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Selbsttätige Regeleinrichtung für hydrostatischen Ventilatorantrieb
Die Erfindung betrifft eine selbsttätige Regeleinrichtung für einen hydrostatischen
Ventilatorantrieb für Kühlanlagen von Brennkraftmaschinen mit Konstantmotor und
Verstellpumpe, die durch einen Servomotor verstellt wird, dessen Steuerschieber
von einem auf die Temperatur des Kühlmittels ansprechenden Thermostaten beeinfiußt
wird.
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Bekannt ist ein Ventilatorantrieb mit selbsttätiger Regeleinrichtung,
bei der ein Temperaturfühler einen als Verstärker wirkenden Thermostaten steuert,
in dem ein Arbeitskolben in Abhängigkeit von der Temperatur hin- und herbewegt wird.
Über einen Verstellhebel wirkt dann der Kolben des Thermostaten auf den Steuerkolben
des Servomotors, der schließlich den Schwenkwinkel der Pumpe und damit den Förderstrom
in der Druckölleitung verstellt. Hierbei handelt es sich um die Anwendung des Prinzips
der Temperatur-Weg-Steuerung, die durch Veränderung des Förderstroms eine entsprechende
Veränderung der Ventilatordrehzahl zur Folge hat, so daß bei konstanter Pumpendrehzahl
die Ventilatordrehzahl dem Kühlluftbedarf angepaßt wird. Nachteilig ist hierbei
die Störung des Regelvorganges bei veränderlicher Pumpendrehzahl, da die Ventilatordrehzahl
gleichfalls diesen Schwankungen unterworfen ist. Es ergeben sich hieraus unnötige
Veränderungen der Kühlluftmenge sowie des Betriebsdruckes, obwohl eine der momentanen
Temperatur entsprechende gleichbleibende Ventilatordrehzahl bzw. ein dieser Drehzahl
zugeordneter Betriebsdruck verlangt wird.
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Bekannt ist auch eine vorgesteuerte Leistungs-bzw. Druckregeleinrichtung
für eine Verstellpumpe, bei der durch Einwirkung über einen Stößel eine Feder auf
einen Steuerkolben eine Kraft ausübt. Der Steuerkolben wird auf seiner Gegenseite
vom Betriebsdruck beaufschlagt; der Betriebsdruck verstellt bei Überwindung der
Federkraft den Steuerkolben in eine Stellung, in der Drucköl zum Servomotor gelangt
und dadurch das Hubvolumen der Hydropumpe verringert wird. Die Einwirkung auf den
Stößel geschieht automatisch in Abhängigkeit von der Stellung der Beschleunigungsvorrichtung
(Gaspedal) eines die Hydropumpe antreibenden Verbrennungsmotors, um den Leistungssollwert
der Regeleinrichtung der Hydropumpe der zur Verfügung stehenden Leistung des Verbrennungsmotors
anzupassen. Es wird hierbei also nur ein Regelimpuls vom Verbrennungsmotor auf die
Regeleinrichtung der Verstellpumpe eingeleitet, und dadurch ist die verfügbare Leistung
am Hydromotor (Produkt der Drehzahl mal Drehmoment) von der Drehzahl der Hydropumpe
bzw. des Verbrennungsmotors abhängig. Bei einer anderen bekannten Regeleinrichtung
wirkt der Thermostat auf ein Bypass-Ventil, welches den von einer Konstantpumpe
geförderten Ölstrom je nach Regelabweichung mehr oder weniger durch eine Nebenschlußleitung
der Pumpe direkt wieder zuführt und so die einem Konstantmotor verbleibende Schluckmenge
beeinflußt. Bei dieser Einrichtung handelt es sich um eine Schlupfregelung, die
zu Leistungsverlusten führt.
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Es ist auch eine Regeleinrichtung für einen hydrostatischen Lüfterantrieb,
bestehend aus Konstantpumpe und Konstantmotor, bekannt, bei der ein Thermostat auf
ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil wirkt, das zwischen Hoch- und Niederdruckseite
des hydraulischen Kreislaufs im Nebenschluß geschaltet ist. Die druckregelnde Eigenschaft
des vorgesteuerten Druckbegrenzungsventils, dessen Sollwert vom Thermostaten vorgegeben
wird, bewirkt eine Unabhängigkeit des Regelvorganges von der Pumpenantriebsdrehzahl.
Auf Grund der Kennlinie des Ventilators, die jeder Ventilatordrehzahl ein bestimmtes
Drehmoment bzw. Druckgefälle im hydraulischen System zuordnet, wirken sich die Veränderungen
der Pumpenantriebsdrehzahl, die durch den Antrieb des antreibenden Verbrennungsmotors
bedingt sind, als Druckschwankungen im System aus, die von dem erwähnten Druckbegrenzungsventil
als Regelabweichung empfunden und zu einer Stellgröße, d. h. Ventilstellung, verarbeitet
werden, die in ihrer Wirkung das vom Thermostaten geforderte Druckniveau wieder
herzustellen bestrebt ist. Nach Maßgabe der Druckschwankungen wird der Nebenschluß
zwischen Hoch- und Niederdruckseite des hydraulischen Systems mehr oder weniger
geöffnet, so daß der Druck im System konstant und damit auch der dem Hydromotor
zufließende Ölstrom unverändert bleibt. Bei dieser Einrichtung ist der Nachteil
der Abhängigkeit des Regelvorganges von der Pumpenantriebsdrehzahl im wesentlichen
vermieden, jedoch handelt
es sich hierbei um eine Schlupfregelung,
die wegen der Drosselstelle am Druckbegrenzungsventil, insbesondere bei größeren
und länger andauernden Abweichungen der Pumpenantriebsdrehzahl von der Auslegungsdrehzahl,
zu einem schlechten mittleren Wirkungsgrad der Ventilatoranlage führt.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine schnellwirkende,
überdrucksichere, selbsttätige Regeleinrichtung für hydrostatische Ventilatorantriebe
zu schaffen, bei der die Förderstromschwankung der Hydropumpe, hervorgerufen durch
Drehzahlveränderungen des die Hydropumpe treibenden Verbrennungsmotors, kompensiert
wird.
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Ferner soll die Regeleinrichtung den Förderstrom der Hydropumpe so
einstellen, daß derselbe dem momentanen, am Hydromotor notwendigen Bedarf entspricht,
so daß keine unnötige Verlustleistung entsteht.
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Der Fortschritt der erfindungsgemäßen Regeleinrichtung gegenüber den
bekannten Ausführungen besteht darin, daß sich die Ventilatordrehzahl innerhalb
eines bestimmbaren Arbeitsbereiches den Erfordernissen des Kühlluftbedarfs der Kühlanlage
anpaßt und sich die Ventilatordrehzahl bei einer Schwankung der Pumpendrehzahl nicht
verändert und da-durch unerwünschte Temperaturschwankungen des Kühlmittels
vermieden werden. Es wird hierbei eine nahezu verlustlose Regelung angewandt, so
daß der Gesamtanlage nur unwesentlich mehr Leistung für den hydrostatischen Ventilatorantrieb
entnommen wird, als dem momentanen Kühlleistungsbedarf entspricht.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der den Zutritt
zum Servomotor regelnde Steuerschieber einerseits durch den Betriebsdruck p1 des
hydrostatischen Kreislaufs beaufschlagt ist und andererseits durch eine Kraft, deren
Größe durch die Vorspannung einer Feder durch den Thermostaten bestimmt wird.
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Aufbau und Funktion der erfindungsgemäßen Einrichtung werden nachstehend
unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 beschrieben.
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Bei der Ausführung nach F i g. 1 bilden die Verstellpumpe
1 und der Starrmotor 2 den hydrostatischen Ventilatorantrieb. Der
Motor treibt den Ventilator 3 direkt an. Die Verstellung der Pumpe 1 erfolgt durch
den Servomotor 4 gegen eine Rückstellfeder 5, welche die Pumpe 1 in der gezeigten
Stellung des Steuerschiebers 6 auf maximale Fördermenge stellt. Unter Betriebsdruck
p1 stehen die federlose Seite des Steuerschiebers und dessen mittlerer Ölraum. Die
Fläche F des Servomotors 4 ist mit der rechten Steuerkante 6a des Steuerschiebers
6 verbunden, die in der gezeichneten Stellung abgeschlossen ist. Der Thermostat
7, der eine vorhandene Temperaturdifferenz in eine Längenänderung umsetzt, ist an
die Feder 8 des Steuerschiebers 6 angeschlossen und spannt diese je nach Temperatur-Regelabweichung
mehr oder weniger vor. Ein Sicherheitsventil 9 begrenzt den Maximaldruck des Systems.
Der erforderliche Druck p. für die Fläche F wird mt Hilfe einer festen Drossel
10 und mit der rechten Steuerkante 6a gesteuert.
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Geht man von einem Regelzustand aus, in dem die Temperatur gerade
dem Sollwert entspricht, so beeinflußt der Regler nur in dem Fall den hydrostatischen
Antrieb, wenn die Antriebsdrehzahl der Pumpe von der Auslegungsdrehzahl abweicht.
Steigt z. B. die Drehzahl des Verbrennungsmotors, so steigt bei konstantem Pumpenschwenkwinkel,
der die Fördermenge bestimmt, die Drehzahl des Ventilators 3, folglich dessen Drehmoment
und damit der Betriebsdruck pi, der den Steuerschieber 6 entgegen der Vorspannung
der Feder 8 verschiebt, bis die Steuerkante 6a die Verbindung zwischen dem Betriebsdruck
und dem Servomotor 4 freigibt. Die Pumpe 1 wird folglich in Richtung kleinerer Fördermengen
verstellt, wodurch die Ventilatordrehzahl sinkt und der Betriebsdruck reduziert
wird. Je höher nun die Vorspannung der vom Thermostaten 7 eingestellten Feder 8
gerade ist, um so höhere Drücke werden von der Druckregeleinrichtung im System jeweils
konstant gehalten, d. 1i., um so schneller wird der Ventilator angetrieben.
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In F i g. 2 ist die zweite Ausführung des Regelprinzips wiedergegeben,
die gegenüber der ersten die zusätzliche Eigenschaft besitzt, auch bei plötzlichen
Drehzahlschwankungen Druckspitzen im System mit Sicherheit zu vermeiden. Zu den
bei Ausführung nach F i g. 1 beschriebenen Elementen tritt ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil11,
dessen Vorsteuerventil 12 vom Thermostaten 7 eingestellt wird. Die Unterseite des
Druckbegrenzungsventilkegels 11 a ist an den Betriebsdruck p, des Systems
angeschlossen, während die Oberseite, die mit der Unterseite über die Drosselstelle
11 b in Verbindung steht, mit dem Vorsteuerventil 12 verbunden ist. An dieses ist
ebenfalls die Federseite des Steuerschiebers 6 angeschlossen, der in diesem Fall,
ähnlich wie das Druckbegrenzungsventil11, als Differenzdruckventil arbeitet.
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Die Druckregelung wird hier wie folgt durchgeführt: Das in seiner
Bauart bekannte vorgesteuerte Druckbegrenzungsventil 11 wird durch das Vorsteuerventi112
gesteuert. Bis zu dem am Vorsteuerventil 12 eingestellten Betriebsdruck herrscht
im oberen und unteren Ventilraum gleicher Druck, und, bedingt durch das Verhältnis
der oberen zur unteren Kolbenfläche sowie zusätzlich unterstützt durch eine Feder,
wird der Ventilkolben 11a auf seinen Ventilsitz gedrückt. Wird der eingestellte
Grenzwert erreicht, so fließt am Vorsteuerventil Öl ab und im oberen Ventilraum
sinkt der Druck, da das nachströmende Öl eine Drosselstelle 11 b passieren
muß. Der auftretende Differenzdruck dp = p1 - p3 verstellt den Kolben
des Druckbegrenzungsventils in Richtung Öffnen und Schließen, und das Druckbegrenzungsventil
arbeitet dann als Druckregler. Die Gesetzmäßigkeit der Druckdifferenz .Ap des vorgesteuerten
Druckbegrenzungsventils ist bekannt und wird zusätzlich für die Pumpenregelung ausgenutzt.
Vor dem Erreichen des zum öffnen des Druckbegrenzungsventils notwendigen Gleichgewichts,
also bei einem geringeren Ap, reagiert der Steuerschieber 6,
bewegt sich nach
rechts und läßt Drucköl auf die Kolbenfläche F des Servomotors 4 einwirken. Es strömt
so viel Öl ein, bis der Druck p.= den Wert erreicht hat, der in der Lage ist, den
Servomotor 4
in Richtung Q",;" zu verstellen. Die aus der Drossel 10 austretende
Steuerölmenge wird ebenfalls vom Druck p., bestimmt.
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Reicht die Verstellzeit der Pumpe 1 nicht aus, um einen sehr raschen
Druckanstieg abzubauen, so erhöht sich der Differenzdruck dp, und das weniger träge
Druckbegrenzungsventilll spricht kurzzeitig an. Beim Abfallen des Betriebsdruckes
unter den Öffnungswert
des Vorsteuerventils 12 wird der Druck P3
in der Steuerleitung wieder gleich dem Betriebsdruck p1. Der Steuerschieber 6 bewegt
sich durch Federkraft nach links und verschließt mit seiner rechten Steuerkante
6a den Druckzulauf. Der Servomotor 4 verstellt die Pumpe unter der Wirkung der Feder
5 in Richtung Q""«. Auch hier werden um so höhere Drücke bzw. Ventilatordrehzahlen
geregelt, je stärker der Thermostat 7 die Feder 8 des Vorsteuerventils 12 spannt
bzw. je höher die gemessene Kühlwassertemperatur gerade ist.
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Ein besonderes Sicherheitsventil, wie es bei der Ausführung nach F
i g. 1 wegen der eventuell zu träge arbeitenden Druckregeleinrichtung erforderlich
war, kann bei dieser Ausführung entfallen, da das vom Thermostaten 7 vorgesteuerte
Druckbegrenzungsventil11 die Funktion eines Sicherheitsventils einschließt. Die
vorliegende Regeleinrichtung erlaubt eine freizügige Konstruktionsweise, da der
Thermostat und der Steuerschieber 6 bzw. das Vorsteuerventi112 von den übrigen hydraulischen
Einrichtungen räumlich getrennt an geeigneter Stelle im Kühlwasserkreislauf angeordnet
und mit im Querschnitt kleinen Steuerleitungen an das hydraulische Netz angeschlossen
werden können.