DE69820033T2

DE69820033T2 - Hydraulisch angetriebener kühlventilator für fahrzeuge

Info

Publication number: DE69820033T2
Application number: DE69820033T
Authority: DE
Inventors: J. Jeffrey BUSCHUR; S. John HILL
Original assignee: ITT Automotive Electrical Systems Inc
Current assignee: Valeo Electrical Systems Inc
Priority date: 1997-02-20
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2018-02-20
Also published as: EP0964983B1; EP0964983A1; JP3459265B2; US6021641A; DE69820033D1; JP2000509785A; WO1998037318A1; US6158216A

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem, welches die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 aufweist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Kühlung eines Wärmetauschers in einem Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 10.
Bei Kraftfahrzeugen führt für gewöhnlich ein Ventilator Wärme aus einem flüssigen Kühlmittel ab, und zwar dadurch, dass er Luft durch einen Wärmetauscher oder Kühler bläst, durch welchen das Kühlmittel fließt. Der Ventilator wird für gewöhnlich über einen Kraftübertragungsriemen direkt durch den Motor angetrieben.
Jedoch besteht ein Problem mit einem derartigen Direktantrieb des Ventilators darin, dass die Ventilatordrehzahl an die Motordrehzahl gekoppelt ist: Wenn die Motordrehzahl zunimmt, nimmt auch die Ventilatordrehzahl zu. Jedoch nimmt mit zunehmender Motordrehzahl im Allgemeinen auch die Fahrzeuggeschwindigkeit zu. Es nimmt aber bei Erhöhung der Fahrzeuggeschwindigkeit auch die durch den Kühler verlaufende Staudruck-Luftströmung zu, die ebenfalls zur Kühlung des Kühlmittels beiträgt, wodurch die Notwendigkeit für eine Ventilatorkühlung verringert wird.
Somit dreht sich bei hoher Motordrehzahl in vielen Fällen der Ventilator mit hoher Drehzahl, wird jedoch nicht benötigt. Einige Ventilatoren sind mit Kupplungen ausgerüstet, welche sie bei hohen Motordrehzahlen vom Motor trennen, um dieses Problem zu lösen.
Jedoch können, sogar wenn dieses Ventilatorproblem gelöst ist, weitere Eigenschaften von Ventilatoren unerwünscht sein. Eine von diesen besteht darin, dass Ventilatoren Lärm verursachen. Jedes Ventilatorblatt gibt, wenn es sich an einem Beobachter vorbeibewegt, einen kleinen Druckimpuls auf den Beobachter ab.
Mit zunehmender Ventilatordrehzahl nimmt auch die Anzahl der pro Sekunde auftretendem Vorbeibewegungsvorgänge des Blattes zu, wodurch die Anzahl der Impulse pro Sekunde erhöht wird. Außerdem nimmt mit Erhöhung der Drehzahl auch die Größe der Impulse zu. Somit wirkt ein sich mit hoher Drehzahl drehender Ventilator als laute hochfrequente Lärmquelle.
Ein weiteres auftretendes Problem ist nicht so sehr dem Ventilator als vielmehr den Gestaltungsprinzipien von Kraftfahrzeugen zuzuschreiben. Bei einem quer eingebauten Motor ist die Kurbelwelle senkrecht zur Fahrtrichtung angeordnet. Jedoch sind die Kühlfläche des Kühlers und das scheibenförmige Element, das den diesen kühlenden Ventilator repräsentiert, beide vorzugsweise senkrecht zum Staudruck-Luftstrom, d. h. parallel zur Fahrtrichtung angeordnet. Mit dieser Anordnung ist die Drehachse des Ventilators senkrecht zur Kurbelwelle, was bei der Kraftübertragung von der Kurbelwelle zum Ventilator eine komplexe Anordnung bedingt.
Man nimmt an, dass eine Lösung für viele dieser Probleme in einem hydraulisch angetriebenen Kühlventilator liegt. Jedoch darf bei Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich ein derartiger Ventilator nur geringe Kosten verursachen. Die Notwendigkeit geringer Kosten bringt fast unabdingbar mit sich, dass eine Hydropumpe von konstanter Verdrängung verwendet wird und dass diese direkt durch den Motor angetrieben wird, anstatt dass sie über eine Getriebe- oder Übertragungseinrichtung angetrieben wird. Der Ausdruck "konstante Verdrängung" bedeutet, dass die Fluidmenge, die pro Pumpenzyklus abgegeben oder verdrängt wird, unveränderlich ist.
Der auf diese Weise angetriebene Pumpentyp gibt bei hohen Motordrehzahlen eine große Fluidmenge ab.
Jedoch wird, wie zuvor erläutert, bei hohen Motordrehzahlen in vielen Situationen eine umfangreiche Ventilatorkühlung nicht benötigt. Somit wird die große Fluidmenge nicht benötigt. Das überschüssige Fluid wird zu einem Reservoir umgeleitet, aus dem die Pumpe gespeist wird.
Ein Problem mit dieser Umleitung besteht darin, dass, auch wenn das umgeleitete Fluid nicht genutzt wurde, es nichtsdestoweniger durch die Pumpe auf einen hohen Druck gebracht wurde. Der Vorgang, dieses umgeleitete Fluid auf einen hohen Druck zu bringen, erfordert Leistung. Diese Leistung muss durch den Motor zugeführt werden, und das umgeleitete Fluid, für welches die Leistung verwendet wurde, repräsentiert einen Posten von Energieverschwendung.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein verbessertes Kühlsystem in einem Kraftfahrzeug bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, bei welchem Hydromotoren für den Antrieb eines Kühlventilators sorgen.
Aus US-A-4 738 330 ist ein hydraulisches Antriebssystem bekannt, bei welchem eine Pumpe direkt mit einem ersten Steuerventil gekoppelt ist und der Auslass des ersten Steuerventils sowohl mit dem Ventilatorantrieb als auch dem zweiten Ventil in Verbindung steht. Somit steht das zweite Ventil nicht direkt mit der Pumpe in Verbindung. Die Steuerung des zweiten Ventils hängt vom ersten Ventil ab.
Die zuvor erwähnten Ziele können mit einem über die Merkmale von Anspruch 1 verfügenden Kühlsystem oder mit einem Verfahren zur Kühlung eines Wärmetauschers in einem Fahrzeug nach Anspruch 10 erzielt werden.
Die Zeichnungen zeigen:
1A und 1B ein Analogieschaltbild, bei welchem die von einer einzelnen elektrischen Last (Verbraucher) aufgenommene Leistung mit der Leistung verglichen wird, die von parallelen elektrischen Lasten aufgenommen wird, wenn alle Lasten durch die gleiche Stromquelle mit Strom versorgt werden;
1C und 1D eine Gesamtansicht der Funktionsweise der Erfindung;
1E eine Weiterführung der Analogie der 1A und 1B;
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 verschiedene Zustände, die interne Bauteile während unterschiedlicher Arbeitsbedingungen der Erfindung annehmen;
2A eine detaillierte Ansicht des Drehbolzens 78;
4A ein Druck- und Durchsatz-Diagramm von Ventil 6 in 2 bei relativ geringer Pumpendrehzahl;
9B ein Druck- und Durchsatz-Diagramm von Ventil 6 in 2 bei relativ hoher Pumpendrehzahl; und
10 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Analogie
Da Fluidmechanik ein sehr technisches Thema ist und da einige der in hydraulischen Systemen auftretenden Phänomene nicht ohne Weiteres einem einfachen intuitiven Verständnis zugänglich sind, ist ein Analogieschaltbild möglicherweise dazu ein geeignetes Mittel. Die Analogie wird aus dem Gebiet der Elektrotechnik hergeleitet.
Die Analogie ist in zwei Teile unterteilt. Beim ersten Teil wird eine Quelle konstanten Stroms betrachtet, die entweder (a) einen einzigen Widerstand R1 oder (b) zwei parallele Widerstände R1 und R2 speist, und die in beiden Fällen abgegebene Leistung wird verglichen. Der zweite Teil stellt eine Vorrichtung dar, welche selektiv eine Leistungsabgabe an R1 oder an eine parallele Kombination von R1 und R2 ermöglicht.
Analogie: Erster Teil
1A stellt einen Lastwiderstand R1 mit dem Wert 4 Ω dar, welcher durch eine elektrische Stromquelle S mit Strom versorgt wird. Die Quelle S ist vom Konstantstrom-Typ, was bedeutet, dass sie, ungeachtet der Größe des Widerstandes R1, einen konstanten Strom liefert. Der in 1A angegebene konstante Strom beträgt 4 A.
Die vom Widerstand R1 aufgenommene Leistung P beträgt I²R, oder
(Quadrat des Stromes) × (Widerstand),
was einen Wert von 64 W entspricht, wie in der Figur angegeben. Die Spannung, die sich über dem Widerstand R1 entwickelt, entspricht IR oder
(Strom) × (Widerstand)
und hat wie angegeben den Wert 16 V.
Diese aufgenommene Leistung muss von der Stromquelle S geliefert werden. Wenn jedoch, wie in 1B gezeigt, ein identischer Lastwiderstand R2 parallel dazu hinzugefügt wird, dann wird der äquivalente Widerstand, von der Stromquelle S aus gesehen, halbiert, und wird wie angegeben zu 2 W. Die nun aufgenommene Leistung wird ebenfalls halbiert und beträgt wie angegeben 32 W.
Daher verdeutlicht diese Analogie das Prinzip, dass durch paralleles Anordnen einer zweiten elektrischen Last zu einer ersten Last die aufgenommene Gesamtleistung verringert wird. Die verbrauchte oder aufgenommene Leistung kann durch zwei äquivalente Ausdrücke repräsentiert werden. (1) P = I2R oder (2) P = IV, wobei
P die Leistung,
I den Strom, und
V die Spannung bezeichnet.
Betrachtet man Ausdruck (1), wurde durch Hinzufügen der Last R2 in 1B der Gesamtwert von "R" von der Stromquelle S aus gesehen verringert. Eine Verringerung von "R" im Ausdruck P = I²R verringert "P" .
Der Ausdruck (2) erläutert den Leistungsabfall aus einer anderen Perspektive. Der verringerte Gesamtwert von "R" bewirkt einen verringerten Spannungsabfall, wie aus dem Vergleich der 1A und 1B zu ersehen ist. Der verringerte Spannungsabfall ist durch "V" in Ausdruck (2) repräsentiert. Die Verringerung dieses V verringert "P" in Ausdruck (2).
Einfacher ausgedrückt: "R" stellt dem Fließen des Stromes einen Widerstand entgegen, wie der Name "Widerstand" impliziert. Die Spannung ist das Mittel, welches den Strom durch einen Widerstand "treibt", wie der Ausdruck V = IR angibt: Der Strom ist proportional zur Spannung. Wenn "R" verringert wird, wird eine geringere Spannung benötigt, damit der gleiche Strom hindurchfließen kann. Bei einer geringeren Spannung wird eine geringere Leistung benötigt, wie durch den Ausdruck (2) angegeben, P = IV.
Die Stromquelle S ist analog zu einer Pumpe konstanter Verdrängung. Die Widerstände R1 und R2 sind analog zu Hydromotoren, die einen oder mehrere Ventilatoren in einem Fahrzeug antreiben. Wenn zwei identische Motoren parallel angeordnet sind, analog zu den Widerständen R1 und R2 in 1B, wird durch die Pumpe eine geringere Leistung geliefert.
Analogie: Zweiter Teil
1E zeigt die Stromquelle S und die zuvor erörterten Widerstände R1 und R2. Erneut repräsentieren R1 und R2 Hydromotoren, welche einen oder mehrere Kühlventilatoren antreiben. Jedoch ist in 1E die Stromquelle S nun eine veränderliche Stromquelle. Dies ist analog zu einer Hydropumpe konstanter Verdrängung, welche einen Fluiddurchsatz erzeugt, der von der Pumpendrehzahl abhängt. Wenn ein Fahrzeugmotor die Pumpe antreibt, dann hängt dieser Durchsatz von der Motordrehzahl ab, jedoch ist der Durchsatz bei einer vorgegebenen Motordrehzahl konstant.
Zusätzlich wurde eine Steuerung C hinzugefügt. Die Steuerung C steuert ein "Stromventil" V, das man sich als idealen Transistor vorstellen kann und das die Größe des Stroms, der zum Widerstand R2 gelangt, steuert. Die Steuerung C steuert auch einen verstellbaren Umgehungs-(oder Nebenschluss)-Widerstand RB, was in der Auswirkung den äquivalenten Parallelwiderstand von R1 und RB steuert, wodurch die Spannung über R1 gesteuert wird. Die Steuerung C ermöglicht, dass die von der Quelle S abgegebene Leistung verringert wird,. verglichen mit der Situation, bei der die Quelle S den Widerstand R1 allein speist.
Um einen Vorteil dieser Anordnung darzustellen, sei der Wirkungsgrad der Leistungsübertragung von der Quelle S zu den Lasten R betrachtet, wenn der Leistungsbedarf bei den Lasten R1 und R2 sich vom Maximum zum Minimum verändert. (Diese Veränderung des Bedarfes tritt beispielsweise bei einem Fahrzeug auf, wenn der Kühlbedarf, der durch die Motoren zugeführt wird, die durch die Widerstände R1 und R2 repräsentiert sind, sich von einem Maximum zu einem Minimum verändert.)
Maximale Leistung wird geliefert, wenn RB vollständig unterbrochen ist und das Ventil V nicht leitend ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der gesamte Strom von der Quelle S durch den Widerstand R1 hindurchgedrückt, und die Leistungsübertragung beträgt 100%: Die gesamte von der Quelle S gelieferte Leistung wird durch den Widerstand R1 aufgenommen.
Wenn der Leistungsbedarf der Lasten R1 und R2 abnimmt, beginnt ein Stromfluss durch das Ventil V und wird allmählich gesteigert, bis das Ventil V vollständig leitend wird. Zu diesem Zeitpunkt ist die Spannung über dem parallelen Paar von R1 und R2 durch den durch die Quelle S zugeführten Strom bestimmt, wie zuvor erläutert. Die Leistungsübertragung beträgt erneut 100, unter der Annahme, dass im Ventil V keine Verluste auftreten.
Wenn der Leistungsbedarf weiter abnimmt, wird RB leitend, was erlaubt, dass durch RB, parallel zu R1 und R2, Strom fließt. Bei Verringerung des Widerstandes RB nimmt die an die Lasten R1 und R2 abgegebene Leistung ab, hingegen bewirkt RB, dass eine gewisse Leistung dissipiert wird.
Daher tritt eine Leistungsübertragung von 100 bei zwei Arbeitspunkten auf, und zwar wenn R1 als alleinige Last wirkt und wenn R1 parallel mit R2 als Last wirkt. Im Gegensatz dazu tritt, falls R2 nicht für eine parallele Anordnung mit R1 zur Verfügung steht (d. h. in diesem Fall R2 und das Ventil V nicht vorhanden sind), eine Leistungsübertragung von 100 dann lediglich an einem einzigen Betriebspunkt auf, und zwar wenn RB einen unendlichen Widerstand hat und R1 als alleinige Last wirkt.
Überblick über die Erfindung
In 1C nimmt unter einem Satz von Betriebsbedingungen ein Steuersystem 5 Fluid von einer Hydropumpe 3 entgegen, die von einem (nicht dargestellten) Fahrzeugmotor angetrieben wird. Das Steuersystem 5 gibt einen Fluidstrom, angezeigt durch eine Kette von Punkten, an einen Hydromotor 9 ab, welcher einen Kühlerventilator 12 antreibt. Zu diesem Zeitpunkt wird kein Fluidstrom zum Hydromotor 24 abgegeben.
In 1D gibt unter einem weiteren Satz von Betriebsbedingungen das Steuersystem 5 einen Strom an beide Motoren 9 und 24 ab, welche gemeinsam den Ventilator 12 antreiben.
Allgemein ist in der Hydraulik die abgegebene Leistung proportional zu
(Durchsatz) × (Druckabfall).
Dieser Ausdruck ist analog zum oben angegebenen elektrischen Ausdruck (2), der (Strom) × (Spannung) lautet. Das heißt, der elektrische Strom ist analog zum hydraulischen Durchsatz und die Spannung ist analog zum Druckabfall.
In 1D beträgt bei einem gegebenen Durchsatz der Pumpe 3 der über dem Paar der Motoren entwickelte Druck weniger als der üben dem einzelnen Motor von 1C entwickelte Druck. Ein einfacher Weg, dies zu verstehen, besteht darin, dass in 1D das Paar parallel angeordneter Motoren einen geringeren Gesamtwiderstand gegenüber dem Fluidstrom darstellt, ähnlich wie bei den parallelen Widerständen von 1B.
Da die Pumpe konstanter Verdrängung 3 sich in 1D einem geringeren Widerstand gegenübersieht, wird ein im Vergleich zu 1C geringerer Druck entwickelt. Der Wert (Durchsatz) × (Druckabfall) hat abgenommen und der Hydromotor zieht weniger Leistung aus dem (nicht dargestellten) Motor.
Zusammenfassend gilt also: Zwei identische parallele Hydromotoren, die von einer konstanten Hydraulikfluid-Quelle mit Energie versorgt werden, ziehen weniger Leistung als einer der Motoren.
In der Praxis kann sowohl in 1C als auch in 1D die Pumpe 3 einen Überschussdurchsatz erzeugen, da sie durch einen mit hoher Drehzahl laufenden Motor angetrieben wird. Das Steuersystem 5 (a) sorgt dafür, dass dieser Überschuss an den Motoren 9 und 24 vorbeigeleitet wird, und zwar über einen nicht dargestellten Strömungsweg, und (b) führt diesen Überschuss zu einem Reservoir 15 ab.
Detaillierte Beschreibung
Die 2 bis 9 liefern eine detailliertere Darstellung der Erfindung und stellen verschiedene Betriebsmodi einer Ausführungsform der Erfindung dar.
2: Geringe Pumpenförderleistung, kein Kühlbedarf (Startphase)
2 stellt eine wahrscheinliche Situation dar, die momentan auftritt, wenn das die Erfindung verwendende Fahrzeug eine Startphase ausführt. Die Pumpe 3 gibt einen Fluidstrom an die Leitung 50 ab, und der Strom tritt über Löcher 53 in einen Hohlraum 56 innerhalb des Ventils ein. Zu diesem Zeitpunkt liegt kein Kühlbedarf vor, wie durch die geschlossene Position des Kolbens 59A angezeigt ist, wodurch die Löcher 62 blockiert sind.
Aus Gründen der Klarheit ist eine vergrößerte Darstellung des Kolbens 59A am oberen rechten Teil der Figur abgebildet. Gestrichelte Linien 65 und 68 wurden zum Vergleich der in den unterschiedlichen Figuren dargestellten Relativpositionen des Kolbens 59A hinzugefügt. Die Position des Kolbens 59A wird durch eine Elektromagnet-Stelleinrichtung 72 gesteuert, welche ihrerseits durch ein elektrisches Kühlbedarfssignal über die Leitung 73 gesteuert wird.
Beim Ventil 6 handelt es sich um ein handelsübliches Ventil. Es wird bei Servolenksystemen verwendet, die über eine geschwindigkeitsabhängige Regelung verfügen. Bei derartigen Systemen wird ein Signal ähnlich zu dem Signal verwendet, das als "Kühlbedarfssignal" bezeichnet wird, jedoch repräsentiert dieses Signal kein Kühlbedarfssignal. Stattdessen repräsentiert dieses Signal die Fahrzeuggeschwindigkeit.
Bei einem etwas unterschiedlichen Ventiltyp ist der Kolben 59A tatsächlich in einer festen Position bezüglich der Löcher 62 verschweißt, wodurch gemeinsam mit den Löchern 62 eine unveränderliche Öffnung begrenzt wird. Die Elektromagnet-Stelleinrichtung 72 ist weggelassen. Dieser Ventiltyp ist bei gewöhnlichen Servolenksystemen zu finden, im Gegensatz zu geschwindigkeitsabhängigen Systemen.
Bei beiden Ventiltypen wird der aus der Leitung 75 austretende Strom, unabhängig vom abgegebenen Durchsatz der Pumpe 3 gesteuert. Beim Ventil, welches die Elektromagnet-Stelleinrichtung 72 verwendet, wird dieser Fluidstrom durch das Signal auf Leitung 73 festgelegt. Beim Ventil, welches nicht über die Elektromagnet-Stelleinrichtung 72 verfügt, wird dieser Strom durch die Größe der nicht durch den Kolben 59A verdeckten Öffnung 62 bestimmt. Jedoch wirkt wiederum in jedem Fall das Ventil 6 als Quelle konstanten Durchsatzes von Hydraulikfluid, auch wenn sich bei dem mit dem beweglichen Kolben 59A ausgerüsteten Ventil dieser Durchsatz selbstverständlich einstellen lässt.
Erneut Bezug nehmend auf 2 erreicht, da der Kolben 59A im Ventil 6 die Löcher 62 blockiert, kein Strom die Leitung 75. Somit liegt wie angegeben ein relativ geringer Druck in Leitung 76 vor, im Vergleich zu dem in Leitung 50 vorliegenden relativ hohen Druck, wie ebenfalls angegeben. Demzufolge wird der Drehzapfen 78 im Ventil 18 in die gezeigte Position bewegt, wobei das Kreisringstück 80 mit der Öffnung 82 übereinstimmt.
2A liefert eine detailliertere Ansicht des Aufbaus des Drehzapfens 78. Das Kreisringstück 80 steht über Löcher 103 mit einer Innenbohrung 104 in Verbindung, welche erlaubt, dass unter Druck stehendes Fluid innerhalb der Bohrung 104 die Öffnung 82 in 2 erreicht, wenn der Drehzapfen 78 geeignet positioniert ist.
Jedoch tritt in 2, da zu diesem Zeitpunkt kein Fluidstrom durch die Leitung 75 strömt, auf Grund der Position des Kolbens 59A kein Strom über die Leitung 76 in das Ventil 18 ein, und kein Strom tritt aus Öffnung 82 aus. Der Motor 24 erhält kein Fluid und läuft nicht. Der Motor 9 erhält ebenfalls kein Fluid, da kein Fluidstrom durch die Leitung 75 strömt.
Daher sind in der momentanen Startphasen-Situation von 2 beide Motoren 9 und 24 aus, und der Drehzapfen 78 nimmt die dargestellte Position ein.
3: Geringe Pumpenförderleistung, kein Kühlbedarf (nach der Startphase)
Kurz nachdem die Situation von 2 auftritt, baut sich im Hohlraum 56 im Ventil 6 Druck auf, wodurch eine nach links gerichtete Kraft auf die Fläche 59 ausgeübt wird. Diese Kraft drückt den Drehzapfen 66 nach links, was ermöglicht, dass ein Fluidstrom 88 in die Leitung 90 eintritt und das Reservoir 15 erreicht. Ein Fluiddruck im Bereich von 25 psi im Hohlraum 56 reicht aus, um diese Bewegung des Drehzapfens 66 zu erzielen. Dieser Druck von 25 psi wird als "Aufreißdruck" bezeichnet, da er den Drehzapfen 66 "aufreißt" (öffnet), wodurch der Fluidstrom 88 entsteht. Da jedoch der Kolben 59A weiterhin die Löcher 62 blockiert, da kein Kühlbedarf vorliegt, bleiben beide Motoren 9 und 24 aus den in Verbindung mit 2 angegebenen Gründen ausgeschaltet.
4: Geringe Pumpenförderleistung, geringer Kühlbedarf
In 4 besteht geringer Kühlbedarf, wie durch die teilweise geöffnete Position des Kolbens 59A angegeben, jedoch ist die Förderleistung der Pumpe 3 weiterhin gering, möglicherweise da der Motor des Fahrzeugs sich mit Leerlaufdrehzahl oder nahe dieser dreht. Unter diesen Bedingungen fließt nun ein großer Teil des Fluidstroms 88, der in 3 in das Reservoir 15 abgeleitet wurde, nun durch die Löcher 62, welche vom Kolben 59A teilweise freigegeben sind.
Der Fluidstrom 88 kann vollständig auf Null verringert werden, oder ein gewisser Strom 88 kann vorliegen und in das Reservoir 15 abgeleitet werden, wie in 4 angegeben. Die abgeleitete Menge hängt von der Position des Kolbens 59A und dem Durchsatz der Pumpe 3 ab.
Das heißt, das Ventil 18 ist so aufgebaut, dass sich der Drehzapfen 78 im Ventil 18 niemals weit genug nach rechts bewegt als dass der Fluidstrom in Leitung 50 durch die Öffnungen 82 im Ventil 18 austreten könnte. Somit verläuft der gesamte Strom von der Pumpe 3 entweder durch die Löcher 62 hindurch oder wird als Strom 88 in 3 abgeleitet. Kein Strom strömt durch die Leitung 77 (außer, um den Drehzapfen 78 zu bewegen, wobei es sich dabei jedoch um einen unbedeutenden, vorübergehenden Strom handelt). Nochmals zur Verdeutlichung: Die Summe von (1) dem Strom durch die Löcher 62 plus (2) dem Strom 88 ergibt die Förderleistung der Pumpe 3.
In 4 erreicht der aus den Löchern 62 austretende Strom die Leitung 75 und dann den Motor 9, wodurch dieser Motor in Bewegung versetzt wird. Außerdem ist der Druck in Leitung 76 weiterhin relativ niedrig, und zwar aus den unmittelbar nachfolgend erläuterten Gründen. Der Druckabfall ΔP von Leitung 50 zur Leitung 75 ist der gleiche wie in 3, und liegt bei ca. 25 psi. (Δ betrifft den griechischen Buchstaben "Delta", der in den Figuren verwendet wird.) Dieser Druckabfall bewirkt, dass der Drehzapfen 78 im Ventil 18 in fast der gleichen Position wie in 3 bleibt. Diese Position erlaubt, dass STROM 2 Motor 24 erreicht. (Im Gegensatz dazu war in 3 STROM 2 nicht vorhanden, ungeachtet der Tatsache, dass sich sowohl in 3 als auch in 4 der Drehzapfen 78 in ähnlichen Positionen befindet. Der Grund dafür liegt darin, dass in 3 der Kolben 59A den Fluidstrom in der den STROM 2 zuführenden Leitung 75 blockiert hat.)
Um das Vorhandensein des geringen Drucks in Leitung 76 zu erläutern, sind in 4A zwei Größen bezogen auf den elektrischen Strom in Leitung 73 abgetragen, welcher das Kühlbedarfssignal repräsentiert. Diese Größen sind (1) die in 4 dargestellte Druckdifferenz ΔP zwischen den Leitungen 50 und 75, und (2) der Fluidstrom durch Leitung 75. In der vorliegenden Situation liegt der Arbeitspunkt in 4 näherungsweise bei Punkt A. Der Fluidstrom in Leitung 75 ist relativ gering, und liegt bei ca. 0,5 gpm (Gallonen pro Minute). Der Druckabfall ΔP beträgt ungefähr 28 psi, was relativ hoch ist, wodurch, im Vergleich zum Druck in Leitung 77, ein relativ geringer Druck in Leitung 76 erzeugt wird.
Zwei Merkmale von 4A sind signifikant. Beide betreffen die Steuerung des durch die Löcher 62 hindurchgehenden Stroms mittels des Signals auf Leitung 73. Ein Merkmal liegt darin, dass in 4 ein Arbeitspunkt von 6 unmittelbar innerhalb von Fenster W in 4A liegt, das spezielle Eigenschaften hat. Bei diesem Arbeitspunkt gibt der Kolben 59A im Ventil 3 von 4 die Löcher 62 ausreichend frei, so dass der "Aufreißdruck" in Kammer 56 nicht aufrecht erhalten wird.
Wenn der "Aufreißdruck" nicht aufrecht erhalten wird, wird der Strom 88 in 4 unterbrochen, und der Durchsatz durch die Löcher 62 erreicht seinen Spitzenwert, wie der horizontale Abschnitt H der Diagrammlinie in 4A angibt, die mit "DURCHSATZ (GPM)" bezeichnet ist. Bei diesem maximalen Durchsatz durch die Löcher 62 ist das Kühlbedarfssignal auf Leitung 73 in 4 ohne Effekt, so dass der Strom durch die Löcher 62 weiter vergrößert wird.
Das zweite Merkmal betrifft die Situation, bei dem der Kolben 59A einen Teil der Löcher 62 abdeckt, so dass das Kühlbedarfssignal auf Leitung 73 sowohl eine Erhöhung als auch eine Verminderung des Fluidstroms bewirken kann. Der Bereich unmittelbar rechts von Fenster W in 4A repräsentiert diese Situation. In diesem Bereich ist der Druck genauso hoch oder höher als der "Aufreißdruck".
In dieser Situation ist der Durchsatz in 9A ungefähr umgekehrt proportional zur Größe des Kühlbedarfssignals. Das heißt, mit Zunahme des Kühlbedarfssignals nimmt der Fluidstrom ab.
Diese umgekehrte Beziehung liefert das Merkmal einer Folgeschadensicherheit (failsafe). Das aus Elektromagnet 72/Kolben 59A bestehende System hält normalerweise die Löcher 62 offen. Das Kühlbedarfssignal wird zum Schließen der Löcher 62 verwendet. Wenn das Kühlbedarfssignal fehlerhaft wird, eventuell auf Grund eines Bruchs des Drahtes 73, erreicht der Fluidstrom immer noch die Leitung 75 und setzt den Motor 9 in Bewegung. Das System kann ungeachtet des Defektes sicher betrieben werden.
Erneut Bezug nehmend auf den in 4 dargestellten Modus ist in 4A die "DRUCKDIFFERENZ" dargestellt, die dem in 4 dargestellten ΔP entspricht. Der Druck in der Leitung 50 abzüglich ΔP (ebenfalls in 4A dargestellt), entspricht näherungsweise dem Druck in Leitung 76. Je größer ΔP wird, desto größer wird die Druckdifferenz zwischen den Leitungen 76 und 50. Bei ausreichend großer Druckdifferenz bewegt sich der Drehzapfen 78 nach rechts und verbindet die Leitung 76 mit der Öffnung 82.
In 4 ist eine große Druckdifferenz vorhanden und das Kreisringstück 80 des Drehzapfens 78 stimmt mit der Öffnung 82 überein, was erlaubt, dass das Fluid in der Leitung 76 das Ventil 18 als STROM 2 verlässt. STROM 2 setzt den Motor 24 in Bewegung. Der Motor 24 ist über eine Freilaufkupplung 27 mit dem Ventilator 12 verbunden: Beide Motoren 9 und 24 treiben den Ventilator 12 an.
Somit laufen zu diesem Zeitpunkt, bei geringer Pumpenförderleistung und geringem Kühlbedarf, beide Motoren 9 und 24, und zwar vorzugsweise mit gleicher Drehzahl.
5: Geringe Pumpenförderleistung, mittlerer Kühlbedarf
In 5 ist die Pumpenförderleistung die gleiche wie in den 2 bis 4, jedoch besteht ein mittlerer Kühlbedarf, was dadurch angezeigt ist, dass im Vergleich zu 4 ein größerer Teil der Löcher 62 nicht durch den Kolben 59A verdeckt wird. Als Arbeitspunkt kann der Punkt C in 4A genommen werden. Daher ist der Durchsatz in Leitung 75 größer als für Punkt A, der 4 repräsentiert, jedoch ist die Druckdifferenz (d. h. ΔP in 5) geringer, was anzeigt, dass die Drücke in den Leitungen 76 und 77 näher beieinander liegen als in 4.
Diese näher beieinander liegenden Drücke sind in 5 als "HOCH" und "FAST HOCH" angegeben. Demzufolge nimmt der Drehzapfen 78 in Ventil 18 eine mittlere Position ein, und zwar zwischen vollständig offen, wie in 4, und vollständig geschlossen, wie in 6, was später erläutert wird. In dieser eingenommenen, speziellen mittleren Position wird die Durchflussmenge (der Durchsatz) von STROM 2 gesteuert und auf diese Weise die Drehzahl des Motors 24 moduliert.
Daher steuert in 5 das auf Leitung 73 ankommende Kühlbedarfssignal die Position des Kolbens 59A. Die Position des Kolbens 59A legt die Position des Drehzapfens 78 fest, welcher den Durchsatz von STROM 2 festlegt. Dieser Durchsatz steuert die Drehzahl des Motors 24.
Ein Vergleich der 9 und 5 verdeutlicht ein signifikantes Merkmal der Erfindung. In 4 war der Kühlbedarf gering. Beide Motoren 9 und 24 laufen. In 5 ist der Kühlbedarf höher. Nun wird die Drehzahl des Motors 24 moduliert, und der Motor 9 läuft mit der durch STROM 1 festgelegten Drehzahl.
Der Druck kann oberhalb des "Aufreißdrucks" liegen oder auch nicht.
6: Geringe Pumpenförderleistung, hoher Kühlbedarf
In 6 öffnet der Kolben 59A die Löcher 62 in einem Maße, dass ΔP sehr gering ist. Der Arbeitspunkt wird durch Punkt D in 4A oder einen Punkt links von D repräsentiert.
ΔP ist gering. (Eine vereinfachte Erläuterung für dieses geringe DP besteht darin, dass ein geringer Durchsatz durch ein großes Loch 62 einen kleinen Druckabfall bewirkt.) Ein kleines DP bewirkt, dass die Drücke in den Leitungen 76 und 77 beide fast gleich sind, was bewirkt, dass sich der Drehzapfen 78 in Ventil 18 unter dem Einfluss der Feder SP nach links bewegt. Der Fluidstrom zum Motor 24 wird blockiert.
Der Druck liegt oberhalb des "Aufreißdrucks".
Ein Vergleich der 9 bis 6 illustriert eine wichtige Betriebsabfolge der Erfindung. In diesen Figuren ist die Kühlbedarfsabfolge, sehr allgemein formuliert, folgendermaßen:

(1) "gering", wie in 4;
(2) "mittel", wie in 5; und
(3) "hoch", wie in 6.

Bei geringem Kühlbedarf arbeiten beide Motoren 9 und 24. Bei mittlerem Kühlbedarf arbeiten beide Motoren 9 und 24, wobei der Motor 24 durch ein Ventil 18 moduliert wird. Bei hohem Kühlbedarf arbeitet ausschließlich Motor 9. Die Situation mittleren Kühlbedarfes repräsentiert den Übergang von einem Zwei-Motor-Betrieb zu einem Einzelmotorbetrieb.
7: Hohe Pumpenförderleistung, kein Kühlbedarf
In 7 blockiert der Kolben 59A die Löcher 62. Kein Fluidstrom erreicht Leitung 75. Der gesamte auf Leitung 50 ankommende Fluidstrom wird zu Leitung 90 abgeleitet, und somit zum Reservoir 15. Die Motoren 9 und 24 sind aus.
8 und 9: Hohe Pumpenförderleistung, geringer bzw. hoher Kühlbedarf
In 8, welche eine hohe Pumpenförderleistung und geringen Kühlbedarf repräsentiert, öffnet Kolben 59A teilweise die Löcher 62. Eine hohe Pumpenförderleistung tritt beispielsweise bei Pumpendrehzahlen von 2000 U/min und mehr auf .
DP ist groß. Eine vereinfachte Erläuterung eines großen DP besteht darin, dass allgemein nun ein großer Durchsatz durch die Löcher 62 strömt, was einen größeren Druckabfall als der kleinere Durchsatz bewirkt, wie er beispielsweise in 4 auftritt. Das Diagramm von 4B lässt sich nun anwenden, und als Arbeitspunkt kann der Punkt E genommen werden.
Bei großem DP öffnet sich das Ventil 18 vollständig oder fast vollständig, bedingt durch den, verglichen mit dem niedrigen Druck in Leitung 76, hohen Druck in Leitung 77. Nun laufen beide Motoren: STROM 2 setzt ein und treibt Motor 24 an. STROM 1 treibt den Motor 9 an. Beide Motoren laufen vorzugsweise mit gleicher Drehzahl. Es erfolgt keine Modulierung von Motor 24.
In 9, welche eine hohe Pumpenförderleistung und einen hohen Kühlbedarf repräsentiert, öffnet Kolben 59A die Löcher 62 vollständig oder fast vollständig. Da die Förderleistung der Pumpe 3 hoch ist, ist DP lediglich geringfügig niedriger als in 8. Als Arbeitspunkt kann Punkt F in 9B genommen werden.
In 9 ist dieses geringfügig niedrigere DP durch Hinzufügen des "+"-Zeichens zur Bezeichnung "NIEDRIGES P", die zu Leitung 76 gehört, angegeben. Das "+"-Zeichen bedeutet, dass der Druck in Leitung 76 geringfügig höher ist als in 8
In 9 ist der Drehzapfen 78 in fast der gleichen Position wie in 8. Beide Motoren 9 und 24 laufen, und zwar vorzugsweise mit gleicher Drehzahl, und der Motor 24 wird nicht moduliert.
In beiden 8 und 9 ist die Förderleistung der Pumpe 3 ausreichend hoch, dass der "Aufreißdruck" immer überschritten wird, unabhängig davon, wie weit der Kolben 59A die Löcher 62 freigibt.
Der Erfinder möchte hervorheben, dass bei einem unterschiedlich ausgelegten System die Öffnungen 62 groß genug sein können, dass, wenn sich der Kolben 59A öffnet, aber bevor sich dieser vollständig geöffnet hat, ein Aufrechterhalten des "Aufreißdrucks", sogar bei hoher Förderleistung der Pumpe 3, scheitern kann. In diesem Fall würde der Punkt G in 4B erreicht, und die Ventilatordrehzahl nimmt auf Grund der Begrenzung des an den Motor 9 gelieferten Stroms zu, in einer ähnlichen Progression wie bei den 4, 5 und 6.
Somit lässt sich die Energieeinsparungsfunktion bei unterschiedlichen Pumpenförderleistungspegeln verwenden, bis ein maximaler Fluidstrom erreicht wird, welcher, ungeachtet eines vollständig geöffneten Ventils 6, wie in 9, einen "Aufreißdruck" hervorbringt.
Kurze Zusammenfassung
Eine kurze Zusammenfassung der in den 3 bis 8 auftretenden Ereignisse ist in der folgenden Tabelle angegeben.
Tabelle
Zusätzliche Betrachtungen

1. Wie zuvor erläutert, hält Ventil 6 den Fluidstrom in der Leitung 75 auf einem konstanten Wert. und unabhängig vom Durchsatz hat, wenn beide Motoren 9 und 24 laufen, der Druck in Leitung 75 einen geringeren Wert als wenn Motor 9 allein laufen würde. Mit diesem geringeren Druck liefert das Ventil 6 eine geringere Leistung an die Motoren 9 und 24. Da das Ventil 6 seine Leistung von der Pumpe 3 erhält, muss die Pumpe 3 eine geringere Leistung abgeben.
2. Ein wichtiges Merkmal ist die Verringerung nutzlos verbrauchter Energie, die beispielsweise dem Strom 88 in 8 zuzuschreiben ist. Wie zuvor erläutert, ist, wenn beide Motoren 9 und 24 in 8 laufen, der Druck in Leitung 75 geringer als wenn Motor 9 alleine läuft. Wenn der Druck in Leitung 75 geringer ist, ist der Druck in Leitung 50 ebenfalls geringer. (Der Druck in der Leitung 50 entspricht dem Druck in der Leitung 75 zuzüglich DP.)

Da der abgeleitete Fluidstrom 88 von Leitung 50 herstammt, bedeutet ein geringerer Druck in dieser Leitung, dass die nutzlos verbrauchte Energie, die durch Fluidstrom 88 repräsentiert ist, geringer ist. Mit anderen Worten muss das im Fluidstrom 88 beinhaltete Fluid notwendigerweise zuvor auf den Druck in Leitung 50 angehoben worden sein, da Leitung 50 den Ausgang der Pumpe 3 darstellt und das Fluid von der Pumpe 3 herstammt. Jedoch erfährt der Strom 88 einen Druckabfall auf Null, wenn er das Reservoir 15 erreicht. Die Menge an nutzlos verbrauchter Energie ist proportional zu (Durchsatz von Strom 88) × (Druck in Leitung 50 – Druck in Reservoir 15). Somit wird, wenn der Druck in Leitung 50 verringert wird, die nutzlos verbrauchte Energie ebenfalls verringert.

3. Eine einzelne Steuerleitung 73 steuert mehrere Bauteile. Das heißt, unter Bedingungen, bei denen kein Fluidstrom in Leitung 90 vorhanden ist, steuert Leitung 73: (1) die Drehzahl des Motors 9, (2) ob Motor 24 läuft, und falls dies der Fall ist (3) die Drehzahl des Motors 24.
4. Der Motor 24 überträgt lediglich dann Energie auf den Ventilator 12, wenn die Drehzahl des Motors 24 die des Motors 9 erreicht. Wenn der Motor 24 langsamer als der Motor 9 läuft, rutscht die Freilaufkupplung 27 durch. Somit ist, bei Betriebsbedingungen, bei denen der Kreisring 80 im Ventil 18 kaum mit Öffnung 82 übereinstimmt, so dass STROM 2 sehr gering ist, die Drehzahl des Motors 24 niedrig, und die Freilaufkupplung 27 rutscht durch.
5. Die Funktion der Freilaufkupplung 27 kann durch ein Rückschlagventil CV in 9 ersetzt werden. In diesem Fall sind beide Motoren 9 und 24 fest mit einer gemeinsamen Welle S verbunden, welche den Ventilator 12 antreibt. Eine Freilaufkupplung 27 ist nicht vorhanden.

Wenn der Motor 24 nicht über das Ventil 18 mit Energie versorgt wird, wirkt er als Pumpe und wird durch den Motor 9 angetrieben. Das mittels des Motors 24 gepumpte Fluid fließt durch das Rückschlagventil CV und zirkuliert über die Ringleitung L.

6. Die Motoren 9 und 24 brauchen nicht einen einzigen Ventilator 12 antreiben. Sie können zwei separate Ventilatoren, oder in 10 koaxiale Wellen 150 und 153 antreiben, welche zwei Ventilatoren 155 und 157 antreiben, die in einem gemeinsamen Kanal 58 untergebracht sind, welcher einem Kühler 160 Luft zuführt.

Claims

Kühlsystem für ein Motorkühlmittel in einem Fahrzeug, wobei das System erste und zweite Hydromotoren (9, 24) und eine Hydropumpe (3) aufweist, und das System weiter aufweist: Ein erstes Ventil (6), welches Fluid von der Pumpe (3) empfängt und einen Strom bei durch ein Steuersignal gesteuertem Durchsatz abgibt, ein zweites Ventil (18), das mit dem ersten Ventil (6) hydraulisch gekoppelt ist, wobei das zweite Ventil (18) direkt mit der Pumpe (3) verbunden ist, um auf einen Druck über dem ersten Ventil (6) und der Pumpe (3) zu reagieren, um den Strom, für ein Einschränken des Stroms zu einem der Motoren (9, 24), zuzuteilen, basierend auf vorbestimmten Arbeitsbedingungen des ersten Ventils (6), und ein Steuersystem (5), dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die Abgabemenge der Pumpe (3) unterhalb eines vorbestimmten Pegels liegt, das Steuersystem (5) Hydraulikfluid an beide Hydromotoren (9, 24) liefert, wenn eine Kühlnachfrage relativ gering ist, und an einen einzigen Hydromotor (9), wenn eine Kühlnachfrage relativ hoch ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventil (18) den Strom zwischen den Motoren (9, 24) basierend auf vorbestimmten Arbeitsbedingungen des ersten Ventils (6) aufteilt, das zweite Ventil (18) eine erste Öffnung aufweist, welche den Eingangsdruck des ersten Motors (9) abtastet, eine zweite Öffnung, welche den Druck bei einem Ausgang der Pumpe (3) abtastet, und einen Drehbolzen (78), welcher einen Strom vom ersten Motor (9) zum zweiten Motor (24) umleitet, wenn die Drücke an der ersten und zweiten Öffnung einen vorbestimmten Differenzwert erreichen.
Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Motor (9) ein erster Ventilatormotor ist, der durch einen zweiten Strom angetrieben wird, welcher von einem ersten Strom abgeleitet wird, und dass das Steuersystem herausfindet, ob der erste Strom nicht den zweiten Strom übersteigt, und wenn dies der Fall ist, den zweiten Motor (24) antreibt, welcher ein zweiter Ventilatormotor ist, falls dies ein Kühlnachfragesignal erlaubt.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, bei einer Fluid von einen Druck P liefernden Hydropumpe (3), das erste Ventil (6) Fluid an eine Leitung (75) mit einem Durchsatz abgibt, der primär von einem Kühlnachfragesignal (73) abhängt, wobei ein Ventilator (12), der primär vom Hydromotor (9) angetrieben wird, welcher Fluid von einer Leitung (75) unter einem Druck P2 empfängt, und ergänzend vom zweiten Hydromotor (24) angetrieben werden kann, und das zweite Ventil (18) Fluid an den zweiten Hydromotor (24) liefert und die Drehzahl des zweiten Hydromotors (22), basierend auf P1 und P2, steuert.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuerventil (6) den Überschuss des ersten Durchsatzes bezüglich des zweites Durchsatzes zu einem Reservoir (15) zurückleitet, welches die Hydropumpe (3) speist.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steuerventil (18) bei einem zweiten Eingang Fluid von der ersten Ausgangsleitung (75) des ersten Steuerventils (6) empfängt und bei einem zweiten Ausgang (82) Fluid abgibt, wenn der Druck bei einem ersten Eingang den Druck beim zweiten Eingang um einen vorbestimmten Grenzwert überschreitet, und weiter eine Fluidleitung den zweiten Ausgang (82) mit dem zweiten Hydromotor (24) verbindet und ein Kopplungselement (27) Leistung vom zweiten Hydromotor (24) an den Ventilator (12) abgibt.
Kühlsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement eine Freilaufkupplung (27) beinhaltet.
Kühlsystem nach Anspruch 6; dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungselement eine direkte Kopplung zwischen dem zweiten Hydromotor (24) und dem Ventilator (12) beinhaltet und ein Rückschlagventil Unterschiede zwischen den Motordrehzahlen ausgleicht.
Kühlsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Ventilatoren vorgesehen sind, die durch die zwei Motoren (9, 24) angetrieben werden und sich in einem gemeinsamen Kanal befinden, und die einen Wärmetauscher kühlen.
Verfahren zur Kühlung eines Wärmetauschers in einem Fahrzeug unter Verwendung eines Kühlsystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Ventilator (12), der von durch eine Hydropumpe (3) angetriebenen ersten und zweiten Hydromotoren (9, 24) angetrieben wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Wenn sich der von der Pumpe (3) erzeugte Durchsatz auf einem ersten festen Pegel befindet, werden bei relativ niedriger Kühlnachfrage beide Motoren (9, 24) betrieben, und bei relativ hoher Kühlnachfrage wird der erste Motor (9) allein betrieben, und wenn sich der von der Pumpe (3) erzeugte Durchsatz auf einem zweiten festen Pegel befindet, welcher größer ist als der erste, werden unter im wesentlichen allen Kühlnachfragebedingungen beide Motoren (9, 24) betrieben.