DE19519377A1 - Kühlanlage mit elektrisch regelbarem Stellglied - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanlage mit elektrisch regelbarem Stellglied zur Be­ einflussung der Kühlmitteltemperatur von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Kühlanlage ist beispielsweise aus der DE 43 24 178 A1 bekannt. Diese bekannte Kühlanlage für Brennkraftmaschinen weist einen Kühler und ein Thermostatventil als elektrisch regelbares Stellglied auf, mit dem die Temperatur des Kühlmittels in einem Warmlaufbetrieb, einem Mischbetrieb und einem Kühler­ betrieb regelbar ist. Das Thermostatventil als elektrisch regelbares Stellglied enthält ein Dehnstoffelement, das zum Reduzieren der Kühlmitteltemperatur elektrisch beheizbar ist.

Bei dieser bekannten Kühlanlage regelt das Thermostatventil die Strömung des Kühlmittels zwischen der Brennkraftmaschine und dem Kühler derart, daß während des Warmlaufbetriebs das von der Brennkraftmaschine kommende Kühlmittel im wesentlichen unter Umgehen des Kühlers durch einen Kurzschluß hindurch zur Brennkraftmaschine zurückströmt, daß während des Mischbetriebes das von der Brennkraftmaschine kommende Kühlmittel teilweise durch den Kühler hindurch und teilweise durch den Kurzschluß hindurch zur Brennkraftmaschine zurückströmt und daß während des Kühlerbetriebs das von der Brennkraftmaschine kommende Kühlmittel im wesentlichen durch den Kühler hindurch zur Brennkraftmaschine zu­ rückströmt. Durch die elektrische Beheizung des elektrisch regelbaren Stellglieds wird der Öffnungsquerschnitt für den Durchfluß des Kühlmittels zum Kühler hin gegenüber einem durch die Temperatur des Kühlmittels bedingten Öffnungsquer­ schnitt vergrößert.

Die elektrische Beheizung des elektrisch regelbaren Stellgliedes erfolgt über eine Regeleinrichtung, mittels derer die Ist-Kühlmitteltemperatur erfaßt und mit einer vorgegebenen Soll-Kühlmitteltemperatur verglichen wird. Liegt die erfaßte Ist- Kühlmitteltemperatur oberhalb der Soll-Kühlmitteltemperatur wird zum Kühlen des Kühlmittels die elektrische Beheizung eingeschaltet, während bei einer lst-Kühlmit­ teltemperatur unterhalb der vorgegebenen Soll-Kühlmitteltemperatur die elektrische Beheizung des elektrisch regelbaren Stellglieds ausgeschaltet wird.

Diese bekannte Kühlanlage führt in Abhängigkeit von der lst-Kühlmitteltemperatur im Vergleich mit der Soll-Kühlmitteltemperatur lediglich eine Zweipunktregelung aus, wodurch bezüglich der zu erreichenden Soll-Kühlmitteltemperatur starke Un­ ter- bzw. Überschwinger auftreten können.

Darüber hinaus ist beispielsweise aus der noch nicht veröffentlichten DE 44 03 713 eine Kühlanlage bekannt, deren elektrisch regelbares Stellglied zur Beeinflussung der Kühlmitteltemperatur bei Brennkraftmaschinen eine elektrisch regelbare Kühlmittelförderpumpe ist. Zu dieser bekannten Kühlanlage ist jedoch keine Re­ gelstrategie, insbesondere bezüglich der Drehzahlregelung der Kühlmittelförder­ pumpe, beschrieben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kühlanlage eingangs genannter Art derart zu verbessern, daß zum einen Unter- bzw. Überschwinger bezogen auf die vorgege­ bene Soll-Kühlmitteltemperatur verhindert werden und zudem die vorgegebene Soll-Kühlmitteltemperatur möglichst schnell erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß werden die Parameter des Reglers mittels eines Grundkennfel­ des und mittels mindestens eines Korrekturkennfeldes bestimmt.

Es hat sich bei Versuchen herausgestellt, daß für eine Regelung der Kühlanlage mit elektronisch bzw. elektrisch regelbarem Stellglied zur Beeinflussung der Kühlmitteltemperatur von Brennkraftmaschinen ein PID-Regler besonders geeignet ist, um möglichst schnell die vorgegebene Soll-Kühlmitteltemperatur zu erreichen. Ein derartiger PID-Regler kann entweder analog oder digital aufgebaut sein und beispielsweise in einem ohnehin vorhandenen elektronischen Steuergerät zur Steuerung der Kühlanlage und/oder der Brennkraftmaschine integriert sein. Insbesondere bei Verwendung eines digitalen PID-Reglers sind zudem der Aufwand und die Kosten für eine erfindungsgemäße Kühlanlage trotz verbesserter Regelung nur gering. Der Regler kann jedoch auch ein anderer elektronischer Regler sein, z. B. ein PI_nD_n oder ein PI-Regler.

Vorzugsweise wird der Regler entsprechend eines physikalischen Modells des Kühlprozesses ausgelegt.

Ergänzend wird darauf hingewiesen, daß die durch die Kühlmitteltemperatur be­ einflußte Größe auch die Kühlmitteltemperatur selbst sein kann. Auch kann die Stellsignalgröße in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern erzeugt werden.

Der Begriff "Kennfeld" soll erfindungsgemäß auch eine Kennlinie, eine Tabelle und/oder einen entsprechenden Algorithmus umfassen. Vorzugsweise ist ein elek­ tronisches Steuergerät vorgesehen, in dem der Regler integriert ist und in dem die Kennfelder, Kennlinien, Tabellen und/oder Algorithmen abgespeichert sind.

Die Bestimmung der Regelparameter mittels eines Grund- und eines Korrektur­ kennfeldes ermöglicht zum einen eine sehr schnelle Regelung durch die Vorgabe eines Vorsteuerwertes mittels des Grundkennfeldes und zum anderen eine sehr genaue Regelung durch die Vorgabe eines Korrekturwertes mittels des Korrektur­ kennfeldes, z. B. auf die Reaktion nach Vorgabe des Vorsteuerwertes hin.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist der Gegenstand des Patentan­ spruchs 2.

Erfindungsgemäß werden die Parameter des Reglers mittels eines Grundkennfel­ des unter Berücksichtigung mindestens eines Betriebsparameters und mittels mindestens eines Korrekturkennfeldes unter Berücksichtigung der Regeldifferenz bestimmt.

Das erfindungsgemäße Grundkennfeld berücksichtigt vorzugsweise die lst-Kühlmit­ teltemperatur und die Brennkraftmaschinendrehzahl. Vorzugsweise sind im Falle eines PID-Reglers oder eines PI-Reglers sowohl für den l-Anteil als auch für den P- Anteil des Reglers jeweils ein Korrekturkennfeld vorgesehen. Diese Korrekturkenn­ felder berücksichtigen zumindest die Regeldifferenz, d. h. die Differenz zwischen der lst-Kühlmitteltemperatur und der vorgegebenen Soll-Kühlmitteltemperatur.

Sowohl in dem Grundkennfeld als auch in dem/den Korrekturkennfeld/-kennfeldern können erfindungsgemäß noch weitere Betriebsparameter vorgesehen sein, z. B. die momentane Stellung des Stellglieds, die Motorlast, die Bordnetzspannung, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Außentemperatur, der Schaltzustand der Klimaan­ lage und/oder Windeinflüsse.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Pa­ tentanspruchs 3.

Erfindungsgemäß werden zur Bestimmung der Parameter des Reglers die Werte der Grund- und Korrekturkennfelder addiert. Zur Bestimmung der Parameter des Reglers und damit der Stellsignalgröße können zu den Werten der Kennfelder hinzu ebenfalls weitere Betriebsparameter berücksichtigt werden.

Durch diese erfindungsgemäßen Weiterbildungen ist eine sehr genaue Anpassung der Parameter des Reglers an die momentanen Betriebsbedingungen des Fahr­ zeuges möglich.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist der Gegenstand des Pa­ tentanspruchs 4.

Die Stellsignalgröße ist vorzugsweise ein pulsweitenmoduliertes Signal. Hierdurch ist eine sehr feinfühlige Ansteuerung des Stellgliedes möglich, da üblicherweise bei pulsweitenmodulierten Signalen als Stellsignalgröße eine Auflösung von minde­ stens 1% üblich ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kühlanlage mit einem Regler, dessen Parameter durch ein Grundfeld und zwei Korrekturkennfelder bestimmt werden und

Fig. 2 den Verlauf der Kühlmitteltemperatur in Abhängigkeit von der Verwendung verschiedener Kennfelder.

In Fig. 1 führt der Ausgang A einer Brennkraftmaschine 1 über eine kühlmittelfüh­ rende Leitung zu einem Eingang des Stellgliedes 3 in Form eines elektrisch be­ heizbaren Thermostatventils. Ein Ausgang des Stellglieds 3 ist über eine kühlmittel­ führende Leitung mit dem Eingang E der Brennkraftmaschine 1 verbunden. An einem weiteren Ausgang des Stellglieds 3, hier geschlossen dargestellt, ist über eine kühlmittelführende Leitung der Eingang eines Kühlers 2 angeschlossen. Der Ausgang des Kühlers 2 führt zum Eingang E der Brennkraftmaschine 1.

Zur näheren Funktionsweise des Stellglieds 3 in Form eines elektrisch beheizbaren Thermostatventils sei beispielsweise auf die DE 43 24 178 A1 hingewiesen.

In Fig. 1 ist das Stellglied 3 im Warmlauf dargestellt. Während eines Warmlaufs wird das Kühlmittel vom Ausgang A der Brennkraftmaschine 1 in einer Art Kurz­ schluß über das Stellglied 3 zum Eingang E der Brennkraftmaschine 1 unter Um­ gehung des Kühlers 2 zurückgeführt. Nach Erwärmung des Kühlmittels auf Be­ triebstemperatur wird das Stellglied 3 derart angesteuert, daß im Mischbetrieb oder im Kühlerbetrieb das Kühlmittel zumindest teilweise über den Kühler 2 geführt wird. Je stärker das Stellglied 3 über das Ansteuersignal PWM beheizt wird, desto mehr wird das Stellglied 3 in Richtung Kühlerbetrieb verschoben; d. h. der rechte Durch­ laß, hier vollständig geöffnet gezeigt, wird immer mehr geschlossen, während der linke Durchlaß, hier vollständig geschlossen gezeichnet, immer stärker geöffnet wird.

Das Ansteuersignal PWM als Stellsignalgröße ist ein Ausgangssignal des PID- Reglers 4. Der PID-Regler 4 kann auch in einem elektronischen Steuergerät inte­ griert sein. Als Eingangssignal erhält der PID-Regler 4 von der Brennkraftmaschine 1 zumindest die Ist-Kühlmitteltemperatur T_ist. Darüber hinaus werden beispiels­ weise folgende weitere Eingangssignale an den PID-Regler 4 herangeführt: Die Brennkraftmaschinendrehzahl n, die Soll-Kühlmitteltemperatur T_soll, der Drossel­ klappenwinkel DK, die Fahrzeuggeschwindigkeit v, die Außentemperatur T_a und/oder die Bordnetzbatterie U_b. Weiterhin sind im PID-Regler 4 drei Kennfelder abgespeichert. Das Grundkennfeld K_G gibt, z. B. in Abhängigkeit von der Ist-Kühl­ mitteltemperatur T_ist und der Brennkraftmaschinendrehzahl n, einen Vorsteuerwert T_VSW vor. Über das erste Korrekturkennfeld K_K1 wird für den P-Anteil des PID-Reg­ lers 4 ein erster Korrekturwert T_P und über das zweite Korrekturkennfeld K_K2 wird für den I-Anteil des PID-Reglers 4 ein zweiter Korrekturwert T_I vorgegeben, wobei der erste Korrekturwert T_P und der zweite Korrekturwert T_I zumindest in Abhängig­ keit von der Regeldifferenz T_soll - T_ist bestimmt werden. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, lediglich nur ein Korrekturkennfeld K_K1 oder K_K2 zu verwenden, falls an die Genauigkeit des Reglers keine so hohen Anforderungen gestellt werden.

Die Stellsignalgröße zur Ansteuerung des Stellglieds 3 ist das pulsweitenmodu­ lierte Ansteuersignal PWM. Das Puls-Pausen-Verhältnis des Ansteuersignals PWM ergibt sich erfindungsgemäß vorzugsweise aus folgender Formel:

(T_VSW + T_P + T_I) U_soll/U_b

Bei der beispielshaften Bestimmung des Ansteuersignals PWM wird ein Korrektur­ faktor nach der Addition der Werte der Grund- (T_VSW) und Korrekturkennfelder (T_P, T_I) in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Soll-Bordnetzspannung (U_soll) zur Ist- Bordnetzspannung (U_b) vorgesehen. Zur Bestimmung des Ansteuersignals PWM können darüber hinaus weitere Betriebsparameter, wie z. B. der Drosselklappen­ winkel DK, die Fahrzeuggeschwindigkeit v und die Außentemperatur T_a mitberück­ sichtigt werden.

In Fig. 2 ist die Regelgüte in Abhängigkeit von der Verwendung unterschiedlicher Kennfelder zur Bestimmung der Stellsignalgröße PWM gegenübergestellt. In Fig. 2 ist über der Zeit t die Ist-Kühlmitteltemperatur T_ist aufgetragen. Darüber hinaus soll zum Zeitpunkt t₀ die vorgegebene Soll-Kühlmitteltemperatur T_soll1 auf die Soll- Kühlmitteltemperatur T_soll2 wechseln. Die obere Kennlinie des Diagramms zeigt das Regelverhalten, wenn zur Bestimmung der Stellsignalgröße PWM lediglich der Vorsteuersignalwert T_VSW des Grundkennfeldes K_G verwendet wird. Der mittlere Verlauf des Diagramms in Fig. 2 zeigt das Regelverhalten bei Verwendung des Grundkennfeldes K_G und nur eines Korrekturkennfeldes K_K1. Der mittlere Verlauf des Diagramms in Fig. 2, der sich durch eine Stellsignalgröße ergibt, bei der zu­ mindest die Werte T_VSW und T_P addiert werden, zeigt gegenüber dem oberen Ver­ lauf bereits eine bessere Regelgüte. Der untere Verlauf des Diagramms in Fig. 2, bei dem zur Bestimmung der Stellsignalgröße PWM die Werte T_VSW, T_P und T_I ad­ diert werden, zeigt gegenüber den anderen Verläufen in Fig. 2 die beste Regel­ güte. Zum einen wird im unteren Verlauf die neue Soll-Kühlmitteltemperatur T_soll2 schnellstmöglich erreicht und zum anderen wird bei allen drei Verläufen durch die Verwendung des erfindungsgemäßen PID-Reglers 4 die neu vorgegebene Soll- Kühlmitteltemperatur T_soll2 ohne Unter- oder Überschwingen erreicht.

Somit wird durch das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel eine Regeltoptimie­ rung geschaffen, durch die in Abhängigkeit von den zur Verfügung stehenden In­ formationen über Betriebsparameter eine sehr schnelle und genaue Einstellung der vorgegebenen Soll-Kühlmitteltemperatur möglich ist.

Die Erfindung ist jedoch nicht auf das genannte Ausführungsbeispiel beschränkt.

So kann anstelle des Thermostatventils 3 oder zusätzlich als elektrisch bzw. elek­ tronisch regelbares Stellglied z. B. auch eine im Kühlmittelkreislauf vorgesehene Kühlmittelförderpumpe entsprechend der Erfindung geregelt werden - oder auch eine elektrisch regelbare Kühlmitteldrosselklappe. Grundsätzlich ist durch die Er­ findung jedes Stellglied erfaßt, das zur Beeinflussung der Kühlmitteltemperatur elektrisch bzw. elektronisch regelbar ist.

Weiterhin muß die Stellsignalgröße nicht zwingend ein pulsweitenmoduliertes Si­ gnal sein, sondern kann auch - entsprechend der Ausgestaltung des Stellglieds - ein beliebig geeignetes elektrisches Signal sein, wie z. B. ein verstellwegpropor­ tionales Spannungssignal oder ein frequenzmodulierter Puls.

Darüber hinaus kann eine durch die Kühlmitteltemperatur beeinflußte Größe an­ stelle der Kühlmitteltemperatur selbst beispielsweise eine andere Temperatur sein, wie z. B. die eines kühlmitteldurchflossenen Bauteils.

Claims (4)

1. Kühlanlage mit elektrisch regelbarem Stellglied zur Beeinflussung der Kühlmitteltemperatur von Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen und mit einem dem Stellglied (3) vorgeschalteten elektronischen Regler (4), der zumindest in Abhängigkeit von einer durch die Kühlmitteltemperatur beeinflußten Größe (T_ist) die Stellsignalgröße (PWM) zur Ansteuerung des Stellglieds (3) zum Erreichen einer Soll- Kühlmitteltemperatur (T_soll) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter des Reglers (4) mittels eines Grundkennfeldes (K_G) und mindestens eines Korrekturkennfeldes (K_K1, K_K2) bestimmt werden.

2. Kühlanlage nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das Grundkennfeld (K_G) unter Berücksichtigung mindestens eines Be­ triebsparameters (n, T_ist) und das Korrekturkennfeld (K_K1, K_K2) unter Berücksichtigung der Regeldifferenz (T_soll-T_ist) bestimmt werden.

3. Kühlanlage nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß zur Bestimmung der Parameter des Reglers (4) die Werte (T_VSW; T_P, T_I) der Grund (K_G) - und Korrekturkennfelder (K_K1, K_K2) addiert werden.

4. Kühlanlage nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet daß die Stellsignalgröße (PWM) ein pulsweitenmoduliertes Signal ist.