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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Lüfterantrieb für einen Verbrennungsmotor, insbesondere für einen Dieselmotor einer mobilen Arbeitsmaschine oder eine Baumaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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In der Druckschrift
DE 43 21 637 A1 ist ein hydraulischer Lüfterantrieb für eine Kühlanlage eines Verbrennungsmotors offenbart. Der Lüfterantrieb hat eine an den Verbrennungsmotor mechanisch gekoppelte Verstellpumpe und einen von der Verstellpumpe über einen hydraulischen Kreis angetriebenen Konstantmotor, der ein Lüfterrad antreibt. Zur Regelung der Kühlleistung wird ein Fördervolumen der Verstellpumpe mit einem Stellzylinder und einem Ventil geregelt, das einem Load-Sensing-Regelventil entspricht. Dabei wird aus dem zwischen der Verstellpumpe und dem Konstantmotor herrschenden Pumpendruck mittels einer Düse ein Steuerdruck abgegriffen, der über ein proportional verstellbares Druckbegrenzungsventil geregelt wird.
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In der Druckschrift
DE 10 2011 113 542 A1 ist ein vergleichbarer Lüfterantrieb offenbart, bei dem Lastspitzen des Verbrennungsmotors gemindert werden können, in dem der Lüfterantrieb übergangsweise abgeschaltet wird.
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Nachteilig an den hydraulischen Lüfterantrieben des Standes der Technik ist, dass sie bei Drehzahländerungen des Verbrennungsmotors und bei Entlastung des Verbrennungsmotors bei der Unterdrückung des Verbrennungsmotors zu Drehzahlschwankungen oder -schwingungen neigen. Dabei werden insbesondere Drehzahlschwingungen nach oben als unangenehmes Geräusch z.B. für den Fahrer oder Bediener der mobilen Arbeitsmaschine oder der Baumaschine empfunden.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen hydraulischen Lüfterantrieb zu schaffen, bei dem die genannten Drehzahlschwingungen vermindert oder verhindert sind.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Lüfterantrieb mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Der beanspruchte hydraulische Lüfterantrieb dient zur Kühlung eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Dieselmotors einer mobilen Arbeitsmaschine oder einer Baumaschine. Dazu ist der Lüfterantrieb vorzugsweise einer Wasserkühlanlage des Verbrennungsmotors zugeordnet. Eine Drehzahl des Verbrennungsmotors ist von einem Bediener oder Fahrer über ein Bedienelement und über einen diesem zugeordneten Sensor steuerbar. Der beanspruchte Lüfterantrieb weist weiterhin eine Regelelektronik auf, über die eine Ist-Drehzahl eines Lüfterrades regelbar oder geregelt ist. Erfindungsgemäß wird ein Positionssignal des Sensors des Bedienelements von der Regelelektronik bei der Regelung der Ist-Drehzahl des Lüfterrades berücksichtigt. Damit ist das Positionssignal des Bedienelements eine Eingangsgröße der Regelelektronik und beeinflusst die Ist-Drehzahl des Lüfterrades. Damit lassen sich – auch ohne Berücksichtigung der Drehzahl des Verbrennungsmotors – Drehzahlschwankungen oder -schwingungen des Lüfterrades vermindern oder verhindern.
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Die erfindungsgemäße Berücksichtigung des Positionssignals durch die Regelelektronik ermöglich es das Verhalten des Lüfterantriebs vorauszusehen. Wenn der Fahrer oder Bediener das Bedienelement betätigt, dann würden gemäß dem Stand der Technik die Drehzahl des Verbrennungsmotors und die Ist-Drehzahl des Lüfterrades steigen. Der Anstieg der Ist-Drehzahl des Lüfterrades ist nicht gewünscht, daher greift die Regelelektronik erfindungsgemäß ein und reduziert im Voraus die Lüfterleistung. Damit wird Energie eingespart. Weiterhin wird so die Ist-Drehzahl des Lüfterrades etwa konstant gehalten, womit die Geräuschemission verringert wird.
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Das Positionssignal kann regelungstechnisch als Position des Bedienelements berücksichtigt werden oder auch in eine Änderungsrate der Position, also in eine Verstellgeschwindigkeit des Bedienelements umgerechnet werden. Es können auch beide Werte die Regelung der Ist-Drehzahl des Lüfterrades beeinflussen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Es wird besonders bevorzugt, wenn die Regelelektronik einen geschlossenen Regelkreis aufweist oder bildet.
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Bei einer Weiterbildung wird auch die Drehzahl des Verbrennungsmotors von der Regelelektronik berücksichtigt. Damit ist die Drehzahl des Verbrennungsmotors eine weitere Eingangsgröße der Regelelektronik und beeinflusst die Ist-Drehzahl des Lüfterrades. Damit lassen sich Drehzahlschwingungen des Lüfterrades weiter vermindern oder ganz verhindern. Sollte die Drehzahl des Verbrennungsmotors trotz des betätigten Bedienelements nicht steigen, bedeutet dies, dass der Verbrennungsmotor gedrückt wird. In diesem Fall kann eine Reduktion der Lüfterleistung erfolgen und der Verbrennungsmotor entlastet werden.
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Vorzugsweise weist die Regelelektronik einen PID-Regler (proportional-integral-derivative controller) auf, von dem das Positionssignal des Sensors berücksichtigt ist. Damit ist das Positionssignal des Bedienelements ein Eingangssignal des PID-Reglers.
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Vorzugsweise ist ein Ausgangssignal des PID-Reglers ein Korrekturstrom, über den ein (vorläufiger) Stellstrom am Ausgang eines Lüfteraktuators änderbar ist.
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Dabei wird vorzugsweise über die Änderung des (vorläufigen) Stellstroms mittels eines Summationsgliedes ein Gesamt-Stellstrom erzeugt, der einen Proportionalmagneten eines proportional verstellbaren Druckbegrenzungsventils steuert.
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Über das Druckbegrenzungsventil kann ein Steuerdruck in einer Steuerleitung verstellbar sein, die mit einem Druckregelgerät, z.B. mit einem Druck-Förderstromregler verbunden ist.
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Dabei wird über das Druckregelgerät oder den Druck-Förderstromregler vorzugsweise ein Stelldruck in einer Stelldruckleitung geregelt, die mit einem Stellzylinder einer Verstellpumpe verbunden ist. Die Verstellpumpe ist mit einem Hydromotor über einen offenen hydraulischen Kreis verbunden, wobei das Lüfterrad drehfest an den Hydromotor gekoppelt ist. Vorrichtungstechnisch einfach ist es, wenn der Hydromotor ein Konstantmotor ist.
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Bei einer Weiterbildung oder oben genannten Berücksichtigung der Drehzahl des Verbrennungsmotors durch die Regelelektronik ist die Drehzahl des Verbrennungsmotors eine weitere Eingangsgröße des PID-Reglers.
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Vorzugsweise wird auch eine Drehzahlabweichung zwischen einer Soll-Drehzahl und der Ist-Drehzahl des Lüfterrades von dem PID-Regler berücksichtigt. Damit ist die Drehzahlabweichung eine weitere Eingangsgröße des PID-Reglers.
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Vorzugsweise wird auch eine Änderungsrate (Ableitung) der Soll-Drehzahl des Lüfterrades von dem PID-Regler berücksichtigt. Damit ist die Änderungsrate eine weitere Eingangsgröße des PID-Reglers.
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Die zuletzt genannten drei weiteren optionalen Eingangsgrößen des PID-Reglers führen einzeln oder in Kombination zu einem besonders schwingungsminimierten Lüfterantrieb.
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Bei einer praxisnahen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lüfterantriebs z.B. für mobile Arbeitsmaschinen oder für Baumaschinen ist das Bedienelement ein Gaspedal und der Sensor ein Gaspedalsensor.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lüfterantriebs ist in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeichnungen wird die Erfindung nun näher erläutert. Es zeigen
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1 einen hydraulischen und elektrischen Schaltplan des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Lüfterantriebs, und
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2 einen elektrischen Schaltplan der Regelelektronik des Lüfterantriebs aus 1.
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1 zeigt einen hydraulischen und elektrischen Schaltplan des Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen hydraulischen Lüfterantriebs. Ein Dieselmotor 1 hat einen Kühler 10, der von einem Kühlmittel 11 durchströmt wird. Das Kühlmittel 11 durchströmt und kühlt den Dieselmotor 1. Ein Temperatursensor 12 erfasst die Temperatur des Kühlmittels 11 und übermittelt ein entsprechendes Spannungssignal an eine Regelelektronik 13. Weiterhin wird eine Drehzahl nMot des Dieselmotors 1 von einem an einer Kurbelwelle des Dieselmotors 1 angeordneten Drehzahlgeber 19 über ein elektrisches Signal an die Regelelektronik 13 übermittelt. Die Drehzahl nMot des Dieselmotors 1 wird von einem Bediener oder Fahrer über ein Gaspedal 8 und einen Gaspedalsensor 9 eingestellt.
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Der Kühler 10 des Dieselmotors 1 steht in Wirkverbindung mit einem Lüfterrad 18, das über einen offenen Hydraulikkreislauf angetrieben wird. Dieser besteht aus einer Verstellpumpe 20, die über eine Hauptleitung 32 einen Konstantmotor 33 antreibt. Die Verstellpumpe 20 wird vom Dieselmotor 1 angetrieben, während der Konstantmotor 33 das Lüfterrad 18 mit einer Ist-Drehzahl nLüfter ist antreibt, die von einem Drehzahlgeber 37 erfasst wird. Vom Konstantmotor 33 strömt entspanntes Druckmittel über eine Tankleitung 35 zurück zu einem Tank 30, aus dem die Verstellpumpe 20 das Druckmittel über eine Saugleitung 31 ansaugt und über die Hauptleitung 32 zum Konstantmotor 33 fördert.
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Bei der Verstellpumpe 20 handelt es sich um eine Axialkolbenpumpe, deren Schwenkwinkel mit Hilfe eines einfach wirkenden Stellzylinders 22 verkleinert und mit einer gegen den Stellzylinder 22 wirkenden Druckfeder 23 und mit einem weiteren Stellzylinder 29 kleinerer Wirkfläche vergrößert werden kann. Der in Richtung einer Schwenkwinkelverkleinerung wirkende Stellzylinder 22 wird über ein als Druck-Förderstromregler ausgebildetes Druckregelgerät 21 gesteuert und mit Stelldruckmittel versorgt. Das Druckregelgerät 21 hat ein Load-Sensing-Ventil 25 und ein damit in Reihe geschaltetes zur Maximaldruckbegrenzung der Hauptleitung 32 vorgesehenes Druckbegrenzungsventil 24.
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Das Load-Sensing-Ventil 25 und das Druckbegrenzungsventil 24 des Druckregelgerätes 21 sind über eine Steuerleitung 26 an die Hauptleitung 32 angeschlossen. Beide Ventile 24, 25 sind somit mit dem von der Hauptleitung 32 abgegriffenen Pumpendruck beaufschlagt und wirken bei zunehmendem Pumpendruck in Richtung einer Schwenkwinkelverkleinerung der Verstellpumpe 20. Dazu wirkt der Pumpendruck an jeweiligen (nicht näher gezeigten) Ventilkörpern der Ventile 24, 25 derart, dass bei einem Übergewicht der durch den Pumpendruck am Ventilkörper erzeugten Kraft dem Stellzylinder 22 Druckmittel zufließt und der Schwenkwinkel der Verstellpumpe 20 verkleinert wird.
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Die Steuerleitung 26 ist über eine Drossel 27 an eine weitere Steuerleitung 36 angeschlossen. Über diese Steuerleitung 36 und über einen Steuerraum 28 ist der Ventilkörper des Load-Sensing-Ventils 25 entgegen dem Pumpendruck mit einem Steuerdruck (in sonstigen Anwendungen Pumpendruck genannt) beaufschlagt. Entgegen dem Pumpendruck wird der Ventilkörper des Load-Sensing-Ventils 25 auch noch von einer Feder beaufschlagt, deren Druckäquivalent zum Beispiel im Bereich von 5 bis 10 bar liegt. Der Steuerdruck in der weiteren Steuerleitung 36 und die Feder wirken auf das Load-Sensing-Ventil 25 im Sinne einer Vergrößerung des Schwenkwinkels der Verstellpumpe 20.
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Der in der weiteren Steuerleitung 36 wirkende Steuerdruck wird dabei über ein als Druckregelventil wirkendes Druckbegrenzungsventil 15 eingestellt. Von der Regelelektronik 13 wird dazu ein Proportionalmagnet 14 des Druckbegrenzungsventils 15 mit einem Gesamt-Stellstrom I angesteuert und angeregt. Das Druckbegrenzungsventil 15 hat einen Ventilkörper 16, der in Schließrichtung von einer vergleichsweise stark vorgespannten Druckfeder 17 und in Öffnungsrichtung vom Proportionalmagneten 14 und vom Druck am Eingang des Druckbegrenzungsventils 15 beaufschlagt ist. Dieser ist von der Steuerleitung 36 abgegriffen. In einem statischen Zustand stellt sich somit ein Pumpendruck ein, der um das Druckäquivalent der das Load-Sensing-Ventil 25 beaufschlagenden Feder höher ist als der mit dem Druckbegrenzungsventil 15 eingestellte Steuerdruck oder Pumpendruck. Das Druckbegrenzungsventil 15 hat eine fallende Kennlinie.
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Erfindungsgemäß wird ein Positionssignal PosGaspedal des Gaspedals 8 vom Gaspedalsensor 9 an die Regelelektronik 13 übertragen und von dieser berücksichtigt, so dass Schwingungen der Drehzahl nLüfter ist des Lüfterrades 18 verringert oder vermieden werden.
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Bei einer gegebenen vom Temperatursensor 12 erfassten Temperatur des Kühlmittels 11 und bei einer gegebenen Drehzahl nMot des die Verstellpumpe 20 antreibenden Dieselmotors 1 und bei einer gegebenen Position des Gaspedals 8 nimmt der Stellzylinder 22 eine solche Position und damit die Verstellpumpe 20 einen solchen Schwenkwinkel ein, dass so viel Druckmittel durch die Hauptleitung 32 zum Konstantmotor 33 gefördert wird, dass bei der sich dadurch ergebenden Ist-Drehzahl nLüfter ist des Lüfterrades 18 die Temperatur des Kühlmittels 11 annähernd konstant bleibt. Dabei wird der Schwenkwinkel indirekt über den Pumpendruck eingestellt, weil bei einem hydraulischen Lüfterantrieb ein fester Zusammenhang zwischen der über den antreibenden Konstantmotor 33 herrschenden Druckdifferenz (entspricht einem Drehmoment) und der Ist-Drehzahl nLüfter ist des Lüfterrades 18 besteht.
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Vergrößert sich die Drehzahl nMot des Dieselmotors 1, so vergrößert sich die Fördermenge der Verstellpumpe 20 und damit der Pumpendruck in der Hauptleitung 32. Der Steuerdruck der weiteren Steuerleitung 36 bleibt wegen einer unveränderten Einstellung des Druckbegrenzungsventils 15 konstant. Dies bedeutet, dass am Ventilkörper des Load-Sensing-Ventils 25 ein Kräfteungleichgewicht auftritt, und das Load-Sensing-Ventil 25 der Stellzylinder 22 mit der Hauptleitung 32 verbindet, so dass die Verstellpumpe 20 in Richtung kleinerer Fördermenge zurück geschwenkt wird. Bei einer Verringerung der Drehzahl nMot des Dieselmotors 1 läuft der Regelvorgang in Richtung eines größeren Schwenkwinkels der Verstellpumpe 20 ab. Damit führt die Regelung dazu, dass bei einer bestimmten Temperatur des Kühlmittels 11 der Pumpendruck in der Hauptleitung 32 unabhängig von der Drehzahl nMot der Verstellpumpe 20 konstant gehalten wird. Um die Dauer dieses Regelvorgangs zu verkürzten und um eine Überschwingen der Regelung beziehungsweise der Ist-Drehzahl nLüfter ist des Lüfterrades 18 zu verhindern, wird erfindungsgemäß auch das Positionssignal (PosGaspe dal) des Gaspedalsensors 9 von der Regelelektronik 13 berücksichtigt.
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Erhöht (bzw. verringert) sich dagegen die Temperatur des Kühlmittels 11, so verändert die Regelelektronik 13 den Gesamt-Stellstrom I für den Proportionalmagneten 14. Dessen Kraftwirkung auf den Ventilkörpers 16 des Druckbegrenzungsventils 15 wird kleiner (bzw. größer), so dass der Steuerdruck in der weiteren Steuerleitung 36 größer (bzw. kleiner) wird. Damit wird ein Kräfteungleichgewicht am Load-Sensing-Ventil 25 erzeugt, das Druckmittel aus dem Stellzylinder 22 abfließen lässt (bzw. dem Stellzylinder 22 zuführt), bis durch Veränderung des Schwenkwinkels der Verstellpumpe 20 ein solcher Pumpendruck eingeregelt ist, das am Load-Sensing-Ventil 25 bei veränderter Kühlleistung wieder ein Kräftegleichgewicht herrscht.
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2 zeigt ein elektronisches Regelschaltbild der Regelelektronik 13 aus 1. Das von der Regelelektronik 13 über den Gesamt-Stellstrom I gesteuerte Druckbegrenzungsventil 15 ist mit seinem Proportionalmagneten 14 zusammengefasst und vereinfacht dargestellt. Weiterhin sind die Verstellpumpe 20, die Hauptleitung 32 und der Konstantmotor 33 mit dem Lüfterrad 18 dargestellt. Die mit Bezug zu 1 genannte Drehzahlgeber 19 des Verbrennungsmotors 1 und der Drehzahlgeber 37 des Lüfterrades 18 sind ebenfalls dargestellt.
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Die Regelelektronik 13 weist einen PID-Regler 40 auf, dessen Ausgangssignal ein Korrekturstrom ∆I ist, der über ein Summationsglied 42 zu einem vorläufigen Stellstrom ISet am Ausgang einer als Lüfteraktuator 44 ausgebildeten Vorsteuerung addiert wird. Dadurch ergibt sich ein Gesamt-Stellstrom I, der zur Verstellung des Druckbegrenzungsventils 15 zu dessen Proportionalmagneten 14 geführt wird. Der Lüfteraktuator 44 hat als Eingangssignal eine Soll-Drehzahl nLüfter soll des Lüfterrades 18.
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Die Änderungen in der Lüfterleistung werden durch den Lüfteraktuator 44 gestellt und die Abweichungen durch den PID-Regler 40 nach einer Entprellzeit korrigiert.
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Als Eingangsgrößen des PID-Reglers 40 sind folgende vier Werte oder Signale vorgesehen:
- • das Positionssignal PosGaspedal, das von dem Gaspedalsensor 9 ermittelt und übertragen wird,
- • eine Änderung der Soll-Drehzahl nLüfter soll, die über ein Differenzierglied 46 aus der Soll-Drehzahl nLüfter soll ermittelt wird,
- • eine Drehzahlabweichung ∆nLüfter der Ist-Drehzahl nLüfter ist von der Soll-Drehzahl nLüfter soll, die von einem Subtraktionsglied 48 ermittelt wird, und
- • die Drehzahl nMot des Verbrennungsmotors 1 (vgl. 1), die von einem Motordrehzahlsensor 50 ermittelt und übertragen wird.
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Bei der Ermittlung der Drehzahl nMot des Verbrennungsmotors 1 verwendet der Motordrehzahlsensor 50 das elektrische Signal des an der Kurbelwelle angeordneten Drehzahlgebers 19.
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Bei der Ermittlung der Ist-Drehzahl nLüfter ist des Lüfterrades 18 verwendet ein Lüfterdrehzahlsensor 52 das elektrische Signal des am Lüfterrad 18 angeordneten Drehzahlgebers 37.
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Das Einlesen der Position PosGaspedal des Gaspedals 8 ermöglich es das Verhalten des Systems vorauszusehen. Wenn der Fahrer das Gaspedal 8 betätigt, dann würde gemäß dem Stand der Technik die Drehzahl nMot des Dieselmotors 1 und die die Ist-Drehzahl nLüfter ist des Lüfterrades 18 steigen. Der Anstieg der Drehzahl nLüfter ist des Lüfterrades 18 ist nicht gewünscht, daher greift der PID-Regler 40 erfindungsgemäß ein und reduziert im Voraus den Steuerdruck in der weiteren Steuerleitung 36. Damit wird die Drehzahl nLüfter ist des Lüfterrades 18 etwa konstant gehalten, womit die Geräuschemission und der Energiebedarf verringert werden.
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Sollte die Drehzahl nMot des Dieselmotors 1 trotz des betätigten Gaspedals 8 nicht steigen, bedeutet dies, dass der Dieselmotor 1 gedrückt wird. In diesem Fall wird die Reduktion der Lüfterleistung den Dieselmotor 1 entlasten.
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Offenbart ist ein hydraulischer Lüfterantrieb zur Kühlung eines Verbrennungsmotors mittels Kühlmittel, wobei eine Regelelektronik – insbesondere dessen PID-Regler – des Lüfterantriebs neben den Eingangsgrößen „Drehzahl des Verbrennungsmotors“ und „Temperatur des Kühlmittels“ auch als weitere Eingangsgröße „Position des Gaspedals des Verbrennungsmotors“ erfasst und berücksichtigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dieselmotor
- 8
- Bedienelement / Gaspedal
- 9
- Gaspedalsensor
- 10
- Kühler
- 11
- Kühlmittel
- 12
- Temperatursensor
- 13
- Regelelektronik
- 14
- Proportionalmagnet
- 15
- Druckbegrenzungsventil
- 16
- Ventilkörper
- 17
- Druckfeder
- 18
- Lüfterrad
- 19
- Drehzahlgeber
- 20
- Verstellpumpe
- 21
- Druckregelgerät
- 22
- Stellzylinder
- 23
- Druckfeder
- 24
- Druckbegrenzungsventil
- 25
- Load-Sensing-Ventil
- 26
- Steuerleitung
- 27
- Drossel
- 28
- Steuerraum
- 29
- weiterer Stellzylinder
- 30
- Tank
- 31
- Saugleitung
- 32
- Hauptleitung
- 33
- Konstantmotor
- 18
- Lüfterrad
- 35
- Tankleitung
- 36
- weitere Steuerleitung
- 37
- Drehzahlgeber
- 40
- PID-Regler
- 42
- Summationsglied
- 44
- Lüfteraktuator
- 46
- Differenzierglied
- 48
- Subtraktionsglied
- 50
- Motordrehzahlsensor
- 52
- Lüfterdrehzahlsensor
- I
- Gesamt-Stellstrom zum Proportionalmagneten
- ISet
- Stellstrom am Ausgang des Lüfteraktuators
- ∆I
- Korrekturstrom
- nMot
- Drehzahl des Verbrennungsmotors
- nLüfter ist
- Ist-Drehzahl des Lüfterrades
- nLüfter soll
- Soll-Drehzahl des Lüfterrades
- ∆nLüfter
- Drehzahlabweichung des Lüfterrades von der Soll-Drehzahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4321637 A1 [0002]
- DE 102011113542 A1 [0003]
