DE102011001426A1

DE102011001426A1 - Brennkraftmaschine mit einem Lüftersystem

Info

Publication number: DE102011001426A1
Application number: DE201110001426
Authority: DE
Inventors: Markus Lechler; Karl Hägele
Original assignee: Hagele GmbH; Haegele GmbH
Current assignee: Hagele GmbH; Haegele GmbH
Priority date: 2011-03-21
Filing date: 2011-03-21
Publication date: 2012-09-27

Abstract

Ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine ist insbesondere auch durch die Art der für die Einstellung der Lüfterleistung seines in der Förderrichtung umstellbaren Lüfterrades durch einen einfachen Aufbau geprägt und genügt hohen Sicherheitsanforderungen, durch die sich insbesondere durch Versagen des Kühlsystems oder Fehlfunktionen des Kühlsystems ergebende Motorschäden vermeiden lassen, und dies bei einem hohen Wirkungsgrad des Kühlsystems trotz der Möglichkeit, dieses sowohl blasend als auch saugend einzusetzen, und damit auch für Reinigungszwecke zu nutzen.

Description

Brennkraftmaschinen mit Lüftersystemen, die mit einem in seiner Lüfterleistung einstellbaren Lüfterrad arbeiten, sind in vielen Varianten bekannt, so insbesondere auch in Ausgestaltungsformen, bei denen das Lüfterrad temperaturabhängig, sei es über eine Viskosekupplung oder anderweitig in seiner Drehzahl zur Drehzahl der antreibenden Brennkraftmaschine veränderlich ist. Ferner sind auch Lösungen bekannt, bei denen ein eigenständiger Antrieb für das Lüfterrad vorgesehen ist und dieses somit, beispielsweise über einen Elektromotor angetrieben, in seiner Drehzahl von der Drehzahl der Brennkraftmaschine unabhängig einstellbar ist.
Weiter gibt es Lüftersysteme, die mit einem in der Lüfterleistung einstellbaren Lüfterrad arbeiten, wobei das Lüfterrad zur Verstellung der Lüfterleistung nicht nur in der Drehzahl veränderlich angetrieben ist, sondern auch mit Lüfterflügeln versehen ist, die hinsichtlich ihres Flügelwinkels aktiv oder passiv verstellbar sind. Die Verstellbarkeit der Lüfterflügel bei aktiver Beaufschiagung derselben ist bei Lüfterrädern, wie sie beispielsweise aus der EP 0 945 626 A2 bekannt sind, nicht auf die Änderung des Flügelwinkels unter Beibehalt der Förderrichtung beschränkt, sondern geht so weit, dass unter Beibehalt der Drehrichtung des Lüfterrades dessen Förderrichtung umkehrbar ist. Werden hierbei die Lüfterflügel über eine Querlage zur Umlaufrichtung verdreht, so ist die Umstellung des Lüfterrades auf entgegengesetzte Förderrichtungen auch bei verhältnismäßig kleinen Verdrehwinkeln für die zur Nabe des Lüfterrades radial abragenden und um zur Drehachse des Lüfterrades senkrechte Drehachsen verdrehbaren Lüfterflügel möglich.
Anzustreben ist, Lüfterräder dieser Ausgestaltung insbesondere hinsichtlich der in Abhängigkeit von der geforderten Kühlleistung jeweils vorzunehmenden Einstellung des Flügelwinkels ihrer Lüfterflügel dahingehend ansteuern zu können, dass einerseits eine spontane Anpassung des Flügelwinkels an die jeweils geforderte Kühlleistung möglich ist und andererseits die der geforderten Kühlleistung entsprechenden Flügelwinkel möglichst exakt bei geringem Steueraufwand angefahren werden können, und zwar insbesondere auch bei Nutzung von seitens des Motorsteuergerätes bereits vorhandenen Steuerdaten und bei hoher Betriebssicherheit.
Erreicht wird dies mit den Merkmalen des Anspruches 1, zu denen die nachfolgenden Ansprüche teils auch eigenständig schutzfähige Merkmale enthalten.
Voraussetzung für eine möglichst exakte Abstimmung des jeweils einzustellenden Flügelwinkels auf die geforderte Kühlleistung ist unter mechanischen Gesichtspunkten insbesondere die exakte Erfassung des Stellweges des Stellkolbens im Hinblick auf die über den Stellkolben erfolgende Einstellung der jeweiligen Flügelwinkel. Die hierfür notwendige jeweils aktuelle Erfassung der axialen Stelllage des Stellkolbens in der Nabe, entsprechend einer jeweiligen Flügelwinkelstellung, wird erfindungsgemäß durch eine der Lüfterradnabe zugeordnete Messvorrichtung unmittelbar erfasst. Als eine solche Messvorrichtung kommt insbesondere eine Hallsensorik in Ansatz, und zwar eine Hallsensorik mit am Stellkolben angeordneten Magneten und außen liegend zur Lüfterradnabe bevorzugt lagefest angeordneten Sensor. Für die Sensoranordnung erweist es sich dabei als besonders vorteilhaft und auch als preisgünstig, wenn diese an der nicht mitdrehenden, in der Lüfterradnabe auf den Stellkolben ausmündenden Drehzuführung für das den Stellkolben beaufschlagende Fluid vorgesehen wird. Somit sind sowohl für den Magneten wie auch für den Sensor Befestigungsmöglichkeiten gegeben, die unter Raumgesichtspunkten unkritisch sind und die insbesondere auch mit einfachsten Mitteln, gegebenenfalls sogar durch Kleben zu realisieren sind.
Entsprechend der exakten Erfassbarkeit der jeweiligen Stelllage des Stellkolbens, der zur Stelllage des Kolbens unmittelbar korrespondierenden Flügelwinkelstellung und der für das Lüfterrad durch dessen Antriebsverbindung zur Brennkraftmaschine gegebenen Drehzahl auch des Lüfterrades über das Steuergerät der Brennkraftmaschine ist die Lüfterleistung nahezu exakt auf die geforderte Kühlleistung abzustimmen. Dies ist sowohl kennfeldgesteuert wie auch mit geringem Rechenaufwand über eine Steuereinheit möglich, in der die seitens des Steuergerätes der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehenden Daten, aus denen sich die geforderte Soll-Kühlleistung ergibt, mit den die Stelllage des Stellkolbens beschreibenden Daten zusammengeführt werden, die der jeweiligen aktuellen Flügelwinkelstellung entsprechen. So kann unmittelbar ausgehend hiervon die Stelllage des Stellkolbens und damit die Flügelwinkelstellung an die Soll-Kühlleistung angepasst werden, dies durch entsprechende Fluidbeaufschlagung des Stellkolbens über von der Steuereinheit angesprochene Steuerventile.
Bezogen auf die Übermittlung der seitens des Motorsteuergerätes im Regelfall digital vorliegenden Steuerdaten und die meist analoge Ansteuerung der Steuerventile erweist es sich als zweckmäßig, wenn die vom Motorsteuergerät auf die Steuereinheit zu übermittelnden Daten in Form eines PWM-Signales übermittelt werden, das für die jeweils geforderte Soll-Kühlleistung repräsentativ ist und das über seinen Tastgrad eine unmittelbare Zuordnung zum jeweils einzustellenden Flügelwinkel in einfacher Weise möglich macht. Erfindungsgemäß erfolgt dabei die Zuordnung zweckmäßigerweise derart, dass der minimale Tastgrad von 0% der maximalen Flügelwinkel und der maximale Tastgrad von 100% dem minimalen Flügelwinkel entspricht.
Im Rahmen der Erfindung ist von dem gesamten Verstellbereich des Flügelwinkels, also dem Verstellbereich zwischen dessen Ausgangsstellung beim Saugen und dessen Endstellung beim Blasen, nur ein Teilbereich für den Betrieb mit auf die Soll-Kühlleistung abgestimmtem Flügelwinkel genutzt. Dieser Teilbereich erstreckt sich bei der Erfindung, und insbesondere einem Lüfterrad, dessen Lüfterflügel über eine Querlage zur Umlaufrichtung des Lüfterrades zwischen Saugen und Blasen bzw. umgekehrt umgestellt werden, bezogen auf den Stellweg des Stellkolbens lediglich über einen Abschnitt, der zwischen einer Endlage des Stellkolbens und einer der Umschlagstellung der Lüfterflügel entsprechenden Stelllage liegt. Im Rahmen der Erfindung, insbesondere bei mit über eine Querlage zur Umlaufrichtung drehbaren Lüfterflügeln, kann der Gesamt-Verstellbereich verhältnismäßig klein gehalten werden und liegt der Verstellbereich, der für die Abstimmung des Flügelwinkels auf die Soll-Kühlleistung genutzt wird, bei etwa 40 bis 50°. So, bezogen auf eine zur Drehachse des Lüfterrades senkrechte, in Umlaufrichtung des Lüfterrades sich erstreckende Ebene bei sich entgegen der Umlaufrichtung öffnendem Flügelwinkel, bei etwa 10 bis 20° für minimale Kühlleistungen und bei etwa 40 bis 50° für maximale Kühlleistungen.
Erfindungsgemäß ist somit nur ein größerer Teil des Bereiches, über den der Flügelwinkel in seiner Winkellage entsprechend dem Stellweg des Stellkolbens verstellbar ist, für eine durch die geforderte Kühlleistung bedingte hinreichend exakte Einstellung des Flügelwinkels genutzt, mit einer entsprechenden, hinreichend exakten Ansteuerung des Stellkolbens über die Steuerventile. Für diese können sowohl ausgehend von einem jeweiligen Ansteuerimpuls die Öffnungsdauer und die Schließdauer jeweils als Festzeit vorgegeben sein, oder auch als variabel einstellbare Zeitspanne. Letzteres insbesondere in Verbindung mit einem Drosseleffekt, um eine möglichst gleichmäßige und stoßfreie Verstellung zu erreichen, und dies sowohl unter dem Gesichtspunkt der Verschleißminimierung wie auch der Vermeidung von Schwingungsanregungen.
Die Verwendung einer Hallsensorik zur Erfassung der Stelllage des Stellkolbens bietet ohne Zusatzaufwand auch die Möglichkeit, die Drehzahl des Lüfterrades zu erfassen. Ungeachtet dessen, dass die Drehzahl des Lüfterrades im Hinblick auf die einer Soll-Kühlleistung entsprechende Lüfterleistung über das Motorsteuergerät erfasst und in den seitens des Motorsteuergerätes auf die Steuereinheit übermittelten Informationen berücksichtigt ist, erweist sich die Erfassung der Drehzahl des Lüfterrades über die Hallsensorik mit entsprechender Rückmeldung insbesondere auf die Steuereinheit als zweckmäßig, da so unmittelbar über das Lüfterrad auch festgestellt werden kann, ob dieses bestimmungsgemäß mit der vorgegebenen und beispielsweise einer zur Drehzahl der Brennkraftmaschine korrelierenden Antriebsdrehzahl angetrieben wird.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kühlsystem für Brennkraftmaschinen, bei dem das in seiner Lüfterleistung variable Lüfterrad in Abhängigkeit von der Höhe der für die Brennkraftmaschine bezogen auf deren jeweilige Drehzahl und deren jeweiligen, bei dieser gegebenen Betriebszustand auf die als erforderlich ermittelte Soll-Kühlleistung signalgesteuert einstellbar ist. Diese Signalsteuerung erfolgt bevorzugt ausgehend von einem jeweils vorhergehenden Einstellwert in einer Regelschleife, in der der jeweilige Ist-Flügelwinkel zum Soll-Flügelwinkel abgeglichen wird und Abweichungen durch Ansteuerung des Ein- oder Auslassventiles korrigiert werden, wobei eine Überprüfung der Korrektur der Einstellung des Flügelwinkels auf den Soll-Flügelwinkel erfindungsgemäß auch als Funktionsprüfung für das das Einlass- und das Auslassventil oder einen zumindest das Einlass- und das Auslassventil umfassenden Ventilblock genutzt werden kann.
Die Regelschleife läuft jeweils in einem Ist = Soll-Vergleich für den Flügelwinkel aus und bei vom Soll-Flügelwinkel abweichenden Werten wird ein neuer Durchlauf durch die Regelschleife ausgelöst, wobei für den Durchlauf durch die Regelschleife jeweils eine Gesamtlaufzeit vorgegeben wird, deren Überschreiten als Systemfehler erfasst wird.
Die Gesamtlaufzeit liegt bevorzugt im Sekundenbereich zwischen etwa 10 bis 30 s, insbesondere bei Werten, die in der vorgegebenen Gesamtlaufzeit, bezogen auf Abweichungen zur geforderten Soll-Kühlleistung noch unkritisch sind, und dies auch in Verbindung mit vorgegebenen Festzeiten für die Öffnungs- oder Schließdauer der Steuerventile, die bevorzugt bei einem Bruchteil der Gesamtlaufzeit liegt, so beispielsweise bezogen auf eine Gesamtlaufzeit von 15 s bei etwa 15 ms.
In Verbindung mit derartig abgestimmten Zeitabläufen verbleiben auch hinreichende Beruhigungszeiten, in denen sich das System aus druckbeaufschlagtem und/oder federabgestütztem Stellkolben und zu diesem unter dem jeweiligen Flügelwinkel abgestützten Lüfterflügeln auch bei stoßartigen Beaufschlagungen stabilisieren kann, so dass eine hinreichend genaue Festlegung des jeweiligen Ist-Flügelwinkels möglich ist, wobei die Abfrage dieses eingestellten, in dem vorgegebenen Soll-Flügelwinkel entsprechenden Winkels auch dazu genutzt werden kann, die ordnungsgemäße Funktion der Steuerventile zu überprüfen.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Darstellungen. Es zeigen:
1 eine schematische Teildarstellung eines Lüfterrades im Schnitt,
2 die Anordnung eines Lüfterrades in einer Lage zwischen einer als Motor eingesetzten Hubkolben-Brennkraftmaschine und einem Kühler bei durch Veränderung des Flügelwinkels des Lüfterrades einstellbaren Lüfterleistung und Umkehrbarkeit der Förderrichtung, um dieses im Saug- oder Blasbetrieb zu betreiben,
3 bis 5 Schemadarstellungen des Lüfterrades mit unterschiedlichen Flügelwinkelstellungen,
6 eine Kennfelddarstellung der Beziehung des Flügelwinkels zum Tastgrad eines der geforderten Kühlleistung der Brennkraftmaschine in der Stärke entsprechenden PWM-Signales, und
7 eine schematisierte Darstellung des Lüfterrades und der für die Einstellung des Flügelwinkels von dessen Lüfterflügeln vorgesehenen Steuer-/Regeleinrichtung.
1 zeigt einen Teil eines Lüfterrades 1 in einer schematisierten Schnittdarstellung. Die Drehachse des Lüfterrades 1 ist mit 10 bezeichnet. Zentrisch zur Drehachse 10 liegt die Nabe 4 mit ihrem napfförmigen Nabenkörper 5, der einen Boden 6, eine Nabenwand 7 und überdeckend zu seinem Innenraum 9 einen Deckel 8 aufweist. In der Nabenwand 7 sind über ihr Fußteil 3 die Lüfterflügel 2 gelagert, deren jeweilige Drehachsen 23 in einer zur Drehachse 10 der Nabe 4 senkrechten Ebene liegen. Im durch den Deckel 8 verschlossenen Innenraum 9 des Nabenkörpers 5 ist ein in Richtung derer Drehachse 10 axial verschieblicher Stellkolben 11 aufgenommen; dessen Kolbenboden 13 dem Deckel 8 zugewandt ist und dessen Kolbenwand 12 parallel und benachbart zur Nabenwand 7 verläuft, wobei über Ringdichtungen 15 der Ringspalt zwischen Kolbenwand 12 und Nabenwand 7 dichtend überbrückt ist, so dass sich zwischen dem Kolbenboden 13 und dem Deckel 8 ein Arbeitsraum 16 ergibt, auf den über eine zur Drehachse 10 konzentrische Drehdurchführung 17 eine Versorgungsleitung 14 mündet. Gegenüberliegend zum fluidbeaufschlagbaren Arbeitsraum 16 ist der Stellkolben 11 elastisch nachgiebig gegen den Boden 6 abgestützt, wobei diese Abstützung in 1 über eine Schraubenfeder 20 veranschaulicht ist, die in einer am Stellkolben 11 rückseitigen Federtasche 19 angeordnet ist. Über den Umfang des Stellkolbens 11 sind mehrere solcher Federtaschen 19 vorgesehen und die axiale Abstützung des Stellkolbens 11 über Schraubenfedern 20 kann auch über anderweitige axial federnde und/oder axial nachgiebig abstützende Stützelemente erfolgen.
Die um ihre jeweilige Drehachse 23 verdrehbaren Lüfterflügel 2 sind über ein jeweiliges Fußteil 3 und Lager 21 zur Napfwand 7 drehgeführt und bezogen auf ihre Drehachse 23 axial abgestützt gehalten. Die axiale Abstützung erfolgt über eine Stützplatte 22, gegen die das jeweilige Fußteil 3 axial verspannt ist und die exzentrisch zur Drehachse 23 mit einem radial gegen den Stellkolben 11 auskragenden Stellzapfen 24 versehen ist, der in eine in der Kolbenwand 7 vorgesehene Vertiefung 25 eingreift, die als Sacklochbohrung oder auch als Ringnut ausgebildet sein kann.
Entsprechend der Exzentrizität des Stellzapfens 24 zu den Drehachsen 23 der jeweiligen Lüfterflügel 2 hat eine axiale Verstellung des Stellkolbens 11 in Richtung der Drehachse 10 des Lüfterrades 1 eine Verdrehung der Lüfterflügel 2 um ihre jeweilige Drehachse 23 zur Folge.
Diese axiale Verstellung erfolgt über die Beaufschlagung des Arbeitsraumes 16 mit einem unter Druck stehenden Arbeitsfluid, insbesondere Druckluft, die über die Drehdurchführung 17 zum Arbeitsraum 16 zu- und abgeführt wird, wobei dies bevorzugt über zur Versorgungsleitung 14 steuernde Ventile 54, 55 oder dergleichen erfolgt.
In 1 ist weiter eine Messvorrichtung 26 angedeutet, über die die axiale Stelllage des Stellkolbens 11, und damit indirekt auch die Drehlage der Lüfterflügel 2 zur Drehachse 23, und damit der Flügelwinkel 33 detektiert werden kann, wobei der Stellkolben 11 druckbeaufschlagt in der einen Richtung, das heißt entgegen der federnden Abstützung beispielsweise über die Schraubenfedern 20, und in Gegenrichtung federkraftbeaufschlagt verstellbar ist. 2 veranschaulicht stark schematisiert die Anordnung eines solchen Lüfterrades zwischen einer Brennkraftmaschine 18 und einem zur Brennkraftmaschine 18 vorgelagerten Kühler 27. In Abhängigkeit von der jeweiligen Drehlage der Lüfterflügel 2 bezogen auf ihre Drehachse 23 arbeitet das Lüfterrad 1 saugend, das heißt entsprechend dem Pfeil 28 in Richtung auf die Brennkraftmaschine 18 fördernd oder blasend, das heißt in Richtung des Pfeiles 29 auf den Kühler 27 fördernd, so beispielsweise um vom Kühler Verunreinigungen abzublasen. Die Drehrichtung des Lüfterrades 1 ist im saugenden Betrieb (Pfeil 28) und im blasenden Betrieb (Pfeil 29) stets die Gleiche und durch den Pfeil 30 veranschaulicht, so dass sich in Draufsicht auf das Lüfterrad die Umlaufrichtung entsprechend dem Pfeil 31 darstellt.
Eine dem saugenden Betrieb (Pfeil 28) entsprechende Flügelstellung ist in 2 für den dort dargestellten, senkrecht zur Zeichenebene stehenden Lüfterflügel 32 gezeigt. Der zugehörige Flügelwinkel ist mit 33 bezeichnet und öffnet sich, bezogen auf die gezeigte Winkellage des Lüfterflügels 2, entgegen der Umlaufrichtung 31. Über die Größe des Flügelwinkels 33 wird, bezogen auf eine jeweilige Drehzahl des Lüfterrades 1, die Lüfterleistung bestimmt, die, bezogen auf den saugenden Betrieb (Pfeil 28), mit zunehmendem Flügelwinkel 33 wächst. Die Umstellung des Lüfterflügels beim Wechsel vom saugenden zum blasenden Betrieb erfolgt entsprechend dem Pfeil 34 über eine Querlage zur Umlaufrichtung 31 und vollzieht sich weitgehend schlagartig, wenn diese Querlage erreicht ist.
Veranschaulicht ist dies auch nochmals in den 3 bis 5, wobei im Wesentlichen auf die gleichen Bezugszeichen zurückgegriffen wird. Die 3 und 4 betreffen dabei den, bezogen auf die seitens der Brennkraftmaschine 18 geforderte Kühlleistung, im Flügelwinkel zwangsgesteuerten Saugbetrieb, in dem der jeweilige Flügelwinkel über den Stellkolben 11 entsprechend der geforderten Kühlleistung eingestellt wird, somit eine Abstimmung der Lüfterleistung auf die Kühlleistung gegeben ist, so dass ein im Wirkungsgrad optimierter Kühlbetrieb erreicht wird, mit minimiertem Anteil der für die Kühlung benötigten Leistung der Brennkraftmaschine.
5 zeigt die Flügelstellung im Blasbetrieb, die erreicht wird, wenn der Lüfterflügel 32, entsprechend 2, über die Querlage zur Umlaufrichtung entsprechend Pfeil 34 verstellt wird, wobei in diesem Bereich zwar auch, aufgrund der mechanischen Kopplung, der jeweilige Flügelwinkel an eine jeweilige Stelllage des Stellkolbens 11 gebunden ist, die Stelllage des Stellkolbens 11 aber nicht über die Druckbeaufschlagung des Arbeitsraumes 16 abhängig von der geforderten Kühlleistung eingesteuert wird. Vielmehr ist der Stellkolben 11 auf eine Endstellung druckbelastet eingefahren, die der für die Reinigung durch Blasen vorgegebenen Endlage des Stellkolbens 11 entspricht.
Die für die Einstellung einer Lüfterleistung entsprechend der seitens der Brennkraftmaschine 18 geforderten Kühlleistung erforderlichen Daten liegen im Regelfall im Motorsteuergerät 50 vor und 6 zeigt diesbezüglich bezogen auf ein mit in zur Brennkraftmaschine 18 korrespondierender Drehzahl angetriebenes Lüfterrad 1 eine Ansteuerung zur Einstellung des Flügelwinkels 33 für die Lüfterflügel 2, 32 entsprechend der motorseitig geforderten Kühlleistung.
Fallweise sind die der geforderten Kühlleistung entsprechenden Steuerdaten bereits dahingehend verarbeitet, dass sie als ein in der Signalstärke der geforderten Kühlleistung entsprechendes Signal abrufbar sind. So insbesondere bei Lösungen, bei denen ein Lüfterrad über eine Viskosekupplung angesteuert ist, über die die Drehzahl des Lüfterrades in Abhängigkeit der Stärke des Ansteuersignals eingestellt wird. Beispielsweise in dieser Lösung wird vom Motorsteuergerät 50 ein in seiner Signalstärke der geforderten Kühlleistung entsprechendes PWM-Signal 52 der Steuereinheit 51 zugeführt, über die die Druckbeaufschlagung für den Stellkolben 11 im Hinblick auf die Einstellung einer der geforderten Kühlleistung entsprechenden Flügelwinkelstellung gesteuert wird, und dies bezogen auf eine Drehzahl des Lüfterrades 1, die zur Drehzahl der Brennkraftmaschine in einem vorgegebenen, insbesondere festen Verhältnis steht.
Eine diesbezügliche erfindungsgemäße Lösung ist beispielsweise, dass die Drehzahl des Lüfterrades 1 der Drehzahl der Brennkraftmaschine entspricht, bei entsprechender Antriebsverbindung zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Über eine zwischengeschaltete Getriebeverbindung, beispielsweise einen Riementrieb, lässt sich auch in anderer Weise ein jeweils fest vorgegebenes Drehzahlverhältnis realisieren.
Von dem grundsätzlich für die Einstellung auf die geforderte Kühlleistung nutzbaren Flügelwinkelbereich 53 – wie in 3 angegeben – zwischen sich quer zur Drehachse 10 1 und in Umlaufrichtung 31 des Lüfterrades 1 erstreckendem Lüfterflügel 2, 32 und einer Einstelllage, in der sich der Lüfterflügel 2, 32 quer zur Umlaufrichtung 31 und in Richtung einer die Drehachse 10 enthaltenden Ebene erstreckt, ist nur ein Teilbereich für die durch die Einstellung des Flügelwinkels beeinflusste Einstellung der Lüfterleistung auf die seitens der Brennkraftmaschine geforderte Kühlleistung genutzt. Dieser Teilbereich, der aus den schematisierten Darstellungen gemäß 3 und 4 ersichtlich ist, erstreckt sich in den beispielhaften Darstellungen gemäß 3 und 4 zwischen einem Flügelwinkel von 13° und einem Flügelwinkel von 45°, wobei die Lüfterleistung mit zunehmendem Flügelwinkel abnimmt und insbesondere eine Auslegung dahingehend gegeben ist, dass der kleinere, der größeren Lüfterleistung entsprechende Flügelwinkel der maximal geforderten Kühlleistung entspricht und umgekehrt der größere Flügelwinkel zur kleineren Lüfterleistung und zur kleineren geforderten Kühlleistung korrespondiert.
Diesem Zusammenhang entsprechend wird über das PWM-Signal (Pulsweiten moduliertes Signal) 52 vom Motorsteuergerät 50 die Steuereinheit 51 angesprochen, und es wird beispielsweise, wie in einem Kennfeld gemäß 6 veranschaulicht, in Abhängigkeit von der Starke des PWM-Signales 52 ein jeweiliger Flügelwinkel (FW) vorgegeben, wobei in 6 der Flügelwinkel zum in Prozenten angegebenen Tastgrad des PWM-Signales in Beziehung gesetzt ist. Ein Tastgrad von 100% entspricht dabei, bezogen auf den erfassten Flügelwinkelbereich, dem kleinsten Flügelwinkel und damit der maximalen Lüfterleistung, entsprechend der seitens der Brennkraftmaschine 18 geforderten maximalen Kühlleistung. Umgekehrt entspricht ein Tastgrad von 0% dem maximalen Flügelwinkel des erfassten Flügelwinkelbereiches, und damit der minimalen, eingestellten Lüfterleistung, entsprechend einer minimalen, seitens der Brennkraftmaschine geforderten Kühlleistung.
Ausgehend hiervon erfolgt über die Steuereinheit 51 die Ansteuerung von Steuerventilen 54, 55, über die die in Fluidbeaufschlagung, insbesondere Luftbeaufschlagung des Stellkolbens 11 entsprechend deren Öffnungs- und Schließzeiten, eingestellt wird. Hierbei bildet das Steuerventil 54 das Einlassventil, Steuerventil 55 das Auslassventil, die den Steuerventilen zugeordneten Steuerleitungen sind mit 56 und 57 bezeichnet. Ausgehend von den Steuerventilen 54, 55 erfolgt die Zuführung des Fluids auf den Arbeitsraum 16 über die Drehdurchführung 17, wie in 1 schon veranschaulicht, an der als Teil der Messvorrichtung 26 der Sensor 35 einer Hallsensorik 36 angeordnet ist, deren Magnet 37 dem Kolbenboden 13 zugeordnet am Stellkolben 11, oder auch integriert in den Stellkolben 11, beispielsweise in einer Tasche desselben vorgesehen ist.
7 veranschaulicht weiter, dass die insbesondere als Hallsensorik 36 ausgebildete Messvorrichtung 26 die entsprechend der Fluidbeaufschlagung sich ergebende Stelllage des Stellkolbens 11, und damit auch den jeweiligen Flügelwinkel erfasst und ein entsprechendes Rücksignal 58 an die Steuereinheit 51 abgibt, welche ihrerseits auf das Motorsteuergerät 50 rückgekoppelt ein Rückmeldesignal 59 für das Motorsteuergerät 50 liefert.
7 veranschaulicht weiter, dass über die insbesondere als Hallsensorik 36 ausgebildete Messvorrichtung 26 auch die Drehzahl des Lüfterrades 1 erfasst und auf die Steuereinheit 51, wie bei 60 angedeutet, rückgemeldet werden kann. Über den Abgleich der so erfassten Drehzahl des Lüfterrades 1 mit der im Motorsteuergerät 50 erfassten und zur Motordrehzahl korrespondierenden Drehzahl lässt sich überprüfen, ob die über das Motorsteuergerät 50 verarbeiteten und für das der Steuereinheit 51 zugeführte PWM-Signal genutzten Parameter bezüglich der Einstellung des jeweiligen Flügelwinkels zu einem den Vorgaben entsprechenden Ergebnis geführt haben. Abweichungen zwischen der seitens des Motorsteuergerätes 50 ermittelten Drehzahl des Lüfterrades 1 und dem Drehzahlsignal 60 als Rückmeldesignal ermöglichen die Überprüfung der Signalkette einschließlich der in der Signalkette angesprochenen Steuerventile 54, 55, so dass die Messvorrichtung 26, insbesondere in ihrer Ausbildung als Hallsensorik 36, auch ohne Zusatzaufwand eine Funktionsüberprüfung hinsichtlich der Übereinstimmung zwischen geforderter Kühlleistung einerseits und dieser entsprechender Lüfterleistung andererseits ermöglicht.
Ausgehend von einem derartigen Aufbau einer Brennkraftmaschine 18 mit einem Lüftersystem, das ein in seiner Lüfterleistung einstellbares Lüfterrad 1 mit verstellbaren Lüfterflügeln 2 aufweist, und in entsprechender Weise einem Kühlsystem für Brennkraftmaschinen mit einem dem Lüftersystem der Brennkraftmaschine zugeordneten Lüfterrad, ist eine Regelung zweckmäßig, für die einleitende Voraussetzung ist, dass ausgehend von dem Tastgrad des seitens des Motorsteuergerätes 50 an die Steuereinheit 51 gelieferten PWM-Signales eine Mindestgröße des Tastgrades, also die geforderte Kühlleistung und der dieser entsprechenden Lüfterleistung gegeben ist. Ist diese Voraussetzung, und damit auch die Voraussetzung für eine hinreichend genaue Bestimmung des Flügelwinkels gegeben, so wird für eine zu durchlaufende Regelschleife eine Gesamtlaufzeit vorgegeben, in der die Regelschleife durchlaufen sein muss. Ist dies nicht gegeben, so wird über ein aktualisiertes Rücksignal zum Motorsteuergerät ein erneuter Regelungsdurchlauf mit Abfrage des Tastgrades eingeleitet.
Die im Regelfall als Gesamtlaufzeit für das Durchlaufen der Regelschleife gesetzte Zeit beginnt nach Umrechnung des PWM-Signals in den jeweils entsprechenden Flügelwinkel mit einem Vergleich dieses Flügelwinkels als Soll-Flügelwinkel gegen den, Ist-Flügelwinkel. Ergeben sich hierbei Abweichungen, so wird in Abhängigkeit davon, ob der Ist-Flügelwinkel zu groß oder zu klein ist, das als Ablassventil oder als Zuflussventil arbeitende Steuerventil 54, 55 angesprochen und damit der Stellkolben 11 beaufschlagt.
Für das jeweilige Steuerventil ist dabei bevorzugt als Festzeit eine Öffnungs- oder Schließzeit vorgegeben. Es kann aber auch zweckmäßig sein, mit einer zum Beispiel in Abhängigkeit an der Größenordnung der jeweils geforderten Verstellung des Flügelwinkels für die Lüfterflügel abhängigen Öffnungs- oder Schließzeiten zu arbeiten. Dies insbesondere bei der Ansteuerung der Steuerventile für Betriebsbereiche, die außerhalb des Bereiches liegen, in dem die Lüfterleistung in Abhängigkeit von der geforderten Kühlleistung, also vorgegeben durch die geforderte Kühlleistung, durch Veränderung der Flügelwinkelstellung eingestellt wird.
Der im Regelungsablauf durch Ansprechen der Steuerventile 54, 55 jeweils eingestellte Flügelwinkel wird als aktualisiertes Rücksignal im Steuergerät für ein aktualisiertes PWM-Signal genutzt. Bevorzugt anschließend an eine Pausenzeit wird der Flügelwinkel erneut abgefragt. Dies bildet die Grundlage für einen weiteren Ist-Sollvergleich des Flügelwinkels, von dem ausgehend bei Abweichungen ein erneuter Durchlauf durch die Regelschleife eingeleitet wird.
Veränderungen im Flügelwinkel bezogen auf dessen vor Einleitung einer etwa notwendigen Korrektur durch Ansteuerung der Steuerventile gegebenen Wert im Vergleich zum nach der Korrektur durch Ansteuerung der Steuerventile gemessenen Wert werden in der Regelschleife in Signale zu einer Überprüfung dahingehend genutzt, ob die gegebenenfalls in einem Ventilblock zusammengefassten Steuerventile entsprechend den Vorgaben gearbeitet haben oder ob sich in der Ansteuerung der Steuerventile und/oder auch an den Steuerventilen Funktionsstörungen ergeben haben, wobei die vorgegebene Wartezeit auch die Erfassung etwaiger Leckagen durch nicht ordnungsgemäß schließende Steuerventile ermöglicht.
Die Erfindung ist insbesondere in Verbindung mit einer derartigen Regelung durch einen besonders einfachen Aufbau geprägt, der auch hohen Sicherheitsanforderungen genügt, durch die sich insbesondere durch Versagen des Kühlsystems oder Fehlfunktionen des Kühlsystems ergebende Motorschäden vermeiden lassen, und dies bei einem hohen Wirkungsgrad des Kühlsystems trotz der Möglichkeit, dieses sowohl blasend als auch saugend einzusetzen, und damit auch für Reinigungszwecke zu nutzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0945626 A2 [0002]

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Lüftersystem, das ein in seiner Lüfterleistung einstellbares Lüfterrad aufweist, und mit einem Steuergerät, von dem der jeweiligen Soll-Kühlleistung für die Brennkraftmaschine, und/oder für den zumindest die Brennkraftmaschine umfassenden Kühlkreislauf, entsprechende Steuerdaten zur Einstellung der Lüfterleistung des Lüfterrades vorgegeben werden, – wobei das Lüfterrad zur Lüfterradnabe radiale Lüfterflügel aufweist, die in ihrem Flügelwinkel über einen Stellkolben einstellbar sind, der über Steuerventile fluidbeaufschlagt ansteuerbar in der Lüfterradnabe axial verschieblich geführt ist, – wobei die Lüfterflügel bei zur gleichbleibenden Umlaufrichtung des Lüfterrades aufeinander entgegengesetzte Richtungen, insbesondere über eine zur Umlaufrichtung quer liegende Umschlagstellung, einstellbar sind – wobei die aktuelle axiale Stellung des Stellkolbens in der Lüfterradnabe über eine Messvorrichtung, insbesondere eine Hallsensorik mit am Stellkolben angeordnetem Magneten und amen liegend zur Lüfterradnabe lagefest angeordnetem Sensor, erfasst wird, – wobei eine Steuereinheit vorgesehen ist, in der als Ist-Wert die Flügelwinkelstellung erfasst ist, die der aktuellen Stelllage des Stellkolbens entspricht, und gegen eine als Sollwert vorgegebene Flügelwinkelstellung abgeglichen wird, die bei gleicher Drehzahl der für die Brennkraftmaschine geforderten Soll-Kühlleistung entspricht und vom Steuergerät auf die Steuereinheit als den Sollwert der Flügelwinkelstellung in seiner Stärke wiedergebendes Eingabesignal übermittelt wird, und – wobei Abweichungen zwischen dem Ist- und dem Sollwert des Flügelwinkels in der Steuereinheit erfasst und in Steuersignale für die Steuerventile umgesetzt werden, über die die Beaufschlagung des Stellkolbens auf seine der Soll-Flügelwinkelstellung entsprechende Stelllage erfolgt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollkühlleistung der Brennkraftmaschine der Kühlleistung entspricht, die bezogen auf die jeweilige Drehzahl der Brennkraftmaschine und den jeweiligen bei dieser Drehzahl gegebenen Betriebszustand der Brennkraftmaschine gefordert ist.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollkühlleistung als Eingangssignal, über ihr Leistungsspektrum in der Signalstärke gewichtet, erfasst und zum Flügelwinkel rechnerisch, graphisch und/oder kennfeldgesteuert derart in Beziehung gesetzt wird, dass – in der Größenordnung – zur minimalen Signaistärke des Eingangssignals der der maximalen Kühlleistung entsprechende maximale Flügelwinkel korrespondiert, insbesondere derart, dass bei Signalausfall der maximale Flügelwinkel und die maximale Kühlleistung gegeben ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangssignal, das insbesondere durch ein PWM-Signal gebildet ist, derart in Beziehung zum Flügelwinkel steht, dass, bezogen auf ein PWM-Signal, ein Tastgrad von 0% des PWM-Signals dem maximalen Flügelwinkel und ein Tastgrad von 100% des PWM-Signals dem minimalen Flügelwinkel entspricht.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der minimale oder maximale Flügelwinkel bezogen auf den Verstellweg des Stellkolbens etwa der Stellung des Stellkolbens entspricht, von der aus der Stellkolben durch Druckbeaufschlagung verfahrbar ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Flügelwinkel, in Draufsicht auf die Flügelachse, durch den vom Lüfterflügel gegen die Umlaufebene des Lüfterrades eingeschlossen und sich entgegen der Umlaufrichtung des Lüfterrades öffnenden Winkel gebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Hallsensorik die Stelllage des Stellkolbens und die Drehzahl des Lüfterrades erfasst wird.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerventile durch als 3/2-Wege-Ventile ausgebildete Einlass- und Auslassventile gebildet sind.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit nachgeordnet oder integriert zum Steuergerät vorgesehen ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hallsensorik einen Drehzahlgeber für das Lüfterrad bildet.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die über das Steuergerät der jeweiligen Soll-Kühlleistung zugeordnete Drehzahl des Lüfterrades über die Hallsensorik als Drehzahlgeber überwacht wird.
Kühlsystem für Brennkraftmaschinen mit einem dem Lüftersystem der Brennkraftmaschine zugeordneten Lüfterrad, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Lüfterrad in seiner Lüfterleistung variabel und in Abhängigkeit von der Höhe der für die Brennkraftmaschine – bezogen auf deren jeweilige Drehzahl und deren jeweiligen, bei dieser Drehzahl gegebenen Betriebszustand – als erforderlich ermittelten Soll-Kühlleistung signalgesteuert einstellbar ist.
Kühlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Lüfterrades auf die ermittelte Soll-Kühlleistung, insbesondere bezogen auf ein Lüfterrad mit im Flügelwinkel verstellbaren Lüfterflügeln, ausgehend vom jeweils vorhergehenden Einstellwert in einer Regelschleife erfolgt, in der der jeweilige Ist-Flügelwinkel zum Soll-Flügelwinkel abgeglichen wird und Abweichungen durch Ansteuerung des Einlass- oder Auslassventiles korrigiert werden, wobei eine Überprüfung der Korrektur der Einstellung des Flügelwinkels auf den Soll-Flügelwinkel als Funktionsprüfung für den zumindest das Einlass- und das Auslassventil umfassenden Ventilblock genutzt wird.
Kühlsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschleife in einem Ist = Soll-Vergleich für den Flügelwinkel ausläuft, bei vom Soll-Flügelwinkel abweichenden Werten ein erneuter Durchlauf durch die Regelschleife beginnt und dass für den Durchlauf durch die Regelschleife bis zum Ist = Soll-Vergleich eine Gesamtlaufzeit vorgegeben ist, deren Überschreiten als Systemfehler erfasst wird.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass entsprechend der festgelegten Gesamtlaufzeit für den Durchlauf der Regelschleife – und des innerhalb dieser Gesamt laufzeit im Regelfall geringen Verstellweges des Stellkolbens – für die Ein- und Auslassventile als Öffnungs- bzw. Schließzeit jeweils eine Festzeit vorgegeben ist, die einem Bruchteil der Gesamtlaufzeit entspricht.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelschleife Teil eines Regelkreises ist, für den eingangsseitig der Tastgrad der zur Soll-Kühlleistung, bzw. dem dieser entsprechenden Soll-Flügelstellung entsprechenden Signale, insbesondere PWM-Signale, abgefragt wird, derart, dass nur bei Überschreiten eines vorgegebenen Mindest-Tastgrades der Übergang auf die Regelschleife mit für diese vorgegebener Gesamtlaufzeit erfolgt.