DE102010015636A1

DE102010015636A1 - Vorrichtung und ein Verfahren zum Feststellen des Alterungszustands einer Hydraulikflüssigkeit eines Hydrauliksystems eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102010015636A1
Application number: DE102010015636A
Authority: DE
Inventors: Robert Behr; Volker Baumbach
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-04-20
Filing date: 2010-04-20
Publication date: 2011-10-20
Also published as: WO2011131716A1; CN102859206A; CN102859206B; US20130096770A1; US8874307B2; EP2561237A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Bestimmen der Alterung einer Hydraulikflüssigkeit in einem Hydrauliksystem mit einer Mehrzahl von Hydraulikkomponenten weist mindestens eine Temperaturbestimmungseinrichtung (6) und mindestens eine Alterungsbestimmungseinrichtung (4) auf, wobei die Temperaturbestimmungseinrichtung (6) die jeweilige Temperatur jedes diskreten Fluidvolumens der Hydraulikflüssigkeit in dem Hydrauliksystem bestimmt und die Alterungsbestimmungseinrichtung (4) daraus einen Alterungszuwachs bestimmt. Bevorzugt führt die Temperaturbestimmungseinrichtung (6) eine komponentenweise numerische thermische Simulation mit Bestimmung mindestens einer Temperatur mindestens einer Hydraulikkomponente des Hydrauliksystems aus, die durch Temperaturmessungen von einzelnen Hydraulikkomponenten mittels Temperatursensoren (12) gestützt wird.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Feststellen des Alterungszustands einer Hydraulikflüssigkeit eines Hydrauliksystems eines Fahrzeugs.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Im Zuge der stetigen Entwicklung immer komplexer werdender Verkehrsflugzeuge und anderer Fahrzeuge besteht die Bestrebung, Betriebsfähigkeit und Zuverlässigkeit kontinuierlich zu verbessern. Um dies beispielsweise für zukünftig einzusetzende Verkehrsflugzeuge sicherzustellen, ist die Verbesserung der Wartbarkeit und die Reduktion von Wartungskosten besonders relevant. Ein wichtiger Schritt könnte hierbei sein, auch ungeplante Wartungsarbeiten rasch und unkompliziert durchführen zu können.
Als ein elementares Energie- bzw. Leistungsübertragungssystem zum Betreiben von Aktuatoren, Fahrwerken, Bremsen und Türen oder Klappen eines Verkehrsflugzeugs ist ein Hydrauliksystem von der Qualität und dem Zustand einer verwendeten Hydraulikflüssigkeit abhängig, da dies die mechanische Verbindung zwischen der Energiequelle in Form von Hydraulikpumpen oder anderen Mittel und den Verbrauchern herstellt. Bei der Annahme, dass die Lebensdauer einer Hydraulikflüssigkeit einen Großteil des vorgesehenen Flugzeuglebens betragen könnte oder sogar übertreffen könnte, müssen Vorkehrungen getroffen werden, die die Qualität der Hydraulikflüssigkeit sicherstellen können.
Im Fall von auf Phosphatester basierenden Hydraulikflüssigkeiten, die derzeit kommerziell erhältlich sind, bildet der Wasseranteil einen wesentlichen Einflussfaktor auf den Zustand der Hydraulikflüssigkeit. Der Wasseranteil beschleunigt unter Einfluss von erhöhten Temperaturen die Alterung der Hydraulikflüssigkeit durch einen erhöhtem Säuregehalt. Erreicht die Hydraulikflüssigkeit das Ende ihrer Lebensdauer können erforderliche physikalische Eigenschaften sowie die Feuerfestigkeit nicht mehr den Systemanforderungen gerecht werden. Ist dies der Fall ist ein Ersatz der Hydraulikflüssigkeit die logische Konsequenz. Eine Beeinflussung der Hydraulikflüssigkeit durch Verschmutzung mit Partikeln bzw. Schwebstoffen kann durch Filterung eliminiert werden, so dass ein Austausch der gesamten Flüssigkeit in diesem Falle nicht erforderlich wird.
Um stets eine belastbare Aussage über die Qualität und den Alterungszustand von Hydraulikflüssigkeiten festzustellen, werden regelmäßig Proben aus einem betroffenen Hydrauliksystem entnommen, beispielsweise bei Flugzeugen bei jedem zweiten C-Check. Genauere Angaben sind üblicherweise einem Wartungshandbuch für den entsprechenden Flugzeugtyp zu entnehmen. Sollte die Hydraulikflüssigkeit in der Zwischenzeit aufgrund unerwarteter hoher Temperatur oder hoher Wasseranteile degradiert werden, bleibt diese Degradation jedoch unentdeckt.
DE 196 19 028 C2 und US 5 858 070 A ist eine Vorrichtung zum Reinigen einer Hydraulikflüssigkeit mittels einer Schleuderscheiben-Anordnung gezeigt, so dass das Bereitstellen einer Austauschmenge an Hydraulikflüssigkeit entfallen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um auch zwischen zwei Wartungsvorgängen die Qualität der Hydraulikflüssigkeit feststellen zu können, waren mit den Vorkehrungen des Standes der Technik zusätzliche Maßnahmen notwendig.
Es ist daher als eine Aufgabe der Erfindung anzusehen, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit der die Qualität und der Alterungszustand einer Hydraulikflüssigkeit eines Hydrauliksystems eines Fahrzeugs rasch und unkompliziert auch außerhalb von Wartungsarbeiten bestimmt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine derartige Vorrichtung vorzuschlagen, die dazu in der Lage ist, die Qualität und den Alterungszustand einer Hydraulikflüssigkeit eines Hydrauliksystems eines Fahrzeugs in situ zu bestimmen.
Als eine weitere Aufgabe der Erfindung ist anzusehen, ein Verfahren vorzuschlagen, das zur unkomplizierten und raschen Bestimmung der Qualität und des Alterungszustands der Hydraulikflüssigkeit eines Hydrauliksystems eines Fahrzeugs eingesetzt werden kann.
Eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 löst eine Aufgabe der Erfindung. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Eine exemplarische Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eine Alterungsbestimmungseinrichtung und einer Temperaturbestimmungseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, die jeweilige Temperatur jedes diskreten Fluidvolumens in dem Hydrauliksystem zu bestimmen. Die Alterungsbestimmungseinrichtung ist dazu eingerichtet ist, aus der Größe und der Temperatur eines jeweiligen diskreten Fluidvolumens sowie der Angabe eines Beobachtungszeitraums einen spezifischen Alterungszuwachs zu bestimmen. Die Recheneinheit ist schließlich dazu eingerichtet, aus der Angabe der jeweiligen Alterungszuwächse der diskreten Fluidvolumina über eine vorbestimmte Dauer den gesamten Alterungszuwachs der in dem Hydrauliksystem eingeschlossenen Hydraulikflüssigkeit zu ermitteln.
Zur Darlegung dieser erfindungswesentlichen Merkmale werden im Folgenden zunächst grundlegende Zusammenhänge zwischen der Temperatur, dem Betrachtungszeitraum und der Alterung der Hydraulikflüssigkeit angegeben.
Für Hydrauliksysteme üblicher Verkehrsflugzeuge werden häufig Hydraulikflüssigkeiten auf Phosphatesterbasis verwendet. Der hauptsächliche Grund hierfür liegt in deren Feuerfestigkeit. Diese Hydraulikflüssigkeiten werden im Allgemeinen gemäß SAE AS1241, NSA 307110 und BMS 11-3 Spezifikationen ausgelegt. Derzeit sind zwei Arten von Hydraulikflüssigkeiten (Typen IV und V) kommerziell verfügbar, deren Dichte und Viskosität sich voneinander unterscheiden können. Gemäß den obigen Spezifikationen können diese Flüssigkeiten weiterhin in einem beliebigen Verhältnis gemischt werden. Daher ist die zu erwartende Lebensdauer einer Hydraulikflüssigkeit üblicherweise nicht identisch mit der zu erwartenden Lebensdauer einer ursprünglichen Hydraulikflüssigkeit des Typs IV oder V. Gleichermaßen wird dadurch aber auch sichergestellt, dass die Hydraulikflüssigkeit mit der geringsten zu erwartenden Lebensdauer die Mindestlebensdauer vorgibt.
In der allgemeinen Luftfahrt werden für Hydraulikflüssigkeiten eine Mischung aus Alkyl- und Arylphosphatester basierten Ölen verwendet. Ein Ester ist ein Reaktionsprodukt aus einer Säure und einem Alkohol oder einem Phenol. In diesem Fall stammt der Säureabschnitt des Moleküls aus einer Phosphorsäure und verleiht dem Ester die Feuerfestigkeitseigenschaften. Der Alkohol/Phenolabschnitt des Phosphatesters verleiht der Hydraulikflüssigkeit die gewünschten Strömungseigenschaften.
Alkylphosphatester werden aus Alkoholen hergestellt. Ein Beispiel ist Tributylphosphat, bei dem 3 Butylalkohole die Phosphatgruppe umgeben. Arylphosphatester sind aus Phenol oder Alkylphenolen zusammengesetzt. Die R-Gruppe kann Wasserstoff, Isopropyl, tert-Butyl etc. sein. Ein Beispiel eines gemischten Alkyl/Arylphosphats ist Dibutylphenylphosphat.
Jede dieser Komponenten weist ein unterschiedliches Widerstandsniveau gegen chemische Reaktionen auf, die in einer Alterung der betreffenden Hydraulikflüssigkeit resultieren. Die Hydraulikflüssigkeit eines Flugzeughydrauliksystems könnte dann ausgetauscht werden müssen, wenn eine Verschmutzung durch Festkörper, Schwebstoffe und/oder andere Flüssigkeiten, wie etwa Wasser, Triebwerksöl, Öl aus einem Federbein oder durch eine Reinigungsflüssigkeit eintritt. Die Hydraulikflüssigkeit könnte ebenso dann ausgetauscht werden müssen, wenn sie bis auf einen gewissen Grad gealtert ist, der eine Beschädigung des Hydrauliksystems hinsichtlich des Materials und der Komponenten bedeuten könnte.
Drei wesentliche Mechanismen, die zu einer Alterung von Hydraulikflüssigkeit führen, sind bekannt. Die Produktion von Säurephosphaten (Phosphorsäurederivaten) ist ein gemeinsames Kriterium, welches ein Maß für eine restliche zu erwartende Lebenszeit führt. Die drei Mechanismen sind wie folgt:

1. Pyrolyse: Oberhalb von 150°C lösen sich Alkylgruppen aus dem Phosphatester, um ungesättigte Kohlenwasserstoffe zu bilden, die zu einem Säurederivat führen.
2. Oxidation: Die Oxidation ist üblicherweise kein wesentlicher Faktor für die Alterung einer Hydraulikflüssigkeit, insbesondere einer Flugzeughydraulikflüssigkeit, da diese zunächst recht widerstandsfähig gegenüber Oxidation ist und außerdem Hydrauliksysteme üblicherweise hermetisch dicht sind.
3. Hydrolyse: Im Zusammenhang mit erhöhten Temperaturen führt Wasser zu einem Hydrolyseprozess, um Säuren zu bilden.

Die resultierende Säure greift Elastomere, metallische Bauteile und Leitungen an und lässt diese alter. Aus diesem Grunde sind Hydraulikflüssigkeiten für eine laufende Überwachung auch zwischen vorgegebenen Wartungszeiträumen prädestiniert.
Während der Esteranteil dieser Flüssigkeitsarten aus einer Phosphorsäure und einem organischen Alkohol mit der Separation von Wasser hergestellt wird, wird während des Herstellvorgangs Wasser aus dem Reaktionsvorgang entfernt, um das Gleichgewicht der funktionalen Estergruppen beizubehalten. Dieser Umstand lässt die Hydraulikflüssigkeit empfindlich auf Wasserakkumulation gefolgt von Hydrolyse werden. Aus diesem Grunde wird von den meisten Herstellern von Hydraulikflüssigkeit ein maximaler Wasseranteil von 0,8% definiert, der mitunter jedoch auf 0,5% reduziert wird, da ein derartiger Wasseranteil in Verbindung mit besonders erhöhten Temperaturen bereits dazu führen könnte, verstärkt Säure auszubilden. Das Niveau von Phosphorsäure wird mit einer sogenannten Neutralisationszahl (Neutralization Number, auch mit „NN” abgekürzt) angegeben, die auch als absolute Säurezahl (Total Acid Number, auch mit „TAN” abgekürzt) angegeben wird. Zum Neutralisieren von Phosphorsäuren in Hydraulikflüssigkeiten werden Hydraulikflüssigkeiten oftmals Additive beigemischt, welche jedoch dazu neigen, die zu erwartende Lebensdauer zu reduzieren.
Allgemein ist festzustellen, dass mit sinkendem Wassergehalt die zu erwartende Lebensdauer einer Hydraulikflüssigkeit steigt, ebenso bei sinkendem Chlorgehalt. Mit steigender Temperatur sinkt jedoch die zu erwartende Lebensdauer.
Im Allgemeinen wird weiterhin angenommen, dass der Prozess des Alterns einer Hydraulikflüssigkeit ein akkumulativer Prozess ist. Dies bedeutet, dass bei jeder Temperatur einem diskreten Fluidvolumen für eine bestimmte Zeit eine nominelle Alterung widerfährt, die mit der maximal zu erwartenden Lebensdauer bei der betreffenden Temperatur korreliert. Bei komplexen Hydrauliksystemen, wie sie etwa in größeren Verkehrsflugzeugen, vorliegen, werden sehr lange Rohrleitungen mit unterschiedlichen Durchmessern, unterschiedlichen hydraulischen Leistungen und unterschiedlichen Temperaturzonen innerhalb des betreffenden Flugzeugs eingesetzt, die bei einer Ermittlung der Alterung berücksichtigt werden müssen. Solange das gesamte Hydraulikvolumen begrenzt ist, erfährt jedes diskrete Fluidvolumen unterschiedliche Temperaturen für unterschiedliche Zeit während einer Flugmission.
Eine sogenannte Alterung D kann dabei durch folgende Gleichung bestimmt werden:
wobei L_max die maximale Lebensdauer der Hydraulikflüssigkeit bei der Temperatur T_k,m darstellt, Δt_m einen Beobachtungszeitraum und V_k eines von insgesamt m diskreten Fluidvolumina. Die Alterung D gibt den Anteil der zu erwartenden Lebensdauer der Hydraulikflüssigkeit an, so dass bei D = 1, also 100%, die zu erwartende Lebensdauer bereits erreicht ist.
Erfindungsgemäß kann demnach ein Hydrauliksystem in mehrere Hydraulikkomponenten zerlegt werden, die jeweils für sich ein finites Hydraulikvolumen aufweisen. Zur Berechnung der Alterung des betreffenden finiten Fluidvolumens in der betreffenden Komponente für einen Betrachtungszeitraum ist erforderlich, die Temperatur dieses diskreten Fluidvolumens in der betreffenden Hydraulikkomponente zu ermitteln, um dann einen Alterungszuwachs des jeweiligen Fluidvolumens zu bestimmen. Bei bekannter Größe des diskreten Fluidvolumens ist die Ermittlung der Temperatur des diskreten Fluidvolumens innerhalb des Bobachtungszeitraums erforderlich.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform ist die Temperaturbestimmungseinrichtung dazu eingerichtet, eine komponentenweise numerische thermische Simulation des Hydrauliksystems auszuführen. Dies könnte basierend auf dem jeweiligen Aufbau und den Eigenschaften für jede einzelne Hydraulikkomponente die Ermittlung eines Wärmeflusses beinhalten, der unter Berücksichtigung der Umgebungstemperatur der betreffenden Hydraulikkomponente zur Bestimmung einer resultierenden Temperatur des diskreten Fluidvolumens führen kann. Der Wärmefluss kann dabei sowohl einen Wärmezuwachs und einen Wärmeabfall beinhalten. Wärmequellen eines Systems könnten beispielsweise durch Leistungs- oder Druckverluste in Hydraulikkomponenten hervorgerufen werden. Ein Wärmeverlust kann etwa aus Wärmeleitung, Wärmeübergang oder Wärmestrahlung resultieren. Das für die Bestimmung der einzelnen Temperaturen verwendete thermische Simulationsmodell des Hydrauliksystems weist für jede wesentliche Komponente einen Simulationsblock auf. Hydraulikkomponenten, die nur einen sehr unwesentlichen Teil des Hydraulikfluids beherbergen, können für die Bestimmung der Alterung der Hydraulikflüssigkeit mitunter vernachlässigt werden.
Ziel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, die thermischen Zusammenhänge des zu überwachenden geschlossenes Hydrauliksystems mittels einer komponentenweise ausgeführten numerischen Simulation so nachzubilden, dass die Temperaturen der wesentlichen Hydraulikkomponenten, die nicht zu vernachlässigende Anteile an der gesamten Hydraulikflüssigkeit beherbergen, mit einer ausreichenden Genauigkeit ermittelt werden können.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist die Temperaturbestimmungseinrichtung eine Schnittstelle zu einer Steuereinheit des realen Hydrauliksystems auf, durch die sämtliche real durchgeführten Steuervorgänge in der numerischen Simulation des Hydrauliksystems nachgebildet werden, so dass die daraus resultierenden Wärmeströme sowie die resultierenden Temperaturen der einzelnen Hydraulikkomponenten bestimmbar werden.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Schnittstelle der Temperaturbestimmungseinrichtung dazu eingerichtet, die Umgebungstemperatur mindestens einer Hydraulikkomponente zu erfassen. Dies könnte etwa durch einen Temperatursensor sein, der in einem Raum installiert ist, der wesentliche Teile des Hydrauliksystems beherbergt.
Gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Temperaturbestimmungseinrichtung mit mindestens einem Temperatursensor verbunden, der die Temperatur der Hydraulikflüssigkeit in einer jeweiligen Hydraulikkomponente erfasst. Basierend auf dem numerischen thermischen Simulationsmodell des Hydrauliksystems ist die Temperaturbestimmungseinrichtung in der Lage, die Temperaturen benachbarter oder weiter nachfolgender anderer Hydraulikkomponenten zu ermitteln. Es wäre aus diesem Grunde nicht erforderlich, stets das gesamte Hydrauliksystem thermisch zu simulieren und sämtliche ermittelten Temperaturen auf Basis einer solchen Simulation zu bestimmen. Mit der Stützung durch real erfasste Temperaturen wäre es ausreichend, die nicht durch Temperatursensoren erfassten Hydraulikkomponenten thermisch zu simulieren. Dies könnte je nach Bauart und Eigenschaften durch einen vereinfachten, linearisierten Algorithmus oder lediglich eine direkte, vorwärtsgerichtete Berechnung mittels einer Gleichung erfolgen, so dass ausgehend von der erfassten Temperatur die Temperaturen von diskreten Fluidvolumina in allen übrigen Hydraulikkomponenten rechnerisch ermittelt werden kann. Lediglich beispielhaft sei hier angegeben, dass eine Hydraulikflüssigkeitsleitung beispielsweise einen linearen Temperaturverlauf verursachen könnte, so dass in einer kühleren Umgebung die Temperatur einer durch eine Hydraulikflüssigkeitsleitung geförderten erwärmten Hydraulikflüssigkeit linear fällt. Wärmetauscher dagegen verursachen üblicherweise eine sprungartige Temperaturveränderung, während Pumpen oder andere leistungseinführende Mittel üblicherweise zu einer sprungartigen Erwärmung der Hydraulikflüssigkeit führen.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren gelöst. Das Verfahren weist im Wesentlichen die Schritte des Ermittelns einer Temperatur von Hydraulikkomponenten auf, das Bestimmen eines Alterungszuwachses der betreffenden Hydraulikkomponenten für einen Beobachtungszeitraum sowie das Zusammenfassen einer Gesamtalterung für sämtliche Hydraulikkomponenten über den gesamten Zeitraum einer Flugmission.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehungen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
2 zeigt ein exemplarisches Flugzeughydrauliksystem, das mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung überwacht wird.
3 zeigt ein Temperaturprofil für einen Ablauf eines Hydrauliksystems bei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen.
4 zeigt einen Alterungszuwachs für eine Hydraulikflüssigkeit in Abhängigkeit einer Flugmission.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren.
6 zeigt ein Flugzeug, das mit mindestens einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestattet ist.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen, blockbasierten Darstellung.
Es wird eine Recheneinheit 2 gezeigt, die eine Alterungsbestimmungseinrichtung 4 und eine Temperaturbestimmungseinrichtung 6 aufweist. Diese beiden Einrichtungen 4 und 6 können als eine separate Hardwarekomponente ausgeführt werden oder ein integraler Bestandteil der Recheneinheit 2 sein.
Die Recheneinheit 2 kann ferner eine Datenbank 8 enthalten, in der wesentliche Parameter eines zu überwachenden Hydrauliksystems (in 1 nicht gezeigt) bereitgestellt werden. Die Datenbank 8 kann dabei Informationen über sämtliche Hydraulikkomponenten des zu überwachenden Hydrauliksystems aufweisen, beispielsweise eine vollständige Repräsentation eines hydraulischen Ersatzschaltbildes, das Hydraulikkomponenten in Form von Leitungen, Ventilen, Abzweigern, Pumpen, Aktuatoren, Motoren und dergleichen umfasst. Die für die erfindungsgemäße Vorrichtung relevanten technischen Parameter umfassen dabei im Wesentlichen thermische Parameter, die auf Wärmedurchgangswiderstände und dergleichen der Hydraulikkomponenten gerichtet sind, so dass bei Kenntnis der eines wahrgenommenen Wärmestroms einer betroffenen Hydraulikkomponente und der Kenntnis einer Umgebungstemperatur die resultierende Temperatur eines diskreten Fluidvolumens ermittelt werden kann.
Die Datenbank 8 kann ferner Informationen zu Leistungsparametern von Hydraulikkomponenten beinhalten, beispielsweise die maximal mögliche Leistung einer Hydraulikpumpe und deren Wirkungsgrad, erlaubt derart die Berechnung eines resultierenden Wärmestroms aufgrund von Verlusten und ermöglicht schließlich die Ermittlung der Temperatur des diskreten Fluidelements. Weiterhin kann die Datenbank 8 Parameter für Wärmetauscher enthalten, die sprunghafte Temperaturveränderungen innerhalb eines Hydrauliksystems in Abhängigkeit von einem von außen zugeführten Kühlmedium bewirken.
Die Temperaturbestimmungseinrichtung 6 könnte dazu eingerichtet sein, eine komponentenweise numerische Simulation des zu beobachtenden Hydrauliksystems durchzuführen. Dies bedeutet, dass in der Temperaturbestimmungseinrichtung eine Simulationsumgebung bereitgestellt wird, in der die Simulation von Hydraulikkomponenten in linearer oder nicht-linearer Form erfolgt. Alternativ zu einer Simulation kann auch eine Interpolation aus einem mehrdimensionalen Datensatz erfolgen, der durch experimentelle Messungen aufgenommene Kennlinien repräsentiert.
In komplexen Hydrauliksystemen moderner Fahrzeuge werden die wesentlichen Hydraulikkomponenten durch elektrische analoge oder digitale Signale angesteuert, die auch an die Recheneinheit 2 geleitet werden könnten, um von dem simulierten Hydrauliksystem verwendet zu werden. Die sich hiervon abhängig in dem simulierten Hydrauliksystem ergebenden Zustandsgrößen lassen die Temperaturbestimmungseinrichtung 6 die resultierenden Temperaturen der einzelnen Hydraulikkomponenten bestimmen. Zum Übertragen dieser Steuersignale an das simulierte Hydrauliksystem könnte eine Schnittstelleneinrichtung 10 verwendet werden.
Alternativ oder zusätzlich hierzu wäre es möglich, die numerische komponentenweise Simulation des zu überwachenden Hydrauliksystems durch Messgrößen zu stützen, die auf Messungen des realen Hydrauliksystems basieren. Hierzu könnte es sich anbieten, eine Mehrzahl von Temperatursensoren 12 an dem zu überwachenden Hydrauliksystem an verschiedenen, wesentliche Hydraulikkomponenten beinhaltenden Orten anzubringen, um ausgehend von den dort ermittelten Temperaturwerten die Temperaturen in anderen, beispielsweise stromabwärts nachfolgenden Hydraulikkomponenten durch Simulation zu ermitteln. Es könnte sich etwa anbieten, ein Hydraulikreservoir mit einem Temperatursensor auszustatten, gleichzeitig Ablaufleitungen von Hydraulikpumpen und Verbindungsleitungen zwischen einzelnen Strängen eines größeren Hydrauliksystems.
In einem Reservoir befindet sich üblicherweise ein recht großer Anteil der insgesamt vorhandenen Hydraulikflüssigkeit des zu überwachenden Hydrauliksystems. In sämtlichen nachfolgenden Rohrleitungen, die mit dem Reservoir verbunden sind, wird in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des Hydrauliksystems die Temperatur im Wesentlichen linear verändert, beispielsweise fällt die Temperatur der Hydraulikflüssigkeit in einer an ein Reservoir folgenden Hydraulikleitung bei kühlerer Umgebung linear nach unten. Gleiches gilt für Rohrleitungen, die an einen Ablaufanschluss einer Hydraulikpumpe anschließen, in der die höchsten Temperaturen zu erwarten sind. Ziel ist daher, die Temperatursensoren 12 bei einer derartigen Vorgehensweise an möglichst wesentlichen und relevanten Orten innerhalb des Hydrauliksystems anzuordnen, in denen beispielsweise die höchsten Temperaturen zu erwarten sind und/oder das größte Hydraulikflüssigkeitsvolumen. Durch eine komponentenweise Simulation können die Temperaturen der diskreten Fluidvolumina in nachfolgenden Hydraulikkomponenten mittels der Temperaturbestimmungseinrichtung 6 ergänzt werden.
Die Alterungsbestimmungseinrichtung 4 ist mit der Temperaturbestimmungseinrichtung 6 verbunden und ist dazu eingerichtet, die Alterung eines diskreten Fluidvolumens basierend auf der Temperatur dieses jeweiligen Fluidvolumens zu bestimmen, indem gemäß folgender Gleichung die maximal zu erwartende Lebensdauer L_max der Hydraulikflüssigkeit bei der ermittelten Temperatur des diskreten Fluidvolumens V_k über einen Beobachtungszeitraum Δt_m bestimmt wird:
Dieses Alterungsinkrement kann für alle m diskrete Fluidvolumen bestimmt werden. Für einen Beobachtungszeitraum folgt damit ein Alterungsinkrement der gesamten Hydraulikflüssigkeit:
Ist in einem zu überwachenden Hydrauliksystem ein stationärer Betrieb zu erwarten, bei dem in den einzelnen Hydraulikkomponenten stationäre Temperaturen eingestellt werden, sind Messungen nur in relativ groben Abständen notwendig, so dass die Beobachtungszeiträume Δt_m entsprechend groß gewählt werden können. Dies trifft beispielsweise für den Fall zu, dass das betreffende Fahrzeug ein Verkehrsflugzeug ist, welches sich über mehrere Stunden in einer Reiseflugphase befindet und keine oder nur sehr geringe und zu vernachlässigende Steuerbewegungen erfolgen. Die Umgebungstemperatur wesentlicher Teile des Hydrauliksystems ist als stabil anzusehen, die Lasten in dem Hydrauliksystem sind als konstant anzusehen und dementsprechend sind die zu erwartenden Temperaturen der diskreten Fluidvolumina über sehr lange Zeiträume als konstant anzusehen.
Es versteht sich von selbst, dass gerade beim Landeanflug mit kontinuierlich steigender Umgebungstemperatur und stetigen Steuerbewegungen sowie bei dem Aufstieg auf Reiseflughöhe mit kontinuierlich fallender Umgebungstemperatur und möglicherweise stetigen Steuerbewegungen die Beobachtungszeiträume auf ein vernünftiges Maß reduziert werden sollten.
Der Vollständigkeit halber sollte erwähnt werden, dass die Recheneinheit 2 auch eine Speichereinheit 14 aufweisen könnte, mit der temporär oder permanent Daten gespeichert werden können, die für den Betrieb der Alterungsbestimmungseinrichtung 4 und der Temperaturbestimmungseinrichtung 6 erforderlich sind.
Weiterhin kann die Recheneinheit 2 eine weitere Schnittstelle 16 aufweisen, mit der die Alterung der Hydraulikflüssigkeit an andere Systeme und Anzeigeeinheiten kommuniziert werden kann.
In 2 wird ein exemplarisches Hydrauliksystem 18 gezeigt, das eine Hydraulikflüssigkeit einsetzt, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Recheneinheit 2 im Hinblick auf Alterung überwacht werden kann. Zusammengefasst weist das Hydrauliksystem 18 ein Reservoir 20, eine Pumpe 22 und eine Pumpe 24 auf, die mit Verbrauchern 26 in Verbindung stehen.
In einem modernen Flugzeug werden bereits eine relativ große Zahl von Temperatursensoren 12 eingesetzt, um Überhitzungszustände während Systemausfällen oder dergleichen feststellen zu können. Üblicherweise befinden sich diese Temperatursensoren 12 an dem Reservoir 20, an Ablaufleitungen 28 und 30 von Pumpen 22 und 24 oder an Leckleitungen 32 und 34 der Pumpen 22 und 24, beispielsweise in nachgeschalteten Filtern 36, 38, 40 und 42. Demgemäß könnten beispielsweise in dem gezeigten Hydrauliksystem 18 drei verschiedene Temperaturwerte zur jeder beliebigen Zeit ermittelt werden, so dass sämtliche jeweils nachfolgenden Hydraulikkomponenten mit ihren bekannten Wärmelastverhalten simuliert werden können, um die darin befindlichen diskreten Fluidvolumina der Hydraulikflüssigkeit in ihrer Temperatur zu bestimmen.
In 3 werden schematisch mehrere in einem gemeinsamen Diagramm gezeigte Temperaturprofile dargestellt, die für beispielhafte Hydraulikkomponenten bestimmt sind und in Abhängigkeit von unterschiedlichen Umgebungstemperaturen übereinander dargestellt werden.
Die in der Zeichnungsebene oberste Linie 44 beginnt bei einer Leitungslänge von 0 Metern und einer Fluidtemperatur von 110°C. Hier könnte beispielsweise eine Pumpe angeordnet sein, in der elektrische Leistung in hydraulische Leistung umgewandelt wird und aufgrund des begrenzten Wirkungsgrads einer derartigen Anordnung eine relativ hohe Fluidtemperatur entsteht. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Kurve 44 für eine Umgebungstemperatur von 55°C gilt, was einem heißen Tag am Boden entspricht.
Verlaufend mit der Leitungslänge bleibt die Fluidtemperatur bis zu einer Leitungslänge von 6 Metern ungefähr konstant, fällt dann linear in zwei unterschiedlichen Steigungen bis zu einer Leitungslänge von 19 Metern ab, da die erwärmte Hydraulikflüssigkeit ihre Wärme an die Umgebung abgibt. Bei einer Leitungslänge von 24 Metern erreicht die erwärmte Hydraulikflüssigkeit einen Wärmetauscher und gibt dort relativ schlagartig Wärme ab, so dass eine Temperatursenkung auf ungefähr 91,5°C erfolgt. Die Temperatur verbleibt schließlich relativ konstant und schwach fallend bis zu einer Leitungslänge von ungefähr 39 Metern und erreicht schließlich eine Temperatur von 87°C in einem Reservoir.
Eine weiter darunter gelegene Kurve 46 verläuft relativ ähnlich, wobei die Steigungen der linear fallenden Abschnitte unterschiedlich sind, was sich durch eine etwas niedrigere Umgebungstemperatur von 35°C begründen lässt.
Sämtlich darunterliegenden Kurven 48, 50, 52 und 54 weisen ähnliche Verläufe auf, die mehr oder weniger ausgeprägt sind, was sich durch die unterschiedlichen Umgebungstemperaturen von 15°C (Kurve 48), –5°C (Kurve 50), –30°C (Kurve 52) und –60°C (Kurve 54).
Aus dieser Darstellung erkennt der Fachmann, dass jede Hydraulikkomponente einen charakteristischen Temperaturverlauf verursacht, der von der Bauart der Hydraulikkomponente abhängt. Rohrleitungen tendieren dazu, über ihre Leitungslänge Wärme abzugeben bzw. Wärme aufzunehmen, abhängig von dem Temperaturgefälle zwischen der Temperatur des Hydraulikfluids und der Außentemperatur. Bei Hydraulikpumpen (beispielsweise 22 und 24), wird eine Fluidtemperatur erreicht, die in einem betrachteten bzw. zu überwachenden Hydrauliksystem 18 eine der höchsten Temperaturen darstellt. Wärmetauscher verursachen einen schlagartigen Wärmeab- oder Zufluss, was in einer schlagartigen Temperaturänderung resultiert.
Mit diesen Annahmen ist die Recheneinheit 2 und insbesondere die Temperaturbestimmungseinheit 6 in der Lage, mit relativ einfachen numerischen Modellen von Hydraulikkomponenten in Abhängigkeit von wenigen gemessenen Temperaturen innerhalb eines Hydrauliksystems 18 die Fluidtemperaturen von verschiedenen diskreten Fluidvolumina zu bestimmen, so dass für ein Gesamthydrauliksystem 18 jedes diskrete Fluidvolumen in seiner Temperatur bestimmt werden kann, so dass eine vollständige Ermittlung einer Alterung der Hydraulikflüssigkeit erfolgen kann. Es ist daher nicht notwendig, komplexe nichtlineare Simulationsmodelle für einzelne Hydraulikkomponenten zu kreieren, sondern es könnten auch sehr einfache, linearisierte Simulationsmodelle eingesetzt werden, die zu sinnvollen Ergebnissen führen.
Zur besseren Darstellung des Alterungszuwachses für eine Hydraulikflüssigkeit in Abhängigkeit einer durchgeführten Flugmission zeigt 4 vier verschiedene Diagramme übereinander, wobei das oberste Diagramm in Abhängigkeit von der Flugzeit in Minuten die Flughöhe angibt, das darunter folgende Diagramm die Umgebungstemperatur, das darunter folgende Diagramm die Temperatur innerhalb des Hydraulikreservoirs und die darunter folgende Grafik die Alterung in Prozent.
Für eine typische Flugmission erfolgt zunächst eine Taxiingphase 56, bei dem die Flughöhe 0 ist, die Umgebungstemperatur in einem ersten Beispiel 55°C und einem zweiten Beispiel 0°C ist. Die Reservoirtemperatur der Hydraulikflüssigkeit könnte dementsprechend während der Taxiingphase 56 langsam von 55°C bzw. von 0°C auf einen höheren Wert steigen, was zunächst in einem deutlichen Anstieg der Alterung in Prozent resultiert. Bei der Aufstiegsphase 58 sinkt die Umgebungstemperatur auf annähernd 0°C im ersten Beispiels und auf ca. –50°C im zweiten Beispiel und verbleibt während der Reiseflugphase 60 im Wesentlichen konstant. Die Alterung besitzt einen schwächeren Anstieg während der Anstiegsphase 58, die Ableitung der Alterungskurve ist im Wesentlichen 0. In einer Abstiegsphase 62, einer Haltephase 64, einer Annäherungsphase 66 und einer anschließenden Taxiingphase 68 steigt langsam die Umgebungstemperatur, die Hydraulikreservoirtemperatur verbleibt allerdings im Wesentlichen konstant. Auch die Alterung ändert sich nur wenig, die Ableitung der Alterungskurve könnte bereits leicht negativ sein.
In 4 wird in der untersten Grafik mit der Alterungskurve weiterhin ein Unterschied zwischen einem Typ IV Hydraulikfluid mit einem Wasseranteil von 0,5% gezeigt, weiter darunter ein Typ V Fluid mit einem Wasseranteil von 0,2%. Dies zeigt, dass abhängig von den physikalischen Parametern der Hydraulikflüssigkeit eine unterschiedliche Alterungskurve besteht, so dass beispielsweise ein Typ V Fluid weniger altert als ein Typ IV Fluid.
5 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Feststellen des Alterungszustands einer Hydraulikflüssigkeit eines Hydrauliksystems eines Fahrzeugs. Die wesentlichen Schritte dieses Verfahrens liegen darin, komponentenweise die Temperatur eines diskreten Fluidvolumens innerhalb einer Hydraulikkomponente zu bestimmen 70. Die kann ein Messen 72 mindestens einer Temperatur eines diskreten Fluidvolumens in mindestens einer Hydraulikkomponente beinhalten sowie ein Durchführen 74 einer thermischen Simulation des diskreten Fluidvolumens innerhalb mindestens einer Hydraulikkomponente, dessen Temperatur nicht gemessen werden kann. Dies könnte die Berechnung 76 einer Fluidausgangstemperatur in Abhängigkeit einer Fluideingangstemperatur umfassen. Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Generieren 78 eines Beobachtungszeitraums in Abhängigkeit eines Betriebszustands des Fahrzeugs. Bei einem unstetigen Betriebszustand, der hohe Leistungen oder Lastwechsel des Hydrauliksystems erfordert, sind kürzere Beobachtungszeiträume als vorteilhafter anzusehen, während bei stetigem stationärem Betrieb auch längere Beobachtungszeiträume ausreichend sind.
Für jedes diskrete Fluidvolumen wird ein Alterungszuwachs bestimmt 80, anschließend werden für mindestens einen Beobachtungszeitraum alle Alterungszuwächse aller diskreten Fluidvolumina zusammengefasst 82.
Das Bestimmen der Temperatur wird für alle Hydraulikkomponenten des betreffenden Hydrauliksystems durchgeführt, so dass alle diskreten Fluidvolumina innerhalb des gesamten Hydrauliksystems berücksichtigt sind und sämtliche Temperaturen sämtlicher diskreter Hydraulikfluidvolumina zu dem jeweiligen Beobachtungszeitraum bestimmt sind.
Schließlich zeigt 6 ein Flugzeug 84, das mit mindestens einer Vorrichtung zum Feststellen des Alterungszustands einer Hydraulikflüssigkeit eines Hydrauliksystems des Flugzeugs ausgerüstet ist.
Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein” oder „eine” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

2: Recheneinheit
4: Alterungsbestimmungseinrichtung
6: Temperaturbestimmungseinrichtung
8: Datenbank
10: Schnittstelleneinrichtung
12: Temperatursensor
14: Speichereinheit
16: Schnittstelleneinrichtung
18: Hydrauliksystem
20: Reservoir
22: Pumpe
24: Pumpe
26: Verbraucher
28: Ablaufleitung
30: Ablaufleitung
32: Leckleitung
34: Leckleitung
36: Filter
38: Filter
40: Filter
42: Filter
44: Temperaturprofil
46: Temperaturprofil
48: Temperaturprofil
50: Temperaturprofil
52: Temperaturprofil
54: Temperaturprofil
56: Taxiingphase
58: Aufstiegsphase
60: Reiseflugphase
62: Abstiegsphase
64: Haltephase
66: Annäherungsphase
68: Taxiingphase
70: Bestimmen einer Temperatur
72: Messen einer Temperatur
74: Durchführen einer thermischen Simulation
76: Berechnen einer Fluidausgangstemperatur
78: Generieren eines Beobachtungszeitraums
80: Bestimmen eines Alterungszuwachses
82: Zusammenfassen aller Alterungszuwächse
84: Flugzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19619028 C2 [0006]
US 5858070 A [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

SAE AS1241 [0014]
NSA 307110 [0014]
BMS 11-3 [0014]

Claims

Vorrichtung zum Bestimmen der Alterung einer Hydraulikflüssigkeit in einem Hydrauliksystem (18) mit einer Mehrzahl von Hydraulikkomponenten (20–42), aufweisend – mindestens eine Temperaturbestimmungseinrichtung (6) und – mindestens eine Alterungsbestimmungseinrichtung (4), wobei die Temperaturbestimmungseinrichtung (6) dazu eingerichtet ist, die jeweilige Temperatur jedes diskreten Fluidvolumens der Hydraulikflüssigkeit in dem Hydrauliksystem (18) zu bestimmen; wobei die Alterungsbestimmungseinrichtung (4) dazu eingerichtet ist, aus der Größe und der Temperatur jedes diskreten Fluidvolumens sowie der Angabe eines Beobachtungszeitraums einen Alterungszuwachs zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, aufweisend eine Recheneinheit (2), die dazu eingerichtet ist, aus jeweiligen Alterungszuwächsen der diskreten Fluidvolumina über eine vorbestimmte Dauer den gesamten Alterungszuwachs der in dem Hydrauliksystem (18) eingeschlossenen Hydraulikflüssigkeit zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperaturbestimmungseinrichtung (6) dazu eingerichtet ist, eine komponentenweise numerische thermische Simulation mit Bestimmung mindestens einer Temperatur mindestens einer Hydraulikkomponente (20–42) des Hydrauliksystems (18) auszuführen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die numerische thermische Simulation die Ermittlung eines Wärmeflusses bezüglich mindestens eines diskreten Fluidvolumens der betreffenden Hydraulikkomponente (20–42) relativ zu der Umgebung der Hydraulikkomponente (20–42) beinhaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Temperaturbestimmungseinrichtung (6) eine Schnittstelleneinrichtung (10) aufweist, die mit einer Steuereinheit des Hydrauliksystems (18) zum Nachbilden von Lasten von Hydraulikkomponenten (20–42) in der numerischen thermischen Simulation verbindbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Temperaturbestimmungseinrichtung (6) mit mindestens einem Umgebungstemperatursensor (12) verbindbar ist und dazu eingerichtet ist, die Umgebungstemperatur mindestens einer Hydraulikkomponente (20–42) mittels des Umgebungstemperatursensors (12) zu erfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Temperaturbestimmungseinrichtung (6) mit mindestens einem Temperatursensor (12) verbindbar ist und dazu eingerichtet ist, die Temperatur eines diskreten Fluidvolumens der Hydraulikflüssigkeit in einer jeweiligen Hydraulikkomponente (20–42) zu erfassen und basierend auf dem numerischen thermischen Simulationsmodell des Hydrauliksystems die Temperaturen nicht temperaturüberwachter Hydraulikkomponenten (20–42) zu ermitteln.
Verfahren zum Bestimmen der Alterung einer Hydraulikflüssigkeit in einem Hydrauliksystem (18) mit einer Mehrzahl von Hydraulikkomponenten (20–42), aufweisend die folgenden Schritte: – Bestimmen der Temperatur eines diskreten Fluidvolumens innerhalb mindestens einer Hydraulikkomponente (20–42) – Generieren eines Beobachtungszeitraums; – Bestimmen (80) eines Alterungszuwachses eines betreffenden diskreten Fluidvolumens mittels einer Alterungsbestimmungseinrichtung (4); and – Zusammenfassen (82) aller bestimmten Alterungszuwächse zu einem Gesamtalterungszuwachs mindestens eines Beobachtungszeitraums.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner aufweisend: – Messen (72) der Temperatur mindestens eines diskreten Fluidvolumens innerhalb mindestens einer Hydraulikkomponente (20–42) mittels eines Temperatursensors (12).
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, ferner aufweisend: – Durchführen (74) einer thermischen Simulation mindestens eines diskreten Fluidvolumens innerhalb mindestens einer nicht temperaturüberwachten Hydraulikkomponente (20–42).
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Flugzeug.
Flugzeug (84), aufweisend mindestens ein Hydrauliksystem (18) sowie mindestens eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.