EP1272747B1 - Kühlkreislauf - Google Patents

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EP1272747B1
EP1272747B1 EP01913686A EP01913686A EP1272747B1 EP 1272747 B1 EP1272747 B1 EP 1272747B1 EP 01913686 A EP01913686 A EP 01913686A EP 01913686 A EP01913686 A EP 01913686A EP 1272747 B1 EP1272747 B1 EP 1272747B1
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EP
European Patent Office
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temperature
cooling circuit
loop control
throttle body
open
Prior art date
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EP01913686A
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English (en)
French (fr)
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EP1272747A1 (de
Inventor
Martin Williges
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1272747A1 publication Critical patent/EP1272747A1/de
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Publication of EP1272747B1 publication Critical patent/EP1272747B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P7/16—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control
    • F01P7/167—Controlling of coolant flow the coolant being liquid by thermostatic control by adjusting the pre-set temperature according to engine parameters, e.g. engine load, engine speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2023/00—Signal processing; Details thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01P2025/00—Measuring
    • F01P2025/08—Temperature
    • F01P2025/30—Engine incoming fluid temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2025/00—Measuring
    • F01P2025/08—Temperature
    • F01P2025/32—Engine outcoming fluid temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2025/00—Measuring
    • F01P2025/08—Temperature
    • F01P2025/36—Heat exchanger mixed fluid temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2031/00—Fail safe
    • F01P2031/34—Limping home

Definitions

  • the invention is based on a cooling circuit according to the preamble of claim 1.
  • a cooling circuit usually includes a heat source to be cooled, e.g. an internal combustion engine of a vehicle, which is cooled by means of a coolant by free convection or specifically by a coolant pump.
  • a heat source to be cooled e.g. an internal combustion engine of a vehicle
  • the temperature difference across the heat source is only dependent on the size of the volume flow of the coolant, while the absolute temperature of the cooling medium is determined by the heat input of the heat source, the heat dissipation via a radiator and the heat capacities of the materials.
  • the heat absorbed by the heat source can be given off again via the cooler or remains in the coolant if the cooler is short-circuited via a bypass line.
  • thermostatic valve In today's motor vehicles this regulation takes over a so-called thermostatic valve.
  • a sleeve filled with wax serves as an actuator.
  • the wax begins to melt at a certain temperature, its volume increases.
  • the expansion with an increase in temperature and the shrinkage on cooling are utilized to form a throttle body, e.g. a flap in the valve to adjust, so that the radiator inlet opens and the temperature level is kept fairly constant. It is thus a closed loop.
  • a cooling circuit in which a coolant circulates is characterized by long time constants and dead times. If the temperatures of such a refrigeration cycle are controlled with simple controls, e.g. Controlled with thermostatic valves, the scheme is relatively sluggish and not very accurate.
  • the thermostatic valve on the outlet side of the internal combustion engine flows through the opening of the radiator first, the cold coolant of the radiator, the hot engine until it reaches the thermostatic valve at the output of the engine and this again closes the radiator something.
  • the temperature oscillates around a setpoint a few times, until a steady state results. Even if the heat output of the heat source spontaneously increases sharply, the temperature of the coolant initially rises by several degrees before the thermostatic valve has adapted to the new conditions.
  • a device and a method for a very sensitive control of the temperature of an internal combustion engine is known.
  • a control device fed to several input signals, such as the temperature of the internal combustion engine, the speed and load of the internal combustion engine, the vehicle speed, the operating condition of an air conditioner or the heating of the vehicle and the temperature of the cooling water.
  • a setpoint generator of the control device determines, taking into account the input signals, a temperature setpoint for the internal combustion engine. According to a comparison of the actual values with the desired values, the control device acts on a three-way valve, which is arranged in the mouth region of a bypass line in a pipeline between the internal combustion engine and a radiator.
  • the supply flow is split between the radiator inlet and the bypass line.
  • cooling of the internal combustion engine is detected not only as a function of operating parameters which are directly important for the temperature development, but also as a function of parameters of additional units which only indirectly influence the temperature.
  • the possibilities for setting the optimum temperature are significantly expanded, because even disturbances can be detected and taken into account.
  • a cooling circuit for a liquid-cooled internal combustion engine includes a radiator for cooling the coolant circulating between the liquid-cooled internal combustion engine and the radiator, a bypass passage for bypassing the radiator, and a flow valve having a port for the bypass passage and a port for the outlet side of the radiator.
  • the Flow rate ratio of the radiator flow rate to the flow rate is determined from the pump water temperature, the water temperature in the bypass passage, and the cooling water temperature.
  • the relationship between the flow rate ratio and the valve opening degree is previously determined as a characteristic.
  • the valve opening degree is determined from the flow rate ratio and the characteristic. Accordingly, the cooling water temperature at the inlet of the pump is accurately controlled without metering the flow rate of the cooling water itself.
  • control unit determines according to a characteristic curve of the control valve, a desired value for the position of the throttle body, which sets a ratio of the radiator flow to the total coolant flow to the control valve.
  • This is equal to the ratio between the difference of a temperature at the outlet of the bypass line minus a target temperature at the entrance of the heat source and the difference of the temperature at the outlet of the bypass line minus a temperature at the outlet of the cooler, wherein the ratio of the radiator flow to the total coolant flow at a negative value is equal
  • Zero is set and limited to a value greater than one to one.
  • the temperatures required to determine the setpoint are detected by temperature sensors.
  • existing temperature sensors can be used if they are not arranged too far away from the locations which are relevant for the determination of the desired value.
  • the temperature behind the heat source and / or the branch of the bypass line can be used for control, if the bypass line is not too long and the distance of the branch from the output of the temperature source is not too large.
  • the cooling circuit according to the invention makes it possible to precisely and quickly control the temperature of the coolant flowing into the heat source to a constant or variable temperature specified from the outside.
  • the two coolant paths are considered on the one hand via the radiator and on the other via the bypass line as sources of cold and warm coolant.
  • a temperature sensor is mounted at the outlet of the cooler, in addition to the hitherto customary temperature sensor at the output of the heat source, for example an internal combustion engine, for which the cooling circuit according to the invention is particularly suitable.
  • the temperature control can be further improved by the control according to the invention is superimposed on a control function of the temperature at the entrance of the heat source.
  • the control valve with the aid of the control according to the invention the temperature at the entrance of the heat source can lead relatively well, the manipulated variable of the controller, which can be integrated in one of the existing control units, limited to a part of the travel of the throttle body of the control valve.
  • a simple, but well-functioning controller is used for the control, for example, a gain-scheduling P controller.
  • the gain of the controller should be made dependent on the coolant volume flow, since the sensitivity of the cooling circuit increases with increasing volume flow.
  • the controller for the higher-level control as a function of the temperature at the inlet of the coolant into the heat source can simultaneously monitor the proper functioning of the control valve. However, the monitoring is limited even with the temperature sensor at the outlet of the coolant from the heat source possible.
  • the heat sinks and / or heat sources can simply be installed parallel to the existing ones without the control quality changing appreciably.
  • the throttle body is designed as a valve plug, at least has a distribution channel penetrating it and is adjustable by a drive about the axis of rotation.
  • the control valve according to the invention operates silently. Furthermore, it has over the adjustment angle of the throttle body a nearly linear characteristic of the volume flow and the volume flow ratio, so that the position for an optimal coolant flow rate and the coolant temperature can be controlled. A map can also be used worse valves.
  • the increase in speed is primarily a consequence of the knowledge of the cooling outlet temperature, so that one can anticipate, instead of reacting with a controller on already arrived events. As a result, the temperature control, which is often slow due to long dead times, can be significantly accelerated.
  • a three-way valve whose throttle body has a spherical surface and an inner manifold. This extends transversely to the axis of rotation and is open at a substantially parallel to the axis of rotation lateral surface, while the opposite lateral surface is closed.
  • the ball valve which has been flowed along to the axis of rotation in this way, has a more ideal mixing characteristic in comparison with the ball valves which are flowed from below. This can be attributed to favorable deflection effects due to the inclined position of the baffle surface on the throttle body in the ranges between 60 ° and 120 ° ball rotation. Due to the favorable characteristics and flow conditions, the three-way valve is suitable for cooling circuits with electrically operated pumps. These can be made smaller, so that their power consumption decreases and the overall efficiency improves.
  • a temperature sensor which projects into a distribution channel of the throttle body.
  • it detects a temperature of the coolant which is at the same time representative of the temperature at the outlet of the bypass line and at the outlet of the heat source, provided that the bypass line is not too long and the distance of the branch of the bypass line to the heat source is not too large.
  • a first control unit generates the desired value for the position of the throttle body, which is processed by a second, integrated in the control valve electronic control unit with a determined actual value of the position of the throttle body to a control variable for the position of the throttle body according to the characteristic.
  • the control valve is located with the second control unit in a higher-level control loop, for example, a cooling circuit, an internal combustion engine.
  • the second control unit forms a subordinate control circuit with the control valve.
  • the control valve receives its own Steuerintelligencez and can take over the important functions even without higher-level, first control unit in case of failure.
  • According to one embodiment of the invention therefore have the first or second control unit via a failure detection, which automatically switches to emergency operation in the event of failure.
  • connection between the second control unit and the higher-level first control unit becomes predominantly used to specify the microcontroller of the second control unit, the target value for the position of the throttle body.
  • an internal combustion engine 12 is a heat source while a radiator 14 forms a heat sink.
  • the internal combustion engine 12 is connected via a coolant line 16 to a radiator inlet 18 of the radiator 14.
  • An electrically driven coolant pump 28 conveys the coolant back to the internal combustion engine 12 from a radiator return 20.
  • the cooling circuit thus formed is designated 10.
  • An arrow 78 indicates the direction of the coolant flow.
  • a fan 38 acts on the radiator 14 with cooling air, which thus emits the heat from the coolant to the environment.
  • the radiator 14 can be short-circuited via a bypass line 22.
  • the bypass line 22 branches off at a branch 24 from the coolant line 16 and is connected at its output 36 to the radiator return 20.
  • a control valve 26 is provided, which divides the total coolant flow in the coolant line 16 to the radiator inlet 18 and the bypass line 22 in accordance with the invention.
  • a temperature sensor 32 at the output of the internal combustion engine 12 and a temperature sensor 34 at the outlet of the radiator 14 are arranged.
  • a further temperature sensor 30 is provided at the input of the internal combustion engine 12.
  • the temperature sensor 32 detects a coolant temperature, which corresponds to a first approximation of the coolant temperature at the output 36 of the bypass line 22, provided that the bypass line 22 is short and the distance of the branch 24 from the temperature sensor 32 is not too large. If these conditions are not met, it is expedient to provide a further temperature sensor at the output 36 of the bypass line 22.
  • a first control unit 40 determines a desired value 50 for the position of the throttle body 58 of the control valve 26, the position of the throttle body 58 determining the ratio x of the radiator flow to the total flow of coolant.
  • Shall consist of the ratio X is determined from a characteristic curve or a characteristic map for the control valve 26 of the target value 50 for the position of the control valve 26th
  • the embodiment according to FIG. 2 has a first control unit 40 and a second control unit 42. These control units 40, 42 are connected to one another and to the sensors 30, 32, 34 via signal lines 80.
  • the second control unit 42 is integrated together with a drive 44, a position measuring device 46 and an actuator 48 in the control valve 26, so that this can autonomously determine the position of the throttle body 58 in accordance with the invention.
  • the first control device 40 enables a higher-level control and regulation, by means of a setpoint generator 56 for the second control device 42 in response to numerous input signals 54, which include the temperature signals of the temperature sensors 30, 32, 34, the target value 50 for the second control device 42 pretends.
  • control of the second control unit 42 a control in response to other relevant parameters are superimposed, for example, depending on the temperature of the coolant at the input of the internal combustion engine 12.
  • control units 40, 42 for several different characteristics of the control valve 26 programmable.
  • the control valve 26 of FIG. 3 is formed as a three-way valve and consists essentially of a valve body 60 and a throttle body 58, which has expediently a spherical surface. But there are also other surface shapes conceivable, such as cylindrical or conical.
  • the throttle body 58 is suitably an injection molded part made of a thermoplastic material.
  • a drive shaft 62 is molded in one operation and formed an inner manifold 72 and a bore for receiving the temperature sensor 32 by inserts, which are inserted prior to injection into the tool.
  • the temperature sensor 32 which is disposed diametrically to the drive shaft 62 and projects into the distribution channel 72, is easily integrated in the control valve 26 and detects the coolant temperature directly in this range, i. in the vicinity of the output of the internal combustion engine 12, when the control valve 26 is flanged by means of screws to a coolant outlet opening on the internal combustion engine 12.
  • the distribution channel 72 extends transversely to an axis of rotation 64 of the throttle body 58 and is open at a substantially parallel to the axis of rotation 64 lateral surface 82, while it is closed at the opposite lateral surface 84.
  • the valve body 60 forms the outer part of the control valve 26 and has a connection on the open side of the lateral surface 82 for the coolant line 16 coming from the internal combustion engine 12, a connection 68 for the radiator inlet 18 and a connection 66 for the bypass line 22.
  • the connections 66, 68 and the connection to the bypass line 22 lie in a plane perpendicular to the axis of rotation 64.
  • valve body 60 In the region of the terminals 66 and 68 which are diametrically opposed to each other, but may also be arranged at a smaller angle to each other, the valve body 60 to the throttle body 58 towards separate sealing rings 74, which preferably consist of tetrafluoroethylene and at the same time for storage of the throttle body 58th serve.
  • a sealing ring 74 is held in the region of the connection 68 by a sleeve 76, which bears against an end face on the sealing ring 74.
  • the sleeve 76 is pressed by a coil spring 70 to the sealing ring 74. In this way, the wear on the sealing rings 74 is compensated and ensured an adequate seal over the entire product life.

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Description

    Stand der Technik
  • Die Erfindung geht von einem Kühlkreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 aus.
  • Zu einem Kühlkreislauf gehören in der Regel eine zu kühlende Wärmequelle, z.B. eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, die mittels eines Kühlmittels durch freie Konvektion oder gezielt durch eine Kühlmittelpumpe gekühlt wird. Die Temperaturdifferenz über der Wärmequelle ist lediglich von der Größe des Volumenstroms des Kühlmittels abhängig, während die absolute Temperatur des Kühlmediums durch den Wärmeeintrag der Wärmequelle, die Wärmeabfuhr über einen Kühler und die Wärmekapazitäten der Materialien bestimmt wird.
  • Die an der Wärmequelle aufgenommene Wärme kann über den Kühler an anderer Stelle wieder abgegeben werden oder verbleibt im Kühlmittel, wenn der Kühler über eine Bypassleitung kurzgeschlossen ist. Durch eine stufenlos variable Aufteilung des Kühlmittelstroms zwischen einem Kühlerzulauf und der Bypassleitung ist es möglich, das Temperaturniveau des Kühlmittels zu regeln.
  • In heutigen Kraftfahrzeugen übernimmt diese Regelung ein so genanntes Thermostatventil. In diesem Ventil, das am Eintritt des Kühlmittels in die Brennkraftmaschine oder am Austritt aus der Brennkraftmaschine angeordnet ist, dient eine mit Wachs gefüllte Hülse als Aktuator. Wenn das Wachs bei einer bestimmten Temperatur zu schmelzen beginnt, vergrößert sich sein Volumen. Die Ausdehnung bei einer Zunahme der Temperatur und die Schrumpfung beim Abkühlen wird ausgenutzt, um einen Drosselkörper, z.B. eine Klappe, im Ventil zu verstellen, so dass sich der Kühlerzulauf öffnet und das Temperaturniveau einigermaßen konstant gehalten wird. Es ist somit ein geschlossener Regelkreis.
  • Ein Kühlkreislauf, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, zeichnet sich durch lange Zeitkonstanten und Totzeiten aus. Werden die Temperaturen eines solchen Kühlkreislaufs mit einfachen Reglern, wie z.B. mit Thermostatventilen, geregelt, ist die Regelung verhältnismäßig träge und nicht besonders genau. Bei Anordnung des Thermostatventils auf der Auslassseite der Brennkraftmaschine durchströmt beim Öffnen des Kühlers zunächst das kalte Kühlmittel des Kühlers die heiße Brennkraftmaschine, bis es das Thermostatventil am Ausgang der Brennkraftmaschine erreicht und dieses den Kühler wieder etwas schließt. So schwingt die Temperatur einige Male um einen Sollwert, bis sich ein stationärer Zustand ergibt. Auch wenn die Wärmeleistung der Wärmequelle spontan stark zunimmt, steigt die Temperatur des Kühlmittels zunächst um etliche Grad an, bevor sich das Thermostatventil an die neuen Bedingungen angepasst hat.
  • Aus der DE 41 09 498 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zu einer sehr feinfühligen Regelung der Temperatur einer Brennkraftmaschine bekannt. Hierzu werden einer Steuereinrichtung mehrere Eingangssignale zugeleitet, wie z.B. die Temperatur der Brennkraftmaschine, die Drehzahl und Last der Brennkraftmaschine, die Fahrzeuggeschwindigkeit, der Betriebszustand einer Klimaanlage bzw. der Heizung des Fahrzeugs und die Temperatur des Kühlwassers. Ein Sollwertgeber der Steuereinrichtung ermittelt unter Berücksichtigung der Eingangssignale einen Temperatursollwert für die Brennkraftmaschine. Entsprechend einem Vergleich der Istwerte mit den Sollwerten wirkt die Steuereinrichtung auf ein Dreiwegeventil, das im Mündungsbereich einer Bypassleitung in einer Rohrleitung zwischen der Brennkraftmaschine und einem Kühler angeordnet ist. Je nach Stellung des Dreiwegeventils wird der Zulaufstrom auf den Kühlerzulauf und auf die Bypassleitung aufgeteilt. Damit wird eine Kühlung der Brennkraftmaschine nicht nur in Abhängigkeit von unmittelbar für die Temperaturentwicklung wichtigen Betriebsparametern erfasst, sondern auch in Abhängigkeit von Parametern von Zusatzaggregaten, die die Temperatur nur mittelbar beeinflussen. Weiterhin werden die Möglichkeiten zum Einstellen der optimalen Temperatur wesentlich erweitert, weil auch Störungen erfasst und berücksichtigt werden können. Durch die Zuordnung verschiedener Einsatzbedingungen zu unterschiedlichen Bereichen von Temperatursollwerten ist eine schnelle Einstellung der gewünschten Temperatur möglich, was durch unterschiedliche Prioritäten der Einsatzbedingungen weiter verfeinert werden kann.
  • Aus der DE-A1 199 33 794 ist ein Kühlkreislauf für einen flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor bekannt. Er umfasst einen Kühler zum Kühlen des Kühlmittels, das zwischen dem flüssigkeitsgekühlten Verbrennungsmotor und dem Kühler umläuft, eine Bypassleitung, um den Kühler zu umgehen, und ein Strömungsventil mit einem Anschluss für die Bypassleitung und mit einem Anschluss für die Auslassseite des Kühlers. Das Strömungsratenverhältnis der Kühlerströmungsrate zu der Strömungsrate wird aus der Pumpenwassertemperatur, der Wassertemperatur in der Bypassleitung und der Kühlwassertemperatur bestimmt. Die Beziehung zwischen dem Strömungsratenverhältnis und dem Ventilöffnungsgrad wird als Kennlinie vorher bestimmt. Der Ventilöffnungsgrad wird aus dem Strömungsratenverhältnis und der Kennlinie bestimmt. Entsprechend wird die Kühlwassertemperatur an dem Einlass der Pumpe genau geregelt, ohne die Strömungsrate des Kühlwassers selbst zumessen.
    • Vorteile der Erfindung
  • Nach der Erfindung ermittelt die Steuereinheit nach einer Kennlinie des Steuerventils einen Sollwert für die Stellung des Drosselkörpers, der ein Verhältnis des Kühlervolumenstroms zum Gesamtkühlmittelstrom am Steuerventil einstellt.
  • Dieses ist gleich dem Verhältnis zwischen der Differenz einer Temperatur am Ausgang der Bypassleitung minus einer Solltemperatur am Eingang der Wärmequelle und der Differenz der Temperatur am Ausgang der Bypassleitung minus einer Temperatur am Ausgang des Kühlers , wobei das Verhältnis des Kühlervolumenstroms zum Gesamtkühlmittelstrom bei einem negativen Wert gleich Null gesetzt und bei einem Wert größer eins auf eins begrenzt wird.
  • Die für die Ermittlung des Sollwerts erforderlichen Temperaturen werden durch Temperatursensoren erfasst. Hierbei können bereits vorhandene Temperatursensoren genutzt werden, wenn sie nicht allzu weit von den Stellen entfernt angeordnet sind, die für die Bestimmung des Sollwerts relevant sind. So kann z.B. anstelle der Temperatur am Ausgang der Bypassleitung die Temperatur hinter der Wärmequelle und/oder der Abzweigung der Bypassleitung zur Steuerung verwendet werden, wenn die Bypassleitung nicht zu lang und der Abstand der Abzweigung vom Ausgang der Temperaturquelle nicht zu groß ist.
  • Der erfindungsgemäße Kühlkreislauf ermöglicht es, die Temperatur des in die Wärmequelle einströmenden Kühlmittels präzise und schnell auf eine konstante oder variable von außen vorgegebene Temperatur zu steuern. Dabei werden die beiden Kühlmittelwege zum einen über den Kühler und zum anderen über die Bypassleitung als Quellen von kaltem und warmem Kühlmittel betrachtet. Um die Temperatur des kalten Kühlmittels zu bestimmen, ist am Ausgang des Kühlers ein Temperatursensor angebracht, und zwar zusätzlich zu dem bisher üblichen Temperatursensor am Ausgang der Wärmequelle, z.B. einer Brennkraftmaschine, für die der erfindungsgemäße Kühlkreislauf besonders geeignet ist.
  • Wird optional ein dritter Temperatursensor am Eingang der Wärmequelle eingefügt, kann die Temperaturregelung weiter verbessert werden, indem der erfindungsgemäßen Steuerung eine Regelung in Abhängigkeit der Temperatur am Eingang der Wärmequelle überlagert ist. Da das Steuerventil mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ansteuerung die Temperatur am Eingang der Wärmequelle schon relativ gut führen kann, kann die Stellgröße des Reglers, der in einer der vorhandenen Steuereinheiten integriert sein kann, auf einen Teil des Stellwegs des Drosselkörpers des Steuerventils begrenzt werden. Zweckmäßigerweise wird für die Regelung ein einfacher, aber gut funktionierender Regler verwendet, beispielsweise ein Gain-Scheduling-P-Regler. Die Verstärkung des Reglers sollte vom Kühlmittelvolumenstrom abhängig gemacht werden, da die Empfindlichkeit des Kühlkreislaufs mit steigendem Volumenstrom zunimmt. Der Regler für die überlagerte Regelung in Abhängigkeit der Temperatur am Eintritt des Kühlmittels in die Wärmequelle kann gleichzeitig die Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion des Steuerventils übernehmen. Die Überwachung ist allerdings eingeschränkt auch mit dem Temperatursensor am Austritt des Kühlmittels aus der Wärmequelle möglich.
  • Werden dem Kühlmittelkreislauf mehrere Wärmesenken und/oder Wärmequellen zugeführt und ändert sich die Wärmediszipation bzw. Wärmeemission dieser zeitlich nur langsam, können die Wärmesenken und/oder Wärmequellen einfach parallel zu den vorhandenen installiert werden, ohne dass sich die Regelgüte nennenswert ändert.
  • Zweckmäßigerweise wird als Steuerventil ein als Dreiwegeventil ausgebildetes, so genanntes Kükenventil verwendet, dessen Drosselkörper als Ventilküken ausgebildet ist, mindestens einen ihn durchdringenden Verteilerkanal aufweist und durch einen Antrieb um die Drehachse verstellbar ist.
  • Im Gegensatz zu magnetisch betätigten Ventilen, arbeitet das erfindungsgemäße Steuerventil geräuschlos. Ferner besitzt es über den Stellwinkel des Drosselkörpers eine nahezu lineare Kennlinie des Volumenstroms und des Volumenstromverhältnisses, so dass die Position für einen optimalen Kühlmittelvolumenstrom und die Kühlmitteltemperatur angesteuert werden kann. Über ein Kennfeld können auch schlechtere Ventile genutzt werden. Die Geschwindigkeitserhöhung ist in erster Linie eine Folge der Kenntnis der Kühlaustrittstemperatur, so dass man vorausschauend stellen kann, statt mit einem Regler auf schon eingetroffene Ereignisse zu reagieren. Dadurch kann die Temperaturregelung, die häufig durch lange Totzeiten im Allgemeinen träge ist, wesentlich beschleunigt werden.
  • Besonders eignet sich ein Dreiwegeventil, dessen Drosselkörper eine kugelförmige Oberfläche und einen inneren Verteilerkanal hat. Dieser verläuft quer zur Drehachse und ist an einer im Wesentlichen zur Drehachse parallelen Mantelfläche offen, während die gegenüberliegende Mantelfläche geschlossen ist. Durch Drehen der Kugel wird entweder der Kreislauf über den Kühler oder der Kreislauf über die Bypassleitung mehr oder weniger freigegeben. Das so gebildete seitlich zur Drehachse angeströmte Kugelventil weist im Vergleich zu den von unten angeströmten Kugelventilen eine idealere Mischkennlinie auf. Dies kann auf günstige Umlenkeffekte durch die Schrägstellung der Prallfläche am Drosselkörper in den Bereichen zwischen 60° und 120° Kugeldrehung zurückgeführt werden. Durch die günstigen Kennlinien und Strömungsverhältnisse eignet sich das Dreiwegeventil für Kühlkreisläufe mit elektrisch betriebenen Pumpen. Diese können kleiner dimensioniert werden, so dass sich ihre Leistungsaufnahme verringert und sich der Gesamtwirkungsgräd verbessert.
  • Im Bereich der Drehachse besitzt der Ventilkörper des Dreiwegeventils einen Temperatursensor, der in einen Verteilerkanal des Drosselkörpers hineinragt. Er erfasst hier eine Temperatur des Kühlmittels, die gleichzeitig repräsentativ für die Temperatur am Ausgang der Bypassleitung und am Ausgang der Wärmequelle ist, vorausgesetzt dass die Bypassleitung nicht zu lang und der Abstand der Abzweigung der Bypassleitung zur Wärmequelle nicht zu groß ist.
  • Zweckmäßigerweise erzeugt eine erste Steuereinheit den Sollwert für die Position des Drosselkörpers, der von einer zweiten, im Steuerventil integrierten elektronischen Steuereinheit mit einem ermittelten Istwert der Position des Drosselkörpers zu einer Stellgröße für die Position des Drosselkörpers nach der Kennlinie verarbeitet wird. Das Steuerventil befindet sich mit der zweiten Steuereinheit in einem übergeordneten Regelkreis, beispielsweise einem Kühlkreislauf, einer Brennkraftmaschine. Die zweite Steuereinheit bildet mit dem Steuerventil einen untergeordneten Steuerkreislauf. Somit erhält das Steuerventil eine eigene Steuerintelligenz und kann auch ohne übergeordnete, erste Steuereinheit bei Ausfall die wichtigen Funktionen übernehmen. Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung verfügen deshalb die erste oder zweite Steuereinheit über eine Ausfallerkennung, die im Fall eines Ausfalls selbstständig auf Notlaufbetrieb umschaltet. Im Normalfall ist nur begrenzter Datenaustausch mit der ersten Steuereinheit nötig, so dass Signalleitungen eingespart werden können. Die Verbindung zwischen der zweiten Steuereinheit und der übergeordneten ersten Steuereinheit wird vorwiegend benutzt, um dem Mikrocontroller der zweiten Steuereinheit den Sollwert für die Stellung des Drosselkörpers vorzugeben.
    • Zeichnung
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen schematisch dargestellten Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine,
    Fig. 2
    eine Variante zu Fig. 1 und
    Fig. 3
    einen perspektivischen Teilschnitt durch ein Steuerventil.
    Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • In dem dargestellten Ausführungsbeispiel stellt eine Brennkraftmaschine 12 eine Wärmequelle dar, während ein Kühler 14 eine Wärmesenke bildet. Die Brennkraftmaschine 12 ist über eine Kühlmittelleitung 16 mit einem Kühlerzulauf 18 des Kühlers 14 verbunden. Eine elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe 28 fördert von einem Kühlerrücklauf 20 das Kühlmittel zur Brennkraftmaschine 12 zurück. Der so gebildete Kühlkreislauf ist mit 10 bezeichnet. Ein Pfeil 78 gibt die Richtung der Kühlmittelströmung an. Ein Lüfter 38 beaufschlagt den Kühler 14 mit Kühlluft, der somit die Wärme aus dem Kühlmittel an die Umgebung abgibt.
  • Der Kühler 14 kann über eine Bypassleitung 22 kurzgeschlossen werden. Die Bypassleitung 22 zweigt an einer Abzweigung 24 von der Kühlmittelleitung 16 ab und ist an ihrem Ausgang 36 mit dem Kühlerrücklauf 20 verbunden. An der Abzweigung 24 ist ein Steuerventil 26 vorgesehen, das den Gesamtkühlmittelstrom in der Kühlmittelleitung 16 auf den Kühlerzulauf 18 und die Bypassleitung 22 in erfindungsgemäßer Weise aufteilt.
  • Hierzu sind ein Temperatursensor 32 am Ausgang der Brennkraftmaschine 12 und ein Temperatursensor 34 am Ausgang des Kühlers 14 angeordnet. Optional ist ein weiterer Temperatursensor 30 am Eingang der Brennkraftmaschine 12 vorgesehen. Der Temperatursensor 32 erfasst eine Kühlmitteltemperatur, die in erster Näherung der Kühlmitteltemperatur am Ausgang 36 der Bypassleitung 22 entspricht, sofern die Bypassleitung 22 kurz und der Abstand der Abzweigung 24 vom Temperatursensor 32 nicht zu groß ist. Sollten diese Voraussetzungen nicht gegeben sein, ist es zweckmäßig, einen weiteren Temperatursensor am Ausgang 36 der Bypassleitung 22 vorzusehen.
  • Mit Hilfe der ermittelten Temperaturwerte und einer Kennlinie oder eines Kennfelds für das Steuerventil 26 bestimmt eine erste Steuereinheit 40 einen Sollwert 50 für die Position des Drosselkörpers 58 des Steuerventils 26, wobei die Position des Drosselkörpers 58 das Verhältnis x des Kühlervolumenstroms zum Gesamtkühlmittelstrom bestimmt. Das angestrebte Verhältnis ist x soll = ( T M A − T M e soll ) / ( T M A − T K A )
    Figure imgb0001
    wobei TMA die Temperatur am Ausgang 36 der Bypassleitung 22 oder am Ausgang der Brennkraftmaschine 12 bzw. am Steuerventil 26,
    TMesoll die Solltemperatur am Eingang der Brennkraftmaschine 12 und
    TKA die Temperatur am Ausgang des Kühlers 14 ist.
  • Aus dem Verhältnis Xsoll wird anhand einer Kennlinie oder eines Kennfelds für das Steuerventil 26 der Sollwert 50 für die Position des Steuerventils 26 bestimmt.
  • Zur Ermittlung des Sollwerts 50 dienen an sich bekannte elektronische Steuereinheiten, die in Fig. 1 nicht näher dargestellt sind. Die Ausführung nach Fig. 2 besitzt eine erste Steuereinheit 40 und eine zweite Steuereinheit 42. Diese Steuereinheiten 40, 42 sind untereinander und mit den Sensoren 30, 32, 34 über Signalleitungen 80 verbunden. Die zweite Steuereinheit 42 ist zusammen mit einem Antrieb 44, einer Positionsmesseinrichtung 46 und einem Stellglied 48 in dem Steuerventil 26 integriert, so dass dieses autark die Position des Drosselkörpers 58 in erfindungsgemäßer Weise festlegen kann. Die erste Steuereinrichtung 40 ermöglicht eine übergeordnete Steuerung und Regelung, indem sie für die zweite Steuereinrichtung 42 in Abhängigkeit von zahlreichen Eingangssignalen 54, zu denen auch die Temperatursignale der Temperatursensoren 30, 32, 34 gehören, mittels eines Sollwertgebers 56 den Sollwert 50 für die zweite Steuereinrichtung 42 vorgibt. Somit kann der Steuerung der zweiten Steuereinheit 42 eine Regelung in Abhängigkeit weiterer relevanter Parameter überlagert werden, z.B. in Abhängigkeit von der Temperatur des Kühlmittels am Eingang der Brennkraftmaschine 12. Zweckmäßigerweise sind die Steuereinheiten 40, 42 für mehrere unterschiedliche Kennlinien des Steuerventils 26 programmierbar.
  • Das Steuerventil 26 nach Fig. 3 ist als Dreiwegeventil ausgebildet und besteht im Wesentlichen aus einem Ventilkörper 60 und einem Drosselkörper 58, der zweckmäßigerweise eine kugelförmige Oberfläche besitzt. Es sind aber auch andere Oberflächenformen denkbar, wie beispielsweise zylindrische oder konische.
  • Der Drosselkörper 58 ist zweckmäßigerweise ein Spritzgussteil aus einem thermoplastischen Kunststoff. Vorzugsweise wird eine Antriebswelle 62 in einem Arbeitsgang angespritzt und ein innerer Verteilerkanal 72 sowie eine Bohrung zur Aufnahme des Temperatursensors 32 durch Einlegeteile ausgeformt, die vor dem Spritzguss in das Werkzeug eingelegt werden. Der Temperatursensor 32, der diametral zur Antriebswelle 62 angeordnet ist und in den Verteilerkanal 72 ragt, ist auf einfache Weise in das Steuerventil 26 integriert und erfasst die Kühlmitteltemperatur unmittelbar in diesem Bereich, d.h. in Nähe des Ausgangs der Brennkraftmaschine 12, wenn das Steuerventil 26 mittels Schrauben an einer Kühlmittelaustrittsöffnung an der Brennkraftmaschine 12 angeflanscht ist.
  • Der Verteilerkanal 72 verläuft quer zu einer Drehachse 64 des Drosselkörpers 58 und ist an einer im Wesentlichen zur Drehachse 64 parallelen Mantelfläche 82 offen, während er an der gegenüberliegende Mantelfläche 84 geschlossen ist.
  • Der Ventilkörper 60 bildet den äußeren Teil des Steuerventils 26 und besitzt einen Anschluss an der offenen Seite der Mantelfläche 82 für die von der Brennkraftmaschine 12 kommende Kühlmittelleitung 16, einen Anschluss 68 für den Kühlerzulauf 18 und einen Anschluss 66 für die Bypassleitung 22. Die Anschlüsse 66, 68 und der Anschluss zur Bypassleitung 22 liegen in einer Ebene senkrecht zur Drehachse 64.
  • Im Bereich der Anschlüsse 66 und 68, die diametral zueinander liegen, aber auch unter einem kleineren Winkel zueinander angeordnet sein können, weist der Ventilkörper 60 zum Drosselkörper 58 hin separate Dichtringe 74 auf, die vorzugsweise aus Tetrafluoräthylen bestehen und gleichzeitig zur Lagerung für den Drosselkörper 58 dienen. Ein Dichtring 74 wird im Bereich des Anschlusses 68 durch eine Hülse 76 gehalten, die an einer Stirnfläche am Dichtring 74 anliegt. Die Hülse 76 wird durch eine Schraubenfeder 70 an den Dichtring 74 gepresst. Auf diese Art wird der Verschleiß an den Dichtringen 74 kompensiert und eine ausreichende Abdichtung über die gesamte Produktlebensdauer sicher gestellt.

Claims (13)

  1. Kühlkreislauf (10) mit mindestens einer Wärmequelle (12), einem Kühler (14) als Wärmesenke und einer Bypassleitung (22), die einen Kühlerzulauf (18) mit einem Kühlerrücklauf (20) verbindet und an deren Abzweigung (24) ein Steuerventil (26) angeordnet ist, dessen Drosselkörper (58) elektrisch in Abhängigkeit von Betriebsparametern und Umgebungsparametern durch mindestens eine Steuereinheit (40, 42) ansteuerbar ist und den Kühlmittelstrom zwischen dem Kühlerzulauf (18) und der Bypassleitung (22) aufteilt, wobei die Steuereinheit (40, 42) nach einer Kennlinie des Steuerventils (26) einen Sollwert (50) für die Stellung des Drosselkörpers (58) ermittelt, der ein Verhältnis des Kühlervolumenstroms zum Gesamtkühlmittelstrom am Steuerventil (26) einstellt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Kühler volumenstroms zum Gesamtkühlmittelstrom gleich dem Verhältnis xsoll zwischen der Differenz einer Temperatur am Ausgang (36) der Bypassleitung (22) minus einer Solltemperatur am Eingang der Wärmequelle (12) und der Differenz der Temperatur am Ausgang (36) der Bypassleitung (22) minus einer Temperatur am Ausgang des Kühlers (14) ist, wobei das Verhältnis xsoll bei einem negativen Wert xsoll gleich null gesetzt und bei einem Wert von xsoll größer eins auf eins begrenzt wird.
  2. Kühlkreislauf (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkörper (58) als Ventilküken ausgebildet ist, mindestens einen ihn durchdringenden Verteilerkanal (72) aufweist und durch einen Antrieb (44) um eine Drehachse (64) verstellbar ist.
  3. Kühlkreislauf (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkörper (58) eine kugelförmige Oberfläche und einen inneren Verteilerkanal (72) hat, der quer zu einer Drehachse (64) verläuft und an einer im Wesentlichen zur Drehachse (64) parallelen Mantelfläche (82) offen ist, während die gegenüberliegende Mantelfläche (84) geschlossen ist.
  4. Kühlkreislauf (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselkörper (58) in einem Ventilkörper (60) gelagert ist, der einen Temperatursensor (32) aufweist, der im Bereich der Drehachse (64) in den Verteilerkanal (72) hineinragt.
  5. Kühlkreislauf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (40) den Sollwert (50) für die Position des Drosselkörpers (58) erzeugt, der von einer weiteren, im Steuerventil (26) integrierten elektronischen Steuereinheit (42) mit einem ermittelten Istwert (52) der Position des Drosselkörpers (58) zu einer Stellgröße für die Position des Drosselkörpers (58) verarbeitet wird.
  6. Kühlkreislauf (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Steuereinheiten (40, 42) für unterschiedliche Ventilkennlinien programmierbar ist.
  7. Kühlkreislauf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Steuereinheiten (40, 42) über eine Ausfallerkennung verfügt und im Fall eines Ausfalls der ersten Steuereinheit (40) auf einen Notlaufbetrieb umschaltet, bei dem die zweite Steuereinheit (42) Steuersignale von zusätzlichen Sensoren erhält.
  8. Kühlkreislauf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerung eine Regelung in Abhängigkeit einer Temperatur am Eingang der Wärmequelle (12) überlagert ist.
  9. Kühlkreislauf (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße der Regeleinrichtung auf einen Teil des Stellwegs des Drosselkörpers (58) begrenzt ist.
  10. Kühlkreislauf (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung ein Gain-Scheduling-P-Regler ist.
  11. Kühlkreislauf (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung die ordnungsgemäße Funktion des Steuerventils (26) überwacht.
  12. Kühlkreislauf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmequellen (12) und/oder Wärmesenken (14) vorgesehen sind, deren Wärmeemission bzw. Wärmedissipation sich zeitlich nur langsam ändern, und zu der vorhandenen Wärmequelle (12) bzw. Wärmesenke (14) parallel installiert sind.
  13. Kühlkreislauf (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer kurzen Bypassleitung (22) und einem kleinen Abstand der Abzweigung (24) vom Ausgang der wärmequelle (12) anstelle der Temperatur am Ausgang (36) der Bypassleitung (22) die Temperatur hinter der Wärmequelle (12) bzw. an der Abzweigung (24) der Bypassleitung (22) zur Steuerung verwendet wird.
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