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Die Erfindung betrifft eine Kühlstrategie für Verbrennungsmotoren, welche zumindest einen Mediumkreislauf aufweisen, welcher in einen blockseitigen Kühlmittelmantel und in zumindest einen zylinderkopfseitigen Kühlmittelmantel aufgeteilt ist, wobei ein Kühlmittelregelventil vorgesehen ist, welches einen Kühlmittelstrom zu dem Kühlmittelmantel des Blocks zunächst unterbindet und erst bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur freigibt.
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Die
DE 691 22 968 T2 befasst sich mit einem Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine. Weiter offenbart die
DE 691 22 968 T2 grundsätzlich ein konventionelles Kühlsystem, welches in der Leitung ein Trennventil und in der dritten Leitung ein Bypass-Ventil aufweist. Ist das Trennventil, wie auch das Thermostat geschlossen, wird ein Kühlmittestrom an den Brennräumen vorbei verhindert. Insofern offenbar die
DE 691 22 968 T2 , dass ein Kühlmittelstrom durch den Block verhindert werden könne, jedoch wird auf jeden Fall der Kühlmittelstrom durch den Zylinderkopf verhindert, bis ein Schwellenwert erreicht ist. Insofern offenbart die
DE 691 22 968 T2 also, dass ein Durchströmen des Zylinderkopfs in der Warmlaufphase verhindert wird.
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Die
DE 10 2005 056 638 A1 offenbart ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor. Das Kühlsystem weist eine Pumpe für den Kühlmittelkreislauf durch den Motor, einen Kühler zur Kühlung des durchströmenden Kühlmittels, ein thermostatgesteuertes Bypassventil, das zwischen einem Kühlmittelauslass vom Motor und einem Einlass zum Kühler angeordnet ist, um selektiv Kühlmittel durch den Kühler oder den Kühlerbypass und von dort direkt zur Pumpe in Abhängigkeit von der Temperatur des durch das Bypassventil strömenden Kühlmittels, und mindestens ein elektronisch gesteuertes Strömungsregelventil auf, welches zwischen dem Kühlmitteleinlass vom Motor und einem Einlass zu einem Bypassventil zur Regelung der Strömung des durch das Bypassventil strömenden Kühlmittels liegt.
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Die
DE 197 28 724 A1 offenbart eine Kühlstrategie für einen Verbrennungsmotor unter Berücksichtigung von Wärmeflüssen, wobei neben Wärmetauschern auch das Gesamtsystem mit den Kühlmittelleitungen und ein Heizelement betrachtet wird.
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Allerdings wird ein Verbrennungsmotor mit einem Split Cooling Konzept nicht thematisiert.
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Zur Verbesserung des Warmlaufverhaltens des Verbrennungsmotors kommt vermehrt das Prinzip des Split-Coolings zum Einsatz, also die Aufteilung des Kühlmittelkreislaufes in einen blockseitigen und in zumindest einen zylinderkopfseitigen Kühlmittelkreislauf. Der zumindest eine Zylinderkopf-Kühlkreislauf kann auch als erster Teilkreislauf bezeichnet werden, wobei der Block-Kühlkreislauf auch als zweiter Teilkreislauf bezeichnet werden kann. Der zylinderkopfseitige Kreislauf kann in weitere Unterkreisläufe unterteilt werden. In Split-Cooling Systemen wird während der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors der Mediumstrom durch den Zylinderblock (dem zweiten Teilkreislauf) mittels eines Regelventils, beispielsweise eines Thermostaten gezielt unterbrochen, so dass Kühlmittel nicht durch den Block, sondern ausschließlich durch den Zylinderkopf strömt. Ist die Warmlaufphase beendet, bzw. erreicht das Kühlmittel ein bestimmtes Temperaturniveau, wird der Blockkreislauf geöffnet. Die Warmlaufphase des Verbrennungsmotors ist die Phase, bei welcher der Verbrennungsmotor nach einem längeren Stillstand gestartet wird (Kaltstart) und dauert so lange an, bis der Verbrennungsmotor seine Betriebstemperatur bzw. die Kühlflüssigkeit ein hinreichendes Temperaturniveau erreicht hat.
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Moderne Motoren mit einem Split-Cooling Konzept weisen also mindestens zwei motorinterne Kühlkreisläufe auf. Der erste (Zylinderkopfkreislauf) wird immer durchströmt und der zweite (Blockkreislauf) bei Bedarf hinzugeschaltet. In der Regel befindet sich im ersten Kühlmittelkreislauf ein Regelventil in der Ausgestaltung als konventionelles Wachsthermostat, welches den zweiten Kühlkreislauf zu-/abschaltet und mittels der Kühlwassertemperatur des ersten Kreislaufes gesteuert wird.
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Bei dieser Konfiguration tritt das Problem auf, daß die Steuerung unabhängig von der Temperatur des zweiten (blockseitigen) Kreislaufes erfolgt. Der zweite Kreislauf ist für gewöhnlich der, der für die Kühlung der Zylinderrohre (und indirekt auch für die Kolben und Kolbenringe) zuständig ist.
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Werden dem Motor nach dem Kaltstart direkt hohe Lasten abverlangt, dann erwärmt sich das Kühlwasser im zweiten Kreislauf (Blockkreislauf) sehr viel schneller, als das Kühlmittel im ersten Kreislauf (Zylinderkopfkreislauf). Damit reagiert das Wachselement verzögert und es kann leicht zu lokalen Überhitzungen im zweiten Kühlkreislauf kommen, die nicht erwünscht sind.
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Verstärkt wird diese Phänomen, wenn die in den ersten Kreislauf eingetragene Energie durch andere Wärmetauscher wie z. B. die Kabinenheizung oder den Ölkühler genutzt wird und sich dadurch die Kühlmitteltemperatur gar nicht oder nur langsam erhöht. Die Kühlmitteltemperatur im ersten Kreislauf ist damit also kleiner als die Öffnungstemperatur des Wachsthermostaten, so dass der zweite Kreislauf nicht hinzugeschaltet wird obwohl der Wärmeeintrag unverändert hoch ist und so zu Überhitzungen in Struktur und Kühlmittel führen kann.
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Dasselbe Problem tritt auch auf, wenn statt des konventionellen Thermostaten ein elektrisch gesteuertes Regelventil zum Einsatz kommt. Dieses weist zwar zusätzlich die Möglichkeit der Ansteuerung durch eine Motorsteuereinheit (ECU) auf, aber für gewöhnlich erfolgt die zusätzliche Temperaturmessung an einer kritischen Stelle unter warmen Volllastbedingungen (z. B. Zylinderkopf) oder im ständig durchströmten Teil des Kühlmittelstromes und nicht an einer Stelle, die während der Warmlaufphase kritisch ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Kühlstrategie der Eingangs genannten Art mit einfachen Mittel so zu verbessern, dass eine erhöhte Sicherheit gegen Überhitzung, insbesondere bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors bzw. in seiner Warmlaufphase erreicht wird, wenn in der Warmlaufphase hohe Lasten angefordert werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Kühlstrategie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, also durch eine Kühlstrategie für Verbrennungsmotoren, welche zumindest einen Mediumkreislauf nach dem Split-Cooling Konzept aufweisen, welcher Mediumkreislauf in zumindest einen zylinderkopfseitigen und einen blockseitigen Kühlmittelmantel aufgeteilt ist, wobei der zylinderkopfseitige Kühlmittelmantel auch in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors mit Kühlmittel durchströmt wird, und wobei ein Kühlmittelregelventil vorgesehen ist, welches in der Warmlaufphase einen Kühlmittelstrom zu dem blockseitigen Kühlmittelmantel zunächst unterbindet und erst bei Erreichen einer vorbestimmten Temperatur freigibt, umfassend
ein Aufwärmmodell, das in einem Steuergerät implementiert ist, das Aufnehmen zumindest einer Temperatur bei einem Start des Verbrennungsmotors,
das Aufnehmen von Betriebsdaten des Verbrennungsmotors, und das Feststellen hoher Lastanforderung in der Warmlaufphase,
dem Determinieren eines Wärmeeintrages aus der aufgenommenen Temperatur und den aufgenommenen Betriebsdaten,
dem Abschätzen der eingetragenen Wärmemenge aus dem determinierten Wärmeeintrag, und
das Ansteuern des Regelventils bei Erreichen eines Schwellenwertes, so dass das Split-Cooling Konzept zeitlich unverzögert aufgegeben wird, wobei der blockseitige Kühlmittelmantel mit Kühlmittel durchströmt wird, obwohl die Warmlaufphase noch nicht abgeschlossen ist.
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Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn das Aufwärmmodell in der Motorsteuerung implementiert wird. Ein Aufwärmmodell im Sinne der Erfindung ist in dem Steuergerät abgelegt, und stellt modellartig thermische Verhältnisse des Verbrennungsmotors bei unterschiedlichen Betriebsverhalten dar. Natürlich kann das Aufwärmmodell auch, bezogen auf die Motorsteuerung (ECU), extern als separates Steuermodul vorgesehen sein.
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Bei dem Motorstart wird als die zumindest eine Temperatur die Kühlmitteltemperatur oder Referenztemperatur gemessen.
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Danach erfolgt eine Berechnung des Wärmeeintrages in den Verbrennungsmotor bzw. in Teilbereiche des Motors bzw. des Temperaturniveaus im Motor bzw. in dessen Teilbereichen.
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Dazu können Betriebsdaten bzw. Eingangsgrößen des Verbrennungsmotors wie zum Beispiel Motordrehzahl, Motorlast, abgegebenes Drehmoment, Kraftstoffmenge und/oder Luftbedarf verwendet werden.
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Vorteilhaft werden dann die eingetragenen Wärmemengen und/oder Bauteiltemperaturen und/oder Kühlmitteltemperaturen vorhergesagt bzw. abgeschätzt.
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Günstiger Weise kann so ein kritisches Temperaturniveau in Bereichen, die nicht mittels einer direkten Temperaturmessung kontrolliert werden, überwacht werden.
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Ein Abgleich des Modells mittels der Referenztemperatur dient zum Abgleich zwischen Berechnung und Realität.
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Sobald vorher festgelegte Schwellenwerte bzw. kritische Werte in der Rechung und/oder bei der Messung erreicht und/oder überschritten werden, erfolgt eine Ansteuerung des elektrischen Thermostaten bzw. Kühlmittelregelventils, so dass dieses öffnet. Dann wird der blockseitige Kühlmantel mit Kühlmittel durchströmt, obwohl die eigentliche Warmlaufphase noch nicht abgeschlossen ist. Mit anderen Worten wird das Split-Cooling Konzept für diesen Fall kurzfristig, also zeitlich unverzögert aufgegeben, um den Verbrennungsmotor vor thermischen Schäden zu bewahren.
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Besonders vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Kühlstrategie ist, dass keine zusätzlichen Sensoren verwendet werden müssen, sondern die ohnehin vorhandenen Sensoren eingesetzt werden können. Insbesondere bei dem direkten Abverlangen hoher Lasten direkt nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors ist so eine erhöhte Sicherheit gegen Überhitzung gewährleistet, da der zweite Kühlmittelkreislauf (Blockmantel) zeitlich im wesentlichen unverzögert auf die voraussichtlich erhöhte Temperatur angepasst durchströmt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Kühlstrategie eignet sich lediglich für den Fall einer hohen Lastanforderung während des Kaltstarts des Verbrennungsmotors. Wird erkannt, dass ein solcher Zustand während der Warmlaufphase nicht vorliegt, wird der Warmlauf des Verbrennungsmotors nach dem Split-Cooling Verfahren weitergeführt. Selbstverständlich wird das Split-Cooling Verfahren auch nach einem erneuten Kaltstart durchgeführt, es sei denn, die aufgrund des Aufwärmmodells ermittelten Werte erfordern die Aufgabe des Split Cooling Verfahrens.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt die einzige
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1 ein Ablaufdiagramm der erfindungsgemäßen Kühlstrategie.
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1 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm 1 der erfindungsgemäßen Kühlstrategie 2.
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Die Kühlstrategie 2 wird an einem Verbrennungsmotor mit einem so genannten Split-Cooling Konzept durchgeführt. Bei diesem weist der Verbrennungsmotor einen blockseitigen Kühlmittelmantel und einen zylinderkopfseitigen Kühlmittelmantel auf. Bevorzugter Weise ist ein Regelventil in einem Wasserauslassgehäuse, also einem mit dem Zylinderkopf verbundenen, separaten Bauteil angeordnet, wobei das Regelventil in der bevorzugten Ausgestaltung als Thermostat den Gesamtvolumenstrom des Kühlmittels z. B. zum Kühlen und Heizen steuert. Das Regelventil kann auch in dem zylinderkopfseitigen Kühlmittelmantel angeordnet sein. Natürlich kann das Regelventil auch an anderen geeigneten Stellen angeordnet sein, sofern eine Kühlmittelströmung durch den blockseitigen Kühlmittelmantel bei einer Warmlaufphase bzw. nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors unterbunden werden kann. Im Block selbst kann ein weiteres Thermostat angeordnet sein, welches den Kühlmittelstrom durch den Block beeinflusst.
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Möglich ist, dass in der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors hohe Lasten angefordert werden. Um den Verbrennungsmotor vor thermischen Schäden bei einem Kaltstart unter gleichzeitiger hoher Lastanforderung zu bewahren, ist vorgesehen, bei einem Start (Block 3) des Verbrennungsmotors eine Kühlmitteltemperatur oder Referenztemperatur (Block 4) zu messen.
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Gleichzeitig werden einem Block 5 Betriebsdaten des Verbrennungsmotors zugeführt. Als Betriebsdaten können zum Beispiel Motordrehzahl, Motorlast, abgegebenes Drehmoment, Kraftstoffmenge und/oder Luftbedarf verwendet werden.
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Die dem Block 4 und Block 5 zugeführten Daten werden einem Block 6 zugeführt, in welchem ein Wärmeeintrag in den Verbrennungsmotor bzw. in dessen Teilbereiche bzw. des Temperaturniveaus im Verbrennungsmotors bzw. in dessen Teilbereiche determiniert bzw. berechnet wird.
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Die in dem Block 6 determinierten Werte werden einem Block 7 zugeführt, in welchem die eingetragenen Wärmemengen und/oder Bauteiltemperaturen und/oder Kühlmitteltemperaturen vorhergesagt bzw. abgeschätzt werden.
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Die in dem Block 7 vorhergesagten Werte werden einem Entscheidungsblock 8 zugeführt, in dem zumindest ein Schwellenwert für den Verbrennungsmotor abgelegt ist. Mithin wird in dem Entscheidungsblock 8 ein Trend der Temperaturentwicklung erkannt, wobei über ein erforderlichenfalls sofortiges Einschreiten entschieden wird. Übersteigen die in dem Block 7 vorhergesagten Werte den in Block 8 zumindest einen abgelegten Schwellenwert, oder sind die Werte bzw. Beträge gleich, wird ein Signal zum Öffnen des Regelventils erzeugt, so dass der Blockmantel mit Kühlmittel durchströmt wird, obwohl die Warmlaufphase noch nicht beendet ist. Damit werden vorteilhaft kritische Bereiche des Verbrennungsmotors gekühlt welche andernfalls einen thermischen Schaden erleiden könnten.
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Ergibt die Überprüfung in Block 8, dass der zumindest eine Schwellenwert nicht erreicht ist, wird ein einem zweiten Entscheidungsblock 9 entschieden, ob die Warmlaufphase abgeschlossen ist. Ist dies der Fall, wird das Regelventil mittels eines im Block 9 erzeugten Signals geöffnet. Ist die Warmlaufphase noch nicht beendet, wird zu Block 3 zurückgesprungen, was natürlich nicht bedeutet, dass der Verbrennungsmotor neu gestartet wird, sondern das Ablaufdiagramm beginnend bei Block 4 und 5 neu durchlaufen wird.
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In weiter günstiger Ausgestaltung kann vorgesehen sein, über einen weiteren, nicht dargestellten Block abgeführte Wärmemengen in die Kühlstrategie 2 mit einfließen zu lassen. Wärme kann z. B. in Kühlern, Heizungswärmetauschern, Wärmetauschern (wie z. B. Öl/Wasser-, Wasser/Öl-, Wasser/Wasser- und/oder Öl/Ölwärmetauscher), Schläuchen und über die Wärmeabstrahlung des Gesamtsystems abgeführt werden. Hierzu kann ein Rechenmodell zur Bestimmung des Wärmeaustrages und/oder gegebenenfalls eine Sensorik zur Messung der Wärmeströme bzw. zum Messen von Hilfsgrößen herangezogen werden, um die Wärmeströme zu Bestimmen bzw. zu Berechnen.
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Beispielhaft kann durch ein elektrisches Blockwasser-Heizelement, eine Standheizung und/oder andere Heizelemente gezielt Wärme in das Kühlsystem eingebracht werden, wodurch das Aufheizverhalten entsprechend beeinflussbar sein kann. Insofern kann günstiger Weise vorgesehen sein, einen weiteren, nicht dargestellten Block in die Kühlstrategie 2 zu implementieren, so dass die möglicherweise beeinflussenden Wärmemengen in die Kühlstrategie 2 einfließen können.
