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EP 2 739 833 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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23.03.2016 Patentblatt 2016/12 |
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Anmeldetag: 30.06.2012 |
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Internationale Patentklassifikation (IPC):
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(86) |
Internationale Anmeldenummer: |
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PCT/EP2012/002784 |
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Internationale Veröffentlichungsnummer: |
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WO 2013/017188 (07.02.2013 Gazette 2013/06) |
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(54) |
KÜHLMITTELKREISLAUF FÜR EINE BRENNKRAFTMASCHINE UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES
KÜHLMITTELKREISLAUFS
COOLANT CIRCUIT FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD FOR OPERATING A COOLANT
CIRCUIT
CIRCUIT DE FLUIDE DE REFROIDISSEMENT POUR UN MOTEUR À COMBUSTION INTERNE ET PROCÉDÉ
POUR FAIRE FONCTIONNER UN CIRCUIT DE FLUIDE DE REFROIDISSEMENT
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL
NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR |
(30) |
Priorität: |
29.07.2011 DE 102011108953
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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11.06.2014 Patentblatt 2014/24 |
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Patentinhaber: Audi AG |
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85045 Ingolstadt (DE) |
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Erfinder: |
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- GRAF, Johann
93345 Hausen (DE)
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Entgegenhaltungen: :
EP-A1- 1 529 936 DE-A1- 10 154 091
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DE-A1- 10 045 613 US-A1- 2004 200 198
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, wobei
das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine und einer Wärmesenke in Abhängigkeit
eines schaltbaren Ventils, das im Ausgangszustand bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine
geschlossen ist, zirkulieren kann, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs.
[0002] Derartige Kühlmittelkreisläufe werden insbesondere im Fahrzeugbau dazu verwendet,
um das von der Brennkraftmaschine erwärmte Kühlmittel durch Zirkulation über die Wärmesenke
zu kühlen. Dadurch wird die Brennkraftmaschine vor Schäden durch Überhitzung geschützt.
Zur Verringerung der Reibleistung der Brennkraftmaschine im Sinne einer Wirkungsgradverbesserung,
ist bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine eine rasche Erwärmung der Brennkraftmaschine
und dementsprechend auch des Kühlmittels wünschenswert. Aus diesem Grund kann ein
in einen geschlossenen Zustand geschaltetes Ventil die Kühlmittelzirkulation so lange
unterbinden, bis eine ausreichende Erwärmung erreicht wurde.
[0003] Die Ermittlung des Zeitpunkts zum Öffnen des Ventils erfolgt nach dem Stand der Technik
in Abhängigkeit von der Überschreitung einer Drehmoment- bzw. Drehzahlschwelle durch
die Brennkraftmaschine. So zeigt die
DE 100 45 613 A1 ein Verfahren zur Kühlmitteltemperaturregelung einer Motorkühlung, wobei die Kühlmitteltemperatur
in Abhängigkeit von einer Last und/oder einer Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine
geregelt wird. Dies führt häufig jedoch zur vorzeitigen Öffnung des Ventils bei zu
niedrigen Kühlmitteltemperaturen, wodurch Wirkungsgradverluste in Kauf genommen werden
müssen.
[0004] Die
DE 101 54 091 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Kühlsystems einer
Verbrennungskraftmaschine, wobei die Leistung einer Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit
von einer der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Kraftstoffmenge regelbar ist.
Die Kraftstoffmenge eignet sich jedoch nicht ohne weiteres als Regelgröße zur Regelung
eines Kühlsystems, da insbesondere bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine
regelmäßig keine stöchiometrische Umsetzung des Kraftstoffes stattfindet.
[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Kühlmittelkreislauf für eine
Brennkraftmaschine, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs bereitzustellen,
das einen wirkungsgradoptimierten Kaltstart der Brennkraftmaschine ermöglicht.
[0006] Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 5 gelöst.
[0007] Kühlmittelkreislauf für eine Brennkraftmaschine, wobei das Kühlmittel zwischen der
Brennkraftmaschine und einer Wärmesenke in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils,
das im Ausgangszustand bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine geschlossen ist,
zirkulieren kann und wobei das Ventil in Abhängigkeit eines von der Brennkraftmaschine
emittierten Abgasmassenstroms in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand
schaltbar ist, wobei eine Steuereinrichtung ein Integral des Abgasmassenstroms nach
der Zeit ermittelt und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes das Ventil in
den Folgezustand schaltet.
[0008] Indem die Öffnung des Ventils nach dem Kaltstart vom emittierten Abgasmassenstrom
abhängig gemacht wird, kann sehr genau der optimale Zeitpunkt zur Beendigung der schnellen
Erwärmung der Brennkraftmaschine ermittelt werden. Der Integralwert des Abgasmassenstroms
nach der Zeit spiegelt den tatsächlichen Eintrag von Wärmeenergie in das Kühlmittel
wieder. Überschreitet der Integralwert einen vorher definierten Integralschwellwert,
wird das Ventil vollständig oder schrittweise geöffnet. Dadurch werden auf der einen
Seite lokale Überhitzungen der Brennkraftmaschine (sog. "Hot-Spots") wirksam verhindert
und auf der anderen Seite ein schnellstmögliches Erreichen einer niedrigen Reibleistung
erzielt. Als Kaltstart kann in diesem Zusammenhang eine Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine
verstanden werden, bei der die Kühlmitteltemperatur annähernd der Temperatur der Umgebungsluft
entspricht. Als Wärmesenke eignet sich ein üblicher Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher,
der über eine Verschlauchung mit der Brennkraftmaschine einen Kreislauf ausbildet.
Zur erzwungenen Zirkulation des Kühlmittels eignen sich Kühlmittelpumpen, beispielsweise
Kreiselpumpen. Das Ventil ist vorzugsweise als beheizbarer Kennfeldthermostat ausgebildet
bzw. wird per Pneumatik oder Elektromechanik betätigt.
[0009] In einer bevorzugten Ausführung des Kühlmittelkreislaufs ermittelt die Steuereinrichtung
den Abgasmassenstrom aus einer Einspritzmenge eines Kraftstoffs. Die Steuereinrichtung
ist dazu vorzugsweise als Steuergerät für die Brennkraftmaschine ausgebildet und bemisst
in dieser Funktion unter anderem die einzuspritzende Kraftstoffmenge. Aus der Kraftstoffmenge
leitet sich zwangsläufig der nach der Verbrennung emittierte Abgasmassenstrom ab,
der durch die Abgasanlage abgeführt wird.
[0010] In einer bevorzugten Ausführung des Kühlmittelkreislaufs ermittelt die Steuereinrichtung
die Einspritzmenge je Zeiteinheit. Besonders vorteilhaft ist die Unterteilung des
Einspritzvorgangs in möglichst kleine Zeiteinheiten zur genaueren Bestimmung der Einspritzmenge.
[0011] In einer bevorzugten Ausführung des Kühlmittelkreislaufs ist das Ventil Teil einer
Kühlmittelpumpe oder wird durch die Kühlmittelpumpe gebildet. Das Ventil kann in die
Kühlmittelpumpe integriert sein oder durch eine schaltbare Kühlmittelpumpe gebildet
werden. Dadurch lassen sich Bauteile und Bauraum sparen.
[0012] Ein Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs für eine Brennkraftmaschine,
wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine und einer Wärmesenke in Abhängigkeit
eines schaltbaren Ventils zirkulieren kann, umfasst die folgenden Schritte:
- Schalten eines geschlossenen Ausgangszustandes des Ventils bei einem Kaltstart der
Brennkraftmaschine;
- Kontinuierliches Erfassen eines von der Brennkraftmaschine emittierten Abgasmassenstroms
ab dem Kaltstart;
- Schalten des Ventils in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand in Abhängigkeit
des Abgasmassenstroms, wobei ein Integral des Abgasmassenstroms nach der Zeit gebildet
und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes der Folgezustand geschaltet wird.
[0013] Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ebenso die bereits
für den Kühlmittelkreislauf genannten Vorteile.
[0014] Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
[0015] Darin zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht eines Kühlmittelkreislaufs für eine Brennkraftmaschine;
Figur 2 ein Diagrammdarstellung des Abgasmassenstroms über die Zeit.
[0016] Gemäß Fig. 1 hat ein Kühlmittelkreislauf 1 für eine Brennkraftmaschine 2 eine Wärmesenke
3. Die Wärmesenke 3 wird zum Einen mit Umgebungsluft und zum Anderen mit Kühlmittel
durchströmt. Durch den stattfindenden Wärmeaustausch kühlt das im Kühlmittelkreislauf
1 zirkulierende Kühlmittel ab. Die Kühlmittelzirkulation wird durch eine Kühlmittelpumpe
5 erzeugt, wobei ein schaltbares Ventil 4 die Kühlmittelzirkulation unterbinden kann.
Die Brennkraftmaschine 2 hat mehrere Brennräume 2c, in denen Kraftstoff verbrannt
wird, wodurch sich die Brennkraftmaschine 2 erwärmt. Die entstehende Wärme kann durch
das Kühlmittel an die Wärmesenke 3 abgeführt werden. Der Kraftstoff wird entweder
in die Ansauganlage 2a oder direkt in die Brennräume 2c eingespritzt und anschließend
mit der angesaugten Luft vermischt. Das abgebrannte Kraftstoff-Luft-Gemisch wird durch
die Abgasanlage 2b ausgestoßen. Eine Steuereinrichtung 6 erfasst die Einspritzmenge
des Kraftstoffs je Zeiteinheit und ermittelt daraus den Abgasmassenstrom durch die
Abgasanlage 2b. Die Steuereinrichtung 6 bildet ein Integral des Abgasmassenstroms
über die Zeit, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine
2, also der Inbetriebnahme bei einer Kühlmitteltemperatur, die annähernd der Umgebungstemperatur
entspricht, befindet sich das Ventil 4 in seinem geschlossenen Ausgangszustand und
es findet keine Kühlmittelzirkulation statt. Die Steuereinrichtung 6 beginnt gleichzeitig
mit einer kontinuierlichen Berechnung des Integralwerts und veranlasst eine zumindest
teilweise Öffnung des Ventils 4, sobald der Integralwert einen definierten Integralschwellwert
überschreitet.
[0017] Gemäß der Fig. 2 wird der Integralwert dadurch gebildet, indem der emittierte Abgasmassenstrom
je Zeiteinheit t
x erfasst und so lange kontinuierlich aufintegriert wird, bis der Integralschwellwert
überschritten ist.
Liste der Bezugszeichen:
[0018]
- tx
- Zeiteinheit
- 1
- Kühlmittelkreislauf
- 2
- Brennkraftmaschine
- 2a
- Ansauganlage
- 2b
- Abgasanlage
- 2c
- Brennraum
- 3
- Wärmesenke
- 4
- Ventil
- 5
- Kühlmittelpumpe
- 6
- Steuereinrichtung
1. Kühlmittelkreislauf (1) für eine Brennkraftmaschine (2), wobei das Kühlmittel zwischen
der Brennkraftmaschine (2) und einer Wärmesenke (3) in Abhängigkeit eines schaltbaren
Ventils (4), das im Ausgangszustand bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine (2)
geschlossen ist, zirkulieren kann, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4) in Abhängigkeit eines von der Brennkraftmaschine (2) emittierten Abgasmassenstroms
in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand schaltbar ist, wobei eine Steuereinrichtung
(6) ein Integral des Abgasmassenstroms nach der Zeit ermittelt und bei Überschreiten
eines Integralschwellwertes das Ventil (4) in den Folgezustand schaltet.
2. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) den Abgasmassenstrom aus einer Einspritzmenge eines Kraftstoffs
ermittelt.
3. Kühlmittelkreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (6) die Einspritzmenge je Zeiteinheit ermittelt.
4. Kühlmittelkreislauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (4) Teil einer Kühlmittelpumpe (5) ist oder durch die Kühlmittelpumpe
(5) gebildet wird.
5. Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreislaufs (1) für eine Brennkraftmaschine
(2), wobei das Kühlmittel zwischen der Brennkraftmaschine (2) und einer Wärmesenke
(3) in Abhängigkeit eines schaltbaren Ventils (4) zirkulieren kann, umfassend die
folgenden Schritte:
- Schalten eines geschlossenen Ausgangszustandes des Ventils (4) bei einem Kaltstart
der Brennkraftmaschine (2);
- Kontinuierliches Erfassen eines von der Brennkraftmaschine (2) emittierten Abgasmassenstroms
ab dem Kaltstart;
- Schalten des Ventils (4) in einen zumindest teilweise geöffneten Folgezustand in
Abhängigkeit des Abgasmassenstroms, wobei ein Integral des Abgasmassenstroms nach
der Zeit gebildet und bei Überschreiten eines Integralschwellwertes der Folgezustand
geschaltet wird.
1. Coolant circuit (1) for an internal combustion engine (2), wherein the coolant can
circulate between the internal combustion engine (2) and a heat sink (3) in dependence
on a switchable valve (4), which is closed in the initial state on cold starting of
the internal combustion engine (2), characterised in that in dependence on an exhaust gas mass flow emitted by the internal combustion engine
(2) the valve (4) can be switched to an at least partially opened subsequent state,
wherein a control device (6) determines an integral of the exhaust gas mass flow as
a function of time and on exceeding of the integral threshold value switches the value
(4) to the next state.
2. Coolant circuit according to claim 1 characterised in that the control device (6) determines the exhaust gas mass flow from an injected quantity
of a fuel.
3. Coolant circuit according to claim 2 characterised in that the control device (6) determines the injected quantity per unit of time.
4. Coolant circuit according to any one of claims 1 to 3 characterised in that the valve (4) is part of a coolant pump (5) or is formed by the coolant pump (5).
5. Method of operating a coolant circuit (1) for an internal combustion engine (2), wherein
the coolant can circulate between the internal combustion engine (2) and a heat sink
(3) in dependence on a switchable valve (4), comprising the following steps:
- setting a closed initial state of the valve (4) during a cold start of the internal
combustion engine (2);
- continuously recording of an exhaust gas mass flow emitted by the internal combustion
engine (2) as of the cold start;
- switching the valve (4) to an at least partially open subsequent state in dependence
on the exhaust mass flow, wherein an integral the exhaust gas mass flow as a function
of time is determined and on exceeding an integral threshold value the valve is switched
to the next state.
1. Circuit de liquide de refroidissement (1) pour un moteur à combustion interne (2),
le liquide de refroidissement pouvant circuler entre le moteur à combustion interne
(2) et un puits de chaleur (3) en fonction d'une vanne (4) qui peut être commutée
et qui est fermée dans l'état initial lors d'un démarrage à froid du moteur à combustion
interne (2), caractérisé en ce que la vanne (4) peut être commutée, en fonction d'un flux massique de gaz d'échappement
émis par le moteur à combustion interne (2), dans un état suivant au moins partiellement
ouvert, un dispositif de commande (6) déterminant une intégrale du flux massique de
gaz d'échappement en fonction du temps et commutant la vanne (4) dans l'état suivant
en cas de dépassement d'une valeur de seuil d'intégrale.
2. Circuit de liquide de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de commande (6) détermine le flux massique de gaz d'échappement à partir
d'un débit d'injection d'un carburant.
3. Circuit de liquide de refroidissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de commande (6) détermine le débit d'injection par unité de temps.
4. Circuit de liquide de refroidissement selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la vanne (4) fait partie d'une pompe de liquide de refroidissement (5) ou est formée
par la pompe de liquide de refroidissement (5).
5. Procédé de fonctionnement d'un circuit de liquide de refroidissement (1) pour un moteur
à combustion interne (2), le liquide de refroidissement pouvant circuler entre le
moteur à combustion interne (2) et un puits de chaleur (3) en fonction d'une vanne
(4) qui peut être commutée, comprenant les étapes suivantes :
- commutation d'un état initial fermé de la vanne (4) lors d'un démarrage à froid
du moteur à combustion interne (2) ;
- détection continue d'un flux massique de gaz d'échappement émis par le moteur à
combustion interne (2) depuis le démarrage à froid ;
- commutation de la vanne (4) dans un état suivant au moins partiellement ouvert en
fonction du flux massique de gaz d'échappement, une intégrale du flux massique de
gaz d'échappement en fonction du temps étant formée et l'état suivant étant commuté
en cas de dépassement d'une valeur de seuil d'intégrale.
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