DE19728351A1 - Verfahren zur Wärmeregulierung einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Wärmeregulierung einer Brennkraftmaschine

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeregulierung einer Brennkraftmaschine für Fahrzeuge nach den Merkmalen des Oberbe­ griffs von Anspruch 1.
Das Wärmemanagement einer Brennkraftmaschine und eines Fahrzeu­ ges, d. h. das Kühlen und Erwärmen von Aggregaten und Einrich­ tungen auf eine optimale Betriebstemperatur, ist für den Wir­ kungsgrad und damit für die Wirtschaftlichkeit des Systems "Fahrzeug" von entscheidender Bedeutung. Es ist daher wün­ schenswert, daß die Einrichtungen und Aggregate, insbesondere die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs, möglichst schnell ihre optimale Betriebstemperatur erreichen und möglichst während des gesamten Betriebs beibehalten.
Aus der EP 0 499 071 A1 ist eine Kühlanlage für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor bekannt. Die Kühlanlage umfaßt mehrere Kreisläufe mit zugeordneten Wärmetauschern. Die Temperaturen unterschiedlicher Kühlmedien werden gemessen und in einer zen­ tralen Auswerteeinrichtung zu Ausgangssignalen verarbeitet, durch die elektrisch ansteuerbare Einrichtungen wie drehzahlge­ regelte Pumpen, drehzahlgeregelte Lüfter, elektrisch ansteuer­ bare Ventile und eine im Luftströmungsweg angeordnete Jalousie ansteuerbar sind. Die Wärmetauscherleistung bzw. die Lüfter­ drehzahl wird für alle Kühlkreisläufe stets nach dem höchsten Bedarf eines der Kühlkreisläufe ausgerichtet. Durch das zentra­ le Wärmemanagement wird erreicht, daß für die Kühlung und Er­ wärmung des Systems wenig Antriebsenergie für Pumpen und Lüfter aufzuwenden ist und dem System nicht zuviel Wärmeenergie entzo­ gen wird. Infolgedessen werden beim Start schnell die erforder­ lichen Betriebstemperaturen erreicht.
Allerdings besteht die Schwierigkeit, rechtzeitig in die Wärme­ regelung einzugreifen, da die für die Regelung verwendeten Kühlmitteltemperaturen sich erst relativ spät nach dem tatsäch­ lichen Wärmeanfall auf ein höheres oder niedrigeres Temperatur­ niveau einstellen. Ferner ist die Temperaturerfassung selbst mit erheblichen Verzögerungen behaftet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzu­ schlagen, bei dem schneller und unmittelbarer in die Wärmeregu­ lierung der Brennkraftmaschine eingegriffen werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zu den Temperaturen der Kühl- bzw. Heizmittel kritische Bauteiltemperaturen und/oder Leistungskennwerte der Brennkraftmaschine erfaßt und bei der Regelung berücksichtigt. Da die kritischen Bauteile di­ rekter auf einen erhöhten Wärmeanfall reagieren und sich ihre Temperatur deutlich früher verändert, bevor die Kühlmitteltem­ peratur durch Wärmeübergänge verzögert reagiert, kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren schneller in die Wärmeregulierung eingegriffen werden.
Als kritisches Bauteil eignet sich hierfür der Zylinderkopf ei­ ner Brennkraftmaschine, und zwar der Bereich zwischen Auslaß­ ventilen, die sogenannte Stegzone. Da dieser Bereich den heißen Abgasen ausgesetzt ist, ist er besonders durch hohe Temperatu­ ren und häufige Temperaturwechsel gefährdet. Aufgrund seiner geringen Masse und seiner Lage reagiert er auf Wärmebela­ stungsänderungen sehr schnell, so daß seine Temperatur für den Wärmeanfall in der Brennkraftmaschine sehr charakteristisch ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann noch dadurch verbessert werden, daß nicht nur die Temperaturen selbst erfaßt werden, sondern auch ihre Veränderungen pro Zeiteinheit. Die Tendenz des Temperaturverlaufs gibt schon früh einen wichtigen Hinweis dafür, ob intensiver oder schwächer gekühlt werden muß.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner vorgeschlagen, Leistungskennwerte der Brennkraftmaschine zu erfassen, die für das Wärmeverhalten spezifisch sind, z. B. zweckmäßigerweise die in einem Brennraum pro Zeiteinheit oder Arbeitszyklus einge­ brachte Kraftstoffmenge. Somit kann man eine Kenngröße für die Regelung gewinnen, bevor der eigentliche Wärmeanfall stattfin­ det oder ein kritisches Bauteil die entsprechende Temperatur erreicht hat. Grundsätzlich ist es möglich, die Temperaturen und Kennwerte aller Zylinder einer Brennkraftmaschine zu erfas­ sen. In der Regel wird es aber ausreichen, wenn nur die Werte des kritischsten Zylinders oder einiger Zylinder erfaßt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und seiner Ausgestaltungen lassen sich die optimalen Betriebstemperaturen in der Startpha­ se einer Brennkraftmaschine für Fahrzeuge besonders schnell er­ reichen, wenn mit steigender Temperatur bzw. zunehmendem Wärme­ anfall von den Einrichtungen zunächst die Pumpen in Betrieb ge­ nommen und geregelt werden, dann die Thermostate, dann die Ja­ lousie und schließlich der Lüfter.
Man erreicht durch alle diese Maßnahmen, daß der Brennraum nach dem Start schnell aufgeheizt wird mit der Folge, daß die Zylin­ derladung sowohl bei Otto- als auch bei Dieselmotoren besser durchbrennt und sich daher geringere Kohlenwasserstoffemissio­ nen ergeben. Ferner verbessert sich die Selbstzündung bei Die­ selmotoren, wodurch schon nach einer sehr kurzen Warmlaufzeit ein gleichmäßiger und sehr leiser Lauf mit stark reduzierten Geräuschemissionen erreicht wird. Infolge geringer Wärmeverlu­ ste über die Brennraumwand kann die beim Start üblicherweise erhöhte Leerlaufmenge deutlich früher reduziert sowie der Zeit­ raum der Mengenerhöhung deutlich verkürzt werden. Dadurch wird der thermische Wirkungsgrad während dieser Betriebszustände verbessert und der Kraftstoffverbrauch verringert.
Schließlich steigen die Abgastemperaturen sehr schnell an, wo­ durch ein Katalysator schneller anspringt und das Ansprechver­ halten eines Turboladers verbessert wird. Da die Wärmeregulie­ rung sehr schnell anspricht, wenn sich die Temperaturen oder der Wärmeanfall ändert, sind die Bauteile der Brennkraftmaschi­ ne vor thermischer Überbelastung besser geschützt. Ferner wird das Schmieröl schnell auf eine optimale Temperatur gebracht, so daß es sehr bald seine volle Funktionsfähigkeit entwickelt, oh­ ne durch Überbelastung bezüglich seiner Alterung gefährdet zu sein.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar­ gestellt. Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels. In der Be­ schreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu wei­ teren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Weise den Aufbau einer Kühlanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mit 1 ist eine wassergekühlte Brennkraftmaschine eines Fahr­ zeugs bezeichnet, die einen Kühlwassereinlaß 2 und einen Kühl­ wasserauslaß 3 aufweist. Temperaturfühler 4 und 6 erfassen die Kühlwassertemperatur am Kühlwassereinlaß 2 bzw. am Kühlwasser­ auslaß 3. Ferner besitzt die Brennkraftmaschine 1 im Bereich zwischen Auslaßventilen, in der sogenannten "Stegzone", einen Temperaturfühler 5. Die Temperaturfühler 4, 5 und 6 leiten die Temperatursignale über Signalleitungen 8 an eine Auswerteein­ richtung 7, z. B. eine Motorelektronik, die auch Leistungskenn­ werte der Brennkraftmaschine 1 erfaßt, die für den Wärmeanfall spezifisch sind.
Die Auswerteeinrichtung 7 wandelt die Eingangsgrößen und Kenn­ werte zu Stellgrößen. Über Signalleitungen 9, die mit gestri­ chelten Linien dargestellt sind, werden entsprechende Stellsi­ gnale an elektrisch ansteuerbare Einrichtungen geleitet, um Kühl- bzw. Heizmittel, insbesondere Kühlwasser, Kühlluft und Öl, zu fördern und ihre Volumenströme zu regeln. Zu diesen Ein­ richtungen gehört ein Lüfter 11, der von einem regelbaren Elek­ tromotor 12 angetrieben wird, elektrisch angetriebene und re­ gelbare Wasserpumpen 22 und 23, ein elektrischer Thermostat 28 und eine elektrisch angetriebene Jalousie 24.
Der Lüfter 11 fördert Kühlluft durch einen Wasserkühler 13, wo­ bei der Kühlluftdurchsatz durch den Wasserkühler 13 zum einen durch die Drehzahl des Lüfters 11 bestimmt wird, und zum ande­ ren, wenn der Lüfter 11 abgestellt ist, durch die Stellung der Jalousie 24.
Die Wasserpumpe 22, die als Hauptpumpe dient, fördert das Kühl­ wasser durch den Wasserkühler 13 und die Brennkraftmaschine 1 sowie durch einen Ölkühler 14 mit einem Öleinlaßstutzen 15 und einem Ölauslaßstutzen 16, durch einen Abgasrückkühler 17 mit einem Abgaseinlaßstutzen 18 und einem Abgasauslaßstutzen 19 und durch eine Innenraumheizung 20. Die Strömungsrichtung des Kühl­ wassers ist mit kleinen Pfeilen längs der Kühlwasserleitungen 10 angedeutet. Das Kühlwassersystem ist über eine Ausgleichs­ leitung 27 und eine Entlüftungsleitung 26 mit einem Expansions­ behälter 25 verbunden.
Die Wasserpumpe 23, die als Zusatzpumpe dient, stellt die Kühl­ wasserförderung sicher, wenn die Wasserpumpe 22 bei geringem Wärmeanfall still gesetzt wird. Sie stellt vor allem die Funk­ tion der Innenraumheizung 20 sicher, die über ein Duoventil 21 gesteuert werden kann.
Wird das Fahrzeug gestartet, sind zunächst die Wasserpumpe 22 und der Lüfter 11 ausgeschaltet sowie der Thermostat 28 und die Jalousie 24 geschlossen. Mit zunehmender Temperatur wird zu­ nächst die Wasserpumpe 22 in Betrieb genommen und entsprechend dem Wärmeanfall geregelt. Danach beginnt die Regelung des Ther­ mostats 28. Schließlich wird die Jalousie 24 geöffnet und der Lüfter 11 beginnt mit der Regelung. Steigt die Temperatur wei­ ter, obwohl alle Einrichtungen auf maximale Werte eingestellt oder weil einzelne Komponenten ausgefallen sind, wird zur Si­ cherheit die Leistung der Brennkraftmaschine entsprechend redu­ ziert.

Claims (5)

1. Verfahren zur Wärmeregulierung einer Brennkraftmaschine (1) für Fahrzeuge mit elektrisch ansteuerbaren Einrichtungen, um Kühl- bzw. Heizmittel zu fördern und ihre Volumenströme zu re­ geln, wobei Temperaturfühler (4, 5, 6) an mehreren Stellen der Brennkraftmaschine (1) temperaturabhängige Signale erzeugen, die in einer elektronischen Auswerteeinrichtung (7) mit minde­ stens einem Mikroprozessor zu Stellsignalen für die Einrichtun­ gen (11, 12, 22, 23, 24, 28), verarbeitet werden, dadurch ge­ kennzeichnet, daß außer den Temperaturen der Kühl- bzw. Heiz­ mittel kritische Bauteiltemperaturen und/oder Leistungskennwer­ te der Brennkraftmaschine (1) erfaßt und bei der Regelung be­ rücksichtigt werden, die für das Wärmeverhalten spezifisch sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur eines Zylinderkopfs im Bereich zwischen Auslaßventi­ len erfaßt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung der Temperaturen pro Zeiteinheit bei der Regelung berücksichtigt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in einen Brennraum pro Zeiteinheit oder Arbeitszyklus eingebrachte Kraftstoffmenge erfaßt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen mindestens eine elek­ trisch angetriebene Wasserpumpe (22, 23), einen elektrisch be­ tätigten Thermostaten (28) und/oder Standardthermostaten, einen elektrisch angetriebenen Lüfter (11) und/oder eine elektrisch angetriebene Jalousie (24) umfassen und mit steigender Tempera­ tur bzw. zunehmenden Wärmeanfall zunächst die Regelung der Was­ serpumpe (22, 23), dann des Thermostaten (28), dann der Jalou­ sie (24) und schließlich des Lüfters (11) beginnt.
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