DE19939138A1 - Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittels eines Verbrennungsmotors mittels einer elektrisch betriebenen Kühlmittelpumpe - Google Patents
Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittels eines Verbrennungsmotors mittels einer elektrisch betriebenen KühlmittelpumpeInfo
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Abstract
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittelkreises eines Verbrennungsmotors vorgeschlagen, bei dem eine elektrisch betriebene Kühlmittelpumpe verwendet wird, deren Drehzahl die Kühlleistung regelt oder steuert. Durch eine zusätzliche Bypass-Leitung mit entsprechenden Thermostatventilen lassen sich sowohl hohe Wärmeüberschüsse abführen wie auch eine schnelle Aufheizung des Verbrennungsmotors erreichen.
Description
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Temperaturre
gelung des Kühlmittels eines Verbrennungsmotors, der über
wenigstens eine Vorlauf- und Rücklaufleitung mit einem Küh
ler verbunden ist und mit einer Kühlmittelpumpe nach der
Gattung des Hauptanspruchs.
Verfahren und Vorrichtungen zur Kühlung des Kühlmittels des
Verbrennungsmotors sind prinzipiell schon bekannt. Bei
spielsweise wird in der DE 37 05 232 C2 ein Verfahren zur
Temperaturregelung des Kühlmittels vorgeschlagen, bei dem
ein Sensor in Abhängigkeit von einzelnen Kennfeldgrößen,
z. B. der Drehzahl und/oder der Belastung der Brennkraftma
schine einen Stellmotor betätigt, der ein Bypaß-Ventil oder
dergleichen öffnet bzw. schließt, um einen vorgegebenen
Temperaturwert im Motorkühlkreis zu erreichen. Zur Steuerung
des Stellmotors wird dabei der Sensor mittels einer Heizein
richtung entsprechend den vorgegebenen Kenndaten aufgeheizt,
so daß er ein entsprechendes Signal an den Stellmotor abge
ben kann. Eine derartige Vorrichtung erscheint aus
energetischer Sicht relativ aufwendig, da der Antriebsmotor
für die Kühlmittelpumpe ständig läuft, unabhängig davon, ob
im Leerlauf des Verbrennungsmotors wenig Abwärme oder bei
Last entsprechend viel Abwärme abgeführt werden muß.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Temperaturregelung des
Kühlmittels eines Verbrennungsmotors mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, daß
die Drehzahl der Kühlmittelpumpe selbst geregelt oder ge
steuert wird, so daß deren Drehzahl nur entsprechend der ab
zuführenden Wärme ist.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnah
men sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
im Hauptanspruch genannten Verfahrens möglich. Besonders
vorteilhaft ist, die Drehzahlregelung aus der
Temperaturdifferenz zwischen dem Soll- und dem aktuellen
Temperaturwert des Verbrennungsmotors zu bestimmen, da in
dieser Temperaturdifferenz bereits wesentliche Betriebszu
stände des Motors erfaßt sind.
Durch Vorgabe der Solltemperatur als Funktion der Zeit kann
auf einfache Weise vorteilhaft die Warmlaufphase des Motors
gesteuert werden.
Besonders günstig erscheint die Vorgabe der Solltemperatur
durch eine Zeittabelle, da in dieser eine besonders einfache
Anpassung an verschiedene Motorentypen und Ihren Kühlkreis
läufen möglich ist.
Durch die Verwendung eines PID-Reglers läßt sich das
Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe besonders einfach und
vorteilhaft regeln.
Als weiterer Vorteil wird angesehen, daß zur Optimierung der
Kühlleistung neben der Steuerung der Kühlmittelpumpe weitere
Ventile, beispielsweise das Thermostatventil, das Heizventil
oder ein Motorlüfter angesteuert werden. Diese zusätzliche
Beeinflussung des Kühlmittelkreislaufs kann dazu genutzt
werden, den Motor entweder in der Kaltstartphase schneller
warmlaufen zu lassen oder bei hoher Last und Abschalten des
Motors die auftretende Überschußwärme schneller abzuführen.
Dadurch werden Abgasbelastungen verringert bzw. thermische
Überlastungen des Motors verhindert.
Günstig erscheint auch, daß bei Überschreiten der Motortem
peratur eine entsprechende Anzeige erscheint, so daß der
Fahrer entsprechend reagieren kann und somit einen Schaden
verhindert.
Weiterhin ist vorteilhaft, daß beispielsweise nach Art der
Fuzzy-Logik die Parameter stufenweise verknüpft werden, um
optimale Temperaturbedingungen für den Verbrennungsmotor zu
gewährleisten.
Durch die Verknüpfung der verschiedenen Parameter wie Dreh
zahl, Motorlast, Fahrzeuggeschwindigkeit, Ansaug- oder
Außentemperatur läßt sich ein Ansteuersignal für die Kühl
mittelpumpe bilden, die alle auftretenden Betriebsbedingun
gen berücksichtigt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen schematischen Aufbau
eines Kühlmittelkreislaufs eines Verbrennungsmotors und
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild für die Temperaturrege
lung.
Beim schematischen Aufbau des Kühlmittelkreislaufs der
Fig. 1 ist der Verbrennungsmotor 1 über eine elektrisch
betriebene Kühlmittelpumpe M und ein Thermostatventil 2 mit
einem Kühler 4 über eine Vorlaufleitung 7 verbunden. An der
Vorlaufleitung 7 ist an einer geeigneten Stelle ein Vorlauf
fühler 6a zur Erfassung der Vorlauftemperatur angebracht.
Des weiteren wird mit einem Temperaturfühler 6 die momentane
Temperatur des Verbrennungsmotors 1 gemessen. Eine Rücklauf
leitung 8 verbindet den Kühler 4 über ein Heizventil 3 mit
dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors 1. Das Heizventil 3
ist des weiteren mit der Heizung 5 des Fahrgastraumes ver
bunden. Ebenso ist das Thermostatventil 2 über ein weiteres
Ventil und der Bypaß-Leitung 9 mit der Rücklaufleitung 8
verbunden. Zur Vollständigkeit wird noch erwähnt, daß der
Kühler mit einem oder mehreren Motorlüftern 10 thermisch ge
koppelt ist, wobei der Motorlüfter 10 für mehrere Dreh
zahlstufen ausgebildet sein kann. Gemäß der Fig. 1 sind die
Ventile 2, 3 als 3-Wege-Ventile ausgebildet.
Die Funktionsweise dieser Anordnung wird anhand des Block
schaltbildes der Fig. 2 im nachfolgenden näher erläutert.
Position 11 ist ein Sollwert-Geber für die Motortemperatur,
die beispielsweise als Funktion der Zeit oder in Form einer
Tabelle vorgegeben wird. Im Block 12 wird die aktuelle Mo
tortemperatur, die mit dem Temperaturfühler 6 gemessen wur
de, in geeigneter Weise aufbereitet und auf den Summierer 14
gegeben. Das Differenzsignal zwischen dem Sollwert-Geber 11
und dem Block 12 bildet eine Korrekturgröße für das Ansteu
ersignal für die Kühlmittelpumpe M im Block 13. Im Summierer
15 wird nun das PID-Reglersignal des Blocks 13 unter Berück
sichtigung weiterer Parameter für die Ansteuerung dex Kühl
mittelpumpe, die von Block 16 geliefert werden, aufaddiert.
Die weiteren Parameter sind beispielsweise Werte für die
Motordrehzahl, die momentane Motorlast des Verbrennungs
motors, der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Ansaug- oder Außen
temperatur, der Motortemperatur selbst und/oder der Bord
spannung. Dieses ist symbolisch durch die parallel
liegenden Pfeile am Block 16 dargestellt. Nach der Verknüp
fung der Signale mit dem PID-Reglersignal wird im Block 15
das Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe M gebildet. Ent
sprechend dieses Wertes läuft die Kühlmittelpumpe M mit der
entsprechenden Drehzahl und bewirkt somit eine entsprechende
Geschwindigkeitsänderung des Kühlmittelflusses in der Vor
laufleitung 7 bzw. der Rücklaufleitung 8. Reicht dieser Re
gelalgorithmus nicht aus, um die Temperaturvorgabe für den
Motor einzustellen, erfolgt in Block 17 nach entsprechender
Auswertung der aktuellen Motortemperatur (Block 12) und dem
Ansteuersignal für die Kühlmittelpumpe eine Steuerung des
Thermostatventils 2, des mehrstufigen Motorlüfters 10 oder
auch die Ansteuerung einer Warnanzeige am Armaturenbrett.
Diese Elemente sind symbolisch durch die parallel darge
stellten Ausgangspfeile des Blocks 17 angedeutet.
Da beispielsweise bei Wartungsarbeiten oder in der Werkstatt
auch Sonderfunktionen für die Ansteuerung der Kühlmittelpum
pe M benötigt werden können, ist in Block 18 eine Vorrich
tung vorgesehen, mit der die Kühlmittelpumpe M separat ange
trieben werden kann. Dieser Block 18 enthält daher geeignete
Einrichtungen, beispielsweise zum Anschluß eines Werkstatt-
Testers, der beim Befüllen und Entlüften des Kühlsystems die
Kühlmittelpumpe M antreibt. Als alternative Lösung kann auch
über diese Leitung das Aufwärmen des Verbrennungsmotors mit
tels einer Standheizung (in der Zeichnung nicht dargestellt)
erfolgen. Des weiteren ist vorgesehen, über diese Leitung
die Betätigung der Kühlmittelpumpe M zur Verhinderung von
Überhitzungen nach dem Abstellen des heißen Verbrennungsmo
tors 1 anzusteuern.
Die in Fig. 2 dargestellten Blöcke sind als bekannte Bau
steine (z. B. PID-Regler, Temperaturfühler usw.) ausgebildet.
Die Verknüpfung erfolgt am einfachsten durch ein entspre
chendes Programm.
Regelungen für die Einstellung der Kühlleistung sind aus den
Tabellen 1 und 2 entnehmbar. Ist beispielsweise gemäß Tabel
le 1 die Motortemperatur tmot < 85°C und ist die Vorlauf
temperatur der Kühlmittelpumpe tvkmp < 90%, dann wird z. B.
das Thermostatventil 2 betätigt, um das Kühlmittel über die
Vorlaufleitung 7 in den Kühler 4 und dann über die Rücklauf
leitung 8 zurückzuführen. Steigt die Motortemperatur tmot
weiter an und ist sie < 95°C bei gleicher, relativen Lei
stung der Kühlmittelpumpe M, dann wird die Lüfterstufe 1
eingeschaltet. Bei weiterer Erhöhung der Motortemperatur auf
über 100°C wird dann die Lüfterstufe 2 eingeschaltet. Bei
weiterem Anstieg der Temperatur des Verbrennungsmotors auf
über 110°C wird die Warnanzeige "Überhitzung" am Armaturen
brett eingeschaltet.
Tabelle 2 zeigt beispielhaft die Maßnahmen, die zur Verrin
gerung der Kühlleistung getroffen werden. Ist die Motortem
peratur tmot < 105°C und die Kühlleistung < 80%, dann wird
die Warnanzeige "Überhitzung" ausgeschaltet. Entsprechend
wird bei Motortemperaturen < 97°C und < 80% Kühlleistung
bzw. 60% Kühlleistung die Lüfter Stufe 2 und 1 ausgeschal
tet. Sinkt die Temperatur weiter, z. B. tmot < als 83°C und
einer Kühlleistung < 40%, wird das Ventil 2 so geschaltet; daß
der Kühler 4 nun abgehängt ist, so daß die Bypaß-Leitung 9
den Rückfluß zum Verbrennungsmotor 1 übernimmt. Bei Tempera
turen unter 75°C schließt auch das Thermostatventil 2, da
mit der Motor nach der vorgegebenen Temperaturkurve schnell
aufgeheizt wird. Ein schnelles Aufheizen des Verbrennungsmo
tors 1 hat den Vorteil, daß die schädlichen Abgase in der
Warmlaufphase möglichst schnell reduziert werden.
Da für Regelvorgänge häufig käuflich zu erwerbende
elektronische Baugruppen (IC's) verwendet werden, ist in
weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, diese
Steuerung nach den Gesetzen der Fuzzy-Logik aufzubauen.
Zur Erhöhung der Kühlleistung können beispielhaft folgende Maßnahmen getroffen werden:
Zur Verringerung der Kühlleistung können beispielhaft folgende Maßnahmen getroffen werden:
Claims (10)
1. Verfahren zur Temperaturregelung des Kühlmittels eines
Verbrennungsmotors (1), der mit wenigstens einer Vorlauf
leitung (6) und einer Rücklaufleitung (7) mit dem Kühler (4)
verbunden ist, mit einem Thermostatventil (2), mit einer By
paß-Leitung (9) zwischen der Vorlauf- und Rücklaufleitung
(7, 8) und mit einer Kühlmittelpumpe (M), dadurch gekenn
zeichnet, daß die Kühlmittelpumpe (M) elektrisch angetrieben
wird, und daß eine Steuerung die Drehzahl für die Kühl
mittelpumpe (M) in Abhängigkeit von Motor- und/oder
Umgebungsparametern wie der Motordrehzahl, der Motor-Ist-
Temperatur, der Motor-Soll-Temperatur, und/oder von
Lastparametern vorgibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Drehzahl der Kühlmittelpumpe (M) wenigstens durch die
Temperaturdifferenz zwischen dem Soll- und dem aktuellen
Temperaturwert des Verbrennungsmotors (1) bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Solltemperatur nach dem Start des Verbren
nungsmotors (1) als Funktion der Zeit vorgegeben ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Solltemperatur nach dem Start des Verbrennungsmotors (M)
in Form einer Zeittabelle vorgegeben ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß die Steuerung einen Regler mit
PID-Charakteristik aufweist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal für die Kühl
mittelpumpe zur Steuerung eines Thermostatventils (2) ver
wendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß das Ansteuersignal der Kühlmittel
pumpe (M) zur Steuerung eines Motorlüfters (10) verwendet
wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche da
durch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten der Motortempe
ratur und/oder der Vorlauftemperatur vorzugsweise ein opti
sches oder akustisches Warnsignal abgegeben wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da
durch gekennzeichnet, daß für die Motortemperatur (tmot) und
der Kühlmittelleistung (tvkmp) der Kühlmittelpumpe (M) we
nigstens eine weitere Entscheidungsschwelle vorgegeben wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß je
nach Entscheidungsschwelle das Thermostatventil (2), die Mo
torlüfterstufe oder die Warnanzeige geschaltet wird.
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