Schon seit Beginn hatten wir immer wieder damit zu tun, dass der Jeep WJ (4.7 V8) vor allem bei Bergfahrt die Tendenz dazu hatte, heiß zu werden. Wir haben dabei nie probiert, ob er wirklich überhitzt sondern sind immer frühzeitig langsam gefahren (die Zylinderkopfdichtungen haben es uns bisher gedankt). Verbunden war das ganze immer mit der Frage, ob ein Defekt vorliegt oder die Kühlleistung zu schwach ist. Daher habe ich mich entschieden, die zum Teil etwas zurück liegenden vergangenen Stationen zum Thema Kühlsystem kurz aufzuführen und dann noch ausfühlicher auf PWM-Relais/Elektrolüfter einzugehen. Das wir von dem Thema länger begleitet wurden hat sicher auch damit zu tun, dass das Kühlsystem Reserven hat und so im Zustand „halbwegs i.O.“ und kein anspruchsvoller Betrieb keine Probleme auftreten.
Teil 1: Kühlflüssigkeit
Das erste etwas kurios erscheinende Problemchen gab es direkt am Anfang: Beim Abstellen hat die Kühlflüssigkeit gelegentlich angefangen (über-) zu kochen. Die Lösung war hier einfach: Obwohl eigentlich alles i.O. aussah, hat ein Tausch der Kühlflüssigkeit das Problem behoben. Vermutlich war sie – obwohl sie eigentlich gut aussah – bereits so alt, dass irgend ein Bestandteil sich Siedepunkterniedrigend ausgewirkt hat.
Teil 2: Heiß werden bei Bergfahrt
Bei unserer ersten Tour über die Alpen und nach Sardinien hatten wir dann das Problem, dass die Temperatur bei längerer Bergfahrt begonnen hat zu steigen. Nach dieser Tour habe ich dann den Viskolüfter getauscht. Der lief zwar nach dem Motor-Kaltstart immer kurz mit, war aber während der Fahrt nie zu hören. Außerdem war das Kabel vom Elektrolüfter „abgefallen“. Das hat mich zwer etwas gewundert, da ein doppelt gesicherter Stecker kaum von selbst aufgehen dürfte. Anschließend lief der Elektrolüfter aber gelegentlich wieder, bis er eines Tages erst auch bei abgeschaltetem Motor durchlief und dann nie mehr zu hören war. Mangels anspruchsvoller Fahrsituationen war die Motortemperatur aber immer i.O., so habe ich dem ganzen wenig Beachtung geschenkt und erst die nächste Sardinien-Tour brachte uns dann langsam zu Teil 3:
Teil 3: PWM-Relais und Elektrolüfter
Auf der nächsten Sardinien-Tour war das thermische Verhalten des Motors auch bei langer Bergfahrt deutlich gesünder. Etwas merkwürdig war aber, dass die Motortemperatur auf den Bergkuppen oft leicht über normal stand, aber trotzdem nur der Viskolüfter lief. Nachdem wir dann unseren Wohnwagen gekauft haben und damit unterwegs waren, ist bei Bergfahrten mit dem Gespann auch wieder das Problem aufgetaucht, dass die Motortemperatur anfing zu steigen. Da von dem Elektrolüfter schon länger nichts mehr zu hören war, also der Zeitpunkt, sich genauer damit zu beschäftigen. Was kann diesmal das Problem sein? Dass der Lüfter kurz vor „Schluss“ dauerhaft lief, spricht für das Relais. Natürlich ist aber auch ein Defekt am Lüftermotor, an der Verkabelung oder sogar am Motorsteuergerät nicht auszuschließen. Also erst die Teile prüfen, bis das Problem eindeutig gefunden ist.
Beim Durchsehen der Reparaturanleitung auf der Suche nach dem Lüfterrelais (das tatsächlich ziemlich versteckt sitzt) bin ich dann zum ersten mal auf den Begriff PWM-Relais gestoßen. Um das Teil prüfen zu können ist erst mal zu klären: Was ist denn ein überhaupt ein PWM-Relais?
- Ein Relais ist ein elektrisch betätigter Schalter, der über einen (typischerweise kleinen) Steuerstrom eine große Last schalten kann. Sie werden auch im KFZ zum Schalten von verschiedenen Lasten verwendet, wozu eben auch der Kühlerlüfter zählen kann.
- PWM steht für Pulsweitenmodulation, typischerweise wird dabei ein elektrisches Signal zwischen den diskreten Zuständen „aus“ und „ein“ moduliert. Dabei kann das „Tastverhältnis“, also der Zeitanteil von „ein“, zwischen 0% und 100% variieren. Neben einer Anwendung für Digital/Analogwandlung kann dieses Verfahren vorteilhaft in der Leistungselektronik angewendet werden, da die Leistungshalbleiter nur in den für die Verlustleistung günstigen Zuständen „aus“ oder „voll durchgeschaltet“ betrieben werden. U.a. lassen sich damit auch Elektromotoren steuern.
Nun ist es vielleicht theoretisch möglich, eine PWM mit einem Relais zu realisieren. Aufgrund der hohen Schaltfrequenzen, die für die Steuerung eines Elektromotors notwendig sind, ist aber eher damit zu rechnen, dass sich hinter dem „PWM-Relais“ ein Leistungshalbleiter, wahrscheinlich ein Feldeffekttransitor (FET), versteckt.
Ein FET verfügt über drei Anschlüsse, so kann z.B. ein n-Kanal-FET (es gibt verschiedene Typen) als Schalter verwendet werden: „Drain“ ist mit dem Verbraucher verbunden, „Source“ wird an Masse angeschlossen und über „Gate“ die Schaltvorgänge vorgenommen. Wenn „Gate“ positiv ist, ist der Verbraucher eingeschaltet. Der Vorteil ist der hohe „Gate“-Widerstand, weswegen nur ein sehr geringer Steuerstrom benötigt wird. [1] Der FET lässt sich alternativ auch zwischen Spannungsquelle und Verbraucher schalten („Drain“ an die Spannungsquelle, der Verbraucher an „Source“).
Um den FET zu testen, müssen wir also „Drain“ mit einer Spannungsquelle verbinden, an „Gate“ eine Steuerspannung anlegen und schauen, ob der FET korrekt schaltet. In diesem Fall muss „Source“ muss knapp unter der an „Gate“ anliegenden Spannung liegen. Wenn „Gate“ offen ist, darf keine Spannung an „Source“ anliegen. Als Spannungsversorgung habe ich ein Ladegerät mit Netzteil-Funktion genommen. Zum Schalten kann „Gate“ einfach mit an die Versorgungsspannung gelegt werden. Bevor wir das „PWM-Relais“ testen können, müssen wir es aber erst mal finden und die PIN-Belegung kennen.
Bei meinem Jeep WJ ist das PWM-Relais unter der Frontmaske hinter dem rechten Scheinwerfer (Beifahrerseite) auf die Karosserie geschraubt. Ich habe nach dem Relais geschaut, als ich die Frontmaske sowieso schon ausgebaut hatte. Vermutlich kommt man aber auch nicht an das PWM-Relais, ohne sie auszubauen. Andere Modelle haben evtl. eine Aussparung in der Frontmaske, über die man an das PWM-Relais kommt. In Bild 1 ist die Position des PWM-Relais mit dem roten Pfeil markiert.
Eine Pinbelegung für das „PWM-Relais“ konnte ich in den Werkstatthandbüchern, die ich habe, leider nicht finden. Allerdings habe ich auf dieser Seite: https://troubleshootmyvehicle.com/jeep/4.0L/how-to-test-the-pwm-relay-1 die Hinweise gefunden, mit denen sich die Pinbelegung rekonstruieren lässt (wir haben den Jeep WJ 4.7 V8, die Pinbelegung scheint aber gleich zu sein). Wie die Pin’s nummeriert sind, ist in Bild 2 gezeigt. Achtung: Ich kann nicht garantieren, dass die Pinbelegung immer gleich ist – vor den Tests am besten noch mal plausibilisieren.
| Pin | Funktion |
| 1 | +12V / „Drain“ |
| 2 | Steuersignal / „Gate“ |
| 3 | Ausgang Elektrolüfter / „Source“ |
| 4 | Masse |
Nachdem die Pinbelegung und grundsätzliche Funktion klar ist, können Verkabelung des „PWM-Relais“, Elektromotor und das „PWM-Relais“ selbst getestet werden. Der Test von Verkabelung und Elektromotor muss am Fahrzeug erfolgen. Um für diesen und andere Tests an die Pin’s zu kommen, habe ich mir die in Bild 3 gezeigten „Testkabel“ gebaut: Die schmalen (isolierten!) „Miniatur-Abreifklemmen“ sind so klein, dass man damit auch in die Stecker kommt. Mit den Bananensteckern lassen sich die Kabel flexibel untereinander oder mit den Krokodilklemmen verbinden. Dazu habe ich noch einen Sicherungshalter zum „einschleifen“, um z.B. beim Testen von Motoren wie dem Elektrolüfter ein Sicherungselement zu haben, falls doch ein Kurzschluss vorliegt.
Test der Verkabelung
Mit der bekannten Pinbelegung lassen sich ein paar einfache Tests der Verkabelung mit einem Multimeter durchführen: zwischen Pin 1 / +12V und Masse sollten „12V“ zu messen sein. Zwischen dem Batterie-Pluspol und Pin 4 / Masse sollten ebenfalls 12V zu messen sein und zwischen Pin 4 und Batterie-Minuspol 0 V. Wenn sicher ist, dass Pin 4 der Massekontakt ist, lässt sich auch sicher stellen, dass zwischen diesem Pin und Fahrzeug-Masse kein Übergangswiderstand besteht – vor dem Messen des Widerstands sicherheitshalber besser die Batterie abklemmen.
Test des Lüftermotors
Mit den oben gezeigten Testkabeln lässt sich auch der Lüftermotor testen. Dazu wir eines der in Bild 3 gezeigten Testkabel mit dem Minuspol des Elektrolüfters und Fahrzeug-Masse – in diesem Fall der Masseklemme der Batterie – verbunden. In das Pluskabel wird zwischen Elektrolüfter und Batterie noch die Sicherung eingeschleift (siehe Bilder 5/6/7). Zuletzt die „Plus“-Krokodilklemme mit Batterie-Plus verbinden, und der Lüfter sollte laufen, wenn er in Ordnung ist. Nicht zu lange laufen lassen – die Abgreifklemmen sind vermutlich nicht für hohe Dauerströme ausgelegt.
Testen des „PWM-Relais“
Um das PWM-Relais zu testen, wir eine 12V-Stromversorgung benötigt. Ich habe ein Ladegerät mit Netzteil verwendet und die Testkabel aus Bild 3 verwendet. Pin 1 wird mit +12V verbunden und Pin 4 mit Masse. An Pin 3 darf jetzt keine Spannung anliegen, das lässt sich mit dem Multimeter testen. Wird Pin 1 ebenfalls mit +12V verbunden, müssten an Pin 3 12V anliegen. Beim defekten „PWM-Relais“ war das nicht der Fall. Nachdem das „PWM-Relais“ getauscht war, lief der Elektrolüfter wieder wie erwartet.
Wie gings dann weiter…
Kurz nach dem neuen PWM-Relais bekam der Jeep dann noch einen neuen Wasserkühler. Nicht weil er offensichtlich defekt war, aber der Klima-Kondensator war undicht und musste getauscht werden. Da der Hauptkühler dann eh frei liegt und wohl gelegentliche Defekte des darin enthaltenen Automatik-Getriebeölkühlers dazu führen, dass sich Kühlwasser ins Getriebeöl mischt, habe ich ihn bei der Gelegenheit gleich mitgetauscht, wie auf Bild 8 unten zu sehen. Wie man in Bild 1 sieht ist das eine hervorragende Gelegenheit, auch noch Wasserpumpe, Thermostat mit Gehäuse, Riemenspanner und den Öldruckschalter mit zu tauschen. Den Zusatz-Automatikgetriebeölkühler habe ich mangels Ersatzteil nicht getauscht – inzwischen gibt es doch einen neuen, aber das ist eine andere Aktion.
Auf den letzten Fahrten gab es dann auch mit schwerem Anhänger und in südlichen Gebieten keine Temperatur-Probleme mehr. Ein echter Extremeinsatz wie eine Alpenüberquerung hat allerdings bisher noch nicht stattgefunden.
[1] P. Horowitz, W. Hill: Die Hohe Schule der Elektronik Teil 1: Analogtechnik, Übersetzung der zweiten Auflage der Originalausgabe „The Art Of Electronics“, Aachen, Deutschland: Elektor-Verlag, 1996, S. 137 und S. 140