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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.
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Bei einer mobilen Arbeitsmaschine, wie beispielsweise einem Bagger oder Traktor reicht der Fahrtwind in der Regel nicht aus, um Wärmetauscher mit der erforderlichen Strömungsgeschwindigkeit zu durchströmen. Daher weisen diese Arbeitsmaschinen einen entsprechend groß dimensionierten Lüfter und Lüfterantrieb auf. Der Lüfter wird von der Verbrennungskraftmaschine der Arbeitsmaschine angetrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren zum Betreiben einer mit einer Welle eines Lüfters gekoppelten Schwungmasse, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, ein Lüfter mit einer Schwungmasse, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.
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Groß dimensionierte Lüfter können einen erheblichen Anteil einer Gesamtleistung einer Arbeitsmaschine beziehen. Dieser Anteil kann kurzzeitig zum Bewältigen einer Hauptaufgabe der Arbeitsmaschine verwendet werden, wenn der Lüfter variabel angetrieben werden kann beziehungsweise abgeworfen werden kann. So können kurzzeitig auftretende Lastspitzen bewältigt werden, ohne den Motor der Arbeitsmaschine abzuwürgen.
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Durch eine mit dem Lüfter in Rotation versetzte Schwungmasse kann Energie gespeichert werden, die eine Lüfterdrehzahl während eines Freilaufs des Lüfters nur schwach absinken lässt.
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Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer mit einer Welle eines Lüfters gekoppelten Schwungmasse vorgestellt, wobei der Lüfter über eine ansteuerbare (und beispielsweise in einer Kraftübertragung variable oder variierbare) Kraftübertragungseinrichtung von einem Motor angetrieben wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Einlesen eines Anforderungssignals, das eine von dem Motor geforderte Antriebsleistung repräsentiert;
Bestimmen eines Sollwerts für eine Lüfterleistung des Lüfters unter Verwendung der geforderten Antriebsleistung und/oder einem Motorkennfeld des Motors; und
Bereitstellen eines Steuersignals für die Kraftübertragungseinrichtung unter Verwendung des Sollwerts.
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Unter einem Lüfter kann ein Ventilator verstanden werden. Insbesondere kann der Lüfter ein Axialventilator sein. Unter einem Motorkennfeld des Motors kann eine Abhängigkeit des Drehmoments des Motors von der Drehzahl des Motors verstanden werden. Der Lüfter weist eine Lüfterkennlinie auf, die einen Zusammenhang zwischen einer Lüfterdrehzahl des Lüfters und einem erforderlichen Drehmoment am Lüfter repräsentiert. Das Drehmoment steigt mit zunehmender Drehzahl an. Dabei repräsentiert die Lüfterkennlinie eine vom Lüfter aufgenommene Leistung. Eine Schwungmasse nimmt Leistung bei Beschleunigungsvorgängen auf und gibt Leistung bei Verzögerungsvorgängen ab. Eine (beispielsweise variable oder variierbare) Kraftübertragungseinrichtung kann ein Getriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis sein. Ein Motor kann insbesondere ein Verbrennungsmotor sein. Ein Anforderungssignal kann ein elektrisches Signal sein.
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Der Sollwert kann verringert werden, wenn der Motor ein Leistungsdefizit aufweist. Der Sollwert kann erhöht werden, wenn der Motor eine Leistungsreserve aufweist. Ein Leistungsdefizit bedeutet, dass eine Summe aus allen vom Motor angeforderten Leistungen größer ist, als eine bei einer aktuellen Motordrehzahl von dem Motor verfügbare Gesamtleistung. Unter einem Leistungsüberschuss oder einer Leistungsreserve kann verstanden werden, dass die Summe aus allen vom Motor angeforderten Leistungen kleiner als die bei der aktuellen Motordrehzahl von dem Motor verfügbare Gesamtleistung. Durch ein Anpassen oder Verändern des Sollwerts für die Lüfterleistung kann auf Schwankungen der geforderten Antriebsleistung reagiert werden.
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Im Schritt des Bereitstellens kann das Steuersignal derart bereitgestellt werden, dass die Kraftübertragungseinrichtung den Motor mit der Schwungmasse koppelt, um Energie von der Schwungmasse über die Kraftübertragungseinrichtung zu dem Motor zurückzuführen, wenn die vom Motor geforderte Antriebsleistung größer als eine maximal mögliche Motorleistung ist. Durch ein solches Bereitstellen des Steuersignals wird ein Motor zum Generator und umgekehrt. Durch ein solches Bereitstellen des Steuersignals wird ein Kraftfluss in der Kraftübertragungseinrichtung umgekehrt. So kann im Lüfter und der Schwungmasse gespeicherte Energie als zusätzliche Antriebsleistung am Motor bereitgestellt werden.
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Der Sollwert kann für einen vorbestimmten, kurzen Zeitraum verringert werden, um Lastspitzen zu kompensieren. In dem Zeitraum kann eine Masse des Motors als thermischer Puffer verwendet werden. Ebenso können die zu kühlenden Medien als Puffer dienen. Der Sollwert kann anschließend für einen vorbestimmten Zeitraum erhöht werden, um einen Mittelwert der Kühlleistung durch den Lüfter konstant zu halten.
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Das Anforderungssignal kann ein angefordertes Drehmoment an einem Abtrieb des Motors und eine vom Motor angeforderte Drehzahl des Abtriebs repräsentieren. Ein Soll-Moment für den Motor kann unter Verwendung der angeforderten Drehzahl und des Motorkennfelds ermittelt werden. Der Sollwert kann unter Verwendung des Soll-Moments und des angeforderten Drehmoments bestimmt werden. Der Motor kann drehzahlgeregelt betrieben werden. Dadurch können insbesondere Hydraulikpumpen und/oder Generatoren bestimmungsgemäß und in ihrem herstellungstypischen Betriebsbereich betrieben werden. Bei einer bestimmten Drehzahl kann der Motor dann bei Teillast einen Leistungsüberschuss oder bei Volllast ein Leistungsdefizit aufweisen. Der Motor kann ein vergrößertes Drehmomentband abdecken.
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Im Schritt des Bereitstellens kann ferner ein Motorsteuersignal zum Ansteuern des Motors bereitgestellt werden. Das Motorsteuersignal kann unter Verwendung des Soll-Moments bereitgestellt werden. Das Motorsteuersignal kann das Anforderungssignal ersetzen und/oder ergänzen. Ebenso kann das Motorsteuersignal mit dem Anforderungssignal gemischt werden. Dadurch kann der Motor auf die veränderten Anforderungen reagieren.
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Das Soll-Moment kann ferner unter Verwendung eines Emissionskennfelds des Motors bestimmt werden. Durch ein Emissionskennfeld kann ein günstiger alternativer Arbeitspunkt für den Motor gefunden werden. In dem alternativen Arbeitspunkt kann der Motor geringere Emissionen ausstoßen.
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Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein.
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Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Lüftersteuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Lüftersteuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Hierzu kann das Lüftersteuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.
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Unter einem Lüftersteuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Lüftersteuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Lüftersteuergerät eine Steuerung eines hydrostatischen Getriebes. Hierzu kann das Lüftersteuergerät beispielsweise auf Sensorsignale wie eines Drehmomentsensors und/oder Drehzahlsensors am Motor zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie Regelventile und Stellmotoren.
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Ferner wird ein Lüfter mit einer Schwungmasse vorgestellt, wobei die Schwungmasse und der Lüfter dazu ausgebildet sind, über eine ansteuerbare Kraftübertragungseinrichtung von einem Motor angetrieben zu werden.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Darstellung eines Motors mit einem starr gekoppelten Lüfter;
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2 ein Blockschaltbild eines Lüftersteuergeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine Darstellung eines Lüfters mit einem Schwungrad gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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4 eine Darstellung eines über eine elektromagnetische Kupplung mit einem Motor gekoppelten Lüfters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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5 eine Darstellung eines über einen hydrostatischen Antrieb mit einem Regelventil mit einem Motor gekoppelten Lüfters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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6 eine Darstellung eines über einen hydrostatischen Antrieb mit einer Verstellpumpe mit einem Motor gekoppelten Lüfters gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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7 eine Darstellung eines kurzzeitig reduzierten Leistungseintrags in einen Lüfter gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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8 eine Darstellung einer Änderung einer Lüfterdrehzahl gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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9 ein Kennfeld eines Verbrennungsmotors zum Bestimmen eines Sollwerts gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
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10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Lüfters gemäß einem Ausführungsbeispiel.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine Darstellung eines Motors 100 mit einem starr gekoppelten Lüfter 102. Der Motor 100 ist ein Kolbenmotor beziehungsweise Verbrennungsmotor. Der Lüfter 102 ist über einen Riementrieb 104 mit dem Motor 100 gekoppelt. Der Riementrieb 104 weist ein festes Übersetzungsverhältnis auf. Dadurch ist eine Drehzahl des Lüfters 102 unmittelbar abhängig von einer Drehzahl des Motors 100. Ebenso ist eine Leistungsaufnahme des Lüfters 102 aufgrund seiner charakteristischen Lüfterkennlinie unmittelbar abhängig von der Drehzahl des Motors 100.
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Im Allgemeinen besitzt jedes Fahrzeug einen oder mehrere Kühler für Betriebsmedien. Ein Kühler kann als Wärmetauscher bezeichnet werden. Die Kühler weisen einen Lüfterantrieb 104 auf. Der Lüfterantrieb 104 dient dazu, einen Luftstrom durch den oder die Kühler zu erzeugen. Der Luftstrom führt zu einer Reduzierung der Temperatur des durch den Kühler fließenden Betriebsmediums. Die Betriebsmedien sind je nach Fahrzeug beziehungsweise Fahrzeuggattung das Kühlwasser des Verbrennungsmotors 100, das Motoröl, das Hydrauliköl von Fahrhydraulik oder Arbeitshydraulik einer mobilen Maschine. Mobile Maschinen können als Off-Highway Fahrzeuge bezeichnet werden. Bei Turbomotoren 100 kann die Ladeluft mithilfe eines Ladeluftkühlers (LLK) gekühlt werden.
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Der Kühlleistungsbedarf eines Pkw hängt primär von der Fahrgeschwindigkeit ab, da der Fahrwiderstand und somit die Leistung der Verbrennungskraftmaschine 100 maßgeblich von der Rollreibung und dem Luftwiderstand abhängt, welche jeweils mit der Fahrgeschwindigkeit zunehmen. Der Kühler ist so ausgelegt, dass bei hohen Fahrgeschwindigkeiten der sich ergebende Luftstrom durch den Kühler für ausreichende Kühlleistung sorgt. Der Lüfter 102 von Pkw wird aus diesem Grund überwiegend bei geringen Fahrgeschwindigkeiten oder im Stillstand betrieben und verfügt deshalb über eine geringe Leistung. Die Leistung eines Lüfters 102 eines PKW kann beispielsweise zwischen mehreren Hundert Watt bis wenige kW liegen.
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Off-Highway Fahrzeuge (OHW), die als mobile Arbeitsmaschinen bezeichnet werden können, haben hingegen bereits im Stillstand einen hohen Bedarf an Kühlleistung, da die Leistungsaufnahme der Fahrfunktion und der Arbeitsfunktion nicht von der Fahrgeschwindigkeit abhängen. Beispiele hierfür sind ein Bagger, der im Stillstand mit maximaler Leistung gräbt, sowie ein Radlader, der bei sehr geringer Fahrgeschwindigkeit im Bereich von wenigen km/h Schüttgut verlädt. Aus diesem Grund ist der Lüfterantrieb 104 bei mobilen Arbeitsmaschinen darauf ausgelegt, die maximal notwendige Kühlleistung sicherstellen zu können. Der Lüfterleistungsbedarf von mobilen Maschinen (OHW) liegt aufgrund der geringeren Fahrgeschwindigkeiten gegenüber Pkw also deutlich über dem von Pkws.
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Einfachste Realisierungen eines Lüfterantriebs 104, speziell bei mobilen Maschinen, weisen eine starre Kopplung der Lüfterdrehzahl an die Motordrehzahl auf. Diese kostengünstige Lösung ermöglicht jedoch keine Anpassung an den realen Kühlleistungsbedarf und hat somit eine geringe Energieeffizienz.
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2 zeigt ein Blockschaltbild eines Lüftersteuergeräts 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Lüftersteuergerät 200 ist dazu ausgebildet, einen über eine ansteuerbare und beispielsweise in der Kraftübertragung variable oder variierbare Kraftübertragungseinrichtung 202 mit einem Motor 100 gekoppelten Lüfter 102 und eine Schwungmasse 204 anzusteuern. Die ansteuerbare bzw. variable Kraftübertragungseinrichtung 202 ist mit einer Nebenabtriebswelle 206 des Motors 100 gekoppelt. Eine Hauptabtriebswelle 208 des Motors 100 ist mit einer Last 210 gekoppelt. Die Last ist beispielsweise ein Hydrauliksystem 210 einer Arbeitsmaschine. Die Hauptabtriebswelle 208 und die Nebenabtriebswelle 206 weisen ein festes Drehzahlverhältnis auf. Beispielsweise weist die Nebenabtriebswelle 206 die gleiche Drehzahl auf, wie die Hauptabtriebswelle 208. Der Motor 100 kann auch mehrere Nebenabtriebswellen aufweisen. Die Kraftübertragungseinrichtung 202 ist beispielsweise ein Getriebe mit variablem Übersetzungsverhältnis. Eine Lüfterwelle 212 des Lüfters 102 ist mit der Kraftübertragungseinrichtung 202 gekoppelt. Eine Lüfterdrehzahl des Lüfters 102 kann über die Kraftübertragungseinrichtung 202 im Wesentlichen unabhängig von einer Motordrehzahl des Motors 100 eingestellt werden. Da bei dem Lüfter 102 eine Leistungsaufnahme im Wesentlichen abhängig von der Lüfterdrehzahl ist, wird über die eingestellte Lüfterdrehzahl eine Leistungsabgabe des Motors 100 über seine Nebenabtriebswelle 206 bestimmt.
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Der Lüfter 102 ist direkt mit der Schwungmasse 204 gekoppelt. Hier ist die Schwungmasse 204 an einem Außendurchmesser des Lüfters angeordnet, um mit einer möglichst geringen Masse ein möglichst hohes Trägheitsmoment zu erreichen. Durch die Schwungmasse 204 setzt der Lüfter 102 Veränderungen der Lüfterdrehzahl einen erhöhten Widerstand entgegen. Der Lüfter 102 mit der Schwungmasse 204 ist träge gegen Drehzahländerungen.
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Das Lüftersteuergerät 200 weist eine Einleseschnittstelle 214, eine Einrichtung 216 zum Bestimmen und eine Ausgabeschnittstelle 218 auf. Die Einleseschnittstelle 214 ist mit einem Motorsteuergerät 220 des Motors 100 verbunden. Die Einleseschnittstelle 214 ist dazu ausgebildet, ein Anforderungssignal 222 von dem Motorsteuergerät 220 einzulesen. Das Anforderungssignal 222 repräsentiert einen Wert einer von dem Motor 100 geforderten Antriebsleistung 224. Die Einrichtung 216 zum Bestimmen ist mit der Einleseschnittstelle 214 verbunden. Die Einrichtung 216 zum Bestimmen ist dazu ausgebildet, einen Sollwert 226 für eine Lüfterleistung des Lüfters 102 unter Verwendung der geforderten Antriebsleistung 224 und einem Motorkennfeld 228 des Motors 100 zu bestimmen. Das Motorkennfeld 228 ist dabei in einer Speichereinheit 230 hinterlegt und wird aus dieser ausgelesen. Die Ausgabeschnittstelle 218 ist mit der Einrichtung 216 zum Bestimmen und der Kraftübertragungseinrichtung 202 verbunden. Die Ausgabeschnittstelle 218 ist dazu ausgebildet, ein Steuersignal 232 für die Kraftübertragungseinrichtung 202 unter Verwendung des Sollwerts 226 bereitzustellen.
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Der hier vorgestellte Ansatz kann in Antriebssystemen von Fahrzeugen, im Speziellen von mobilen Arbeitsmaschinen, zum Einsatz kommen. Besonders im Kontext sich verschärfender Emissionsgrenzwerte ist von einer weiteren Reduzierung der Emissionen auszugehen, welche aktuell bereits mit hohen Investitionskosten, wie beispielsweise für die SCR-Einspritzung oder die Hybridisierung verbunden sind. Der hier beschriebene Betriebsmodus ermöglicht eine weitere Reduzierung.
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Mit anderen Worten realisieren bereits vorhandene Komponenten des Lüfterantriebs 202 eine zusätzliche Funktion der Betriebspunktbeeinflussung des Verbrennungsmotors 100. Hierzu wird existierende Hardware um eine Schwungmasse 204 erweitert, sodass die erzielbare Emissionsreduzierung mit verhältnismäßig geringem Bauraumbedarf und Investitionskosten verbunden ist.
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3 zeigt eine Darstellung eines Lüfters 102 mit einem Schwungrad 204 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Lüfter 102 entspricht im Wesentlichen dem Lüfter in 2. Im Gegensatz dazu ist die Schwungmasse 204 hier als separates Schwungrad auf der Lüfterachse 212 ausgeführt. Die Kraftübertragungseinrichtung 202 ist nur teilweise dargestellt. Ein Hydraulikmotor 300 der Kraftübertragungseinrichtung 202 ist mit der Lüfterwelle 212 gekoppelt. Der Hydraulikmotor 300 wird über eine Hydraulikleitung 302 versorgt. Die Hydraulikleitung 302 überträgt durch eine Hydraulikflüssigkeit Energie von einer mit der Nebenabtriebswelle gekoppelten Hydraulikpumpe. Eine übertragene Energiemenge ist dabei durch einen Volumenstrom und einen Druck der Hydraulikflüssigkeit bestimmt.
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In einem Ausführungsbeispiel ist der Hydraulikmotor 300 verstellbar. Dadurch kann ein Volumendurchsatz des Hydraulikmotors 300 pro Umdrehung der Lüfterwelle 212 angepasst werden.
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Durch das Schwungrad 204 weisen der Lüfter 102 und die Lüfterwelle 212 ein hohes Trägheitsmoment auf. Durch das Trägheitsmoment kann in dem rotierenden System aus dem Schwungrad 204, dem Lüfter 102 und der Lüfterwelle 212 Energie gespeichert werden. Dabei wird umso mehr Energie gespeichert, je größer eine Drehzahl der Lüfterwelle 212 ist.
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Die gespeicherte Energie kann dazu verwendet werden, die Drehzahl der Lüfterwelle 212 im Wesentlichen konstant zu halten, wenn ein Kraftfluss von der Kraftübertragungseinrichtung 202 kurzzeitig unterbrochen oder verringert wird.
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Es wird ein Lüfterantrieb 202 mit mechanischem Schwungradspeicher 204 vorgestellt.
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Die Massenträgheit des Lüfterantriebs 102 wird durch Einbringen eines Schwungradspeichers 204 erhöht. Das Schwungrad 204 reduziert die Änderung der Drehzahl des Lüfterantriebs bei variierendem Leistungseintrag aufgrund der gespeicherten Energie in der rotierenden Masse. Mit dem so abgeänderten Antriebssystem kann ein dynamisch veränderlicher Leistungseintrag in den Lüfterantrieb 202 zur Reduzierung von Abgasemissionen oder Kraftstoffverbrauch genutzt werden, ohne dass eine starke Schwankung der Lüfterdrehzahl entsteht und der Fahrer dies negativ wahrnimmt.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz können Emissionen und Kraftstoffverbrauch reduziert werden. Es können bereits vorhandene Bauteile mit einer Erweiterung deren Funktion verwendet werden. Daher entstehen geringe Kosten. Die vorgeschlagene Lösung weist einen geringen bis keinen zusätzlichen Bauraumbedarf auf. Mit einer Zwei-Quadranten-Fähigkeit des Lüfterantriebs 202 kann der Schwungradspeicher 204 den Verbrennungsmotor aktiv boosten und eine höhere Peak-Leistung ermöglichen.
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Durch die Kurzzeitspeicherung von Energie im Lüfter 102, 204 ist eine Art Zusatzboost bei Lastspitzen möglich, der in bestimmten Betriebspunkten einen Betrieb des Verbrennungsmotors in einem besseren Wirkungsgradbereich also höherer Auslastung ermöglicht.
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Falls ein Traktor pflügt, wird eine Kühlerleistung von bis zu 15 kW benötigt. Falls ein Stein beim Pflügen berührt wird, droht die Maschine abgewürgt zu werden. Durch den hier vorgestellten Ansatz kann der Lüfter 102 kurz abgeworfen werden und für beispielsweise fünf Sekunden stehen 15 kW Zusatzleistung an der Kurbelwelle zur Verfügung.
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Bei einem Bagger kann bei Lastspitzen der Kühlerlüfter 102 ebenfalls kurz abgeworfen werden. Der Speicher ist die thermische Masse des Motors und die kinetische Energie des Lüfterrads 102, 204.
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Der Lüfterantrieb 202 wird durch ein mechanisches Schwungrad 204 als Schwungradspeicher erweitert. Es ist eine vereinfachte Darstellung eines hydraulischen Lüfterantriebs mit Schwungradspeicher gezeigt. Das Schwungrad 204 kann als Flywheel bezeichnet werden. Die Schwungmasse 204 kann durch einen schweren beziehungsweise trägen äußeren Rand auch in das Lüfterrad 102 integriert sein. Die Schwungmasse 204 kann auch im Antriebsmotor 300 integriert sein.
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4 zeigt eine Darstellung eines über eine elektromagnetische Kupplung 400 mit einem Motor 100 gekoppelten Lüfters 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Wesentlichen entsprechen der Lüfter 102 und der Motor 100 der Darstellung in 1. Zwischen der Lüfterwelle 212 und der Nebenabtriebswelle 206 des Motors 100 ist auch hier ein Riementrieb 104 angeordnet. Zusätzlich dazu ist die elektromagnetische Kupplung 400 in die Lüfterwelle 212 integriert. Des Weiteren ist wie in 3 ein Schwungrad 204 auf der Lüfterwelle 212 angeordnet. Die elektromagnetische Kupplung 400 wird von dem Lüftersteuergerät 200, wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist angesteuert. Über die elektromagnetische Kupplung 400 kann das auf den Lüfter 102 und das Schwungrad 204 übertragene Drehmoment eingestellt werden.
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Mittels einer diskret schaltbaren, elektromagnetischen Kupplung 400 kann die Lüfterleistung in Stufen an den Kühlbedarf angepasst werden.
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5 zeigt eine Darstellung eines über einen hydrostatischen Antrieb 500 mit einem Regelventil 502 mit einem Motor 100 gekoppelten Lüfters 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der hydrostatische Antrieb 500 besteht aus einer Hydraulikpumpe 504 und einem Hydraulikmotor 300. Der Lüfter 102 entspricht damit im Wesentlichen dem in 3 dargestellten Lüfter. Die Hydraulikpumpe 504 ist direkt mit dem Motor 100 gekoppelt. Die Hydraulikpumpe 504 ist hier über ein Vorgelege 506 beziehungsweise Stirnradgetriebe 506 mit der Nebenabtriebswelle 206 gekoppelt. Die Hydraulikpumpe 504 ist dazu ausgebildet, Hydraulikflüssigkeit aus einem Reservoir 508 in eine Druckleitung 510 zu pumpen. Die Druckleitung 510 verbindet die Hydraulikpumpe 504 mit dem Hydraulikmotor 300. In einer vereinfachten Betrachtungsweise wird im Hydraulikmotor 300 der Druck der Hydraulikflüssigkeit abgebaut und die Drehbewegung für den Lüfter 102 erzeugt. Die drucklose Hydraulikflüssigkeit wird nach dem Hydraulikmotor 300 zurück in das Reservoir 508 geleitet.
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In der Druckleitung 510 ist eine Abzweigung angeordnet. Diese Abzweigung führt zu dem Regelventil 502, über das der Druck in der Druckleitung 510 eingestellt werden kann. Über das Regelventil 502 wird Hydraulikflüssigkeit am Hydraulikmotor 300 vorbei geleitet. Dadurch wird die Leistung des Hydraulikmotors 300 eingestellt. Das Regelventil 502 ist hier mit dem Lüftersteuergerät 200 verbunden, wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist, und wird über dieses angesteuert.
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Bei hydrostatischen Antrieben 500 kann die Übersetzung zwischen Verbrennungsmotor 100 und Lüfterrad 102 kontinuierlich verstellt und somit eine Temperaturregelung realisiert werden. Bei Verstellung eines Druckdifferenzregelventils 502 wird der überschüssige Volumenstrom einer Konstantpumpe parallel am Lüftermotor 300 vorbeigeleitet und so die Lüfterdrehzahl beeinflusst.
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6 zeigt eine Darstellung eines über einen hydrostatischen Antrieb 500 mit einer Verstellpumpe 600 mit einem Motor 100 gekoppelten Lüfters 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der hydrostatische Antrieb 500 entspricht im Wesentlichen dem hydrostatischen Antrieb in 5. Im Gegensatz dazu werden hier der Volumenstrom und der Druck in der Druckleitung 510 über die Verstellpumpe 600 eingestellt. Dadurch entstehen keine Verluste beim Durchströmen des Regelventils in 5. Die Verstellpumpe 600 ist hier mit dem Lüftersteuergerät 200 verbunden und wird durch das Lüftersteuergerät 200 wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist angesteuert.
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Wird eine Verstellpumpe 600 verwendet, so wird der Volumenstrom durch den Lüftermotor 300 durch die Pumpe 600 eingestellt. Diese Variante ist diejenige mit der höchsten Energieeffizienz unter den gezeigten gängigen Antriebslösungen.
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Auf eine Darstellung von Pkw-Antriebslösungen wird verzichtet, jedoch ist der hier vorgestellte Ansatz auch auf diese Systeme übertragbar.
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7 zeigt eine Darstellung eines kurzzeitig reduzierten Leistungseintrags 700 in einen Lüfter gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Leistungseintrag 700 ist hier in einem Diagramm dargestellt, das auf seiner Abszisse eine Zeit in Sekunden und auf seiner Ordinate eine Leistung in Kilowatt aufgetragen hat. Im dargestellten Beispiel ist der Leistungseintrag 700 bis zur Sekunde 500 konstant bei zehn Kilowatt. Bei der Sekunde 500 wird der Leistungseintrag 700 sprunghaft auf null Kilowatt reduziert. Der Leistungseintrag 700 bleibt für fünf Sekunden bei null Kilowatt und wird anschließend erneut auf zehn Kilowatt erhöht.
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8 zeigt eine Darstellung einer Änderung einer Lüfterdrehzahl 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dabei sind eine erste Lüfterdrehzahl 800 und eine zweite Lüfterdrehzahl 802 in einem Diagramm dargestellt, das auf seiner Abszisse wie in 7 eine Zeit in Sekunden aufgetragen hat. Hier hat das Diagramm auf der Ordinate eine Drehzahl in Umdrehungen pro Minute aufgetragen. Die erste Lüfterdrehzahl 800 repräsentiert einen Lüfter ohne Schwungmasse. Die zweite Lüfterdrehzahl 802 repräsentiert einen Lüfter mit Schwungmasse, wie er beispielsweise in den 2 bis 6 dargestellt ist. Die Darstellung in 8 korrespondiert zeitlich zu der Darstellung in 7.
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Die erste Lüfterdrehzahl 800 sinkt innerhalb der fünf Sekunden des reduzierten Leistungseintrags von 4000 Umdrehungen pro Minute auf unter 1000 Umdrehungen pro Minute. Nach dem Wiederherstellen des Leistungseintrags steigt die erste Lüfterdrehzahl 800 rasch wieder auf die 4000 Umdrehungen pro Minute.
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Die zweite Lüfterdrehzahl 802 sinkt innerhalb der fünf Sekunden des reduzierten Leistungseintrags aufgrund des Trägheitsmoments durch die Schwungmasse von den 4000 Umdrehungen pro Minute um weniger als 500 Umdrehungen pro Minute ab. Nach dem Wiederherstellen des Leistungseintrags steigt die zweite Lüfterdrehzahl 802 aufgrund des Trägheitsmoments langsam wieder auf die 4000 Umdrehungen pro Minute. Bei einem höheren Leistungseintrag würde die zweite Lüfterdrehzahl 802 schneller wieder ansteigen.
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Die Drehzahl 800 eines Lüfters verändert sich stark mit dem Leistungseintrag 700 in den Lüfterantrieb. Wird der Leistungseintrag 700 reduziert, so verringert sich die Lüfterdrehzahl 800 schnell aufgrund des hohen aerodynamischen Widerstandsmoments des Lüfterrads und dessen verhältnismäßig geringen Massenträgheitsmoments. Ebenso kann das Lüfterrad durch die geringe Trägheit schnell beschleunigt werden. Der Leistungseintrag 700 in den Lüfterantrieb wird deshalb herkömmlicherweise mit einer sehr geringen Dynamik verändert beziehungsweise an den Kühlleistungsbedarf angepasst, sodass ein Fahrer beziehungsweise Maschinenbediener keine ständig schwankende beziehungsweise oszillierende Lüfterdrehzahl 800 beziehungsweise Lüftergeräusche wahrnimmt.
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Ungeachtet der Wahrnehmung des Fahrers besteht jedoch für die Kühlung der Betriebsmedien keine zwingende Vorgabe der Lüfterdrehzahl 800 zu einem bestimmten Zeitpunkt. Durch die großen Flüssigkeitsmengen der Kühlmedien im System aus Tank und Leitungen und der relativ großen thermischen Massen des Verbrennungsmotors ändert sich die Temperatur mit variierender Lüfterdrehzahl 800 und damit Kühlleistung relativ langsam. Die Zeitkonstanten der Temperaturen der jeweiligen Kühlkreisläufe sind somit verhältnismäßig hoch. Da die Betriebsmedien über ein gewisses Band an zulässiger Temperatur verfügen und die zugehörigen Zeitkonstanten verhältnismäßig hoch sind, wird bei dem hier vorgestellten Ansatz die effektive Kühlleistung variiert. Die Lüfterdrehzahl 800 und somit die Kühlleistung kann dadurch zum aktuellen Zeitpunkt reduziert werden. Dafür wird zu einem späteren Zeitpunkt eine höhere Kühlleistung realisiert.
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Durch die hier vorgestellte Änderung des Lüfterantriebs mittels Einbringen eines mechanischen Schwungrads wird eine hohe Dynamik des Leistungseintrags 700 ermöglicht, ohne dabei jedoch eine schnelle Änderung der Drehzahl 802 des Lüfterrads zu bewirken. Die damit erreichbare, zulässige hohe Dynamik des Leistungseintrags 700 in das Lüftersystem kann dann als Freiheitsgrad im gesamten Antriebssystem genutzt werden. Im Speziellen können damit am Verbrennungsmotor die Emissionen und/oder den Kraftstoffverbrauch reduziert werden.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz wird die Schwankung der Drehzahl 802 des Lüfterrads durch variierenden Leistungseintrag 700 in das Lüftersystem signifikant verringert. Dies ermöglicht es, den Lüfterantrieb am Verbrennungsmotor dynamisch zur Reduzierung von Emissionen oder Kraftstoffverbrauch zu betreiben.
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Es ergibt sich eine geringe Abhängigkeit der Lüfterdrehzahl 802 von der eingetragenen Leistung 700. Somit nimmt der Maschinenbediener beziehungsweise Fahrer bei dynamisch variierendem Leistungseintrag 700 eine wenig schwankende Lüfterdrehzahl 802 wahr. Der Leistungseintrag 700 in das Lüftersystem kann während des Betriebs mit sehr großer Dynamik verändert werden.
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Der Lüfterantrieb kann zur Reduzierung von Abgasemissionen betrieben werden. Reduziert sich der Leistungseintrag 700 in den Lüfterantrieb beispielsweise in den Hydraulikmotor, durch abfallenden zulaufseitigen Druck, so reduziert sich die Drehzahl 802 aufgrund der Massenträgheit deutlich langsamer als ohne Schwungradspeicher. In den 7 und 8 ist exemplarisch eine Reduzierung des Leistungseintrags 700 von 10 kW auf 0 kW für 5 s und die sich dabei ergebende Änderung der Lüfterdrehzahl 800, 802 ohne und mit Schwungradspeicher gezeigt.
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Das Lüfterrad ohne Schwungradspeicher reduziert in diesem Beispiel die Drehzahl 800 von 4000 U/min auf unter 1000 U/min, was der Fahrer beziehungsweise Maschinenbediener deutlich wahrnimmt. Mit Schwungradspeicher reduziert sich die Drehzahl 802 hier auf etwa 3700 U/min. In diesem Beispiel ist es möglich, den Leistungseintrag 700 in den Lüfterantrieb für wenige Sekunden zu reduzieren oder abzuschalten, um das Betriebsverhalten des Verbrennungsmotors zu optimieren und Emissionen oder Kraftstoffverbrauch zu verringern. Die reduzierte Kühlleistung und der damit verbundene Anstieg der Temperaturen der Betriebsmedien werden abschließend durch einen erhöhten Leistungseintrag 700 ausgeglichen. Auch bei einem erhöhten Leistungseintrag 700 steigt die Drehzahl 802 des Lüfterrads aufgrund der hohen Trägheit durch das Schwungrad ebenso langsam an.
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9 zeigt ein Kennfeld 228 eines Verbrennungsmotors zum Bestimmen eines Sollwerts gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Kennfeld 228 entspricht beispielsweise dem in 2 gezeigten Kennfeld. Das Kennfeld 228 ist in einem Diagramm dargestellt, das auf seiner Abszisse eine Drehzahl des Verbrennungsmotors in Umdrehungen pro Minute und auf seiner Ordinate ein Drehmoment des Verbrennungsmotors in Newtonmetern angetragen hat. Da durch ein Produkt aus der Drehzahl und dem Drehmoment eine Leistung des Verbrennungsmotors definiert ist, sind in dem Diagramm Linien 900 gleicher Leistung eingetragen. Zusätzlich ist in dem Diagramm eine Drehmomentkennlinie 902 eingetragen. Die Drehmomentkennlinie 902 repräsentiert das maximal bei einer gegebenen Drehzahl erreichbare Drehmoment des Verbrennungsmotors. Durch den Zusammenhang von Drehzahl und Drehmoment ist damit auch für jede Drehzahl die maximal erreichbare Leistung abgebildet. Wenn der Verbrennungsmotor bei einer gegebenen Drehzahl weniger Leistung bereitstellt, als seine maximal bei der Drehzahl erreichbare Leistung, weist der Verbrennungsmotor in diesem ersten Arbeitspunkt einen Leistungsüberschuss auf. Wenn der Verbrennungsmotor bei einer gegebenen Drehzahl mit einem höheren Drehmoment belastet wird, als der Verbrennungsmotor bei dieser Drehzahl bereitstellen kann, weist der Verbrennungsmotor ein Leistungsdefizit auf und wird abgewürgt.
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Durch den hier vorgestellten Ansatz kann der Leistungsüberschuss verringert werden, indem der Leistungsüberschuss zumindest zum Teil dem Lüfter zugeführt wird.
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Wenn der Verbrennungsmotor aufgrund einer erhöhten Drehmomentanforderung abgewürgt oder sehr stark belastet würde, da auch der Lüfter im Normalbetrieb Leistung von dem Verbrennungsmotor bezieht, kann der Lüfter bei dem hier vorgestellten Ansatz kurzzeitig abgeworfen werden oder mit weniger Leistung versorgt werden, womit die vorher für den Lüfter verwendete Leistung an der Hauptabtriebswelle des Motors bereitsteht, ohne dass der Motor abgewürgt wird.
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In einem Ausführungsbeispiel wird die in der Schwungmasse des Lüfters gespeicherte Energie dem Verbrennungsmotor über die variable Kraftübertragungseinrichtung zurückgeführt, wenn eine kurzzeitige erhöhte Drehmomentanforderung vorliegt. Die Schwungmasse und der Lüfter können näherungsweise bis zum Stillstand abgebremst werden. Dabei wird bei einer hydraulischen Kraftübertragungseinrichtung kurzzeitig die Rolle der Hydraulikpumpe und des Hydraulikmotors ausgetauscht. Nachdem die Drehmomentanforderung wie im ersten Arbeitspunkt wieder einen Leistungsüberschuss zulässt, werden die Schwungmasse und der Lüfter über die variable Kraftübertragungseinrichtung zumindest auf ihre Solldrehzahl gebracht.
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In einem Ausführungsbeispiel zeigt 9 ein Emissionskennfeld 904. In dem Emissionskennfeld 904 sind Linien 906 mit gleichen Emissionswerten eingetragen. Wenn der Verbrennungsmotor in seinem momentanen Arbeitspunkt einen Leistungsüberschuss aufweist und in einen Bereich mit ungünstigen Emissionswerten liegt, kann über die variable Kraftübertragungseinrichtung zusätzliche Leistung zu dem Lüfter übertragen werden, um zu einem Arbeitspunkt mit günstigeren Emissionswerten kommen.
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Wenn der Verbrennungsmotor in seinem momentanen Arbeitspunkt nahe an der durch die Linie 902 gekennzeichneten maximalen Last liegt, kann durch eine Reduktion der zu dem Lüfter übertragenen Leistung eine Gesamtleistung des Verbrennungsmotors verringert werden und ebenfalls ein Arbeitspunkt mit günstigeren Emissionswerten erreicht werden.
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Die durch den hier vorgestellten Ansatz erzielbare Machbarkeit eines dynamisch variablen Leistungseintrags des Lüfterantriebs erlaubt unter Berücksichtigung der Charakteristik 228, 904 des Verbrennungsmotors einen Betrieb mit geringerem Kraftstoffverbrauch und/oder geringeren Emissionen. Für den Fall einer angestrebten Reduzierung der Emissionswerte hier exemplarisch das Trübungskennfeld 904 eines Dieselmotors gezeigt, welches die Partikelemission, insbesondere Ruß wiedergibt. Die Emissionsreduzierung erfolgt durch Erhöhung des Leistungseintrags in den Lüfter beziehungsweise durch Reduzierung.
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Betriebszustände des Verbrennungsmotors mit verhältnismäßig hohen Emissionswerten werden vermieden, indem der Leistungseintrag in den Lüfterantrieb mit Schwungradspeicher passend gewählt wird. Bei hoher Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors, also hoher Drehzahl und hohem Moment, mit hohen Emissionen wird der Leistungseintrag in den Lüfterantrieb verringert. Dadurch reduziert sich das Lastmoment am Verbrennungsmotor und die entstehenden Emissionen sinken.
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Weiterhin werden hohe Emissionswerte bei geringer bis mittlerer Drehzahl und geringem Lastmoment des Verbrennungsmotors durch Erhöhung des Leistungseintrags in den Lüfterantrieb vermieden.
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Um die Betriebsmedien im zulässigen Temperaturband zu betreiben, ist bei dynamisch verändertem Leistungseintrag in den Lüfterantrieb mit Schwungradspeicher eine im Mittel unveränderte Kühlleistung gegenüber dem konventionellen Betrieb ohne dynamische Variation des Leistungseintrags erforderlich.
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10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Betreiben einer mit einer Welle eines Lüfters gekoppelten Schwungmasse gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 1000 kann beispielsweise auf einem Lüftersteuergerät, wie es in 2 dargestellt ist ausgeführt werden. Das Verfahren 1000 weist einen Schritt 1002 des Einlesens, einen Schritt 1004 des Bestimmens und einen Schritt 1006 des Bereitstellens auf. Im Schritt 1002 des Einlesens wird ein Anforderungssignal eingelesen, das eine von dem Motor geforderte Antriebsleistung repräsentiert. Im Schritt 1004 des Bestimmens wird ein Sollwert für eine Lüfterleistung des Lüfters unter Verwendung der geforderten Antriebsleistung und/oder einem Motorkennfeld des Motors bestimmt. Im Schritt 1006 des Bereitstellens wird ein Steuersignal für die Kraftübertragungseinrichtung unter Verwendung des Sollwerts bereitgestellt.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
