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EP0893582A2 - Verfahren zur Steuerung einer Kühlmittelpumpe einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren zur Steuerung einer Kühlmittelpumpe einer Brennkraftmaschine Download PDF

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EP0893582A2
EP0893582A2 EP98890207A EP98890207A EP0893582A2 EP 0893582 A2 EP0893582 A2 EP 0893582A2 EP 98890207 A EP98890207 A EP 98890207A EP 98890207 A EP98890207 A EP 98890207A EP 0893582 A2 EP0893582 A2 EP 0893582A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
coolant pump
electric motor
pump
signal
speed
Prior art date
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EP98890207A
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English (en)
French (fr)
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EP0893582A3 (de
EP0893582B1 (de
Inventor
Peter Dipl.-Ing. Bobretzky
Harald Ing. Pastleitner
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.)
TCG UNITECH GmbH
Pierburg GmbH
Original Assignee
UNITECH Aktiengesellschsft
TCG Unitech AG
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Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=3509869&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0893582(A2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by UNITECH Aktiengesellschsft, TCG Unitech AG filed Critical UNITECH Aktiengesellschsft
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Publication of EP0893582A3 publication Critical patent/EP0893582A3/de
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    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
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    • F01P5/14—Safety means against, or active at, failure of coolant-pumps drives, e.g. shutting engine down; Means for indicating functioning of coolant pumps
    • 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
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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    • F01P2031/00—Fail safe
    • F01P2031/36—Failure of coolant pump

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a coolant pump of an internal combustion engine, the amount of heat to be removed from at least one engine operating parameter determined and by means of pulse width modulation a control signal for the target speed of the Coolant pump is generated depending on the amount of heat to be dissipated. Furthermore, the invention relates to an electrically driven coolant pump for an internal combustion engine, with an electric motor pump unit and an electronic control unit for determination a pulse width modulated control signal for the pump depending at least an engine operating parameter.
  • DE 37 38 412 A1 describes a coolant system for an engine with two electrical and a mechanical coolant pump.
  • the electric coolant pumps are controllable via an electronic switching device. If a coolant pump fails, a Emergency operation initiated to maintain an emergency operation of the engine. This is after a corresponding warning signal has been issued or an intervention in the engine management system engine operation with reduced power possible.
  • DE 38 10 174 A1 describes a device for regulating the coolant temperature Internal combustion engine described, the control of the coolant temperature depending the load and the speed of the internal combustion engine. There are no suggestions too remove an emergency program for the coolant pump in the event of malfunctions in pump operation perform.
  • control unit with an error detector to detect abnormal control signals and pump operating conditions and with one Speed controller for the pump speed is connected, the error detector being an emergency device for the coolant pump.
  • the control unit uses sensors to determine and dissipate the amount of heat to be dissipated a pulse-width-modulated signal for the setpoint speed of the coolant pump depending the amount of heat to be dissipated.
  • the signal is then compared for errors by comparison checked with a predefined target signal range. If an incorrect value is found An emergency program for the coolant pump is started in the signal, which is sufficient Cooling of the engine ensured. If no faulty value of the signal is found, the signal is fed as a setpoint to the speed controller, and the speed of the Coolant pump shut down. These steps are carried out continuously or at predefined intervals repeated.
  • the emergency program provides that the coolant pump with which the highest cooling capacity is operated in continuous operation, it is advantageous if the emergency device is a short-circuit for an emergency control signal of the electric motor.
  • the error detector with a Hall sensor is connected to the electric motor pump unit.
  • the coolant pump is monitored at least during the starting process for getting stuck and in the event If you get stuck, a breakaway program is activated.
  • the emergency program provides that the dry run and / or mechanical overload of the Electric motor is switched off for a predefined period of time.
  • the electronic circuits for generation the control signal on the one hand and for speed control and error detection on the other are arranged spatially separated, preferably the error detector and the speed controller are integrated in the electric motor pump unit.
  • the electric motor 1 of the motor-pump unit 2, equipped with a winding protection contact, is supplied with current I via a gate 3.
  • the gate 3 receives the control voltage U of a speed controller 4, to which n due to a speed setpoint a voltage reference U soll generated.
  • a speed actual value n is fed back to the speed controller 4 via a Hall probe 5. Should the difference between n and n is a new command value U to be formed.
  • the speed setpoint n target is determined on the basis of a pulse width modulated control signal PWM generated by an electronic control unit 6 having a pulse width modulator.
  • the control unit 6 can be integrated in the engine management of the internal combustion engine.
  • the control unit 6 calculates the required heat dissipation on the basis of engine operating parameters of the internal combustion engine, such as coolant temperature, crankshaft speed, cylinder pressure or the like, and generates the pulse-width-modulated signal PWM therefrom, which is supplied to the speed controller 4 as the speed setpoint n target.
  • the signal PWM is also connected to a voltage level 30 ("pull-up terminal").
  • the pulse width modulated signal PWM and the speed reference value determined therefrom further the diagnostic part 1 is supplied to an error detector 7, which moreover, the actual speed is still n of the Hall probe 5, as well as a shunt 8 and a digital / analog converter 9 is still a monitoring control voltage U k receives as a function of the control current 1.
  • the error detector 7 checks in predefined by a clock 10 time periods, if any errors in the pulse width modulated signal PWM, n is the actual speed or the control voltage U present.
  • the clock 10 is initiated and monitored via a monitoring circuit 11 and supplied with energy via a low-voltage source 12, which is connected to the ground 31 of the vehicle and the terminal 15 (positive pole) of the vehicle.
  • An emergency device 7b of the error detector 7 is connected to a first short-circuit actuator 13 in connection, which occurs when the pulse width modulated signal PWM fails or faulty signal performs an emergency program and creates a short circuit while supplying the electric motor 1 with the control voltage U which is the highest Cooling capacity enabled in continuous operation.
  • seizure of the motor-pump unit 2 is determined via the emergency device 7b of the error detector 7 and the Hall transmitter 5.
  • a breakaway program is started via the error detector 7, which modifies the control voltage in a suitable manner between a minimum and a maximum value via the actuators 13 and 14, so that the motor 1 generates a sufficiently high breakaway torque.
  • a high breakaway torque is particularly possible when the electric motor 1 is a synchronous motor. This also simplifies control.

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Abstract

Bei einer elektrisch angetriebenen Kühlmittelpumpe mit einer Elektro-Motor-Pumpeneinheit (2) erzeugt eine elektronische Steuereinheit (6) ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal für die Pumpe in Abhängigkeit zumindest eines Motorbetriebsparameters. Um Unregelmäßigkeiten und Störungen im Pumpenbetrieb rechtzeitig zu erkennen ist vorgesehen, daß 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.

Description

Die Erfindung betrifft ein 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. Weiters betrifft die Erfindung eine elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe für eine Brennkraftmaschine, mit einer Elektromotor-Pumpeneinheit und einer elektronischen Steuereinheit zur Ermittlung eines pulsweitenmodulierten Steuersignales für die Pumpe in Abhängigkeit zumindest eines Motorbetriebsparameters.
Aus der US 4 836 147 A ist eine elektrisch angetriebene Kühlmittelpumpe 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.
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.
In der DE 38 10 174 A1 wird eine Einrichtung zur Regelung der Kühlmitteltemperatur einer Brennkraftmaschine beschrieben, wobei die Regelung der Kühlmitteltemperatur 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.
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.
Kommt es zu einem Ausfall oder einem Fehlwert des Steuersignales für den Elektromotor, so kann dies ebenfalls zum Versagen des Kühlsystems durch Stillstand der Pumpe führen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und Maßnahmen gegen Unregelmäßigkeiten und Störungen im Pumpenbetrieb vorzusehen.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die 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.
Dabei wird von der Steuereinheit 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.
Vorzugsweise ist vorgesehen, daß das Notfallprogramm vorsieht, daß die Kühlmittelpumpe 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.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Fehlerdetektor mit einem Hall-Sensor an der Elektromotor-Pumpeneinheit verbunden ist. Die Kühlmittelpumpe 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.
Im Hinblick auf Wartungsfreundlichkeit, Minimierung der Störanfälligkeit und des Herstellungsaufwandes ist es vorteilhaft, wenn die elektronischen Schaltungskreise für die Erzeugung des Steuersignales 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.
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 nsoll einen Spannungssollwert Usoll erzeugt. Über eine Hallsonde 5 wird dem Drehzahlregler 4 ein Drehzahlistwert nist rückgemeldet. Aus der Differenz zwischen nsoll und nist wird eine neue Stellgröße Usoll gebildet.
Der Drehzahlsollwert nsoll 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 nsoll dem Drehzahlregler 4 zugeführt wird. Das Signal PWM steht weiters mit einem Spannungsniveau 30 (,,pull-up-Klemme") in Verbindung.
Das pulsweitenmodulierte Signal PWM bzw. der daraus ermittelte Drehzahlsollwert nsoll wird weiters dem Diagnoseteil 1 eines Fehlerdetektors 7 zugeführt, welcher darüberhinaus noch den Drehzahlistwert nist von der Hallsonde 5, sowie über einen Nebenschluß 8 und einen Digital/Analogwandler 9 noch eine Kontrollsteuerspannung Uk als Funktion des Steuerstromes 1 empfängt. Der Fehlerdetektor 7 überprüft in durch einen Taktgeber 10 vordefinierten Zeitabschnitten, ob Fehler im pulsweitenmodulierten Signal PWM, im Drehzahlistwert nist 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.
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.
Weiters wird über den Fehlerdetektor 7 durch den Nebenschluß 8 und den Digital/Analogwandler 9 mittels der Kontrollsteuerspannung Uk 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 Usoll = 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.
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.

Claims (12)

  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, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
    a) Überprüfen des Signals auf Fehler durch Vergleichen mit einem vordefinierten Sollsignalbereich,
    b) Durchführen eines Notfallprogrammes für die Kühlmittelpumpe, wenn in Schritt a) ein Fehlwert des Signals festgestellt wurde.
    c) Regelung der Drehzahl der Kühlmittelpumpe aufgrund des erzeugten Signales für die Solldrehzahl, wenn in Schritt a) kein Fehlwert des Signales festgestellt wurde.
  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 einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Notfallprogramm vorsieht, daß im Falle des Steckenbleibens der Kühlmittelpumpe ein Losbrechprogramm aktiviert wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Notfallprogramm vorsicht, daß bei Trockenlauf und/oder mechanischer Überlastung der Elektromotor für eine vordefinierte Zeitdauer abgeschaltet wird.
  6. 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, dadurch gekennzeichnet, daß 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 Notfallcinrichtung (7b) für die Kühlmittelpumpe aufweist.
  7. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerdetektor (7) und der Drehzahlregler (4) in die Elektromotor-Pumpeneinheit (2) integriert sind.
  8. Kühlmittelpumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerdetektor (7) mit einem Hall-Sensor (5) am Elektromotor (1) verbunden ist.
  9. Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Notfalleinrichtung (7b) eine Kurzschlußschaltung (13) für ein Notsteuersignal des Elektromotors aufweist, um die Kühlmittelpumpe mit der die höchste Kühlleistung im Dauerbetrieb ermöglichenden Drehzahl betreiben zu können.
  10. Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Notfalleinrichtung (7b) eine Abschaltvorrichtung (14) aufweist, die bei Trockenlauf und/oder mechanischer Übersetzung den Elektromotor (1) für eine vordefinierte Zeitdauer abschaltet.
  11. Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Notfalleinrichtung (7b) eine Losbrechschaltung aufweist, welche bei Steckenbleiben der Kühlmittelpumpe den Elektromotor (1) mit modulierten und/oder oszillierenden Steuersignalen versorgt.
  12. Kühlmittelpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (1) ein synchronlaufender Motor ist.
EP98890207A 1997-07-23 1998-07-16 Verfahren zur Steuerung einer Kühlmittelpumpe einer Brennkraftmaschine Expired - Lifetime EP0893582B1 (de)

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EP0893582A3 EP0893582A3 (de) 2000-01-05
EP0893582B1 EP0893582B1 (de) 2002-10-30

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US (1) US6216645B1 (de)
EP (1) EP0893582B1 (de)
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