DE102016224846A1

DE102016224846A1 - Luftklappensystem

Info

Publication number: DE102016224846A1
Application number: DE102016224846.4A
Authority: DE
Inventors: Haci Korkusuz Janket; Andreas Frischeisen; Gerhard Fichtinger; Rudolf Dirk Nedved
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-12-13
Filing date: 2016-12-13
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftklappensystem (20) für die Steuerung des Luftzutritts in ein Kraftfahrzeug. Das Luftklappensystem (20) umfasst einen Stellantrieb (30), mindestens eine Gruppe von Luftklappen (32, 34), von denen jede zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verschwenkbar angeordnet, mittels einer Feder (36) in eine erste Drehrichtung beaufschlagt und vom Stellantrieb (30) gegen die Federbeaufschlagung in eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung verschwenkbar ist, und ein Diagnosesystem (40), das zur Ermittlung mindestens eines für die Verschwenkung der Luftklappen (32, 34) in die zweite Drehrichtung erforderlichen Parameters des Stellantriebs (30) und zur Ableitung der Funktionsfähigkeit des Luftklappensystems (20) aus dem mindestens einen Parameter ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Luftklappensystem gemäß Anspruch 1 für die Steuerung des Luftzutritts in ein Kraftfahrzeug, ein Verfahren gemäß Anspruch 6 zur Diagnose der Funktionsfähigkeit eines Luftklappensystems sowie ein mit einem solchen Luftklappensystem ausgestattetes Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10.
Bei aktuellen Kraftfahrzeugen sind aus aerodynamischen Gründen Luftklappensysteme vorgesehen, um den Luftzutritt in das Kraftfahrzeug aktiv durch verstellbare Luftklappen im Bereich des Kühlergrills steuern zu können. Die Verbesserung der Aerodynamik von Kraftfahrzeugen stellt eine der Möglichkeiten dar, den Kraftstoffverbrauch und damit die CO₂-Emission der Kraftfahrzeuge zu reduzieren. So kann beispielsweise durch Schließen der Luftklappen die Entstehung eines Luftpolsters vor dem Kühlergrill bewirkt werden, welches eine Verwirbelung der Luft verhindert oder zumindest reduziert. Andererseits muss der Zutritt von Luft oder Frischluft in den Motor oder den Fahrgastraum aus naheliegenden Gründen jederzeit möglich sein. Die Verstellung der Luftklappen erfolgt in der Regel durch einen elektrischen Stellantrieb.
Bei dem derzeitigen Stand der Technik kann die Funktionsfähigkeit der Steuerung des Luftklappensystems nicht in einer der Selbstdiagnose (On-Board-Diagnose bzw. ODB) zugänglichen Weise überprüft werden. In anderen Worten ist die bekannte Steuerung des Luftklappensystems nicht OBD-konform. Die OBD-Konformität ist jedoch in einigen nationalen Märkten von den Zulassungsbehörden vorgeschrieben, da dies emissionsrelevant und somit beispielsweise für die Erreichung bestimmter Klimaziele unabdingbar ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein OBD-konformes Luftklappensystem für die Steuerung des Luftzutritts in ein Kraftfahrzeug sowie ein OBD-konformes Verfahren zur Diagnose der Funktionsfähigkeit eines solchen Luftklappensystems anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Luftklappensystem gemäß Anspruch 1 sowie einem Verfahren gemäß Anspruch 6. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßes Luftklappensystem für die Steuerung des Luftzutritts in ein Kraftfahrzeug umfasst einen Stellantrieb sowie mindestens eine Gruppe (häufig zwei Gruppen) von Luftklappen. Jede Luftklappe ist zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verschwenkbar angeordnet und von einer Feder in eine erste Drehrichtung beaufschlagt. Jede Luftklappe kann vom Stellantrieb gegen die durch die Federbeaufschlagung erzeugte Kraft - um die gleiche Drehachse - in eine zweite Drehrichtung verschwenkt werden, die der ersten Drehrichtung entgegengesetzt ist. Das erfindungsgemäße Luftklappensystem zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass es ein Diagnosesystem enthält, das mindestens einen für das Verschwenken der Luftklappen in die zweite Drehrichtung erforderlichen Parameter des Stellantriebs ermittelt und aus diesem mindestens einen Parameter die Funktionsfähigkeit des Luftklappensystems ableitet bzw. diagnostiziert. Da die Federbeaufschlagung durch die Ermittlung des für die Funktion des Stellantriebs erforderlichen Parameters erfasst und vom Diagnosesystem zu Diagnosezwecken ausgewertet werden kann, ist es somit in erfindungsgemäßer Weise möglich, ein einfaches und kostengünstiges OBD-konformes Luftklappensystem zu schaffen.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Diagnose der Funktionsfähigkeit eines Luftklappensystems ist bei einem Luftklappensystem einsetzbar, das einen Stellantrieb und mindestens eine Gruppe von Luftklappen umfasst, von denen jede zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verschwenkbar angeordnet ist, mittels einer Feder in eine erste Drehrichtung beaufschlagt und von dem Stellantrieb gegen die Federbeaufschlagung in eine zur Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung verschwenkbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst folgende Schritte: Die Luftklappen werden - gegen die Federbeaufschlagung - in die zweite Drehrichtung verschwenkt, ein Diagnosesystem ermittelt mindestens einen Parameter des Stellantriebs, der für das Verschwenken der Luftklappen in die zweite Drehrichtung erforderlich ist, und das Diagnosesystem leitet aus dem mindestens einen Parameter die Funktionsfähigkeit des Luftklappensystems ab bzw. diagnostiziert in anderen Worten dessen Funktionsfähigkeit. Dadurch werden die gleichen Vorteile erzielt wie bei dem erfindungsgemäßen Luftklappensystem: Es kann ein einfaches und kostengünstiges OBD-konformes Luftklappensystem geschaffen werden, mit dem in zuverlässiger Weise dessen Funktionsfähigkeit diagnostiziert werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform zeichnet sich das erfindungsgemäße Luftklappensystem dadurch aus, dass der Stellantrieb aus einem elektrischen Motor gebildet ist und der mindestens eine Parameter auf dem Stromwert basiert, der für den Betrieb des Stellantriebs während des Verschwenkens der Luftklappen in die zweite Drehrichtung erforderlich ist. Dabei kann der mindestens eine Parameter der Stromwert selbst, eine an einem entsprechenden Messwiderstand abfallende Spannung, eine andere damit korrelierende Größe oder eine beliebige Kombination hiervon sein. Insbesondere dann, wenn der Stromwert selbst verwendet wird, ist ein sehr einfaches und kostengünstiges System gegeben, da der Stromwert für den Stellantrieb in der Regel ohnehin erfasst wird und erfindungsgemäß zusätzlich für die Diagnose der Funktionsfähigkeit des Luftklappensystems herangezogen werden kann. Wenn beispielsweise eine Luftklappe defekt ist und nicht mit den anderen verschwenkt wird, sinkt dementsprechend der für das Verschwenken erforderliche Stromwert, und das Diagnosesystem kann ableiten (und gegebenenfalls unmittelbar an einen Benutzer akustisch oder optisch signalisieren), dass die Funktion des Luftklappensystems beeinträchtigt ist. Hierdurch kann vermieden werden, dass eine zusätzliche, gegebenenfalls aufwendige Sensorik für die Überwachung der Funktionsfähigkeit des Luftklappensystems vorgesehen werden muss. Alternativ kann der Stellantrieb beispielsweise ein pneumatisches System sein, und in diesem Fall wäre der mindestens eine Parameter dann beispielsweise der für den Antrieb beim Verschwenken der Luftklappen erforderliche Druck in der betreffenden Leitung des Systems.
Eine besonders kostengünstige Weiterbildung der Erfindung ist dann möglich, wenn jede der Beaufschlagungsfedern aus einer einfachen Schenkelfeder gebildet ist, da derartige Schenkelfedern sehr kostengünstig sind und gleichzeitig zuverlässig arbeiten.
Es kann von Vorteil sein, wenn jede Gruppe von Luftklappen mit einer Antriebsstange verbunden ist, die an eine Antriebswelle des Stellantriebs angelenkt ist. So kann beispielsweise je eine Antriebsstange links und eine rechts von einem zentral angeordneten Stellantrieb mit den daran befestigten Luftklappen vorgesehen sein.
Eine besonders gute Diagnosefähigkeit kann dann erzielt werden, wenn die Beaufschlagungsfedern so ausgebildet oder angeordnet sind, dass sie beispielsweise während eines ersten, anfänglichen Teils der Verschwenkungsbewegung der Luftklappen in die zweite Drehrichtung noch gar keine Beaufschlagung in die erste Drehrichtung ausüben, sondern diese Beaufschlagung erst in einem zweiten, sich daran anschließenden Teil der Verschwenkungsbewegung zum Tragen kommt. Insbesondere durch Vergleich des erforderlichen Parameters im ersten Teil und im zweiten Teil kann dann in einfacher Weise diagnostiziert werden, ob das Luftklappensystem korrekt funktioniert oder nicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Ausführungsform, bei der der Stellantrieb ein elektrischer Motor ist, der Stromwert des elektrischen Motors bei dessen Betrieb zum Verschwenken der Luftklappen in die zweite Drehrichtung als Parameter verwendet, auf dem die Diagnose der Funktionsfähigkeit des Luftklappensystems basiert.
Eine besonders einfache und präzise Bestimmung der Funktionsfähigkeit des Luftklappensystems ist dann möglich, wenn die zweite Drehrichtung der Verschwenkungsbewegung so gewählt wird, dass sie der Öffnungsbewegung der Luftklappen entspricht. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil dann die Öffnungsbewegung durch den im Fahrbetrieb gegebenen Stauluftdruck unterstützt wird und die durch die Beaufschlagungsfedern hervorgerufene Gegenkraft einen erhöhten Kraftbedarf des Stellantriebs erfordert und damit eine präzisere Messmöglichkeit gegeben ist.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Kraftfahrzeug, das mit dem vorgenannten Luftklappensystem ausgerüstet ist. Dementsprechend ergeben sich auch gleiche oder ähnliche Vorteile wie die in Verbindung mit dem vorstehend Beschriebenen, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird.
Einige vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luftklappensystems mit vertikal angeordneten Luftklappen,
2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils des Luftklappensystems von 1,
3A - 3C eine vergrößerte Darstellung eines anderen Teils des Luftklappensystems von 1 im Querschnitt,
4 eine Darstellung der gemessenen Ströme im Verlauf der Verschwenkung der Luftklappen der ersten Ausführungsform,
5 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luftklappensystems mit horizontal angeordneten Luftklappen,
6 eine vergrößerte Darstellung eines Teils des Luftklappensystems von 5,
7A - 7C eine Darstellung eines anderen Teils des Luftklappensystems von 5, und
8 eine vergleichende Darstellung der gemessenen Ströme im Verlauf der Verschwenkung der Luftklappen bei voll funktionsfähigem Luftklappensystem und bei unterschiedlichen Graden von Funktionsstörungen.

Orientierungsangaben, wie beispielsweise „links, „rechts“, „oben“ und „unten“ sowie „vertikal“ und „horizontal“ beziehen sich auf eine Anordnung, wie sie üblicherweise bei auf einer horizontalen Fläche befindlichen Kraftfahrzeugen gegeben ist, ohne dass dies eine Beschränkung darstellen soll.
In 1 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Luftklappensystems 20, das üblicherweise im Bereich des Kühlergrills eines Kraftfahrzeugs angebracht ist, in perspektivische Ansicht von vorn dargestellt. In zentraler Position ist ein bei dieser Ausführungsform als Elektromotor ausgebildeter Stellantrieb 30 angeordnet. Rechts vom Stellantrieb 30 befindet sich eine erste Gruppe von Luftklappen 32, die jeweils mit einer Antriebsstange 33 verbunden sind, die ihrerseits an einer Antriebswelle 38 des Stellantriebs 30 angelenkt ist. Links vom Stellantrieb 30 befindet sich eine zweite Gruppe von Luftklappen 34, die jeweils mit einer Antriebsstange 35 verbunden sind, die ihrerseits an der Antriebswelle 38 des Stellantriebs 30 angelenkt ist. Ein nur schematisch dargestelltes Diagnosesystem 40, dessen Funktion später erläutert wird, ist mit dem Stellantrieb 30 verbunden. Zur besseren Darstellung der System-Mechanik ist der rechte Teil von 1 vergrößert in 2 dargestellt.
In den 3A - 3C ist ein weiteres erfindungswesentliches Detail des Luftklappensystems 20 im Querschnitt gezeigt. Jede Luftklappe 32 ist verschwenkbar um eine Schwenkachse 37 angebracht. Außerdem weist jede Luftklappe 32 einen Anlagebolzen 39 auf, dessen Funktion später beschrieben wird. An einem Widerlager 31 ist jeweils - jeder Luftklappe 32 zugeordnet - ein Paar Anschlagbolzen 31a und 31b vorgesehen. Zwischen jedem Paar Anschlagbolzen 31a, 31b ist eine Schenkelfeder 36 so eingespannt, dass jeweils ein Schenkel der Schenkelfeder 36 am Anschlagbolzen 31a anliegt, während der jeweilige andere Schenkel der Schenkelfeder 36 am Anschlagbolzen 31b anliegt. Wenn nun der Stellantrieb 30 über die Antriebsstange 33 (beide nicht dargestellt) ausgehend von der in 3A dargestellten Stellung (entsprechend der Schließstellung) die Luftklappen 32 verschwenkt (hier im Uhrzeigersinn), drehen sich die Luftklappen 32 um ihre jeweilige Drehachse 37. Nach einer bestimmten Zeit gelangt dabei der Anlagebolzen 39 jeder Luftklappe 32 in Anlage an einen Schenkel der ihm zugeordneten Schenkelfeder 36. Diese Stellung ist in 3B dargestellt. Wenn der Stellantrieb 30 die Luftklappen 32 weiter verschwenkt, muss er gegen die Beaufschlagung durch die jeweiligen Federn 36 arbeiten, bis er die Luftklappen 32 in die in 3C dargestellte Endstellung - die der Öffnungsstellung der Luftklappen 32 entspricht - gebracht hat.
Wenn während der Verschwenkung der Luftklappen 32 der Strom gemessen wird, der von dem Stellantrieb 30 benötigt wird, um diese Verschwenkung durchführen zu können, ergibt sich der in 4 dargestellte Verlauf, in dem die Messwerte an den in den 3A - 3C dargestellten Stellungen gesondert bezeichnet sind.
In 8 ist in einer durchgezogenen Linie ein Stromdiagramm entsprechend der Darstellung von 4 gezeigt. Zusätzlich sind in 9 die entsprechenden resultierenden Verläufe des Stroms des Stellantriebs 30 dargestellt, wie sie sich ergeben, wenn beispielsweise folgende Defekte auftreten:

- gepunktete Linie: eine Luftklappe 32 ist ausgefallen,
- gestrichelte Linie: einige Luftklappen 32 sind ausgefallen und
- strichpunktierte Linie: viele Luftklappen 32 sind ausgefallen.

Durch Auswerten der entsprechenden Stromdiagramme, insbesondere durch Vergleich der Stromkurve im Teil ohne Beaufschlagung durch die Federn 36 mit dem Teil unter Berücksichtigung der Beaufschlagung durch die Federn 36, kann das Diagnosesystem 40 ermitteln, ob das Luftklappensystem 20 korrekt arbeitet oder nicht. Dadurch können in anderen Worten Fehlfunktionen von Luftklappen 32 erfasst werden.
In 5 und 6 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luftklappensystems 20 schematisch dargestellt, bei dem die Luftklappen 32 horizontal angeordnet sind. Für die Darstellung der zweiten Ausführungsform sind für gleiche oder ähnliche Bestandteile die gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform verwendet worden, und deren erneute Beschreibung unterbleibt aus Gründen der Knappheit. Anders als bei der ersten Ausführungsform, bei der die Federn 36 nebeneinander angeordnet sind, sind diese Federn 36 bei der zweiten Ausführungsform untereinander angeordnet.
Die resultierenden Stromdiagramme bei Messung des für den Betrieb des Stellantriebs 30 zur Verschwenkung der Luftklappen 32 erforderlichen Stroms sind ähnlich oder sogar identisch wie bei der ersten Ausführungsform (vergleiche 4) und werden daher nicht erneut wiedergegeben.
Es versteht sich, dass bei der vorliegenden Erfindung ein Zusammenhang zwischen einerseits Merkmalen besteht, die im Zusammenhang mit Verfahrensschritten beschrieben wurden, sowie andererseits Merkmalen, die im Zusammenhang mit entsprechenden Vorrichtungen beschrieben wurden. Somit sind beschriebene Verfahrensmerkmale auch als zur Erfindung gehörige Vorrichtungsmerkmale - und umgekehrt - anzusehen, selbst wenn dies nicht explizit erwähnt wurde.
Es ist festzuhalten, dass die unter Bezug auf einzelne Ausführungsformen bzw. Varianten beschriebenen Merkmale der Erfindung, wie beispielsweise Art und Ausgestaltung der einzelnen Luftklappen, Antriebselemente und Federn, sowie deren räumliche Anordnung, auch bei anderen Ausführungsformen vorhanden sein können, außer wenn es anders angegeben ist oder sich aus technischen Gründen von selbst verbietet. Von derartigen, in Kombination beschriebenen, Merkmalen einzelner Ausführungsformen müssen außerdem nicht notwendigerweise immer alle Merkmale in einer betreffenden Ausführungsform realisiert sein.

Claims

Luftklappensystem (20) für die Steuerung des Luftzutritts in ein Kraftfahrzeug, umfassend - einen Stellantrieb (30), - mindestens eine Gruppe von Luftklappen (32, 34), von denen jede zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verschwenkbar angeordnet, mittels einer Feder (36) in eine erste Drehrichtung beaufschlagt und vom Stellantrieb (30) gegen die Federbeaufschlagung in eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung verschwenkbar ist, und - ein Diagnosesystem (40), das zur Ermittlung mindestens eines für die Verschwenkung der Luftklappen (32, 34) in die zweite Drehrichtung erforderlichen Parameters des Stellantriebs (30) und zur Ableitung der Funktionsfähigkeit des Luftklappensystems (20) aus dem mindestens einen Parameter ausgebildet ist.
Luftklappensystem (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stellantrieb (30) ein elektrischer Motor ist und - der mindestens eine Parameter auf dem Stromwert basiert, der für den Betrieb des Stellantriebs (30) während des Verschwenkens der Luftklappen (32, 34) in die zweite Drehrichtung erforderlich ist.
Luftklappensystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (36) eine Schenkelfeder ist.
Luftklappensystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Gruppe von Luftklappen (32, 34) mit einer Antriebsstange (33, 35) verbunden ist, die an eine Antriebswelle (38) des Stellantriebs (30) angelenkt ist.
Luftklappensystem (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Feder (36) so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass sie während eines Teils der Verschwenkung in die zweite Drehrichtung keine Beaufschlagung in die erste Drehrichtung ausübt.
Verfahren zur Diagnose der Funktionsfähigkeit eines Luftklappensystems (20) für die Steuerung des Luftzutritts in ein Kraftfahrzeug, wobei das Luftklappensystem (20) einen Stellantrieb (30) und mindestens eine Gruppe von Luftklappen (32, 34) umfasst, von denen jede zwischen einer Öffnungsstellung und einer Schließstellung verschwenkbar angeordnet, mittels einer Feder (36) in eine erste Drehrichtung beaufschlagt und vom Stellantrieb (30) gegen die Federbeaufschlagung in eine zur ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung verschwenkbar ist, umfassend folgende Schritte: - Verschwenken der Luftklappen (32, 34) in die zweite Drehrichtung, - Ermitteln mindestens eines für das Verschwenken der Luftklappen (32, 34) in die zweite Drehrichtung erforderlichen Parameters des Stellantriebs (30) und - Ableiten der Funktionsfähigkeit des Luftklappensystems (20) aus dem mindestens einen Parameter.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Stellantrieb (30) ein elektrischer Motor ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionsfähigkeit des Luftklappensystems (20) aus dem für den Betrieb des Stellantriebs (30) während des Verschwenkens der Luftklappen (32, 34) in die zweite Drehrichtung erforderlichen Stromwert abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Drehrichtung die Drehrichtung zum Öffnen der Luftklappen (32, 34) in Richtung zur Öffnungsstellung hin ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine für das Verschwenken der Luftklappen (32, 34) in die zweite Drehrichtung erforderliche Parameter des Stellantriebs (30) während eines ersten Teils der Verschwenkungsbewegung, während dem keine Beaufschlagung in die erste Drehrichtung vorliegt, sowie während eines zweiten Teils der Verschwenkungsbewegung, während dem die Beaufschlagung in die erste Drehrichtung vorliegt, ermittelt und aus dem Unterschied der während der beiden Teile der Verschwenkungsbewegung ermittelten Parameterwerte ableitet, ob alle Luftklappen (32, 34) funktionsfähig sind.
Kraftfahrzeug, umfassend ein Luftklappensystem (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.