Sonceboz Schrittmotoren Weniger Verbrauch und Emission mit kluger Kühlluftklappen-Steuerung

Die Vorgaben für den CO₂-Ausstoß und den Kraftstoff-Verbrauch werden immer strenger. Eine Lösungsansatz sind aktive Kühlluftklappen-Systeme mit Schrittmotoren von Sonceboz.

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Hier lässt sich mit Hilfe von Aktuatoren zur Klappen-Positionierung der Luftwiderstand am Kühlergrill optimieren und somit der C_w-Wert des Fahrzeugs verbessern. Sonceboz Automotive SA aus der Schweiz hat speziell hierfür smarte Schrittmotoren entwickelt, die die Klappen optimal steuern und zugleich kompakt und robust die Motorraum-Vorgaben erfüllen. So lässt sich die CO₂-Emission um bis zu 4 g/km bei einer Kraftstoffeinsparung von 0,2 Litern je 100 km verringern.

Steuerung aktiver Kühlluftklappen

Bewegliche Kühlluftklappen hinter dem Kühlergrill eines Fahrzeugs können maßgeblich zur Verbesserung der Aerodynamik beitragen. Zudem kann sich der Motor mit ihrer Unterstützung wesentlich schneller aufwärmen. Beides verbessert die Verbrauchs- und Emissionsbilanz enorm.

Das System ähnelt einer Jalousie, die vorne am Fahrzeug zwischen Kühlergrill und Kühler eingebaut ist. Die Lamellen der ‚Jalousie’ können durch einen Aktuator geöffnet oder geschlossen werden und regeln so den Lufteinlass in den Motorraum. Ohne Klappen strömt die Luft unkontrolliert von vorne in den Motorraum. Dies macht etwa 10 % des gesamten Luftwiderstands am Pkw aus, in Schwerlast-Fahrzeugen sogar noch mehr.

Kann man die Lamellen aber schließen, fließt der Luftstrom über das Fahrzeug hinweg und erzeugt einen wesentlich geringeren Luftwiderstand. Die Strömung in den Motorraum wird geringer und somit auch die Reibung und der Luftwiderstand. Die Aerodynamik wird stark verbessert, somit weniger Kraftstoff verbraucht und folglich auch weniger CO₂ ausgestoßen.

Ein optimiertes Thermo-Management trägt zusätzlich zu einer verbesserten Verbrauchsbilanz bei. Gerade in der kälteren Jahreszeit erreicht man so eine schnellere Erwärmung des Motors.

Und ein kleiner, aber bedeutender Nebeneffekt der besseren Aerodynamik: Der Geräuschpegel des Fahrzeugs wird gesenkt. Das danken nicht nur die Insassen, auch Anwohner und Fußgänger werden sich freuen.

Optimale Klappen-Steuerung

Die aktive Klappen-Steuerung hat also klare Vorteile. Sie muss jedoch mehr als einfaches Öffnen und Schließen ermöglichen. Eine variable Positionierung ist nötig, um den Luftstrom jeder Fahrsituation entsprechend bedarfsgerecht anzupassen und so die optimale Balance zwischen Motortemperatur und Luftwiderstand zu finden. Hier sind programmierbare Zwischenpositionen, die Aktuatoren von Sonceboz zur Positionierung der Klappen bieten, die ideale Lösung.

Das System ist an die Zentralsteuerung des Fahrzeugs angepasst. Sind die Klappen zu, erwärmt sich der Motor je nach Belastung. Ist eine festgelegte Temperatur erreicht, gibt sie dem Aktuator den Befehl „Klappen öffnen”. Jetzt kann Luft in den Motorraum einströmen und den Motor entsprechend abkühlen.

Doch diese Abkühlung sollte natürlich nach Bedarf flexibel regelbar sein. Deshalb bietet das Sonceboz-System Zwischenpositionen. So werden die Klappen nicht immer komplett geöffnet oder geschlossen, sondern je nach Kühlungsanforderung geregelt. Kurz gesagt: Luftwiderstand so gering wie möglich, Kühlung so stark wie nötig.

Klein, leistungsfähig und robust

Derartige Vorteile erreicht man nur mit intelligenten Schrittmotoren von Sonceboz. Denn um das System zu realisieren, muss man auch auf die Ansprüche des Motorraums eingehen. Ein großes Platzangebot ist in den meisten modernen Pkw-Motorräumen und selbst in Nutz- und Schwerlast-Fahrzeugen ein Luxus. Design-Vorgaben lassen den Bauraum für die Komponenten immer mehr schrumpfen. Der Verbrennungsmotor und das Fahrzeugdesign sollten sich durch das zusätzliche System aktiver Kühlluftklappen nicht merklich verändern.

Deshalb hat das Unternehmen aus dem Schweizer Jura sehr kleine und leichte Schrittmotoren entwickelt, die dennoch alle Leistungsanforderungen hinsichtlich Präzision und Zuverlässigkeit erfüllen. Zudem sind die Aktuatoren äußerst robust und wasserfest, was in den harten Umgebungsbedingungen eines Motors einen klaren Mehrwert bringt.

Die smarten 3-Phasen-Schrittmotoren der Serien 6466 und 6477 sind ideale Antriebe, um die Kühlluftklappen aktiv zu steuern. Sie basieren auf der patentierten MM41 Rotor- und Stator-Technologie von Sonceboz. In Verbindung mit der leistungsfähigen Elektronik im Aktuator wird unter allen Betriebsbedingungen das nötige Drehmoment bei gleichzeitig geringer Stromaufnahme gewährleistet.

Hier gibt es zwei Optionen: Zum einen die Serie 6466 für Pkws mit einem Nenndrehmoment von 0,6 Nm bei 2,25 min-1. Für Fahrzeuge mit erhöhtem Kühlbedarf wird noch mehr Leistung benötigt, denn sie haben eine erheblich größere Kühlerfläche und dadurch zusätzliche Windlast auf den Jalousieklappen. Hier liefert Sonceboz die Serie 6477 mit einem Nenndrehmoment von 1,2 Nm bei 2,25 min-1 und einem Drehmoment von 2,0 Nm bei 2,25 min-1 im Boost-Modus.

Ansonsten sind die Attribute der beiden Serien nahezu identisch: Der Schrittmotor besteht aus einem umspritzten 2-Komponenten-Rotor und einem Stator mit separat gewickelten Spulen. So wird die geringe Baugröße mit einer Höhe von lediglich 23 mm erst ermöglicht. Die Aktuatoren lassen sich je nach Raumvorgabe seitlich oder mittig in die Kühlluftklappen integrieren. Sie haben mit weniger als 64 g ein sehr geringes Gewicht. Das wirkt sich zudem positiv auf die CO₂-Ersparnis aus. Der Rotor ist magnetisch polarisiert und die Statorgeometrie kann Schwingungen so kompensieren, dass die Antriebe gegenüber herkömmlichen Systemen leistungsfähiger und leiser sind.

Das Getriebe besteht aus vier Stirnradstufen aus leistungsfähigen Kunststoffen, um die hohe Rotordrehzahl an die Drehzahl der Klappen anzupassen und gleichzeitig das nötige Drehmoment für das System sicherzustellen.

Extrem widerstandsfähig und resistent gegen Spritzwasser und selbst Hochdruckreiniger, Schmutz sowie Vibrationen sind die Antriebe durch ein Gehäuse in der Schutzart IP6k9k+7. Sie arbeiten mühelos in einem besonders breiten Temperaturspektrum von -40 bis +105°C.

Zudem sind im Kühlerumfeld eingesetzte Medien kein Problem. Durch die spezielle bürstenlose Motortechnologie und die komplette Kapselung arbeiten die Aktuatoren von Sonceboz äußerst leise.

Anpassbare Elektronik

Natürlich ist die integrierte Elektronik der smarten Aktuatoren vielseitig und einfach an bestehende Hersteller-Steuerungssysteme anpassbar. Deshalb hat Sonceboz eine besonders flexible Leiterplatten- und ASIC-Kombination entwickelt, die sich an unterschiedlichste applikationsspezifische Vorgaben und alle bekannten Kfz-Kommunikationsprotokolle anpasst. Dabei kann der Dualcore-ASIC (Application Specific Integrated Circuit) die notwendigen frei programmierbaren Softwarefunktionen mit einem analogen und einem digitalen Teil verbinden und ist so noch vielseitiger anwendbar.

Und daraus ergibt sich ein zusätzlicher Nutzen: eine patentierte sensorlose Anschlagerkennung. Ein innovativer Software-Algorithmus erfasst kontinuierlich die Bewegung und erkennt Anschläge sicher und sofort. So kann die Leistungsaufnahme verringert und das abgegebene Drehmoment begrenzt werden.

Bauraum und Gewicht lassen sich schon bei der Lamellenentwicklung optimal anpassen. Die Stromaufnahme bei einem Haltemoment von 1 Nm liegt dann bei nur 50 mA.

Die Smart-Aktuatoren verwenden zudem zur Speicherung von Parametern für die On-Board-Diagnostik einen EEPROM-Speicher (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory). Dieser dient dabei auch der Positionsbestimmung und für die Rückmeldung von Temperatur, Winkel sowie Spannungsänderungen.

Über LIN-Bus werden die Informationen an die Zentral-Elektronik im Fahrzeug weitergeleitet. So sind applikationsspezifische Varianten für unterschiedliche Gesamtverstellwinkel, Zwischenpositionen sowie Start- und Diagnosestrategien realisierbar. (hö)

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