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WO2003038251A1 - Verfahren, computerprogramm und steuer- und/oder regelgerät zum betreiben einer brennkraftmaschine, sowie brennkraftmaschine - Google Patents

Verfahren, computerprogramm und steuer- und/oder regelgerät zum betreiben einer brennkraftmaschine, sowie brennkraftmaschine Download PDF

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Publication number
WO2003038251A1
WO2003038251A1 PCT/DE2002/003517 DE0203517W WO03038251A1 WO 2003038251 A1 WO2003038251 A1 WO 2003038251A1 DE 0203517 W DE0203517 W DE 0203517W WO 03038251 A1 WO03038251 A1 WO 03038251A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
internal combustion
combustion engine
temperature
cylinder head
cooling device
Prior art date
Application number
PCT/DE2002/003517
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Schmitt
Oliver Gerundt
Herbert Windisch
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to DE50210521T priority Critical patent/DE50210521D1/de
Priority to EP02779109A priority patent/EP1440228B1/de
Priority to JP2003540498A priority patent/JP4351054B2/ja
Publication of WO2003038251A1 publication Critical patent/WO2003038251A1/de

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Classifications

    • 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
    • F01P11/00—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P9/00
    • F01P11/14—Indicating devices; Other safety devices
    • F01P11/16—Indicating devices; Other safety devices concerning coolant temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/08—Safety, indicating, or supervising devices
    • F02B77/089—Safety, indicating, or supervising devices relating to engine temperature
    • 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
    • F01P2023/00—Signal processing; Details thereof
    • 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
    • F01P2023/00—Signal processing; Details thereof
    • F01P2023/08—Microprocessor; Microcomputer
    • 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
    • F01P2025/00—Measuring
    • F01P2025/08—Temperature
    • F01P2025/31—Cylinder temperature
    • 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
    • F01P2025/00—Measuring
    • F01P2025/08—Temperature
    • F01P2025/33—Cylinder head temperature

Definitions

  • the invention initially relates to a method for operating an internal combustion engine, in which thermal energy is removed from a region of the internal combustion engine by a cooling device by means of a cooling fluid, in which the temperature is recorded at least at one location of the internal combustion engine, and in which the cooling device is operated from depends on the recorded temperature.
  • a control unit receives signals from temperature sensors which detect temperatures of the engine block, the cylinder head and the cooling water.
  • An electrically driven cooling water pump and valves in the cooling circuit are controlled by a control unit in such a way that none of the temperatures detected by the sensors exceed a predetermined maximum.
  • the operation of the Cooling device depends on the operating state or the temperature of areas of the internal combustion engine.
  • the temperatures are recorded at those points of the internal combustion engine which react only relatively slowly to changes in the thermal operating state of the internal combustion engine. The reason for this is that the places that are actually highly thermally stressed are not accessible.
  • the known cooling circuit and the corresponding method must be cooled more than this per se would be required. This in turn reduces the efficiency of the internal combustion engine.
  • the fuel consumption of the internal combustion engine is also increased indirectly, since the cooling water pump is operated with a greater output than is necessary.
  • the present invention therefore has the task of developing a method of the type mentioned at the outset in such a way that the efficiency of the internal combustion engine is better and less fuel is consumed in the operation of the internal combustion engine.
  • a temperature is used to influence the cooling device, which reproduces the thermal state of the highly stressed areas inside the internal combustion engine very well and spontaneously.
  • the corresponding sensor signal thus responds directly to changes in the operating state of the internal combustion engine. A "lagging behind" of the recorded temperature in relation to the component temperature at the actually relevant point is therefore not available, or at least not to a relevant extent, in the method according to the invention.
  • Cylinder head gasket can be integrated.
  • the cooling device can react spontaneously to the different operating states of the internal combustion engine.
  • the otherwise required safety margins, with which it has previously been intended to prevent the thermally highly stressed components inside the internal combustion engine from being overloaded, can therefore be lower in the method according to the invention or can be eliminated entirely.
  • the internal combustion engine therefore works with a higher degree of efficiency in many operating states.
  • the fuel consumption of the internal combustion engine is reduced because the cooling device, and here in particular one Coolant pump, can work in many operating states of the internal combustion engine with a lower output.
  • the temperature on a sealing surface of a cylinder head facing the cylinder head gasket be recorded at a point which, in terms of temperature, correlates with the temperature at a thermally highly stressed location of a cylinder head, which is located on the combustion chamber side of the cylinder head next to the Exhaust valve is.
  • the area in the cylinder head near the exhaust valve is relatively difficult to access for the cooling fluid. For this reason, this area is subject to the greatest thermal stress in many types of internal combustion engines.
  • the temperature of the cooling fluid be detected and the operation of the cooling device also depends on the detected temperature of the cooling fluid.
  • a state of the coolant that is particularly relevant for the operation of the internal combustion engine is present when boiling bubbles occur in the coolant.
  • Such bubble boiling in turn depends to a considerable extent on the temperature of the cooling fluid.
  • the cooling device can therefore be influenced with even greater precision.
  • the occurrence of bubble boiling is also influenced by the temperature of the wetted surface. Knowing their temperature is therefore also helpful in predicting the occurrence of bubble boiling.
  • a component temperature is measured on a sealing surface of a cylinder facing the cylinder head gasket at a location that is closest to an adjacent cylinder, and that the temperature of the cooling fluid in a flow space between the two adjacent cylinders is recorded.
  • the flow volume of the cooling fluid between two adjacent cylinder liners is relatively low and at the same time the component temperature on the cylinder is comparatively high. Bubble boiling of the cooling fluid will therefore most likely occur first at this point.
  • the thermally critical areas can differ from internal combustion engine to internal combustion engine. They are preferably determined in advance by tests for each type of internal combustion engine.
  • the operation of the cooling device is influenced in such a way that the desired temperature is kept approximately constant at the location of the component which is located within the internal combustion engine and is difficult or impossible to access. As a result, the thermal Alternating load on the component is minimized and the service life of the component is further extended.
  • a possible operating strategy also consists in influencing the operation of the cooling device in such a way that bubble boiling does not occur anywhere in the coolant during operation of the internal combustion engine. This is a comparatively safe operating strategy, since in the case of strong bubble boiling, the heat transfer from the components of the internal combustion engine to the cooling fluid drops significantly, which leads to a reduced cooling capacity of the cooling device. As a result, there is a risk of the internal combustion engine overheating, with corresponding adverse effects on the service life of the internal combustion engine.
  • the operation of the cooling device is influenced in such a way that, during operation of the internal combustion engine, slight bubble boiling occurs in the coolant, at least in some areas, such that
  • Heat transfer coefficient or the heat flow density in the corresponding area is approximately maximum. This development takes advantage of the physical effect that the heat transfer coefficient is greater in the case of slight bubble boiling than in an operating state in which no bubble boiling occurs. In the case of slight bubble boiling, the heat is best dissipated from the corresponding component into the cooling fluid. However, care must be taken to ensure that the bubble boiling does not become too strong and the heat transfer from the component into the cooling fluid breaks down as a result.
  • the volume flow and the temperature of the cooling fluid are influenced such that the desired component temperature is achieved with the lowest possible delivery rate of the cooling device.
  • Such a control principle is easy to implement and leads due to the lowest possible delivery rate of the cooling device for a significant fuel saving.
  • a further embodiment of the method according to the invention provides that the operation of the cooling device is influenced in such a way that a lubricant with which moving parts and / or bearings of the internal combustion engine are lubricated has approximately a desired temperature during operation of the internal combustion engine.
  • the lubricant preferably has optimum lubrication properties at the desired temperature, which leads to favorable wear behavior, longer service life of the moving parts and the bearings and lower fuel consumption.
  • the invention also relates to a computer program which is suitable for carrying out the above method when it is executed on a computer. It is particularly preferred if the computer program is stored on a memory, in particular on a flash memory.
  • control and / or regulating device for operating an internal combustion engine. It is particularly preferred if the control and / or regulating device comprises a memory on which a computer program of the above type is stored.
  • the invention also relates to an internal combustion engine, with a combustion chamber, with a cooling device which removes thermal energy from an area of the internal combustion engine by means of a cooling fluid, with at least one temperature sensor which detects the temperature at a location of the internal combustion engine, and with a device, which influences the operation of the cooling device depending on the signal from the temperature sensor.
  • the temperature sensor is arranged at a location of a cylinder head gasket of the internal combustion engine, which is selected so that its temperature at least substantially correlates with the temperature at a location of a component of the internal combustion engine, which is thermally highly stressed, located within the internal combustion engine and only is difficult or not accessible at all.
  • the temperature sensor be integrated in a cylinder head gasket of the internal combustion engine.
  • the advantages according to the invention can thus also be achieved in an internal combustion engine, the actual components of which remain unchanged, but which is equipped with a corresponding cylinder head gasket.
  • the corresponding internal combustion engine is therefore inexpensive to manufacture and retrofitting is also possible.
  • the internal combustion engine comprises a control and / or regulating device of the above type.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an internal combustion engine with an engine block, a cylinder head and a cooling device
  • FIG. 2 shows a perspective top view of a region of the cylinder head of the internal combustion engine from FIG. 1; Fig. 3; a top perspective view of a portion of the engine block of the internal combustion engine of FIG. 1;
  • Fig. 4 a detail of the representation of Fig. 3;
  • FIG. 5 a diagram in which the near one
  • Fig. 6 three diagrams in which the load of the
  • Internal combustion engine the speed of a vehicle in which the internal combustion engine is installed and the temperature occurring over time when using a first control strategy of the cooling device in the vicinity of the exhaust valve of the cylinder head of the cylinder head;
  • Fig. 7 four diagrams in which the load of the
  • FIG. 8 four diagrams similar to FIG. 7 for a third control strategy of the cooling device
  • Figure 10 four diagrams showing the load of the
  • An internal combustion engine bears the overall reference number 10 in FIG. 1. It comprises an engine block 12 to which a cylinder head 14 is connected. A cylinder head gasket 16 is arranged between the engine block and the cylinder head 14. The internal combustion engine 10 is installed in a motor vehicle, not shown in the drawing, and is used to drive it.
  • the engine block 12 is cooled by a cooling device 18.
  • This comprises an electrically driven cooling water pump 20 which is connected on the outlet side to the engine block 12 and indirectly to the cylinder head 14 (indirectly insofar as the cooling water flows from the engine block 12 into the cylinder head 14 through corresponding channels (not shown) and openings in the cylinder head gasket 16 ).
  • a cooling water line 22 leads from the cylinder head 14 to a valve 24, by means of which the cooling water flow flows into a line 26, which leads via a heat exchanger 28 to the electrical cooling water pump 20. and can be branched into a bypass line 30, which leads directly to the electric cooling water pump 20 bypassing the heat exchanger 28.
  • Combustion air is supplied to the cylinder head 14 via an intake pipe 32 in which an electrically adjustable throttle valve 34 is arranged.
  • the hot combustion exhaust gases are discharged via an exhaust pipe 36.
  • the operating state of the internal combustion engine 10 is detected by a plurality of sensors: three temperature sensors 38, 40 and 42 are integrated in the cylinder head gasket 16. This can be done, for example, by printing PTC resistors onto the cylinder head gasket 16 using the screen printing method.
  • the location of the temperature sensor 38 can be seen from FIG. 2: This shows the area of a cylinder 44 in the cylinder head 14. 2 can be seen in FIG. a valve plate 46 of an exhaust valve and valve plates 48a and 48b of corresponding intake valves. Also shown is a sealing surface 50 on the cylinder head 14 which surrounds the cylinder 44 and is machined flat. A location 51 at which the temperature sensor 38 is arranged in the installed position lies in the region of the sealing surface 50 in the vicinity of the valve plate 46 of the exhaust valve.
  • the temperature sensor 38 is arranged on the cylinder head gasket 16 facing the cylinder head 14.
  • FIG. 3 shows the cylinder 44 and adjacent cylinders 43 and 45 in the engine block 12.
  • the pistons (without reference numerals) can be seen inside the cylinders 43, 44 and 45 and a flow chamber 52 surrounding the individual cylinders 43, 44 and 45, through which cooling water flows when the internal combustion engine 10 is operating.
  • the one temperature sensor 40 is arranged in the region of a flat machined sealing surface 54 of a cylinder liner (without reference number) of the cylinder 43, specifically at that point which is directly adjacent to the cylinder 44 lying next to it, and it is arranged on the cylinder head gasket 16 facing the engine block 14.
  • the temperature sensor 42 is arranged on the flow space 52 between the two cylinders 43 and 44 directly next to the temperature sensor 40. Since the temperature of the cooling water is to be measured with the temperature sensor 42, there is no cover layer on the cylinder head gasket 16 pointing to the engine block 12 at the location of the temperature sensor 42.
  • a temperature sensor 56 eats the temperature of the lubricating oil present in an oil sump 58 (see FIG. 1).
  • a speed sensor 60 detects the speed of a ' crankshaft 62 of the internal combustion engine 10.
  • a hot film air mass meter (hereinafter abbreviated to "HFM sensor”) bears the reference number 64, is arranged upstream of the throttle valve 34 in the intake pipe 32 and detects the air mass, which gets into the combustion chambers of the internal combustion engine 10. This in turn is representative of the load of the internal combustion engine 10.
  • All sensors 38, 40, 42, 56, 60 and 64 deliver corresponding signals to a control and regulating device 66.
  • This in turn controls the throttle valve 34 in the intake pipe 32 and the electric cooling water pump 20.
  • the valve 24 is also controlled by the control and regulating device 66.
  • the position of the temperature sensor 38 is selected such that the temperature tml measured by the temperature sensor 38 during operation of the internal combustion engine 10 correlates with the temperature tk, which is in the Operation occurs at a location immediately adjacent to the valve plate 46 of the exhaust valve in the wall of the cylinder head 14 on the combustion chamber side. This location is identified in FIG. 2 by a cross with the reference number 68.
  • the highest temperatures occur at the point in the cylinder head 14 of the internal combustion engine 10 shown here during the operation of the internal combustion engine 10. This point is therefore subject to particularly high thermal loads.
  • the correlation of the measured values tml with the temperature tk was also determined for the internal combustion engine in preliminary tests.
  • FIG. 6 A first, comparatively simple control strategy of the cooling device 18 can be seen from FIG. 6:
  • the air filling rl detected by the HFM sensor 64 is typical for a period extending over a period t. Operating cycle of the internal combustion engine 10 shown.
  • the air charge rl corresponds to the current engine load in the internal combustion engine shown here.
  • the amount of fuel injected can also be used as a criterion for the current engine load in certain operating states.
  • a second diagram in FIG. 6 shows the speed V of the motor vehicle in which the internal combustion engine 10 is installed. Since the heat exchanger 28 in the cooling device 18 is acted upon to a substantial extent by the wind of the motor vehicle, the speed V of the motor vehicle has a direct influence on the action of the heat exchanger 28 and thus on the operation of the cooling device 18.
  • the cooling device 18 is controlled on the basis of the measured values tml supplied by the temperature sensor 38, on the one hand the electric cooling water pump 20 and on the other hand the valve 24 in such a way that the temperature tk at the thermally most stressed point 68 in the cylinder head 14 of the internal combustion engine 10 is essentially constant and in corresponds approximately to the temperature tkmax which is permissible in continuous operation for the material from which the cylinder head 14 is made.
  • the signal from the temperature sensor 38 is fed to the control and regulating device 66, which controls the valve 24 in such a way that a desired temperature of the coolant is reached and which controls the electric cooling water pump 20 so that a desired cooling water volume flow is present.
  • the temperature of the cooling water can be monitored via the signal from the temperature sensor 42.
  • FIG. 7 A second possible control strategy of the cooling device 18 will now be explained with reference to FIG. 7: First, the same operating cycle as in FIG. 6 is plotted, i.e. the same course of the air filling rl and the vehicle speed V. However, the cooling device 18 is no longer regulated with regard to the maximum permissible component temperature, but with a view to reliably avoiding the state of "bubble boiling" in the cooling water of the cooling device 18.
  • Such bubble boiling i.e. the formation of vapor bubbles within the cooling water, can occur in those areas of the flow space 52 in which, for example, when the cooling water pump 20 is switched off while the internal combustion engine 10 is warming up, but also during normal operation of the internal combustion engine 10, the highest cooling water temperatures occur.
  • An important influencing factor for the possibility of the occurrence of bubble boiling is also that Temperature tw of a wall, which limits the area in which the high cooling water temperatures occur.
  • the corresponding locations within an internal combustion engine can be detected by, for example, "preliminary tests. They are different from one engine type to another.
  • tw and tf arranged the two temperature sensors 40 and 42 at the corresponding locations.
  • the temperature tm2 detected by the sensor 40 is very slightly above the actual wall temperature tw during normal operation of the internal combustion engine 10, the temperature detected by the sensor 42 essentially corresponds to the actual cooling water temperature tf.
  • the control of the cooling device 18, i.e. ultimately the electric cooling water pump 20 and the valve 24, is carried out by the control and regulating device 66 such that the load on the internal combustion engine (air filling R1) and the Vehicle speed V on the one hand the wall temperature tw and the cooling water temperature tf are always below the corresponding limits gtw or gtf, at which with the The presence of bubble boilers is to be expected.
  • the limit temperatures gtw and gtf are not constant. Instead, they are continuously determined as a function of various influencing variables that change during operation of the internal combustion engine 10.
  • An influencing variable is, for example, the system pressure in the cooling device 18, the rotational speed of the crankshaft 62, which is detected by the rotational speed sensor 60, the current load rl, etc.
  • the corresponding wall temperature tw and the corresponding temperature tf of the cooling water are controlled by the electrical cooling water pump 20 or the valve 24 set.
  • Another influencing variable for the maximum permissible cooling water temperature is the current volume flow of the cooling water within the cooling device 18. This volume flow can therefore also be used to determine the limit temperature gtf.
  • FIG. 8 shows yet another, third operating strategy for the operation of the cooling device 18.
  • the time profile of the engine load rl and the vehicle speed V is identical to the operating strategies shown in FIGS. 6 and 7.
  • bubble boiling is expressly permitted in the one shown in Fig. 8.
  • This operating strategy is based on the idea that the heat transfer coefficient from the walls of the cylinders 43, 44 and 45 to the cooling water in the flow space 52 is at a maximum if steam bubbles are formed to a small extent on the said walls. This condition is also known as "light bubble boiling".
  • the wall temperature tw of the cylinders 43, 44 and 45 rises above that temperature at which the bubbles boil slightly occurs, the steam bubbles become larger and the heat transfer coefficient drops sharply due to the unstable film formation.
  • the cooling water temperature tf is detected very close to the wall of the cylinder 43 with the aid of the temperature sensor 42 and can be compared with the temperature tw on the outside of the wall of the cylinder 43, which corresponds very well to the temperature tm2 detected by the temperature sensor 40.
  • a control strategy can be implemented which amounts to an optimization of the heat transfer coefficient between the wall of the cylinder 43 and the cooling water. As can be seen from FIG. 8, with such a control strategy the corresponding temperatures tw and tf are therefore constantly just above the limit temperatures gtw and gtf.
  • a good conclusion about the temperatures at the points affected by the lubricating oil, such as between the cylinders 43, 44 and 45 and the pistons (without reference numerals), can be obtained by a combination of the temperature tm2 at the cylinder head 14 detected by the sensor 38 and that from the temperature sensor 42 detected temperature tf of the cooling water can be drawn with the thermal power output by the internal combustion engine 10.
  • This thermal output can be characterized, for example, by the engine speed (speed sensor 60), the engine load (HFM sensor 64) and the oil temperature to (oil temperature sensor 56).
  • the corresponding signals are also fed to the control and regulating device 66, which always keeps the oil temperature at the critical lubrication points in an optimal temperature range by influencing the cooling water temperature, the cooling water volume flow and possibly the thermal power loss emitted by the internal combustion engine 10.
  • FIG. 10 shows a method which is used to avoid exceeding a maximum permissible component temperature tkmax:
  • a maximum permissible component temperature tkmax Such a condition is to be feared, for example, when a high engine load rl is required at low vehicle speed V.
  • the inadequate cooling caused by the wind of the motor vehicle is attempted to be compensated for by a corresponding increase in the cooling water flow dm / dt.
  • the cooling water flow dm / dt is increased by increasing the speed of the electrical cooling water pump 20.
  • the component temperature would, without countermeasures Rise tk to a value above tkmax and possibly damage the cylinder head 14.
  • the thermal energy introduced by the internal combustion engine 10 into the cooling device 18 is reduced or limited by a compulsory reduction in the engine load rl, that is to say by a limitation of the power of the internal combustion engine 10.
  • a locking off of the internal combustion engine 10 takes place in FIG. 10 at the time t1.

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Abstract

Aus einem Bereich (14) einer Brennkraftmaschine wird von einer Kühleinrichtung mittels eines Kühlfluids thermische Energie abgeführt. Die Temperatur wird dabei mindestens an einem Ort der Brennkraftmaschine erfasst, wobei der Betrieb der Kühleinrichtung von der erfassten Temperatur abhängt. Um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen, wird vorgeschlagen, dass die Temperatur an einem Ort (51) einer Zylinderkopfdichtung der Brennkraftmaschine erfasst wird, dessen Temperatur mit der Temperatur an einem solchen Ort (68) eines Bauteils (14) der Brennkraftmaschine wenigstens im Wesentlichen korreliert, welcher thermisch hochbelastet, innerhalb der Brennkraftmaschine gelegen und nur schwer oder überhaupt nicht zugänglich ist.

Description

Verfahren, Computerproqramrn und Steuer- und/oder Reqelqerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, sowie Brennkraftmaschine
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, bei dem aus einem Bereich der Brennkrafcmaschine von einer Kühleinrichtung mittels eines Kühlfluids thermische Energie abgeführt wird, bei dem die Temperatur mindestens an einem Ort der Brennkraftmaschine erfasst wird, und bei dem der Betrieb der Kühleinrichtung von der erfassten Temperatur abhängt .
Ein solches Verfahren ist aus der DE 199 38 614 AI bekannt. In dieser wird ein Kühlkreislauf für einen
Verbrennungsmotor beschrieben, bei dem der Motorblock und der Zylinderkopf der Brennkraftmaschine von Kühlwasser durchströmt werden, welches von einem Kühler gekühlt wird. Eine Steuereinheit erhält Signale von Temperatursensoren, welche Temperaturen des Motorblocks, des Zylinderkopfes und des Kühlwassers erfassen. Eine elektrisch angetriebene Kühlwasserpumpe sowie im Kühlkreislauf vorhandene Ventile werden von einer Steuereinheit so angesteuert, dass keine der von den Sensoren erfassten Temperaturen ein vorgegebenes Maximum überschreitet .
Bei dem bekannten Kühlkreislauf hängt der Betrieb der Kühleinrichtung zwar vom Betriebszustand bzw. der Temperatur von Bereichen der Brennkraftmaschine ab. Die Temperaturen werden jedoch an solchen Stellen der Brennkraftmaschine erfasst, welche nur relativ träge auf Änderungen des thermischen Betriebszustandes der Brennkraftmaschine reagieren. Der Grund hierfür ist der der, dass die eigentlich thermisch hoch belasteten Stellen nicht zugänglich sind. Um dennoch sicherstellen zu können, dass die thermisch am höchsten belasteten Bauteile im Inneren der Brennkraf maschine, insbesondere im Brennraum der Brennkraftmaschine , eine bestimmte maximal zulässige Temperatur nicht überschreiten, muss bei dem bekannten Kühlkreislauf und dem entsprechenden Verfahren stärker gekühlt werden, als dies an sich erforderlich wäre. Dies reduziert wiederum den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine. Auch wird indirekt der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine erhöht, da die Kühlwasserpumpe mit einer größeren Leistung als an sich notwendig betrieben werden uss .
Die vorliegende Erfindung hat daher die Aufgabe, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine besser ist und weniger Kraftstoff im Betrieb der Brennkraftmaschine verbraucht wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Temperatur an einem Ort einer Zylinderkopfdichtung der Brennkraftmaschine erfasst wird, dessen Temperatur mit der Temperatur an einem solchen Ort eines Bauteils der Brennkraftmaschine wenigstens im Wesentlichen korreliert, welcher thermisch hochbelastet, innerhalb der Brennkraftmaschine gelegen und nur schwer oder überhaupt nicht zugänglich ist. Vorteile der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Temperatur zur Beeinflussung der Kühleinrichtung verwendet, welche den thermischen Zustand der hochbelasteten Bereiche im Inneren der Brennkraftmaschine sehr gut und spontan wiedergib . Das entsprechende Sensorsignal spricht also direkt auf Änderungen des Betriebszustands der Brennkraftmaschine an. Ein "Hinterherhinken" der erfassten Temperatur gegenüber der Bauteiltemperatur an der eigentlich relevanten Stelle ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren somit nicht oder wenigstens nicht in relevantem Umfang vorhanden.
Dabei wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass derartige, für die Beeinflussung der Kühleinrichtung aussagekräf ige
Temperaturen insbesondere im Bereich der
Zylinderkopfdichtung auftreten. Deren Messung ist technisch realisierbar, da die hierzu notwendigen Temperatursensoren beispielsweise im Siebdruckverfahren in die
Zylinderkopfdichtung integriert werden können.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die relevanten, sich aus dem aktuellen Betriebszustand spontan einstellenden Temperaturen an den thermisch hochbelasteten Stellen bekannt sind, kann die Kühleinrichtung spontan auf die unterschiedlichen Betriebszustände der Brennkraftmaschine reagieren. Die sonst erforderlichen Sicherheitsmargen, mit denen bisher verhindert werden soll, dass die thermisch hochbelasteten Bauteile im Inneren der Brennkraftmaschine überlastet werden, können daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren geringer ausfallen oder komplett entfallen.
In vielen Betriebszuständen arbeitet die Brennkraftmaschine daher mit einem höheren Wirkungsgrad. Darüber hinaus wird der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine gesenkt, da die Kühleinrichtung, und hier insbesondere eine Kühlmittelpumpe, in vielen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine mit einer geringeren Leistung arbeiten kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
In einer ersten Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Temperatur auf einer der Zylinderkopfdichtung zugewandten Dichtfläche eines Zylinderkopfs an einer Stelle erfasst wird, welche im Hinblick auf die Temperatur mit der Temperatur an einem thermisch hochbelasteten Ort eines Zylinderkopfs korreliert, welcher auf der Brennraumseite des Zylinderkopfs neben dem Auslassventil liegt. Der Bereich im Zylinderkopf in der Nähe des Auslassventils ist für das Kühlfluid relativ schlecht zugänglich. Daher ist dieser Bereich bei vielen Typen von Brennkraf maschinen thermisch mit am höchsten belastet.
Es wurde nun festgestellt, dass die Temperatur an einer Stelle, welche auf der der Zylinderkopfdichtung zugewanden Dichtflächefläche des Zylinderkopfes und im Allgemeinen in der Nähe des Auslassventils der Brennkraftmaschine liegt, bei vielen Brennkraftmaschinen gut mit der Temperatur dieses thermisch hoch belasteten Bereiches korreliert. Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird also eine für die Beeinflussung der Kühleinrichtung in vielen Fällen besonders relevante Temperatur mit hoher Präzision erfasst.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Temperatur des Kühlfluids erfasst wird und der Betrieb der Kühleinrichtung auch von der erfassten Temperatur des Kühlfluids abhängt. Ein für den Betrieb der Brennkraftmaschine besonders relevanter Zustand des Kühlmittels liegt dann vor, wenn im Kühlmittel Siedeblasen auftreten. Ein solches Blasensieden hängt wiederum in erheblichem Umfange von der Temperatur des Kühlfluids ab. Bei dieser Weiterbildung kann die Beeinflussung der Kühleinrichtung daher mit noch größerer Präzision erfolgen. Das Auftreten von Blasensieden wird aber auch von der Temperatur der benetzten Oberfläche beeinflusst. Die Kenntnis von deren Temperatur ist daher für die Vorhersage des Auftretens von Blasensieden ebenfalls hilfreich.
Dabei wird besonders bevorzugt, wenn eine Bauteiltemperatur auf einer der Zylinderkopfdichtung zugewandten Dichtfläche eines Zylinders an einem Ort gemessen wird, welcher einem benachbarten Zylinder am nächsten ist, und dass die Temperatur des Kühlfluids in einem Strömungsraum zwischen den beiden benachbarten Zylindern erfasst wird. Zwischen zwei benachbarten Zylinderbuchsen ist das Strömungsvolumen des Kühlfluids relativ gering und gleichzeitig die Bauteiltemperatur am Zylinder vergleichsweise hoch. Blasensieden des Kühlfluids wird daher an dieser Stelle mit großer Wahrscheinlichkeit zuerst auftreten.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Temperaturen an dieser kritischen Stelle bekannt sind, kann das Auftreten von Blasensieden an dieser Stelle mit hoher Präzision vorhergesagt werden. Hierdurch wird die Sicherheit beim Betrieb der Brennkraftmaschine erhöht . Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die thermisch kritischen Bereiche von Brennkraftmaschine zu Brennkraftmaschine unterschiedlich sein können. Sie werden vorzugsweise für jeden Typ einer Brennkraftmaschine vorab durch Versuche ermittelt .
Möglich ist auch, dass der Betrieb der Kühleinrichtung so beeinflusst wird, dass die gewünschte Temperatur an dem innerhalb der Brennkraftmaschine gelegenen und nur schwer oder überhaupt nicht zugänglichen Ort des Bauteils in etwa konstant gehalten wird. Hierdurch wird die thermische Wechselbelastung des Bauteils minimiert und die Lebensdauer des Bauteils nochmals verlängert .
Eine mögliche Betriebsstrategie besteht auch darin, dass der Betrieb der Kühleinrichtung so beeinflusst wird, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine im Kühlmittel an keiner Stelle Blasensieden auftritt. Dies ist eine vergleichsweise sichere Betriebsstrategie, da bei starkem Blasensieden der Wärmeübergang von den Bauteilen der Brennkraftmaschine zum Kühlfluid deutlich abfällt, was zu einer verminderten Kühlleistung der Kühleinrichtung führt. Hierdurch besteht die Gefahr einer Überhitzung der Brennkraftmaschine mit entsprechenden nachteiligen Auswirkungen auf die Lebensdauer der Brennkraftmaschine .
Möglich ist aber auch, dass der Betrieb der Kühleinrichtung so beeinflusst wird, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine im Kühlmittel wenigstens bereichsweise leichtes Blasensieden auftritt, derart, dass der
Wärmeübergangskoeffizient oder die Wärmestromdichte in dem entsprechenden Bereich in etwa maximal ist . Bei dieser Weiterbildung wird der physikalische Effekt ausgenutzt , dass bei leichte Blasensieden der Wärmeübergangskoeffizient größer ist als in einem Betriebszustand, in dem kein Blasensieden auftritt. Bei leichtem Blasensieden wird die Wärme also am besten vom entsprechenden Bauteil in das Kühlfluid abgeleitet . Allerdings muss darauf geachtet werden, dass ausgeschlossen ist, dass das Blasensieden zu stark wird und hierdurch der Wärmeübergang vom Bauteil in das Kühlfluid zusammenbricht.
Dabei wird besonders bevorzugt, wenn der Volumenstrom und die Temperatur des Kühlfluids so beeinflusst werden, dass die gewünschte Bauteiltemperatur mit der geringstmöglichen Förderleistung der Kühleinrichtung erzielt wird. Ein solches Regelprinzip ist einfach zu realisieren und führt aufgrund der geringstmöglichen Förderleistung der Kühleinrichtung zu einer signifikanten Kraftstoffeinsparung.
Vorgeschlagen wird auch, dass aus der ermittelten Bauteiltemperatur und der erfassten Temperatur des Kühlfluids und/oder aus einer Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids und/oder aus einem Druck des Kühlfluids und/oder aus einer Last der Brennkraftmaschine jene Temperatur des Kühlfluids ermittelt wird, bei der leichtes Blasensieden im Kühlfluid auf ritt. Hierdurch kann die Temperaturgrenze, welche, je nach Betriebsstrategie, unter keinen Umständen erreicht werden darf oder welche gerade erreicht werden soll, an die sich dynamisch verändernden Betriebszustände der Brennkraftmaschine angepasst werden. Dies ermöglicht es, in unterschiedlichen Betriebzuständen der Brennkraftmaschine die Leistungsmöglichkeiten der Kühleinrichtung optimal auszunutzen.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Betrieb der Kühleinrichtung so beeinflusst wird, dass ein Schmiermittel, mit dem bewegliche Teile und/oder Lager der Brennkraftmaschine geschmiert werden, im Betrieb der Brennkraftmaschine in etwa eine gewünschte Temperatur aufweist. Das Schmiermittel hat bei der gewünschten Temperatur vorzugsweise optimale Schmierungseigenschaften, was zu einem günstigen Verschleißverhalten, längerer Lebensdauer der beweglichen Teile und der Lager und zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führt.
Besonders vorteilhaft ist auch jene Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher dann, wenn die maximale Leistung der Kühleinrichtung erreicht und eine bestimmte Temperatur im Kühlmittel und/oder an einem Bauteil und/oder in dem Schmiermittel erreicht oder überschritten wird, die Leistung der Brennkraftmaschine derart begrenzt wird, dass das Kühlmittel und/oder das Bauteil und/oder das Schmiermittel die bestimmte Temperatur nicht überschreitet oder mindestens auf die bestimmte Temperatur abkühlt . Eine solche situationsabhängige Begrenzung der Leistung der Brennkraftmaschine erhöht die Betriebssicherheit und verlängert die Lebensdauer der Brennkraftmaschine, da verhindert wird, dass es in extremen Betriebssituationen und/oder bei einem Defekt in der Kühleinrichtung in der Brennkraftmaschine zu örtlichen und schädlichen Überhitzungen kommt.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, welches zur Durchführung des obigen Verfahrens geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird. Dabei wird besonders bevorzugt, wenn das Computerprogramm auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist .
Ferner betrifft die Erfindung ein Steuer- und/oder Regelgerät zum Betreiben einer Brennkraftmaschine. Dabei wird besonders bevorzugt, wenn das Steuer- und/oder Regelgerät einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm der obigen Art abgespeichert ist .
Schließlich betrifft die Erfindung noch eine Brennkra tmaschine, mit einem Brennraum, mit einer Kühleinrichtung, welche aus einem Bereich der Brennkraftmaschine mittels eines Kühlfluids thermische Energie abführt, mit mindestens einem Temperatursensor , welcher die Temperatur an einem Ort dwer Brennkraftmaschine erfasst, und mit einer Einrichtung, welche den Betrieb der Kühleinrichtung abhängig vom Signal des Temperatursensors beeinflusst .
Um den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erhöhen und Kraftstoff im Betrieb der Brennkraftmaschine zu sparen, wird vorgeschlagen, dass der Temperatursensor an einem Ort einer Zylinderkopfdichtung der Brennkraf maschine angeordnet ist, welcher so gewählt ist, dass seine Temperatur mit der Temperatur an einem Ort eines Bauteils der Brennkraftmaschine wenigstens im Wesentlichen korreliert, welcher thermisch hochbelastet, innerhalb der Brennkraftmaschine gelegen und nur schwer oder überhaupt nicht zugänglich ist.
In Weiterbildung hierzu wird vorgeschlagen, dass der Temperatursensor in eine Zylinderkopfdichtung der Brennkraftmaschine integriert ist . Die erfindungsgemäßen Vorteile können somit auch bei einer Brennkraftmaschine erzielt werden, deren eigentliche Bauteile unverändert bleiben, welche jedoch mit einer entsprechenden Zylinderkopfdichtung ausgestattet ist. Die entsprechende Brennkraftmaschine ist also preisgünstig herstellbar und auch Nachrüstungen sind möglich.
Bevorzugt wird auch, wenn die Brennkraf maschine ein Steuer- und/oder Regelgerät der obigen Art umfasst.
Zeichnung
Nachfolgend werden besonders bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung im Detail erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1: eine Prinzipdarstellung einer Brennkraftmaschine mit einem Motorblock, einem Zylinderkopf und einer Kühleinrichtung;
Fig. 2: eine perspektivische Draufsicht auf einen Bereich des Zylinderkopfs der Brennkraftmaschine von Fig. 1; Fig. 3; eine perspektivische Draufsicht auf einen Bereich des Motorblocks der Brennkraftmaschine von Fig. 1;
Fig. 4: ein Detail der Darstellung von Fig. 3;
Fig. 5; ein Diagramm, in dem die in der Nähe eines
Auslassventils des Zylinderkopfes auftretende Temperatur und eine hierzu korrelierende Temperatur an einer Zylinderkopfdichtung über der Zeit aufgetragen sind;
Fig. 6: drei Diagramme, in denen die Last der
Brennkraftmaschine, die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine eingebaut ist, und die bei Anwendung einer ersten Regelstrategie der Kühleinrichtung in der Nähe des Auslassventils des Zylinderkopfes des Zylinderkopfes auftretende Temperatur über der Zeit dargestellt sind;
Fig. 7: vier Diagramme, in denen die Last der
Brennkraftmaschine, die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine eingebaut ist, die Temperatur an einem Ort des Zylinderblocks und die Temperatur des Kühlfluids bei einer zweiten Regelstrategie der Kühleinrichtung über der Zeit aufgetragen sind;
Fig. 8; vier Diagramme ähnlich zu Fig. 7 bei einer dritten Regelstrategie der Kühleinrichtung;
Fig. 9; drei Diagramme, in denen die Last der
Brennkraftmaschine , die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine eingebaut ist, und die Temperatur eines Schmiermittels, welche bei einer vierten Regelstrategie der Kühleinrichtung auftritt, jeweils über der Zeit aufgetragen sind; und
Figur 10: vier Diagramme, in denen die Last der
Brennkraftmaschine, die Geschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine eingebaut ist, die Temperatur in der Nähe eines Auslassventils des Zylinderkopfs, und der Volumenstrom des Kühlwassers über der Zeit aufgetragen sind, welche bei einer eines Schmiermittels, welche in einer bestimmten Betriebssituation der Brennkraftmaschine auftreten.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Brennkraftmaschine trägt in Fig. 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Sie umfasst einen Motorblock 12, mit dem ein Zylinderkopf 14 verbunden ist. Zwischen Motorblock und Zylinderkopf 14 ist eine Zylinderkopfdichtung 16 angeordnet . Die Brennkraftmaschine 10 ist in ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Kraftfahrzeug eingebaut und dient zu dessen Antrieb.
Der Motorblock 12 wird ebenso wie der Zylinderkopf 14 von einer Kühleinrichtung 18 gekühlt. Diese umfasst eine elektrisch angetriebene Kühlwasserpumpe 20, welche auslassseitig mit dem Motorblock 12 und indirekt mit dem Zylinderkopf 14 verbunden ist (indirekt insoweit, als das Kühlwasser durch entsprechende Kanäle (nicht dargestellt) und Öffnungen in der Zylinderkopfdichtung 16 vom Motorblock 12 in den Zylinderkopf 14 strömt) . Vom Zylinderkopf 14 führt eine Kühlwasserleitung 22 zu einem Ventil 24, mit dem der Kühlwasserstrom in eine Leitung 26, die über einen Wärmetauscher 28 zur elektrischen Kühlwasserpumpe 20 führt, und in eine Bypassleitung 30, welche unter Umgehung des Wärmetauschers 28 direkt zur elektrischen Kühlwasserpumpe 20 führt, verzweigt werden kann.
Verbrennungsluft wird dem Zylinderkopf 14 über ein Ansaugrohr 32 zugeführt, in dem eine elektrisch verstellbare Drosselklappe 34 angeordnet ist. Die heißen Verbrennungsabgase werden über ein Abgasrohr 36 abgeleitet.
Der Betriebszustand der Brennkraftmaschine 10 wird über mehrere Sensoren erfasst: Drei Temperatursensoren 38, 40 und 42 sind in die Zylinderkopfdichtung 16 integriert. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass PTC-Widerstände im Siebdruckverfahren auf die Zylinderkopfdichtung 16 aufgedruckt werden. Der Anbringungsort des Temperatursensors 38 ist dabei aus Fig. 2 ersichtlich: In dieser ist der Bereich eines Zylinders 44 im Zylinderkopf 14 dargestellt. Sichtbar sind in Fig. 2 u.a. ein Ventilteller 46 eines Auslassventils und Ventilteller 48a und 48b entsprechender Einlassventile . Dargestellt ist auch eine den Zylinder 44 kreisringförmig umgebende und plan bearbeitete Dichtfläche 50 am Zylinderkopf 14. Ein Ort 51, an dem in Einbaulage der Temperatursensor 38 angeordnet ist, liegt im Bereich der Dichtfläche 50 in der Nähe des Ventiltellers 46 des Auslassventils. Der Temperatursensor 38 ist auf der Zylindεrkopfdichtung 16 dem Zylinderkopf 14 zugewandt angeordnet .
Die Position der Temperatursensoren 40 und 42 geht aus den Fig. 3 und 4 hervor: Fig. 3 zeigt den Zylinder 44 und benachbarte Zylinder 43 und 45 im Motorblock 12. Erkennbar sind die Kolben (ohne Bezugszeichen) im Inneren der Zylinder 43, 44 und 45 sowie ein die einzelnen Zylinder 43, 44 und 45 umgebender Strömungsraum 52, welcher im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 vom Kühlwasseer durchströmt wird. Wie insbesondere aus Fig. 4 ersichtlich ist, ist der eine Temperatursensor 40 im Bereich einer plan bearbeiteten Dichtfläche 54 einer Laufbuchse (ohne Bezugszeichen) des Zylinders 43 angeordnet, und zwar an jener Stelle, welche zu dem daneben liegenden Zylinder 44 unmittelbar benachbart ist, und er ist auf der Zylinderkopfdichtung 16 dem Motorblock 14 zugewandt angeordnet. Der Temperatursensor 42 ist am Strömungsraum 52 zwischen den beiden Zylindern 43 und 44 unmittelbar neben dem Temperatursensor 40 angeordnet. Da mit dem Temperatursensor 42 die Temperatur des Kühlwassers gemessen werden soll, ist an der Stelle des Temperatursensors 42 eine zum Motorblock 12 hinweisende Deckschicht an der Zylinderkopfdichtung 16 nicht vorhanden.
Ein weiterer Temperatursensor 56 isst die Temperatur des in einem Ölsumpf 58 vorhandenen Schmieröls (vgl. Figur 1) . Ein Drehzahlsensor 60 erfasst die Drehzahl einer' Kurbelwelle 62 der Brennkraftmaschine 10. Ein Heißfilm- Luftmassenmesser (nachfolgend abgekürzt "HFM-Sensor" genannt) trägt das Bezugszeichen 64, ist stromauf ärts von der Drosselklappe 34 im Ansaugrohr 32 angeordnet und erfasst die Luftmasse, welche in die Brennräume der Brennkraftmaschine 10. gelangt. Diese ist wiederum repräsentativ für die Last der Brennkraftmaschine 10.
Alle Sensoren 38, 40, 42, 56, 60 und 64 liefern entsprechende Signale an ein Steuer- und Regelgerät 66 . Dieses steuert wiederum u.a. die Drosselklappe 34 im Ansaugrohr 32 und die elektrische Kühlwasserpumpe 20 an. Auch das Ventil 24 wird vom Steuer- und Regelgerät 66 angesteuert .
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, ist die Position des Te peratursensors 38 so gewählt, dass die im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 vom Temperatursensor 38 gemessene Temperatur tml mit der Temperatur tk korreliert, welche im Betrieb an einer unmittelbar neben dem Ventilteller 46 des Auslassventils gelegenen Stelle in der brennraumseitigen Wand des Zylinderkopfes 14 auftritt. Diese Stelle ist in Fig. 2 durch ein Kreuz mit dem Bezugszeichen 68 gekennzeichnet. Bei Vorversuchen wurde festgestellt, dass an der mit dem Kreuz 68 bezeichneten Stelle im Zylinderkopf 14 der hier dargestellten Brennkraftmaschine 10 im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 die höchsten Temperaturen auftreten. Diese Stelle wird somit thermisch besonders stark belastet. Die Korrelation der Messwerte tml mit der Temperatur tk wurde für die vorliegende Brennkraftmaschine ebenfalls in Vorversuchen ermittelt.
Eine erste, vergleichsweise einfache Regelstrategie der Kühleinrichtung 18 ist aus Fig. 6 ersichtlich: In deren oberstem Diagramm ist die vom HFM-Sensor 64 erfasste Luftfüllung rl bei einem typischen sich über einen Zeitraum t erstreckenden. Betriebszyklus der Brennkraftmaschine 10 dargestellt . Die Luftfüllung rl entspricht bei der hier dargestellten Brennkraftmaschine der aktuellen Motorlast. Bei anderen Brennkraftmaschinen (beispielsweise mit Kraftstoff -Direkteinspritzung) kann in bestimmten Betriebszuständen beispielsweise auch die eingespritzte Kraftstoffmenge als Kriterium für die aktuelle Motorlast verwendet werden .
Ein zweites Diagramm in Fig. 6 zeigt die Geschwindigkeit V des Kraf fahrzeugs, in welches die Brennkraftmaschine 10 eingebaut ist. Da der Wärmetauscher 28 in der Kühleinrichtung 18 in wesentlichem Umfang vom Fahrtwind des Kraftf hrzeugs beaufschlagt wird, hat die Geschwindigkeit V des Kraftfahrzeugs einen direkten Einfluss auf die Wirkung des Wärmetauschers 28 und somit auf den Betrieb der Kühleinrichtung 18.
Bei der in Fig. 6 dargestellten Regelstrategie der Kühleinrichtung 18 werden auf der Basis der vom Temperatursensor 38 gelieferten Messwerte tml einerseits die elektrische Kühlwasserpumpe 20 und andererseits das Ventil 24 so angesteuert, dass die Temperatur tk an der thermisch am höchsten belasteten Stelle 68 im Zylinderkopf 14 der Brennkraftmaschine 10 im Wesentlichen konstant ist und in etwa jener Temperatur tkmax entspricht, welche im Dauerbetrieb für das Material zulässig ist, aus welchem der Zylinderkopf 14 hergestellt ist. Hierzu wird das Signal des Temperatursensors 38 dem Steuer- und Regelgerät 66 zugeführt, welches das Ventil 24 so ansteuert, dass eine gewünschte Temperatur des Kühlmittels erreicht wird, und welches die elektrische Kühlwasserpumpe 20 so ansteuert, dass ein gewünschter Kühlwasser-Volumenstrom vorliegt . Die Temperatur des Kühlwassers kann dabei über das Signal des Temperatursensors 42 überwacht werden.
Eine zweite mögliche Regelstrategie der Kühleinrichtung 18 wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert: In dieser ist zunächst der gleiche Betriebszyklus wie in Fig. 6 aufgetragen, d.h. der gleiche Verlauf der Luftfüllung rl und der Fahrzeuggeschwindigkeit V. Die Regelung der Kühleinrichtung 18 erfolgt jedoch nicht mehr im Hinblick auf die maximal zulässige Bauteilte peratur, sondern im Hinblick darauf, mit Sicherheit den Zustand des "Blasensiedens" im Kühlwasser der Kühleinrichtung 18 zu vermeiden .
Ein derartiges Blasensieden, also die Bildung von Dampfblasen innerhalb des Kühlwassers, kann in jenen Bereichen des Strömungsraumes 52 auftreten, in denen z.B. bei im Warmlauf der Brennkraftmaschine 10 abgeschalteter Kühlwasserpumpe 20, aber auch im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine 10 die höchsten Kühlwassertemperaturen auftreten. Ein wichtiger Einflussfaktor für die Möglichkeit des Auftretens von Blasensieden ist aber auch die Temperatur tw einer Wand, welche jenen Bereich begrenzt, in dem die hohen Kühlwassertemperaturen auftreten. Die entsprechenden Stellen innerhalb einer Brennkraftmaschine können beispielsweise durch" Vorversuche erfasst werden. Sie sind von einem Brennkraftmaschinentyp zum anderen unterschiedlich .
Bei der vorliegenden Brennkraftmaschine 10 ist ein für die Bildung von Dampfblasen kritischer Bereich im Strömungsraum 52 zwischen zwei Zylindern 43 und 44 bzw. 44 und 45 vorhanden. Dort erfolgt durch die relativ große äußere Umfangsflache der Zylinder 43, 44 bzw. 44, 45 ein starker Wärmeeintrag in das Kühlwasser, bei gleichzeitig relativ geringer Strömungsgeschwindigkeit im Spalt zwischen zwei Zylindern 43, 44 bzw. 44, 45. Im Hinblick auf die Bildung von Dampfblasen in diesem Bereich wesentliche Betriebsparameter sind einerseits die Temperatur tf des Kühlwassers im Spalt zwischen den beiden Zylindern 43 und 44 und die Wandtemperatur tw beispielsweise des Zylinders 43. Wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert wurde, sind zur Erfassung dieser beiden Temperaturen tw und tf die beiden Temperatursensoren 40 und 42 an den entsprechenden Stellen angeordnet. Die vom Sensor 40 erfasste Temperatur tm2 liegt im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 10 ganz leicht oberhalb der tatsächlichen Wandtemperatur tw, die vom Sensor 42 erfasste Temperatur entspricht im wesentlichen der tatsächlichen Kühlwassertemperatur tf .
Wie aus Fig. 7 ersichtlich ist, erfolgt die Regelung der Kühleinrichtung 18, also letztlich der elektrischen Kühlwasserpumpe 20 und des Ventils 24, durch das Steuer- und Regelgerät 66 so, dass unabhängig von der an der Brennkraftmaschine anstehenden Last (Luftfüllung rl) und der Fahrzeuggeschwindigkeit V einerseits die Wandtemperatur tw und die Kühlwassertemperatur tf immer unterhalb entsprechender Grenzen gtw bzw. gtf sind, bei denen mit dem Vorliegen von Blasensieden zu rechnen ist .
Wie aus Fig. 7 ebenfalls hervorgeht, sind die Grenztemperaturen gtw und gtf dabei nicht konstant. Sie werden stattdessen kontinuierlich abhängig von verschiedenen und sich im Betrieb der Brennkraftmaschine 10 ändernden Einflussgrößen aktuell ermittelt. Eine Einflussgröße ist beispielsweise der Systemdruck in der Kühleinrichtung 18, die Drehzahl der Kurbelwelle 62, welche vom Drehzahlsensor 60 erfasst wird, die aktuelle Last rl usw.. Die entsprechende Wandtemperatur tw und die entsprechende Temperatur tf des Kühlwassers wird durch eine entsprechende Ansteuerung der elektrischen Kühlwasserpumpe 20 bzw. des Ventils 24 eingestellt. Eine weitere Einflussgröße für die maximal zulässige Kühlwassertemperatur ist der aktuelle Volumenstrom des Kühlwassers innerhalb der Kühleinrichtung 18. Auch dieser Volumenstrom kann daher zur Bestimmung der Grenztemperatur gtf herangezogen werden.
In Fig. 8 ist eine nochmals andere, dritte Betriebsstrategie für den Betrieb der Kühleinrichtung 18 dargestellt. Auch hier ist der zeitliche Verlauf der Motorlast rl und der Fahrzeuggeschwindigkeit V identisch zu den in den Fig. 6 und 7 dargestellten Betriebsstrategien. Im Gegensatz zu der in Fig. 7 dargestellten Betriebsstrategie wird bei jener, welche in Fig. 8 dargestellt ist, Blasensieden jedoch ausdrücklich zugelassen. Dieser Betriebsstrategie liegt der Gedanke zugrunde, dass der Wärmeübergangskoeffizient von den Wänden der Zylinder 43, 44 und 45 zum Kühlwasser im Strömungsraum 52 dann maximal ist, wenn an den besagten Wänden in geringem Umfange Dampfblasen gebildet werden. Dieser Zustand wird auch als "leichtes Blasensieden" bezeichnet. Steigt die Wandtemperatur tw der Zylinder 43, 44 und 45 jedoch über jene Temperatur, bei der leichtes Blasensieden auftritt, an, werden die Dampfblasen größer und der Wärmeübergangskoeffizient fällt wegen der instabilen Filmbildung wieder stark ab.
Dadurch, dass die Kühlwassertemperatur tf mit Hilfe des Temperatursensors 42 sehr nahe an der Wand des Zylinders 43 erfasst wird und mit der Temperatur tw an der Außenseite der Wand des Zylinders 43 verglichen werden kann, welche sehr gut der vom Temperatursensor 40 erfassten Temperatur tm2 entspricht, kann eine Regelstrategie realisiert werden, welche auf eine Optimierung des Wärmeübergangskoeffizienten zwischen der Wand des Zylinders 43 und dem Kühlwasser hinausläuft. Wie aus Fig. 8 ersichtlich ist, liegen bei einer solchen Regelstrategie die entsprechenden Temperaturen tw und tf somit ständig knapp oberhalb der Grenztemperaturen gtw und gtf. Eine deratige Regelung der Kühleinrichtung 18, welche zu einem maximalen Wärmeübergangskoeffizienten führt, ermöglicht es, die Kühlwassertemperatur tf und den Volumenstrom des Kühlwassers im Motorblock 12 bzw. im Zylinderkopf 14 so einzustellen, dass eine gewünschte Temperatur im Zylinderkopf 14 mit der kleinstmöglichen Leistung der Kühlwasserpumpe 20 erreicht wird.
Aus den Diagrammen der Fig. 9 ist eine nochmals andere Betriebsstrategie für die Kühleinrichtung 18 ersichtlich. Auch hier entsprechen wieder die Verläufe der Motorlast rl und der Fahrzeuggeschwindigkeit V über der Zeit den in den vorhergehenden Fig. 6 bis 8 dargestellten Verläufen. Bei der in Fig. 9 dargestellten Regelstrategie wird jedoch die Temperatur des Öls, welche vom Temperatursensor 56 erfasst wird, in einem optimalen Bereich gehalten. Dies geschieht durch eine entsprechende Einstellung der Temperatur des Zylinderkopfs 14 bzw. der Teile im Motorblock 12. Dadurch, dass das Öl immer die richtige Temperatur hat, können Reibungsverluste und der Verschleiß der beweglichen Teile der Brennkraftmaschine 10 minimiert werden. Auch die Alterung des Schmieröls kann verringert werden.
Ein guter Rückschluss auf die Temperaturen an den vom Schmieröl beaufschlagten Stellen, wie beispielsweise zwischen den Zylindern 43, 44 und 45 und den Kolben (ohne Bezugszeichen) , kann durch eine Kombination aus der vom Sensor 38 erfassten Temperatur tm2 am Zylinderkopf 14 und der vom Temperatursensor 42 erfassten Temperatur tf des Kühlwassers mit der gerade von der Brennkraftmaschine 10 abgegebenen thermischen Leistung gezogen werden. Diese thermische Leistung kann beispielsweise durch die Motordrehzahl (Drehzahlsensor 60) , die Motorlast (HFM- Sensor 64) und die Ölte peratur to (Ölte peratursensor 56) charakterisiert werden. Die entsprechenden Signale werden ebenfalls dem Steuer- und Regelgerät 66 zugeführt, welches durch die Beeinflussung der Kühl assertemperatur, des Kühlwasser-Volumenstroms und eventuell der von der Brennkraftmaschine 10 emittierten thermischen Verlustleistung die Öltemperatur an den kritischen Schmierstellen stets in einem optimalen Temperaturbereich hält.
Aus Fig. 10 ist ein Verfahren ersichtlich, welches angewendet wird, um ein Überschreiten einer maximal zulässigen Bauteiltemperatur tkmax zu vermeiden: Ein solcher Zustand ist beispielsweise dann zu befürchten, wenn bei geringer Fahrzeuggeschwindigkeit V eine hohe Motorlast rl gefordert wird. Die mangelhafte Kühlung durch den Fahrtwind des Kraftfahrzeugs wird durch eine entprechende Erhöhung des Kühlwasserstroms dm/dt zu kompensieren versucht. Eine Erhöhung des Kühlwasserstroms dm/dt erfolgt durch eine Erhöhung der Drehzahl der elektrischen Kühlwasserpumpε 20. Ist jedoch deren maximale Drehzahl erreicht bzw. der maximal mögliche Kühlwasserstrom dmmax/dt erreicht, würde, ohne Gegenmaßnahmen, die Bauteiltemperatur tk auf einen Wert oberhalb tkmax ansteigen und gegebenenfalls zu einer Beschädigung des Zylinderkopfs 14 führen. Um dem zu begegnen, wird die von der Brennkraf maschine 10 in die Kühleinrichtung 18 eingebrachte thermische Energie durch eine zwangsweise Reduzierung der Motorlast rl , also durch eine Begrenzung der Leistung der Brennkraftmaschine 10, reduziert bzw. begrenzt. Ein derartiges Abriegeln der Brennkraftmaschine 10 erfolgt in Fig. 10 zum Zeitpunkt tl.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (10), bei dem aus einem Bereich (12, 14) der Brennkraftmaschine
(10) von einer Kühleinrichtung (18) mittels eines Kühlfluids thermische Energie abgeführt wird, bei dem die Temperatur mindestens an einem Ort der Brennkraftmaschine
(10) erfasst wird, und bei dem der Betrieb der Kühleinrichtung (18) von der erfassten Temperatur abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur an einem Ort einer Zylinderkopfdichtung (16) der Brennkraftmaschine (10) erfasst wird, dessen Temperatur (tml; tm2) mit der Temperatur (tk; tw) ) an einem solchen Ort (68) eines Bauteils (14) der Brennkraftmaschine (10) wenigstens im Wesentlichen korreliert, welcher thermisch hochbelastet, innerhalb der Brennkraftmaschine (10) gelegen und nur schwer oder überhaupt nicht zugänglich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur auf einer der Zylinderkopfdichtung (16) zugewandten Dichtfläche (50) eines Zylinderkopfs (14) an einer Stelle (51) erfasst wird, welche im Hinblick auf die Temperatur mit der Temperatur an einem thermisch hochbelasteten Ort (68) eines Zylinderkopfs (14) korreliert, welcher auf der Brennraumseite des Zylinderkopfs (14) neben dem Auslassventil (46) liegt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur (tf) des Kühlfluids erfasst wird und der Betrieb der Kühleinrichtung (18) auch von der erfassten Temperatur (tf) des Kühlfluids abhängt .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bauteiltemperatur (tm2) auf einer der Zylinderkopfdichtung (16) zugewandten Dichtfläche (54) eines Zylinders (43) an einem Ort erfasst wird, welcher einem benachbarten Zylinder (44) am nächsten ist, und dass die Temperatur (tf) des Kühlfluids in einem Strömungsraum
(52) zwischen den beiden benachbarten Zylindern (43, 44) erfasst wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Kühleinrichtung (18) so beeinflusst wird, dass die gewünschte Temperatur (tk) an dem innerhalb der Brennkraftmaschine (10) gelegenen und nur schwer oder überhaupt nicht zugänglichen Ort (68) des Bauteils (14) in etwa konstant gehalten wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Kühleinrichtung (18) so beeinflusst wird, dass im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine (10) im Kühlmittel an keiner Stelle Blasensieden auftritt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Kühleinrichtung (18) so beeinflusst wird, dass im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine (10) im Kühlmittel wenigstens bereichsweise leichtes Blasensieden auftritt, derart, dass der Wärmeübergangskoeffizient oder die Wärmestromdichte in den entsprechenden Bereichen in etwa maximal ist .
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom (dm/dt) und die Temperatur (tf) des Kühlfluids so beeinflusst werden, dass die gewünschte Bauteiltemperatur (tk) mit der geringstmöglichen Förderleistung der Kühleinrichtung (18) erzielt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus der ermittelten Bauteiltemperatur (tk) und der erfassten Temperatur (tf) des Kühlfluids und/oder aus einer Strömungsgeschwindigkeit (dm/dt) des Kühlfluids und/oder aus einem Druck des Kühlfluids und/oder aus einer Last (rl) der Brennkraftmaschine (10) jene Temperatur (gtf) des Kühlfluids ermittelt wird, bei der leichtes Blasensieden im Kühlfluid auftritt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrieb der Kühleinrichtung (18) so beeinflusst wird, dass ein Schmiermittel, mit dem bewegliche Teile und/oder Lager der Brennkraftmaschine (10) geschmiert werden, im Normalbetrieb der Brennkraftmaschine
(10) in etwa eine gewünschte Temperatur (to) aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn die maximale Leistung (dmmax/dt) der Kühleinrichtung (18) erreicht und eine bestimmte Temperatur im Kühlmittel und/oder eine bestimmte Temperatur (tkmax) an einem Bauteil (14) und/oder in dem Schmiermittel erreicht oder überschritten wird, die Leistung (rl) der Brennkraf maschine derart (10) begrenzt wird, dass das Kühlmittel und/oder das Bauteil (14) und/oder das Schmiermittel die bestimmte Temperatur (tkmax) nicht überschreitet oder mindestens auf die bestimmte Temperatur abkühlt.
12. Computerprogramm, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche geeignet ist, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird.
13. Computerprogramm nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es auf einem Speicher, insbesondere auf einem Flash-Memory, abgespeichert ist.
14. Steuer- und/oder Regelgerät (66) zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Speicher umfasst, auf dem ein Computerprogramm nach einem der Ansprüche 12 oder 13 abgespeichert ist.
15. Brennkraftmaschine (10), mit einer Kühleinrichtung (18), welche aus einem Bereich (12, 14) der
Brennkraftmaschine (10) mittels eines Kühlfluids thermische Energie abführt, mit mindestens einem Temperatursensor (38; 40; 42, 56), welcher die Temperatur (tml; tm2 ; tf; to) an einem Ort der Brennkraf maschine (10) erfasst, und mit einer Einrichtung (66), welche den Betrieb der Kühleinrichtung (18) abhängig vom Signal des Temperatursensors (38,; 40; 42; 56) beeinflusst, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (38, 40) an einem Ort einer Zylinderkopfdichtung (16) der Brennkraftmaschine
(10) angeordnet ist, welcher so gewählt ist, dass seine Temperatur (tml; tm2) mit der Temperatur (tk; tw) an einem Ort (68) eines Bauteils (14; 43) der Brennkraftmaschine
(10) wenigstens im Wesentlichen korreliert, welcher thermisch hochbelastet, innerhalb der Brennkraftmaschine
(10) gelegen und nur schwer oder überhaupt nicht zugänglich ist.
16. Brennkraftmaschine (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (38; 40) in eine Zylinderkopfdichtung (16) der Brennkraftmaschine (10) integriert ist.
17. Brennkraftmaschine (10) nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuer- und/oder Regelgerät (66) nach Anspruch 15 umfasst.
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