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Die Erfindung betrifft eine Leckage-Erkennung an Druckluftsystemen, insbesondere in Nutzfahrzeugen. Die Diagnose wird am abgestellten Fahrzeug bei ausgeschalteter Zündung durchgeführt. Für die Erkennung von unerlaubten Leckagen im Druckluftsystem des Fahrzeugs werden das Schaltverhalten eines Mehrkreisschutzventils und das spezifische Abklingverhalten einzelner Druckluftkreise in ein Modell abgebildet. Mit einer Drucküberwachung werden die Systemdrücke mit vorgegebenen Abtastraten überprüft und mittels Berechnungen Abweichungen vom zu erwartenden Modellverhalten festgestellt. Unter Berücksichtigung des zeitlichen Schaltverhaltens und unter Berücksichtigung der Volumina der diversen Druckbehälter kann eine Lokalisierung der Leckage auf einen einzelnen Druckluftkreis vorgenommen werden. Mit zusätzlichen Filteroperationen werden ordnungsgemäße, systembedingte Druckluftverluste herausgefiltert, um Fehldiagnosen möglichst zu vermeiden.
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Nutzfahrzeuge sind ein Wirtschaftsgut und stellen das wichtigste Überlandbeförderungsmittel für Güter aller Art dar. Ist ein Fahrzeug wegen Reparaturbedarfs nicht einsatzfähig, entstehen für die Firmen hohe Verluste. Daher hat die Zuverlässigkeit der Systeme oberste Priorität. Aufgrund des kontinuierlich steigenden Verkehrsaufkommens ist es zudem unabdingbar, die Sicherheit aller Fahrzeuge im Straßenverkehr stetig zu verbessern. Sicherheit und Zuverlässigkeit steigern nicht zuletzt auch die Kundenzufriedenheit.
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Für Werkstätten ist es momentan sehr problematisch, kleinere Leckagen in Druckluftsystemen von Nutzfahrzeugen zu detektieren und zu lokalisieren, weil das austretende Medium nicht sichtbar und zudem geruchsneutral ist. Kleinere Leckagen sind selbst bei absoluter Ruhe nicht oder kaum hörbar. Die Voraussetzung der Ruhe ist zudem in einer Werkstatt meist nicht gegeben. Abhilfe für dieses Problem schafft derzeit nur eine Seifenwasserlösung mit der alle Leitungen besprüht werden und danach durch Sichtkontrolle auf mögliche Leckagen überprüft werden. Um wenigstens den defekten Druckluftkreis bestimmen zu können, werden heute teilweise Manometer an Prüfanschlüsse der verschiedenen Kreise über Nacht angeschlossen und der Druckverlust bestimmt. Eine zeitraubende Lösung.
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Selbsttätig arbeitende Onboard Leckage Erkennungen sind mit dem zunehmenden Vernetzungsgrad der Fahrzeuge und mit den zunehmenden Rechenkapazitäten in den Steuergeräten der Fahrzeuge ebenfalls vorgeschlagen worden.
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In der
DE 103 00 737 A1 nutzt man die Niveauregelung einer Kraftfahrzeug-Luftfederanordnung um Leckagen im zugehörigen Druckluftsystemen zu bestimmen. Bei stillstehendem Fahrzeug wird in regelmäßigen Zeitabständen ein Höhen-Abstandswert der Niveauregulierung ermittelt und daraus im Prinzip eine Absinkgeschwindigkeit ermittelt. Übersteigt die Absinkgeschwindigkeit einen als indikativ angesehenen Grenzwert, wird auf eine Leckage geschlossen. Die Absinkgeschwindigkeit kann hierbei für jedes Fahrzeugrad einzeln vorgenommen werden und auf diese Weise eine Lokalisation der Leckage vorgenommen werden. Die notwendigen Modellberechnungen werden in einem Steuergerät der Niveauregulierung vorgenommen.
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In der
DE 10135361 B4 wird eine weitere Dichtheitsprüfung einer pneumatischen Niveauregulierung vorgestellt. Mit ansteuerbaren Ventilen werden einzelne Druckluftkreise mit einem Kompressor oder einem Druckbehälter verbunden und in den Druckluftkreis eine definierte Druckerhöhung eingebracht. Der Druckanstieg wird mit einem Drucksensor erfasst und es wird die Zeitspanne erfasst bis ein vorgegebener Druckschwellwert überstiegen wird. Bei dichtem System sollte der Druckschwellwert in einer vorgegebenen Zeit erreicht werden. Wird diese Sollzeitspanne bis zum Erreichen des Druckschwellwertes bei der Druckprüfung überschritten, wird auf eine Leckage des betreffenden Druckkreises geschlossen.
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Aus der
DE 10 2004 005 569 A1 ist ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern in Druckluftsystemen in Nutzfahrzeugen bekannt, bei dem mittels Drucksensoren in mehreren Druckluftkreisen der Druck gemessen wird, von einer Steuereinheit Druckgradienten gebildet werden und mit einer Entscheidungslogik durch Grenzwertvergleich auf eine Leckage geschlossen wird. Dabei werden die einzelnen Druckluftkreise zeitlich begrenzt von dem Luftpresser abgetrennt und die erfassten Druckgradienten ausgewertet, um eine Lokalisierung von Druckverlusten auf den betroffenen Druckluftkreis vorzunehmen.
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Aus der
DE 10 2005 045 269 A1 ist es bekannt in Druckluftkreisen eine Temperaturkompensation des gemessenen Systemdrucks vor zunehmen, um nach erfolgter Kompensation Leckagen im Druckluftsystem erkennen zu können.
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Aus der
DE 101 42 790 A1 ist es bekannt Druckverläufe an Knotenpunkten eines Druckleitungsnetzes für eine Bremsanlage vorzunehmen. Die Druckverläufe werden hierbei mit einer Regressionsanalyse angenähert und ausgewertet (Absatz 49). Zur besseren Ortung von Undichtigkeiten wird zunächst eine logische Aufteilung des Druckleitungsnetzes in Leckagekreise, d. h. mehrere Unterkreise durchgefuhrt (Absatz 43).
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Aus der
DE 103 57 766 A1 ist die Einführung eines Ausfallkriteriums bekannt, mit dem ein nicht gewolltes Absperren eines Druckluftkreises während des Fahrzeugbetriebes vermieden werden muss. Dies ist erforderlich, wenn in der Nähe des Absperrdruckes bei einem Bremsmanöver ein gewollter Druckverlust auftritt, der dazu führt, dass der Absperrdruckgrenzwert unterschritten wird. Das Kreisausfallkriterium wird aus einer Druckbeobachtung über die Zeit gewonnen. Das Ausfallkriterium ist erfüllt, wenn nach einer vorgegebenen Zeit nach der Bremsung das Druckmindestniveau im Bremskreis nicht mehr erreicht wird. Damit ist bekannt, die Lokalisierung an das Unterschreiten der Schließdrücke zu koppeln. Und es ist bekannt, zeitlich beschränkte Luftmessenentnahmen zu beobachten. (Absatz 25)
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Rechnergestützt arbeitende Diagnosesysteme für Druckluftsysteme in Fahrzeugen sind also bereits bekannt. Diese Verfahren arbeiten mit Messwerterfassungen die den Druck aufnehmen und bestimmen einen Druckgradienten. Übersteigt der Druckgradient einen als kritisch angesehenen Grenzwert wird mittels Schwellwertvergleich auf eine Leckage im Druckluftsystem geschlossen.
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Diagnosesysteme der vorgenannten Art haben den Vorteil, dass sie einfach zu realisieren sind und die rechnerische Leckage Erkennung und mithin die Diagnose auf einfachen Auswertungen basiert. Allerdings hat diese Einfachheit auch einige Schwachstellen, was diese Systeme für Diagnoseanwendungen am stehenden Fahrzeug mit abgeschalteter Kompressoreinheit ungeeignet macht. Bei abgeschalteter Kompressoreinheit sind nämlich Druckgradienten systemimmanent ohne dass eine Leckage vorliegt. Die Gefahr einer Fehldiagnose wäre deshalb bei den vorgenannten Diagnosesystemen bei abgeschalteter Kompressoreinheit hoch. Beim stehenden Fahrzeug mit abgeschalteter Kompressoreinheit kommt es z. B. schon alleine durch Temperaturschwankungen z. B. in Folge der fehlenden Luftkompression zu Druckgradienten im Druckluftsystem. Auch ist die Kompressoreinheit nicht dicht, so dass über die Kompressoreinheit Luft aus dem Druckluftsystem entweicht bis Schließventile eingreifen und einen weiteren Druckverlust absichern. Ordnungsgemäße Luftentnahmen wie sie auch am stehenden Nutzfahrzeug regelmäßig vorkommen, z. B. durch An- oder Abkoppeln eines druckluftgebremsten Anhängers oder durch regelmäßig vorgenommenes Entwässern der Druckluftanlage führen zu Druckgradienten und zu Leckagen, die allerdings nicht auf einem Defekt beruhen. Solche kurzzeitigen ordnungsgemäßen Druckentnahmen können von den vorgenannten Diagnosesystemen nicht zutreffend eingeschätzt werden.
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Ausgehend von dem Vorgesagten ist es Aufgabe der hier offenbarten Erfindung ein Druckluftsystem, insbesondere in einem Nutzfahrzeug, während der Standzeiten zu überwachen ohne dass Temperaturschwankungen oder ordnungsgemäße Störungen zu einer Fehlermeldung führen.
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Weitere Ziele der hier offenbarten Erfindung sind, einen Defekt, sprich eine Leckage, im Druckluftsystem möglichst in einem Teilsystem lokalisieren zu können, und wenn möglich auch die Größe des festgestellten Lecks angeben zu können.
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Die Lösung gelingt mit einem Druckluftsystem mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung und in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
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Die Lösung gelingt hauptsächlich, indem bei einem Druckluftsystem mit mehreren Druckluftkreisen, die jeweils über getrennte Ventile oder mit einem Mehrkreisventil bei Erreichen der mit den Ventilen eingestellten Schließdrücken von dem Kompressorkreis abgeschlossen werden, mit einer Messwertaufnahme eine Drucküberwachung und eine Temperaturüberwachung für jeden Druckluftkreis durchgeführt werden und mit einer Entscheidungslogik die Verhaltensmuster der Schließventile oder des Mehrkreisschutzventils ausgewertet werden, um eine Leckage auf dem betreffenden Druckluftkreis zu lokalisieren.
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Die Verhaltensmuster ergeben:
- – bei entkoppelten Druckluftkreisen ist die Leckage in dem Kreis, in dem der aktuelle mit der Messwertaufnahme ermittelte Druckverlauf nicht mit dem nach der konstruktiven und damit charakteristischen Abklingkonstante zu erwartenden Druckverlauf übereinstimmt.
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Nach Erreichen der ventilspezifischen Schließdrücke in den einzelnen Druckluftkreisen dürfen in voneinander getrennten Druckluftkreisen mit dem rechnerischen Modell nur noch die konstruktiven Abklingkonstanten beobachtet werden. In demjenigen Druckluftkreis, in dem der Druckverlauf stärker abnimmt als entsprechend der Abklingkonstante zu erwarten wäre, kann auf eine Leckage geschlossen werden.
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Besonderheiten ergeben sich bei gekoppelten Druckluftkreisen. So ist z. B. der Druckluftkreis des Bremskreises, in dem sich auch die Feststellbremse befindet mit dem Druckluftkreis der Feststellbremse gekoppelt, um zu verhindern, dass sich bei einem Druckverlust in einem der beiden Druckluftkreise die Feststellbremse lösen kann. Weitere Druckluftkreise im Fahrzeug für die Achsfederung, für die Fahrerhausdämpfung oder für die pneumatischen Hilfsaggregate sind dagegen üblicher weise als von einander getrennte Druckluftkreise ausgebildet. Bei gekoppelten Druckluftkreisen kann in einem ersten Diagnoseschritt die Fehlerlokalisierung zunächst nur auf die beiden gekoppelten Kreise eingeschränkt werden. In einem weiteren Diagnoseschritt kann jedoch über die bekannte Art der Kopplung der Kreise eine weitere Einschränkung der Leckage Lokalisierung durchgeführt werden.
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Hierzu können entweder die Schaltzustände der Schließventile oder die Schaltzustände des Mehrkreisschutzventils ausgewertet werden und in einen zeitlichen Bezug zu dem mit der Messwertaufnahme aufgezeichneten Druckverlauf gebracht werden oder aber es wird mit einer Entscheidungslogik die eingerichtete Kopplung zwischen den Druckluftkreisen ausgewertet, um zu entscheiden in welchen Druckluftkreis die beobachtete Leckage zu lokalisieren ist. Bei gekoppelten Druckluftkreisen gibt es im Beispiel der Nutzfahrzeuge stets einen führenden Kreis und einen dem führenden Kreis folgenden Kreis. Dies kann entweder über die Schaltzustände der entsprechenden Ventile ausgewertet werden oder über die Druckverläufe selbst. Die Entscheidungslogik muss dann jeweils folgende Fälle unterscheiden und die zugehörigen Verhaltensmuster heranziehen.
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Die Verhaltensmuster bei gekoppelten Kreisen sind:
- – Liegt die Leckage im führenden Kreis muss der folgende Kreis mit gleichem Druckverlauf mit einem definierten Zeitverzug folgen.
- – Liegt die Leckage im folgenden Kreis, darf nur in diesem Kreis ein Druckverlauf zu beobachten sein. Der führende Kreis bleibt auf dem Schließdruck stehen.
- – Gibt es in beiden Kreisen eine Leckage muss die Druckabnahme im folgenden Kreis stärker sein als im führenden Kreis.
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Die Verwendung der Abklingkonstanten nach Erreichen der Schließdrücke in den einzelnen Druckluftsystemen hat den Vorteil das zeitlich beschränkt auftretende Druckentnahmen keinen Einfluss auf die Abklingkonstante vor und nach der Druckentnahme haben. Damit können ordnungsgemäße Luftentnahmen von tatsächlichen Leckagen unterschieden werden. Luftentnahmen können somit durch die Messwertaufnahme mitprotokolliert werden oder auch durch konstruktive oder durch rechnerische Filter aus den beobachteten Druckverläufen herausgenommen werden. Mit beiden Verfahren können Fehldiagnosen aufgrund von Luftentnahmen vermieden werden.
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Die Verhaltensmuster des Systems bestimmen sich in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung durch das Schaltverhalten eines Mehrkreisventils, über das die einzelnen Druckluftkreise gemeinsam an den Kompressorkreis angeschlossen sind.
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In einer weniger vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die einzelnen Druckluftkreise mit Einzelventilen gegen Druckverlust bei abgeschaltetem Kompressor abgesichert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird mit einer Modellbildung das Druckluftsystem mit seinen konstruktiven Gegebenheiten, wie insbesondere der Größe der einzelnen Vorratsbehälter per Druckluftkreis, abgebildet. Mit dem Modell lässt sich aus den Werten für Behältervolumen, Druck und Temperatur eine eventuell auftretende Leckage auch der Größe nach berechnen und bestimmen.
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Die mit der Erfindung hauptsächlich zu erzielenden Vorteile ergeben sich aus der zuverlässigen Prüfung des Druckluftsystems innerhalb der Standzeit des Fahrzeugs. Bei unzulässig hohem Druckverlust kann der Fahrer entsprechend gewarnt werden. Werkstattaufenthalte lassen sich verkürzen, da bereits eine Lokalisierung der Leckage auf den betroffenen Druckluftkreis erfolgt ist. Folgeschäden, die sich aus einer erhöhten Dauerbelastung des Verdichters infolge einer Leckage ergeben könnten, können vermieden werden. Vor allen Dingen wird die Betriebssicherheit der Bremsanlage durch regelmäßige Überprüfung des Druckluftsystems gewährleistet und verbessert.
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Im Folgen wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit der technischen Lehre die Erfindung anhand von graphischen Darstellungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 Eine an sich bekannte Druckluftbremslage eines Nutzfahrzeugs, wie sie im Stand der Technik im Einsatz ist;
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2 Ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Applikationsmöglichkeit der Erfindung in ein Druckluftsystem eines Nutzfahrzeuges;
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3 Eine mit der Erfindung vorgenommene Berechnung der pneumatischen Zeitkonstanten des Druckluftsystems mit applizierter Störung;
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4 Ein Verhaltensmuster für die Lokalisierung einer Leckage im Druckluftkreis K1;
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5 Ein Verhaltensmuster für die Lokalisierung einer Leckage im Druckluftkreis K2;
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6 Ein Verhaltensmuster für die Lokalisierung einer Leckage im Druckluftkreis K3;
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7 Ein Verhaltensmuster für die Lokalisierung einer Leckage im Druckluftkreis K4;
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8 Ein Flussdiagramm einer erweiterten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Diagnoseverfahrens.
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Die Druckluftanlage eines Nutzfahrzeugs ist mit unterschiedlichen Aufgabenbereichen und Funktionen sehr komplex. Eine schematische Darstellung einer solchen an sich bekannten Anlage ist in 1 dargestellt. Üblicherweise wird mit einem Kompressor 1 über einem Druckregler 2 und einen Lufttrockner 3 ein Mehrkreisschutzventil 4 mit Druckluft beschickt. Mit dem Mehrkreisschutzventil wird die vom Kompressor geförderte Luft auf die verschiedenen Druckluftkreise verteilt. In 1 sind drei Druckluftkreise dargestellt. In der Regel sind heute in einem Nutzfahrzeug 4 Druckluftkreise vorhanden. Für die weiter unten noch zu behandelnde Erfindung ist die Anzahl der Druckluftkreise von untergeordneter Bedeutung. Jeder Druckluftkreis kann über einen eigenen Druckbehälter 5, 6, 7 verfügen, muss aber nicht. Es können auch aus einem Druckluftbehälter mehrere Druckluftkreise bevorratet werden. Mit den verschiednen Druckluftkreisen werden insbesondere die verschiedenen Bremskreise des Nutzfahrzeuges bedient. Üblicherweise sind in einem Nutzfahrzeug eine Feststellbremse 8, eine Betriebsbremse 9 und ein Automatischer Bremskraftregler 10 vorhanden. Die Betriebsbremse teilt sich in mindestens zwei getrennte Bremskreise, – Vorderradbremsen 11 und Hinterradbremsen 12 –, auf. Die Feststellbremse ist als getrennter Bremskreis ausgebildet. Der Bremskraftregler stellt in Abhängigkeit vom Beladungszustand die Bremskraft ein. Nicht dargestellt in 1 sind Druckluftkreise für pneumatische Nebenaggregate und für die Luftfederung des Nutzfahrzeugs. Solche getrennten Druckluftkreise sind in Nutzfahrzeugen üblich, so dass in der Regel mindestens vier getrennte Druckluftkreise in einem Nutzfahrzeug verbaut sind.
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Der Druckluftkreis für den Bremskreis, in dem sich auch die Feststellbremse befindet, ist aus Sicherheitsgründen mit dem Druckluftkreis der Feststellbremse gekoppelt, um bei Druckverlust eine Lösen der Feststellbremse zu verhindern. Die Kopplung hängt hier natürlich von den konstruktiven und Funktionalen Zusammenhängen des Druckluftsystems ab. In den hier offenbarten Ausführungsbeispielen ist stets der mit K1 nummerierte Druckluftkreis mit dem mit K3 nummerierten Druckluftkreis gekoppelt. In 1 ist der Hinterachsbremskreis mit der Feststellbremse gekoppelt. Die Kopplung ist stets so eingerichtet, dass der Druckluftkreis K3 dem Druckluftkreis K1 in seinem Druckniveau folgt.
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Die Erfindung setzt nun auf dem in 1 exemplarisch skizzierten Stand der Technik auf.
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Ein mögliches Applikationsbeispiel der Erfindung in ein an sich bekanntes Druckluftsystem eines Nutzfahrzeuges ist in 2 als Blockschaltbild dargestellt. Ein Mehrkreisschutzventil 4 verteilt die vom Kompressor geförderte Luftmenge auf mehrere Druckluftkreise. Vorzugsweise werden 4 Druckluftkreise versorgt. Dargestellt sind in 2 drei Druckluftkreise mit jeweils eigenen Druckluftbehälter 5, 6, 7. Erfindungsgemäß wird nun in jedem Druckluftkreis eine Meßsensorik für Druck und Temperatur eingerichtet und mit einer Messwerterfassung und -verarbeitung ausgewertet. Die Messwerterfassung ist in einem Steuergerät ECU des Nutzfahrzeugs implementiert. Die Anbindung der Sensoren für Druck und Temperatur an die Messwerterfassung erfolgt über Datenleitungen, z. B. über einen im Fahrzeug eingesetzten Datenbus, der oft ein CAN Bus ist.
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Das Messmodul zur Druckaufnahme ist mit analogen galvanisch getrennten Messeingängen für Spannung und Strom sowie mit voneinander unabhängig einstellbarer Sensorversorgung ausgestattet. Die Ausgabe der Messdaten erfolgt über ein CAN-Protokoll und wird mittels der mitgelieferten Software konfiguriert. Die Abtastrate ist beispielsweise zwischen 1 und 1000 Hz einstellbar.
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Zur Temperaturaufnahme wird ebenfalls ein Messmodul mit galvanisch getrennten Messeingängen verwendet. Die Temperaturfühler, z. B. Thermoelemente, werden an den Eingängen angeschlossen. Wie bei der Druckaufnahme findet die Ausgabe der Messdaten über ein CAN-Protokoll statt und kann ebenfalls per Software konfiguriert werden. Die Abtastrate ist beispielsweise von 1 bis 10 Hz einstellbar.
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Die Ansteuerung der Ventile im Mehrkreisschutzventil erfolgt ebenfalls in Abhängigkeit der erreichten Systemdrücke durch ein Steuergerät. Es kann hier dasselbe Steuergerät eingesetzt werden oder ein anderes Steuergerät das im Bordnetz entsprechend vernetzt ist. Mit einer Messwerterfassung und einer Kommunikationsstruktur, wie sie exemplarisch in 2 dargestellt ist, kann das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren in ein Steuergerät im Netzverbund eines Nutzfahrzeugs implementiert werden und durchgeführt werden.
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Ein Flussdiagramm für ein um alternative Prozessschritte ergänztes erfindungsgemäßes Diagnoseverfahren ist in 8 dargestellt.
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In einem ersten Prozessschritt erfolgt eine Messwertaufnahme, die für jeden zu erfassenden Druckluftkreis die aktuellen Werte für Druck und Temperatur der komprimierten Luft in den Kreisen erfasst und an die Messmodule und die nachgeschalteten Prozessschritte zu weiteren Verarbeitung weiterleitet.
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Alternativ kann sofort nach Abschalten des Nutzfahrzeugs mit einem alternativen fakultativen Prozessschritt noch vor Erreichen des ersten Schließdrucks eines Schutzventils der Druckluftanlage eine integrale Vorsensierung eines möglichen erhöhten Druckverlusts durchgeführt werden. Vor Erreichen der Schließdrücke sind die einzelnen Druckluftkreise noch nicht abgeschlossen, so dass sie nicht voneinander separiert sind. Außerdem findet in diesem Systemzustand nach ausgeschaltetem Kompressor bis zum Erreichen der Schließdrücke ein regulärer systembedingter Druckabbau statt. Ein übermäßiger Druckabbau würde sich allerdings in einem vorzeitigen Erreichen des ersten Schließdrucks eines Schutzventils bemerkbar machen und kann daher festgestellt werden. Eine Lokalisation ist allerdings erst möglich, wenn die Druckluftkreise nach Erreichen ihrer jeweiligen Schließdrücke von den Schutzventilen abgeschlossen wurden. Dieser alternative Prozessschritt wurde in das Diagnoseverfahren aufgenommen, um je nach den zukünftig vielleicht zu erwartenden gesetzlichen Sicherheitsbestimmungen sowohl integrale Druckverluste des Gesamtsystems als auch individuelle Druckverluste einzelner Teilkreise sensieren zu können.
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Eine Lokalisierung einer Leckage auf einen einzelnen Druckluftkreis kann erfolgen, wenn in einem weiteren Prozessschritt die Schließdrücke der einzelnen Druckluftkreise jeweils unterschritten wurden und somit die Druckluftkreise zumindest durch die Schutzventile abgeschlossen und separiert wurden. Trotzdem können natürlich wie oben bereits ausgeführt noch Kopplungen zwischen Druckluftkreisen, z. B. zwischen Betriebsbremse und Feststellbremse vorhanden sein.
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In einem weiteren alternativen und fakultativen Prozessschritt wird eine rechnerische Temperaturkompensation durchgeführt. Die Temperaturkompensation kann notwendig sein, um die Druckverhältnisse und die möglichen Volumenströme aufgrund von Leckagen auf Normdruck und damit auf Normbedingungen umrechnen zu können. Außerdem kann mit der Temperaturkompensation verhindert werden, dass auf Grund von Temperaturschwankungen auftretende Druckänderungen irrtümlich als Luftverlust und damit als Leckage diagnostiziert werden. Die Temperaturkompensation erfolgt rechnerisch mit einem Algorithmus, der mit einer geeigneten Gasgleichung aus den aufgenommen Druck- und Temperaturwertepaaren, die in den Druckluftkreisen befindliche Luft auf Normbedingungen oder zumindest auf kompensierte und damit vergleichbare Drücke umrechnet. Bewährt hat sich hierbei für das Medium Luft und für das erfindungsgemäße Verfahren das Gas Gesetz von Gay Lussac. Danach ergibt sich ein temperaturnormierter oder temperaturkompensierter Druck zu: pMess / TMess = pNT / Tn ⇒ pNT = pMess / TMess·Tn
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Das Ergebnis ist ein temperaturnormierter oder kompensierter Druck pNT, der nun im Vergleich der Drücke und damit auch der Luftmassen auf der Basis eines konstanten Volumens und der Normtemperatur bzw. Kompensationstemperatur Tn ermöglicht.
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Dies wird für jeden Druckluftkreis durchgeführt. Das Luftvolumen ist durch die Volumen der Vorratsbehälter und der Druckleitungen konstant.
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In einem weiteren Prozessschritt werden aus den aufgenommenen Messwerten, – gegebenenfalls nach erfolgter Temperaturkompensation –, die pneumatischen Zeitkonstanten für die verschiedenen Druckluftkreise berechnet. Von besonderem Interesse sind hier die Abklingkonstanten. Als einen Druckabfall anzeigende Abklingkonstanten können die Druckgradienten oder bevorzugter Weise die exponentiellen Abklingkonstanten herangezogen werden. Der Druckabfall in jedem Druckluftsystem mit hinreichend kleiner Leckage, lässt sich anhand einer abfallenden e-Funktion beschreiben: p(t) = p0·et/τ wobei dann τ die Abklingkonstante des Systems ist.
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Aus der Abklinkkonstante lässt sich in einem weiteren Prozessschritt in guter Näherung auch die Leckagegröße berechnen. Es gilt: dV / dt = p·C / τ wobei p der aktuelle Systemdruck, C die Größe des Vorratsvolumen und dV/dt der abfließende Volumenstrom ist.
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Hierbei spielen zwei wichtige Faktoren eine entscheidende Rolle: die thermodynamischen Gegebenheiten und die Abtastzeit. Bei zu großer Leckage kann das System nicht mehr mit einer Exponentialfunktion angenähert werden. Derart große Leckagen sind aber in der Regel auch kein Diagnoseproblem, da sie offensichtlich sind. Für die Abtastzeit bei stillstehendem Fahrzeug muss ein Kompromiss gefunden werden.
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Je länger die Abtastzeit umso besser die Systemüberwachung. Allerdings muss der Energieverbrauch für die Meßsensorik und die an der Auswertung beteiligten Steuergeräte bei einem Nutzfahrzeug im Stillstand möglichst niedrig gehalten werden. Es hat sich gezeigt, dass mit einer Abtastzeit in der Größenordnung von 10 Minuten bei einem Anfangsdruck von 10 bar hinreichend gute Ergebnisse erzielt werden und Leckagen zuverlässig bestimmt werden können.
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Aus den bestimmten Abklingkonstanten und aus den berechneten Volumenströmen kann in einem weiteren Prozessschritt entschieden werden, ob ein positiver Diagnosebefund vorliegt. Dies erfolgt durch Überprüfung ob vorgegebene Grenzwerte oder Schwellwerte überschritten wurden. Hier können entweder die für jeden Druckluftkreis bestimmten Abklingkonstanten mit einer für jeden Kreis festzulegenden grenzwertigen Abklingkonstante verglichen werden oder es werden die berechneten Volumenströme mit grenzwertigen Volumenströmen verglichen. Im ersten Fall ist auf ein positives Diagnoseergebnis zu erkennen, wenn die bestimmte Abklingkonstante kleiner als der tolerierbare Vergleichswert ist. Im zweiten Fall ist auf ein positives Diagnoseergebnis zu erkennen, wenn die berechneten Volumenströme größer ausfallen als die tolerierbaren Vergleichswerte.
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Wurde eine nicht tolerierbare Leckage festgestellt, wird in einem weiteren Prozessschritt die Grenzwertüberschreitung, sprich die Leckage, durch Auswertung von Verhaltensmustern des Druckluftsystems lokalisiert.
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Das Auswerten der Verhaltensmuster wird mit einer Entscheidungslogik realisiert, die in einem der Steuergeräte des Nutzfahrzeugs implementiert wird. Verhaltensmuster eines Vierkreisdruckluftsystems, wie es heutzutage in Nutzfahrzeugen zum Einsatz kommt, werden im Folgenden anhand der 4, 5, 6, 7 offenbart und von der Entscheidungslogik für die Lokalisierung einer Leckage herangezogen. Bei anderen Druckluftsystemen können selbstverständlich andere Verhaltensmuster auftreten, die dann entsprechend nach anderen charakteristischen Mustern ausgewertet werden müssen, um eine Leckage zu lokalisieren.
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4 zeigt ein Verhaltensmuster bei einer Leckage in Kreis K1. Kreis K1 und K3 sind miteinander gekoppelt, wobei K1 der führende Kreis ist und der Druck in Kreis K3 dem Druck in Kreis K1 folgt. K1 ist ein Kreis der Betriebsbremse und Kreis K3 ist der Druckluftkreis der Feststellbremse. Das System wurde bis zum Kompressorabschaltdruck mit Luft aufgefüllt. Der Druck im System nimmt zunächst kontinuierlich ab. Oberhalb der Schließdrücke in den einzelnen Druckluftkreisen finden Ausgleichsvorgänge statt. Als erstes erreicht Kreis K4 seinen Schließdruck und verharrt nahezu konstant auf dem Schließdruck. Dann erreicht Kreis K2 seinen Schließdruck und verharrt ebenfalls. Die beiden Kreise K1 und K3 bleiben nicht auf ihren Schließdrücken stehen. Aufgrund von gesetzlichen Bestimmungen muss der Druck in Kreis K3 mit abnehmen, um ein Lösen der Feststellbremse bei einer Leckage im Bremskreis K1 zu verhindern.
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5 zeigt ein Verhaltensmuster bei einer Leckage in Kreis K2. Das System wurde bis zum Kompressorabschaltdruck mit Luft befüllt. Der Druck im System nimmt zunächst kontinuierlich ab. Unterhalb der Schließdrücke der einzelnen Kreise nimmt nur noch der Druck in Kreis K2 ab.
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6 zeigt ein Verhaltensmuster bei einer Leckage in Kreis K3. Das System wurde bis zum Kompressorabschaltdruck mit Luft aufgefüllt. Der Druck nimmt oberhalb der Schließdrücke wieder zunächst kontinuierlich ab. Die Kreise K1, K2 und K4 bleiben bei Erreichen ihrer Schließdrücke stehen. Nur in Kreis K3 nimmt der Druck in Folge der Leckage weiterhin ab.
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Ein letztes Verhaltensmuster mit einer Leckage in Kreis K4 zeigt 7. Das System wurde bis zum Kompressorabschaltdruck mit Luft befüllt. Oberhalb der Schließdrücke nimmt der Druck im System kontinuierlich ab. Die Kreise K1, K2, K3 erreichen ihre Schließdrücke und bleiben auf dem entsprechenden Druckniveau stehen. Nur der Druck in Kreis 4 nimmt weiterhin ab.
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In allen vier Kreisen wird nach dem Erreichen der Schließdrücke natürlich ein langsamer Druckabfall analog einer abfallenden Exponentialfunktion beobachtet.
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Die pneumatische Zeitkonstante bzw. der daraus errechnete Volumenstrom sind nur im Idealfall störungsfrei. Im Regelfall können verschiedene Störungen während der Messung auftreten:
- – Temperaturänderungen, die eine Druckänderung verursachen, ohne dass Luftmasse aus dem System entweicht.
- – Normaler Luftmassenverlust. Z. B. durch die Bewegungen des Fahrerhauses oder durch die Betätigung der Bremsanlage.
- – Vom Fahrer beabsichtigter Luftmassenverlust durch Luftablassen an den Prüfanschlüssen oder durch Verwendung von druckluftbetriebenen Geräten.
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Diese Störungen können ein verfälschtes Diagnoseergebnis liefern. Die aufgenommenen Messdaten müssen so gefiltert werden, dass die Nutzinformationen erhalten bleiben, die Störungen aber entfernt werden.
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Störungen, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden, können mit einer Temperaturkompensation behandelt werden. Dieser Sachverhalt wurde weiter oben schon erörtert. Für die anderen oben aufgeführten Störungen wird ein Filter vorgeschlagen, der im Zusammenhang mit 3 näher erläutert wird. In 3 ist die Auswirkung einer temporären Störung auf die pneumatische Abklingkonstante der einzelnen Druckkreise veranschaulicht. Aufgetragen sind der Druck und die Abklingkonstante über der Zeit. Mit den Bezugsziffern 30, 31, 32 ist das Erreichen der Schließdrücke der einzelnen Druckluftkreise dargestellt. In der oberen Diagrammhälfte ist der Druckverlauf an einer integralen Stelle des Druckluftsystems dargestellt, beispielsweise im Mehrkreisschutzventil bevor die Druckluft auf die einzelnen Kreise aufgeteilt wird. Jedes mal wenn ein Druckluftkreis seinen Schließdruck erreicht, äußert sich das bei einer integralen Messwertaufnahme in einer Änderung der pneumatischen Abklingzeit. Die Änderung ergibt sich durch das Abkoppeln eines Vorratsbehälters in Folge des Abschließens eines Druckkreises. Es ergibt sich dann die im unteren Diagramm dargestellte Treppenfunktion der Abklingkonstante.
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Eine Störung durch eine zeitlich beschränkte Luftentnahme aus dem System wirkt sich im Druckverlauf durch einen plötzlichen, steileren Druckabfall aus, der sich nach dem Ende der Luftentnahme wieder auf die Druckabnahme entsprechend der Abklingkonstante des betreffenden Druckluftsystems beruhigt.
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Auf die aus den Messwerten berechnete aktuelle Abklingkonstante wird sich eine Luftmassenentnahme als kurzzeitige Absenkung der Abklingkonstante aus. Vor- und nach der Störung muss sich für die berechnete aktuelle Abklingkonstante wieder der gleiche Wert ergeben. Die Auswirkungen einer Störung auf Druckverlauf und berechnete aktuelle Abklingkonstante sind in der 3 mit der Bezugsziffer 33 eingetragen.
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Für eine rechnerische Filterung der Störgrößen können beide Zeitreihen herangezogen werden. Bevorzugt wird hier die rechnerische Filterung des Druckverlaufs. Also eine Filterung der originär aufgenommenen Messwerte. Eine Filterung von Störungen aus der abgeleiteten Größe der berechneten aktuellen Abklingkonstante wird als weniger bevorzugte Alternative offenbart.
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Eine bevorzugte Logik für einen rechnerischen Störgrößenfilter ist z. B. die folgende:
Die aufgenommenen oder berechneten Werte werden abgespeichert. Dann werden zunächst fünf zeitlich aufeinander folgende und abgespeicherte Werte genommen und aus den fünf Werten das Minimum gebildet. Das Minimum wird mit einer Toleranz multipliziert, die z. B. mit 30% angesetzt ist. Alle Werte, die sich nun oberhalb der Toleranz befinden, werden herausgefiltert. Das Herausfiltern der Störgrößen wird realisiert, indem alle Werte, die sich unterhalb der Toleranzgrenze befinden, mit 1 multipliziert werden, während alle Werte, die sich oberhalb der Toleranz befinden, mit 0 multipliziert werden. Somit sind nur noch die gültigen Werte vorhanden. Anschließend wird der Mittelwert über die gültigen Werte gebildet und abgespeichert und eventuell ausgegeben.
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Bei Bedarf kann die Filteroperation zeitlich unbeschränkt fortgesetzt werden. Mit den zeitlich folgenden nächsten fünf Werten wird dann ebenso verfahren. Alle neuen Werte, die den Filter durchlaufen, werden nach demselben Verfahren gefiltert. Durch dieses Verfahren können Störungen zuverlässig ausgefiltert werde. Der Filter kann hierbei als Eingangsgrößen beliebige Größen verarbeiten. D. h. je nach Bedarf kann der Filter auf die Originalmesswerte der Drucksensoren oder auch auf die abgeleiteten Werte der aktuellen Volumenstromberechnung oder der aktuellen werte der Abklingkonstante angewandt werden.
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Im Falle eines Diagnosesystems für die Druckluftanlage eines Nutzfahrzeugs wird in der Regel mit einer zeitlich begrenzten Abtastzeit gearbeitet, um die Energieressourcen des stillstehenden Fahrzeugs zu schonen. Zum Beispiel wird die Abtastzeit auf die weiter oben schon diskutierten 10 Minuten eingeschränkt. Die Anzahl der verwendeten Werte im Filter muss sich nach der Abtastzeit richten. Je kürzer die Abtastzeit, desto mehr Werte werden dafür benötigt. Für das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren haben sich bei einer Abtastzeit von 10 Minuten die zuvor erwähnten fünf Werte bewährt. Wenn man davon ausgehen kann, dass eine Störung nicht länger als 10 Minuten dauert und sie sich nicht im Anschluss wiederholt, werden Störungen spätestens nach dem zweiten Wert zuverlässig herausgefiltert. Sollten diese Annahmen im Betrieb des Fahrzeugs nicht zutreffen, muss die Abtastzeit erhöht werden, bis sichergestellt ist, dass reguläre Störungen gegenüber der Abtastzeit hinreichend kurz sind.
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Natürlich kann das ganze hier offenbarte Diagnoseverfahren wiederholt werden. Insbesondere kann das Diagnoseverfahren zyklisch wiederholt werden, indem es bei stillstehendem Fahrzeug in gewissen Zeitabständen wiederholt wird. So kann z. B. mit einem Zeitgeber alle 2 Stunden, alle 4 Stunden oder auch alle 24 Stunden das Druckluftsystem für die Abtastzeit von z. B. 10 Minuten abgetastet werden und eine Diagnose durchgeführt werden.
