DE19719792A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regulierung der Temperatur eines Mediums - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Regulierung der Temperatur eines MediumsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vor
richtung zur Regulierung der Temperatur eines beliebigen fe
sten, flüssigen oder gasförmigen Mediums nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 bzw. 3. Bei derartigen Verfahren und Vorrich
tungen wird die zu regulierende Temperatur in geeigneter Wei
se durch wenigstens zwei energieverbrauchende Aggregate, z. B.
Kühlgebläse, Zirkulationspumpen eines Kühl- oder Heizkreis
laufs, Kältekompressoren etc. so beeinflußt, daß die Tempera
tur in der jeweils gewünschten Weise reguliert wird, z. B. auf
einen gewünschten Sollwert eingeregelt wird. Das Medium, des
sen Temperatur reguliert werden soll, kann insbesondere ein
flüssiges/gasförmiges Kühl- oder Kältemittel einer Kühl- bzw.
Klimaanlage oder ein Heizfluid eines Heizkreislaufs, jedoch
auch irgendein Bauteil sein, dessen Temperatur auf einem be
stimmten Wert oder innerhalb eines bestimmten Bereichs gehal
ten werden soll. Ein mögliches Anwendungsgebiet ist die Rege
lung der Kühlwassertemperatur eines wassergekühlten Kraft
fahrzeugmotors oder die Regelung der Temperatur des Motors
selbst, d. h. des Motorblocks, oder kritischer Stellen im Mo
tor, wie z. B. die Temperatur des Ventilsteges.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung dieser Art sind zur Rege
lung der Kühlmitteltemperatur eines Verbrennungsmotors, ins
besondere eines solchen in einem Kraftfahrzeug, in der Pa
tentschrift DE 195 08 102 C1 beschrieben, wobei als energie
verbrauchende, temperaturbeeinflussende Aggregate mindestens
eine Kühlmittelpumpe und ein Kühlgebläse vorhanden sind. Ein
Steuergerät regelt die Kühlmitteltemperatur auf einen vorgeb
baren Sollwert durch entsprechende Einstellung der Drehzahl
von Pumpe und Gebläse. Dabei vergleicht das Steuergerät die
durch den Betrieb der Kühlmittelpumpe einerseits und denjeni
gen des Gebläses andererseits bedingten zeitlichen Wirkungs
grade für die Wärmeübertragung zwischen dem Gebläseluftstrom
und dem Kühlmittel an einem Kühlermodul. Zu diesem Zweck wird
eine Gradientenmethode angewendet, indem der Wärmeübertra
gungskoeffizient für das Kühlermodul ermittelt wird und die
partiellen Ableitungen des Koeffizienten einerseits nach dem
von der Pumpe erzeugten Kühlmittelstrom und andererseits nach
dem vom Gebläse erzeugten Luftstrom gebildet und als Maß für
den jeweiligen zeitlichen Wirkungsgrad herangezogen werden.
Diese zeitlichen Wirkungsgrade werden dadurch ausgewertet,
daß in der jeweiligen Betriebssituation ausgehend vom momen
tanen Betriebspunkt des Kühlmittelkreislaufs schrittweise
nach einem eventuell günstigeren Betriebspunkt gesucht wird,
indem die Quotienten von zeitlichem Wirkungsgrad zu Lei
stungsverbrauch für Gebläse und Pumpe verglichen werden und
je nachdem, welcher Quotient größer ist, der Luftstrom oder
der Kühlmittelstrom erhöht wird. Bekanntermaßen können derar
tige Gradientenmethoden nicht gewährleisten, daß der absolut
günstigste Betriebspunkt erreicht wird, da auch ein nur lokal
günstigster Betriebspunkt einen für diese Methode stabilen
Punkt darstellt.
Es ist allgemein bekannt, bei Systemen mit zwei leistungsver
brauchenden Komponenten, mit denen eine bestimmte physikali
sche Größe beeinflußt werden kann, im zugehörigen Leistungs
diagramm Kennlinien jeweils konstanten Wertes der physikali
schen Größe zu ermitteln und für den jeweiligen Momentanwert
der physikalischen Größe durch Tangentenbildung den zugehöri
gen Punkt minimalen Gesamtleistungsaufwands für die beiden
Komponenten zu bestimmen. In dem Konferenzbeitrag P. Ambros
und U. Essers, Simulation program for design and optimization
of engine cooling systems for motor cars, ISATA-Tagung,
13. 09. 1993 bis 17. 09. 1993, Aachen ist dies für einen Kühlmit
telkreislauf eines Kraftfahrzeugmotors dahingehend beschrie
ben, daß für eine gegebene Kühlmitteltemperatur die minimale
Summe des Leistungsverbrauchs eines Kühlluftgebläses einer
seits und einer Kühlwasserpumpe andererseits aufgesucht wird.
Dazu werden im zweidimensionalen Leistungsdiagramm von Geblä
se und Pumpe die Kennlinien konstanter Kühlmitteltemperatur
ermittelt und dann durch Tangentenbildung mit der Gerade kon
stanter Gesamtleistung als Tangente der Punkt minimaler Ge
samtleistung für die gegebene Kühlmitteltemperatur bestimmt.
Dabei kann jede Kennlinie konstanter Kühlmitteltemperatur sy
stemzustandsabhängig, d. h. abhängig von den Fahrzustandspara
metern, wie Außentemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, Motor
last etc. variieren.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstel
lung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs ge
nannten Art zugrunde, mit denen sich die Mediumtemperatur mit
verhältnismäßig geringem Echtzeit-Rechenaufwand in jedem Sy
stembetriebszustand zuverlässig mit dem geringstmöglichen
Energieverbrauch regulieren, insbesondere gesteuert oder ge
regelt auf einem bestimmten Sollwert halten läßt.
Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung
eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einer
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3.
Bei dem Verfahren nach Anspruch 1 und der für dessen Durch
führung geeigneten Vorrichtung nach Anspruch 3 wird die Lei
stung jedes der zur Beeinflussung der zu regulierenden Tempe
ratur vorgesehenen, energieverbrauchenden Aggregate gemäß ei
nes vorab bestimmten, energieminimalen Kennfeldes einge
stellt, das für jeden Systemzustand, einschließlich einem je
weiligen Sollwert der zu regulierenden Temperatur, den Be
triebspunkt des absolut minimalen Gesamtenergieverbrauchs der
energieverbrauchenden Aggregate angibt. Durch dieses vorab
ermittelte Kennfeld steht der die Temperaturregulierung
durchführenden Steuereinheit nach sensorischer Erfassung des
momentanen Systemzustands sofort die Information über den in
diesem Zustand energieminimalen Betriebspunkt für die ener
gieverbrauchenden Aggregate zur Verfügung, wobei es sich
stets um ein absolutes Energieminimum handelt. Dies ermög
licht ein vergleichsweise rasches Reagieren der Temperaturre
gulierung auf Änderungen des Systemzustands. Durch diese glo
bale Energieminimierungsmethode ist gewährleistet, daß der
eingestellte Betriebspunkt nicht nur einem lokalen, sondern
dem absoluten Energieminimum beim betreffenden Systemzustand
entspricht.
Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren ist eine
Überprüfung des vorab ermittelten energieminimalen Kennfeldes
in bestimmten Zeitabständen vorgesehen, indem für wenigstens
einen Referenz-Systemzustand eine Energieminimumbestimmung
nach der oben erwähnten, herkömmlichen Tangentenmethode
durchgeführt wird, bei der nach Erfassen des momentanen Sy
stemzustands die zum Sollwert der zu regulierenden Temperatur
gehörige Isotherme im Leistungs- bzw. Energieverbrauchsdia
gramm der energieverbrauchenden Aggregate ermittelt und dann
die zugehörige Tangente bzw. Tangentenebene konstanten, mini
malen Gesamtenergieverbrauchs bestimmt wird. Das so aufgefun
dene Energieverbrauchsminimum wird mit dem im Kennfeld für
den betreffenden Referenz-Systemzustand abgelegten Energie
verbrauchsminimum verglichen, woraufhin das Kennfeld je nach
Vergleichsergebnis geeignet korrigiert werden kann.
Eine nach Anspruch 4 weitergebildete Vorrichtung dient zur
Regulierung der Kühlmitteltemperatur eines Kühlkreislaufs,
z. B. für einen Kraftfahrzeugmotor, und beinhaltet ein oder
mehrere energieverbrauchende, die Kühlmitteltemperatur beein
flussende Aggregate in Form einer leistungsregelbaren Kühl
kreislaufpumpe und/oder eines leistungsregelbaren Lüfters,
mit dessen Kühlluftstrom ein Kühler des Kühlkreislaufs beauf
schlagbar ist. Über die Steuereinheit werden die Pumpe
und/oder der Lüfter so betrieben, daß einerseits die Kühlmit
teltemperatur in der gewünschten Weise reguliert wird und an
dererseits der Gesamtenergieverbrauch der temperaturbeein
flussenden Aggregate minimal ist.
Eine nach Anspruch 5 weitergebildete Vorrichtung dient zur
Regulierung der Kühlmitteltemperatur eines in einem Kraft
fahrzeug vorgesehenen Kühlkreislaufs, z. B. zur Kühlung eines
Verbrennungsmotors, und beinhaltet als eines der leistungs
verbrauchenden Aggregate eine Jalousie, mit welcher der
Durchsatz eines Staudruck-Kühlluftstroms für einen Kühler des
Kühlkreislaufs mit fahrleistungsbeeinflussender Auswirkung
auf den Luftwiderstand des Fahrzeugs variabel einstellbar
ist. Der auf die Jalousie bezogene Leistungsverbrauch resul
tiert dabei nicht primär aus dem Kraftaufwand zur Betätigung
derselben, sondern daraus, daß je nachdem, wieviel Luft aus
dem sich mit höherer Fahrzeuggeschwindigkeit zunehmend aus
bildenden Staudruckbereich als Kühlluftstrom für den Kühler
abgezogen wird, der Luftwiderstand und damit der zur Fortbe
wegung des Fahrzeugs benötigte Energieaufwand schwankt. Durch
den Einsatz der Jalousie läßt sich somit auch im Bereich hö
herer Fahrgeschwindigkeiten, in welchem die Kühlluftanströ
mung für den Kühler durch den Staudruck bewirkt werden kann,
ohne daß hierzu ein Lüfter aktiviert werden muß, eine hin
sichtlich minimalem Gesamtenergieverbrauch optimierte Regu
lierung der Kühlmitteltemperatur erreichen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in den
Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Kühlwasserkreislaufssystems
zur Kühlung eines Kraftfahrzeugmotors, das eine Vor
richtung zur Regelung der Kühlwassertemperatur um
faßt, und
Fig. 2 ein in einer Steuereinheit des Systems von Fig. 1
verwendetes Leistungsdiagramm für eine Kühlwasserpum
pe, einen Lüfter und eine Jalousie des Systems von
Fig. 1 mit einem energieminimalen Betriebspunkt-Kennfeld.
Fig. 1 zeigt einen Kühlwasserkreislauf für die Kühlung eines
Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors 1 sowie für sekundäre Kühl
zwecke, wie Ladeluftkühlung. Zur Zirkulation des Kühlwassers
dient eine in ihrer Leistung regelbare Kühlwasserpumpe 2. Das
aus dem Motor 1 austretende Kühlwasser gelangt über einen
sich verzweigenden, geeignete Steuerventile enthaltenden Lei
tungsabschnitt 3 zu verschiedenen Kühlereinheiten des Kühl
kreislaufs. Ein Teil des Kühlwassers wird dabei über einen
Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 4 geführt. Je nach Stellung
eines zugehörigen Ventils 5 wird ein weiterer Teil des Kühl
wassers entweder durch einen Haupt-Kühlmittelkühler 6 hin
durch oder über eine Bypassleitung 7 an diesem vorbeigeführt.
Das den Haupt-Kühlmittelkühler 6 verlassende Kühlwasser und
das über die Bypassleitung 7 geführte Kühlwasser gelangen
über eine Rückleitung 8, in der die Kühlwasserpumpe 2 liegt,
wieder zum Motor 1.
Das aus dem Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 4 austretende
Kühlwasser und ein weiterer, von dem vom Motor 1 abführenden
Leitungsabschnitt 3 abgezweigter Teil des Kühlwassers gelan
gen zu einem aus fünf Ventilen bestehenden Ventilkomplex 9,
mit dem der eine und/oder der andere dieser beiden Kühlwas
seranteile steuerbar einem Ölkühler 10 und/oder einem Lade
luftkühler 11 zuführbar sind. Stromabwärts dieser beiden Küh
ler 10, 11 vereinigen sich die zugehörigen Kühlwasserströme
wieder und gelangen über eine Leitung 12 in die Rückleitung 8
vor der Kühlwasserpumpe 2. Der Ölkühler 10 wird andererseits
von zu kühlendem Motoröl durchströmt, das zwischen ihm und
dem Motor 1 zirkuliert. Im Ladeluftkühler 11 wird die von ei
nem Turbolader 13 kommende Ladeluft gekühlt und anschließend
dem Motor 1 zugeführt. Die Motorabgase werden über einen le
diglich angedeuteten Abgasstrang 14 abgeführt.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich, sind der Niedertemperatur
Kühlmittelkühler 4 und der Haupt-Kühlmittelkühler 6 Teil ei
nes Kühlerblocks, der von einem Kühlluftstrom 15 beaufschlag
bar ist und als weitere Komponenten eine luftdurchsatzregeln
de Jalousie 16, einen in seiner Leistung regelbaren Lüfter 17
und einem Kondensator 18 einer hier nicht weiter interessie
renden Klimaanlage umfaßt. Der Kondensator 18 bildet zusammen
mit dem seitlich davon angeordneten Niedertemperatur-Kühlmittelkühler
4 eine in Luftströmungsrichtung vordere
Kühleinheit, welcher der Haupt-Kühlmittelkühler 6, die Jalou
sie 16 und der leistungsregelbare Lüfter 17 seriell nachge
schaltet sind. An der stromaufwärtigen Seite der vorderen
Kühleinheit ist ein Zuteilelementkomplex 19 vorgesehen, der
zwei ansteuerbare Schwenkklappen 20, 21 beinhaltet, mit denen
der einströmende Kühlluftstrom 15 mit regelbaren Anteilen auf
den Bereich des Niedertemperatur-Kühlmittelkühlers 4 und den
jenigen des Kondensators 18 aufgeteilt werden kann. In der in
Fig. 1 durchgezogen gezeichneten Stellung der Klappen 20, 21
wird nur der Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 4 vom einströ
menden Luftstrom 15 beaufschlagt, während in der gestrichelt
angegebenen Klappenstellung nur der Kondensator 18 mit dem
Kühlluftstrom 15 beaufschlagt wird. Da der Zuteilelementkom
plex 19 nur zur Aufteilung des Luftstroms 15 auf den Nieder
temperatur-Kühlmittelkühler 4 einerseits und den Kondensator
18 andererseits dient, werden die Klappen 20, 21 zwischen
diesen beiden Endstellungen jeweils in solche Zwischenstel
lungen gesteuert, die den Gesamtluftdurchsatz unverändert
lassen, so daß der Luftstromdurchsatz am Haupt-Kühlmittel
kühler 6 vom Zuteilelementkomplex 19 unbeeinflußt bleibt.
Dieser Gesamtluftdurchsatz wird vielmehr bei stehendem Fahr
zeug oder geringen Fahrgeschwindigkeiten über den leistungs
regelbaren Lüfter 17 und bei höheren Fahrgeschwindigkeiten,
bei denen ein ausreichender Staudruck vor dem Zuteilelement
komplex 19 vorhanden ist, über die einstellbare Jalousie 16
geregelt.
Zur Steuerung bzw. Regelung des Kühlwasserkreislaufs und der
Kühlluft dient eine Steuereinheit 22, welche gleichzeitig als
Motorsteuergerät für den Fahrzeugmotor 1 dient. Eingangssei
tig sind der Steuereinheit die benötigten Meßinformationen
zugeführt, insbesondere die Motordrehzahl n, die Kraftstoff
einspritzung Ke und diverse Temperaturinformationen, wie die
Umgebungstemperatur TU, die Kühlwassertemperatur TK, die
Ladelufttemperatur TL und die Motoröltemperatur TÖ, die über
jeweilige, an geeigneter Stelle positionierte Temperatursen
soren erfaßt werden. Die zugehörigen Meßsignalleitungen sind
in Fig. 1 ebenso gestrichelt angedeutet wie die von der Steu
ereinheit 22 ausgangsseitig abgehenden Steuerleitungen, über
welche sie die verschiedenen ansteuerbaren Komponenten des
Systems in einer Weise ansteuert, wie dies, soweit vorliegend
von Interesse, nachfolgend näher erläutert wird und im übri
gen dem Fachmann geläufig ist.
Charakteristischerweise erfolgt jedenfalls in einer normalen,
gewisse kurzzeitige Extremsituationen ausnehmenden Betriebs
art die Ansteuerung des Kühlwasserkreislaufs unter energie
verbrauchsminimierenden Gesichtspunkten, d. h. die verschiede
nen energieverbrauchenden Komponenten des Kühlwasserkreis
laufs werden von der Steuereinheit 22 so angesteuert, daß die
Kühlwassertemperatur TK oder anders gesagt das Temperaturge
fälle TG=TK-TU zwischen Kühlwassertemperatur TK und Außentem
peratur TU mit dem in der jeweiligen Fahrzeugbetriebssituati
on minimal möglichen Gesamtenergieverbrauch auf einen vorge
gebenen Sollwert eingeregelt wird. Zum Auffinden dieses ener
getisch günstigsten Betriebspunktes wird nach einem Verfahren
vorgegangen, das nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 er
läutert wird.
Es werden zu diesem Zweck vorab für das betreffende Fahrzeug
bzw. das betreffende Motorkühlsystem Daten über den Energie
verbrauch, d. h. die Leistungsaufnahme aller energieverbrau
chenden Aggregate des Kühlmittelkreislaufs in den verschiede
nen Betriebsstellungen, über das sich ergebende Kühlmittel-Temperaturgefälle
TG und über die übrigen, für die Kühlmit
teltemperatur relevanten Systemzustandsparameter, wie Fahr
zeuggeschwindigkeit, Motorlast etc., aufgenommen. Speziell
werden dabei die Isothermen für einen jeweils vorgegebenen
Sollwert des Kühlmittel-Temperaturgefälles TG im Leistungs
diagramm, das alle energieverbrauchenden, die Kühlmitteltem
peratur beinflußenden Aggregate umfaßt, ermittelt. Dies sind
bei der Vorrichtung von Fig. 1 insbesondere die leistungsre
gelbare Kühlwasserpumpe 2 sowie im niedrigen Geschwindig
keitsbereich der leistungsregelbare Lüfter 17 und im hohen
Geschwindigkeitsbereich die Jalousie 16. Die Jalousie 16
stellt für die vorliegende Betrachtung deshalb eine energie
verbrauchende Komponente des Systems dar, weil ihre Stellung
den Durchsatz des Kühlluftstroms 15 bestimmt, der vom Stau
druck abgezweigt wird, welcher sich bei höheren Fahrgeschwin
digkeiten vor der Eintrittsseite des Zuteilelementkomplexes
19 bildet. Die Entnahme der Kühlluftströmung aus dieser Stau
luft hat jedoch Einfluß auf den Fahrwiderstand des Fahrzeugs
in der betreffenden Fahrsituation und damit auf die Fahrlei
stung. Je mehr die Jalousie 16 geöffnet wird, um so stärker
reduziert sich die Fahrleistung, was dementsprechend den Ge
samtenergieverbrauch erhöht.
Fig. 2 zeigt das diese energieverbrauchenden Aggregate be
rücksichtigende Leistungsdiagramm, wobei auf der Abszisse die
Antriebsleistung der Kühlmittelpumpe 2 und auf der Ordinate
einerseits mit positivem Vorzeichen die Antriebsleistung des
Lüfters 17 und andererseits mit negativem Vorzeichen die
Fahrleistungsreduktion durch die Jalousie 16 aufgetragen
sind. Beim Leistungsbedarf von Pumpe 2 und Lüfter 17 ist der
Wirkungsgrad berücksichtigt, der sich für den Kraftübertra
gungsweg zwischen Motorabtriebswelle und Pumpen bzw. Lüfter
rad ergibt. In dem Leistungsdiagramm sind beispielhaft die
Isothermen für ausgewählte Sollwerte des Kühlmittel-Temperaturgefälles
TG bei festgehaltenen übrigen Systemzu
standsparametern eingetragen. Jede Isotherme gibt somit die
Kurve für die einzustellenden Leistungen von Kühlmittelpumpe
2 und Lüfter 17 bzw. Jalousie 16 an, welche zur Erzielung ei
nes gewünschten Temperaturgefälle-Sollwertes beim gegebenen
Systemzustand möglich sind, und variiert in Abhängigkeit von
weiteren Systemzustandsparametern, wie der Fahrzeuggeschwin
digkeit, der Motorlast und der Stellung des Zuteilelementkom
plexes 19. Letzteres deshalb, weil die Zuteilelemente, d. h.
die Klappen 20, 21 dieses Komplexes 19 durch ihre Stellung
bestimmen, wie groß der Anteil der einströmenden Luft 15 ist,
der dem Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 4 zugeführt wird
und daher zur Kühlung des Kühlwassers beiträgt, während der
dem Kondensator 18 zugeleitete Luftströmungsanteil die Motor
kühlwassertemperatur nicht beeinflußt und daher im allgemei
nen einen anderen Einfluß auf den gesamten Energieverbrauch
im Fahrzeug hat. Bei Bedarf kann der Zuteilelementkomplex 19
als indirekt energieverbrauchendes Aggregat in die Energiebe
trachtung einbezogen werden.
Für jede der ermittelten Isothermen des Kühlmittel-Temperaturgefälles
TG wird nun noch innerhalb der Vorab-Initialisierung
der Steuereinheit 22 der zugehörige Betriebs
punkt minimalen Gesamtenergieverbrauchs für die Kühlmittel
temperaturbeeinflussenden Aggregate, d. h. Kühlmittelpumpe 2
und Lüfter 17 bzw. Jalousie 16, nach dem oben erwähnten Tan
gentenverfahren ermittelt, wobei ausgenutzt wird, daß die Li
nien konstanten Gesamtenergieverbrauchs im Leistungsdiagramm
von Fig. 2 Geraden mit einer bestimmten Steigung sind. Bei
spielhaft ist in Fig. 2 die sich für den Temperaturgefälle-Sollwert
von 62°C ergebende Tangente T1 gestrichelt einge
zeichnet. Der zugehörige Tangentenpunkt P1 bildet den energe
tisch optimalen Betriebspunkt P1 für den gegebenen Systemzu
stand, indem er das absolute Energieminimum für die Summe des
Energieverbrauchs aller kühlmitteltemperaturbeeinflussenden
Aggregate zur Erzielung des gewünschten Temperaturgefälle-Sollwertes
darstellt. Nach Durchführung dieser Bestimmung des
jeweiligen absoluten Energieminimums für die verschiedenen
Temperaturgefälle- Isothermen eines Systemzustandes ergibt
sich die in Fig. 2 dick gezeichnete, energieminimale Kennli
nie KE, wobei sie sich in ihrer oberen Hälfte mit den positi
ven Ordinatenwerten auf den Betrieb des Lüfters 17 und in ih
rer unteren Hälfte mit den negativen Ordiantenwerten auf den
Betrieb der Jalousie 16 bezieht. Ergänzend sind in Fig. 2 zur
Information die Grenzen angegeben, an denen die Temperatur
differenz über dem Motor 1 die Schwellen von 10°C bzw. 15°C
überschreitet.
In der geschilderten Weise wird für jeden möglichen, normalen
Systembetriebszustand die zugehörige energieminimale Lei
stungskennlinie KE für die energieverbrauchenden Aggregate
zur Kühlmitteltemperaturbeeinflussung vorab ermittelt und die
Gesamtheit dieser Kennlinien dann als direkt abrufbares Kenn
feld in der Steuereinheit 22 abgespeichert. Im anschließenden
Systembetrieb fragt dann die Steuereinheit 22 laufend anhand
der ihr zugeführten Meßgrößen den jeweiligen Systemzustand
ab. Daraufhin ist sie anhand des abgelegten energieminimalen
Leistungskennfeldes sofort in der Lage, die Kühlmitteltempe
ratur TK bzw. damit gleichbedeutend das Kühlmittel-Tempe
raturgefälle TG auf einen gewünschten Sollwert so einzure
geln, daß dabei der Gesamtenergieverbrauch für die energie
verbrauchenden Kühlwasserkreislauf-Aggregate, d. h. insbeson
dere die Kühlmittelpumpe 2 und den Lüfter 17 bzw. die Jalou
sie 16, minimal bleibt. Die Steuereinheit 22 braucht hierzu
keinerlei aufwendige Echtzeit-Optimierungsrechnungen vorzu
nehmen, sondern braucht nur den zum erfaßten Systemzustand
gehörigen Betriebspunkt im energieminimalen Kennfeld abzule
sen. Dadurch vermag sie vergleichsweise rasch auf Zustandsän
derungen zu reagieren. Da das energieminimale Kennfeld durch
das geschilderte, globale Energieminimum-Ermittlungsverfahren
gewonnen wurde, ist gewährleistet, daß der von der Steuerein
heit 22 jeweils ausgewählte Betriebspunkt nicht nur ein loka
les, sondern stets ein absolutes Minimum für den Gesamtener
gieverbrauch der in die Kühlwassertemperaturregelung einbezo
genen Aggregate darstellt. Der Sollwert kann fest, vorzugs
weise jedoch betriebsabhängig variabel vorgegeben sein, z. B.
niedriger bei hohen Belastungen. In letzterem Fall können die
betriebsabhängigen Sollwerte als Kennfeld abgelegt sein.
Zweckmäßigerweise ist weiter vorgesehen, daß die Steuerein
heit 22 von Zeit zu Zeit eine Überprüfung des abgelegten
energieminimalen Kennfeldes vornimmt. Dies kann z. B. dadurch
erfolgen, daß wenigstens ein Referenz-Systemzustand vorgege
ben wird, zu welchem die Steuereinheit 22 bei einem solchen
Überprüfungsvorgang die zugehörige Temperatursollwert-Iso
therme im Leistungsdiagramm der temperaturbeeinflussenden Ag
gregate und durch Tangentenbildung den energieminimalen Be
triebspunkt neu ermittelt und diesen daraufhin mit dem ent
sprechenden, bisher im Kennfeld abgelegten Betriebspunkt ver
gleicht. Wird bei diesem Vergleich innerhalb einer vorgegebe
nen Toleranz Übereinstimmung festgestellt, erkennt dies die
Steuereinheit 22 als ein weiterhin zutreffendes energiemini
males Kennfeld. Stellt sie hingegen größere Abweichungen
fest, nimmt sie eine entsprechende Korrektur und damit Aktua
lisierung des abgelegten energieminimalen Kennfeldes vor.
Es versteht sich, daß in gewissen Grenzsituationen die Kühl
mitteltemperaturregelung in anderen als der beschriebenen,
unter Energieverbrauchsaspekten optimalen Betriebsart von der
Steuereinheit 22 vorgenommen werden kann. Solche Ausnahme-Betriebsphasen
sind z. B. dann zweckmäßig, wenn ansonsten der
Luftdurchsatz für den Kondensator 18 oder den Ladeluftkühler
11 nicht mehr ausreicht oder kritische Absolutdrücke oder
Druckgradienten im Kühlmittelkreislauf überschritten würden.
Mit der beschriebenen Vorgehensweise ist es möglich, die Mo
torkühlmitteltemperatur in fast allen Systembetriebszuständen
energieoptimiert zu regeln, ohne daß dazu der Kühlmittel
kreislauf übermäßig groß dimensioniert werden muß, wie dies
bei herkömmlichen Kreisläufen mit ungeregelter Kühlwasserpum
pe und/oder ungeregeltem Lüfter sowie fehlender Abstimmung
von Pumpen- und Lüfterdrehzahl der Fall ist. Es versteht
sich, daß je nach Anwendungsfall Modifikationen des beschrie
benen Ausführungsbeispiels realisierbar sind. So kann gegebe
nenfalls auf die Jalousie 16 oder den Lüfter 17 oder die
Drehzahlregelbarkeit der Pumpe verzichtet werden, oder es
können weitere energieverbrauchende Aggregate zur Beeinflus
sung der Kühlwassertemperatur TK vorgesehen sein, die in die
Betrachtungen zur Erzielung eines minimalen Gesamtenenergie
verbrauchs einbezogen werden, was zu einem entsprechend hö
herdimensionalem Leistungsdiagramm und damit auch zu einem
entsprechend höherdimensionalen energieminimalen Kennfeld
führt. In jedem Fall bleibt jedoch der von der Steuereinheit
22 durchzuführende Rechenaufwand im laufenden Fahrbetrieb
deutlich geringer als bei Verwendung einer lokalen Gradien
tenmethode zum Auffinden des energetisch günstigsten Be
triebspunktes in Echtzeit.
Es ist des weiteren klar, daß die erfindungsgemäße Vorrich
tung und das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Regu
lierung der Kühlwassertemperatur eines Kraftfahrzeugmotors
beschränkt sind, sondern überall dort nutzbringend zum Ein
satz kommen können, wo die Temperatur eines beliebigen fe
sten, flüssigen oder gasförmigen Mediums mit wenigstens zwei
energieverbrauchenden Aggregaten geregelt oder gesteuert wer
den soll. Eine erfindungsgemäße Variante der Vorrichtung von
Fig. 1 kann z. B. dazu eingesetzt werden, die Temperatur des
Motorblocks selbst anstelle der Kühlwassertemperatur zu regu
lieren.
Claims (5)
1. Verfahren zur Regulierung der Temperatur eines Mediums,
insbesondere der Kühlwassertemperatur eines Kraftfahrzeugmo
tors, bei dem
- - die zu regulierende Temperatur (TG) von wenigstens zwei energieverbrauchenden Aggregaten (2, 16, 17) beeinflußbar ist, von denen wenigstens eines in seiner Leistung regelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Leistung jedes der energieverbrauchenden Aggregate (2, 16, 17) gemäß eines vorab bestimmten, energieminimalen Kenn feldes (KE) gestellt wird, das für jeden Systemzustand den Betriebspunkt absolut minimalen Gesamtenergieverbrauchs der Aggregate zur Temperaturregulierung gemäß eines jeweiligen Temperatur-Sollwertes angibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet,
daß in vorgebbaren Zeitabständen eine Kennfeldüberprüfung
durchgeführt wird, bei der für wenigstens einen Referenz-Systemzustand
die Isotherme für einen vorgegebenen Sollwert
der zu regulierenden Temperatur (TG) im Leistungsdiagramm der
energieverbrauchenden Aggregate (2, 16, 17) ermittelt und die
zugehörige Tangente minimalen Gesamtenergieverbrauchs der Ag
gregate bestimmt werden und der sich so ergebende Gesamtener
gieverbrauch mit dem zugehörigen Wert aus dem Kennfeld ver
glichen sowie das Kennfeld abhängig vom Vergleichsergebnis
aktualisiert wird.
3. Vorrichtung zur Regulierung der Temperatur eines Mediums,
insbesondere der Kühlwassertemperatur eines Kraftfahrzeugmo
tors, mit
- - wenigstens zwei energieverbrauchenden Aggregaten (2, 16, 17) zur Beeinflussung der zu regulierenden Temperatur (TG), von denen wenigstens eines in seiner Leistung regelbar ist, und
- - einer Steuereinheit (22), welche die Leistung jedes der energieverbrauchenden Aggregate zur Bewirkung einer für die Temperaturregulierung benötigten Temperaturbeeinflussung ein stellt, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Steuereinheit zur Einstellung der Leistung jedes der energieverbrauchenden Aggregate gemäß eines vorab bestimmten, energieminimalen Kennfeldes eingerichtet ist, das für jeden Systemzustand den Betriebspunkt absolut minimalen Gesamtener gieverbrauchs der Aggregate zur Temperaturregulierung gemäß eines jeweiligen Temperatur-Sollwertes angibt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, weiter dadurch gekennzeich
net, daß sie zur Regulierung der Kühlmitteltemperatur (TG)
eines Kühlkreislaufs dient und eines oder mehrere, die Kühl
mitteltemperatur beeinflussende, energieverbrauchende Aggre
gate in Form einer leistungsregelbaren Kühlkreislaufpumpe (2)
und/oder eines leistungsregelbaren Lüfters (17) beinhaltet,
mit dessen Kühlluftstrom ein Kühler (4, 6) des Kühlkreislaufs
beaufschlagbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, weiter dadurch gekenn
zeichnet, daß sie zur Regulierung der Kühlmitteltemperatur
(TG) eines in einem Kraftfahrzeug vorgesehenen Kühlkreislaufs
dient und als eines der energieverbrauchenden Aggregate eine
Jalousie (16) beinhaltet, mit welcher der Durchsatz eines
fahrleistungsbeeinflussenden Staudruck-Kühlluftstroms für ei
nen Kühler (4, 6) des Kühlkreislaufs variabel einstellbar ist.
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