DE102017111976A1

DE102017111976A1 - Motorkühlsysteme und -verfahren

Info

Publication number: DE102017111976A1
Application number: DE102017111976.0A
Authority: DE
Inventors: Shiming Duan; Christopher H. Knieper
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2016-06-01
Filing date: 2017-05-31
Publication date: 2017-12-07
Anticipated expiration: 2037-06-01
Also published as: DE102017111976B4; CN107448270B; US20170350303A1; US10054030B2; CN107448270A

Abstract

Ein Motorkühlmittelsystem beinhaltet ein variables Öffnungsventil mit mehreren Rohren in flüssiger Verbindung mit einem Motorblock und einem Kühler. Das Kühlmittelsystem beinhaltet zudem eine elektrisch angetriebene Pumpe, die angeordnet ist, um einen Kühlmittelkreislauf durch den Kühler und den Motorblock bereitzustellen, um eine Motortemperatur zu regulieren. Das Kühlmittelsystem beinhaltet ferner eine Steuerung, die so programmiert ist, um ein Basisverhältnis zwischen der Pumpendrehzahl und der Pumpenleistungsaufnahme mithilfe eines nichtlinearen Maßstabs zu speichern. Die Steuerung ist so programmiert, um einen stationären Betriebszustand der Pumpe zu erfassen und ein Betriebsverhältnis zwischen der Echtzeit-Pumpendrehzahl und der Pumpenleistungsaufnahme zu identifizieren. Die Steuerung ist ferner so programmiert, um ein Kühlmittelleck basierend auf einer Abweichung zwischen dem Basisverhältnis und dem Betriebsverhältnis zu erfassen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Antriebsstrangkühlsysteme eines Fahrzeugs.
EINFÜHRUNG
Verbrennungsmotoren erzeugen wesentliche Wärme und benötigen normalerweise Thermomanagement. Flüssigkeitskühlmittel innerhalb eines geschlossenen Regelkreises kann durch einen Blockabschnitt eines Motors und andere Fahrzeugzubehörteile laufen, um Wärme abzuführen und die Motortemperatur innerhalb eines gewünschten Bereichs aufrechtzuerhalten. Kühlmittelvolumenverlust aus dem Flüssigkeitsregelkreis sowie Strömungsbehinderungen können die Wirksamkeit des Temperaturmanagements reduzieren und potentiell eine Beschädigung der Motorkomponenten durch Überhitzung bewirken.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Motorkühlmittelsystem beinhaltet ein variables Öffnungsventil mit mehreren Rohren in flüssiger Verbindung mit einem Motorblock, einem Kühler und mindestens einem Fahrzeugzubehörteil. Das Kühlmittelsystem beinhaltet zudem eine elektrisch angetriebene Pumpe, die angeordnet ist, um einen Kühlmittelkreislauf durch den Kühler und den Motorblock bereitzustellen, um eine Motortemperatur zu regulieren. Das Kühlmittelsystem beinhaltet ferner eine Steuerung, die so programmiert ist, um ein Basisverhältnis zwischen der Pumpendrehzahl und der Pumpenleistungsaufnahme mithilfe eines nichtlinearen Maßstabs zu speichern. Die Steuerung ist zudem so programmiert, um einen stationären Betriebszustand der Pumpe zu erfassen, eine operative Pumpendrehzahl und eine Pumpenleistungsaufnahme zu überwachen und ein Betriebsverhältnis in Echtzeit zu schätzen. Die Steuerung ist ferner so programmiert, um mindestens eines der Kühlmittellecks und eine Strömungsbehinderung basierend auf einer Abweichung zwischen dem Basisverhältnis und dem Betriebsverhältnis zu erfassen.
Ein Verfahren zum Erfassen einer Kühlmittelstromanomalie, wie etwa mindestens eines Kühlmittellecks und einer Strömungsbehinderung, beinhaltet das Einstellen eines Ausgangswerts für eine Kühlmittelfließeigenschaft basierend auf einem logarithmischen Verhältnis zwischen den gespeicherten operativen Drehzahldaten sowie den gespeicherten Leistungsaufnahmedaten einer elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe. Das Verfahren beinhaltet zudem das Überwachen einer Drehzahleigenschaft und einer Leistungsaufnahmeeigenschaft der Kühlmittelpumpe. Das Verfahren beinhaltet ferner das Speichern von Daten, die die Pumpendrehzahl und Pumpenleistungsaufnahme über eine vorgegebene Lernzeitdauer als Reaktion auf das Erfassen einer stationären operativen Drehzahl der Kühlmittelpumpe anzeigen. Das Verfahren beinhaltet ferner das Schätzen eines Verhältnisses zwischen der Pumpendrehzahl und einer Pumpenleistung und dem Aktualisieren der Schätzung in Echtzeit. Das Verfahren beinhaltet ferner das Erfassen einer Volumenverringerung des Kühlmittels basierend auf einer Abweichung zwischen einem Funktionswert und dem Ausgangswert der Kühlmittelfließeigenschaft.
Ein System zum Erfassen mindestens eines der Kühlmittellecks und eine Strömungsbehinderung beinhaltet eine Steuerung, die so programmiert ist, um einen Ausgangswert für eine Kühlmittelfließeigenschaft zu speichern, die ein erstes Volumen des Kühlmittels anzeigt und das Erfassen einer Drehzahleigenschaft und einer Leistungsaufnahmeeigenschaft einer elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe. Die Steuerung ist zudem so programmiert, um Daten zu speichern, von Daten, die die Pumpenbetriebsdrehzahl und Pumpenleistungsaufnahme über eine vorgegebene Lernzeitdauer als Reaktion auf das Erfassen einer stationären operativen Drehzahl der Kühlmittelpumpe anzeigen. Die Steuerung ist ferner so programmiert, um einen Echtzeitwert für die Kühlmittelfließeigenschaft basierend auf einem operativen Verhältnis zwischen Pumpendrehzahl und Pumpenleistung zu schätzen und das Aktualisieren der Schätzung in Echtzeit basierend auf neuen Sensordaten. Die Steuerung ist ferner so programmiert, um eine Volumenverringerung des Kühlmittels basierend auf einer Änderung der Kühlmittelfließeigenschaft vom Ausgangswert zu erfassen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Systemdiagramm eines Motorkühlmittelsystems.
2 ist ein Diagramm einer Kühlmittelpumpendrehzahl gegenüber der Zeit.
3 ist ein lineares Maßstabdiagramm der Pumpenversorgungsleistung gegenüber der Pumpenabtriebsdrehzahl für einen Bereich von Leckagebedingungen.
4 ist ein logarithmisches Maßstabdiagramm der Pumpenversorgungsleistung gegenüber der Pumpenabtriebsdrehzahl für einen Bereich der Leckagebedingungen aus 3.
5 ist ein lineares Maßstabdiagramm der Pumpenversorgungsleistung gegenüber der Pumpenabtriebsdrehzahl für einen Bereich von Temperaturbedingungen.
6 ist ein lineares Maßstabdiagramm der Pumpenversorgungsleistung gegenüber der Pumpenabtriebsdrehzahl für einen Bereich von Druckverhältnissen.
7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Ausführung einer Kühlsystemprognose basierend auf dem Kühlmittelvolumen.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Folglich sind die offenbarten aufbau- und funktionsspezifischen Details nicht als einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um den Fachleuten die verschiedenen Arten und Weisen der Nutzung der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Wie der Fachleute verstehen, können verschiedene Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Beliebige Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Fahrzeugantriebsstrangkühlsystem 10 so angeordnet, um einen Kühlmittelkreislauf durch einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf bereitzustellen, um die Temperatur des Motors 12 zu regulieren. Eine Kühlmittelpumpe 14 beinhaltet ein Laufrad, das das Flüssigkeitskühlmittel durch das System presst. Kühlmittel wird durch den Motorblock zirkuliert, um Wärme zu absorbieren, die vom Motor erzeugt wird. Nachdem die Wärme vom Motor gespeichert wurde, wird das Kühlmittel durch einen Mehrwegschieber 18 zirkuliert. Abhängig von den Fahrzeugbetriebsbedingungen und dem Kühlbedarf des Motors 12, verteilt das Ventil 18 den Kühlmittelfluss an den Kühler 16 und die Bypass-Leitung 17 mit einem wählbaren Verhältnis, das durch die Einstellung der Ventilstellung eingestellt wird. Wärme wird vom Kühlmittel am Kühler 16 aufgrund von Luft, die über den Zirkulationsrohren fließt, absorbiert. Wenn die Motortemperatur niedrig ist (z. B. nach einem Kaltstart) wird höherer Kühlmittelfluss durch die Bypass-Leitung 17 geleitet, um die benötigte Zeit zum Aufwärmen des Motors 12 zu verringern. Kühlmittel wird durch die Kühlmittelpumpe zurückzirkuliert, um den Kreislauf zu wiederholen, um den Motors während des Betriebs kontinuierlich zu kühlen.
Während ein einzelner Motorkühlkreislauf exemplarisch dargestellt ist, können auch Mehrkreis-Kühlflüssigkeitsysteme von Aspekten der vorliegenden Offenbarung profitieren. Beispielsweise kann ein Hybridfahrzeug mit einer Hochspannungstraktionsbatterie einen zusätzlichen Kühlkreislauf beinhalten, um die Batterietemperatur zu verwalten. Kühlmittelfluss kann jeweils einzeln und im Ganzen für jeden der Kühlkreisläufe gekennzeichnet sein. Diese Kennzeichnung ermöglicht eine sofortige Erfassung einer Kühlmittelstromanomalie in einem Mehrkreis-Kühlsystem vor dem Vorhandensein von nachteiligen Symptomen als Folge der Anomalie.
Oft ist die Kühlmittelpumpe eine herkömmliche mechanische Pumpe, die durch einen Riemen angetrieben wird, der mit der Motorleistung verbunden ist. Die mechanische Beziehung beeinträchtigt die Leistung der Motorleistung als parasitärer Energieverlust. Zusätzlich wird eine mechanisch angetriebene Kühlmittelpumpe stets angetrieben, während sich der Motor bei einer Drehzahl proportional zur Drehzahl des Motors dreht. Dadurch gibt es Bedingungen, in denen ein signifikantes Kühlmittel zirkuliert wird, obwohl die Temperatur des Motors nicht notwendigerweise groß genug ist, um eine Kühlung zu erfordern. Darüber hinaus sollte die Kühlmittelpumpe auch bei niedriger Motordrehzahl mit höheren Motorbelastungen eine ausreichende Kühlung gewährleisten. Für einen Normalbetrieb (höhere Drehzahl und niedrigere Last) muss eine mechanische Pumpe üblicherweise überdimensioniert werden, um den thermischen Anforderungen gerecht zu werden.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die Kühlmittelpumpe 14 als elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe anstelle einer mechanischen Kühlmittelpumpe vorgesehen. Die elektrische Kühlmittelpumpe 14 ermöglicht mehr Motorleistung durch die Reduzierung des Widerstandes bei der Motorleistung. Die elektrische Pumpe ermöglicht auch die präzise Kontrolle darüber, wie viel Kühlmittel durch den Motor bei vorgegebenen Motortemperaturbereichen durchlaufen wird. Die Kühlmittelpumpe 14 ermöglicht eine abrufbare Pumpendrehzahl, die effizienter und auf den spezifischen Kühlbedarf des Motors 12 abstimmbar sein kann.
Das Ventil 18 kann durch die Steuerung 32 betätigt werden, um eine wählbare Öffnung vorzusehen, um den Kühlmittelfluss durch das Motorkühlsystem 10 zu messen. In einem Beispiel ist das Ventil 18 ein Mehrweg-Drehschieber, der einen variablen Bereich von Öffnungsgrößen für jede Öffnung entsprechend der Stellung des Ventils vorsieht. Das Ventil 18 beinhaltet einen Drehabschnitt mit einer Anzahl von Winkelpositionen, die jeweils einer unterschiedlichen Öffnungsgröße einer Öffnung innerhalb des Ventils entsprechen. Die Stellung des Ventils beeinflusst den hydraulischen Widerstand des Kühlmittelsystems und auch die Belastung der Kühlmittelpumpe. Zudem ermöglicht eine präzise Steuerung der Öffnungsgröße eine Dosierung des Kühlmittelflusses im Vergleich zu lediglich offenen oder geschlossenen Ventilen. In alternativen Beispielen kann die Öffnung des Ventils durch externe Faktoren, wie etwa Temperatur (z. B. ein Thermostatventil), ausgelöst werden. Ein Vorteil bei der Verwendung eines aktiven Regelventils im Vergleich zu einem reaktiven offenen-geschlossenen Ventil ist eine Vermeidung von Latenzeffekten, die durch eine zeitliche Verzögerung und/oder Hystereseeffekte, die mit einem herkömmlichen Thermostatventil verbunden sind, eingeführt werden können. Ein zusätzlicher Vorteil, der durch die Verwendung eines aktiv gesteuerten Regelventils realisiert wird, besteht darin, die Ventilöffnung in einem kontinuierlichen Zustand zu steuern, um eine präzisere Fließgeschwindigkeitssteuerung zu ermöglichen. Im Gegensatz dazu bleibt ein herkömmliches Thermostatventil in der geschlossenen oder geöffneten Stellung, ohne eine präzise Fließgeschwindigkeitssteuerung zu ermöglichen.
Die verschiedenen hier erörterten Kühlmittelsystemkomponenten können eine oder mehrere zugeordnete Steuerung(en) aufweisen, um den Betrieb zu regulieren und zu überwachen. Die Steuerung 32, obwohl als einzelne Steuerung dargestellt, kann als eine Steuerung oder als ein System von zusammen wirkenden Steuerungen zur kollektiven Verwaltung der Motorkühlung umgesetzt werden. Mehrere Steuermodule können über einen seriellen Bus (z. B. ein CAN (Controller Area Network)) oder über separate Leiter verbunden sein. Die Steuerung 32 beinhaltet einen oder mehrere digitale Computer, die einen Mikroprozessor oder eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Nur-Lesen-Speicher (ROM), einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen elektrisch programmierbaren Nur-Lese-Speicher (EPROM), einen Hochgeschwindigkeitstaktgeber, eine Analog-Digital-(A/D) und eine Digital-Analog-Schaltung (D/A) sowie Ein-/Ausgabeschaltungen und Geräte (I/O) sowie eine entsprechende Signalaufbereitung und Pufferschaltung aufweisen. Der Controller 32 kann auch eine Anzahl von Algorithmen oder computerausführbaren Befehlen speichern, die erforderlich sind, um Befehle auszuführen, um Maßnahmen gemäß der vorliegenden Offenbarung auszuführen.
Die Steuerung 32 ist dazu programmiert, den Betrieb der verschiedenen Kühlmittelsystemkomponenten zu koordinieren. Steuerung 32 überwacht die Temperatur des Motors 12 basierend auf einem Signal von einem oder mehreren Temperatursensoren. Ein oder mehrere zusätzliche Temperatursensoren sind auch im Kühler angeordnet, um die Temperatur des Kühlmittelflusses zu überwachen, die für den Kühler gedacht ist. Die Steuerung 32 überwacht auch Betriebsbedingungen der Kühlmittelpumpe 14 und steuert die Leistung an die Pumpe basierend auf den erfassten Temperaturen an verschiedenen Stellen des Kühlsystems 10. Die Steuerung 32 steuert und überwacht zusätzlich die Öffnung des Ventils 18, um die Ventilöffnungsgröße mit dem Betrieb der Kühlmittelpumpe 14 und dem Kühlbedarf des Motors 12 zu koordinieren.
Die Fließgeschwindigkeit des Kühlmittels innerhalb des Motorkühlsystems 10 beeinflusst direkt die Kühlwirkung des Systems. Die Verringerung der Fließgeschwindigkeit kann beispielsweise durch einen Verlust des Kühlmittelvolumens aufgrund von Leckagen, Kühlmittelunterfüllungen oder Strömungsbehinderungen innerhalb des Zirkulationskreises verursacht werden (z. B. Hindernisse, die durch Kühlmittelrohrverformung oder Schmutz aus einer ausgefallenen Komponente verursacht werden). Eine starke Verlangsamung des Kühlmittelflusses kann ausreichende Motorkühlung verhindern und daher zu Überhitzung und Beschädigung der Motorkomponenten führen. Sofern beispielsweise Kühlmittel verloren geht und Luft beginnt durch den Kühlkreis zu zirkulieren, können Beschädigungen an den Kühlsystemkomponenten verursacht werden. Insbesondere führt ein niedriger Kühlmittelstand zu einem Pumpenfehler, der durch Kavitation verursacht wird, und zwar durch Luft, die durch das Kühlsystem läuft. Es kann vorteilhaft sein, den Gesundheitszustand des Kühlmittelkreislaufs quantitativ abzuschätzen. Insbesondere kann die Durchführung einer Kühlsystemprognose zum Erfassen der Kühlmittelflussgeschwindigkeitsverlangsamung des Kühlsystems, bevor eine tatsächliche Temperaturerhöhung auftritt, einen vorzeitigen Verschleiß und/oder eine Beschädigung der Motorkomponenten vermeiden.
Unter Bezugnahme auf 2 veranschaulicht das Diagramm 200 die Pumpendrehzahl gegenüber der Zeit für einen exemplarischen Antriebszyklus, bei dem das Kühlmittelvolumen konstant bleibt. Die horizontale Achse 202 veranschaulicht die Zeit und die vertikale Achse 204 veranschaulicht die Betriebsgeschwindigkeit der elektrischen Pumpe in Umdrehungen pro Minute (U/min.). Die Geschwindigkeitsrohdaten werden während der Umdrehung der Pumpe erfasst und durch den Datensatz 206 veranschaulicht. Die Rohdaten beinhalten Fluktuationen in den gemessenen Daten und die Steuerung wendet einen Tiefpassfilter an, um die Daten zu entrauschen. Eine gefilterte Datenkurve 208 wird geglättet und veranschaulicht die Pumpendrehzahl im Verlauf des Antriebszyklus. Die Steuerung überwacht die Geschwindigkeitsdaten, um zu bewerten, wann die Pumpendrehzahl während des Betriebes eine stationäre Geschwindigkeit erreicht. Im Beispiel von 2 erfasst die Steuerung einen stationären Zustand zum Zeitpunkt T1. Sobald der stationäre Zustand erfasst wird, verzögert die Steuerung, um zuzulassen, dass der stationäre Zustand für eine voreingestellte Zeitschwelle gültig bleibt, bevor die Geschwindigkeit und die aktuellen Daten verwendet werden, um den Pumpbetrieb zu korrelieren. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung implementiert die Steuerung eine vorbestimmte Zeitverzögerung nach der Erfassung eines stationären Betriebszustandes vor dem Speichern von Daten, die den Pumpenbetrieb anzeigen. Im Beispiel von 2 ist die vorgegebene Zeitdauer die Dauer zwischen der Zeit T1 und der Zeit T2. Insbesondere kann die Steuerung so programmiert werden, um für eine bestimmte Zeitdauer (z. B. etwa 200 ms) zu verzögern, nachdem die stationäre Pumpendrehzahl erfasst wurde, bevor die Daten für nachfolgende Berechnungen verwendet wurden.
Nach der vorgegebenen Verzögerung beginnt die Steuerung, die Pumpenbetriebseigenschaften zum Zeitpunkt T2 zu erlernen. Es gibt eine zweite vorgegebene Zeitspanne, über die die Steuerung den Pumpenbetrieb durch das Aufzeichnen der Pumpendrehzahl, der Stromaufnahme und der Leistungsaufnahmedaten erlernt. Im Beispiel von 2 ist die Lernzeitdauer die Dauer zwischen der Zeit T2 und der Zeit T3. Insbesondere kann die Steuerung so programmiert werden, um Pumpendrehzahldaten zum Erlernen von Pumpenbetriebseigenschaften für ein vorgegebenes Zeitintervall (z. B. etwa 450 ms) zu sammeln. Die Lernzeitdauer ist auf eine Dauer festgelegt, die ausreicht, um zuverlässige Daten zu erfassen, ist jedoch auch begrenzt, um das Modell nicht an einem singulären Betriebspunkt zu überziehen. Da das Fahrzeug mit unterschiedlichen Drehzahlbedingungen über die Zeit betrieben wird, sammelt der Algorithmus verschiedene Datensätze über den gesamten Pumpendrehzahlbereich und liefert genauere Schätzungen basierend auf dem breiteren Gesamtdatensatz. Die stationären Pumpendrehzahldaten und die entsprechende Leistungsaufnahme können verwendet werden, um ein Modell zu identifizieren, bei dem Parameter mit einer gespeicherten Bibliothek verglichen werden, um eine Bewertung der betrieblichen Gesundheit des Kühlsystems im Betrieb zu ermöglichen.
Unter Bezugnahme auf 3 zeigt das Diagramm 300 eine Pumpenleistungsaufnahme gegenüber der Pumpendrehzahl für eine Anzahl von unterschiedlichen Kühlmittelvolumenbedingungen an einer bestimmten Drehventilstellung. Die Horizontalachse 302 veranschaulicht die Kühlmittelpumpendrehzahl über einen Bereich von U/min. in einem linearen Maßstab. Die Vertikalachse 304 veranschaulicht die zugeführte Leistung der Kühlmittelpumpe für die verschiedenen Pumpendrehzahlen in einem linearen Maßstab. Experimentelle Daten bezüglich des Kühlmittelflusses sind für verschiedene stationäre Pumpendrehzahlen dargestellt und bestätigen den oben erörterten Lernalgorithmus. Die Datenpunkte ordnen sich in Gruppen ein, die jeweils entlang einer Kurve entsprechend dem Volumen des Kühlmittels angeordnet sind, das durch das System für jeden jeweiligen Datenpunkt durchlaufen wird.
Das Diagramm 300 zeigt mehrere Kurven, die jeweils einem anderen Volumen des Kühlmittels entsprechen, das von dem System an einer bestimmten Drehventilstellung verloren gegangen ist. Die Kurve 306 veranschaulicht ein Leistungsdrehzahlverhältnis für ein Kühlmittelsystem, das 0,5 Liter Kühlmittel aufgrund von Leckage verloren hat. Gleichermaßen veranschaulichen die Kurven 308, 310 und 312 das gleiche Kühlsystem mit jeweils 1 Liter, 1,5 Liter und 2 Liter Verlust an Kühlmittel. Wie aus dem Diagramm 300 ersichtlich ist, nimmt der Pumpenergieverbrauch im Allgemeinen ab, wenn die Flüssigkeit aus dem System verloren geht, was weiter mit der Verringerung der Kühlmittelfließgeschwindigkeit und der Wärmeaustauschwirkung korreliert. Das Verhältnis zwischen Leistung und Drehzahl ist jedoch nichtlinear und kann schwer zu korrelieren sein, insbesondere bei verschiedenen Ventilstellungen. Der Leistungsbedarf steigt exponentiell an, wenn die Kühlmittelpumpendrehzahl erhöht wird.
Gleichung 1 ist im Folgenden im Allgemeinen als das Leistungsdrehzahlverhältnis für einen geschlossenen Flüssigkeitsregelkreis charakterisiert, wobei P Leistung ist, die der Pumpe zugeführt wird und N die Drehzahl der Pumpe ist. Die Konstanten α und β sind Systemkonstanten, die die Fließeigenschaften des Systems betreffen. P = αN^β (1)
Die Pumpenleistung wird als das Produkt der Pumpspannung und des Pumpstroms berechnet. Sie kann entweder auf der Stromversorgungsseite (d. h. u_supp·i_supp) oder auf der Motorseite (d. h. u_motor·i_motor), abhängig von der Sensoreinführungsstelle, berechnet werden. P = u_supp·i_supp = u_motor·i_motor (2)
Die Umwandlung der Gleichung 1 von einem linearen Maßstab zu einem logarithmischen Maßstab ändert das Leistungsdrehzahlverhältnis der Pumpe in ein lineares Verhältnis. Dies ist sinnvoll, da die Systemkonstanten α und β dem Offset-Wert und der Neigung der Linearkurve entsprechen und zum Charakterisieren einer Kühlmittelflusswiderstandsfunktion verwendet werden können. Gleichung 4 zeigt unten ein lineares Verhältnis zwischen P und N, das einmal im logarithmischen Bereich vorliegt. log(P) = log(αN^β) (3) log(P) = log(α) + βlog(N) (4)
Unter Bezugnahme auf 4 werden die aus 3 dargestellten Daten in einen logarithmischen Bereich übertragen. Die Horizontalachse 402 veranschaulicht die Kühlmittelpumpendrehzahl in einem logarithmischen Maßstab. Die Vertikalachse 404 veranschaulicht die Leistung, die an die Kühlmittelpumpe geliefert wird. Der Datenpunktsatz 414 veranschaulicht das Leistungsdrehzahlverhältnis für ein Kühlmittelsystem, das 0,5 Liter Kühlmittel aufgrund von Leckage verloren hat. Gleichermaßen veranschaulichen die Datensätze 416, 418 und 420 das gleiche Kühlsystem mit jeweils 1 Liter, 1,5 Liter und 2 Liter Verlust an Kühlmittel. Die durch die Datensätze dargestellten Bedingungen entsprechen denen, die in 3 dargestellt sind, die oben erörtert wurden. Wenn die Datensätze auf einem logarithmischen Maßstab überlagert werden, kann jeder Datensatz zu einer linearen Kurve passen. Die Kurven 406, 408, 410 und 412 sind jeweils linear und passen jeweils zu den Datensätzen 414, 416, 418, 420. Der Offset-Wert α jeder der Kurven ist Änderungen im Volumen des Kühlmittelkreislaufs durch das System gegenüber sehr empfindlich. Insbesondere bleibt die Neigung jeder Kurve dieselbe (z. B. β kann etwa 3 sein), aber der Offset-Wert α jeder Linie nimmt ab, wenn weniger Kühlmittel durch das System durchlaufen wird oder das Verstopfen zunimmt. Somit können für jedes Fahrzeug-Kühlmittelzirkulationssystem über einen Bereich von Kühlmittelvolumina oder Verstopfungsbedingungen, beispielsweise während einer ersten Kalibrierung, Ausgangswerte für Offset-Wert α und Neigung β ermittelt werden. Wenn der Pumpstrom, im Gegensatz zur Pumpleistung, zur Korrelation mit der Pumpendrehzahl verwendet wird, liegt noch ein lineares Verhältnis vor, aber die Neigung β kann etwa 2 sein.
Wenn Daten während des Kühlmittelpumpenbetriebes, wie oben erörtert, erfasst werden, können diese Daten verwendet werden, um die aktuellen Kurvenparameter zu identifizieren, die mit den Ausgangswerten verglichen werden. Ein rekursiver Fehlerquadrat(RLS von recursive least squares)-Algorithmus wird angewendet, um das lineare Modell zu identifizieren, das die Kühlmittelpumpenleistungslast und die Pumpendrehzahl in Echtzeit gegenüberstellt. Die Echtzeit-Beziehung von Kühlmittelpumpendrehzahl und Leistungsaufnahme kann das Volumen des Kühlmittels, das aus dem Kühlmittelsystem verloren ist, oder eine Verstopfungsschwere unabhängig von einem nachfolgenden Temperaturanstieg der Motorkomponenten anzeigen. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung führt ein Bordprozessor eine Schätzung der Echtzeitleistung des Kühlmittelsystems durch. Die Leistungsdaten können anschließend an ein Off-Board-Verarbeitungssystem oder einen Diagnoseserver zur Ermittlung von Abhilfemaßnahmen oder einer vorbeugenden Wartung übertragen werden. Die Steuerung kann in Drahtloskommunikation mit dem Server stehen, um Diagnosemeldungen über die betriebliche Gesundheit des Kühlsystems zu senden und zu empfangen.
Das Leistungsdrehzahlverhältnis für die Kühlmittelpumpe ist robust gegen viele der Betriebsgrößen des Kühlmittelsystems. Das Verhältnis ist beispielsweise nicht gegenüber Veränderungen der Kühlmitteltemperatur empfindlich. Unter Bezugnahme auf 5 charakterisiert das Diagramm 500 das Leistungsdrehzahlverhältnis der Kühlmittelpumpe für einen Bereich von Betriebstemperaturen. Die Horizontalachse 502 veranschaulicht die Kühlmittelpumpendrehzahl und die Vertikalachse 504 veranschaulicht die Leistung, die an die Kühlmittelpumpe geliefert wird. Im Beispiel von 5 werden Daten für einen Kühlmittelkreislauf für exemplarische Temperaturen 10 C (z. B. Kurve 506), 60 C (z. B. Kurve 508) und 100 C (z. B. Kurve 508) dargestellt. Wie aus dem Diagramm 500 ersichtlich ist, weist jede der Kurven ungeachtet der Betriebstemperatur im Wesentlichen die gleichen Leistungsmerkmale auf. Somit sind Aspekte der vorliegenden Offenbarung wirksam, um Kühlmittellecks basierend auf Volumenänderungen über eine Spanne von unterschiedlichen Betriebstemperaturen zu erfassen.
Gleichermaßen ist das Leistungsdrehzahlverhältnis für die Kühlmittelpumpe robust gegen einen Bereich von Betriebsdrucken des Kühlmittelsystems. Unter Bezugnahme auf 6 charakterisiert das Diagramm 600 das Leistungsdrehzahlverhältnis der Kühlmittelpumpe für einen Bereich von Betriebsdrucken. Die Horizontalachse 602 veranschaulicht die Kühlmittelpumpendrehzahl und die Vertikalachse 604 veranschaulicht die Leistung, die ähnlich vorherigen Beispielen an die Kühlmittelpumpe geliefert wird. 6 stellt jedoch Daten für ein Kühlmittelsystem dar, das unter exemplarischen Drücken 0 psi (d. h., Kurve 606), 10 psi (d. h., Kurve 608) und 20 psi (d. h., Kurve 610) betrieben wird. Jede der Kurven 606, 608 und 610 weist im Wesentlichen die gleichen Leistungsmerkmale, ungeachtet der Betriebstemperatur, auf. Somit sind Aspekte der vorliegenden Offenbarung wirksam, um Kühlmittellecks basierend auf Volumenänderungen über eine Spanne von unterschiedlichen Betriebstemperaturen zu erfassen.
Während sie bei mehreren Betriebsgrößen robust sind, können die in der vorliegenden Offenbarung erörterten Prognosesysteme gegenüber Änderungen anderer bestimmter Betriebsparameter neben dem Kühlmittelvolumen empfindlich sein. Zum Beispiel kann der Grad, bei dem das variable Öffnungsventil geöffnet wird, die Neigung β und/oder den Offset-Wert α der Leistungsdrehzahlkurven auf dem logarithmischen Maßstab beeinflussen. Dennoch ist für jede gegebene offene Stellung das Leistungsdrehzahlverhältnis der Kühlmittelpumpe gut korreliert. Somit kann die Steuerung in dem Fall, dass das Drehschieberventil eine Anzahl von verschiedenen offenen Stellungen aufweist, einen separaten Algorithmus speichern, um das Leistungsdrehzahlverhältnis in einem logarithmischen Bereich für jede der mehreren Ventilöffnungsstellungen umzuwandeln. In einem Beispiel kann die Steuerung einen Algorithmus für jede offene Stellung des variablen Stellungsventils in 10 %-Schritten speichern. In diesem Fall kann einer der elf anderen Algorithmussätze, je nach Ventilstellung, verwendet werden. Es ist zu bemerken, dass das Speichern mehrerer Algorithmen verwendet werden kann, um andere Typen von Variablen zu adressieren, die die Drehzahlleistungseigenschaften der Kühlmittelpumpe beeinflussen. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann die Steuerung einen anderen Algorithmus speichern, der verschiedenen diskreten Werten jeder Variablen entspricht, die das Leistungsdrehzahlverhältnis der Kühlmittelpumpe beeinflusst.
7 zeigt das Verfahren 700, um Änderungen des Kühlmittelvolumens in Echtzeit vor den nachteiligen Wirkungen auf den Motor zu erfassen. In Schritt 702 erfasst die Steuerung, ob ein Antriebszyklus aktuell aktiv ist oder ob der Antriebszyklus beendet ist. Wenn der Antriebszyklus gegenwärtig im Schritt 702 aktiv ist, bestimmt die Steuerung in Schritt 704, ob ein stationärer Zustand erfasst worden ist. Die Steuerung kann ein Tiefpassfilter auf den Rohdatensatz anwenden, um Rauschen aus dem Signal zu entfernen, das die Drehzahl der Kühlmittelpumpe anzeigt. In einem Beispiel speichert die Steuerung eine Anzahl von Kriterien, um zu bestimmen, ob die Pumpe im stationären Zustand betrieben ist. Die Steuerung kann beispielsweise beurteilen, (i) ob die Kühlmittelpumpenleistungsspannung innerhalb eines vorgegebenen Schwellenwertbereichs liegt, (ii) die angewiesene Pumpendrehzahl relativ konstanten für eine vorgegebene Zeitdauer bleibt, (iii) die gemessene Pumpendrehzahl relativ konstant für eine vorgegebene Zeitdauer bleibt, (iv) die angewiesene Kühlerventilstellung relativ konstant für eine vorgegebene Zeitdauer bleibt, und/oder (v) die gemessenen Kühlerventilstellung relativ konstant für eine vorgegebene Zeitdauer bleibt. Eine Anzahl von verschiedenen Komponenten im Kühlmittelsystem kann in Betracht gezogen werden, um den Grad der Beständigkeit des Pumpenbetriebs zu bestimmen.
Wenn im Schritt 704 ein stationärer Zustand erfasst worden ist, bestimmt die Steuerung in Schritt 706, ob für die Kühlmittelpumpe ein Diagnosefehlercode (DTC von diagnostic trouble code) markiert worden ist. Wenn ein DTC für die Pumpe eingestellt wurde, kann er einen Fehler mit der Kühlmittelpumpe, abgesehen von einem Kühlmittelverlust, anzeigen. In diesem Fall kehrt die Steuerung zum Beginn des Prognoseverfahrens und zu Schritt 702 zurück.
Wenn in Schritt 706 kein DTC eingestellt ist, bestimmt die Steuerung in Schritt 708 die aktuelle offene Stellung des variablen Kühlerventils. Wie oben erörtert, kann die Steuerung entscheiden, welcher Algorithmus basierend auf der offenen Ventilstellung anzuwenden ist. In Schritt 710 wählt die Steuerung den geeigneten Algorithmus aus, der auf mindestens einen variablen Betriebszustand des Kühlmittelsystems angewendet wird. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung wählt die Steuerung einen geeigneten Algorithmus basierend auf der gegenwärtigen offenen Stellung des variablen Drehventils aus.
In Schritt 712 aktualisiert die Steuerung den geeigneten Schätzwert der Leistungsdrehzahlkurve. In einem Beispiel führt die Steuerung eine RLS-Schätzung durch, um die Kühlmittelpumpenbetriebsparameter β und α zu bestimmen, die jeweils der Neigung bzw. dem Offset-Wert auf einem logarithmischen Maßstab entsprechen. Ein vorteilhafter Aspekt der Verwendung einer RLS-Schätzung ist, dass die Technik als adaptiver Filter betrieben wird. Da neue stationäre Stichprobedaten von der Kühlmittelpumpe verfügbar sind, wird mindestens ein Filterkoeffizient des Schätzalgorithmus und anschließend die Schätzkurve aktualisiert. Die Parameter β und α können letztlich mit korrelierten Werten verglichen werden, um eine Echtzeit-Bestimmung von Änderungen des Kühlmittelvolumens zu ermöglichen, wie sie durch ein Kühlmittelleck verursacht werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schätzung die Datenmenge, die aufgezeichnet und auf den Remote-Server übertragen werden muss, erheblich reduziert. Anstelle der gesamten Datenspuren, die datenintensiv sein können, müssen nur die geschätzten Parameter β und α bearbeitet werden.
In Schritt 714 prüft die Steuerung, ob die Dauer der Datenerfassungsperiode ausreicht, um eine ausreichende Schätzung der Parameter β und α der aktuellen Betriebsbedingungen zu erhalten. Wenn in Schritt 714 eine unzureichende Dauer der Datenerfassung vorliegt, prüft die Steuerung in Schritt 716, ob die Kühlmittelpumpe im stationären Betrieb verbleibt. Wenn in Schritt 716 die Kühlmittelpumpe im stationären Zustand bleibt, kehrt die Steuerung zu Schritt 706 zurück, um auf einen aktiven DTC zu reagieren, der sich auf einen Kühlmittelpumpenfehler bezieht. Wenn jedoch in Schritt 716 die Kühlmittelpumpe den stationären Betrieb verlassen hat, kehrt die Steuerung zu Schritt 702 zurück, um weiterhin für einen stationären Betrieb während des gegenwärtigen Antriebszyklus zu überwachen.
Wenn in Schritt 714 die Dauer der Datenerfassung oder des Ereignisprotokolls lang genug ist, um eine adäquate Schätzung bereitzustellen, stoppt die Steuerung in Schritt 718 die Aktualisierung der Schätzungen der Kurven, die den Betrieb der Kühlpumpe darstellen, und kehrt zum Schritt 702 zurück, um zu beurteilen, ob der aktuelle Antriebszyklus aktiv bleibt. Dies hilft, eine Überdimensionierung des Modells an einem bestimmten Arbeitspunkt zu vermeiden.
Wenn in Schritt 702 der Antriebszyklus beendet ist, beurteilt die Steuerung in Schritt 720, ob die kollektiven gelernten Datensätze verständig genug sind, um als eine Anzeige des Langzeit-Kühlmittelpumpenbetriebs gespeichert zu werden. Insgesamt wirksame Stichproben, die für die Aktualisierung der Schätzungen für einen gegebenen Antriebszyklus verwendet werden, werden gezählt und die Anzahl der Stichproben muss größer sein als die Schwellenwertstichprobenanzahl, um als ein gültiger Lernzyklus betrachtet zu werden. Wenn in Schritt 720 die während des Antriebszyklus erfassten Sammeldaten verständig sind, speichert die Steuerung in Schritt 722 die geschätzten Pumpenbetriebsparameter als Anzeige für die historische Pumpenleistung. In einigen Beispielen kann der Schritt 722 das Hochladen der gespeicherten Daten zu einem Off-Board-Server für eine weitere Analyse umfassen.
Die hierin offenbarten Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können von einer Verarbeitungsvorrichtung, einer Steuerung oder einem Computer, der jedes vorhandene programmierbare elektronische Steuergerät oder ein dediziertes elektronisches Steuergerät beinhalten kann, bereitgestellt und/oder implementiert werden. Desgleichen können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen als Daten oder ausführbare Anweisungen durch eine Steuerung oder einen Computer in vielfältiger Weise gespeichert werden, darunter ohne Einschränkung die dauerhafte Speicherung auf nicht beschreibbaren Speichermedien, wie einem ROM, und als änderbare Information auf beschreibbaren Speichermedien wie Disketten, Magnetbändern, CDs, RAM sowie anderen magnetischen und optischen Medien. Die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen können auch in einem softwareausführbaren Objekt implementiert werden. Alternativ können die Prozesse, Verfahren oder Algorithmen ganz oder teilweise mit geeigneten Hardwarekomponenten, wie beispielsweise anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), feldprogrammierbaren Gate Arrays (FPGAs), Zustandsmaschinen, Steuerungen oder anderen Hardwarekomponenten oder Vorrichtungen oder einer Kombination von Hardware, Software und Firmwarekomponenten verkörpert werden. Derartige exemplarische Vorrichtungen können sich On-Board als Teil eines Fahrzeug-Computersystems oder Off-Board befinden und eine Fernkommunikation mit Vorrichtungen an einem oder mehreren Fahrzeugen durchführen
Während exemplarische Ausführungsformen vorstehend beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen herbeigeführt werden. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sein könnten, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ein oder mehrere oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Eigenschaften können beinhalten, sind aber nicht beschränkt auf Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Montagefreundlichkeit, usw. Als solches liegen Ausführungsformen, die als weniger wünschenswert im Vergleich zu anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere Merkmale beschrieben sind, nicht außerhalb des Umfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Motorkühlmittelsystem, umfassend: ein variables Öffnungsventil, das mit mehreren Rohren in flüssiger Verbindung mit einem Motorblock und einem Kühler verbunden ist; eine elektrisch angetriebene Pumpe, die angeordnet ist, um einen Kühlmittelkreislauf durch den Kühler und den Motorblock bereitzustellen, um eine Motortemperatur zu regulieren; und eine Steuerung, die programmiert ist zum Speichern eines Basisverhältnisses zwischen der Pumpendrehzahl und der Pumpenleistungsaufnahme mithilfe eines nichtlinearen Maßstabs, Erfassen eines stationären Betriebszustands der Pumpe, Identifizieren eines Betriebsverhältnisses zwischen der Echtzeit- Pumpendrehzahl und der Pumpenleistungsaufnahme, und Erfassen einer Volumenverringerung des Kühlmittels basierend auf einer Abweichung zwischen dem Basisverhältnis und dem Betriebsverhältnis.
Motorkühlmittelsystem nach Anspruch 1, worin das variable Öffnungsventil den Kühlmittelfluss zwischen einem Kühler-Pass und einem Bypass reguliert, worin die Steuerung ferner so programmiert ist, um ein eindeutiges logarithmisches Verhältnis zwischen der Pumpendrehzahl und der Pumpenleistungsaufnahme für jedes der mehreren Ventilöffnungsgrößen zu schätzen.
Motorkühlmittelsystem nach Anspruch 1, worin die Steuerung ferner so programmiert ist, um den stationären Betriebszustand zu erfassen basierend auf mindestens: (i) einer angewiesenen Pumpendrehzahl, die im Wesentlichen konstant ist, (ii) einer gemessenen Pumpendrehzahl, die im Wesentlichen konstant ist, (iii) einer angewiesenen variablen Öffnungsventilstellung, die im Wesentlichen konstant ist, (iv) einer gemessenen variablen Öffnungsventilstellung, die im Wesentlichen konstant ist und (v) einem gemessenen Pumpstrom, der im Wesentlichen konstant ist.
Motorkühlmittelsystem nach Anspruch 1, worin die Steuerung ferner so programmiert ist, um eine vorgegebene Zeitverzögerung nach dem Erfassen eines stationären Betriebszustands anzuwenden und vor dem Überwachen der operativen Pumpendrehzahl und einer Pumpenleistungsaufnahme.
Motorkühlmittelsystem nach Anspruch 1, worin die Steuerung ferner so programmiert ist, um einen maximalen Lernzeitgeber für ein stationäres Zustandslernereignis anzuwenden, um die Daten zu begrenzen, die verwendet werden, um das Betriebsverhältnis zu identifizieren.
Motorkühlmittelsystem nach Anspruch 1, worin die Steuerung ferner so programmiert ist, um Leistungsdaten des Kühlmittels an einen Off-Board-Server zu übertragen.
Motorkühlmittelsystem nach Anspruch 1, worin die Volumenverringerung des Kühlmittels, die größer als ein Schwellenwert ist, ein Kühlmittelleck anzeigt.
Motorkühlmittelsystem nach Anspruch 7, worin die Steuerung ferner so programmiert ist, um als Reaktion auf das Erfassen einer Volumenverringerung des Kühlmittels, die größer als der Schwellenwert ist, Daten zu übertragen, die den Kühlmittelleck einem Off-Board-Diagnoseserver anzeigen.
Motorkühlmittelsystem nach Anspruch 1, worin die Fließeigenschaften unempfindlich gegenüber mindestens einer Kühlmitteltemperatur und einem Kühlmitteldruck sind.
Motorkühlmittelsystem nach Anspruch 1, worin das Basisverhältnis zwischen der Pumpendrehzahl und der Pumpenleistungsaufnahme mithilfe eines logarithmischen Maßstabs korreliert.