DE4324178A1 - Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit einem Thermostatventil, das ein elektrisch beheizbares Dehnstoffelement enthält - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage für einen Verbren­ nungsmotor eines Kraftfahrzeuges mit einem Kühler und ei­ nem Thermostatventil, mit dem die Temperatur des Kühlmit­ tels in einem Warmlaufbetrieb, einem Mischbetrieb und ei­ nem Kühlerbetrieb regelbar ist, wobei das Thermostatven­ til ein Dehnstoffelement enthält, das zum Reduzieren der Kühlmitteltemperatur elektrisch beheizbar ist.

Dabei regelt das Thermostatventil die Strömung des Kühl­ mittels zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Kühler derart, daß während des Warmlaufbetriebs das vom Verbren­ nungsmotor kommende Kühlmittel im wesentlichen unter Um­ gehen des Kühlers durch einen Kurzschluß hindurch zum Verbrennungsmotor zurückströmt, daß während des Mischbe­ triebs das von dem Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel teilweise durch den Kühler hindurch und teilweise durch den Kurzschluß hindurch zum Verbrennungsmotor zurück­ strömt und daß während des Kühlerbetriebs das vom Verbrennungsmotor kommende Kühlmittel im wesentlichen durch den Kühler hindurch zum Verbrennungsmotor zurück­ strömt. Die elektrische Beheizung des Dehnstoffelements dient zum Vergrößern des Öffnungsquerschnittes zum Kühler hin gegenüber einem durch die Temperatur des Kühlmittels bedingten öffnungsquerschnitt.

Eine Kühlanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist beispielsweise aus der DE 30 18 682 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Kühlanlage ist in einem Dehnstoffelement eines Thermostatventils ein elektrischer Heizwiderstand angeordnet, dem elektrische Energie durch einen stationär gehaltenen Arbeitskolben hindurch zuführbar ist. Die Zu­ fuhr der elektrischen Energie erfolgt über eine Regelein­ richtung, um die vom Thermostatventil eingeregelte Kühl­ mitteltemperatur besser als bei einem normalen Thermo­ statventil konstant halten zu können. Hierzu wird die Ist-Kühlmitteltemperatur gemessen und mit einem vorgege­ benen oberen und mit einem vorgegebenen unteren Tempera­ turwert verglichen. Wird der obere Temperaturwert er­ reicht, so wird der Heizwiderstand mit elektrischer Ener­ gie versorgt, so daß das Thermostatventil weiter öffnet, um eine erhöhte Kühlleistung und damit eine Absenkung der lst-Kühlmitteltemperatur zu erreichen. Sinkt die Ist- Kühlmitteltemperatur danach unter den unteren Temperatur­ wert, so wird die Zufuhr von elektrischer Energie zu dem Heizwiderstand unterbrochen, so daß das Dehnstoffelement vom kälteren Kühlmittel abgekühlt wird. Dadurch wird der Ventilquerschnitt wieder verringert, so daß die Ist-Kühl­ mitteltemperatur wieder ansteigt. Diese Regelspiele wer­ den ständig wiederholt, um eine Kühlmitteltemperatur von beispielsweise 95°C möglichst konstant einzuhalten.

Aus der DE 37 05 232 A1 ist eine Temperaturregeleinrich­ tung bekannt, bei der anstelle eines üblichen Thermostat­ ventils mit einem Dehnstoffelement ein mittels eines Stellmotors regelbares Ventil vorgesehen ist. Bei dieser bekannten Temperaturregeleinrichtung wird der Stellmotor zur Verstellung des Ventils in Abhängigkeit von einem Sensor gesteuert, der die Kühlmitteltemperatur in einer mit dem Verbrennungsmotor verbundenen Leitung mißt. Der Sensor ist darüber hinaus mit einer Heizeinrichtung ver­ sehen. Die Heizeinrichtung ist in Abhängigkeit von Kenn­ feldgrößen des Verbrennungsmotors ein- und ausschaltbar. Bei dieser bekannten Temperaturregeleinrichtung kann dem­ nach durch Beheizen des Sensors eine höhere als die reale Kühlmitteltemperatur vorgetäuscht werden, um eine ver­ stärkte Kühlung des Kühlmittels zu erzeugen. Eine derar­ tige Temperaturregeleinrichtung ist konstruktiv besonders aufwendig und damit kostenintensiv.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlanlage F der eingangs genannten Art möglichst einfach so weiterzu­ bilden, daß damit der Betrieb des Verbrennungsmotors be­ züglich des Kraftstoffverbrauchs und der Abgaswerte opti­ miert werden kann, ohne daß im Falle eines erhöhten Lei­ stungsbedarfs die Leistung des Verbrennungsmotors verrin­ gert ist.

Diese Aufgabe wird nach dem Kennzeichenteil des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß das Dehnstoffelement derart ausge­ legt wird, daß sich die Kühlmitteltemperatur (T_K, T_Kist) ohne Beheizung des Dehnstoffelementes im Mischbetrieb auf eine obere Arbeitsgrenztemperatur (T_AG) einregelt, und daß eine Steuereinheit (18) vorgesehen ist, die abhängig von erfaßten Betriebs- und/oder Umweltgrößen (DK, n, v, T_S, LAST, T_Kist, LL) des Verbrennungsmotors (10) die Be­ heizung des Dehnstoffelementes bei Bedarf freigibt, um die Betriebsweise der Kühlanlage hin zum Kühlerbetrieb zu verlagern.

Die obere Arbeitsgrenztemperatur ist vorzugsweise gleich der verbrauchsgünstigsten Betriebstemperatur des Ver­ brennungsmotors und ist geringfügig kleiner als die maxi­ mal zulässige Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors. Vorzugsweise liegt die obere Arbeitsgrenztemperatur über 100°C, insbesondere bei ca. 105°C. Die maximal zulässige Betriebstemperatur ist die höchst mögliche Temperatur, mit der der Verbrennungsmotor im Normalbetrieb über län­ gere Zeit störungsfrei betrieben werden kann. Dadurch wird auch bei Ausfall der elektrischen Beheizung des Dehnstoffelements eine Beschädigung des Verbrennungsmo­ tors verhindert. Üblicherweise liegt die maximal zuläs­ sige Betriebstemperatur zwischen 105°C und 120°C.

Wird das Dehnstoffelement nicht elektrisch beheizt, stellt sich ein Öffnungsquerschnitt zum Kühler hin aus­ schließlich in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur ein. Dieser Öffnungsquerschnitt bewirkt ein Einregeln der Kühlmitteltemperatur auf die definierte obere Arbeits­ grenztemperatur. Dabei wird erfindungsgemäß das Dehnstoffelement, z. B. durch Auswahl eines entsprechenden temperaturabhängigen Materials und einer geeigneten kon­ struktiven Ausgestaltung, so ausgelegt, daß bei der defi­ nierten oberen Arbeitsgrenztemperatur der Öffnungsquer­ schnitt des Kühlers noch nicht maximal ist, d. h. kein reiner Kühlerbetrieb erreicht wird. So ist durch zusätzliches Beheizen des Dehnstoffelements eine weitere Vergrößerung des Öffnungsquerschnittes und damit eine Verlagerung in Richtung des Kühlerbetriebes hin möglich.

Ergänzend sei darauf hingewiesen, daß der Öffnungsquer­ schnitt zum Kühler hin und der Öffnungsquerschnitt zu dem den Kühler umgehenden Kurzschluß hin gegensinnig verän­ dert werden.

Durch die Erfindung wird im Normalbetrieb, d. h. nicht bei erhöhter Leistungsanforderung wie z. B. im Vollastbetrieb oder bei Bergfahrt, eine möglichst hohe Betriebstempera­ tur des Verbrennungsmotors erreicht. Dabei ist bei­ spielsweise aufgrund von geringerer Reibung die Lei­ stungsaufnahme des Verbrennungsmotors geringer, wodurch sich der Kraftstoffverbrauch senken und die Abgaszusam­ mensetzung verbessern läßt. Um jedoch dann, wenn der Be­ triebszustand des Verbrennungsmotors durch erhöhte Lei­ stungsanforderung ein niedrigeres Kühlmitteltemperaturni­ veau erfordert, schnell auf dieses Kühlmitteltemperatur­ niveau umschalten zu können, wird abhängig von den Be­ triebs- und/oder Umweltgrößen elektrische Energie dem be­ heizbaren Dehnstoffelement in dem Sinne zugeführt, daß eine erhöhte Kühlleistung durch weiteres Öffnen des Ther­ mostatventils erhalten wird und damit eine verringerte Kühlmitteltemperatur schnell erreicht wird. Zu hohe Kühl­ mittel- bzw. Motortemperaturen bei erhöhter Leistungsan­ forderung würden zu einem verringerten Füllungsgrad und damit zu einer verringerten Leistung führen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Ge­ genstand des Anspruchs 2. Darin wird vorgesehen, daß die Steuerung die Beheizung bzw. die Zufuhr von elektrischer Energie zum Dehnstoffelement sperrt, wenn die erfaßte Ist-Temperatur des Kühlmittels unterhalb einer vorgegebe­ nen Soll-Temperatur liegt. Die vorgegebene Soll-Tempera­ tur liegt dabei stets unterhalb der definierten oberen Arbeitsgrenztemperatur. Damit wird sichergestellt, daß eine Regelung der Kühlmitteltemperatur in Richtung eines verringerten Temperaturniveaus nur dann vorgenommen wird, wenn eine Mindesttemperatur bereits erreicht ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Anspruchs 3. Darin wird vorgesehen, daß die Steuerung ein Freigeben bzw. Sperren der Behei­ zung des Dehnstoffelements in Abhängigkeit von der Fahr­ zeuggeschwindigkeit vornimmt.

Zum einen kann beispielsweise der Leerlauf bei Stillstand des Kraftfahrzeuges festgestellt werden, worauf eine Küh­ lung wegen des fehlenden Fahrtwinds notwendig werden kann und damit die Beheizung des Dehnstoffelementes freigege­ ben wird.

Wird eine sehr hohe Fahrzeuggeschwindigkeit und z. B. auch zusätzlich ein großer Drosselklappenöffnungswinkel erfaßt, wird auf eine erhöhte Leistungsanforderung an den Verbrennungsmotor geschlossen, wodurch ebenfalls eine er­ höhte Kühlung sinnvoll ist und damit die Beheizung des Dehnstoffelementes freigegeben werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Anspruchs 4. Darin wird vorgesehen, daß die Steuerung ein Freigeben bzw. Sperren der Behei­ zung des Dehnstoffelementes in Abhängigkeit von der Dreh­ zahl des Verbrennungsmotors, des Drosselklappenöffnungs­ winkels und/oder dem Lastzustand des Verbrennungsmotors vornimmt.

Beispielsweise kann die Steuereinheit (18) den Ist-Last­ zustand (LAST) und/oder den Ist-Drosselklappenöffnungs­ winkel (DK) und/oder die Ist-Drehzahl (n) mit einem vorgegebenen Schwellwert vergleichen und bei überschrei­ ten dieses Schwellwertes die Beheizung des Dehnstoffele­ ments freigeben.

Der Lastzustand des Verbrennungsmotors kann beispiels­ weise durch die Drehzahl des Verbrennungsmotors in Ver­ bindung mit dem Öffnungswinkel der Drosselklappe ohne Hö­ henkorrektur oder in Verbindung mit der Luftmasse im An­ saugtrakt mit Höhenkorrektur festgestellt werden.

Es kann jedoch auch in Form eines Kennfeldes eine Soll- Temperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit von dem Dros­ selklappenwinkel und der Drehzahl bestimmt werden.

Auf diese Weise wird sichergestellt, daß bei hoher Last oder bei hoher Drehzahl oder bei großem Drosselklappen­ öffnungswinkel die geforderte Leistungsabgabe des Ver­ brennungsmotors nicht durch eine zu hohe Betriebstempera­ tur reduziert wird, die zu einem verschlechterten Fül­ lungsgrad und damit zu einer verringerten Leistung führen könnte.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Anspruchs 5. Darin wird vorgesehen, daß die Steuerung die Beheizung des Dehnstoffelementes freigibt, wenn die Ist-Temperatur der Ansaugluft oder der Umgebungstemperatur oberhalb eines vorgegebenen Wertes liegt. Damit wird sichergestellt, daß bei hohen Außentem­ peraturen beispielsweise bei langsamer Fahrt, bei Leer­ lauf im Stillstand oder bei Stop-and-go-Betrieb eine Überhitzung des Verbrennungsmotors verhindert wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Anspruchs 6. Darin wird vorgesehen, daß die Soll-Temperatur des Kühlmittels durch ein oder mehrere Tabellen, Kennlinien und/oder Kennfelder in Ab­ hängigkeit von mehreren Betriebs- und Umweltgrößen ent­ nommen wird. Beispielsweise werden zur Erstellung eines Kühlmitteltemperatur-Kennfeldes einer Vielzahl von Be­ triebspunkten, die z. B. durch die Werte der Drehzahl des Verbrennungsmotors, des Drosselklappenöffnungswinkels und/oder der Fahrzeuggeschwindigkeit definiert sind, ein­ zelne Kühlmittel-Soll-Temperaturen zugeordnet. Die Zufuhr der elektrischen Energie zum Dehnstoffelement wird frei­ gegeben, wenn die aus dem Kennfeld entnommene Soll-Tempe­ ratur unterhalb der momentanen Ist-Temperatur des Kühl­ mittels liegt. Mit dieser Ausbildung ist es möglich, die Kühlmitteltemperatur zu jedem Betriebspunkt oder Be­ triebszustand des Verbrennungsmotors zu optimieren.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Anspruchs 7. Darin wird vorgesehen, daß die Steuereinheit die Beheizung des Dehnstoffelemen­ tes erst nach einer vorgegebenen Betriebsgrößen- oder Um­ weltgrößen-Hysterese und/oder nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit freigibt, wenn eine die Beheizung des Dehnstoffelementes freigebende Bedingung erfüllt ist.

Beispielsweise wird bei einer Soll-Temperatur unterhalb der Ist-Temperatur die Beheizung des Dehnstoffelementes erst nach einer vorgegebenen Temperatur-Hysterese und/oder nach einer vorgegebenen Verzögerungszeit freige­ geben.

Ebenso ist nach dem Gegenstand des Anspruchs 8 vorgese­ hen, daß die Steuereinheit die Beheizung des Dehnstoff­ elementes erst nach einer vorgegebenen Betriebsgrößen- oder Umweltgrößen-Hysterese und/oder nach einer vorgege­ benen Verzögerungszeit sperrt, wenn eine die Beheizung des Dehnstoffelementes sperrende Bedingung erfüllt ist.

Beispielsweise wird bei einer Soll-Temperatur oberhalb der Ist-Temperatur die Zufuhr der elektrischen Energie zum Dehnstoffelement erst nach einer vorgegebenen Tempe­ ratur-Hysterese und/oder nach einer vorgegebenen Verzöge­ rungszeit gesperrt.

Mit diesen beiden Ausgestaltungen der Erfindung wird er­ reicht, daß bei nur kurzfristigen Änderungen der Be­ triebs- und/oder Umweltgrößen die Anzahl der Regelvor­ gänge reduziert wird. Das heißt, wenn von der Freigabe der Beheizung auf ein Sperren und umgekehrt übergegangen werden soll, wird dieser Übergang solange verzögert, bis eine längerfristige Änderung festgestellt wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung be­ steht nach dem Gegenstand des Anspruchs 9 darin, daß die jeweils vorgegebene Soll-Temperatur im wesentlichen durch eine in Abhängigkeit von den Betriebs- und/oder Umwelt­ größen zulässige Maximaltemperatur des Kühlmittels be­ stimmt wird. Die Intention dieser erfindungsgemäßen Aus­ gestaltung ist, daß zur Optimierung des Kraftstoffver­ brauchs und der Abgasemissionen eine höchstmögliche Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors eingestellt wird, die jedoch abhängig von der momentanen Belastung des Verbrennungsmotors nur so hoch bestimmt wird, daß eine Beschädigung des Verbrennungsmotors oder ein Lei­ stungsverlust aufgrund von Überhitzung vermieden wird.

Es sei ergänzend angemerkt, daß ein Freigeben der Zufuhr der elektrischen Energie bzw. der Beheizung nicht zwin­ gend ein tatsächliches Einschalten der Energiezufuhr zur Folge hat. Eine Freigabe kann auch lediglich eine auf ei­ ner bestimmten Bedingung basierende Einschaltoption sein. Ein tatsächliches Einschalten kann beispielsweise von ei­ ner logischen Verknüpfung mehrerer durch unterschiedliche Betriebs- und Umweltgrößen hervorgerufenen Einschalt­ optionen abhängen. Ebenso kann auch der Begriff Sperren als Sperroption bezogen auf eine Einzelbedingung oder als tatsächliches Ausschalten verstanden werden.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zei­ gen

Fig. 1 ein Schemabild einer Kühlanlage, die der Erfin­ dung zu Grunde liegt

Fig. 2 einen Logikplan für eine mögliche erfindungsge­ mäße Regelung der Kühlanlage

Fig. 3 einen mit der erfindungsgemäßen Kühlanlage er­ reichbaren Temperaturverlauf der Kühlmitteltem­ peratur und

Fig. 4 die Darstellung eines Kühlmittel-Soll-Tempera­ tur-Kennfeldes.

Die in Fig. 1 dargestellte Kühlanlage für einen Verbren­ nungsmotor 10 enthält einen Kühler 11. Zwischen dem Ver­ brennungsmotor 10 und dem Kühler 11 ist eine Kühlmittel­ pumpe 12 angebracht, die eine Strömung des Kühlmittels in die mit Pfeilen dargestellte Richtung erzeugt. Vom Kühl­ mittelaustritt des Verbrennungsmotors 10 führt eine Vor­ laufleitung 13 zum Kühlmitteleingang des Kühlers 11. Vom Kühlmittelaustritt des Kühlers 11 führt zum Kühlmit­ teleintritt des Verbrennungsmotors 10 eine Rücklauflei­ tung 14. In der Rücklaufleitung 14 ist ein Thermostatven­ til 15 mit einem hier nicht dargestellten Dehnstoffele­ ment angeordnet. Von der Vorlaufleitung 13 zweigt eine Kurzschlußleitung 16 zum Thermostatventil 15 ab.

Die Kühlanlage arbeitet im wesentlichen in drei Betriebs­ weisen. In einer ersten Betriebsweise, dem sog. Warm­ laufbetrieb insbesondere nach dem Kaltstart des Verbren­ nungsmotors 10, ist das Thermostatventil 15 so einge­ stellt, daß die vom Verbrennungsmotor 10 kommende Kühlmittelströmung über die Kurzschlußleitung 16 im we­ sentlichen vollständig zum Verbrennungsmotor 10 zurückge­ führt wird. In einer zweiten Betriebsweise arbeitet die Kühlanlage im Mischbetrieb, d. h. das vom Verbrennungsmo­ tor 10 kommende Kühlmittel läuft teilweise durch den Küh­ ler 11 und teilweise über die Kurzschlußleitung 16 zurück zum Verbrennungsmotor 10. In einer dritten Betriebsweise arbeitet die Kühlanlage im Kühlerbetrieb, d. h. das vom Verbrennungsmotor 10 kommende Kühlmittel wird im wesent­ lichen vollständig durch den Kühler 11 hindurch zum Verbrennungsmotor 10 zurückgeführt.

Die Betriebsweise der Kühlanlage kann durch Beheizung des Dehnstoffelementes des Thermostatventils 15 über eine elektrische Leitung 17 in Richtung des Kühlerbetriebes verstellt oder vollständig auf Kühlerbetrieb umgeschaltet werden. Damit verringert sich das Temperaturniveau des Kühlmittels gegenüber dem mit einer Betriebsweise ohne Beheizung des Dehnstoffelementes erreichten Temperaturni­ veau. Wird danach die Beheizung über die elektrische Lei­ tung 17 wieder unterbrochen, so kühlt das jetzt kühlere Kühlmittel das Dehnstoffelement des Thermostatventils 15 ab bis es eine eingeregelte Endstellung im Mischbetrieb einnimmt, so daß die Kühlmitteltemperatur wieder auf eine Endtemperatur angehoben wird. Die eingeregelte Endtempe­ ratur im Mischbetrieb wird erfindungsgemäß auf die obere Arbeitsgrenztemperatur festgelegt.

Die Versorgung des Thermostatventils 15 mit elektrischer Energie über die Leitung 17 wird von einem Steuergerät 18 veranlaßt, das mehrere Signale von Betriebs- und/oder Um­ weltgrößen erhält und auswertet. Am Kühlmittelaustritt des Verbrennungsmotors 10 ist ein Temperatursensor 19 angeordnet, der die Ist-Temperatur des Kühlmittels erfaßt und an das Steuergerät 18 übermittelt. In einem Sammler der Ansaugleitung des Verbrennungsmotors 10 ist ein wei­ terer Temperatursensor 20 angeordnet, der die Temperatur der Ansaugluft (Frischluft) erfaßt und an die Steuereinrichtung 18 weitergibt. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung 18 in einer bekannten elektronischen Motorsteuerung 21 integriert, beispielsweise an eine un­ ter dem Warenzeichen "Motronic" von der Firma Robert Bosch GmbH vertriebene elektronische Motorsteuerung.

Die Motorsteuerung 21 stellt Signale zur Erfassung von Betriebs- und Umweltgrößen, wie der Fahrzeugge­ schwindigkeit, der Umgebungstemperatur, der Drehzahl des Verbrennungsmotors und/oder den Drosselklap­ penöffnungswinkel, zur Verfügung. Ferner ermittelt die Motorsteuerung 21 den Lastzustand des Verbrennungsmotors 10 aus den erfaßten Signalen. Der Lastzustand wird bei­ spielsweise direkt oder indirekt aus der Stellung der Drosselklappe, aus der Drehzahl und/oder der Luftmasse im Ansaugrohr bestimmt. Abhängig von den vom Steuergerät 18 erhaltenen Signalen wird beispielsweise eine Soll-Tempe­ ratur des Kühlmittels ermittelt. Wenn diese Soll-Tempera­ tur größer als die Ist-Temperatur des Kühlmittels ist, wird das Dehnstoffelement des Thermostatventils 15 über die Leitung 17 beheizt.

In Fig. 2 ist eine mögliche Kühlmitteltemperaturregelung dargestellt, bei der das tatsächliche Einschalten der Be­ heizung des Dehnstoffelementes ("Dehnstoffelement behei­ zen") über eine besonders vorteilhafte logische Verknüp­ fung mehrerer Einzelbedingungen bezogen auf verschiedene. Betriebs- und Umweltgrößen des Kraftfahrzeuges gesteuert wird. Eine derartige Regellogik ist beispielsweise in der Steuereinheit 18 gespeichert, wobei die Steuereinheit 18 beispielsweise in einem ohnehin vorhandenen Steuergerät integriert oder auch ein eigenes integriertes Bauteil im Thermostatventil selbst sein kann.

In Fig. 2 werden insbesondere die Betriebs- und Umwelt­ größen Drosselklappenöffnungswinkels DK, Motordrehzahl n, Ist-Temperatur des Kühlmittels T_Kist, Fahrzeugge­ schwindigkeit v und Ansauglufttemperatur T_S, die bei­ spielsweise in Form von Sensorsignalen vorliegen, zur Regelung der Kühlmitteltemperatur verarbeitet. Über die reinen Sensorsignale der Betriebs- und Umweltgrößen des Kraftfahrzeuges hinaus können auch Zustandssignale, die aus einer Verknüpfung der einzelnen Sensorsignale bzw. der Betrieb- und Umweltgrößen gebildet wurden, in der Re­ gelung verarbeitet werden. Ein derartiges Zustandssignal ist in diesem Beispiel das Signal Leerlauf LL bei Fahr­ zeugstillstand, wobei dieses Signal beispielsweise aus der Fahrzeuggeschwindigkeit v und der Motordrehzahl n ge­ bildet wird. Es sind jedoch auch noch weitere Zustandssi­ gnale möglich, die in einer Regelung der Kühlmitteltempe­ ratur verwendet werden, wie beispielsweise der bereits erwähnte Lastzustand des Verbrennungsmotors sowie Berg­ fahrt oder Hängerbetrieb, die vorzugsweise aus den Be­ triebsgrößen Drosselklappenöffnungswinkel DK und Fahrzeuggeschwindigkeit v gebildet werden.

In Fig. 2 werden die Sensorsignale Drosselklappenöff­ nungswinkel DK und Motordrehzahl n herangezogen, um aus einem Kennfeld K die Soll-Temperatur T_Ksoll des Kühlmit­ tels zu den durch den Drosselklappenöffnungswinkel DK und die Motordrehzahl n bestimmten Betriebspunkten zu ermit­ teln. Die so bestimmte Soll-Temperatur des Kühlmittels T_Ksoll wird mit der Ist-Temperatur des Kühlmittels T_Kist verglichen. Ist die Ist-Temperatur T_Kist größer als die Soll-Temperatur T_Ksoll wird die Beheizung des Dehnstoff­ elements freigegeben. Eine Freigabe entspricht hier einer Freigabeoption F (eingekreist), nicht zwingend einem tatsächlichen Beheizen.

Weiterhin wird in einem Hystereseglied VT beobachtet, ob sich die Differenz δT zwischen der Ist- und Soll-Tempera­ tur um mehr als eine vorgegebene Differenz δT_H ändert. Nur dann wird die Freigabeoption F zum Beheizen des Dehn­ stoffelementes aufrechterhalten. Dazu wird am Ausgang des Hysteresegliedes VT ein logisches High-Signal abgegeben. Dieses Ausgangssignal des Hysteresegliedes VT wird an die Eingänge der Und-Gatter UND-1 und UND-3 herangeführt.

Generell entspricht in diesem Ausführungsbeispiel ein lo­ gisches High-Signal einer Freigabeoption F.

Weitere Freigabeoptionen F zum Einschalten der Beheizung des Dehnstoffelements werden in Abhängigkeit von der Ansauglufttemperatur T_S erzeugt. Die Beheizung des Dehnstoffelements in Abhängigkeit von der Ansauglufttem­ peratur T_S soll nur dann freigegeben werden, wenn zumin­ dest eine der drei Schwellen TS1, TS2 und TS3 überschrit­ ten ist. Bei Überschreiten der ersten Schwelle TS1 wird ein logisches High-Signal an das UND-Gatter UND-1, bei Überschreiten der zweiten Schwelle TS2 wird ein logisches High-Signal an das UND-Gatter UND-2 und bei Überschreiten der dritten Schwelle TS3 ein logisches High-Signal an das UND-Gatter UND-3 abgegeben.

Weiterhin wird bei Leerlauf im Stillstand des Fahrzeuges das Zustandssignal LL (bei v = 0) in Form eines logischen High-Signals an das UND-Gatter UND-3 herangeführt.

Darüber hinaus kann nach diesem Ausführungsbeispiel die Freigabeoption F der Beheizung des Dehnstoffelements auch vom Überschreiten einer Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle VS der Fahrzeuggeschwindigkeit v abhängen, worauf ein lo­ gisches High-Signal vom Ausgang eines weiteren Hysterese­ gliedes VV an einen zweiten Eingang des UND-Gatters UND-2 ausgegeben wird. Zum Sperren (Sperroption) der Beheizung wird im Hystereseglied VV beobachtet, ob die Fahrzeugge­ schwindigkeit v die Schwelle VS um einen Differenzwert δv_H unterschritten hat. Erst dann wird wieder ein logi­ sches Low-Signal (Sperroption) vom Ausgang des Hy­ steresegliedes VV an den zweiten Eingang des UND-Gatters UND-2 ausgegeben.

Die Hystereseglieder VT und VV können auch Zeitverzöge­ rungsglieder sein oder mit Zeitverzögerungsgliedern ver­ bunden werden.

Die Ausgänge der UND-Gatter UND-1 bis UND-3 sind mit drei Eingängen eines ODER-Gatters ODER verbunden. Wenn auf der Ausgangsleitung zumindest eines UND-Gatters ein logisches High-Signal anliegt, wird auch am Ausgang des ODER-Gat­ ters eine Freigabeoption F in Form eines logischen High- Signals erzeugt.

Darüber hinaus kann noch ein Zeitverzögerungsglied δt am Ausgang des ODER-Gatters vorgesehen sein, durch das eine Freigabeoption F am Ausgang des ODER-Gatters nur dann zum tatsächlichen Beheizen des Dehnstoffelementes führt, wenn diese Freigabeoption F für eine vorgegebenen Zeit δt an­ liegt, um bei kurzfristigen Änderungen ein ständiges Ein- und Ausschalten der Beheizung zu verhindern.

Die Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle VS ist vorzugsweise eine Fahrzeuggeschwindigkeit v, bei der der Verbrennungs­ motor thermisch stark belastet wird. Die Schwellen TS1 bis TS3 der Ansauglufttemperatur T_S werden beispielsweise in Abhängigkeit von der Länderausführung des Fahrzeuges oder der Bauart des Verbrennungsmotors oder des Kühlers abgestimmt. Die Schwelle TS3 wird beispielsweise niedri­ ger liegen als die Schwellen TS1 und TS2, da in Verbin­ dung mit dem Leerlauf des Motors, bei dem keine zusätzli­ che Kühlung durch Fahrtwind auftritt, eine stärkere Küh­ lung erforderlich ist, als beispielsweise bei hohen Fahrzeuggeschwindigkeiten. Daher wird beispielsweise die Schwelle TS2, die in Verbindung mit der Fahrzeuggeschwindigkeitsschwelle VS ausgelegt wird, höher als die Schwellen TS1 und TS3 sein, da bei erhöhter Fahr­ zeuggeschwindigkeit zusätzlich Kühlung durch den Fahrt­ wind auftritt. Im allgemeinen werden die Fahrzeug- und Ansauglufttemperaturschwellen jedoch empirisch in Versu­ chen ermittelt werden. Wichtig ist beispielsweise bei sehr kalten Umgebungs- bzw. Ansauglufttemperaturen (z. B. in "Nordländern"), den Kühlerbetrieb in Abhängigkeit von der Ansaug- oder Umgebungstemperatur zu steuern, um einem Thermoschock des Verbrennungsmotors entgegenzuwirken. Bei sehr heißen Umgebungs- bzw. Ansauglufttemperaturen (z. B. in "Tropenländern") kann mit der Regelung der Kühlmitteltemperatur in Abhängigkeit von der Ansaug- oder Umgebungstemperatur eine Anfahrschwäche bei Heißleerlauf- bzw. Stop-and-go-Betrieb vermieden werden.

Ergänzend wird darauf hingewiesen, daß in weiteren Aus­ führungsformen der Erfindung auch bei einer zu einer Freigabeoption F führenden Erfüllung nur einer der in Fig. 2 dargestellten Bedingungen die Beheizung tatsäch­ lich eingeschaltet werden kann. D.h., daß beispielsweise die in Fig. 2 mit eingekreistem F gekennzeichneten Punkte jeder für sich auch direkt mit der Einschaltvorrichtung der Beheizung des Dehnstoffelementes verbunden sein kön­ nen.

In Fig. 3 ist in einem Diagramm der Verlauf der Kühlmit­ teltemperatur T_K über der Zeit t bei Teillast und Vollast dargestellt, wie er sich mittels der erfindungsgemäßen Kühlanlage erreichen läßt. Das Dehnstoffelement des Ther­ mostatventils 15 wird beispielsweise durch die Zusammen­ setzung des Dehnstoffes auf eine obere Arbeitsgrenztempe­ ratur T_AG ausgelegt, die hier einer Kühlmitteltemperatur von ca. 105°C im eingeregelten Mischbetrieb ist. Diese Temperatur ist mit einer oberen Linie dargestellt. Ein Temperaturniveau von 105°C im Teillastbereich ist zweckmäßig, um durch Verminderung von Reibung oder dgl. den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und gleichzeitig die Abgaszusammensetzung zu verbessern. Grundsätzlich soll die Kühlmitteltemperatur zur Verbrauchsoptimierung immer so heiß wie möglich, aber bei Leistungsanforderun­ gen im Vollastbereich zur Verbesserung der Füllung kühl sein.

Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors wird im Be­ reich A bis B zunächst im Warmlaufbetrieb und an­ schließend im Mischbetrieb während eines Teillastbetrie­ bes die Kühlmitteltemperatur T_K mit einem höheren Tempe­ raturgradienten dT/dt auf das Temperaturniveau von 105°C gebracht, als bei übrigen Kühlanlagen möglich ist. Dabei wird das Dehnstoffelement des Thermostatventils 15 ausschließlich durch die Kühlmitteltemperatur T_K erwärmt.

Das Dehnstoffelement ist so ausgelegt, daß bei hier 105°C der mögliche Verstellweg des Ventils bzw. der maximal mögliche Öffnungsquerschnitt noch nicht eingestellt ist. So kann bei Vollast im Bereich zwischen C und E das Dehn­ stoffelement z. B. so stark beheizt werden, daß zur mög­ lichst schnellen Abkühlung ein maximaler Öffnungs­ querschnitt zum Kühler hin eingestellt wird und dadurch vollständig in den Kühlerbetrieb übergegangen wird. In diesem Beispiel wird nach einer kurzen Abkühlzeit ein Temperaturniveau von ca. 70°C erreicht. Geht der Betrieb des Verbrennungsmotors 10 von Vollast bei Punkt E wieder auf Teillast zurück, so wird die Zufuhr von elektrischer Energie zum Dehnstoffelement unterbrochen. Das nun käl­ tere Kühlmittel, das das Dehnstoffelement umströmt, kühlt den Dehnstoff ab und bewirkt, daß sich wieder eine Ver­ stellung des Thermostatventils durch das Dehnstoffelement allein in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur T_K einstellt. Das Thermostatventil regelt dann wieder die Kühlmitteltemperatur T_K und damit die Temperatur des Ver­ brennungsmotors 10 auf das Temperaturniveau von 105°C ein.

Die Absenkung der Kühlmitteltemperatur T_K im Vollastbe­ trieb auf beispielsweise ein Temperaturniveau von ca. 70°C hat den Vorteil, daß dann vom Verbrennungsmotor 10 die volle Leistung erbracht werden kann. Es wird damit vermieden, daß aufgrund einer zu hohen Temperatur ein ge­ ringerer Füllungsgrad bei der Verbrennung erhalten wird, der zu einer Leistungsverminderung führt. Die geregelte Absenkung der Kühlmitteltemperatur T_K durch Beheizung des Dehnstoffelements kann jedoch auch abhängig von verschie­ denen anderen Betriebs- und/oder Umweltgrößen des Kraft­ fahrzeuges geregelt werden.

Vollast kann beispielsweise durch Größen wie die Fahr­ zeuggeschwindigkeit, die Motordrehzahl oder den Dros­ selklappenwinkel erkannt werden. Beispielsweise ist es auch sinnvoll, bei sehr niedrigen Fahrzeuggeschwindigkei­ ten oder im Leerlauf und bei Stillstand des Fahrzeugs so­ wie bei hohen Außentemperaturen, bei Bergfahrten oder im Hängerbetrieb die Kühlmitteltemperatur T_K durch Beheizen des Dehnstoffelementes abzusenken.

In Fig. 4 ist ein Kennfeld zur Bestimmung einzelner Soll- Temperaturen T_Ksoll des Kühlmittels bei einzelnen Be­ triebspunkten in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwin­ digkeit V und dem Lastzustand LAST dargestellt. Dabei kann der Lastzustand LAST beispielsweise wiederum in Ab­ hängigkeit des Drosselklappenöffnungswinkels und der Drehzahl oder der Luftmasse im Ansaugrohr bestimmt sein.

Die jeweils einem durch je zwei Betriebsgrößen bestimmten Betriebspunkt zugeordnete Soll-Temperatur des Kühlmittels kann berechnet oder durch Versuche empirisch ermittelt werden. Es ist auch möglich, eine Soll-Temperatur des Kühlmittels in Abhängigkeit von mehreren Kennfeldern zu bestimmen, die verschiedene Betriebs- und/oder Umwelt­ größen des Fahrzeuges verarbeiten.

Insbesondere ist es erfindungsgemäß auch möglich, über die Abstimmung eines Kennfeldes und durch Abstimmung der Schwellwerte eine Kühlanlage für verschiedene Länderva­ rianten zu erhalten, ohne die Hardware oder die Software der Kühlanlage zu ändern.

Claims (9)

1. Kühlanlage für einen Verbrennungsmotor eines Kraft­ fahrzeuges mit einem Kühler und einem Thermostatven­ til, mit dem die Temperatur des Kühlmittels in einem Warmlaufbetrieb, einem Mischbetrieb und einem Küh­ lerbetrieb regelbar ist, wobei das Thermostatventil ein Dehnstoffelement enthält, das zum Reduzieren der Kühlmitteltemperatur elektrisch beheizbar ist, da­ durch gekennzeichnet, daß sich durch Auslegung des Dehnstoffelementes die Kühlmitteltemperatur (T_K, T_Kist) ohne Beheizung des Dehnstoffelementes im Mischbetrieb auf eine obere Arbeitsgrenztemperatur (T_AG) einregelt und daß eine Steuereinheit (18). vorgesehen ist, die abhängig von erfaßten Betriebs­ und/oder Umweltgrößen (DK, n, v, T_S, LAST, T_Kist, LL) des Verbrennungsmotors (10) die Beheizung des Dehnstoffelementes bei Bedarf freigibt, um die Be­ triebsweise der Kühlanlage zum Kühlerbetrieb hin zu verlagern.

2. Kühlanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) als Betriebsgröße des Verbrennungsmotors (10) die Ist-Temperatur (T_K, T_Kist) des Kühlmittels erfaßt, diese Ist-Temperatur (T_Kist) mit einer vorgegebenen Soll-Temperatur (T_Ksoll) vergleicht und bei einer oberhalb der Soll- Temperatur (T_Ksoll) liegenden Ist-Temperatur (T_Kist) die Beheizung des Dehnstoffelementes freigibt.

3. Kühlanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuereinheit als Betriebsgröße die Fahrzeuggeschwindigkeit (v) erfaßt und abhängig von der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) die Beheizung des Dehnstoffelementes bei Bedarf freigibt.

4. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit die Drehzahl (n) des Verbrennungsmotors, den Drosselklappenöff­ nungswinkel (DK) und/oder den Lastzustand (LAST) des Verbrennungsmotors (10) als Betriebsgrößen erfaßt und abhängig von der Drehzahl (n), dem Drosselklappenöffnungswinkel (DK) und/oder dem Lastzustand (LAST) die Beheizung des Dehnstoff­ elementes bei Bedarf freigibt.

5. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) die Ist- Temperatur (T_S) der Ansaugluft oder der Umgebungs­ luft als Umweltgröße erfaßt, diese Ist-Temperatur (T_S) mit einem vorgegebenen Schwellwert (TS1, TS2, TS3) vergleicht und bei Überschreiten dieses Schwellwertes die Beheizung des Dehnstoffelements freigibt.

6. Kühlanlage nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Soll-Temperatur (T_Ksoll) des Kühlmittels in Abhängigkeit von beliebigen Betriebs­ und/oder Umweltgrößen (DK, n, v, T_S, LAST, T_Kist, LL) in Form einer Tabelle, einer Kennlinie oder ei­ nes Kennfeldes (K) bestimmt wird.

7. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) bei Er­ füllung einer die Beheizung freigebenden Bedingung die Beheizung des Dehnstoffelements entsprechend ei­ ner Betriebsgrößen- oder Umweltgrößen-Hysterese (δv_H, δT_H) und/oder entsprechend einem vorgegebenen Zeitfenster (δt) verzögert freigibt.

8. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) bei Er­ füllung einer die Beheizung sperrenden Bedingung die Beheizung des Dehnstoffelements entsprechend einer Betriebsgrößen- oder Umweltgrößen-Hysterese (δv_H, δT_H) und/oder entsprechend einem vorgegebenen Zeit­ fenster (δt) verzögert sperrt.

9. Kühlanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (18) kontinu­ ierlich eine aktuelle in Abhängigkeit von den Be­ triebs- und/oder Umweltgrößen (DK, n, v, T_S, LAST, T_Kist, LL) zulässige Maximaltemperatur des Kühlmit­ tels ermittelt, durch die die Soll-Temperatur (T_Ksoll) des Kühlmittels im wesentlichen jeweils be­ stimmt wird.