DE10335298A1

DE10335298A1 - Motortemperaturmanagement für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10335298A1
Application number: DE10335298A
Authority: DE
Inventors: Steven Redhill Joyce; Chris Southwick Whelan; Ian Billericay Gouldson; Chris Leigh-On-Sea Bush; Noel Henderson
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2003-07-25
Publication date: 2004-06-03
Also published as: US6745726B2; GB0314536D0; GB2392235A; US20040016411A1

Abstract

Es werden ein Motortemperaturmanagementsystem und -verfahren für einen Fahrzeugverbrennungsmotor offenbart, wobei ein geringerer Kühlmittelstrom und Energieverbrauch durch das System bei Vermeidung übermäßiger kritischer Metalltemperaturen im Motor ermöglicht wird. Der Motor enthält einen Kühlmitteleinlass in einem Kopf und einen Kühlmittelauslass in einem Block. Eine Pumpe mit variabler Drehzahl fördert das Kühlmittel in den Kopfeinlass. Ein Mehrwegeventil empfängt das aus dem Motorblock austretende Kühlmittel und leitet es selektiv zu verschiedenen Systemkomponenten. Die Drehzahl der Pumpe und das Ventil werden mithilfe eines Steuermoduls auf der Basis verschiedener Motor- und Fahrzeugbetriebsbedingungen elektronisch gesteuert.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Motortemperaturmanagement und insbesondere auf ein Motortemperaturmanagement, bei dem Temperaturen präzise geregelt und Kühlmittelvolumenströme verringert werden.

Konventionell wird bei einem Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors ein Kühler zum Abführen übermäßiger Wärme aus dem Motor zum Aufrechterhalten einer konstanten Betriebstemperatur, zum schnellen Steigern der Temperatur in einem kalten Motor und zum Heizen des Fahrgastinnenraums verwendet. Im Kühlkreislauf wird ein Kühlmittel verwendet, das typischerweise ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel ist. Der Kühlkreislauf enthält eine Wasserpumpe, die über die Kurbelwelle des Motors angetrieben wird und das Wasser durch die Komponenten des Kühlkreislaufs fördert. Der Strömungsweg besteht typischerweise darin, dass Kühlmittel von der Wasserpumpe durch die Motorblockkanäle, danach durch die Motorkopfkanäle, anschließend aus dem Motor heraus und durch Schlauchleitungen zum Kühler sowie vom Kühler durch eine Schlauchleitung zurück zur Wasserpumpe strömt. Ein Teil des Kühlmittel kann außerdem durch einen Heizerkern geleitet werden, wenn für den Fahrgastinnenraum des Fahrzeugs Heizbedarf besteht, oder durch einen Kühlerbypass, wenn die Kühlmitteltemperatur unterhalb ihrer gewünschten Betriebstemperatur liegt. Der Kühlmittelvolumenstrom wird so hoch gehalten, dass unter extremen Betriebsbedingungen eine ausreichende Kühlung aller Motorkomponenten gesichert ist. Bei diesem hohen Kühlmittelvolumenstrom ist die Temperatur des zum Motor strömenden Kühlmittels bei einer im Allgemeinen konstanten Temperatur des aus dem Motor austretenden Kühlmittels im Allgemeinen niedrig. Dieser große Volumenstrom stellt sicher, dass alle Motorkomponenten relativ leicht unter ihren kritischen Metalltemperaturen bleiben. Dieser konventionelle Typ des Kühlsystems ist zwar unkompliziert und leicht zu implementieren, für die Bereitstellung optimaler Kühlung des speziellen Motors und der Motorbetriebsbedingungen jedoch nicht gut geeignet, weil insbesondere die Wasserpumpendrehzahl eine strenge Funktion der Motordrehzahl (und nicht der für das System erforderlichen Kühlung) und die Förderung des Kühlmittels in die verschiedenen Komponenten des Systems begrenzt sind. Außerdem neigt das System im Betrieb zu einem Energieverbrauch, der höher als erwünscht ist.

Zum Erreichen einer präziseren Motorkühlung sind verbesserte Motortemperaturmanagementsysteme entwickelt worden. Ein verbessertes System wird zum Beispiel im erteilten US-Patent 6,374,780 beschrieben. Dieses neuere System zieht zusätzliche Faktoren in Betracht, die sowohl das, was als die gewünschte Kühlmitteltemperatur anzusehen ist, als auch das, wie sie erreicht wird, beeinflussen. Ein solches System könnte eine Wasserpumpe (mit variabler Drehzahlregelung) enthalten, die Wasser durch die Motorblockkanäle, anschließend durch die Motorkopfkanäle und hinaus in ein Stromsteuerventil fördert. Das Stromsteuerventil verteilt dann selektiv den Strom zwischen dem Kühler, einer Bypassleitung, dem Heizerkern und einem Entgasungsbehälter auf. Bei der verbesserten Wärmeübergangswirkung und genaueren Steuerung der Motorkühlung können diese verbesserten Systeme mit einem verringerten Volumenstrom des Kühlmittels arbeiten. Das ermöglicht eine Minimierung der verwendeten Pumpenleistung und hält eine höhere Metalltemperatur während der Fahrzeugfahrt (hauptsächlich mit niedriger Motorleistung) aufrecht, was einen verbesserten Motorbetrieb ermöglicht. Bei hoher Motorleistung wird allerdings durch die niedrigeren Wärmeübergangskoeffizienten aufgrund des verringerten Kühlmittelstroms die Möglichkeit des Auftretens übermäßiger Metalltemperaturen an bestimmten Stellen im Motor erhöht. Insbesondere erhöht sich mit verringertem Kühlmittelvolumenstrom der Kühlmitteltemperaturanstieg über dem Motor (vom Eintritt des Kühlmittels in den Motor bis zum Austritt). Außerdem können, weil bei der Regelung der Metalltemperatur die lokale Kühlmitteltemperatur ein dominanter Parameter ist, an bestimmten Stellen überhöhte Metalltemperaturen auftreten. [0004] Insbesondere leiten außerdem diese verbesserten Systeme das Kühlmittel in derselben Richtung durch den Motor wie konventionelle Motorkühlsysteme; das heißt, die Wasserpumpe fördert das Kühlmittel in den Motorblock, vom Motorblock strömt das Kühlmittel in den Motorkopf und kehrt dann zur Kühlung zurück in den Kühler. Der verringerte Kühlmittelvolumenstrom übt keine nachteilige Wirkung auf die Wärmeableitung des Fahrzeugkühlers aus, da die Wärmeableitung stärker über den Luftstrom durch den Kühler als durch die Größe des Kühlmittelvolumenstroms gesteuert wird. Aufgrund des signifikanten Temperaturanstiegs des Kühlmittels im Motor kann dies jedoch dazu führen, dass an bestimmten Bereichen des Motorkopfes die kritische Metalltemperatur überschritten wird.

Deshalb ist es wünschenswert, die Kühlmittelvolumenströme und demzufolge die Anforderungen an die Kühlleistung in einem verbesserten Motortemperaturmanagementsystem zu minimieren, wobei gleichzeitig übermäßige kritische Metalltemperaturen im Motor verhindert werden.

Zusammenfassung der Erfindung

In ihren Ausgestaltungen betrifft die Erfindung ein Motortemperaturmanagementsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Kopf, einem Kühlmitteleinlass und mit dem Einlass verbundenen Kopfkanälen sowie mit einem Block mit einem Kühlmittelauslass und zwischen den Kopfkanälen und dem Auslass angeschlossenen Blockkanälen. Das Motortemperaturmanagementsystem umfasst eine für die Förderung des Kühlmittels ausgelegte Wasserpumpe mit einem mit dem Kühlmitteleinlass betriebsfähig verbundenen Pumpenauslass und einem Pumpeneinlass und ein Mehrwegeventil mit einem für die betriebsfähige Verbindung mit dem Kühlmittelauslass des Motorblocks ausgelegten Ventileinlass, einem mit dem Ventileinlass selektiv verbindbaren ersten Ventilauslass und einem mit dem Ventileinlass selektiv verbindbaren zweiten Ventilauslass. Ein Kühler verbindet betriebsfähig den ersten Ventilauslass und den Pumpeneinlass. Das Motortemperaturmanagementsystem enthält außerdem eine mit dem Ventil betriebsfähig verbundene Steuerung zur Steuerung der selektiven Verbindung des Ventileinlasses mit dem ersten Ventilauslass und dem zweiten Ventilauslass.

Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Steuerung der Kühlung eines Verbrennungsmotors mit einem Block und einem Kopf in einem Fahrzeug, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Fördern des Kühlmittels in einen Kühlmitteleinlass im Kopf des Motors; Leiten des Kühlmittels durch die Kühlmittelkanäle im Kopf; Leiten des Kühlmittels von den Kühlmittelkanälen im Kopf zu den Kühlmittelkanälen im Motorblock; Leiten des Kühlmittels von den Kühlmittelkanälen im Block zu einem Kühlmittelauslass im Block; Leiten des Kühlmittels vom Kühlmittelauslass im Block zu einem Einlass eines Mehrwegeventils; selektives Leiten von Kühlmittelanteilen vom Einlass des Ventils zu mindestens einer der Komponenten: Kühler, Heizerkern, Bypass und Entgasungsbehälter; und elektronisches Steuern der Förderung des Kühlmittels und des Leitens durch das Mehrwegeventil auf der Basis der Motorbetriebsbedingungen.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kühlmittelvolumenströme im Motorkühlkreislauf verringert werden, während es weiterhin möglich ist, die gewünschte Betriebstemperatur des Motors aufrechtzuerhalten. Das ermöglicht eine Verringerung des Energieverbrauchs für die Kühlung.

Ein anderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass trotz Verringerung der Kühlmittelvolumenströme die kritischen Metalltemperaturen im Motor auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden.

1 ist eine schematische Darstellung eines Motorkühlkreislaufs und eines Verbrennungsmotors entsprechend der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung
1 stellt einen Motorkühlkreislauf 10 und einen Motor 12 für ein Motortemperaturmanagementsystem 11 dar. Der Motor 12 enthält einen Block 14 und einen Kopf 16 mit einem Einlass 17 zu den Kühlmittelkanälen 18 im Kopf 16 und den Kühlmittelkanälen 20 im Block, die zu einem Auslass 22 führen. Die Kühlmittelströmungswege sind in 1 als dicke Linien dargestellt, wobei die Pfeile die Richtung der Kühlmittelströmung anzeigen. Ein elektronisch steuerbares Mehrwegeventil 24 empfängt das Kühlmittel vom Blockauslass 22 an einem Ventileinlassanschluss 26. Ein erster Ventilauslass 28 leitet das Kühlmittel zu einem Einlass 30 an einem Kühler 32, ein zweiter Ventilauslass 34 leitet das Kühlmittel zu einem Einlass 36 an einem Entgasungsbehälter 38, ein dritter Ventilauslass 40 leitet das Kühlmittel zu einer Bypassleitung 42, und ein vierter Ventilauslass 44 leitet das Kühlmittel zu einem Einlass 46 an einem Heizerkern 48. Ein Kühlerauslass 50, ein Entgasungsauslass 52, ein Heizerkernauslass 54 und die Bypassleitung 42 führen das Kühlmittel zurück zu einem oder zwei Einlässen 59, 61 an einer Wasserpumpe 56. Die Wasserpumpe 56 fördert das Kühlmittel durch einen Auslass 57 zum Kopfeinlass 17 des Motors 12.
Ein Steuermodul 58 ist zur Überwachung und Steuerung des Motortemperaturmanagementprozesses mit dem Motor 12 und dem Kühlkreislauf 10 elektrisch leitend verbunden. Das Steuermodul 58 kommuniziert über diverse elektrische Verbindungen 60 mit verschiedenen Untersystemen und Sensoren am Motor 12. Die elektrischen Verbindungen sind in 1 als Strichlinien dargestellt. Das Steuermodul 58 besitzt außerdem eine elektrische Verbindung 62 mit einem Ventilatormotor 64, eine elektrische Verbindung 66 mit einem Wasserpumpenmotor 68 und eine elektrische Verbindung 70 mit dem Ventil 24. Ein Motorventilator 72 wird über eine Antriebswelle 74 durch den Ventilatormotor 64 und die Pumpe 56 über eine Antriebswelle 76 durch den Pumpenmotor 68 angetrieben. Obwohl die Elektromotoren als Ansteuerung der Pumpe 56 und des Ventilators 72 gezeigt werden, können, falls gewünscht, andere eine variable Steuerung des Ventilators und der Wasserpumpe ermöglichende Mechanismen für eine variable Drehzahl eingesetzt werden.
Es wird jetzt der Betrieb des Systems beschrieben. Nach dem Anlassen eines kalten Motors treibt das Steuermodul 58 die Wasserpumpe 56 mit einer (zur Verhinderung von Wärmestaustellen oberhalb der kritischen Metalltemperatur im Motor ausreichenden) Mindestdrehzahl an, das Ventil 24 leitet den größten Teil des Kühlmittels anstelle durch den Kühler 32 durch den Bypass 42 (zum schnellen Aufwärmen des Motors), und das Ventil 24 leitet einen kleinen Teil des Kühlmittels durch den Heizerkern 48 (wenn Heizungsbedarf für den Fahrgastinnenraum des Fahrzeugs besteht). Die Stellung des Stromsteuerventils 24 und damit das Leiten des Kühlmittels werden durch Signale vom Steuermodul 58 gesteuert. Bei einem Betrieb mit hoher Motorbelastung und hoher Motordrehzahl während des Aufwärmens können die kritischen Metalltemperaturen in einigen Bereichen des Kopfes 16 erreicht werden. Das Kühlmittel hat jedoch selbst bei dem geringen geförderten Kühlmittelvolumen eine niedrige Temperatur, wenn es durch den Kopfeinlass 17 eintritt und durch die Kopfkühlmittelkanäle 18 strömt, wodurch das Überschreiten der kritischen Metalltemperaturen verhindert wird.
Nachdem der Motor 12 auf die Betriebstemperatur aufgewärmt ist, überwacht und regelt das Steuermodul 58 die Motortemperatur mithilfe mehrerer Inputs vom Motor 12 und anderen Sensoren, so dass die Differenz zwischen der aktuellen Motortemperatur und der aktuellen Motorsolltemperatur ständig minimiert wird. Die Faktoren zur Bestimmung der aktuellen Motorsolltemperatur können zum Beispiel die Motorbelastung (Drosselklappenstellung), die Motordrehzahl, die Umgebungslufttemperatur, der Heizungsbedarf für den Fahrgastinnenraum, der Klimaanlagendruck, die Fahrzeuggeschwindigkeit und möglicherweise andere Fahrzeugbetriebsbedingungen sein. Die jeweils angestrebte Motortemperatur kann die Kühlmitteltemperatur oder die Kopftemperatur sein, wie es für das jeweilige Motorkühlsystem erforderlich ist. Vorzugsweise arbeitet das Steuermodul 64 beim Erreichen und Aufrechterhalten der aktuellen Sollbetriebstemperatur außerdem mit einer Hierarchie zur Verringerung des Gesamtenergieverbrauchs des Kühlsystems. Wenn zum Beispiel die Motortemperatur zu hoch ist, regelt das Steuermodul 58 als Erstes das Stromsteuerventil 24 zur Versorgung des Kühlers 46 mit einem höheren und den Bypass 42 mit einem geringeren Volumenstrom. Danach erhöht es erforderlichenfalls die Drehzahl der Wasserpumpe 56 durch Steigerung der Drehzahl des Pumpenmotors 68. Schließlich erhöht das Steuermodul 58, wenn eine noch stärkere Kühlung erforderlich ist, die Drehzahl des Ventilators 72 durch Steigerung der Drehzahl des Ventilatormotors 64.
Da die Motortemperatur mithilfe des Motortemperaturmanagementsystems 11 genauer gesteuert werden kann, kann es bei höheren Motortemperaturen arbeiten, wenn das für eine erhöhte Motorleistungsfähigkeit oder geringere Fahrzeugemissionen ohne Überschreitung zulässiger Motortemperaturbedingungen notwendig ist. Dieser Betrieb bei höherer Temperatur verringert die Notwendigkeit eines hohen Kühlmittelvolumenstroms durch das Temperaturmanagementsystem 11.
Es sei darauf hingewiesen, dass mit diesen Steuerungsstrategien der Kühlmittelstrom sowohl beim Aufwärmen des Motors als auch bei normalen Betriebsbedingungen allgemein minimiert wird, was den Energieverbrauch des Temperaturmanagementsystems 11 verringert sowie den gesamten Motorbetrieb verbessert. Mit dem verringerten Kühlmittelvolumenstrom durch den Motor 12 steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Wärmestaustellen, an denen die kritischen Metalltemperaturen überschritten werden. Mit der Rückflusskühlung bei verringertem Kühlmittelstrom zeigt die Einlasstemperatur eine Tendenz zur Verringerung, was seinerseits zur Verringerung der Metalltemperatur im Kopf 16 führt und der Tatsache entgegenwirkt, dass der Wärmeübergangskoeffizient aufgrund des niedrigen Kühlmittelvolumenstroms verringert ist. Das Endergebnis ist, dass dort, wo der verringerte Kühlmittelstrom mit dem umgekehrten Kühlmittelstrom durch den Motor 12 kombiniert ist, die kritischen Metalltemperaturen im Kopf 16 nicht in demselbem Maß steigen wie bei einer konventionellen Richtung des Kühlmittelstroms durch den Motor.
Bestimmte Ausgestaltungen der Erfindung sind im Detail beschrieben worden. Jedoch werden die Personen, die mit dem Fachgebiet vertraut sind, auf das sich die Erfindung bezieht, verschiedene alternative Konstruktionen und Ausgestaltungen zur praktischen Umsetzung der durch die nachfolgenden Patentansprüche definierten Erfindung erkennen.

Claims

Motortemperaturmanagementsystem für einen Verbrennungsmotor mit einem Kopf, einem Kühlmitteleinlass und mit dem Einlass verbundenen Kopfkanälen sowie mit einem Block mit einem Kühlmittelauslass und zwischen den Kopfkanälen und dem Auslass angeschlossenen Blockkanälen, umfassend: – eine zum Fördern des Kühlmittels ausgelegte Wasserpumpe mit einem mit dem Kühlmitteleinlass betriebsfähig verbundenen Pumpenauslass und einem Pumpeneinlass; – ein Mehrwegeventil mit einem für die betriebsfähige Verbindung mit dem Kühlmittelauslass des Blocks ausgelegten Ventileinlass, einem mit dem Ventileinlass selektiv verbindbaren ersten Ventilauslass und einem mit dem Ventileinlass zweiten Ventilauslass; – einen Kühler, der den ersten Ventilauslass und den Pumpeneinlass betriebsfähig verbindet; – einen Bypass, der den zweiten Ventilauslass und den Pumpeneinlass betriebsfähig verbindet; – eine mit dem Ventil betriebsfähig verbundene Steuerung zur Steuerung der selektiven Verbindung des Ventileinlasses mit dem ersten Ventilauslass und dem zweiten Ventilauslass.
Motortemperaturmanagementsystem nach Anspruch 1, außerdem umfassend einen mit dem Pumpeneinlass betriebsfähig verbundenen Heizerkern, wobei das Mehrwegeventil außerdem einen mit dem Ventileinlass selektiv verbindbaren und mit dem Heizerkern betriebsfähig verbundenen dritten Ventilauslass enthält.
Motortemperaturmanagementsystem nach Anspruch 1 oder 2, außerdem enthaltend einen mit dem Pumpeneinlass betriebsfähig verbundenen Entgasungsbehälter, wobei das Mehrwegeventil außerdem einen mit dem Ventileinlass selektiv verbindbaren und mit dem Entgasungsbehälter betriebsfähig verbundenen vierten Ventilauslass enthält.
Motortemperaturmanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, außerdem enthaltend einen mit dem Pumpeneinlass betriebsfähig verbundenen Entgasungsbehälter, wobei das Mehrwegeventil außerdem einen mit dem Ventileinlass selektiv ver bindbaren und mit dem Entgasungsbehälter betriebsfähig verbundenen dritten Ventilauslass enthält.
Motortemperaturmanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, außerdem enthaltend einen Pumpenmotor, der mit der Pumpe betriebsfähig verbunden ist, wodurch die Pumpe angetrieben wird und wobei der Pumpenmotor mithilfe des Steuermoduls elektronisch gesteuert wird.
Motortemperaturmanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, außerdem enthaltend einen neben dem Kühler angeordneten Motorventilator und einen mit dem Ventilator betriebsfähig verbundenen Ventilatormotor, wodurch der Ventilator angetrieben wird und wobei der Ventilatormotor mithilfe des Steuermoduls elektronisch gesteuert wird.
Fahrzeugapparatur umfassend: – einen Verbrennungsmotor, der einen Kopf mit einem Kühlmitteleinlass und mit dem Kühlmitteleinlass verbundenen Kopfkanälen sowie einen Block mit einem Kühlmittelauslass und zwischen den Kopfkanälen und dem Auslass angeschlossenen Blockkanälen besitzt; – eine für die Förderung des Kühlmittels ausgelegte Wasserpumpe mit einem mit dem Kühlmitteleinlass betriebsfähig verbundenen Pumpenauslass und einem Pumpeneinlass; – ein Mehrwegeventil mit einem für die betriebsfähige Verbindung mit dem Kühlmittelauslass des Blocks ausgelegten Ventileinlass, einem mit dem Ventileinlass selektiv verbindbaren ersten Ventilauslass, einem mit dem Ventileinlass selektiv verbindbaren zweiten Ventilauslass, einem mit dem Ventileinlass selektiv verbindbaren dritten Ventilauslass und einem mit dem Ventileinlass selektiv verbindbaren vierten Ventilauslass; – einen Kühler, der den ersten Ventilauslass und den Pumpeneinlass betriebsfähig verbindet; – einen Bypass, der den zweiten Ventilauslass und den Pumpeneinlass betriebsfähig verbindet; – einen Heizerkern, der den dritten Ventilauslass und den Pumpeneinlass betriebsfähig verbindet; – einen Entgasungsbehälter, der den vierten Ventilauslass und den Pumpeneinlass betriebsfähig verbindet; – eine mit dem Ventil betriebsfähig verbundene Steuerung zur Steuerung der selektiven Verbindung des Ventileinlasses mit dem ersten Ventilauslass, dem zweiten Ventilauslass, dem dritten Ventilauslass und dem vierten Ventilauslass.
Apparatur nach Anspruch 7, außerdem enthaltend einen Pumpenmotor, der mit der Pumpe betriebsfähig verbunden ist, wodurch die Pumpe angetrieben wird und wobei der Pumpenmotor mithilfe des Steuermoduls elektronisch gesteuert wird.
Apparatur nach Anspruch 7 oder 8, außerdem enthaltend einen neben dem Kühler angeordneten Motorventilator und einen mit dem Ventilator betriebsfähig verbundenen Ventilatormotor, wodurch der Ventilator angetrieben wird und wobei der Ventilatormotor mithilfe des Steuermoduls elektronisch gesteuert wird.