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Der Lüfter

Der Lüfter sitzt vor dem Wasserkühler und sorgt für kühlende Luft falls der normale Fahrtwind nicht ausreicht. Es ist ein Elektromotor mit ca 35W Leistung.



Weitere Infos gibt es auch noch im Kapitel Wassertemperatursensor.

Übersicht der Steuerung

Der Lüfter wird von der Elektronik im Cockpit kontrolliert.


Der Temperatursensor im Kühlkreislauf liefert den Messwert an die Elektronik im Cockpit. Der Mikroprozessor überprüft den Meswert und aktiviert bei Bedarf den Transistor TR34, dadurch das Lüfterrelais und am Ende den Lüfter selbst.

Für das Einschalten muss eine der beiden folgenden Bedingungen erfüllt sein:

• Die Wassertemperatur steigt auf einen Wert oberhalb von ~100°C. Das Ausschalten erfolgt sobald die Temperatur um ~5..10°C abgesunken ist.
  
• Die Zeitüberwachung wurde aktiviert: Der Motor läuft für mindestens 1 Minute im Leerlauf und die Drehzahl wurde mindestens einmal kurzzeitig auf 1400 U/min erhöht.

Die rote Warnleuchte wird aktiviert sobald die Wassertemperatur ~110°C überschreitet.

Die Angaben sind bewusst alle nur als "ungefähr" angegeben. Der Temperatursensor hat natürlich eine Toleranz und die Zuordnung zu einer Temperatur ist daher etwas schwammig.

Was tun wenn der Lüfter nicht läuft

Eine Fehlfunktion bemerkt man spätestens daran dass die rote Warnleuchte aufleuchtet. Aber auch sonst ist der Lüfter kaum zu überhören. Der schnellste Test ist das Laufenlassen im Leerlauf für mindestens 1 Minute.

Die folgenden Prüfschritte sind der Reihe nach durchzugehen.

• Den Lüfter-Rotor mit der Hand drehen und auf Freigängigkeit und leichten Lauf prüfen (Zündung unbedingt vorher ausschalten!). Kleine Steinchen könnten sich dort festgesetzt haben, oder die Lager könnten korrodiert sein.
  
  
• Die Sicherung (Nr. 61, 10A, "FAN") überprüfen. Die Sicherungsbox ist in der Nähe der Batterie zu finden. Eine Sicherung hat immer einen guten Grund für's Durchbrennen! Möglicherweise sitzt der Lüfter fest, oder es ist ein Kurzschluss im Kabelbaum.
  
  
• Die Sicherung "FAN" ziehen und überprüfen ob an einer Seite auch wirklich die 12V ankommen.
  
  
  
• Das Lüfter-Relais überprüfen. Es sitzt im linken Rahmendreieck.
  
  
  Dazu den Lüfter testweise manuell einschalten:
  Am Relais im gesteckten Zustand mit eingeschalteter Zündung mit einem Überbrückungsdraht das Grün/Schwarze Kabel direkt mit Masse verbinden. Das Relais wird dadurch aktiviert und der Lüfter sollte anlaufen. (Diese Methode ist ungefährlich und schadet nicht der Ansteuerelektronik.)
  
  Wenn der Lüfter nicht anläuft dann das Relais und die Verkabelung überprüfen:
  
  
• Den Lüfter einzeln testen. Direkt am Stecker des Lüfters (vorne unter dem Tank) 12V und Masse anlegen ("L" an 12V, "B" an Masse).
  (englische Kabelfarben: L = LightBlue = Hellblau; B = Black = Schwarz)
  Oder den Steckverbinder vom Relais abziehen und im Steckverbinder das Hellblaue Kabel ("L") mit 12V Verbinden.
  
  
• Den Temperatursensor überprüfen. Er sitzt im Thermostat. Es ist ein NTC (temperaturabhängiger Widerstand) mit der folgenden Kennlinie.
  
  
  
  Der Widerstandswert kann mit einem einfachen Multimeter überprüft werden. Bei Raumtemperatur (25°C) beträgt der Wert ~30kOhm (im Einschaltpunkt bei ~100°C sind es ca. 1750 Ohm).
  
  Den Steckverbinder abziehen und einen normalen, bedrahteten Festwiderstand an Stelle des Sensors einstecken. Mit einer kleinen Auswahl an Werten kann man jede Temperatur simulieren. Mit einem Wert von ~1600 Ohm sollte der Lüfter anlaufen.
  
  
• Wenn all das nicht erfolgreich war liegt der Fehler mit grosser Wahrscheinlichkeit an einem defekten Schalttransistor in der Elektronik im Cockpit. Das ist leider nicht so einfach zu reparieren..

Fehlersuche in der Elektronik im Cockpit

Vorab nochmal eine Übersicht der relevanten Signale am Cockpit-Stecker, Blickrichtung zum Cockpit.


- G/R (Grün/Rot): die Leitung zum Temperatursensor.
- B/L (Schwarz/Hellblau): die zugehörige Sensor-Masseleitung. Sie ist intern im Cockpit mit Masse verbunden (das erhöht die Messgenauigkeit).
- G/B (Grün/Schwarz): die Aktivierungsleitung für das Relais.

Höchst wahrscheinlich ist Transistor TR34 defekt. Der folgenden Bilder zeigen den passenden Ausschnitt aus dem Schaltplan des Cockpits und die Position der Bauteile auf der Platine. Die farbigen Punkte dienen zur Orientierung an welchen Stellen die Signale auf der Platine zu finden sind. Der Transistor sitzt auf der Oberseite und ist leider sehr schlecht zu erreichen.

Den weissen Plastikträger auszubauen ist ein erheblicher Aufwand und sehr riskant weil die beiden LCD-Displays ausgelötet werden müssen. Besser ist es nur das skizierte Stück Plastik entlabg der Schnittkante mit einem Dremel zu entfernen.

TR34 hat das Marking "DF RM". Sehr wahrscheinlich handelt es sich um einen der folgenden Typen (NPN 80V 1A SOT89):
- TFM5213
- 2SD1898
- 2SD1623S

Als Ersatz sollten die folgenden Typen funktionieren:
- BCX56
- BSR43
- BC639 (THT = bedrahtet, kein SMD)

Die genauen elektrischen Eigenschaften des Ersatz-Transistors sind unkritisch. Wenn keine SMD-Ausführung verfügbar ist dann tut es zur Not auch einer mit Drahtbeinchen.

Eine Idee für eine angepasste Regelung

Eine typische Betriebssituation für den Lüfter ist in einem Stau. Das abrupte Einschalten bei 100°C führt dabei zu einigen, je nach Betrachtungsweise mehr oder weniger relevanten, Nachteilen:

- Die extrem heisse Abluft streicht an den Beinen vorbei und ist, besonders im Sommer, sehr unangenehm.
- Das Kühlsystem wird deutlich über die übliche Motor-Normaltemperatur von 80 .. 85°C erhitzt. Alle im Abluftstrom befindlichen Teile (Kunststoffe, Kühlleitungen, Vergaser, etc.) werden erheblich höher belastet als bei normaler Fahrt. Besonders bei Kunststoffen verkürzt das die Lebensdauer.
- Im Leerlauf liefert die Lichtmaschine keinen wesentlichen Beitrag zur Stromversorgung der Elektrik. Das abrupte Einschalten führt bei einer nicht mehr ganz frischen Batterie zu einem erheblichen Spannungseinbruch. Als Folge wird das Cockpit mit zu geringer Spannung versorgt und kann einen Reset machen. Dabei geht teilweise die Uhrzeit verloren und/oder der Tageskilometerzähler.

Die Nachteile sind alle nicht gravierend oder gar kritisch aber man kann sich ja mal Gedanken zur Abhilfe machen.

Das Hauptproblem ist der simple 100°C-Einschalt-Ansatz. Diese Lösung war Stand der Technik als das Konzept der Fazer festgelegt wurde (deutlich vor dem Jahr 2001). Sie ist robust und erfüllt ihren Zweck.

Eine elegantere Lösung wäre es den Lüfter variabel an den Kühlbedarf anzupassen. Als grobe Idee könnte der Lüfter bereits bei 80°C mit geringer Leistung einsetzen und ab 90°C auf volle Leistung schalten. Da solch eine Regelung sowieso im wesentlichen aus Software besteht könnte ohne wesentlichen Mehraufwand auch gleich ein "Sanftanlauf" zur Vermeidung hoher Einschaltströme mit eingebaut werden.

Ein Mikroprozessor ist das Kernstück der Regelung. Der Temperatursensor im Wasserkreislauf ist bereits vorhanden und muss nur angezapft werden. Als Leistungsschalter wird ein sog. High-Side-Switch eingesetzt um parallel zum vorhandenen Relais arbeiten zu können. Dadurch hat man, zumindest für die Testphase, immer noch die serienmässige Schaltung als Sicherheit.

Zur Regelung wird die Betriebsspannung des Lüfters mit einer PWM moduliert. Die hohe Induktivität des Motors führt zu einem sauberen Mittelwert der Ströme und somit der Motorleistung. Verluste in der Elektronik bleiben durch die PWM minimal.

Versuche

Serienmässig wird der Lüfter über ein Relais nach +12V geschaltet, die Masse-Seite ist fest verbunden. Die Regelelektronik ist parallel dazu geschaltet. Mein erster Versuchsaufbau sieht schematisch folgendermassen aus:



Der Leistungsschalter ist ein BTS443, ein HighSide-MOSFET-Schalter, Strombelastbarkeit 25A, mit vielen eingebauten Schutzfunktionen. Damit wird die +12V-Spannung des Lüfters geschaltet. Vorgeschaltet ist eine simple Transistorstufe zur Pegelanpassung. An Stelle der Regelelektronik befindet sich ein (schnell "zusammengenagelter") Testgenerator bei dem man Frequenz und DutyCycle beliebig einstellen kann. An seine Stelle kommt später die Regelelektronik. Die Diode sorgt dafür dass der Motorstrom im Ausschaltmoment weiter fliessen kann und keine hohen Spannungsspitzen entstehen.
Zum Kennenlernen des Motorverhaltens habe ich ein paar Oszilloskopbilder geschossen.

Falls nichts abweichendes angegeben zeigt die obere Kurve die Spannung am Motor, die untere Kurve ist das Ansteuersignal des Schalters.


Der Schalter ist periodisch für ca 0.3 Sekunden durchgeschaltet und legt Spannung an den Motor. Danach fällt die Motorspannung wieder langsam bis fast auf Null ab. Der Motor befindet sich in einem deutlich "stotterndem" Betrieb und fördert nur wenig Luft. Während der Phase in der die Motorspannung langsam sinkt arbeitet der Motor als Generator, bis sein Schwung aufgebraucht ist.


In diesem Bild ist die Frequenz des Schalters deutlich höher eingestellt. Man sieht dass die Motorspannung in den Lücken praktisch konstant bleibt, dort fungiert der Motor als Generator und die Diode hält den Stromfluss aufrecht. Durch die mechanische Trägheit des Motors ergibt sich eine gleichmässige Drehung, und auch der gewünschte Regeleffekt der Motorleistung.
Die gewählten 30Hz scheinen ein geeigneter Wert für eine Regelung zu sein. Über das Puls/Pausen-Verhältnis kann die Leistung gut geregelt werden. Eine untere Grenze liegt bei 10% DutyCycle, bei kleineren Werten läuft der Motor nicht mehr an.
Bei sehr hohen Frequenzen (300 Hz oder höher) scheint der elektronische Schalter und die Diode langsam an ihre Grenzen zu kommen, die Verluste nehmen zu und die Bauteile heizen sich auf.


Bei dieser Messung war zur Strommessung ein 1-Ohm Widerstand in die Masseleitung eingesetzt, die obere Kurve zeigt dessen Spannungsverlauf. Die Frequenz war extrem niedrig eingestellt (0.5 Hz) um das komplette Hochlaufverhalten zu sehen. Der Einschaltstrom liegt bei ca 2.8A, danach geht er auf ca 2.3A zurück. Die Spannung am Motor betrug in diesem Fall allerdings nur ca 10V wodurch sich geringere Ströme ergeben. Man erkennt aber das prinzipielle Verhalten mit einem Strom-Peak am Anfang.
Um den hohen Strombedarf beim Anlaufen zu minimieren könnte man versuchen mit kurzen, langsam länger werdenden Impulsen zu arbeiten, und sich verändernder Frequenz.

Ergebnisse

Zuviel Aufwand für den kleinen Vorteil. Weitere Versuche eingestellt.