DE102011111912A1

DE102011111912A1 - Verfahren und System zum Berechnen der Temperatur eines Öls in einer Fahrzeugachse für variable Ölwechselintervalle

Info

Publication number: DE102011111912A1
Application number: DE201110111912
Authority: DE
Inventors: Matthias Klöpfer; Renz Tilman
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2012-02-02
Also published as: WO2013029750A2; EP2751535A2; DE102011111912A8; WO2013029750A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Berechnen der Temperatur (TÖl) eines Öls (10) in einer Fahrzeugachse (2), insbesondere Hinterachse, aufweisend die Schritte: Berechnen eines Wärmestromes (Q'in) in das Öl (10) in Abhängigkeit von zumindest dem Motordrehmoment (MMot) und der Motordrehzahl (nMot) eines Motors des Fahrzeuges, Berechnen eines Wärmestromes (Q'aus) aus dem Öl (10) in Abhängigkeit von zumindest der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und der Umgebungstemperatur (TUm) in einer Umgebung (U) der Fahrzeugachse (2), und Berechnen der Temperatur (TÖl) des Öls (10) in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem Wärmestrom (Q'in) in das Öl (10) und dem Wärmestrom (Q'aus) aus dem Öl (10). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein entsprechendes System (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Berechnen der Temperatur des Öls in einer Achse, insbesondere Hinterachse, eines Fahrzeuges, insbesondere eines Kraftfahrzeuges (z. B. ein LKW).
Aus dem Stand der Technik DE 10 2008 265 53 A1 ist ein Verfahren zum rechnerischen Ermitteln der Öltemperatur in einer Kupplungseinheit für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs bekannt, wobei die Kupplungseinheit zumindest eine nasslaufende Reibungskupplung zum steuerbaren Übertragen eines Drehmoments von einem Eingangselement auf ein Ausgangselement der Kupplungseinheit aufweist, sowie ein Gehäuse, das die Reibungskupplung und Öl zum Kühlen der Reibungskupplung enthält; einen Aktuator zum Betätigen der Reibungskupplung, der mit dem Gehäuse wärmeleitend verbunden ist und der einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur des Aktuators (51) aufweist; wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Ermitteln einer Wärmeeingangsleistung der Kupplungseinheit in Abhängigkeit zumindest von einer Drehzahl des Eingangselements und/oder des Ausgangselements der Kupplungseinheit; Ermitteln einer Wärmeausgangsleistung der Kupplungseinheit in Abhängigkeit zumindest von der Aktuatortemperatur; Ermitteln einer Differenz zwischen der Wärmeeingangsleistung und der Wärmeausgangsleistung; und Ermitteln der Öltemperatur in Abhängigkeit von der ermittelten Differenz.
Gemäß dem der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Problem soll nach Möglichkeit bei Achsen der eingangs erwähnten Art ein Ölwechsel nur dann vorgenommen werden, wenn er wirklich nötig ist, um Mehrkosten durch nicht voll ausgenützte Wartungsintervalle zu vermeiden.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst.
Danach sieht das erfindungsgemäße Verfahren zum rechnerischen Ermitteln der Temperatur eines in der Fahrzeugachse, insbesondere Hinterachse, befindlichen Öls die Schritte vor, wonach ein Wärmestrom in das Öl in Abhängigkeit von zumindest dem Motordrehmoment und der Motordrehzahl eines Motors des Fahrzeuges und ein Wärmestrom aus dem Öl in Abhängigkeit von zumindest der Fahrzeuggeschwindigkeit und einer Umgebungstemperatur in einer Umgebung der Fahrzeugachse automatisch berechnet wird, und wobei die Temperatur des Öls in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Wärmestrom in das Öl und dem Wärmestrom aus dem Öl automatisch berechnet wird.
Durch die erfindungsgemäße Lehre ist es zunächst möglich, einen Temperatursensor für die Fahrzeugachse einzusparen. Durch die Berechnung der Temperatur des Öls besteht die Möglichkeit, auch ohne Temperatursensor die Ölwechselintervalle auszudehnen, da anhand der bekannten Lebensdauerkurve des verwendeten Öls (Lebensdauer des Öls über der Temperatur) die jeweilige Lebensdauer abgeschätzt werden kann und der Zeitpunkt für die nächste Wartung entsprechend optimal gewählt werden kann. Hierdurch sind Kosteneinsparungen realisierbar.
Das vorstehende Berechnungsmodell kann z. B. „on board” auf einem der bereits im Fahrzeug vorhandenen Steuergeräte ablaufen, so dass die Temperatur des Öls in der Fahrzeugsachse insbesondere auf Basis bereits vorhandener CAN-Größen laufend ermittelt (abgeschätzt) werden kann.
Bevorzugt wird der Wärmestrom Q'_in in das Öl mit Hilfe der Relation Q'_in = 2π·|M_Mot|·n_Mot·(1 – η), automatisch berechnet, wobei η der Wirkungsgrad der Fahrzeugachse ist (z. B. η = 0,97) und M_Mot und n_Mot das Motordrehmoment bzw. die Motordrehzahl eines das Fahrzeug antreibenden Motors darstellen.
Weiterhin wird bevorzugt der Wärmestrom Q'_aus aus dem Öl mit Hilfe der Relation Q'_aus = α·A·ΔT automatisch berechnet, wobei α = f(v) eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit V ist, und wobei A eine Konstante darstellt, bei der es sich insbesondere um eine effektive Oberfläche des Getriebes der Fahrzeuges handelt. A liegt insbesondere in einem Bereich von 0,8 m² bis 0,9 m², und beträgt in einer Ausführungsform 0,85 m² oder 0,88 m².
Für die Funktion α = f(v) (Einheit α: [W/(m²·K)]) wird vorzugsweise ein linearer Ansatz gewählt, insbesondere in der Form α = 0.65·v[km/h] + 6, wobei der minimale Wert α_min für α vorzugsweise auf α_min = 10 W/(m²·K) gesetzt wird.
Des Weiteren ist die Temperaturdifferenz ΔT in Q'_aus definiert als Differenz zwischen der Temperatur des Öls T_Öl und der Umgebungstemperatur T_Um: ΔT = T_Öl – T_Um.
Zur Berechnung (Abschätzung) der Temperatur des Öls in der Fahrzeugachse (Hinterachse) werden also insbesondere Größen verwendet (z. B. M_Mot, n_Mot), die im Fahrzeug bereits sensiert werden (z. B. in einem Steuergerät für den Motor).
Aus den beiden Wärmeströmen kann dann die jeweils aktuelle (momentane) Temperatur zum Zeitpunkt t rechnerisch ermittelt (abgeschätzt werden), indem die besagte Differenz integriert wird:
wobei m·c_p die thermische Masse des Getriebes und des Öls darstellt (z. B. m·c_p = 80000 J/K).
Die Temperatur des Öls T_Öl kann nach der vorstehenden Relation z. B. schrittweise berechnet werden. Hierzu werden die beiden Wärmeströme (in und aus dem Öl) zu einer Mehrzahl an aufeinander folgenden Zeitpunkten t_i berechnet, wobei für jeden Zeitpunkt t_i die Änderung ΔT_ÖL,i der Temperatur T_Öl,i des Öls entsprechend mittels ΔT_ÖL,i = (Q'_in,i – Q'_aus,i)/(m·c_p), i = 0, 1, 2, ... berechnet wird, wobei Q'_in,i der Wärmestrom in das Öl und Q'_aus,i der Wärmestrom aus dem Öl zum Zeitpunkt t_i ist, d. h.: Q'_in,i = 2π·|M_Mot,i]·n_Mot,i(1 – η), und Q'_aus,i = α·A·ΔT_i = α·A·(T_Öl,i – T_Um,i)
Die Temperatur des Öls zum Zeitpunkt t_i+1 kann dann rekursiv mit Hilfe der Relation T_Öl,i+1 = T_Öl,i + ΔT_ÖL,i, i = 0, 1, 2, .... berechnet werden.
Die einzelnen Zeitpunkte t_i für die Berechnung der Temperatur des Öls können z. B. einen Abstand von 0,2 s zueinander aufweisen. Andere Zeitintervalle sind auch denkbar.
Weiterhin werden bevorzugt die einzelnen berechneten Temperaturen, zusammen mit dem zugehörigen Zeitpunkt t_i automatisch gespeichert, wobei bevorzugt eine Belastungszeitfunktion aus diesen Daten erstellt wird (Temperatur des Öls T_Öl,i über der Zeit t_i).
Anhand dieser Belastungszeitfunktion wird bevorzugt laufend ein Temperaturlastkollektiv ermittelt bzw. aktualisiert, das angibt, wie häufig eine bestimmte Temperatur des Öls berechnet wurde. Hierzu werden die möglichen Temperaturen des Öls in Klassen (Temperarturintervalle) aufgeteilt und die Häufigkeit der berechneten Temperaturen in den Klassen bestimmt. Auf diese Weise erhält man ein Histogramm, d. h., eine Häufigkeitsverteilung der berechneten Temperaturen des Öls T_Öl,i.
Anhand des Histogramms bzw. des Temperaturlastkollektivs sowie der Öllebensdauer für eine bestimmte Temperatur wird dann bevorzugt automatisch ein Zeitpunkt bzw. eine Laufstrecke s₀ für die nächste Wartung bestimmt, z. B. indem eine Schädigungsziffer Sz(s) als Funktion der Meßstrecke s berechnet wird, über die die Temperaturen des Öls berechnet wurden:
wobei hier Δt_i die Betriebsdauer auf dem i-ten Temperaturniveau (Klasse) ist und T_i die maximale Betriebsdauer auf dem i-ten Temperaturniveau (Klasse), die anhand der Öllebensdauerkurve bestimmt wird.
Die progressive Laufstrecke s₀ bis zum Ölwechsel bzw. bis zur Wartung, d. h., der Zeitpunkt für den nächsten Ölwechsel (Wartung), wird dann mittels S₀ = s / Sz(s) berechnet.
Weiterhin wird das erfindungsgemäße Problem durch ein System zum rechnerischen Ermitteln der Temperatur eines Öls in einer Fahrzeugachse, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, gemäß Anspruch 8 gelöst.
Das erfindungsgemäße System weist zumindest eine Einheit auf, insbesondere in Form eines Steuergerätes des Fahrzeuges (z. B. Motorsteuergerät), das dazu ausgebildet ist, einen Wärmestrom in das Öl in Abhängigkeit von zumindest dem Motordrehmoment und der Motordrehzahl eines Motors des Fahrzeuges und einen Wärmestrom aus dem Öl in Abhängigkeit von zumindest der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Umgebungstemperatur in einer Umgebung der Fahrzeugachse zu berechnen (siehe oben), wobei jene Einheit (Steuergerät) dazu ausgebildet ist, die aktuelle Temperatur des Öls laufend in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem Wärmestrom in das Öl und dem Wärmestrom aus dem Öl zu berechnen, und wobei insbesondere jene Einheit dazu eingerichtet und vorgesehen ist, das Motordrehmoment, die Motordrehzahl, die Fahrzeuggeschwindigkeit v und/oder die Umgebungstemperatur über einen CAN-Bus zu empfangen.
Weiterhin umfasst das erfindungsgemäße System vorzugsweise einen Wartungsrechner (Wartungssystem) (z. B. im Fahrzeug oder entfernt davon), wobei jene Einheit vorzugsweise dazu ausgebildet ist, die berechneten Temperaturen an den Wartungsrechner zu übermitteln, der aus jenen Temperaturen ein Temperaturlastkollektiv ermittelt, welches angibt, wie häufig eine bestimmte Temperatur des Öls berechnet wurde (siehe oben). Hierzu kann auf dem Wartungsrechner eine entsprechende Software installiert sein.
Weiterhin ist das Wartungssystem bzw. der Wartungsrechner bevorzugt dazu ausgebildet, aus dem Temperaturlastkollektiv und der Öllebensdauer(kurve) einen Zeitpunkt bzw. eine Laufstrecke anzugeben zu dem bzw. nach der ein Ölwechsel (Wartung der Achse) erfolgen soll (siehe oben).
Der Gegenstand des Anspruchs 8 kann natürlich auch durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 7 wettergebildet werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen mittels der nachfolgenden Figurenbeschreibungen eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes System/Verfahren zum Bestimmen der Temperatur eines Öls in einer Fahrzeugachse; und
2 die Berechnung der Laufstrecke bis zur nächsten Wartung der Fahrzeugachse (Ölwechsel),
1 zeigt eine Hinterachse 2 eines LKWs mit einen Ölsumpf 100, in dem ein Öl 10 zum Schmieren der Hinterachse 2 aufgenommen ist.
Das Öl 10 muss in regelmäßigen Abständen gewechselt werden, um die einwandfreie Funktion der Hinterachse 2 sicherzustellen.
Hierzu muss die Temperatur des Öls T_Öl bestimmt werden, so dass anhand der maßgeblichen Öllebensdauerkurve 22, die die Lebensdauer des Öles 10 für verschiedene Temperaturen T_ÖL des verwendeten Öls 10 angibt, die Laufstrecke s₀ (Zeitpunkt) für die nächste Wartung (Ölwechsel bestimmt werden kann).
Nach der erfindungsgemäßen technischen Lehre soll hierbei auf die direkte Temperaturmessung mittels eines entsprechenden Sensors an der Hinterachse 2 verzichtet werden.
Stattdessen wird die Temperatur T_Öl des Öls 10 rechnerisch bestimmt. Hierzu wird in regelmäßigen Abständen für eine Mehrzahl an Zeitpunkten t_i, i = 0, 1, 2, 3, ... der Wärmestrom in das Öl und der Wärmestrom aus dem Öl berechnet: Q'_in,i = 2π·|M_Mot,i|·n_Mot,i·(1 – η), und Q'_aus,i = α·A·ΔT_i = α·A·(T_Öl,i – T_Um,i), wobei T_Um die Temperatur in einer Umgebung U der Hinterachse 2 ist.
Eingangsgrößen für die Berechnung dieser Wärmeströme sind – neben den Parametern und den berechneten Temperaturen selbst –, Größen, die bereits in einer Einheit (Steuergerät) 3 des Fahrzeuges (LKW etc.) zur Verfügung stehen, nämlich insbesondere das Motordrehmoment M_Mot und die Motordrehzahl n_Mot.
Diese Größen können z. B. über einen CAN-Bus 5 an die Einheit 3 übermittelt werden.
Der Verlauf der Temperatur T_Öl des Öls 10 kann dann schrittweise bestimmt werden. Die jeweilige Temperaturdifferenz in einem Schritt ergibt sich zu (siehe oben): ΔT_ÖL,i = (Q'_in,i – Q'_aus,i)/(m·c_p), i = 0, 1, 2, ...
Die hieraus berechnete Temperatur T_Öl,i des Öls 10 (siehe oben) wird dann zur Bestimmung der Laufstrecke s₀ bis zur nächsten Wartung an einen mit der Einheit 3 kommunizierenden Wartungsrechner 4 übermittelt.
Dieser erstellt gemäß 2 aus den berechneten Temperaturen T_Öl,i eine Belastungszeitfunktion 20 Temperatur T_Öl,i über der Zeit t_i), aus der eine Häufigkeitsverteilung 21 der berechneten Temperaturen T_Öl,i (Temperaturlastkollektiv der Belastungszeitfunktion) automatisch bestimmt wird, und zwar mittels
wobei Sz(s) eine Schadigungsziffer darstellt (Summation über i), und wobei Δt_i die Betriebsdauer auf dem i-ten Temperaturniveau (Klasse gemäß Häufigkeitsverteilung 21) ist und T_i die maximale Betriebsdauer auf jener Klasse, die an der Öllebensdauerkurve 22 abzulesen ist.
Die progressive Laufstrecke s₀ bis zum Ölwechsel bzw. bis zur Wartung, wird dann mittels s₀ = s / Sz(s) durch den Wartungsrechner 4 berechnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10200826553 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Berechnen der Temperatur eines Öls in einer Fahrzeugachse, insbesondere Hinterachse, aufweisend die Schritte: – Berechnen eines Wärmestromes (Q'_in) in das Öl (10) in Abhängigkeit von zumindest dem Motordrehmoment (M_Mot) und der Motordrehzahl (n_Mot) eines Motors des Fahrzeuges, – Berechnen eines Wärmestromes (Q'_aus) aus dem Öl (10) in Abhängigkeit von zumindest der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und der Umgebungstemperatur (T_Um) in einer Umgebung (U) der Fahrzeugachse (2), – Berechnen der Temperatur (T_Öl) des Öls (10) in Abhängigkeit von der Differenz zwischen dem Wärmestrom (Q'_in) in das Öl und dem Wärmestrom (Q'_aus) aus dem Öl.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom (Q'_in) in das Öl (10) mit Hilfe der Relation Q'_in = 2π·|M_mot|·n_Mot·(1 – η) berechnet wird, wobei η der Wirkungsgrad der Fahrzeugachse (2) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom (Q'_aus) aus dem Öl mit Hilfe der Relation Q'_aus = α·A·ΔT, berechnet wird, wobei α = f(v) eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) ist, wobei A eine Konstante, insbesondere eine Oberfläche eines Getriebes des Fahrzeuges, ist, und wobei ΔT = T_Öl – T_Um die Differenz zwischen der Temperatur T_Öl des Öls (10) und der Umgebungstemperatur (T_Um) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeströme (Q'_aus, Q'_in) zu einer Mehrzahl an aufeinander folgenden Zeitpunkten (t_i) berechnet werden, wobei für jeden Zeitpunkt (t_i) die Änderung ΔT_ÖL,i der Temperatur (T_Öl,i) des Öls (10) mit Hilfe der Relation ΔT_ÖL,i = (Q'_in,i – Q'_aus,i)/(m·c_p), i = 0, 1, 2, ... berechnet wird, wobei Q'_in,i der Wärmestrom in das Öl und Q'_aus,i der Wärmestrom aus dem Öl zum Zeitpunkt t_i ist, und wobei m·c_p die thermische Masse des Öls und eines Getriebes des Fahrzeuges ist, und wobei insbesondere die Temperatur T_Öl,i des Öls (10) zum Zeitpunkt t_i (i = 0, 1, 2, ...) mit Hilfe der Relation T_Öl,i+1 = T_Öl,i + ΔT_ÖL,i, berechnet wird, wobei insbesondere eine Startemperatur T_Öl,0 eine gemessene Getriebeöltemperatur ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils berechnete Temperatur T_Öl,i des Öls (10) gespeichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass aus den zu den einzelnen Zeitpunkten t_i berechneten Temperaturen T_Öl,i des Öls (10) ein Temperaturlastkollektiv (21) ermittelt wird, das angibt, wie häufig eine bestimmte Temperatur T_Öl,i des Öls (10) berechnet wurde.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Temperaturlastkollektivs (21) und der von der Temperatur des Öls abhängenden Öllebensdauer (22) ein Zeitpunkt für den nächsten Ölwechsel bestimmt wird.
System zum Berechnen der Temperatur eines Öls in einer Fahrzeugachse, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit: – einer Einheit (3), insbesondere in Form eines Steuergerätes des Fahrzeuges, die dazu ausgebildet ist, einen Wärmestrom (Q'_in) in das Öl in Abhängigkeit von zumindest dem Motordrehmoment (M_Mot) und der Motordrehzahl (n_Mot) eines Motors des Fahrzeuges und einen Wärmestrom (Q'_aus) aus dem Öl in Abhängigkeit von zumindest der Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und der Umgebungstemperatur (T_Um) in einer Umgebung (U) der Fahrzeugachse (2) zu berechnen, – wobei jene Einheit (3) dazu ausgebildet ist, die Temperatur (T_Öl) des Öls (10) in Abhängigkeit der Differenz zwischen dem Wärmestrom (Q'_in) in das Öl und dem Wärmestrom (Q'_aus) aus dem Öl zu berechnen, und – wobei insbesondere die Einheit (3) dazu ausgebildet ist, das Motordrehmoment (M_Mol), die Motordrehzahl (n_Mot), die Fahrzeuggeschwindigkeit (v) und/oder die Umgebungstemperatur (T_Um) über einen CAN-Bus (5) zu empfangen.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) einen Wartungsrechner (4) umfasst, wobei die Einheit (3) dazu ausgebildet ist, die berechneten Temperaturen (T_Öl) des Öls (10) an den Wartungsrechner (4) zu übermitteln, der aus jenen Temperaturen (T_Öl) ein Temperaturlastkollektiv (21) ermittelt, welches angibt, wie häufig eine bestimmte Temperatur des Öls (10) berechnet wurde.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wartungsrechner (4) in Abhängigkeit des Temperaturlastkollektivs (21) und der von der Temperatur (T_Öl) des Öls (10) abhängenden Öllebensdauer (22) einen Zeitpunkt für den nächsten Ölwechsel bestimmt.