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Regelbarer hydraulischer Antrieb für den Lüfter der Kühlanlage einer
Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft einen regelbaren hydraulischen Antrieb
für den Lüfter der Kühlanlage einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise in Kraftfahrzeugen,
bestehend aus einer von der Brennkraftmaschine angetriebenen Druckmittelpumpe, an
deren Druckleitung ein thermostatisch beeinflußtes Regelventil, ein Überdruckventil,
sowie ein den Lüfter antreibender Druckmittelmotor angeschlossen sind.
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Bei bekannten Einrichtungen wird die Druckmittelpumpe unmittelbar
von der Brennkraftmaschine angetrieben. Dadurch ändert sich die Drehzahl der Pumpe
proportional der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Da die Fördermenge und der Förderdruck
einer Druckmittelpumpe linear mit der Drehzahl steigen, erhöhen sich bei der üblichen
schnellen Drehzahlsteigerung der Brennkraftmaschine Fördermenge und Förderdruck
schlagartig. Die Drehzahl des von einem Druckmittelmotor angetriebenen Lüfters steigt
damit ebenfalls sehr rasch an, wodurch - wie bekannt - lästige Geräusche entstehen,
die unerwünscht sind. Außerdem werden die Hochdruckleitungen des Antriebs und der
Regelungsanordnung und die Lüfter durch plötzliche, sich oft wiederholende Druckänderungen
stark beansprucht und müssen daher entsprechend dimensioniert werden. Die üblicherweise
in die Hochdruckleitung eingebauten thermostatisch beeinflußbaren Regler sind nicht
in der Lage, diese Nachteile bei den bekannten Einrichtungen auszuschalten.
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Es ist zwar bereits ein Lüfterregelsystem bekannt, bei dem im Lüfterregelventil
ein Überdruckventil eingebaut ist. Dessen COffnungsdruck muß jedoch über dem maximalen
Arbeitsdruck des Druckmittelmotors liegen. Der Öffnungsdruck liegt daher im allgemeinen
so hoch, daß die Drucksteigerungen, die bei raschen Drehzahländerungen auftreten
und das Leitungssystem sowie den Lüfterantrieb stark belasten, noch nicht oder nur
kurzzeitig das Überdruckventil zum Ansprechen bringen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei derartigen hydraulisch
wirkenden Antriebseinrichtungen Vorkehrungen zu treffen, die die erwähnte unangenehme
Geräuschbildung ausschalten und die Druckbeanspruchungen der Hochdruckleitungen,
der Lüfter und der Regelorgane herabmindern bzw. ausschließen.
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Diese Aufgabe wird bei einem regelbaren hydraulischen Antrieb der
eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an das Überdruckventil
ein an sich bekannter Druckspeicher angeschlossen ist, dessen Druck auf das bewegliche
Ventilteil des Überdruckventils in Schließrichtung wirkt, und der über eine Drosselstelle
mit der Druckleitung in Verbindung steht.
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Durch die erfindungsgemäße Verbindung eines Überdruckventils mit einem
Druckspeicher, derart, daß dessen Druck auf ein bewegliches Ventilteil in Schließrichtung
wirkt, wird erreicht, daß der öffnungsdruck des Überdruckventils sich an die jeweils
herrschenden Betriebsbedingungen selbsttätig anpaßt. Somit kann bei einem bestimmten
Betriebsdruck, sobald durch eine Drehzahlsteigerung der Brennkraftmaschine eine
schlagartige Erhöhung dieses Druckes eintritt, das Überdruckventil schon bei einem
geringen Überdruck öffnen und ein langsames Ansteigen der Lüfterdrehzahl bewirken.
Sobald sich ein neuer Druckgleichgewichtszustand ausgebildet hat, kann das Überdruckventil
bei einer weiteren Druckänderung erneut ansprechen und die bisher unvermeidbare
Belastung des Leitungssystems und des Lüfterantriebs verhindern.
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Um auch bei Drehzahlminderungen ein langsames Anpassen der Lüfterdrehzahl
an die Drehzahl der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, ist es nach einer Weiterbildung
der Erfindung vorteilhaft, in der Verbindungsleitung zwischen Druckspeicher und
Druckleitung ein die Drosselstelle umgehendes Rückschlagventil anzuordnen. Dadurch
wird der im Druckspeicher vorhandene Druck dazu ausgenutzt, bei einer Drehzahlminderung
der Brennkraftmaschine
den Druck im Leitungssystem nur langsam absinken
zu lassen.
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Ein besonders vorteilhaftes Überdruckventil weist nach einer Weiterbildung
der Erfindung einen Ventilteller auf, dessen mit einer durchgehenden Bohrung versehener
Schaft in einem Kolben endet, wobei die wirksame Druckfläche des Ventiltellers größer
als die Druckfläche des Kolbens ist, und die Drosselstelle in der durchgehenden
Bohrung des Schaftes angeordnet ist.
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Besonders vorteilhaft ist es, das vorerwähnte Rückschlagventil im
Überdruckventil selbst anzuordnen, und zwar dadurch, daß im Ventilteller ein Kugelventil
eingebaut wird, in dessen Sitzfläche die die Drosselstelle bildenden Durchflußkanäle
vorgesehen sind.
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Steigt der Druck in der Hochdruckleitung schlagartig an, so wird gemäß
der Erfindung durch die Druckdifferenz zwischen Hochdruckleitung und Druckspeicher
das Tellerventil des Überdruckventils angehoben, und je nach der Größe dieser Druckdifferenz
wird ein mehr oder weniger großer Teilstrom des Druckmittels in die Rücklaufleitung
übergeführt. Gleichzeitig findet über die durchgehende Bohrung im Schaft ein Druckausgleich
statt. Der mit dem Ventil verbundene Kolben, auf dem der Druck im Druckspeicher
wirksam ist, schließt das Ventil nach erfolgtem Druckausgleich.
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Das Kugelventil drosselt in diesem Fall nur in der Richtung von der
Hochdruckleitung zum Druckspeicher. Tritt der Fall ein, daß infolge kurzzeitiger
Drehzahlerniedrigung der Brennkraftmaschine und damit auch der Druckmittelpumpe,
beispielsweise beim Befahren einer Kurve, der Druck in der Hochdruckleitung kleiner
wird als der im Druckspeicher, so erfolgt ein nicht gedrosselter Druckausgleich.
Es baut sich in der Druckleitung ein höherer Druck auf als der Druck, der der Drehzahl
der Druckmittelpumpe entspricht, d. h. ein Abfall der Lüfterdrehzahl wird während
eines kurzen Zeitintervalls vermieden, bis nach Durchfahren der Kurve die Drehzahl
der Brennkraftmaschine wieder ansteigt.
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Dieser Vorgang ist erwünscht, weil bei steilem Druckabfall der Druckmittelmotor
eine größere Drehzahl durch die Schwungmasse des Lüfters behält, als ihm durch die
Druckmittelpumpe zugeordnet ist, d. h., der Druckmittelmotor wirkt als Druckmittelpumpe;
die Rücklaufleitung wird zur Vorlaufleitung und umgekehrt.
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Es ist an sich bekannt, in hydraulischen Kreisläufen Druckspeicher
einzubauen. Diese haben die Aufgabe, Druckstöße zu dämpfen und Förderstromspitzen
aufzunehmen, damit bei plötzlichem Lastwechsel die Druckmittelpumpe, der Druckmittelmotor,
die Meßinstrumente und die Leitungen geschont werden. Bei hydraulischen Kreisläufen,
vorzugsweise in von Brennkraftmaschinen angetriebenen Fahrzeugen, wie beispielsweise
bei hydrostatischen Lüfterantrieben in Schienenfahrzeugen, versagen diese Druckspeicher,
weil ihre Aufnahmefähigkeit beschränkt ist.
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In den bekannten Druckspeichern befindet sich ein unter Vorspannung
stehendes Gaspolster, das durch eine Gummimembran vom Druckmittel getrennt ist,
und das normalerweise gegenüber der Atmosphäre abgeschlossen ist. Die Gasvorspannung
richtet sich nach den Erfordernissen des jeweiligen hydraulischen Kreislaufs. Je
näher Gasspannung und Arbeitsdruck zusammenliegen, desto kleiner ist die zur Verfügung
stehende Nutzmenge des Druckmittels für kurzzeitige Bewegungen.
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Durch die Wahl des Gasdruckes im Druckspeicher können somit die Überholvorgänge
des Lüfters ausgeglichen werden. Um insbesondere bei Versuchsfahrzeugen den ständig
wechselnden Anforderungen gerecht zu werden, erweist es sich als vorteilhaft, gemäß
einem weiteren Merkmal der Erfindung, den Gasdruck im Druckspeicher über ein Regelorgan,
ohne Austausch des Hauptspeichers, verändern zu können.
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Bei hydraulisch wirkenden Regelungsanordnungen, wie beispielsweise
Kühlanlagen einer Brennkraftmaschine in Kraftfahrzeugen, bei deren Betrieb immer
wieder kurzzeitige Drebzahlerniedrigungen, z. B. beim Befahren einer Kurve eintreten,
reicht ein normaler Druckspeicher allein nicht aus, sondern erst durch die Verbindung
mit einem an sich bekannten Überdruckventil, welches an die Druckleitung angeschlossen
ist und dessen Überlauf mit der Rücklaufleitung des Regelsystems in Verbindung steht,
werden die Druckmittelschwankungen ausgeglichen.
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Zur Anpassung an wechselnde Betriebsverhältnisse ist es ferner vorteilhaft,
nach einer Weiterbildung der Erfindung, das Überdruckventil in an sich bekannter
Weise mit einer auf den Ventilteller einwirkenden Druckfeder auszurüsten, deren
Vorspannung mittels einer von außen bedienbaren Handhabe einstellbar ist.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiel. Es zeigt F i g. 1 ein Schema eines erfindungsgemäß
ausgebildeten regelbaren hydraulischen Antriebs für den Lüfter der Kühlanlage einer
Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug, F i g. 2 ein erfindungsgemäß ausgebildetes
überdruckventil im Längsschnitt, und F i g. 3 ein Druckzeitdiagramm.
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Gemäß F i g. 1 ist in die Wasserumlaufleitung 1, la die Brennkraftmaschine
2 und der Kühler 3 eingeschaltet. Mit Ziffer 4 ist eine Wasserpumpe bezeichnet.
Der hier eingezeichnete Pfeil deutet die Durchflußrichtung des Kühlwassers in dem
Leitungssystem 1, 1 a an.
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Von der Brennkraftmaschine 2 wird eine Druckmittelpumpe 5 angetrieben.
Diese Druckmittelpumpe 5 ist über die Hochdruckleitung 6, 6 a mit einem Druckmittelmotor
7 verbunden, der seinerseits den Lüfter 8 antreibt. In die Hochdruckleitung 6 ist
ein thermostatisch beeinflußbarer Regler 9 eingebaut, der - wie in F i g. 1 strichpunktiert
angedeutet - einerseits mit der Kühlwasserleitung 1, andererseits mit der Rücklaufleitung
6 a verbunden ist.
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In der Hochdruckleitung ist außerdem ein überdruckventil 10 eingebaut,
welches einerseits über die Leitung 12 mit dem Druckspeicher 11 verbunden ist, andererseits
aber auch über seinen Überlauf mit der Rücklaufleitung 6a mittels der Leitung 12a
in Verbindung steht. Der Druckspeicher 11 ist im übrigen noch mit einem Regelorgan
13 versehen.
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Das Überdruckventil 10 besteht aus einem Ge-
häuseteil
14. In diesem Gehäuseteil 14 befindet sich ein Ventilteller 15, der sich mit seiner
Sitzfläche 16 auf das entsprechende Wandungsteil des Gehäuseteils 14 aufsetzen kann.
Der Ventilteller 15 ist mit einem Schaft 17 versehen, der eine durchgehende
Bohrung
18 aufweist. Das obere Ende dieses Schaftes 17 endet in einem Kolben 19. Dieser
Kolben 19 ist in einem weiteren zylinderartigen Gehäuseteil 20 geführt. Dieses Gehäuseteil
20 endet in einem mit Gewinde versehenen Stutzen 21, mit welchem die Verbindung
zu der Leitung 12 und damit die Verbindung zu dem Druckspeicher 11 herbeigeführt
wird. Das Gehäuseteil 14 weist an seinem unteren Ende ebenfalls einen mit Gewinde
versehenen Stutzen 22 auf, der mit der Druckleitung 6 in Verbindung steht. Das Gehäuseteil
14 weist im übrigen einen mit Gewinde versehenen überlaufstutzen 23 auf, der über
die Leitung 12a mit der Rücklaufleitung 6a in Verbindung zu bringen ist.
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Im Gehäuseteil 14 befindet sich im übrigen eine Druckfeder 24. Diese
Druckfeder stützt sich einerseits auf den Ventilteller 15, andererseits an einer
Ringfläche 25 des Gehäuseteils 20 ab.
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Mittels Gewindeausbildung 26 sind die Gehäuseteile 14 und 20 miteinander
verschraubbar. Die einstellbare Höhenlage dieser beiden Gehäuseteile 14 und
20 ist mittels der Kontermutter 27 erreichbar.
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In dem Ventilteller 15 ist ein Kugelventil 28 eingebaut. Die Kugel
28 wird unter der Einwirkung des aus der Druckleitung 6 kommenden Druckes gegen
die Ventilfläche 29 gedrückt. In dieser Ventilfläche 29 befinden sich Durchflußkanäle
30.
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Das Verhältnis der Ventilfläche 15 zu der Stirnringfläche des Kolbens
19 wird zweckmäßigerweise größer als 1 gewählt, damit ein sicheres öffnen des Ventils
gewährleistet ist.
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Der Druckausgleich zwischen der Hochdruckleitung 6 und dem Druckspeicher
11 erfolgt über eine Axialbohrung 18 durch den Ventilschaft 17. Am ventilseitigen
Ende dieser Bohrung 18 wird der Druckmittelstrom mit Hilfe des Kugelventils 28 gedrosselt,
in dessen Sitzfläche 29 die Durchflußkanäle 30 in Form von Nuten eingearbeitet sind.
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Mittels der Größe des freien Durchflußquerschnittes dieser Nuten kann
die Öffnungsdauer des Ventils beeinflußt werden. Eine weitere Beeinflussung der
Öffnungszeit des Ventils kann durch die Federkonstante der Ventilfeder 24 erreicht
werden. Soll der Druckausgleich und damit die Drehzahländerung schneller vor sich
gehen, so wird ein großer freier Durchflußquerschnitt und eine Feder mit kleiner
Federkonstante gewählt. Um einen langsamen Druckausgleich bei langsamer Drehzahlsteigerung
zu erreichen, was in vielen Fällen erwünscht ist, wird ein kleiner freier Querschnitt
für die Durchflußkanäle 30 und eine Feder 24 mit großer Federkonstante verwendet.
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In dem Diagramm gemäß F i g. 3 handelt es sich um ein Druckzeitdiagramm.
Es sind in diesem Diagramm zwei unterschiedlich große Drücke P1, P2 eingezeichnet,
wie sie in der Druckleitung 6 durch unterschiedliche Drehzahlen der Brennkraftmaschine
2 entstehen können. Die mit starken Schwankungen sich ausbildende Druckkurve a stellt
eine Druckkurve dar, wie sie bei der Anordnung gemäß dem Stand der Technik häufig
unvorhergesehen kurzfristig eintreten kann. Die Druckkurve b würde sich ergeben,
wenn in dem Überdruckventil ein großer freier Durchflußquerschnitt und eine Feder
mit kleinerer Federkonstante gewählt ist. Der Druckübergang von P1 zu P, erfolgt
in diesem Fall in einem Zeitabstand d t2. Wird ein langsamer Druckausgleich
gewünscht, was durch einen kleineren freien Durchgangsquerschnitt 30 und durch eine
Feder mit kleinerer Federkonstante erreicht werden kann, so ergibt sich die Druckkurve
c. Der Übergang vom Druck P1 zum Druck P, erfolgt in diesem Fall in einem Zeitintervall
Q ts.
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Sowohl bei der Druckkurve b als auch bei der Druckkurve c sind die
starken Schwankungen, wie sie bei der bisher in Kauf genommenen Druckkurve a sich
ergeben, praktisch ausgeschaltet.
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Die Spannung der Druckfeder 24 ist durch die Gewindeverbindung 26
der Teile 24 und 20 mittels der als Handhabe bedienbaren Kontermutter 27 einstellbar.
Ebenso ist auch der im Druckspeicher 11
herrschende Druck einstellbar mittels
des Regelorgans 13. Damit kann diese hydraulisch wirkende Regelungsanordnung jeweils
den herrschenden Betriebsbedingungen angepaßt werden.
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Die Anordnung gemäß der Erfindung ist in erster Linie zum Kühlen von
Brennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen bestimmt, weil gerade hier, durch den Fahrbetrieb
bedingt, häufige Drehzahländerungen durch den Verbrennungsmotor auftreten können.
Diese hydraulisch wirkende Regelungsanordnung eignet sich aber auch für stationäre
Anlagen, bei denen häufiger mit einem ins Gewicht fallenden Lastwechsel zu rechnen
ist.