass sich das in dem Kühlmantel
der Brennkraftmaschine befindliche relativ kleine Kühlmittelvolumen
sehr schnell erwärmt.
Dies kann beispielsweise durch ein geeignetes Kühlmittelmischventil oder bei
mechanisch von der Brennkraftmaschine angetriebener Kühlmittelpumpe
durch Vorsehen einer schaltbaren Kupplung erreicht werden. Bei Kühlsystemen
mit einer elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe kann der Kühlkreislauf
auf einfache Weise durch Abschalten des Elektromotors der Kühlmittelpumpe
unterbrochen werden. Da hierbei das Kühlmittel nicht mehr zirkuliert,
spricht man auch von einem ”stehenden
Kühlmittel”.
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Hierzu
wird in der
DE 102
26 928 A1 vorgeschlagen, eine elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe
zu verwenden, welche in diesem Betriebspunkt der Brennkraftmaschine
abgeschaltet wird. Durch die so erzielte Minimierung der Aufwärmzeit und
dadurch bedingte, bei höheren
Temperaturen geringere Ölviskosität verringerte
Reibung verringert sich der Kraftstoffverbrauch und es ist darüber hinaus ein
günstigeres
Emissionsverhalten zu beobachten.
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Das
Problem, das sich bei einem solchen Vorgehen ergibt, liegt darin,
dass Kühlmitteltemperatursensoren
in der Regel außerhalb
der Brennkraftmaschine, meist in einer Leitung am Kühlmittelauslass
des Zylinderkopfes angeordnet sind und infolgedessen keine verlässliche
Signale mehr über
den thermischen Betriebszustand der Brennkraftmaschine selbst, insbesondere über die
herrschende Temperatur im Zylinderkopf liefern. Um bei deaktivierter Kühlmittelpumpe
dennoch einen genauen Wert für die
Temperatur der Brennkraftmaschine zu erhalten, wird zumindest in
der Aufwärmphase
der Brennkraftmaschine auf das Signal eines am oder im Zylinderkopf
der Brennkraftmaschine angeordneten Temperatursensors zurückgegriffen.
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Da
somit der Betrieb bzw. Nichtbetrieb der Kühlmittelpumpe sowohl einen
Einfluss auf das Aufwärmverhalten
der Brennkraftmaschine einerseits, als auch auf das Emissionsverhalten,
insbesondere beim Kaltstart anderseits hat, muss deren ordnungsgemäße Funktion überwacht
werden. Eine defekte oder deaktivierte Kühlmittelpumpe kann zu einer
unzulässigen Überhitzung
der Brennkraftmaschine führen,
eine immer aktive Kühlmittelpumpe
beim Kaltstart der Brennkraftmaschine kann zu erhöhtem Schadstoffausstoß führen.
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In
der
DE 10 2006
057 801 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Betreiben einer Antriebseinheit beschrieben, die eine Diagnose einer Funktion
einer Kühlmittelpumpe
in einen Kühlkreislauf
eines Motors in einem Nachlauf der Antriebseinheit unabhängig von
verschiedenen äußeren und
inneren Bedingungen der Antriebseinheit ermöglichen. Dabei wird eine Fehlfunktion
der Kühlmittelpumpe
in Abhängigkeit
einer die Batteriespannung der Antriebeinheit charakterisierenden
Größe und/oder
in Abhängigkeit
einer einen zeitlichen Verlauf einer vom Betrieb der Kühlmittelpumpe
beeinflussten Größe charakterisierenden
Größe im Nachlauf
der Antriebseinheit erkannt. Als die vom Betrieb der Kühlmittelpumpe
beeinflusste Größe wird
eine die Motortemperatur der Antriebseinheit charakterisierende
Größe gewählt.
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Aus
der
DE 44 26 494 B4 ist
ein Verfahren zum Überwachen
des Kühlsystems
bei einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei ein Temperatursensor vorgesehen
ist, der ein für
das Kühlsystem
charakteristisches Temperatursignal erzeugt. Eine Auswerteeinrichtung
wertet das Temperatursignal aus und bei erkanntem Fehler wird eine
Anzeige ausgelöst.
Dabei wird der zeitliche Verlauf des Temperatursignals ausgewertet
und eine erkannte Temperaturänderung pro
Zeiteinheit mit plausiblen Werten verglichen.
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Die
DE 41 13 294 C1 zeigt
einen Temperatursensor zur Verwendung im Zylinderkopf einer flüssigkeitsgekühlten Verbrennungskraftmaschine,
der ein Sensorgehäuse
mit einer An schlussklemme umfasst, die signalleitend mit einem die
Temperatur des Kühlmittels
erfassenden Kühlmitteltemperatursensors
verbunden ist. Im Sensorgehäuse
ist neben den Kühlmittelsensor
zumindest ein Bauteiltemperatursensor mit einer separaten Anschlussklemme
vorgesehen, wobei der Bauteiltemperatursensor einen Bestandteil
des Zylinderkopfes anliegend berührt.
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In
der
DE 10 2005
003 251 A1 ist ein Verfahren zum Prüfen eines Motorkühlmitteltemperaturfühlers in
einem Fahrzeug mit einem Prozessor beschrieben, der mit dem Motorkühlmitteltemperaturfühler und
einem Ansauglufttemperaturfühler
kommuniziert, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Empfangen
eines Motorkühlmitteltemperaturfühler-Messdatenwertes
von dem Motorkühlmitteltemperaturfühler und
eines Ansauglufttemperatur-Messdatenwertes (Alt-Messdatenwertes)
durch den Prozessor; Bewerten der Temperaturdifferenz zwischen dem
Motorkühlmitteltemperaturfühler-Messdatenwert
dem Alt-Messdatenwert, um zu bestimmen, ob Irrationalität vorliegt,
wobei der Bewertungsschritt das Überwachen
des Alt-Messdatenwertes während
des Betriebs des Fahrzeugs umfasst, um das Vorhanden sein einer
Motorblockheizung zu erkennen, falls die Temperaturdifferenz einen
im Voraus festgelegten Schwellenwert überschreitet; und bereitstellen
eines Hinweises auf die Rationalität in Reaktion auf den Bewertungsschritt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Diagnose einer Kühlmittelpumpe
für eine
Brennkraftmaschine der Eingangs genannten Art anzugeben, mit dem bzw.
mit der auf einfache Weise Defekte erkannt werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnete
Erfindung gelöst.
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Die
Erfindung umfasst die allgemeine technische Lehre, dass zur Diagnose
einer unabhängig vom
Betriebszustand einer Brennkraftmaschine zu- und abschaltbaren Kühlmittelpumpe
zum Umwälzen eines
Kühlmittels
in einem geschlossenen Kühlkreislauf
der Brennkraftmaschine zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach einem
erkannten Kaltstart der Brennkraftmaschine sowohl ein die Kühlmitteltemperatur der
Brennkraftmaschine repräsentierender
Wert als auch ein die Zylinderkopftemperatur der Brennkraftmaschine
repräsentierender
Wert ermittelt und diese anschließend miteinander verglichen
werden und in Abhängigkeit
des Ergebnisses des Vergleiches die Kühlmittelpumpe hinsichtlich
ihrer Funktionstüchtigkeit
bewertet wird.
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Durch
Heranziehung eines weiteren, die Erwärmung beim Kaltstart der Brennkraftmaschine
repräsentierenden
Wertes, nämlich
der Zylinderkopftemperatur und Plausibilisierung dieses Signals
mit einem die Kühlmitteltemperatur
repräsentierenden Wert
ist es auf einfache und kostengünstige
Weise möglich, die
Funktionsfähigkeit
der Kühlmittelpumpe der
Brennkraftmaschine zu beurteilen.
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Durch
geeignete Wahl des Abfragezeitpunktes für die auftretenden Temperaturen
nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ist es möglich, verschiedene
Fehlerursachen zu unterscheiden.
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Wird
die Kühlmittelpumpe
erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Kaltstart der
Brennkraftmaschine zugeschaltet und nach Ablauf einer weiteren vorbestimmten
Zeitspanne die genannten Temperaturwerte ermittelt und verglichen, so
lässt sich
auf einfache Weise feststellen, ob die Kühlmittelpumpe fehlerfrei arbeitet
oder trotz erfolgter Aktivierung kein Kühlmittel umwälzt, weil
beispielsweise kein Kraft- oder Formschluss zwischen Pumpenrad und
Pumpenwelle besteht oder ein sonstiger mechanischer Defekt vorliegt.
Die beiden Temperaturwerte unterscheiden sich dann zu diesem Zeitpunkt
der Temperaturabfragen wesentlich voneinander. Nach Erkennen eines
solchen Fehlers können
geeignete Notmaßnahmen,
wie beispielsweise Begrenzung der Drehzahl oder Last eingeleitet
werden und so einer Überhitzung
der Brennkraftmaschine vorgebeugt werden.
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Wird
die Kühlmittelpumpe
erst nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne nach dem Kaltstart der
Brennkraftmaschine zugeschaltet und schon zu diesem Zeitpunkt die
Temperaturwerte ermittelt und anschließend verglichen, so lässt sich
an Hand des Vergleichsergebnisses feststellen, ob die Kühlmittelpumpe
fehlerfrei arbeitet oder die Kühlmittelpumpe schon
vom Zeitpunkt des Kaltstarts der Brennkraftmaschine an eingeschaltet
war und nicht mehr deaktiviert werden kann. Die beiden Temperaturwerte
unterscheiden sich dann zu diesem Zeitpunkt der Temperaturabfragen
nur unwesentlich voneinander.
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Eine
einfache Aussage über
die Funktionsfähigkeit
der Kühlmittelpumpe
lässt sich
erhalten, wenn überprüft wird,
ob jeweils das Vergleichsergebnis der beiden Temperaturwerte in nerhalb
eines, durch vorgegebene Grenzen definierten Toleranzbandes liegt, und
Bewerten der Kühlmittelpumpe
als defekt, wenn das Vergleichsergebnis außerhalb des Toleranzbandes
liegt.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Häufigkeitszähler aktiviert,
der die Anzahl der außerhalb
des Toleranzbandes liegenden Vergleichsergebnisse zählt und
die Kühlmittelpumpe oder
die Kühlmittelpumpenansteuerung
erst dann als defekt bewertet wird, wenn die Anzahl eine vorgegebene
maximal zulässige
Häufigkeit übersteigt.
Dies hat den Vorteil, dass nur reproduzierbar auftretende Fehlerereignisse
tatsächlich
auch eingetragen werden, was zu einem robusten System führt.
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Besonders
einfach lässt
sich der Vergleich durchführen,
wenn zu den angegebenen Zeitpunkten die Differenz der beiden Temperaturwerte
gebildet und der so erhaltene Wert überprüft wird, ob er innerhalb des
jeweiligen Toleranzbandes liegt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Grenzen
der Toleranzbänder
und die Zeitspannen experimentell auf einem Prüfstand für die Brennkraftmaschine ermittelt.
So erhält
man auf einfache Weise Kriterien zur Beurteilung der Funktionsfähigkeit
der Kühlmittelpumpe.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Diagnose einer unabhängig
vom Betriebszustand einer Brennkraftmaschine zu- und abschaltbaren
Kühlmittelpumpe
zum Umwälzen
eines Kühlmittels
in einem geschlossenen Kühlkreislauf
der Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass sie folgendes
aufweist:
- – eine
Einrichtung zum Ermitteln eines die Kühlmitteltemperatur repräsentierenden
Wertes,
- – eine
Einrichtung zum Ermitteln eines die Zylinderkopftemperatur repräsentierenden
Wertes,
- – eine
Vergleichseinrichtung zum Vergleichen dieser beiden Temperaturwerte,
- – eine
Bewertungseinrichtung, welche in Abhängigkeit des Ergebnisses der
Vergleichseinheit die Kühlmittelpumpe
hinsichtlich ihrer Funktionstüchtigkeit
bewertet und
- – eine
Fehlermanagementeinrichtung die einen Fehlerspeicher und/oder eine
Fehleranzeigevorrichtung aufweist zum Speichern eines Fehlercodes
und/oder Ausgabe einer Warnmeldung im Falle einer defekten Kühlmittelpumpe
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Bezüglich der
Vorteile, welche sich daraus ergeben, wird auf die Ausführungen
zu dem unabhängigen
Verfahrensanspruch verwiesen.
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Besonders
einfach lassen sich die beiden Temperaturwerte erhalten, wenn die
Einrichtung zum Ermitteln eines die Kühlmitteltemperatur repräsentierenden
Wertes einen Temperatursensor und umfasst und die Einrichtung zum
Ermitteln eines die Zylinderkopftemperatur (TZK) repräsentierenden
Wertes einen Temperatursensor umfasst.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung beinhalten die Einrichtungen zum Ermitteln
eines die Kühlmitteltemperatur
repräsentierenden
Wertes und die Einrichtung zum Ermitteln eines die Zylinderkopftemperatur
repräsentierenden
Wertes jeweils ein Modell, welches jeweils aus Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine die genannten Temperaturen berechnet. Damit ergibt
sich eine besonders kostengünstige Vorrichtung,
da hierbei die Sensoren entfallen können.
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Andere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
und/oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung einen Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine,
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2 den
zeitlichen Verlauf der Kühlmitteltemperatur
und der Zylinderkopftemperatur bei einer ordnungsgemäß arbeitender
Kühlmittelpumpe
und
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3 und 4 zeitliche
Verläufe
der Kühlmitteltemperatur
und der Zylinderkopftemperatur bei einer nicht ordnungsgemäß funktionierenden
Kühlmittelpumpe.
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In
der 1 ist eine Brennkraftmaschine in ihrer Gesamtheit
mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Sie kann als Otto-Brennkraftmaschine
oder als Diesel-Brennkraftmaschine oder auch als Brennkraftmaschine
mit einem Hybridantrieb ausgebildet sein, wobei lediglich die zum
Verständnis
der Erfindung nötigen
Komponenten gezeigt sind. Sie umfasst mindestens einen Zylinder.
In dem dargestellten Beispiel weist die Brennkraftmaschine 10 vier
Zylinder 13 auf. Über
einen nur schematisch gezeigten Ansaugtrakt 30 wird die
zur Verbrennung des Kraftstoffes benötigte Frischluft zugeführt. Die
Kraftstoffzuteilung kann beispielsweise direkt in den bzw. die Brennräume erfolgen
(Kraftstoffdirekteinspritzung) oder mittels Einspritzung in ein
oder mehrere Saugrohre (Saugrohreinspritzung) geschehen. Die bei
der Verbrennung entstehenden Abgase werden über einen, ebenfalls nur schematisch
dargestellten Abgastrakt 31 abgeführt. Zur Reinigung des Abgases
sind in dem Abgastrakt 31 bevorzugt ein oder mehrere Abgaskatalysatoren
mit einer zugehörigen
Abgassensorik und mindestens ein Schalldämpfer angeordnet. Im Ansaugtrakt 30 können in
herkömmlicher Weise
beispielsweise ein Luftfilter, ein oder mehrere Lastsensoren in
Form eines Luftmassenmessers oder Saugrohrdrucksensors, eine Drosselklappe
mit zugehöriger
Sensorik, ein Ansaugtemperatursensor und weitere Sensoren, die zur
Steuerung der Brennkraftmaschine nötig sind, vorgesehen sein.
Des Weiteren kann die Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zur
Verdichtung der Ansaugluft (elektrischer oder mechanischer Kompressor,
Abgasturbolader) ausgestattet sein.
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Die
Brennkraftmaschine 10 weist ferner ein Kühlsystem
auf, wobei ebenfalls nur die zum Verständnis der Erfindung nötigen Komponenten
gezeigt sind. Insbesondere sind bei der Darstellung des Kühlsystems
der Brennkraftmaschine die zur Erwärmung eines Fahrzeuginnenraumes
dienenden Heizungswärmetauscher
und der Kühlmittelausgleichsbehälter, ein ÖlKühlmittelwärmetauscher
sowie die dazugehörigen
Leitungszweige weggelassen. Der Weg des Kühlmittelvolumenstromes innerhalb
des Kühlmittelkreislaufes
ist jeweils mit Pfeilsymbolen eingezeichnet.
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Der
Kühlmittelkreislauf
der Brennkraftmaschine 10 weist eine Kühlmittelpumpe 11 auf,
die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe
ausgestaltet ist. Insbesondere kann diese Kühlmittelpumpe beispielsweise
auch als eine bezüglich
ihrer Abgabeleistung Steuer- oder
regelbare und/oder als eine bezüglich ihrer
Förderrichtung
umkehrbare Pumpe ausgeführt sein.
In einer weiteren Ausführung
kann die Kühlmittelpumpe 11 auch
als eine mechanisch über
ein Antriebsmittel 34 von der Brennkraftmaschine angetriebene
Pumpe realisiert sein. Es muss dabei lediglich sicher gestellt sein,
dass diese Kühlmittelpumpe
in bestimmtem Betriebsbereichen der Brennkraftmaschine, insbesondere
beim Kaltstart der Brennkraftmaschine, vom Antrieb abgekoppelt werden
kann, beispielsweise mittels einer mechanisch oder elektrisch zu
betätigenden
Kupplung oder einer mechanischen oder elektrischen Schalteinrichtung 33 oder durch
Anfahren einer Leerlaufstellung eines zwischen Brennkraftmaschine
und Kühlmittelpumpe
geschalteten Getriebes, wie es in der 1 in strichlinierter
Darstellung gezeigt ist.
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Die
Brennkraftmaschine 10 weist einen nicht dargestellten Kühlmantel
um die Zylinder 13 auf und die Kühlmittelpumpe 11 fördert das
Kühlmittel
in den Kühlmantel
um die Zylinder 13, und gelangt über Durchgangsbohrungen zum
Zylinderkopf. Am Zylinderkopf der Brennkraftmaschine 10 ist
ein Kühlmittelauslass 14 vorgesehen,
an dem eine Leitung 15 angeschlossen ist. Die Leitung 15 führt zu einem
nicht näher
bezeichneten Anschluss der Kühlmittelpumpe 11.
Der weitere Anschluss der Kühlmittelpumpe 11 führt über eine
Leitung 16 zu einem Kühl mitteleinlass 17 eines
Kühlers 18.
In dem Kühler 18 wird
die in der Brennkraftmaschine 10 entstehende Abwärme über das
Kühlmittel
an die Umgebung abgeführt.
Um auch bei niedrigen Geschwindigkeiten des Fahrzeuges hohe Kühlleistungen
zu erbringen, ist zusätzlich
mindestens ein vorzugsweise elektrisch angetriebener Lüfter 19 vorgesehen.
Das Zuschalten des Lüfters 19 erfolgt
in der Regel temperaturgesteuert oder -geregelt.
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Ein
Kühlmittelauslass 20 des
Kühlers 18 ist über eine
Leitung 21 mit einem Eingang I eines Stellgliedes 12 verbunden.
In der Leitung 16, welche die Kühlmittelpumpe 11 mit
dem Kühlmitteleinlass 17 am Kühler 18 verbindet,
ist ein Abzweig für
eine Bypassleitung 22 vorgesehen, die an einen Eingang
II des Stellgliedes 12 führt. Ein Ausgang III des Stellgliedes 12 ist über eine
Leitung 23 mit einem motorseitigen Kühlmitteleinlass 24 verbunden.
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In
einer einfachen Ausführungsform
ist das Stellglied 12 als ein herkömmliches Kühlerthermostat ausgeführt, welches
beispielsweise ein Dehnstoffelement enthält und abhängig von der an dem Dehnstoffelement
herrschenden Temperatur entweder die Anschlüsse II und III (12 in 1)
oder die Anschlüsse
I und III (12' in 1)
miteinander verbindet, so dass einmal das Kühlmittel in einem sogenannten kleinen
Kühlmittelkreislauf
unter Umgehung des Kühlers 18 oder
in einem sogenannten großen
Kühlmittelkreislauf
unter Einbeziehung des Kühlers 18 umgewälzt werden
kann.
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Anstelle
des herkömmlichen
Kühlerthermostates
kann auch wie in Figur explizit gezeigt, ein elektrisch ansteuerbares
Stellglied 12 in Form eines 3/2 Wege-Proportionalventils
vorgesehen sein. Durch entsprechende Ansteuerung des Stellgliedes 12 mittels
elektrischer Signale lässt
sich der Kühlmittelvolumenstrom
je nach Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 10 auch
unabhängig
von der Temperatur des Kühlmittels
umschalten.
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Ein
Temperatursensor 27 am motorseitigen Kühlmittelauslass 14 liefert
ein der Temperatur des Kühlmittels
am motorseitigen Kühlmittelaustritt
entsprechendes Signal TCO. Ein weiterer Temperatursensor 32,
der am oder im Motorblock, bevorzugt am oder im Zylinderkopf der
Brennkraftmaschine 10 angeordnet ist, liefert ein der Temperatur
des Zylinderkopfes entsprechendes Signal TZK.
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Ferner
ist der Brennkraftmaschine eine elektronische Steuerungseinrichtung 26 zugeordnet.
Solche Steuerungseinrichtungen, die in der Regel einen oder mehrere
Mikroprozessoren, sowie einen Zeitzähler 29 beinhalten
und die eine Vielzahl von Steuer- und Regelungsaufgaben der Brennkraftmaschine 10 übernehmen,
sowie Diagnosefunktionen von relevanten Komponenten der Brennkraftmaschine
durchführen,
insbesondere On-Board-Diagnosen,
sind an sich bekannt, so dass im folgenden nur auf den im Zusammenhang
mit der Erfindung relevanten Aufbau und dessen Funktionsweise eingegangen
wird.
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Die
Steuerungseinrichtung 26 ist ausgebildet zum Ausführen von
Programmen, die in der Steuereinrichtung selbst oder in einem Speicher,
der mit dieser gekoppelt ist, gespeichert sind. Hierzu sind in der
Steuerungseinrichtung 26 u. a. kennfeldbasierte Motorsteuerungsfunktionen
softwaremäßig implementiert.
Der Steuerungseinrichtung 26 sind Sensoren zugeordnet,
die verschiedene Messgrößen erfassen
und jeweils den Messwert der Messgröße ermitteln. Die Steuerungseinrichtung 26 ermittelt
abhängig von
mindestens einer der Messgrößen Stellgrößen, die
dann in entsprechende Stellsignale zum Steuern von Stellgliedern
oder Aktoren mittels entsprechender Stellantriebe umgesetzt werden.
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Die
Sensoren sind beispielsweise ein Pedalstellungsgeber, welcher die
Stellung eines Fahrpedals erfasst, ein Kurbelwellenwinkelsensor,
der einen Kurbelwellenwinkel erfasst und dem dann eine Drehzahl
zugeordnet wird, ein Luftmassenmesser, ein Öltemperatursensor, der einen Öltemperaturwert
erfasst, ein Drehmomentsensor oder ein Ansauglufttemperatursensor,
sowie der Temperatursensor 27 zur Erfassung der Kühlmitteltemperatur
TCO und der Temperatursensor 32 zur Erfassung der Zylinderkopftemperatur
TZK. Die mittels der entsprechenden Sensorik aufgenommenen Eingangssignale
sind in der 1 allgemein mit dem Bezugszeichen
ES bezeichnet.
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Als
Stellglieder seien beispielsweise die Gaseinlass- oder Gasauslassventile,
die Einspritzventile, die Zündkerzen,
die Drosselklappe der Brennkraftmaschine 10 und die Kühlmittelpumpe 11,
das Stellglied 12, sowie der Lüfter 19 des Kühlsystems der
Brennkraftmaschine 10 genannt. Die Ausgangssignale zu den
einzelnen Stellgliedern oder Aktoren sind in der 1 allgemein
mit dem Bezugszeichen AS bezeichnet.
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Ferner
sind in der Steuerungseinrichtung 26 Einrichtungen 35, 36 zum
Vergleichen und Bewerten der von den Temperatursensoren 27, 32 für die Kühlmitteltemperatur
TCO und der Zylinderkopftemperatur TZK erhaltenen Werte implementiert,
sowie eine Fehlermanagementeinrichtung 37 zur Speicherung bzw.
Ausgabe des Diagnoseergebnisses. Mittels einer Anzeigevorrichtung 38 kann
ein festgestellter Defekt der Kühlmittelpumpe 11 dem
Fahrer des mit der Brennkraftmaschine 10 angetriebenen
Fahrzeuges optisch und/oder akustisch angezeigt werden.
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An
Stelle der Temperatursensoren 27, 32 zur Erfassung
der Kühlmitteltemperatur
TCO bzw. der Zylinderkopftemperatur TZK können in der Steuerungseinrichtung 26 auch
Modelle (39, 39')
hinterlegt sein, mit deren Hilfe diese Temperaturen aus anderen
relevanten Betriebsgrößen der
Brennkraftmaschine nach bekannten Methoden berechnet werden. Mögliche Eingangsgrößen solcher
Modelle sind beispielsweise eine Auswahl/Kombination der folgenden
Größen: Drehzahl,
Last, Ansauglufttemperatur, Umgebungslufttemperatur, Materialkoeffizienten
für den
Wärmeübergang,
bzw. Wärmetransport
der verwendeten Materialien, insbesondere für den Zylinderkopf und das
Kühlmittel,
Luftfeuchte, Luftdichte, Temperaturen beim Abstellen der Brennkraftmaschine,
Abstellzeit zwischen zwei Startvorgängen.
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Des
Weiteren ist die Steuerungseinrichtung 26 mit einem Speicher 28 verbunden,
in dem unter anderem vorgegebene Grenzen SW1–SW4 für zwei verschiedene Temperatur-Toleranzbänder gespeichert
sind, auf deren Bedeutung anhand der Beschreibung der 2 bis 4 noch
näher eingegangen
wird.
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Anhand
der 2 bis 4 wird nun erläutert, wie
durch einen Vergleich der Kühlmitteltemperatur
TCO mit der Zylinderkopftemperatur TZK die Funktion der Kühlmittelpumpe 11 überprüft werden kann.
Allen Figuren ist gemeinsam, dass im oberen Teil für verschiedene
Fälle jeweils
der prinzipielle zeitliche Verlauf der Kühlmitteltemperatur TCO und der
Zylinderkopftemperatur TZK nach dem Start der Brennkraftmaschine 10 aufgetragen
ist und der jeweils untere Teil der Figuren den Schaltzustand (EIN/AUS)
der Kühlmittelpumpe 11 zeigt.
Während der Überprüfung der
Kühlmittelpumpe 11 ist
der Kühler 18 mittels
der Bypassleitung 22 kurzgeschlossen.
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Die 2 zeigt
das typische Aufwärmeerhalten
einer Brennkraftmaschine 10, die mit einer funktionstüchtigen,
zu- und abschaltbaren Kühlmittelpumpe 11 ausgestattet
ist. Zum Zeitpunkt t0 erfolgt ein sogenannter Kaltstart der Brennkraftmaschine 10.
Die Kühlmitteltemperatur
TCO weist dabei den Startwert TS auf Ein solcher Kaltstart der Brennkraftmaschine 10 kann
erkannt werden durch Abfragen bestimmter Betriebsparameter der Brennkraftmaschine,
beispielsweise der Kühlmitteltemperatur
und Vergleichen mit einem, einen Kaltstart kennzeichnenden Schwellenwert.
Die Kühlmittelpumpe 11 ist
beim Kaltstart deaktiviert, es findet keine Umwälzung des Kühlmittels statt. Dadurch erwärmt sich
der Zylinderkopf und das darin befindliche Kühlmittel sehr schnell, was
an dem steilen Anstieg der Kurve für die Zylinderkopftemperatur
TZK zu sehen ist. Das Signal TCO des Kühlmitteltemperatursensors 27,
der sich am Kühlmittelauslass 14 (1)
des Zylinderkopfes befindet, ändert
sich ausgehend vom Startwert TS nur unwesentlich. Erst zu einem
Zeitpunkt t1, an dem die Kühlmittelpumpe 11 zugeschaltet
wird, steigt auch das Signal des Kühlmitteltemperatursensors 27 steil
an und es findet relativ rasch ein Angleichen der Kühlmitteltemperatur
TCO an die Zylinderkopftemperatur TZK statt. Die Zeitspanne vom
Start der Brennkraftmaschine bis zum Zeitpunkt t1, während derer die
Kühlmittelpumpe 11 deaktiviert
bleibt, so dass ein Kühlmittelfluss
unterbunden ist, wird experimentell für die betreffende Brennkraftmaschine 10 ermittelt. Sie
ist im Wesentlichen von der konstruktiven Ausgestaltung der Brennkraftmaschine,
insbesondere von der Masse, der Zylinderanzahl und der Bemessung des
Kühlmantels
abhängig.
Diese Zeitdauer wird von dem Zeitzähler 29 der Steuerungseinrichtung 26 überwacht.
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In
der 3 sind die zeitlichen Verläufe für die Zylinderkopftemperatur
TZK und die Kühlmitteltemperatur
TCO für
den Fall gezeigt, dass die Kühlmittelpumpe 11 bei
einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bis zu einem Zeitpunkt t1
nicht deaktiviert werden kann. Ursache hierfür kann sowohl ein mechanischer
als auch ein elektrischer Defekt sein. Die Kühlmittelpumpe 11 läuft sofort
nach Start der Brennkraftmaschine und lässt sich nicht mehr ausschalten. Das
Kühlmittel
wird von der Kühlmittelpumpe 11 umgewälzt und
die aufgrund der Verbrennung in den Brennräumen entstehende Wärme im Zylinderkopf über das
Kühlmittel
abgeführt,
was eine relativ langsame Aufwärmung
der Brennkraftmaschine bedeutet und damit zu erhöhten Emissionen führt. Der
Verlauf der Kühlmitteltemperatur
TCO folgt dem Verlauf der Zylinderkopftemperatur TZK, wobei eine
kleine, durch den mechanischen Aufbau systembedingte Differenz verbleibt,
d. h. die Kühlmitteltemperatur TCO
ist immer etwas kleiner als die Zylinderkopftemperatur TZK. Zu einem
Zeitpunkt t1, bei dem normalerweise die Kühlmittelpumpe 11 erst
zugeschaltet wird, unterscheiden sich die beiden Temperaturwerte TCO
und TZK nur unwesentlich voneinander. Bei einer fehlerfreien Kühlmittelpumpe 11 müssten sich
die beiden Temperaturwerte zu diesem Zeitpunkt t1 deutlich unterscheiden,
so wie es in der 2 dargestellt ist.
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Dieser
Effekt lässt
sich nutzen, um die Kühlmittelpumpe 11 zu überprüfen. Zu
dem Zeitpunkt t1 werden die Werte für die Kühlmitteltemperatur TCO und
die Zylinderkopftemperatur TZK erfasst und miteinander verglichen.
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Hierzu
wird beispielsweise die Differenz ΔT1 = TZK – TCO gebildet und anschließend überprüft, ob dieser
Wert ΔT1
innerhalb eines vorgegebenen, durch zwei Grenzen SW3 und SW4 definierten
Toleranzbandes liegt. Die Grenzen SW3, SW4 für das Toleranzband werden experimentell
durch Versuche ermittelt und sind in dem Speicher 28 der
Steuerungseinrichtung 26 abgelegt Liegt der Wert ΔT1 außerhalb
des Toleranzbandes, so wird die Kühlmittelpumpe 11 als
fehlerhaft eingestuft und ein Fehlercode bzw. eine Fehlermeldung
(z. B.: „Kühlmittelpumpe lässt sich
nicht deaktivieren”)
in dem Fehlerspeicher 38 der Steuerungseinrichtung 26 abgespeichert
bzw. ausgegeben. Außerdem
wird dem Fahrer des mit der Brennkraftmaschine 10 angetriebenen
Fahrzeugs ein akustischer und/oder optischer Warnhinweis ausgegeben.
Alternativ können
der Fehlereintrag und der Warnhinweis erst dann erfolgen, wenn eine
bestimmte Anzahl von Werten ΔT1
außerhalb
des Toleranzbandes liegen.
-
In
der 4 sind Temperaturverläufe für die Zylinderkopftemperatur
TZK und die Kühlmitteltemperatur
TCO für
den Fall gezeigt, dass die Kühlmittelpumpe 11 bei
einem Kaltstart der Brennkraftmaschine nicht aktiviert werden kann
oder trotz erfolgreicher Aktivierung kein Kühlmittel umgewälzt wird.
Dies kann beispielsweise dann eintreten, wenn sich das Pumpenrad
(Flügelrad)
von der Antriebswelle gelöst hat,
so dass es auf der Welle durchrutscht. Dann wird trotz angetriebener
Antriebswelle kein Kühlmittel mehr
durch den Kühlkreislauf
gepumpt.
-
Zum
Zeitpunkt t1 wird im Falle einer elektrischen Kühlmittelpumpe 11 ein
Ansteuersignal ausgegeben, bzw. im Falle einer mechanischen Kühlmittelpumpe 11 diese
in Eingriff mit der Brennkraftmaschine gebracht, so dass bei funktionstüchtiger
Kühlmittelpumpe 11 ein
Transport des Kühlmittels
stattfinden würde.
Nach Ablauf einer weiteren Zeitspanne nach Aktivieren der Kühlmittelpumpe 11 (Zeitpunkt
t1) werden zu einem Zeit punkt t2 die Werte für die Kühlmitteltemperatur TCO und
die Zylinderkopftemperatur TZK erfasst und miteinander verglichen.
Hierzu wird beispielsweise die Differenz ΔT2 = TZK – TCO gebildet und anschließend überprüft, ob dieser
Wert ΔT2 innerhalb
eines weiteren durch zwei Grenzen SW1 und SW2 begrenzten Toleranzbandes
liegt. Die Grenzen SW1, SW2, dieses Toleranzbandes sowie die Zeitspanne
zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 werden experimentell durch Versuche
ermittelt und sind in dem Speicher 28 der Steuerungseinrichtung 26 abgelegt
Liegt der Wert ΔT2
außerhalb
des Toleranzbandes, so wird die Kühlmittelpumpe 11 als
fehlerhaft eingestuft und ein Fehlercode bzw. eine Fehlermeldung
(z. B.: „Kühlmittelpumpe
wälzt nicht
um” oder
Kühlmittelpumpe
lässt sich
nicht aktivieren”)
gespeichert bzw. ausgegeben. Außerdem
wird dem Fahrer des mit der Brennkraftmaschine 10 angetriebenen
Fahrzeugs ein akustischer und/oder optischer Warnhinweis ausgegeben.
Alternativ können
der Fehlereintrag und der Warnhinweis erst dann erfolgen, wenn eine
bestimmte Anzahl von Werten ΔT2 außerhalb
des Toleranzbandes liegen.
-
Aufgrund
des „stehenden
Kühlmittels”, auch nach
Ablauf der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine 10 ist
der vom Kühlmitteltemperatursensor 27 erfasste
Wert sehr niedrig. Da das Kühlmittel
keine Wärme
abtransportieren kann, steigt die Zylinderkopftemperatur stark an
und es kann zu einer Überhitzung
der Brennkraftmaschine und infolge davon zu Beschädigungen
kommen.