DE69925671T2

DE69925671T2 - Regelsystem für totale Kühlung einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69925671T2
Application number: DE69925671T
Authority: DE
Inventors: Anthony F.J. Corriveau
Original assignee: Siemens VDO Automotive Inc
Current assignee: Continental Tire Canada Inc
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1999-06-14
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2019-06-15
Also published as: DE69925671D1; EP0965737A3; EP0965737A2; US6178928B1; EP0965737B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlungsregelsystem für eine Verbrennungskraftmaschine und spezieller ein Gesamt-Kühlungsregelsystem, in dem eine elektrische Wasserpumpe, verschiedene Temperatursensoren, ein Kühlerdurchflussregelventil, ein Kühlerlüftermotor und ein Steuergerät verwendet werden, um das Kühlsystem so zu regeln, dass eine Betriebstemperatur des Motors innerhalb eines schmalen Bereiches um eine Zieltemperatur herum gehalten wird.
Bei herkömmlichen Kühlsystemen von Verbrennungskraftmaschinen werden im Allgemeinen eine mechanische Wasserpumpe, welche auf der Basis der Motordrehzahl betrieben wird, ein Thermostat und ein Kühler verwendet, um die Temperatur des Motors innerhalb eines sicheren Betriebstemperaturbereiches zu halten. Da jedoch die Drehzahl der mechanischen Wasserpumpe direkt mit der Motordrehzahl gekoppelt ist, kann bei niedriger Motordrehzahl und hoher Motorlast die Drehzahl der mechanischen Wasserpumpe die Fähigkeit des Kühlsystems begrenzen, die erforderliche Wärme vom Motor abzuleiten. Diese Bedingung kann dazu führen, dass die Temperatur des Motors den regelbaren Bereich des Thermostats überschreitet. Außerdem kann unter den Bedingungen einer hohen Motordrehzahl und einer geringen Last die Fördermenge der Wasserpumpe den erforderlichen Kühlbedarf übersteigen, und durch die Zirkulation einer zu großen Flüssigkeitsmenge kann Energie verschwendet werden. Diese verschwendete Energie stellt eine potentielle Möglichkeit für Kraftstoffeinsparungen dar.
Bei der herkömmlichen mechanischen Wasserpumpe und dem Thermostat ist im Allgemeinen der Sollwert für die Betriebstemperatur des Motors feststehend. Bei einer festen Betriebstemperatur kann das Kühlsystem nicht so eingestellt werden, dass Emissionen und Leistung auf der Basis der Motorlast optimiert werden.
Dementsprechend besteht Bedarf an der Bereitstellung eines Gesamt-Kühlungsregelsystems, um die Betriebstemperatur des Motors innerhalb eines schmalen Bereiches um eine Zieltemperatur herum zu halten, wobei die Zieltemperatur des Motors und der Massendurchsatz durch den Motor eine direkte Funktion der freigesetzten Wärme und eine indirekte Funktion der Motorlast sind.
Ein Verfahren der Regelung einer Betriebstemperatur eines Motors gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus US 5.215.044 A bekannt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den obengenannten Bedarf zu erfüllen.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, wie es im beigefügten Anspruch 1 dargelegt ist.
Weitere Aufgaben, Merkmale und charakteristische Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sowie die Wirkungsweisen und die Funktionen der zugehörigen Elemente der Konstruktion, die Kombination von Teilen und wirtschaftliche Aspekte der Fertigung werden beim Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Ansprüche unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, wobei all dies Bestandteile der vorliegenden Patentbeschreibung sind, noch besser ersichtlich.
Nachfolgend wird wenigstens eine Ausführungsform der Erfindung, lediglich als Beispiel, unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, wobei:
1 eine schematische Darstellung eines Gesamt-Kühlsystems ist, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird.
Es wird auf 1 Bezug genommen; sie zeigt schematisch ein allgemein mit 10 bezeichnetes Gesamt-Kühlsystem einer Verbrennungskraftmaschine, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird. Das Gesamt-Kühlsystem 10 umfasst einen Kühlwasser- oder Kühlmittelkreislauf 12, der so konstruiert und angeordnet ist, dass er eine Verbrennungskraftmaschine 14 mit einem Kühler 16 einer Kühlerbaugruppe, die allgemein mit 18 bezeichnet ist, verbindet. Der Kühlwasserkreislauf 12 enthält einen Kanal 20, der einen Auslass des Motors 14 und einen Einlass des Kühlers 16 miteinander verbindet, und einen Kanal 22, der einen Auslass des Kühlers 16 und einen Einlass des Motors 14 miteinander verbindet. Die Kanäle 20 und 22 sind über einen Umgehungskreislauf 24 miteinander verbunden, so dass unter bestimmten Betriebsbedingungen Wasser oder Kühlmittel den Kühler 16 umgehen kann. Die Kühlerbaugruppe 18 umfasst den Kühler 16, einen Lüfter 19 und einen Elektromotor 21 zum Antrieb des Lüfters 19.
Im Kühlwasserkreislauf 12 ist eine Regelventilkonstruktion 26 zur Regelung des Mengenflusses von Wasser durch den Kühler 16 angeordnet. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Regelventilkonstruktion 26 im Kanal 20 an einer Verbindungsstelle mit dem Umgehungskreislauf 24 angeordnet. Es ist leicht einzusehen, dass die Regelventilkonstruktion 26 auch an einer Verbindungsstelle des Kanals 22 und des Umgehungskreislaufes 24 angeordnet sein kann. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Regelventilkonstruktion 26 ein elektrisch betätigtes Dreiwege-Umleitventil, welches hinsichtlich des Öffnungsgrades stufenlos regelbar ist. Stattdessen kann die Regelventilkonstruktion 26 auch aus einem Paar elektrisch betätigter Ventile wie etwa Klappenventile bestehen. Eines der Ventile regelt den Durchfluss durch den Kühler 16 und das andere Ventil regelt den Durchfluss durch den Umgehungskreislauf 24. Das Klappenventil im Umgehungskreislauf ist optional.
Im Kanal 22 ist eine elektrisch betriebene Wasserpumpe mit variabler Drehzahl (EWP) 28 vorgesehen, um Wasser oder ein anderes Kühlmittel durch das System 10 zu pumpen.
Ein Heizungswärmetauscher-Kreislauf 30 ist mit dem Kühlwasserkreislauf 12 verbunden. Ein Heizungsventil 32 ist im Heizungskreislauf 30 stromaufwärts eines Heizungswärmetauschers 34 angeordnet. Wie durch die Pfeile in 1 dargestellt ist, strömt, wenn das Heizungsventil 32 wenigstens teilweise geöffnet ist, Wasser durch das Heizungsventil 32 und den Heizungswärmetauscher 34 und strömt dann zur elektrischen Wasserpumpe 28 zurück.
Ein optionaler Ölkühler 33 und ein optionaler Getriebeölkühler/Getriebeölheizung 35 können über einen Hilfskreislauf 37 mit dem Kühlwasserkreislauf 12 verbunden sein.
Es ist ein allgemein mit 36 bezeichnetes Steuergerät vorgesehen, um den Betrieb der elektrischen Wasser- oder Kühlmittelpumpe 28, des Lüftermotors 21, des Regelventils 26 und des Heizungsventils 32 zu steuern. Das Steuergerät 36 kann zum Beispiel ein Siemens C504 8 Bit CMOS Mikrocontroller sein. Das Steuergerät 36 enthält einen Nur-Lese-Speicher (ROM) 38, in dem das Steuerprogramm für das Steuergerät 36 gespeichert ist. In dem ROM sind außerdem gewisse Daten 40 für den Betrieb des Kühlsystems gespeichert, wie etwa Nachschlagtabellen für die Änderung der Ziel-Motortemperaturen ΔT (welche die Differenz zwischen einer Ziel-Auslass-Motortemperatur und einer Ziel-Einlass-Motortemperatur ist), Ziel-Motortemperaturen als Funktion von Motorlast, Regelventilkonstruktions-Index, Regelventilkonstruktions-Position, Index der Wasserpumpen-Anfangsdrehzahl, Einstellungen der Pulsbreitenmodulation (PBM) der Wasserpumpe, Ziel-Kühlertemperatur und Ziel-Motoröltemperatur, wobei die Funktion dieser Parameter weiter unten ersichtlich wird.
Somit erzeugt das Steuergerät 36 auf der Basis einer Programmsteuerung Ausgangssignale zur Steuerung der verschiedenen Komponenten des Kühlsystems 10. Ein Lüftermotordrehzahl-Signal vom Steuergerät 36 wird zu einem Lüftermotordrehzahl-Steuerkreis 42 gesendet, welcher wiederum mit dem Lüftermotor 21 verbunden ist. Ein Wasserpumpendrehzahl-Steuersignal vom Steuergerät 36 wird zu einem Wasserpumpendrehzahl-Steuerkreis 44 gesendet, welcher wiederum mit der elektrischen Wasserpumpe 28 verbunden ist. Ein Regelventilpositions-Signal vom Steuergerät 36 wird zu einem Regelventilpositions-Steuerkreis 46 gesendet, welcher wiederum mit dem Regelventil 26 verbunden ist. Schließlich wird ein Heizungsventilpositions-Signal vom Steuergerät 36 zu einem Heizungsventilpositions-Steuerkreis 48 gesendet, welcher wiederum mit den Heizungsventil 32 verbunden ist.
Über eine Leitung 45 wird die Rückmeldeinformation von der Regelventilkonstruktion 26 zum Steuergerät 36 übertragen, um dem Steuergerät die aktuelle Position der Regelventilkonstruktion 26 anzuzeigen. Über eine Leitung 47 wird die Rückmeldeinformation vom Lüftermotor 21 zum Steuergerät 36 übertragen, um dem Steuergerät die aktuelle Lüftermotordrehzahl anzuzeigen. Über eine Leitung 49 wird die Rückmeldeinformation von der elektrischen Wasserpumpe 28 zum Steuergerät 36 übertragen, um dem Steuergerät die aktuelle Wasserpumpendrehzahl anzuzeigen. Schließlich wird über eine Leitung 51 die Rückmeldeinformation vom Heizungsventil 32 zum Steuergerät übertragen, um dem Steuergerät die voreingestellte Position des Heizungsventils 32 anzuzeigen.
Mit dem Steuergerät 36 sind ein Motorauslass-Wassertemperatursensor 50 zur Erfassung der Motorauslass-Wassertemperatur (TMotor,aus), ein Motoreinlass-Wassertemperatursensor 52 zur Erfassung der Motoreinlass-Wassertemperatur (TMotor,ein), ein Motoröltemperatur-Sensor 54 zur Erfassung der Motoröltemperatur (TÖl), ein Motor-Klopfsensor 56 zur Erfassung des Klopfens des Motors (Klopfen) und ein Ausströmluft-Temperatursensor 58 zur Bestimmung einer Temperatur der aus dem Kühler 16 ausströmenden Luft (TLuft) verbunden. Stattdessen kann der Sensor 58 auch so angeordnet sein, dass er eine Kühlmitteltemperatur an einem Auslass des Kühlers 16 misst. Ferner muss unter den allgemeinsten Aspekten der Erfindung nur ein Motorkühlmittel-Temperatursensor vorgesehen sein (entweder Sensor 50 oder Sensor 52). In diesem Falle kann das Steuergerät 36 die fehlende Temperatur berechnen oder schätzen.
Die meisten Autos sind heutzutage mit einem Temperatursensor und einem Klopfsensor ausgestattet. In diesem Falle kommuniziert das Steuergerät mit dem elektronischen Steuergerät des Motors (ECU) des Fahrzeugs, um die Klopf- und Öltemperatur-Daten zu erhalten.
Für die Zwecke der Steuerung der Heizung liefert ein Positionssensor für den Heizungstemperatur-Steuerhebel 60 dem Steuergerät 36 ein Eingangssignal. Außerdem liefert eine zum Zündschalter 62 des Motors führende Leitung dem Steuergerät 36 ein Eingangssignal (FMotorEin), wenn die Zündung eingeschaltet ist. Ferner ist ein Klimaanlagen-Hochdruckschalter 63 mit dem Steuergerät 36 gekoppelt, so dass bestimmt werden kann, wann der Schalter 63 ein- oder ausgeschaltet ist, dessen Funktion weiter unten noch ausführlicher erläutert wird.
Die Fahrzeugbatterie versorgt das Steuergerät 36 mit elektrischer Leistung. Der Minuspol der Batterie ist mit Masse verbunden, und der Pluspol der Batterie ist über einen Spannungsregler 64 mit dem Steuergerät 36 verbunden.
1 zeigt eine Ausführungsform der Konfiguration der mechanischen Komponenten eines Gesamt-Kühlsystems gemäß der Erfindung. Es ist leicht einzusehen, dass auch andere Konfigurationen verwendet werden können, wie zum Beispiel die Konfigurationen, die in der US-Patentanmeldung Nr. 09/105.634 mit dem Titel "Total Cooling Assembly For A Vehicle Having An Internal Combustion Engine" (Gesamt-Kühlbaugruppe für ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine) dargestellt sind. Demzufolge steuert das Steuergerät 36 beliebige Ventile, die mit dem Kühler, dem Umgehungskreislauf und dem Heizungswärmetauscher gekoppelt sind, und würde den Betrieb der elektrischen Wasserpumpe(n) steuern.
Vom Standpunkt der Systeme aus betrachtet ist der Motor 14 die primäre Wärmequelle, während der Kühler 16 das primäre Element zum Ableiten von Wärme ist. Der Umgehungskreislauf 24 und der Heizungswärmetauscher 39 bewirken in erster Linie, dass Kühlmittel am Kühler 16 vorbei umgeleitet wird. Die elektrische Wasserpumpe 28 steuert den Druckabfall im System; für eine gegebene Ventilkonfiguration steuert die Wasserpumpe 28 somit den Gesamt-Massendurchsatz des Kühlmittels durch das System 10. Die Regelventilkonstruktion 26 steuert den Anteil des Kühlmittels, welcher durch den Kühler 16 hindurch geleitet wird, und kann in Verbindung mit dem Heizungsventil 32 den Gesamt-Durchfluss durch den Motor 14 drosseln. Während einer Kaltstartbedingung drosselt die Regelventilkonstruktion 26 den Kühlmitteldurchfluss durch den Umgehungskreislauf 24, um die Gesamt-Durchflussmenge durch den Motor unter die Menge abzusenken, die normalerweise bei der minimalen Drehzahl der Wasserpumpe 28 erhalten wird. Unter dieser Bedingung wird ein Durchfluss durch den Kühler 16 verhindert. Am Ende der Kaltstartphase ist der Umgehungskreislauf 24 geöffnet, und ein zum Kühler 16 führender Kanal ist noch immer vollständig geschlossen. Das Heizungsventil 32 wird geöffnet, wenn die Zufuhr von Wärme in den Fahrgastraum benötigt wird. Während der Kaltstartphase kann der Kühlmittelstrom zum Heizungswärmetauscher 34 um ein paar Sekunden oder ein paar Minuten verzögert werden, um eine schnellere Erwärmung des Motors zu ermöglichen. Unter den Bedingungen einer maximalen Last kann das Heizungsventil 32 geschlossen werden, um den Systemdruck und damit den Massendurchsatz durch den Kühler 16 zu erhöhen.
Der Lüfter 19 der Kühlerbaugruppe 18 beeinflusst die Wärmekapazität der Luftseite des Kühlers 16 und beeinflusst somit die Auslasstemperatur des aus dem Kühler 16 ausströmenden Kühlmittels.
Was den Motor anbelangt, so ist die vom Motor an das Kühlmittel abgegebene Wärme eine Funktion der Motorlast und der Drehzahl. Eine Wärmebilanz auf der Kühlmittelseite des Motors Q_Motor ist gegeben durch: QMotor = ṁ Cp ΔTMotor, (1)wobei ṁ der Massendurchsatz des Kühlmittels durch den Motor ist, Cp die Wärmekapazität des Kühlmittels ist und ΔT_Motor gegeben ist durch: ΔTMotor = TMotor,aus – TMotor,ein, (2)wobei die Temperaturen die Kühlmittelauslass- bzw. Kühlmitteleinlass-Temperatur bezeichnen. Eine der vorrangigen Aufgaben des Steuergerätes ist es, die auf den Motor einwirkenden thermischen Spannungen zu bewältigen, indem es die Temperaturänderungen entlang des Motors reguliert. Dies geschieht, indem sichergestellt wird, dass ΔT_Motor innerhalb eines sicheren Bereiches gehalten wird. Aus Gleichung (1) ist ersichtlich, dass, wenn ΔT_Motor konstant gehalten wird, die einzige Variable, die verbleibt, um die vom Motor erzeugte Wärme auszugleichen, ṁ ist, der Massendurchsatz des Kühlmittels durch den Motor. Für Zentrifugalpumpen gilt ṁ α DrehzahlPumpe. (3)
Wenn die Positionen der Regelventilkonstruktion 26 und des Heizungsventils 32 als feststehend betrachtet werden, so ist unter dieser Bedingung der hydraulische Widerstand des Kühlsystems ebenfalls feststehend. Somit ist in erster Näherung der Massendurchsatz durch das System direkt proportional zur Drehzahl der elektrischen Wasserpumpe 28. Daher ist es naheliegend, dass die Drehzahl der Wasserpumpe 28 verwendet werden kann, um den Temperaturanstieg durch den Motor 14 hindurch anzupassen. Diese Anpassung muss jedoch nicht unbedingt auf der Basis der Drehzahl der Wasserpumpe erfolgen, sondern sie kann auf einem Tastgrad eines Signals, das zu einem pulsdauermodulierten (pulse width modulated, PWM) Steuergerät gesendet wird, basieren, wobei die Pumpendrehzahl als Rückführgröße verwendet wird. Dies würde sicherstellen, dass die Drehzahl der Wasserpumpe 28 nicht unter eine minimale Abreißpunkt-Pumpendrehzahl absinken würde, und es würde ermöglichen, die maximale Wasserpumpendrehzahl zu erhalten, die aus der zur Verfügung stehenden Generatorspannung erhältlich ist.
Was die Kühlerbaugruppe 18 anbelangt, wird die vom Kühler 16 abgegebene Wärme beschrieben durch: QKühler = ṁKühler Cp ΔTKühler, (4)wobei ΔT_Kühler der Temperaturverlust des Kühlmittels beim Durchströmen des Kühlers 16 ist und ṁ_Kühler der Massendurchsatz des Kühlmittels durch den Kühler ist. Die tatsächliche Temperaturverringerung in der Flüssigkeit ist eine Funktion der Leistung des Kühlers 16, und auch in diesem Falle steuert in erster Näherung der Massendurchsatz des Kühlmittels durch den Kühler die Gesamtwärmemenge, welche abgegeben werden kann. Die vom Kühler 16 abgegebene Wärmemenge bestimmt dann die Gleichgewichtstemperatur des Systems. Für den Algorithmus der bevorzugten Ausführungsform wurde die Motor-Einlasstemperatur als die Steuertemperatur gewählt, welche die Temperatur des Kühlsystems repräsentiert. Somit wird der Massendurchsatz des Kühlmittels durch den Kühler 16 verwendet, um die Betriebstemperatur des Motors einzuregeln.
Was den Kühlerlüfter 19 anbelangt, so kann die vom Kühler 16 abgegebene maximale Wärme ausgedrückt werden als: QKühler,max = Cmin ΔTmax, (5)wobei C_min die minimale Wärmekapazität der zwei Fluide ist und durch
gegeben ist, und wobei ΔT_max die maximale Temperaturdifferenz der zwei Fluide ist und oft als "Approach difference" (Anströmdifferenz) bezeichnet wird. Das Steuergerät 36 kann die Anströmtemperatur nicht verändern; das Steuergerät 36 kann jedoch die Wärmekapazität der Luftseite beeinflussen, welche bei großen Durchflussmengen des Kühlmittels durch den Kühler gleich C_min ist. Die einfachste Möglichkeit festzustellen, dass die Wärmekapazität der Luftseite abgesättigt ist, besteht darin, die Austrittstemperatur der Luft aus dem Kühler 16 oder die Temperatur des Kühlmittels am Auslass des Kühlers 16 zu messen. Falls die Austrittstemperatur der Luft einen der minimalen Leistung entsprechenden Wert übersteigt, sollte der Massendurchsatz der Luft erhöht werden. Folglich wird die Drehzahl des elektrischen Lüftermotors 21 verwendet, um die Kühlleistung des Kühlers 16 zu verbessern, wenn die Wärmekapazität der Luftseite die Wärmeabgabe des Kühlers 16 begrenzt. Durch die Überwachung der Temperatur der aus dem Kühler austretenden Luft oder der Kühlmitteltemperatur am Auslass des Kühlers 16 berücksichtigt das Steuergerät 36 automatisch jede zusätzliche thermische Belastung, die auf einen Kondensator einer Klimaanlage oder einen Ladeluftkühler zurückzuführen ist.
Es existieren Bedingungen, unter denen die Drehzahl der elektrischen Wasserpumpe 28, die erforderlich ist, um die gewünschte Differenz ΔT_Motor aufrechtzuerhalten, keinen ausreichenden Kühlmittelstrom vom Kühler 16 sicherstellt, um den Motor 14 vor einer Überhitzung zu schützen. Unter diesen Bedingungen muss die Motortemperatur die normale Steuerung der elektrischen Wasserpumpe 28 übersteuern. Auf diese Weise wird die Drehzahl der elektrischen Wasserpumpe über die Drehzahl hinaus erhöht, welche erforderlich ist, um thermische Spannungen zu verhindern. Das Ergebnis ist, dass sich der Temperaturanstieg innerhalb des Motors verringert und somit die auf den Motor 14 einwirkenden thermischen Spannungen noch weiter verringert werden.
Es existieren zahlreiche Gründe, weshalb die Ziel-Motortemperatur und der Temperaturanstieg innerhalb des Motors eine Funktion der Motorlast sein sollten. Eigentlich ist es jedoch nicht die Motorlast, die von Bedeutung ist; es ist die Größe des Wärmeflusses von den Zylindern und die thermische Gesamtbelastung des Kühlsystems, welche von Interesse ist. Auch in diesem Falle kann, wenn man die Gleichungen 1–3 betrachtet, festgestellt werden, dass die Drehzahl der elektrischen Wasserpumpe 28 mit dem Wärmefluss und der Wärmeabgabe vom Motor 14 in direktem Zusammenhang steht. Folglich ist die Drehzahl der elektrischen Wasserpumpe 28 ein indirektes Maß für die abgegebene Gesamtwärmemenge und ist, soweit es das Kühlsystem betrifft, äquivalent zur Überwachung der tatsächlichen Motorlast und Motordrehzahl.
Auf diese Weise können die Ziel-Motortemperatur ΔT und der gewünschte Massendurchsatz durch den Motor eine indirekte Funktion der Motorlast und eine direkte Funktion der abgegebenen Wärme sein, indem die aktuelle Drehzahl der elektrischen Wasserpumpe als eine Kennziffer oder Variable bei der Bestimmung der Zieltemperaturen verwendet wird.
Das Steuergerät 36 überwacht einfach die Motoröltemperatur. Die Öltemperatur wird verwendet, um den Sollwert für die Motortemperatur zu ändern. In den meisten Fällen hat dies ein weiteres Öffnen der Regelventilkonstruktion 26 zur Folge, um den Durchfluss durch den Kühler 16 zu erhöhen. Nur wenn die Regelventilkonstruktion 26 vollständig geöffnet ist, erhöht das Steuergerät 36 die Drehzahl der Wasserpumpe 28 in Reaktion auf die Steuerung durch die Motortemperatur und würde das Steuergerät 36 folglich von einer normalen Betriebsart zu einer Pumpenübersteuerungs-Betriebsart umgeschaltet.
Der maximale Betrag, um den das Steuergerät 36 die Motortemperatur reduzieren darf, ist begrenzt und in mehrere Stufen unterteilt. Die Motortemperatur wird erst dann auf die nächste Stufe verringert, wenn die Motortemperatur die neue geänderte Temperatur erreicht hat und das Steuergerät bestätigt, dass die Öltemperatur nicht ausreichend verringert worden ist.
Auf ähnliche Weise reduziert das Steuergerät, wenn ein anhaltendes Klopfen erfasst wird, die Motortemperatur mit dem Ziel, das thermische Klopfen zu beseitigen. Das elektronische Steuergerät des Motors (ECU) (nicht dargestellt) müsste in der Lage sein, innerhalb von zwei Umdrehungen des Motors das Kraftstoff/Luft-Verhältnis und die Ventilsteuerzeiten so zu korrigieren, dass ein Klopfen beseitigt wird. Falls ein Klopfen über einen längeren Zeitraum andauert, nimmt das Steuergerät 36 an, dass das Klopfen thermisch verursacht wird, und würde dann die Regelventilkonstruktion 26 weiter öffnen, um den Kühlmittelstrom durch den Kühler 16 zu verstärken.
Sowohl die Öl- als auch die Klopf-Routine "wissen", was die anderen Routinen tun, und warten ab, bis der Motor seine neue, niedrigere Temperatur erreicht, bevor sie eine weitere Verringerung der Motortemperatur anfordern.
Die oben dargelegte Regelungsstrategie kann mit Hilfe vieler unterschiedlicher Algorithmen implementiert werden. Zum Beispiel kann ein vollständiger PID-Regler verwendet werden, oder ein Steuergerät für das erfindungsgemäße System kann ein Integralregler sein.
Das Steuergerät 36 steuert den Betrieb des Regelventils 26, des Lüftermotors 21, des Heizungsventils 32 und der elektrischen Wasserpumpe 28 entsprechend den oben definierten Signalen TMotor,aus; TMotor,ein; Töl; Klopfen; TLuft und FMotorEin.
Es wird ein Startzyklus verwendet, um das Steuergerät 36 und die elektrische Wasserpumpe 28 mit Strom zu versorgen, die Sensoren zu testen und die Ventile 26 und 28 auf eine Anfangsposition voreinzustellen. Ein typischer Startzyklus gemäß der Erfindung hat folgendes Aussehen:
STARTZYKLUS

1. Warte auf Drehen des Zündschlüssels in die Position "Ein".
2. Schalte Steuergerät 36 ein.
3. Teste Sensoren und Rückmeldesysteme – keine offenen Stromkreise – lies Fehlercodes und schalte System ab, falls ein Problem erkannt wird, und zeige Warnung/Service-Information an, oder sperre Zündung, falls es sich um ein ernstes Problem handelt.
4. Initialisiere die Programmvariablen.
5. Führe Voreinstellung der Ventile 26 und 32 durch.
6. Warte auf Anlassen des Motors oder GOTO Nr.1, falls Zündschlüssel in die Position "Aus" gedreht wird.
7. Starte elektrische Wasserpumpe 28.
8. GOTO HRUPTREGELSCHLEIFE.

Es wird eine Hauptregelschleife verwendet, um die elektrische Wasserpumpe 28 und den Luftstrom durch den Kühler 16 zu steuern und damit den Temperaturanstieg innerhalb des Motors zu regeln. Eine typische Hauptregelschleife für das System hat folgendes Aussehen:
HAUPTREGELSCHLEIFE

1. Lies alle Sensoren ab – Motorauslasstemperatur (TMotor,aus), Motoreinlasstemperatur (TMotor,ein), Kühlerauslasstemperatur (TLuft), Öltemperatur (TÖl), Klopfsignal (Klopfen) vom ECU, Hochdruckschalter 63 an der Klimaanlage und Zündungssensor (FMotorEin).
2. Prüfe, ob Motor noch läuft: IF NO GOTO NACHLAUF OR ELSE fahre fort.
3. Berechne oder ändere Ziel-Motortemperatur, Ziel-Motortemperaturanstieg (ΔT innerhalb des Motors) durch die Benutzung einer Nachschlagtabelle auf der Basis der aktuellen Drehzahl der Wasserpumpe 28 (d. h. indirekt der Motorlast) sowie der Öltemperatur (TÖl) und des Klopfens.
4. Bestimme Drehzahl der Wasserpumpe 28 und Position des Ventils 26 unter Verwendung von PID oder eines anderen Verfahrens unter Beachtung der nachfolgenden Regeln: IF Ist-Motortemperaturanstieg > Ziel-Motortemperaturanstieg THEN ERHÖHE Gesamt-Kühlmitteldurchflussmenge durch den Motor, OR ELSE, IF Ist-Motortemperaturanstieg < Ziel-Motortemperaturanstieg THEN VERRINGERE Gesamt-Kühlmitteldurchflussmenge durch den Motor. (Es gibt zwei Möglichkeiten, um die Kühlmitteldurchflussmenge zu erhöhen, in Abhängigkeit vom Regelungsmodus der Regelventilkonstruktion 26 – in einem Kühlerumgehungs-Modus ist der Kanal des Kühlers geschlossen, und die Drehzahl der Wasserpumpe 28 ist auf ihren niedrigsten Wert festgelegt, und der Umgehungskanal wird von "etwa zu 1/10 geöffnet" bis "vollständig geöffnet" moduliert, um den Kühlmitteldurchfluss durch das System zu regulieren. In einem Kühler-Modus werden der Umgehungskanal und der Kanal des Kühlers moduliert, um die Aufspaltung des Stroms zwischen dem Umgehungskreislauf und dem Kühler 16 zu regeln, und die Drehzahl der Wasserpumpe 28 wird moduliert, um die Gesamt-Kühlmitteldurchflussmenge durch das System zu regeln. IF Motoreinlasstemperatur (TMotor,ein) > Ziel-Motoreinlasstemperatur, THEN ERHÖHE Kühlmitteldurchflussmenge zum Kühler 16, OR ELSE, IF Motoreinlasstemperatur (TMotor,ein) < Ziel-Motoreinlasstemperatur, THEN VERRINGERE Kühlmitteldurchflussmenge zum Kühler 16. IF Kühlerauslasstemperatur (TLuft) > Ziel-Kühlertemperatur, THEN ERHÖHE Luftstrom durch den Kühler 16, OR ELSE, IF Kühlerauslasstemperatur (TLuft) < Ziel-Kühlertemperatur, THEN VERRINGERE Luftstrom durch den Kühler 16. IF Motoröltemperatur (TÖl) > Ziel-Motoröltemperatur, THEN VERRINGERE die Ziel-Motortemperatur, OR ELSE, IF Motoröltemperatur (TÖl) < Ziel-Motoröltemperatur, THEN, in kleinen Schritten, ERHÖHE Ziel-Motortemperatur auf einen Wert, welcher die ursprüngliche Ziel-Motortemperatur für die vorherrschenden Bedingungen repräsentieren würde. IF ECU thermisches Klopfen anzeigt, THEN VERRINGERE Ziel-Motortemperatur, OR ELSE, IF Klopf-Bedingung endet, THEN, in kleinen Schritten, ERHÖHE Motortemperatur, um Zieltemperatur ohne Klopf-Bedingung wiederherzustellen. IF Klimaanlagen-Hochdruckschalter 63 "Ein" ist, THEN ERHÖHE Drehzahl des Kühlerlüfters 19, OR ELSE, IF Klimaanlagen-Hochdruckschalter 63 nicht mehr "Ein" ist und Kühlerauslasstemperatur (TLuft) niedriger als gefordert ist, THEN VERRINGERE Drehzahl des Kühlerlüfters 19.
5. Stelle die Ventile 26, 32 und die Drehzahl der Pumpe 28 mit Rückführungsregelung ein. Erzeuge Fehlercodes, falls Steuerelemente nicht korrekt reagieren. Begrenze maximale Motorleistung für "Notlaufbetriebs"-Modus oder stelle Motor ab, falls dies notwendig ist, um den Motor zu schützen.
6. GOTO Nr. 1 der Hauptregelschleife.

Nachdem der Motor abgestellt worden ist, wird eine Nachlauf-Sequenz ausgelöst, um zu bestimmen, ob die Motortemperatur einen akzeptablen Wert aufweist. Die folgende Sequenz ist eine typische Nachlauf-Sequenz:
NACHLAUF

1. Öffne Regelventilkonstruktion 26 vollständig.
2. Schließe Heizungsventil 32.
3. Stelle Drehzahl der Pumpe 28 auf Nachlauf-Drehzahl ein.
4. Lies Temperatur des Motors ab.
5. IF Motortemperatur OK ist, THEN GOTO Nr. 8 unten.
6. IF Zündung aus ist, THEN GOTO Nr. 4 von "Nachlauf".
7. IF Motor gestartet wurde, THEN initialisiere die Variablen und GOTO Nr. 1 der Hauptregelschleife.
8. Schalte Pumpe 28 aus.
9. Teste Funktionsfähigkeit der Steuerelemente und speichere Fehlercodes.
10. Setze Ventile 26 und 32 in die Start-Position zurück.
11. GOTO Nr. 1 des Startzyklus.

Die möglichen Vorteile des Gesamt-Kühlsystems 10 der Erfindung umfassen die Möglichkeit, die Motortemperatur in engen Grenzen zu regeln, was bedeutet, dass die Maximaltemperatur des Motors sicher erhöht werden kann. Mit einer solchen Regelung kann der Motor bei einer höheren Temperatur betrieben werden, so dass für eine effizientere Verbrennung des Kraftstoffes gesorgt wird. Eine bessere Ausnutzung des Kraftstoffes hat geringere Emissionen und einen niedrigeren Kraftstoffverbrauch zur Folge.
Das elektronisch geregelte Kühlsystem der Erfindung gewährleistet eine adaptive Motortemperatur zur Optimierung des Kraftstoffverbrauchs, der Emissionen oder des Fahrverhaltens in Abhängigkeit von der Motorlast und den Fahrbedingungen oder Fahrstilen. Die Motortemperatur ist nicht auf ein schmales Band festgelegt, wie es bei einem mechanischen Thermostat der Fall ist.
Die hocheffiziente elektrische Wasserpumpe pumpt nur dann, wenn es erforderlich ist, die benötigte Flüssigkeitsmenge, im Gegensatz zu einer mechanischen Wasserpumpe, welche für eine gegebene Motordrehzahl ein feststehendes Flüssigkeitsvolumen fördert, unabhängig davon, ob die Flüssigkeit benötigt wird. Außerdem sorgt die elektronische Wasserpumpe bei geringen Motordrehzahlen für eine bessere Kühlung, da die maximal verfügbare Durchflussmenge nicht durch die Motordrehzahl begrenzt wird. Ferner gewährleistet die elektrische Wasserpumpe potentielle Energieeinsparungen bei hohen Motordrehzahlen oder unter den Bedingungen einer Autobahnfahrt, wo die Möglichkeit besteht, die Gesamt-Kühlmitteldurchflussmenge zu reduzieren.
Bei elektronisch geregelter Motortemperatur kann die Motortemperatur so angepasst werden, dass einer Überhitzung des Motoröls oder dem thermisch verursachten Klopfen Rechnung getragen wird oder die Leistung des Motors oder von Hilfseinrichtungen optimiert wird.
Bei einem elektronisch überwachten Warmlaufen des Motors kann das Steuergerät unter allen Bedingungen die Wasserpumpe und die Ventilstellungen optimieren, um ein möglichst akzeptables Niveau der thermischen Spannungen im Metall aufrechtzuerhalten und die Warmlaufphase des Fahrzyklus auf ein Minimum zu begrenzen. Diese Warmlaufphase ist es, während der eine bedeutende Menge an Emissionen erzeugt wird.
Die elektronisch gesteuerte elektronische Wasserpumpe ermöglicht es, dass durch einen Nachlauf-Zyklus Heißstarts verbessert werden, um die Gefahr des Kochens während einer "Hot Soak"-Bedingung (Heißabstellen) zu verringern.
Das elektronisch gesteuerte Kühlsystem kann die Leistung der elektrischen Wasserpumpe, die Ventile, die Wärmeabgabe für den Motor und die Diagnose der Kühlung überwachen.
Schließlich könnte eine Computerregelung selbstkalibrierend und selbstlernend sein.
Die obenstehenden bevorzugten Ausführungsformen wurden zum Zwecke der Darstellung der Konstruktions- und Funktionsprinzipien der vorliegenden Erfindung sowie der Darstellung der Verfahren zur Anwendung der bevorzugten Ausführungsformen dargelegt und beschrieben, und an ihnen können Änderungen vorgenommen werden, ohne von diesen Prinzipien abzuweichen. Daher umfasst diese Erfindung alle Modifikationen, die im Schutzbereich der nachfolgenden Patentansprüche enthalten sind.

Claims

Verfahren zur Regelung einer Betriebstemperatur eines Motors (14), wobei der Motor ein Kühlsystem aufweist, welches umfasst: eine Kühlerbaugruppe, die einen Kühler (16) und einen Lüfter (19), der von einem elektrischen Lüftermotor (21) angetrieben wird, umfasst; einen den Motor und den Kühler miteinander verbindenden Kühlmittelkreislauf (12) zum Zirkulieren von Kühlmittel; einen Umgehungskreislauf (24), der mit dem Kühlmittelkreislauf verbunden ist, so dass Kühlmittel den Kühler umgehen kann; eine elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe (28) mit variabler Drehzahl, die im Kühlmittelkreislauf angeordnet ist, um Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf zu pumpen; eine Regelventilkonstruktion (26), die so konstruiert und angeordnet ist, dass sie den Massendurchsatz von Kühlmittel durch den Kühler regelt; einen Motortemperatursensor (54) zum Erfassen einer Temperatur des Motorkühlmittels; einen Kühlertemperatursensor (58) zum Erfassen einer Temperatur, die Rückschlüsse auf eine Temperatur an dem besagten Kühler ermöglicht; und ein Steuergerät (36), das auf wirksame Weise mit dem elektrischen Lüftermotor, der Kühlmittelpumpe, der Regelventilkonstruktion, dem Motortemperatursensor und dem Kühlertemperatursensor verbunden ist, wobei das Verfahren umfasst: Bestimmen einer Isttemperatur der aus dem Kühler austretenden Luft oder des Kühlmittels an einem Auslass des Kühlers und Vergleichen der besagten Isttemperatur mit einer maximalen Zieltemperatur; und auf der Basis der Differenz zwischen der besagten Isttemperatur und der besagten maximalen Zieltemperatur Regeln der Drehzahl des elektrischen Lüftermotors, um die Kühlleistung des Kühlers zu verbessern, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen eines Anstiegs der Kühlmitteltemperatur (ΔT_Motor) im Motor und Vergleichen des Temperaturanstiegs mit einem Ziel-Anstieg der Temperatur des Motorkühlmittels, auf der Basis der Differenz zwischen dem besagten Anstieg der Kühlmitteltemperatur und dem besagten Ziel-Temperaturanstieg des Motorkühlmittels Betätigen der besagten Regelventilkonstruktion und Regeln der Kühlmittelpumpe, um einen Massendurchsatz von Kühlmittel durch den Kühler zu steuern, wodurch die Betriebstemperatur des Motors angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der besagte Kühlertemperatursensor so konstruiert und angeordnet ist, dass er eine Temperatur der Luft erfasst, die aus dem besagten Kühler austritt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der besagte Kühlertemperatursensor so konstruiert und angeordnet ist, dass er eine Kühlmitteltemperatur an einem Auslass des besagten Kühlers erfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–3, wobei Werte einer Ziel-Motorkühlmitteltemperatur und die besagte maximale Zieltemperatur in einem Speicher in dem besagten Steuergerät gespeichert sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, welches ferner Rückmeldeinformationen in Bezug auf die Drehzahl der besagten Kühlmittelpumpe und die Drehzahl des elektrischen Lüftermotors vorsieht, um dem Steuergerät eine aktuelle Drehzahl der besagten Kühlmittelpumpe bzw. des Lüftermotors anzuzeigen, wobei das Steuergerät eine weitere Regelung der Kühlmittelpumpe und/oder des Lüftermotors durchführt, wenn aus den zugehörigen Rückmeldeinformationen hervorgeht, dass eine weitere Regelung derselben notwendig ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Drehzahl der Kühlmittelpumpe entsprechend einem Tastgrad einer Pulsdauermodulation am Steuergerät geregelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei das Kühlsystem ferner umfasst: einen Heizungskreislauf, der mit dem Kühlmittelkreislauf verbunden ist; einen Heizungswärmetauscher im Heizungskreislauf; und ein Ventil im Heizungskreislauf zum Steuern des Kühlmitteldurchflusses durch den Heizungswärmetauscher, wobei das Ventil auf wirksame Weise mit dem Steuergerät verbunden ist, wobei das Verfahren umfasst: Regeln des Ventils im Heizungskreislauf, um den Durchfluss von Kühlmittel durch den Heizungswärmetauscher zu steuern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei das Steuergerät Daten empfängt, die das Klopfen des Motors betreffen, wobei das Verfahren umfasst: Regeln der Regelventilkonstruktion, so dass der Durchfluss durch den Kühler erhöht wird, um die Motortemperatur zu reduzieren und dadurch das Klopfen zu beseitigen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, wobei das Steuergerät Motoröltemperatur-Daten empfängt, wobei das Verfahren umfasst: Regeln der Regelventilkonstruktion, so dass der Durchfluss durch den Kühler erhöht wird, um die Motortemperatur zu reduzieren, so dass die Motoröltemperatur verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, welches ferner Rückmeldeinformationen in Bezug auf die Position der Regelventilkonstruktion vorsieht, um dem Steuergerät eine aktuelle Position der Regelventilkonstruktion anzuzeigen, wobei das Steuergerät eine weitere Regelung der Position der Regelventilkonstruktion durchführt, wenn aus den Rückmeldeinformationen hervorgeht, dass eine weitere Regelung notwendig ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, welches ferner Rückmeldeinformationen in Bezug auf die Position des Ventils im Heizungskreislauf vorsieht, um dem Steuergerät eine aktuelle Position des Ventils im Heizungskreislauf anzuzeigen, wobei das Steuergerät eine weitere Regelung des Ventils im Heizungskreislauf durchführt, wenn aus den Rückmeldeinformationen hervorgeht, dass eine weitere Regelung notwendig ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Reaktion auf eine zu hohe Motortemperatur die Drehzahl der Kühlmittelpumpe unabhängig von der gemessenen Temperaturdifferenz erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Werte des besagten Ziel-Anstiegs der Temperatur des Motorkühlmittels und der besagten maximalen Zieltemperatur in einem Speicher in dem besagten Steuergerät gespeichert sind.