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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Dichtheit eines
in einem Nutzfahrzeug angeordneten Druckluftsystem sowie eine hierfür vorgesehene
elektronische Vorrichtung.
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Druckluftsysteme
für Nutzfahrzeuge
enthalten einen Kompressor, der Druckluft erzeugt und diese über eine
Luftaufbereitungsanlage verschiedenen Druckluftverbrauchern zur
Verfügung
stellt, beispielsweise der Druckluftbremsanlage, der Luftfederungen,
der Kupplung und dem Getriebe. Um den zuverlässigen Betrieb von Druckluftsystemen
sicherzustellen, sind durch Leckagen bedingte Druckverluste zu vermeiden.
Während
größere Leckraten
ohne weiteres durch den Führer
des Nutzfahrzeugs auf der Grundlage der Systemdrucküberwachung
erkennbar sind, ist dies bei geringeren Leckraten nicht unbedingt
der Fall. In jedem Fall ist es erstrebenswert, bereits eine geringe
Leckrate frühzeitig
zu erkennen, damit eine sicherheitsrelevante Vergrößerung des Lecks
vermieden werden kann. Aus diesem Grund ist es erforderlich, die
Druckluftsysteme von Zeit zu Zeit im Hinblick auf Leckagen zu inspizieren,
was regelmäßig einen
Werkstattaufenthalt erforderlich macht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch geringe Druckluftverluste
während
des Betriebs des Nutzfahrzeugs zu erkennen, um so in die Lage versetzt
zu werden, das Druckluftsystem instand zu setzen, bevor es zu größeren und
insbesondere sicherheitskritischen Druckluftverlusten kommt.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung besteht in einem Verfahren zum Überwachen der Dichtheit eines
in einem Nutzfahrzeug angeordneten Druckluftsystems, mit den Schritten:
- (a) Erfassen eines Betriebszustandes von mindestens
einem Druckluftverbraucher,
- (b) Erfassen eines in dem Druckluftsystem herrschenden ersten
Druckes zu einem ersten Zeitpunkt und Erfassen eines in dem Druckluftsystem herrschenden
zweiten Druckes zu einem zweiten Zeitpunkt,
- (c) Ermitteln eines Kennwertes unter Berücksichtigung der erfassten
Drücke
und des Betriebszustandes des mindestens einen Druckluftverbrauchers,
- (d) Vergleichen des Kennwertes mit einem Vergleichswert.
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Es
wird also ein automatisiertes Überwachungsverfahren
für Druckluftsysteme
zur Verfügung gestellt,
das insbesondere unter Verwendung einer in dem Nutzfahrzeug installierten
Recheneinheit realisiert werden kann. Beispielsweise kann die elektronische
Steuereinheit einer Luftaufbereitungsanlage hierzu verwendet werden.
Während
des Betriebs des Fahrzeugs werden die Betriebszustände der
Druckluftverbraucher kontinuierlich erfasst. Unter Berücksichtigung
dieser Betriebszustände
und durch das Erfassen von Drücken
zu verschiedenen Zeitpunkten lassen sich dann Kennwerte ermitteln,
die mit Vergleichswerten verglichen werden können. Dieser Vergleich gibt
dann Aufschluss darüber,
ob ein übermäßiger Druckluftverlust
vorliegt. Ergibt sich durch den Vergleich des Kennwertes mit einem
Vergleichswert, dass ein übermäßiger Druckluftverlust
vorliegt, so kann hieraus eine Konsequenz gezogen werden. Beispielsweise
kann eine Fehleranzeige aktiviert werden. Ebenfalls kann ein Eintrag
in einem Fehlerspeicher vorgenommen werden.
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Nützlicherweise
ist vorgesehen, dass die Schritte (b) bis (d) nur dann ausgeführt werden,
wenn sich der mindestens eine Druckluftverbraucher in einem Zustand
befindet, in dem er bei intaktem Druckluftsystem keine Druckluft
verbraucht. Grundsätzlich lässt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
auch bei aktiven Druckluftverbrauchern durchführen, nämlich dann, wenn der Druckluftverbrauch
bekannt ist. Die ermittelten Kennwerte werden sich dann zwar von denjenigen
bei inaktiven Druckluftverbrauchern unterscheiden, die Vergleichswerte
können
aber ebenfalls entsprechend dem aktuellen Druckluftverbraucherzustand
gewählt
werden. Besonders einfach ist das Verfahren aber, wenn es nur dann
ausgeführt wird,
wenn die Druckluftverbraucher inaktiv sind, in guter Näherung also
kein oder aufgrund der Aktivität nicht überwachter
Nebenverbraucher nur ein geringer Druckluftverbrauch zu erwarten
ist.
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Beispielsweise
kann vorgesehen sein, dass außerhalb
von druckluftverbraucherseitigen Druckaufbau- und -abbauphasen die
Druckdifferenz zwischen den erfassten Drücken als Kennwert ermittelt wird.
Während
der Lastphasen des Kompressors wird im Druckluftsystem Druck aufgebaut,
während der
Druck während
der Regenerationsphasen der in der Luftaufbereitungsanlage angeordneten
Filtereinheit wieder abgebaut wird. Führt man das Verfahren außerhalb
dieser Phasen durch, also in solchen Phasen, in denen keine oder
nahezu keine Änderungen des
Druckes zu erwarten ist, so ist die durch Druckmessung zu verschiedenen
Zeitpunkte berechnete Druckdifferenz ein geeigneter Kennwert, der
dann mit einem Differenzdruckvergleichswert verglichen werden kann.
Im perfekten System bei vollstän dig
inaktiven Druckluftverbrauchern wäre der Differenzdruckvergleichswert
0 anzusetzen. Im realen System ist stets mit Druckverlusten zu rechnen,
denen aber bis zu einem gewissen Maß nicht nachgegangen werden muss.
Folglich wird der Differenzdruckvergleichswert auf einen Wert ungleich
0 gesetzt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist in besonders vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet,
- – dass
während
druckluftverbraucherseitiger Druckaufbau- und -abbauphasen zu- und
abströmende
Luftmengen erfasst werden,
- – dass
der Schritt (b) sowohl während
der Druckaufbau- als
auch während
der Druckabbauphase durchgeführt
wird,
- – dass
unter Berücksichtigung
der während
der Druckaufbauphase erfassten Drücke und der zuströmenden Luftmenge
ein erstes theoretisches Volumen berechnet wird,
- – dass
unter Berücksichtigung
der während
der Druckaufbauphase erfassten Drücke und der zuströmenden Luftmenge
ein zweites theoretisches Volumen berechnet wird und
- – dass
die Differenz zwischen dem ersten theoretischen Volumen und dem
zweiten theoretischen Volumen als Kennwert ermittelt wird.
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Die
Erfindung lässt
sich also auch während der
Druckaufbau- und -abbauphasen realisieren, indem zusätzlich die
zuströmenden
beziehungsweise die abströmenden
Luftmengen, beispielsweise durch zeitliche Integration von Strömungsraten,
erfasst werden. Da das Produkt aus Druck und Volumen bei konstanter
Temperatur in guter Näherung
proportional zur vorhandenen Luftmenge ist, lässt sich durch die Messung
von zwei Drücken
zu verschiedenen Zeitpunkten und der zwischenzeitlich zugeführten oder
abgeführten
Druckluft ein theoretisches Volumen oder ein hierzu proportionaler
bzw. davon abhängiger
Kennwert berechnen. Im idealen System wäre dieses theoretische Volumen
während
der Druckaufbauphase identisch zu dem theoretischen Volumen während der
Druckabbauphase. Im realen System wird man jedoch feststellen, dass
das auf der Grundlage von Messwerten der Druckaufbauphase errechnete
Volumen größer ist
als jenes, welches auf der Grundlage von während der Druckabbauphase ermittelten
Messwerten berechnet wird. Dies hängt damit zusammen, dass in
die Berechnung des theoretischen Volumens die Differenzdruckmenge,
also die zuströmende
Luftmenge oder die abströmende Luftmenge
linear eingehen. Während
des Druckaufbaus wird die zuströmende
Luftmenge zwischen den beiden Messzeitpunkten durch ein Leck im
System erhöht,
während
die abströmende
Luftmenge während
des Druckabbaus aufgrund des Lecks erniedrigt wird. Je größer die
Differenz zwischen den theoretischen Volumina ist, desto größer ist
also der Druckluftverlust. Der anzusetzende Vergleichswert ist also ein
Volumendifferenzwert, der dem tolerierbaren Druckluftverlust entspricht.
Die Mengen an zu- beziehungsweise abströmender Luft während der
Förder- beziehungsweise
Regenerationsphase können
beispielsweise auf der Grundlage von Informationen eines Durchflusssensors
gemessen werden. Ebenfalls können
alternativ oder zusätzlich
Berechnungen angestellt werden. Während der Förderphase erfolgen solche Berechnungen
auf der Grundlage der Kompressorcharakteristik, welche die Fördermenge
bei verschiedenen Gegendrücken
definiert. Durch bilineare Interpolation dieser bekannten Beziehungen kann
die Fördermenge
in jedem Betriebszustand ermittelt werden, wobei der Systemdruck
als Kompressorgegendruck und die Kompressordrehzahl berücksichtigt
werden. Dabei wird die Kompressordrehzahl beispielsweise durch Multiplikation
der Motordrehzahl, die beispielsweise auf dem CAN-Bus zur Verfügung steht,
multipliziert mit der Kompressorförderrate bestimmt. Während der
Regenerationsphase können Luftmengen
auf der Grundlage von Druckverhältnissen
bestimmt werden, wobei es in den Druckbereichen, in denen das System
eine Regeneration durchführen
kann, bekannte Beziehungen zwischen Druckverhältnissen und Regenerationsluftmengen gibt.
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Weiterhin
ist es besonders bevorzugt, dass der Vergleichswert über eine
Vielzahl von Überwachungszyklen erlernt
wird. Da jedes Druckluftsystem aufgrund seiner Komplexität eine andere "natürliche Leckrate" haben wird, ist
es sinnvoll, die Vergleichswerte nicht von vorn herein streng festzusetzen,
sondern diese das System erlernen zu lassen, insbesondere im Rahmen
der ersten Druckaufbau- und Druckabbauphasen nach einer Inspektion,
bei der der ordnungsgemäße Zustand
des Druckluftsystems festgestellt wurde.
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Die
Erfindung besteht weiterhin in einer elektronischen Vorrichtung
zum Überwachen
der Dichtheit eines in einem Nutzfahrzeug angeordneten Druckluftsystems,
mit:
- (a) Mitteln zum Erfassen eines Betriebszustandes von
mindestens einem Druckluftverbraucher,
- (b) Mitteln zum Erfassen eines in dem Druckluftsystem herrschenden
ersten Druckes zu einem ersten Zeitpunkt und Erfassen eines in dem Druckluftsystem
herrschenden zweiten Druckes zu einem zweiten Zeitpunkt,
- (c) Mitteln zum Ermitteln eines Kennwertes unter Berücksichtigung
der erfassten Drücke
und des Betriebszustandes des mindestens einen Druckluftverbrauchers,
- (d) Mitteln zum Vergleichen des Kennwertes mit einem vorgegebenen
Vergleichswert.
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Auf
diese Weise werden die Vorteile und Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens auch
im Rahmen einer Vorrichtung umgesetzt, bei der es sich insbesondere
um einen im Fahrzeug angeordneten Computer beziehungsweise eine
Steuereinheit irgendeiner Fahrzeugkomponente handelt, insbesondere
der Druckluftaufbereitungsanlage.
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Die
elektronische Vorrichtung ist besonders nützlich dadurch weitergebildet,
dass Mittel zum Erlernen des Vergleichswertes über eine Vielzahl von Überwachungszyklen
vorgesehen sind.
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Auf
der Grundlage der vorliegenden Erfindung werden somit ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Verfügung
gestellt, mit denen der Fahrer eines Nutzfahrzeugs in komfortabler
Weise über
eine nicht mehr tolerable Leckage im Druckluftsystem informiert
wird. Sowohl die Erfassung der hierfür erforderlichen Messdaten
als auch der Informationsaustausch mit einer Anzeige in der Fahrerkabine
kann direkt beziehungsweise über
ein Kommunikationsnetzwerk, beispielsweise den Fahrzeug-CAN-Bus,
erfolgen. Das Informieren des Fahrers kann durch einen Vermerk in
einem Fehlerspeicher des Nutzfahrzeugs begleitet werden. Bei kleineren
Leckagen ist es auch denkbar, zunächst nur einen Vermerk in den
Fehlerspeicher zu schreiben, ohne den Fahrer hierüber in Kenntnis
zu setzen.
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Die
Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand
besonders bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Druckluftsystems mit elektropneumatischer
Bremsanlage und
-
2 ein
Flussdiagramm zur Erläuterung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines Druckluftsystems mit elektropneumatischer Bremsanlage.
Das dargestellte Druckluftsystem umfasst einen Kompressor 10,
eine Luftaufbereitungsanlage 12 und ein von diesen Komponenten
mit Druckluft beliefertes Bremssystem. Die Luftaufbereitungsanlage 12 weist
als zentrale Einheiten eine elektronische Steuereinheit 14,
einen Luftfilter 16, ein Mehrkreisschutzventil 18 und
einen nicht dargestellten Druckregler auf. Weitere Komponenten der Luftaufbereitungsanlage 12 sind
im Allgemeinen eine Vielzahl von Sensoren, insbesondere Drucksensoren und
Temperatursensoren sowie zahlreiche pneumatische und elektropneumatische
Einheiten, die die Luftführung
innerhalb der Luftaufbereitungsanlage 12 zum Zwecke des
Druckluftaufbaus in den angeschlossenen Verbraucherkreisen und zum
Zwecke der Regeration der Filtereinheit 16 beeinflusst.
Die von der Luftaufbereitungsanlage 12 mit Druckluft belieferte
Bremsanlage umfasst im vorliegenden Beispiel fünf Druckluftvorratsbehälter 20, 22, 24, 26, 28, die
verschiedene Aufgaben erfüllen,
auch außerhalb der
eigentlichen Bremsanlage. Von den Luftvorratsbehältern 26, 28 wird
Druckluft zu den Bremssystemen der Vorderachse 30 beziehungsweise
der Hinterachse 32 geliefert. Sowohl im Bereich der Vorderachse 30 als
auch im Bereich der Hinterachse 32 stehen Bremsmodule 34, 36, 38,
Schlupfsensoren 40, 42, 44, 46 und
Bremszylinder 48, 50, 52, 54 zur
Verfügung,
wobei die Bremszylinder 52, 54 für die Hinterachse 32 als
Kombizylinder, das heißt
Bremszylinder mit Federspeicher, realisiert sind. Drucksensoren die
im Bereich der Vorderachse 30 und der Hinterachse 32 zur
Realisierung der verschiedenen Bremsfunktionen vorhanden sind, sind
nicht explizit dargestellt. An das Bremsmodul der Hinterachse 38 ist
weiterhin eine Luftfedereinrichtung 56 mit Drucksensor 58 angeschlossen.
Eine weitere Komponente der Bremsanlage stellt das Anhängersteuerventil 60 dar, welches
Kupplungen 62, 64 für die Versorgung und die Ansteuerung
einer Anhängerbremse
aufweist. Eine elektronische Steuereinheit 66 des Anhängersteuermoduls 60 steht
mit einer zentralen Steuereinheit 68 in Verbindung, wobei
diese zentrale Steuereinheit 68 beispielsweise ebenfalls
mit den Steuereinheiten der Bremsmodule 34, 36, 38 in
Verbindung stehen. Die elektrischen Verbindungen zwischen den genannten
Steuereinheiten können
direkt vorliegen oder durch ein Kommunikationsnetzwerk realisiert sein.
Ebenfalls ist ein Bremsventil 70 dargestellt, von dem elektrische
und pneumatische Signale in Abhängigkeit
der Betätigung
eines Bremspedals 72 zur Verfügung gestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung, nämlich
das automatische Überwachungssystem
im Hinblick auf die Dichtheit des Druckluftsystems, kann prinzipiell
in jeder der dargestellten elektronischen Steuereinheiten integriert
sein, insbesondere dann, wenn diese vernetzt sind. Besonders bieten
sich die elektronischen Steuereinheiten 14 der Luftaufbereitungsanlage 12 beziehungsweise
die zentrale Steuereinheit 68 für diese Zwecke an, denn die
elektronische Steuereinheit der Druckluftaufbereitungsanlage 12 steht
im Allgemeinen direkt mit Drucksensoren zum Erfassen der relevanten
Drücke
in Verbindung, und sie lässt sich
in einfacher Weise mit Einrichtungen zum Messen einer Strömungsrate
koppeln, während
die zentrale Steuereinheit 68 mit jeglichen Eigenschaften ausgestattet
werden kann und in besonders einfacher Weise im Hinblick auf die
erfindungsgemäßen Eigenschaften
erweiterbar ist.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm zur Erläuterung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die verwendeten Bezugszeichen beziehen sich auf
1. Im
Rahmen des Überwachungsverfahrens
wird gemäß Schritt
S01 zunächst
geprüft,
ob Druckluftverbraucher im Druckluftsystem aktiv sind. Diese Information
kann von einer elektronischen Steuerung im Allgemeinen über den
CAN-Bus bezogen werden, wobei die Information jedoch auf solche
Druckluftverbraucher be schränkt
ist, die überhaupt
einer Aktivitätsüberwachung
zugänglich
sind. Da die wesentlichen Druckluftverbraucher, beispielsweise das Bremssystem
des Nutzfahrzeugs, jedoch überwacht werden,
kann der Druckluftverbrauch der nicht überwachten Nebenverbraucher
im Zusammenhang mit den weiteren Verfahrensschritten vernachlässigt beziehungsweise
im Zusammenhang mit der Bestimmung der Vergleichswerte berücksichtigt
werden. Sind die wesentlichen Druckluftverbraucher noch aktiv, so
wird gemäß der hier
dargestellten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
nicht in die Abarbeitung der weiteren Verfahrensschritte eingetreten.
Erst dann, wenn die Druckluftverbraucher nicht mehr aktiv sind,
wird in Schritt S02 geprüft, ob
eine Förderphase
vorliegt. Ist dies der Fall, so wird in Schritt S03 ein Druck p
1 erfasst. Nachfolgend wird dann über einen
definierten Zeitraum in Schritt S04 die an den Kompressor
10 geförderte Luftmenge
n
F erfasst, woraufhin in Schritt S05 wiederum
ein Druck erfasst wird, nämlich
der Druck p
2. In Schritt S06 wird nun ein
theoretisches Volumen V
1 auf der Grundlage der
erfassten Werte für
p
1, p
2 und n
F berechnet, beispielsweise auf der Grundlage
der folgenden Gleichung:
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Bei
der Größe R handelt
es sich um eine dem allgemeinen Gesetz für ideale Gase entnommenen Konstante,
die im Rahmen der Berechnung auch fortgelassen werden kann, da ohnehin
der nun berechnete theoretische Volumenwert V1 lediglich
mit einem anderen in ähnlicher
Weise berechneten theoretischen Volumenwert in eine Beziehung gebracht werden
soll. Ausgehend von dem Schritt S06 wird nämlich in Schritt S07 die Differenz
dieses Volumenwertes V1 und einem während einer
Regerationsphase bestimmten Volumenwert V2 mit
einem Referenzdifferenzvolumenwert ΔVR verglichen.
Ist die ermittelte Differenz größer als
der Referenzvolumenwert, so wird gemäß Schritt S08 eine Warnung
ausgegeben, da nun ein unakzeptabler Druckluftverlust vorliegt.
Ist die Differenz zwischen V1 und V2 noch klein genug, so kehrt der Verfahrensablauf über die
Aktivitätsprüfung der
Druckluftverbraucher gemäß Schritt
S01 wieder zu Schritt S02 zurück,
wo geprüft
wird, ob eine Förderphase
vorliegt.
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Ist
diese Förderphase
inzwischen abgeschlossen, so wird in Schritt S09 geprüft, ob eine
Regenerationsphase vorliegt. Ist dies der Fall, so wird in Schritt
S10 wiederum ein Druck p
1 erfasst. Im Anschluss
daran wird in Schritt S11 die Regenerationsluftmenge n
R erfasst.
Im Anschluss daran wird in Schritt S12 wiederum der Druck gemessen,
mit dem Ergebnis des Druckes p
2. In Schritt
S13 wird dann aus den nun bestimmten Werten p
1,
p
2 und n
R das theoretische
Volumen V
2 berechnet, beispielsweise auf
der Grundlage der folgenden Gleichung:
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Nachfolgend
wird zu Schritt S07 übergegangen,
in dem der bereits beschriebene Vergleich stattfindet.
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Wird
in Schritt S09 erkannt, dass keine Regenerationsphase vorliegt,
während
ja vorangehend in Schritt S02 erkannt wurde, dass keine Förderphase
vorliegt, so geht der Verfahrensablauf zu Schritt S14 über, wo
ein Druck p1 erfasst wird. Nach einer gewissen
Zeit wird in Schritt S15 ein Druck p2 erfasst. Eine
zwischenzeitliche Erfassung der Regenerationsluftmenge oder der
geförderten
Luftmenge, beispielsweise durch Integrieren der jeweiligen Raten über die
Zeit, ist hier nicht erforderlich, da weder Förderung noch Regeneration stattfinden.
Daher können auch
direkt die beiden Druckwerte als Kriterium dafür herangezogen werden, ob das
System dicht ist, nämlich
indem die Differenz der Druckwerte p1 und
p2 mit einem Differenzreferenzdruck ΔpR verglichen wird. Ist die Differenz größer als
der Differenzreferenzdruck, so ist von einem übermäßigen Druckluftverlust auszugehen,
und es wird gemäß Schritt
S08 eine Warnung abgegeben. Anderenfalls kehrt der Verfahrensablauf
zu seinem Beginn zurück.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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- 10
- Kompressor
- 12
- Luftaufbereitungsanlage
- 14
- Steuereinheit
- 16
- Luftfilter
- 18
- Mehrkreisschutzventil
- 20
- Druckluftvorratsbehälter
- 22
- Druckluftvorratsbehälter
- 24
- Druckluftvorratsbehälter
- 26
- Druckluftvorratsbehälter
- 28
- Druckluftvorratsbehälter
- 30
- Vorderachse
- 32
- Hinterachse
- 34
- Bremsmodul
- 36
- Bremsmodul
- 38
- Bremsmodul
- 40
- Schlupfsensor
- 42
- Schlupfsensor
- 44
- Schlupfsensor
- 46
- Schlupfsensor
- 48
- Bremszylinder
- 50
- Bremszylinder
- 52
- Bremszylinder
- 54
- Bremszylinder
- 56
- Luftfedereinrichtung
- 58
- Drucksensor
- 60
- Anhängersteuerventil
- 62
- Kupplung
- 64
- Kupplung
- 66
- Steuereinheit
- 68
- Steuereinheit
- 70
- Bremsventil
- 72
- Bremspedal