Koelventilator

Onderwerpen:

  • Inleiding
  • Ventilator met viscokoppeling
  • Elektrische ventilatoraansturing d.m.v. een thermoschakelaar
  • Elektrische ventilatoraansturing d.m.v. een regelapparaat
  • Elektrische ventilatoraansturing d.m.v. een regelapparaat (relais-aansturing)
  • Elektrische ventilatoraansturing d.m.v. een regelapparaat (PWM-aansturing)

Inleiding:
In een auto vinden we veel typen koelventilatoren: in de motorruimte, in een multifunctionele radio, in accupakketten van hybride- en elektrische voertuigen gebruikt, zie: alternatieve aandrijving. Op deze pagina staat de koelventilator van de motor centraal.

De koelventilator van een auto met verbrandingsmotor beschermt het koelsysteem tegen oververhitting. De koelventilator kent diverse uitvoeringen (zie de verschillende paragrafen op deze pagina) maar hebben allen één gemeenschappelijke eigenschap: de kunststof ventilatorbladen bevinden zich in het voorfront, nabij de radiateur (soms aan de voorkant, meestal aan de achterkant). De ventilator gaat draaien wanneer de koelvloeistof is opgewarmd, of als de airconditioning is ingeschakeld.

In de bovenstaande afbeelding  zien we een elektrische koelventilator van een BMW in een kunststof mantel. De koelventilator wordt door een monteur uit de  motorruimte gedemonteerd door hem omhoog uit zijn geleiders te schuiven.

De volgende paragrafen gaan over de verschillende aanstuurmethoden van de koelventilator.

Ventilator met viscokoppeling:
Naast de elektronisch aangestuurde ventilator, bestaat ook een zelfdenkende / regelende ventilator, namelijk de uitvoering met viscokoppeling. Hier komt geen elektronica meer aan te pas. Een bimetalen strip en vloeibare siliconenvloeistof zorgen bij verandering in temperaturen voor het in- en uitschakelen van de ventilator door twee voorraadkamers (de voorraadkamer en de werkkamer) aan elkaar te koppelen.

De viscokoppeling is met de flens aan de koelvloeistofpomp bevestigd. In de afbeelding zien we een deel van de flens. De betreffende viscokoppeling zit met vier bouten aan de koelvloeistofpomp geschroefd. Er bestaan ook uitvoeringen met één centrale bevestigingsmoer.

De viscokoppeling zit achter de radiateur. De lucht die door de radiateur stroomt, warmt de viscokoppeling op. Een bimetalen strip warmt eveneens op en trekt daardoor krom. Met het krom trekken opent de bimetalen strip een bladveerventiel en kan de soliconenvloeistof van de voorraadkamer naar de werkkamer stromen. De vloeistof maakt het mogelijk dat de draaiende beweging van de aandrijfschijf (motorzijde) wordt overgebracht op het ventilatorhuis (ventilatorzijde). De siliconenvloeistof kan via het retourkanaal terugstromen naar de voorraadkamer.

  • Bij koude motor is de ventilator uitgeschakeld. De flens op de koelvloeistofpomp draait, maar het ventilatorhuis staat stil. In de viscokoppeling zijn in deze situatie geen kamers aan elkaar gekoppeld;
  • Bij warme motor schakelt de ventilator in. De siliconenvloeistof in de werkkamer zorgt ervoor dat het ventilatorhuis wordt meegenomen en mee gaat draaien.

De mate waarin de bimetalen strip is kromgetrokken (en dat is weer afhankelijk van de luchttemperatuur), bepaalt hoeveel vloeistof in de werkkamer kan stromen. Meer vloeistof in de werkkamer resulteert in minder slip, en daarmee een hoger ventilatortoerental. In de viscokoppeling is altijd een minimale slip aanwezig.

Tijdens het rijden zorgt rijwind voor afkoeling van de viscokoppeling. Daarom zal de koelventilator voornamelijk gaan draaien tijdens stil staan of langzaam rijden.

We kunnen aan het geluid herkennen of een auto een koelventilator heeft die met een elektromotor is of met een viscokoppeling is aangedreven. De viscokoppeling wordt – via de multiriem – door de krukas aangedreven. Een hoger krukastoerental resulteert in een hoger ventilatortoerental. Als de ventilator harder gaat blazen als het motortoerental toeneemt, en na enkele seconden uitschakelt i.v.m. afkoeling, is de auto uitgerust met een viscokoppeling. Een elektrische ventilator zal bij stationair draaiende motor niet harder of zachter draaien dan wanneer er wordt geaccelereerd.

De volgende afbeelding toont de demontagehandeling van de viscokoppeling met een centrale boutverbinding. Met twee grote steeksleutels kan de boutverbinding – en daarmee de viscokoppeling inclusief ventilator – worden losgenomen. Door in tegengestelde beweging de steeksleutels van elkaar te bewegen, kan de koppeling van de koelvloeistofpomp worden gedemonteerd. De demontagemogelijkheid hangt af van het type auto. Niet in alle gevallen kan men met twee steeksleutels de ventilator losschroeven:

  • er zit slechts één moer op de viscokoppeling en een blokkeermogelijkeid ontbreekt. Door op de moer een steeksleutel te zetten en hier een klap met een hamer op te geven, komt de moer het eerste stuk los van de koelvloeistofpomp. Let op: dit kan de lagers en afdichting van de koelvloeistofpomp beschadigen!
  • de ventilator kan met speciaal gereedschap met een aantal uitsparingen worden geblokkeerd.

Elektrische ventilatoraansturing d.m.v. een thermoschakelaar:
De elektrische koelventilator wordt bij dit systeem in- en uitgeschakeld met een temperatuursafhankelijke schakelaar, oftewel de thermoschakelaar. Dit component bevindt zich in de radiateur.

De thermoschakelaar zit boven de slang die als retourslang dient; de in de radiateur afgekoelde koelvloeistof gaat via deze slang retour naar de motor. Tijdens het rijden zorgt voornamelijk de rijwind voor voldoende afkoeling. Wanneer de koelvloeistof aan de uitgangszijde van de radiateur te heet wordt, sluiten de contacten in de thermoschakelaar. Hiermee ontstaat er een elektrische verbinding in de stuurstroomzijde van  de relaisschakeling en schakelt het relais van de koelventilator in. De ventilator wordt aangestuurd en gaat draaien.

Tijdens het draaien van de ventilator koelt de koelvloeistof in de radiateur weer af. Als de temperatuur laag genoeg is, verbreekt de thermoschakelaar de elektrische verbinding. Het relais, en daarmee ook de koelventilator, schakelen uit.

Het volgende elektroschema toont de aanstuurmethode van de koelventilator. In het schema zien we:

  • dat het om een watervalschema gaat, met bovenaan klem 30 (accu plus), daaronder klem 15 (uitgang contactslot) en onderaan klem 31 (massa accu);
  • het relais met links de aansluitingen 86 en 85 (in- en uitgang stuurstroom) met aan de rechter kant 30 en 87 (in- en uitgang hoofdstroom).
  • de thermoschakelaar tussen klem 85 en de massa van de accu
  • de koelventilator tussen 87 en de massa van de accu.

De thermoschakelaar bedient de stuurstroomzijde van het ventilatorelais. Wanneer de temperatuur in de radiateur te hoog dreigt op te lopen, sluit de schakelaar. De stroomkring in de stuurstroomzijde van het relais is gesloten; er gaat stroom door de spoel tussen klem 86 en 85 lopen. De spoel wordt magnetisch en trekt het schakelaartje tussen klem 30 en 87 dicht. Daardoor gaat er een hoofdstroom lopen vanaf de plus van de accu door de elektromotor, naar de massa. De ventilator gaat draaien totdat het contact met het relais wordt verbroken.

Elektrische ventilatoraansturing d.m.v. een regelapparaat:
Tegenwoordig zien we steeds vaker koelventilatoren die door een regelapparaat worden aangestuurd. Met die uitvoering is er geen thermoschakelaar meer nodig: het regelapparaat leest de waardes van één of meerdere koelvloeistoftemperatuursensoren uit en bepaalt aan de hand daarvan de aansturing van de koelventilator. De voordelen van de ECU-aansturing zijn:

  • Aansturing (in- en uitschakelmomenten) zijn veel nauwkeuriger te regelen dan bij de uitvoering met thermoschakelaar;
  • Eén koelventilator kan de functie overnemen van voorheen twee aparte (vaak een grote en kleine) ventilatoren.

Het regelapparaat bepaalt wanneer de ventilator aan of uit gaat en met welke snelheid hij draait. De stroom naar de ventilator gaat niet door het regelapparaat: de stroomsterkte is dermate hoog dat er teveel warmte-ontwikkeling in het regelapparaat zou ontstaan. De ECU-aangestuurde ventilatorsystemen kunnen op twee manieren zijn uitgevoerd:

  1. Relais-aansturing;
  2. PWM-sturing.

Deze twee systemen worden in de volgende paragrafen beschreven.

Elektronische ventilatoraansturing d.m.v. een regelapparaat (relais-aansturing):
Zoals in de vorige paragraaf is beschreven, vervangt de ECU-aansturing het regelsysteem met de thermoschakelaar. Het volgende schema toont de stroomkring van een koelventilatorschakeling van een Fiat Grande Punto 199. In dit schema zien we de volgende hoofdcomponenten:

  • R02: voorschakelweerstand ventilator;
  • M05: radiateurventilator;
  • K07: relais hoge snelheid;
  • K07L: relais lage snelheid;

Het motorregelapparaat bepaalt aan de hand van de koelvloeistoftemperatuur en de waarde van de hogedruksensor in het aircosysteem, of en met welke snelheid de koelventilator moet gaan draaien. Bij ingeschakelde airco wordt standaard snelheid 1, en bij een (te) warme motor snelheid 2 ingeschakeld. De ventilator (M05) kan op twee snelheden worden aangestuurd:

  1. voor de lage snelheid schakelt de motor-ECU de spoel van relais K07L aan massa. Het relais schakelt de hoofdstroom in, welke via de – in serie geschakelde – voorschakelweerstand R02, de elektromotor van de ventilator bereikt.
  2. voor de hoge snelheid schakelt de ECU relais K07L uit en K07 in: de elektromotor wordt nu zonder voorschakelweerstand van spanning en stroom voorzien. De ventilator gaat op de maximale snelheid draaien. Dit gebeurt o.a. als de motor erg warm is als men in de file staat, of tijdens een storing in het temperatuurcircuit: voor de veiligheid stuurt de ECU de koelventilator met de hoogst mogelijke snelheid aan.

De onderstaande twee afbeeldingen tonen de voorschakelweerstand R02 (links) en de locatie van de voorschakelweerstand in de mantel van de koelventilator (rechts). Het wit met groene kunststof deel aan de voorschakelweerstand is hol van binnen: de koelventilator blaast hier lucht doorheen. De metalen strips staan de warmte van de weerstand af aan de doorstromende lucht. Dit element voorkomt oververhitting van de voorschakelweerstand.

Bron: HGS-data
Voorschakelweerstand R02
Locatie van de voorschakelweerstand

Het voordeel van de relaisschakeling en voorschakelweerstand is dat het een relatief eenvoudig systeem is. Bij een storing kunnen de spanningen van, en naar het relais gemakkelijk worden doorgemeten. Zie voor de storingzoekmethode de pagina over het relais.

Het nadeel is het gebruik van de voorschakelweerstand in stand 1. Een weerstand neemt energie op, wat uiteindelijk leidt tot energieverlies. Daarnaast is de weerstand gevoelig voor defecten. Als de weerstand doorbrandt, werkt de ventilator niet meer op stand 1.

Wanneer een auto is uitgevoerd met één ventilatorrelais en de ventilator bij het inschakelen met een hoog toerental gaat draaien, gaat dit ten koste van het comfort. Het geluid van de in- en uitschakelende ventilator kan als storend worden ervaren. Daarnaast zal er bij het inschakelen een piek in de energievraag zijn: verbruikers zoals de verlichting zullen korte tijd dimmen na het inschakelen van het relais en het opstarten van de ventilator.

Elektronische ventilatoraansturing d.m.v. een regelapparaat (PWM-aansturing):
Met de PWM-gestuurde koelventilator kan de draaisnelheid van de ventilator traploos worden verhoogd of verlaagd. Daar waar met een thermoschakelaar de ventilator na het inschakelen met een maximaal toerental gaat draaien, of met een voorschakelweerstand op een laag of hoog toerental kan draaien, kan met een PWM-regeling de koelventilator op elke gewenste snelheid draaien. Voordelen ten opzichte van het systeem met vaste toerentallen zijn:

  • Meer comfort: de ventilator is met een zo laag mogelijk toerental een stuk stiller dan wanneer hij met een aan-uit-regeling op een (te) hoog toerental draait. Ook zal het constante of lage toerental geen invloed hebben op de verlichting die bij het eerder besproken systeem even dimt;
  • Energiebesparend: als er weinig koeling nodig is, hoeft de ventilator weinig te koelen. Een langzaam draaiende ventilator kost minder energie (dus ook brandstof);

Het volgende schema is van het koelsysteem van een Mercedes C-180.  In dit schema zien we o.a. de volgende componenten:

  • P05: hoofdzekeringkast;
  • K04: hoofdrelais;
  • A10: motorruimte elektronicamoduul;
  • A11: motor-ECU;
  • M05: radiateurventilator;
  • B13: koelvloeistoftemperatuursensor.

In dit schema zien we dat de koelventilator via de zekeringenkast op pin 2 een constante plus krijgt, op pin 3 een geschakelde plus krijgt wanneer relais K04 door de ECU in geleiding is gebracht, en op pin 4 een aanstuursiginaal krijgt van de motor-ECU.

De motor-ECU stuurt de koelventilator met een PWM-signaal aan. De aansturing hangt o.a. af van de motortemperatuur.

Bij storingen aan de koelventilator kunnen we controleren of de motor een constante- en geschakelde plus krijgt (pin 2 en 3) ten opzichte van de massa (pin 1). Als deze spanningen goed zijn (tenminste 12 volt bij draaiende motor) meten we of het aanstuursignaal (PWM) van pin 16 op de ECU aankomt op pin 4 van de ventilator. 

In de behuizing van de koelventilator M05 zien we eveneens een ECU zitten: dit is het regelapparaat van de koelventilator. De motor-ECU zendt ten alle tijden een aanstuursignaal naar de koelventilator-ECU; ook als deze niet hoort te draaien. Op die manier herkent de koelventilator-ECU dat de communicatie goed is en dat de ventilator uit moet staan. Wanneer dit signaal ontbreekt of onjuist is, kan de ECU niet meer herkennen of de ventilator uitgeschakeld moet blijven, of op welke snelheid hij moet gaan draaien. Uit veiligheidsoverwegingen stuurt de ECU de koelventilatormotor met volle snelheid aan. De bestuurder van de auto zal merken dat, wanneer hij/zij het contact inschakelt, de ventilator heel hard zal gaan blazen.

Het kan voorkomen dat de ventilator met in- of uitgeschakeld contact (sterk afhankelijk van het autotype) hard blijft draaien. Wanneer het aanstuursignaal van de motor-ECU correct is, kan het zijn dat de koelventilator-ECU defect is.

Een andere storing kan natuurlijk zijn dat men vermoed dat de ventilator helemaal niet draait. Om de ventilator tijdens de diagnose te laten draaien, kunnen we deze middels diagnoseapparatuur aansturen via de actuatortest en tegelijk de voedings- en aanstuurspanningen meten.

Het volgende scherm toont de actuatortest van de koelventilator (Coolant Fan Control Ciruit 1) in het programma VCDS. 

Na het klikken op “Start” geeft het programma VCDS aan de motor-ECU het commando dat de koelventilator moet worden aangestuurd. De aansturing vindt vervolgens plaats: om de vijf seconden draait de ventilator een maximaal toerental en schakelt weer uit.

De onderstaande scoopbeelden tonen de PWM-aanstuursignalen bij uitgeschakelde ventilator (links) en op volledige snelheid (rechts).

De ventilator kan ieder gewenst toerental draaien door het actieve deel in het signaal langer of korter te maken.

Signaal bij uitgeschakelde ventilator
100% aansturing.