Verfahren zur Steuerung einer Kühlmittelpumpe einer Brennkraftmaschine

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Kühlmittelpumpe einer Brennkraftmaschine, wobei die abzuführende Wärmemenge aus zumindest einem Motorbetriebsparameter bestimmt und mittels Pulsweitenmoduiation ein Steuersignal für die Solldrehzahl der Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit der abzuführenden Wärmemenge erzeugt wird, wobei

a) das Signals durch Vergleichen mit einem vordefinierten Sollsignalbereich auf Fehler überprüft wird,

b) ein Notfallprogramm für die Kühlmittelpumpe durchgeführt wird, wenn in Schritt a) ein Fehlwert des Signals festgestellt wurde,

c) die Drehzahl der Kühlmittelpumpe aufgrund des erzeugten Signales für die Soltdrehzahl geregelt wird, wenn in Schritt a) kein Fehlwert des Signales festgestellt wurde.

[0002] Weiters betrifft die Erfindung eine elektrisch angetriebene Kühimittelpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit einer Elektromotor-Pumpeneinheit und einer elektronischen Steuereinheit zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Steuersignals für die Pumpe in Abhängigkeit zumindest eines Motorbetriebsparameters, wobei die vorzugsweise in das Motormanagement integrierte Steuereinheit mit einem Fehlerdetektor zur Erkennung von abnormen Steuersignalen und Pumpenbetriebszuständen und mit einem Drehzahlregler für die Pumpendrehzahl verbunden ist, wobei der Fehlerdetektor eine Notfalleinrichtung für die Kühlmittelpumpe aufweist.

[0003] Aus der US 4 836 147 A ist eine elektrisch angetriebene Kühtmittelpumpe der genannten Art bekannt, deren elektronisch kommutierter Gleichstrommotor durch Pulsweitenmodulation von einer elektronischen Steuereinheit In Abhängigkeit von der Temperatur der Brennkraftmaschine gesteuert wird. Dadurch kann der Kühlmitteldurchsatz durch Veränderung der Pumpendrehzahl den Erfordernissen angepasst werden. Weitere Kühlmittelpumpen, deren Drehzahlsteuerung auf Pulsweitenmodulation beruht, sind aus der US 5 529 114 A und der US 5 309 730 A bekannt. Notfalleinrichtungen im Falle eines Signalfehlwertes sind keine vorgesehen.

[0004] Ferner beschreibt die DE 37 38 412 A1 ein Kühlmittelsystem für einen Motor mit zwei elektrischen und einer mechanischen Kühlmittelpumpe. Die elektrischen Kühlmittelpumpen sind über ein elektronisches Schaltgerät steuerbar. Bei Ausfall einer Kühlmittelpumpe wird ein Notlaufbetrieb eingeleitet, um einen Notbetrieb des Motors aufrecht zu erhalten. Dadurch ist nach Abgabe eines entsprechenden Warnsignals oder einem Eingriff in die Motorsteuerung ein Motorbetrieb mit reduzierter Leistung möglich.

[0005] In der DE 38 10 174 Alwird eine Einrichtung zur Regelung der Kühlmitteltemperatur einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei die Regelung der Kühlmitteitemperatur in Abhängigkeit der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine erfolgt. Es sind keine Anregungen zu entnehmen, um bei Störungen im Pumpenbetrieb ein Notfallprogramm für die Kühlmittelpumpe durchzuführen.

[0006] Die DE 37 02 947 A1 beschreibt eine Kühleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einer Wasserpumpe und einem Ventilator, wobei ein Elektromotor den Ventilator oder die Wasserpumpe antreibt. Zur Ansteuerung des Elektromotors ist ein Notfallprogramm vorgesehen, das bei Ausfall des Temperaturfühlers oder einer ähnlichen Störung im Hinblick auf das Temperatursignal den Elektromotor mit voller Drehzahl betreibt. Dadurch soll die maximale Kühlleistung auf jeden Fall sichergestellt und das Kühlsystem vor einer Überhitzung geschützt werden. Maßnahmen für den Falle eines Steckenbleibens der Kühtmittetpumpe sind nicht vorgesehen.

[0007] Die JP 61-083423 A1 behandelt eine Diagnoseeinrichtung zur Erkennung von Abnormalitäten während des Betriebes einer Kühlwasserpumpe. Dabei wird das ungewöhnliche Ansteigen der Drehzahl und des vom Motor aufgenommenen Stromes als Anzeichen für das Auftreten einer Abnormalität, wie beispielsweise Kavitation, angesehen. Konkrete Maßnahmen für Betriebsstörungen der Wasserpumpe, wie Steckenbleiben, Trockenlauf oder mechanische Überlastung sind nicht vorgesehen.

[0008] Die praktische Anwendung von elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpen zeigt, dass beim Betrieb Unregelmäßigkeiten und Störungen auftreten können, die, wenn sie nicht rechtzeitig erkannt und behoben werden, in weiterer Folge zu reparaturaufwendigen Schäden am Kühlsystem und an der Brennkraftmaschine führen können. So kann es nach längerem Stillstand zu einem Festfressen des Pumpenrotors kommen, was bei nicht rechtzeitiger Behebung zur mechanischen Zerstörung des Elektromotors und in weiterer Folge zur thermischen Überlastung der Brennkraftmaschine führen kann. Andererseits ist bei Kühlmittelpumpen, bei denen der Elektromotor und die Pumpe als Einheit ausgeführt ist, die Rotorwelle nicht ohne weiteres von außen zugänglich, um sie durch mechanische Krafteinwirkung zu lösen.

[0009] Kommt es zu einem Ausfall oder einem Fehlwert des Steuersignals für den Elektromotor, so kann dies ebenfalls zum Versagen des Kühlsystems durch Stillstand der Pumpe führen.

[0010] Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und Maßnahmen gegen Unregelmäßigkeiten und Störungen im Pumpenbetrieb vorzusehen.

[0011] Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, dass das Notfallprogramm vorsieht, dass im Falle des Steckenbleibens der Kühlmittelpumpe ein Losbrechprogramm aktiviert wird. Dabei ist vorgesehen, dass der Fehlerdetektor mit einem Hall-Sensor an der Elektromotor-Pumpeneinheit verbunden ist. Die Kühimittelpumpe wird dabei zumindest während des Startvorganges auf Steckenbleiben überwacht und im Falle des Steckenbleibens wird ein Losbrechprogramm aktiviert. Weiters kann vorgesehen sein, dass das Notfallprogramm vorsieht, dass bei Trockenlauf und/oder mechanischer Überlastung der Elektromotor für eine vordefinierte Zeitdauer abgeschaltet wird.

[0012] Von der Steuereinheit wird über Sensoren die abzuführende Wärmemenge ermittelt und ein pulsweitenmoduliertes Signal für die Solldrehzahl der Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit der abzuführenden Wärmemenge erzeugt. Das Signal wird sodann auf Fehler durch Vergleichen mit einem vordefinierten Sollsignalbereich überprüft. Bei Feststellen eines Fehlwertes im Signal wird ein Notfallprogramm für die Kühlmittelpumpe gestartet, welches eine ausreichende Kühlung der Brennkraftmaschine gewährleistet. Wird kein Fehlwert des Signales festgestellt, wird das Signal als Sollwert dem Drehzahlregler zugeführt, und die Drehzahl der Kühlmittelpumpe abgeregelt. Diese Schritte werden kontinuierlich bzw. in vordefinierten Abständen wiederholt.

[0013] Vorzugsweise ist- vorgesehen, dass das Notfallprogramm vorsieht, daß die Kühimittelpumpe mit der die höchste Kühlleistung im Dauerbetrieb ermöglichenden Drehzahl betrieben wird, wobei es vorteilhaft ist, wenn die Notfalleinrichtung eine Kurzschlussschaltung für ein Notsteuersignal des Elektromotors aufweist.

[0014] Im Hinblick auf Wartungsfreundlichkeit, Minimierung der Störanfälligkeit und des Herstellungsaufwandes ist es vorteilhaft, wenn die elektronischen Schaltungskreise für die Erzeugung des Steuersignals einerseits und für die Drehzahlregelung und Fehlerdetektion andererseits räumlich getrennt angeordnet sind, wobei vorzugsweise der Fehlerdetektor und der Drehzahlregler in die Elektromotor-Pumpeneinheit integriert sind. Die Erfindung wird anhand des in der Figur gezeigten Blockschaltbildes näher erläutert.

[0015] Der mit Wickelschutzkontakt ausgestattete Elektromotor 1 der Motor-Pumpen-Einheit 2 wird über ein Gate 3 mit Strom I versorgt. Das Gate 3 erhält die Steuerspannung U von einem Drehzahlregler 4, welcher aufgrund eines Drehzahlsollwertes n_soll einen Spannungssollwert U_soll erzeugt. Über eine Hallsonde 5 wird dem Drehzahlregler 4 ein Drehzahlistwert n_ist rückgemeldet. Aus der Differenz zwischen n_soll und n_ist wird eine neue Stellgröße U_soll gebildet.

[0016] Der Drehzahlsollwert n_soll wird aufgrund eines durch eine einen Pulsweitenmodulator aufweisende elektronische Steuereinheit 6 erzeugten pulsweitenmodulierten Steuersignales PWM ermittelt. Die Steuereinheit 6 kann in das Motormanagement der Brennkraftmaschine integriert sein. Die Steuereinheit 6 berechnet aufgrund von Motorbetriebsparametern der Brennkraftmaschine, wie Kühlmitteltemperatur, Kurbelwellendrehzahl, Zylinderdruck oder ähnliches, die erforderliche Wärmeabfuhr und erzeugt daraus das pulsweitenmodulierte Signal PWM, welches als Drehzahlsollwert n_soll dem Drehzahlregler 4 zugeführt wird. Das Signal PWM steht weiters mit einem Spannungsniveau 30 ("pull-up-Klemme") in Verbindung.

[0017] Das pulsweitenmodulierte Signal PWM bzw. der daraus ermittelte Drehzahlsollwert n_soll wird weiters dem Diagnoseteil 1 eines Fehlerdetektors 7 zugeführt, welcher darüberhinaus noch den Drehzahlistwert n_ist von der Hallsonde 5, sowie über einen Nebenschluß 8 und einen Digital/Analogwandler 9 noch eine Kontrollsteuerspannung U_k als Funktion des Steuerstromes I empfängt. Der Fehlerdetektor 7 überprüft in durch einen Taktgeber 10 vordefinierten Zeitabschnitten, ob Fehler im pulsweitenmodulierten Signal PWM, im Drehzahlistwert n_ist oder der Steuerspannung U vorliegen. Der Taktgeber 10 wird über eine Überwachungsschaltung 11 initiiert und überwacht und über eine Niederspannungsquelle 12 mit Energie versorgt, welche an die Masse 31 des Fahrzeuges und die Klemme 15 (Pluspol) des Fahrzeuges angeklemmt ist.

[0018] Eine Notfalleinrichtung 7b des Fehlerdetektor 7 steht mit einem ersten Kurzschlußstellglied 13 in Verbindung, welches bei Ausfall des pulsweitenmodulierten Signales PWM oder bei fehlerbehaftetem Signal ein Notfallprogramm durchführt und eine Kurzschlußschaltung herstellt und dabei den Elektromotor 1 mit der Steuerspannung U versorgt, welche die höchste Kühlleistung im Dauerbetrieb ermöglicht.

[0019] Weiters wird über den Fehlerdetektor 7 durch den Nebenschluß 8 und den Digital/Analogwandler 9 mittels der Kontrollsteuerspannung U_k in Abhängigkeit der Stromstärke I durch Vergleichen mit der Belastungskennlinie des Motors ein Trockenlaufen der Pumpe festgestellt und in diesem Falle über den Steller 16 und das Stellglied 14 der Spannungssollwert U_soll = 0 gesetzt und der Motor 1 heruntergefahren. Darüber hinaus wird über die Notfalleinrichtung 7b des Fehlerdetektors 7 und den Hallsender 5 ein Festfressen der Motor-Pumpen-Einheit 2 festgestellt. In diesem Falle wird über den Fehlerdetektor 7 ein Losbrechprogramm gestartet, welches über die Stellglieder 13 und 14 die Steuerspannung in geeigneter Weise zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert oszillierend modifiziert, so daß der Motor 1 ein ausreichend hohes Losbrechmoment erzeugt. Ein hohes Losbrechmoment ist insbesonders dann möglich, wenn der Elektromotor 1 ein synchronlaufender Motor ist. Dadurch wird auch die Regelung vereinfacht.

[0020] Um eine einfache Wartung zu ermöglichen und den Herstellungsaufwand zu minimieren, ist zumindest der Drehzahlregler 4 und der Fehlerdetektor 7 in eine elektronische Schaltung 17 in der Motor-Pumpen-Einheit 2 integriert. Dies ermöglicht es, die Motor-Pumpen-Einheit 2 samt Steuerelektronik in einem Modul auszutauschen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Steuerung einer Kühlmittelpumpe einer Brennkraftmaschine, wobei die abzuführende Wärmemenge aus zumindest einem Motorbetriebsparameter bestimmt und mittels Pulsweitenmodulation ein Steuersignal für die Solldrehzahl der Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit der abzuführenden Wärmemenge erzeugt wird, wobei

a) das Signals durch Vergleichen mit einem vordefinierten Sollsignalbereich auf Fehler überprüft wird,

b) ein Notfallprogramm für die Kühlmittelpumpe durchgeführt wird, wenn in Schritt a) ein Fehlwert des Signals festgestellt wurde,

c) die Drehzahl der Kühlmittelpumpe aufgrund des erzeugten Signales für die Solldrehzahl, geregelt wird, wenn in Schritt a) kein Fehlwert des Signales festgestellt wurde,

dadurch gekennzeichnet, dass das Notfallprogramm vorsieht, dass im Falle des Steckenbleibens der Kühlmittelpumpe ein Losbrechprogramm aktiviert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte a) bis c) in vordefinierten Abständen wiederholt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Notfallprogramm vorsieht, dass die Kühlmittelpumpe mit der die höchste Kühlleistung im Dauerbetrieb ermöglichenden Drehzahl betrieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Notfallprogramm vorsieht, dass bei Trockenlauf und/oder mechanischer Überiastung der Elektromotor für eine vordefinierte Zeitdauer abgeschaltet wird.

5. Elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit einer Elektromotor-Pumpeneinheit (2) und einer elektronischen Steuereinheit (6) zur Erzeugung eines pulsweitenmodulierten Steuersignales (PWM) für die Pumpe in Abhängigkeit zumindest eines Motorbetriebsparameters, wobei die vorzugsweise in das Motormanagement integrierte Steuereinheit (6) mit einem Fehlerdetektor (7) zur Erkennung von abnormen Steuersignalen und Pumpenbetriebszuständen und mit einem Drehzahlregler (4) für die Pumpendrehzahl (n) verbunden ist, wobei der Fehlerdetektor (7) eine Notfalleinrichtung (7b) für die Kühlmittelpumpe aufweist, dadurch gekenn zeichnet, dass die Notfalleinrichtung (7b) eine Losbrechschaltung aufweist, welche bei Steckenbleiben der Kühlmittelpumpe den Elektromotor (1) mit modulierten und/oder oszillierenden Steuersignalen versorgt.

6. Kühimittelpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdetektor (7) und der Drehzahlregler (4) in die Elektromotor-Pumpenelnheit (2) integriert sind.

7. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Fehlerdetektor (7) mit einem Hall-Sensor (5) am Elektromotor (1) verbunden ist.

8. Kühimittelpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfalleinrichtung (7b) eine Kurzschlussschaltung (13) für ein Notsteuersignal des Elektromotors aufweist, um die Kühimittelpumpe mit der die höchste Kühlleistung im Dauerbetrieb ermöglichenden Drehzahl betreiben zu können.

9. Kühimittelpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Notfalleinrichtung (7b) eine Abschaltvorrichtung (14) aufweist, die bei Trockenlauf und/oder mechanischer Überlastung den Elektromotor (1) für eine vordefinierte Zeitdauer abschaltet.

10. Kühimittelpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) ein synchronlaufender Motor ist.

Claims

1. A method for controlling a coolant pump of an internal combustion engine, with the heat quantity to be carried off being determined from at least one motor operation parameter and a control signal for the setpoint speed of the coolant pump being produced by means of pulse-width modulation depending on the heat quantity to be carried off, with

a) the signal being checked for errors with a predetermined setpoint signal range;

b) an emergency program being executed for the coolant pump when an erroneous value of the signal is determined in step a);

c) the speed of the coolant pump is controlled for the setpoint speed due to the produced signal when no erroneous value of the signal was determined in step a);

characterized in that the emergency program provides that in the case that the coolant pump gets stuck a breakaway program is activated.

2. A method as claimed in claim 1, characterized in that the steps a) to c) are repeated in predetermined intervals.

3. A method as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the emergency provides that the coolant pump is operated with the speed allowing the highest cooling output in continuous operation.

4. A method as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the emergency program provides that in the case of dry running and/or mechanical overload the electric motor is cut off for a predetermined period of time.

5. An electrically driven coolant pump for an internal combustion engine, with an electro-motor-and-pump unit (2) and an electronic control unit (6) for producing a pulse-width-modulated control signal (PWM) for the pump depending on at least one motor operation parameter, with the control unit (6), which is preferably integrated in the motor management, being connected with a fault detector (7) for recognizing abnormal control signals and pump operation states and with a speed controller (4) for the pump speed (n), with the fault detector (7) comprising an emergency device (7b) for the coolant pump, characterized in that the emergency device (7b) comprises a breakaway circuit which supplies the coolant pump (1) with modulated and/or oscillating control signals when the coolant pump gets stuck.

6. A coolant pump as claimed in claim 5, characterized in that the fault detector (7) and the speed controller (4) are integrated in the electro-motor-and-pump unit (2).

7. A coolant pump as claimed in claim 5 or 6, characterized in that the fault detector (7) is connected with a Hall sensor (5) on the electro-motor (1).

8. A coolant pump as claimed in one of the claims 5 to 7, characterized in that the emergency device (7b) comprises a short-circuit circuit (13) for an emergency control signal of the electro-motor in order to enable the operation of the coolant pump with the speed allowing the highest cooling output in continuous operation.

9. A coolant pump as claimed in one of the claims 5 to 8, characterized in that the emergency device (7b) comprises a cut-off apparatus (14) which in the case of dry running and/or mechanical overload cuts off the electro-motor (1) for a predetermined period of time.

10. A coolant pump as claimed in one of the claims 6 to 11, characterized in that the electro-motor (1) is a synchronously running motor.

Revendications

1. Procédé de commande d'une pompe de fluide de refroidissement d'un moteur à combustion interne, dont la quantité de chaleur à évacuer dépend d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur, en générant par modulation de largeur d'impulsion un signal de commande de la vitesse de rotation de consigne de la pompe de fluide de refroidissement suivant la quantité de chaleur à évacuer, procédé dans lequel :

a) on vérifie le signal par comparaison avec une plage de signal de consigne prédéfinie pour détecter une erreur,

b) on exécute un programme de secours pour la pompe de fluide de refroidissement si l'étape a) constate une erreur dans le signal,

c) on régule la vitesse de rotation de la pompe de fluide de refroidissement avec le signal généré pour la vitesse de consigne si l'étape a) n'a constaté aucune erreur dans le signal,

caractérisé en ce que
le programme de secours prévoit qu'en cas de blocage de la pompe de fluide de refroidissement on active un programme de rupture.

2. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce qu'
on répète les étapes a)-c) à des intervalles de temps prédéfinis.

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que
le programme de secours prévoit de faire fonctionner la pompe de fluide de refroidissement à la vitesse de rotation permettant en fonctionnement permanent la puissance de refroidissement maximale.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que
le programme de secours prévoit qu'en cas de fonctionnement à sec et/ou de surcharge mécanique du moteur électrique, celui-ci est coupé pendant une durée prédéterminée.

5. Pompe à fluide de refroidissement de moteur à combustion interne, à entraînement électrique, comprenant un ensemble moteur électrique-pompe (2) et une unité de commande électronique (6) générant un signal de commande à largeurs d'impulsions modulées (PWM) pour la pompe en fonction d'au moins un paramètre de fonctionnement du moteur, l'unité de commande (6), intégrée de préférence dans la gestion du moteur, étant reliée à un détecteur d'erreur (7) pour détecter un signal de commande anormal et les états de fonctionnement de la pompe, ainsi qu'à un régulateur de vitesse de rotation (4) pour la vitesse de rotation (n) de la pompe, le détecteur de défaut (7) ayant une installation de secours (7b) pour la pompe à fluide de refroidissement,
caractérisée en ce que
l'installation de secours (7b) présente un circuit de rupture qui en cas de blocage de la pompe de fluide de refroidissement alimente le moteur électrique (1) avec des signaux de commande modulés et/ou oscillants.

6. Pompe à fluide de refroidissement selon la revendication 5,
caractérisée en ce que
le détecteur de défaut (7) et le régulateur de vitesse de rotation (4) sont intégrés dans l'ensemble moteur électrique-pompe (2).

7. Pompe à fluide de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6,
caractérisée en ce que
le détecteur d'erreur (7) est relié à un capteur Hall (5) sur le moteur électrique (1).

8. Pompe à fluide de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 5 à 7,
caractérisée en ce que
l'installation de secours (7b) comporte un circuit de court-circuit (13) pour fournir un signal de commande de secours au moteur électrique, afin de faire fonctionner la pompe de fluide de refroidissement à la vitesse de rotation permettant la puissance de refroidissement maximale en fonctionnement permanent.

9. Pompe à fluide de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 5 à 8,
caractérisée en ce que
l'installation de secours (7b) comporte un dispositif de coupure (14) qui coupe le moteur électrique (1) pendant une durée prédéterminée en cas de fonctionnement à sec et/ou de surcharge mécanique.

10. Pompe à fluide de refroidissement selon l'une quelconque des revendications 6 à 11,
caractérisée en ce que
le moteur électrique (1) est un moteur synchrone.

Zeichnung