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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor mit
einem Kühlmittelkreislauf,
an dem angeordnet sind: der Verbrennungsmotor, eine Pumpe, ein Wärmetauscher
und eine zu dem Wärmetauscher
parallele Umgehungsleitung sowie ein beheizbares Thermostatventil
zum Verteilen des in dem Kreislauf zirkulierenden Kühlmittelstroms
auf den Wärmetauscher
und die Umgehungsleitung in temperaturabhängigen Anteilen, und mit einer
Steuerschaltung zum Regeln der Temperatur des Kühlmittels durch Beaufschlagen
des Thermostatventils mit einer von einer Differenz zwischen Soll-Temperatur
und Ist-Temperatur des Kühlmittels abhängigen Heizleistung.
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Kühlsysteme
dieser Art und beheizbare Thermostatventile dafür sind bekannt. So beschreibt zum
Beispiel
DE 30 18 682
C2 ein Thermostatventil für den Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors,
das ein temperaturabhängig
dehnbares Element aufweist, das sowohl mit einem von dem Thermostatventil
zu regelnden Kühlmittel
als auch mit einer elektrischen Heizeinrichtung in thermischem Kontakt
ist und dessen Dehnungsgrad die Aufteilung eines Kühlmittelstroms
auf einen Wärmetauscher
und eine Umgehungsleitung festlegt. Wenn die elektrische Heizeinrichtung stromlos
ist, entspricht die Temperatur des dehnbaren Elementes im Wesentlichen
der des Kühlmittels,
und das Thermostatventil regelt die Verteilung des Kühlmittelstroms
auf den Wärmetauscher und
die Umgehungsleitung so, dass sich unter stationären Betriebsbedingungen eine
erste stationäre Temperatur
des Kühlmittels
einstellt.
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Wenn
diese Heizeinrichtung mit einer Heizleistung beaufschlagt wird,
so erreicht das temperaturempfindliche Element einen gegebenen Dehnungsgrad
bereits bei einer niedrigeren Temperatur des Kühlmittels. Durch Beaufschlagen
mit dem Heizstrom lässt
sich somit die stationäre
Temperatur des Kühlmittels
im Kreislauf beeinflussen, ohne dass hierfür justierende Eingriffe an
dem Thermostatventil erforderlich wären.
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Das
bekannte Thermostatventil ermöglicht es
so, jeweils an die Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors angepasste
Kühlmitteltemperaturen
einzustellen. So wird für
Teillastbetrieb des Motors eine hohe Kühlmitteltemperatur eingestellt,
die einen leichten Lauf des Motors und damit einen geringen Energieverbrauch
und wirtschaftlichen Betrieb ermöglicht,
während
für Volllast
eine niedrigere Kühlmittel-
bzw. Motortemperatur gewählt
wird, bei der die thermische Ausdehnung der dem Verbrennungsmotor
zugeführten
und sich in Kontakt mit dem Motor erwärmenden Frischluft geringer
ist, und die es somit ermöglicht,
eine größere Menge
Gemisch in die Zylinder des Motors zu füllen als bei hoher Motortemperatur,
wodurch eine hohe Leistung des Motors erzielt wird.
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Die
Thermostatregelung dieser zweiten, niedrigeren Kühlmitteltemperatur findet statt,
indem, solange die Ist-Temperatur des Kühlmittels geringer als diese
zweite Soll-Temperatur ist, das Thermostatventil unbeheizt bleibt,
und sobald die zweite Soll-Temperatur zu züglich einer Hystereseschwelle überschritten
wird, eine feste Heizleistung zugeführt wird, so lange, bis die
Ist-Temperatur die
zweite Solltemperatur abzüglich
der Hystereseschwelle wieder unterschreitet. Dann wird die Heizleistung
ausgeschaltet, die Ist-Temperatur steigt erneut, und der Zyklus
wiederholt sich.
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In
DE 30 18 682 C2 wird
nur der Idealfall betrachtet, dass die Temperatur des Kühlmittels
den Änderungen
der Heizleistung verzögerungsfrei
folgt. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall, da eine gewisse
Zeit erforderlich ist, bevor eine Änderung der Kühlmitteltemperatur,
die aus veränderten
Mischungsverhältnissen
am Thermostatventil resultiert, erfasst und der Regelung der Heizleistung
zugrundegelegt werden kann.
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Derartige
Verzögerungseffekte
treten auch auf, wenn die höhere
Soll-Temperatur vorgegeben wird und das Thermostatventil dementsprechend
unbeheizt bleibt. Bei der aus
DE 30 18 682 C2 bekannten Anordnung des Thermostatventils
am Ausgang des Motors ist eine komplette Umlaufperiode des Kühlmittels
im Kreislauf erforderlich, bevor sich eine veränderte Aufteilung des Kühlmittelstroms
auf Wärmetauscher
und Umgehungsleitung durch eine Temperaturänderung am Thermostatventil
selbst bemerkbar macht. Das Kühlsystem
muss daher so ausgelegt werden, dass unvermeidliche Überschwinger der
Kühlmitteltemperatur über die
höhere
Solltemperatur hinaus nicht zum Sieden des Kühlmittels oder zur Überhitzung
empfindlicher Teile des Motors oder des Kühlmittelkreislaufs führen können. Die
höhere Soll-Temperatur
muss daher mit einem entsprechenden Sicherheitsabstand unterhalb
derartiger kritischer Temperaturen angesetzt werden. Dies ist jedoch
nachteilig, da durch eine kontinuierliche, höhere Betriebstemperatur die
Reibung im Motor verringert und da durch sein Wirkungsgrad im Teillastbetrieb verbessert
werden könnte.
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Eine
mögliche
Lösung
dieses Problems wäre,
das Thermostatventil an der Eingangsseite des Motors, das heißt am Zusammenfluss
der durch die Umgehungsleitung und den Wärmetauscher verlaufenden Kühlmittelströme, zu platzieren.
Ein solches Thermostatventil wäre
praktisch verzögerungsfrei
einer aus einer Veränderung
der Mischungsverhältnisse
der Ströme
durch Wärmetauscher
und Umgehungsleitung resultierenden Temperaturänderung ausgesetzt. Diese Lösung hätte jedoch
wiederum den Nachteil, dass bei den meisten Kraftfahrzeugmotoren
die Platzverhältnisse
am Kühlmitteleinlass
beengt sind, so dass es schwierig ist, das Thermostatventil dort
unterzubringen. Ein anderer wichtiger Nachteil ist, dass ein Thermostatventil
einen beträchtlichen
Teil des im Kühlmittelkreislauf
auftretenden Druckabfalls verursacht, so dass der Wärmetauscher,
die Umgehungsleitung und deren Verbindungen einem deutlich höheren Betriebsdruck
ausgesetzt sind als im Falle des am Motorausgang angeordneten Thermostatventils.
Dadurch erhöht
sich die Gefahr von Lecks im Kühlmittelkreislauf.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, ein Kühlsystem der eingangs angegebenen
Art zu schaffen, das einen Betrieb eines Verbrennungsmotors bei einer
hohen Soll-Temperatur ohne Gefahr einer Beschädigung von empfindlichen Teilen
des Motors oder des Kühlsystems
bzw. des Siedens des Kältemittels
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass eine Steuerschaltung des Kühlsystems
eingerichtet ist, die Heizleistung zu verändern, wenn der Änderungsgeschwindigkeitsbetrag
der Differenz zwischen Soll- und Ist-Temperatur größer wird als ein vom Differenzbetrag
zwi schen Soll- und Ist-Temperatur abhängiger Grenzwert. Auf diese
Weise kann die Änderungsgeschwindigkeit
der Kühlmitteltemperatur
bereits reduziert werden, noch bevor diese ihren Sollwert erreicht (unabhängig davon,
um welchen von verschiedenen Sollwerten es sich handelt). Indem
so in der Nähe des
Soll-Wertes die Temperaturänderungsgeschwindigkeit
reduziert wird, werden auch die durch Reaktionsverzögerungen
verursachten Überschwinger deutlich
reduziert, so dass eine Soll-Temperatur für den Teillastbetrieb vorgegeben
werden kann, die näher
am Siedepunkt des Kühlmittels
oder einer anderen kritischen Temperatur liegt als nach der bisherigen
Technik.
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Vorzugsweise
ist der Grenzwert eine abnehmende Funktion des Differenzbetrages.
Dies ermöglicht
eine Regelung der Heizleistung in mehreren Schritten bei Annäherung an
eine Soll-Temperatur und damit eine besonders wirksame Unterdrückung von Überschwingern.
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Vorzugsweise
ist die Steuerschaltung eingerichtet, wahlweise, vorzugsweise je
nach Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors, wenigstens zwei
verschiedene Soll-Temperaturen einzuregeln.
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Dabei
entsprechen vorzugsweise beide Soll-Temperaturen, insbesondere auch die
höhere, einem
geregelten Beaufschlagen des Thermostatventils mit einer nichtverschwindenden
Heizleistung. Dies ermöglicht
ein besonders schnelles Öffnen
der Umgehungsleitung zu Lasten des Stroms durch den Wärmetauscher
durch Unbeheiztlassen des Thermostatventils, wenn die Ist-Temperatur
des Kühlmittels deutlich
unter seiner Soll-Temperatur liegt.
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Wenn
die Steuerschaltung des erfindungsgemäßen Kühlsystems mit zwei verschiedenen Soll-Temperaturen
arbeitet, so entsprechen diese vorzugsweise jeweils Voll last- bzw.
Teillastbetriebsbedingungen des Motors. Selbstverständlich können auch
mehrere unterschiedliche Teillastbedingungen definiert werden, denen
jeweils unterschiedliche von der Steuerschaltung einzuregelnde Soll-Temperaturen
zugeordnet sind.
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Vorzugsweise
sind keine Teillastbetriebsbedingungen definiert, unter denen der
Heizstrom ständig
verschwindet.
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Auch
unter Vollastbedingungen sollte die mittlere Heizleistung des Thermostatventils
niedriger sein als eine maximale Leistung, mit der das Thermostatventil
durch die Steuerschaltung beaufschlagbar ist, damit eine Leistungsreserve
zur Verfügung
steht, die im Bedarfsfalle ein schnelles Aufheizen des Themostatventils
und damit eine schnelle Erhöhung
des Kühlmittelstroms
durch den Wärmetauscher
ermöglicht.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum Ansteuern eines
beheizbaren Thermostatventils zu schaffen, das eine wirksame Unterdrückung von
Temperatur-Überschwingern
ermöglicht.
Diese Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren, bei dem die Ist-Temperatur des Kühlmittels
und deren Änderungsgeschwindigkeit überwacht
wird und die Heizleistung geändert
wird, wenn der Differenzbetrag zwischen Soll- und Ist-Temperatur
kleiner wird als ein von dem Änderungsgeschwindigkeitsbetrag
der Differenz zwischen Soll- und Ist-Temperatur abhängiger Grenzwert.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer ersten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems;
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2 eine schematische Darstellung
einer zweiten Ausgestaltung des Kühlsystems;
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3 einen typischen Verlauf
der Heizleistung und der Kühlmitteltemperatur
als Funktion der Zeit bei einer herkömmlichen Regelung;
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4 einen zeitlichen Verlauf
der Heizleistung und der Kühlmitteltemperatur
gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
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5 einen zeitlichen Verlauf
von Heizleistung und Kühlmitteltemperatur
gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt eine erste Ausgestaltung
eines Kühlsystems
für einen
Verbrennungsmotor
1, mit einem Kühlmittelkreislauf
2,
der durch den Verbrennungsmotor
1 verläuft und von einem Auslass
3 des Verbrennungsmotors
1 bis
zu dessen Einlass
4 der Reihe nach aufweist: einen Temperatursensor
5 zum Erfassen
der Temperatur des Kühlmittels
am Auslass
3 des Verbrennungsmotors, eine Verzweigung
6,
an der sich der Kühlmittelstrom
auf einen Wärmetauscher
oder Kühler
7 und
eine Umgehungsleitung
8 verteilt, ein Thermostatventil
9,
an dem der durch den Kühler
7 verlaufende
Zweig des Kühlmittelkreislaufs und
die Umgehungsleitung
8 wieder aufeinandertreffen, und eine
Pumpe
10. Als Thermostatventil
9 kommt ein beliebiges
bekanntes Thermostatventil, wie etwa in
DE 30 18 682 C2 beschrieben,
in Betracht, so dass sich eine eingehende Beschreibung des Thermostatventils
9 erübrigt. Das
Thermostatventil
9 ist durch eine Steuerschaltung
11 mit
einem in Abhängigkeit
von der vom Temperatursensor
5 erfassten Temperatur geregelten
Heizstrom beaufschlagt. An die Steuerschaltung
11 ist auch
ein Ventilator
12 zum Anblasen des Kühlers
7 angeschlossen,
der im Bedarfsfall von der Steuerschaltung
11 betrieben
wird, um die Kühlleitung
des Kühlers
zu steigern.
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Das
Thermostatventil 9 regelt die Kühlmittelströme durch den Kühler 7 und
die Umgehungsleitung 8 in Abhängigkeit von seiner eigenen
Temperatur. Diese ist bei der Anordnung der 1 festgelegt durch die Temperaturen der
Ströme
vom Kühler 7 und
der Umgehungsleitung 8, deren Mischungsverhältnis und
die von der Steuerschaltung 11 zugeführte Heizleistung. Änderungen
der Temperaturen der Ströme
vom Kühler
und der Umgehungsleitung wirken sich praktisch sofort auf die Temperatur
des Ventils 9 und damit auf dessen Mischungsverhältnis aus. Jedoch
steht bis auf den Abschnitt vom Thermostatventil 9 zur
Pumpe 10 der gesamte Kühlmittelkreislauf
unter hohem Druck.
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Bei
der Ausgestaltung der 2 ist
das Thermostatventil 9 an den Ort der Verzweigung 6 versetzt,
und die Ströme
vom Kühler 7 und
der Umgehungsleitung 8 treffen an einem T-Stück 13 frei
zusammen. Änderungen
der Kühlmittelverteilung,
die das Thermostatventil 9 infolge einer Temperaturänderung
des es durchströmenden
Kühlmittels
vornimmt, wirken erst nach einem vollständigen Umwälzzyklus des Kühlmittels
auf die Temperatur des Thermostatventils 9 zurück. Die
Attraktivität
dieses Kühlsystems
liegt darin, dass der Abschnitt des Kältemittelkreislaufs 2 vom
Thermostatventil 9 zur Pumpe 10, auf dem nur niedrige
Drücke
herrschen, relativ kurz ist, so dass die Gefahr von Kühlmittelverlusten durch
Lecks gering ist.
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3 zeigt einen typischen
zeitlichen Verlauf der dem Thermostatventil 9 zugeführten Heizleistung
und der Temperatur des Kühlmittels
bei einer herkömmlichen,
nicht erfindungsgemäßen Regelung des
Systems aus 2. Dabei
ist die Heizleistung als gestrichelte Kurve 20 und die
Temperatur als durchgezogene Kurve 21 dargestellt. Zum
Zeitpunkt t0, beim Anlassen des Verbrennungsmotors, ist die Kühlmitteltemperatur
minimal. Die Soll-Temperatur des Kühlmittels hat einen im Vergleich
hohen Wert T1. Die Heizleistung ist 0. Das Kühlmittel wird vollständig durch
die Umgehungsleitung 8 geführt.
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Zum
Zeitpunkt t1 erreicht der Motor die Soll-Temperatur T1, doch bevor sich diese
Temperatur bis zum Thermostatventil 9 fortpflanzt und dieses darauf
durch Öffnen
des Stroms durch den Kühler 7 bzw.
Reduktion des Stroms durch die Umgebungsleitung reagieren kann,
hat der Motor bereits die Soll-Temperatur T1 überschritten. Durch Zumischen des
Kühlmittelstroms
vom Kühler 7 wird
die Soll-Temperatur wiederum unterschritten, und erst nach mehreren
Oszillationen pendelt der Motor auf die Soll-Temperatur ein.
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Ein
Wechsel auf Volllast zum Zeitpunkt t2 führt zu einer Absenkung der
Soll-Temperatur auf den niedrigeren Wert T2. Das Thermostatventil
wird mit 100 % seiner Nennleistung beheizt, bis der Temperatursensor
5 zum Zeitpunkt t3 feststellt, dass die Soll-Temperatur erreicht
ist und der Heizstrom abgeschaltet wird. Ein- und Ausschaltphasen
des Stroms wechseln sich nun ab, während die Temperatur um den
Sollwert T2 pendelt.
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4 zeigt im Vergleich dazu
einen erfindungsgemäß durch
die Steuerschaltung 11 geregelten Verlauf des Heizstroms
und der Temperatur. Die Steuerschaltung 11 vergleicht hier
ständig
die Differenz zwischen Soll- und Ist-Temperatur mit einem von der
Geschwindigkeit dieser Änderung
abhängigen
Grenzwert. Der Grenzwert kann zum Beispiel vorgegeben sein durch
das Kriterium, dass bei einer weiteren Änderung der Ist-Temperatur
mit der bisherigen Geschwindigkeit die Zeit, die noch zur Verfügung steht,
bis Soll- und Ist-Temperaturen gleich werden, kürzer ist als ein vorgegebener
Wert. Das heißt, je
schneller der Temperaturanstieg ist, um so größer ist die Differenz zwischen
Soll- und Ist-Temperatur, bei der die Grenzwertüberschreitung festgestellt wird.
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Wie
bei 3 ist t0 der
Startzeitpunkt des Verbrennungsmotors, die Soll-Temperatur ist zunächst der
einem Teillastbetrieb des Motors entsprechende hohe Wert T1, das
Thermostatventil 9 ist stromlos, und der Weg durch den
Kühler 7 ist
durch das Thermostatventil 9 versperrt. Die Ist-Temperatur, dargestellt
als durchgezogene Kurve 23, steigt daher zunächst zügig an,
bis zum Zeitpunkt t1 die Differenz zwischen Soll- und Ist-Temperatur
zum ersten Mal einen Grenzwert unterschreitet. Die Steuerschaltung 11 beginnt
nun, das Thermostatventil 9 zu beheizen, obwohl die Soll-Temperatur
T1 noch nicht überschritten
ist. Der Weg durch den Kühler 7 wird
dadurch ein Stück
weit geöffnet
bzw. der Weg durch die Umleitung etwas gesperrt, und der Temperaturanstieg
verlangsamt sich.
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Wenn
nun kontinuierlich mit 100 % Leistung weitergeheizt würde, würde die
Ist-Temperatur schließlich
wieder abfallen. Um dies zu vermeiden, wird nach einer gewissen
Zeitspanne zum Zeitpunkt t2 die Heizleistung zurückgenommen. Dies kann zum Beispiel
geschehen durch Ver ringern einer an das Heizelement des Thermostatventils 9 angelegten Gleichspannung
oder durch Übergehen
zu einer mit einem festgelegten Tastverhältnis gepulsten Gleichspannung.
So setzt sich der Temperaturanstieg verlangsamt fort.
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Schließlich wird
zum Zeitpunkt t3 der Heizstrom vollends ausgeschaltet. Da zu diesem
Zeitpunkt die Änderungsgeschwindigkeit
der Temperatur bereits sehr gering ist, und die Temperatur nahe
am Sollwert T1 liegt, kommt es zu keinen merklichen Überschwingern.
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Zum
Zeitpunkt t4 wird die Soll-Temperatur auf den Wert T2 geändert, der
Volllastbetrieb entspricht. Wie im Fall der 3 wird das Thermostatventil 9 zunächst mit
100 % Heizleistung versorgt, um den Kühler 7 schnell zu öffnen und
die Temperatur zu senken. Wiederum wird die Differenz zwischen Ist- und
Soll-Temperatur mit einem als Funktion der Änderungsgeschwindigkeit der
Temperatur definierten Grenzwert verglichen, und wenn zum Zeitpunkt
t5 die Differenz den Grenzwert unterschreitet, wird die Heizleistung
reduziert. Dies kann wiederum durch Reduzieren eines Gleichspannungspegels
oder durch Zuführen
einer gepulsten Spannung geschehen. Durch die Verringerung der Leistung
verlangsamt sich die Temperaturabnahme.
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Zu
einem Zeitpunkt t6 unterschreitet die Differenz
zwischen Soll- und Ist-Temperatur erneut einen Grenzwert, der für die nun
niedrigere Änderungsgeschwindigkeit
näher bei
der Soll-Temperatur T2 liegt. Die Heizleistung wird nun abermals
reduziert, diesmal auf einen vorbekannten, für die Soll-Temperatur T2 erwarteten
Wert.
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Selbstverständlich könnte die
Verringerung der Heizleistung von 100 % auf den erwarteten Wert auch
in einem einzigen Schritt oder in mehr als zwei Schritten erfolgen.
Da zum Zeitpunkt des Umschaltens auf den erwarteten Wert die Änderungsgeschwindigkeit
die Temperatur sehr gering ist, treten auch hier keine Überschwinger
auf.
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Wenn
zu einem Zeitpunkt t7 erneut auf Teillast umgeschaltet wird, schaltet
die Steuerschaltung 1 den Heizstrom wieder aus. Da das
Thermostatventil 9 zunächst
die durch das Beheizen eingetragene Wärme abgeben muss, bevor es
reagieren und das Mischungsverhältnis
des Kühlmittels ändern kann,
ist in diesem Fall der Wiederanstieg der Temperatur langsamer als
der Anstieg in der Startphase des Motors zwischen t0 und t1, der
zum Vergleich als strichpunktierte Kurve 23' eingezeichnet ist.
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Der
Leistungs- und Temperaturverlauf der 5 betrifft
eine Ausgestaltung des Kühlsystems, bei
der das Thermostatventil 9 auch zum Einstellen der hohen
Soll-Temperatur
T1 mit einer nicht-verschwindenden Heizleistung beaufschlagt werden muss,
wie durch den Verlauf der Heizleistungskurve 24 zwischen
den Zeitpunkten t3 und t4 angedeutet. Beim Start des Motors und
beim Übergang
von Teillast- und Vollastbetrieb unterscheidet sich das Verhalten
dieser Ausgestaltung nicht wesentlich von der in Verbindung mit 4 betrachteten. Wenn jedoch
beim erneuten Übergang
in Teillastbetrieb zum Zeitpunkt t7 die Heizleistung auf 0 gesetzt
wird, so kann bei dieser Ausgestaltung das Thermostatventil 9 schneller
auf die Änderung
der Soll-Temperatur reagieren als bei der Ausgestaltung der 4.
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- 1
- Motor
- 2
- Kühlmittelkreislauf
- 3
- Kühlmittelauslass
- 4
- Kühlmitteleinlass
- 5
- Temperatursensor
- 6
- Verzweigung
- 7
- Wärmetauscher/Kühler
- 8
- Umgehungsleitung
- 9
- Thermostatventil
- 10
- Pumpe
- 11
- Steuerschaltung
- 12
- Ventilator
- 13
- T-Stück
- 20-25
- Kurven