DE102012221954A1

DE102012221954A1 - Gaserkennungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012221954A1
Application number: DE201210221954
Authority: DE
Inventors: Katharina Michalik; Martin Wegscheider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gaserkennungsvorrichtung mit einer Leitung (11) für Hydraulikflüssigkeit (12), wobei die Leitung (11) mit einer Drossel (14) versehen ist. Erfindungsgemäß ist stromabwärts an der Drossel (14) ein erster Drucksensor (20) zur Messung des Druckes der Hydraulikflüssigkeit (12) an der Leitung (11) angebracht, welcher an eine Steuereinrichtung (23) angeschlossen ist, wobei die Steuereinrichtung (23) ein Anzeigemittel (24) aufweist, mit dem die Anwesenheit von Gas (13) in der Hydraulikflüssigkeit (12) angezeigt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaserkennungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zu deren Betrieb.
Aus der DE 10 2011 011 348 A1 ist eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Leitung für Hydraulikflüssigkeit, die mit einer Drossel versehen ist. Die Drossel ist in Form eines 2/2-Wegeventils ausgebildet, so dass deren Strömungswiderstand verstellbar ist.
Die bekannte Vorrichtung dient zur Erkennung von Kavitation in einer Hydraulikflüssigkeit. Kavitation tritt auf, wenn der Druck der Hydraulikflüssigkeit stark herabgesetzt wird. Dies geschieht beispielsweise aufgrund des Bernoulli-Effekts, wenn die Hydraulikflüssigkeit auf eine hohe Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt wird. Dabei verdampft die Hydraulikflüssigkeit aufgrund des sehr geringen Druckes. Durch die Gasblasen in der Hydraulikflüssigkeit wird die gewünschte, im Wesentlichen starre Kraftübertragung im Hydrauliksystem unmöglich gemacht. Wenn der Druck wieder ansteigt, implodieren die Gasblasen, was starke Druckschwankungen in der Hydraulikflüssigkeit verursacht, welche zu Beschädigungen am Hydrauliksystem oder gar zu dessen Zerstörung führen können.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem von gelöstem Gas, insbesondere gelöster Umgebungsluft, in der Hydraulikflüssigkeit. Auch dieses gelöste Gas kann in die ungelöste Form übergehen, so dass Gasblasen in der Hydraulikflüssigkeit entstehen. Dieser Effekt findet jedoch bereits bei einem sehr viel höheren Druck statt als die Kavitation und ist dementsprechend gefährlicher. Um dieses Problem zu bekämpfen sind Luftabscheider bekannt, welche jedoch teuer sind und Bauraum benötigen. Weiter kann die Hydraulikflüssigkeit in regelmäßigen Abständen gewechselt werden, um das Gas aus dem Hydrauliksystem zu entfernen. Dies ist teuer und zeitaufwändig.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Gaseinschluss, insbesondere den Lufteinschluss, in einer Hydraulikflüssigkeit zu erkennen. Die entsprechende Vorrichtung soll besonders einfach aufgebaut sein. Das entsprechende Verfahren soll besonders wenige Verfahrensschritte aufweisen.
Gemäß dem selbständigen Anspruch 1 wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass stromabwärts an der Drossel ein erster Drucksensor zur Messung des Druckes der Hydraulikflüssigkeit an der Leitung angebracht ist, welcher an eine Steuereinrichtung angeschlossen ist, wobei die Steuereinrichtung ein Anzeigemittel aufweist, mit dem die Anwesenheit von Gas in der Hydraulikflüssigkeit angezeigt werden kann. Die Druckmessung findet dementsprechend an einer Stelle in der Leitung statt, an der am ehesten mit dem Auftreten von Gasblasen in der Hydraulikflüssigkeit zu rechnen ist, welche sich auf den Druck der Hydraulikflüssigkeit auswirken. Dementsprechend arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders zuverlässig.
Die Strömungsrichtung der Hydraulikflüssigkeit wird beispielsweise durch eine Pumpe vorgegeben, welche die Hydraulikflüssigkeit, beispielsweise aus einem Tank, ansaugt und über die Leitung zur Drossel fördert. Im Bereich der Drossel weist die Leitung vorzugsweise eine freie Querschnittsfläche auf, die deutlich kleiner, insbesondere wenigstens 70%, als die freie Querschnittsfläche der verbleibenden Leitung ist. Bei dem Anzeigemittel kann es sich beispielsweise um eine elektrische Leitung handeln, über die ein Anzeigesignal an eine übergeordnete Steuerung weitergeleitet wird. Es kann aber auch eine einfache Lampe oder LED vorgesehen sein, die aufleuchtet, wenn Gas in der Hydraulikflüssigkeit erkannt wird.
Wenn Gas in der Hydraulikflüssigkeit erkannt wird, wird die Hydraulikflüssigkeit vorzugsweise ausgewechselt und durch frische Hydraulikflüssigkeit ersetzt. Dieses Auswechseln findet erst statt, wenn es tatsächlich erforderlich ist. Ein vorbeugendes Auswechseln der Hydraulikflüssigkeit in festen Zeitintervallen, die typischerweise kurz gewählt sind, ist nicht mehr erforderlich.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
Stromaufwärts an der Drossel kann ein zweiter Drucksensor zur Messung des Druckes der Hydraulikflüssigkeit an der Leitung angebracht sein, welcher an die Steuereinrichtung angeschlossen ist. Durch die Verwendung zweier Drucksensoren steigt die Zuverlässigkeit der Gaserkennung, insbesondere werden Störungen sicher erkannt.
Stromaufwärts und/oder stromabwärts an der Drossel kann ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Hydraulikflüssigkeit an der Leitung angebracht sein. Die Löslichkeit von Gas in der Hydraulikflüssigkeit hängt nicht nur vom Druck der Hydraulikflüssigkeit, sondern auch von deren Temperatur ab. Dementsprechend kann die Zuverlässigkeit der Gaserkennung durch den vorgeschlagenen Temperatursensor gesteigert werden.
Die Drossel kann einen konstanten Strömungswiderstand aufweisen. Hierdurch ergeben sich konstante Strömungsbedingungen für die Hydraulikflüssigkeit, so dass Gasblasen immer unter den gleichen Druck- und Temperaturbedingungen auftreten. Daher kann ein besonders einfaches Verfahren zur Gaserkennung zur Anwendung kommen. Es ist auch möglich, ein ohnehin vorhandenes Ventil als Drossel zu verwenden, so dass Kosten gespart werden.
Die Anwesenheit von Gas in der Hydraulikflüssigkeit kann angezeigt werden, wenn die Amplitude des Drucksignals des ersten und/oder des zweiten Drucksensors einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt. Vorzugsweise wird das Drucksignal des ersten Drucksensors ausgewertet.
Die Anwesenheit von Gas in der Hydraulikflüssigkeit kann angezeigt werden, wenn die Frequenz des Drucksignals des ersten und/oder des zweiten Drucksensors in einem vorgegebenen Frequenzbereich liegt. Vorzugsweise wird das Drucksignal des ersten Drucksensors ausgewertet.
Der Frequenzgang des Drucksignals des ersten und/oder des zweiten Drucksensors kann bestimmt werden, wobei die Anwesenheit von Gas in der Hydraulikflüssigkeit angezeigt wird, wenn der genannte Frequenzgang von einem vorgegebenen Referenzfrequenzgang abweicht. Der Frequenzgang des Drucksignals kann beispielsweise mit dem Verfahren der Fast Fourier Transformation (FFT) bestimmt werden. Vorzugsweise wird das Drucksignal des ersten Drucksensors ausgewertet.
Die Anwesenheit von Gas in der Hydraulikflüssigkeit kann angezeigt werden, wenn das Drucksignal des ersten und/oder des zweiten Drucksensors von einem vorgegebenen Referenzverhalten abweicht. Vorzugsweise wird das Drucksignal des ersten Drucksensors ausgewertet.
Wenigstens zwei der vorstehend beschriebenen Verfahren können in Kombination angewendet werden. Die Signale des ersten und/oder des zweiten Drucksensors und/oder des Temperatursensors werden vorzugsweise durch weitere Signalverarbeitungsschritte aufbereitet und ausgewertet, beispielsweise mittels neuronaler Netze oder Differentialgleichungen.
Der vorgegebene Schwellwert und/oder der vorgegebene Frequenzbereich und/oder der vorgegebene Referenzfrequenzgang und/oder das vorgegebene Referenzverhalten können abhängig von dem Temperaturmesswert des Temperatursensors vorgegeben werden. Hierdurch sollen dem temperaturabhängigen physikalischen Verhalten der Hydraulikflüssigkeit Rechnung getragen werden, so dass die Zuverlässigkeit der Gaserkennung steigt.
Die Steuervorrichtung umfasst vorzugsweise einen programmierbaren Digitalrechner. Die Signale des ersten und des zweiten Drucksensors und des Temperatursensors werden vorzugsweise mittels eines zugeordneten Analog-Digital-Wandlers in digitale Form gebracht, so dass sie vom Digitalrechner ausgewertet werden können. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorzugsweise in Form eines Programmes in dem Digitalrechner gespeichert.
Die vorliegende Erfindung wird vorzugsweise in hydraulischen Hybridfahrzeugen angewendet, wie sie beispielsweise aus der US 2008/0093152 A1 bekannt sind. Sie kann aber auch in jedem anderen Hydrauliksystem zur Anwendung kommen, beispielsweise in hydraulischen Antrieben, Ölkreisläufen zur Schmierung von Motoren und Komponenten der Kraftstoffförderung.
Mit der vorliegenden Erfindung kann auch Wasser in Hydraulikflüssigkeiten erkannt werden, da dieses bei niedrigem Druck in Form von Wasserdampfblasen, also Gasblasen, in der Hydraulikflüssigkeit vorliegt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es stellt dar:
1 eine grobschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gaserkennungsvorrichtung; und
2 ein Diagramm, in dem die Drucksignale des ersten und des zweiten Drucksensors über die Zeit aufgetragen sind.
1 zeigt eine grobschematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Gaserkennungsvorrichtung 10. Die Gaserkennungsvorrichtung 10 umfasst eine Leitung 11, welche von einer Pumpe 15 in einen ersten 11a und einen zweiten Abschnitt 11b unterteilt wird, wobei sie von einer Drossel 14 in einen zweiten 11b und einen dritten Abschnitt 11c unterteilt wird. In der Leitung 11 fließt Hydraulikflüssigkeit 12, insbesondere Hydrauliköl, welches von der Pumpe 15 über den ersten Abschnitt 11a der Leitung aus einem (nicht dargestellten) Tank in den zweiten Abschnitt 11b der Leitung gefördert wird. Die Hydraulikflüssigkeit 12 fließt also in 1 von links nach rechts. Die Leitung 11 kann als Rohr, als Schlauch oder als Bohrung in einem Block aus Gusseisen oder Stahl ausgebildet sein.
Im zweiten Abschnitt 11b der Leitung ist ein zweiter Drucksensor 21 angebracht, der als zweites Drucksignal p₂ den Druck der dort fließenden Hydraulikflüssigkeit 12 ausgibt. Weiter ist im zweiten Abschnitt 11b ein Temperatursensor 22 angeordnet, der als Temperaturmesswert T die Temperatur der dort fließenden Hydraulikflüssigkeit 12 ausgibt. Der zweite Drucksensor 20 und der Temperatursensor 22 sind dementsprechend stromaufwärts bezüglich der Drossel 14 angeordnet.
Stromabwärts zur Drossel 14 im dritten Abschnitt 11c der Leitung ist ein erster Drucksensor 20 an der Leitung 11 angebracht, der als erstes Drucksignal p₁ den Druck der dort fließenden Hydraulikflüssigkeit 12 ausgibt. Der erste und/oder der zweite Drucksensor 20; 21 können beispielsweise ein Piezoelement umfassen, welches den Druck der Hydraulikflüssigkeit 12 in eine elektrische Spannung umwandelt.
Der erste und der zweite Drucksensor 20; 21 und der Temperatursensor 22 sind an eine Steuereinrichtung 23 angeschlossen. Die Steuereinrichtung 23 umfasst vorzugsweise einen (nicht dargestellten) programmierbaren Digitalrechner, in dem ein Programm zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert ist. Vorzugsweise ist dem ersten und dem zweiten Drucksensor 20; 21 und dem Temperatursensor 22 ein (nicht dargestellter) Analog-Digital-Wandler zugeordnet, welcher die typischerweise analogen Messwerte in Digitalwerte umwandelt, so dass sie vom Digitalrechner weiterverarbeitet werden können. Die Steuereinrichtung 24 umfasst ein Anzeigemittel 24, welches beispielsweise in Form einer elektrischen Leitung ausgebildet ist, über die das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens als das Vorhandensein von Gas in der Hydraulikflüssigkeit an eine übergeordnete Steuerung weitergeleitet werden kann.
Die Pumpe 15 kann an die Steuereinrichtung 23 angeschlossen sein, damit diese im zweiten 11b und dritten Abschnitt 11c der Leitung einen definierten Strömungszustand der Hydraulikflüssigkeit 12 einstellen kann. Die Drossel 14 kann wahlweise als feste Drossel oder als schaltbares Ventil ausgebildet sein. Im zweiten Fall wird die Drossel 14 vorzugsweise elektromagnetisch verstellt und ist höchst vorzugsweise an die Steuereinrichtung 23 angeschlossen. Die Steuereinrichtung 23 kann damit einen definierten Strömungswiderstand der Drossel 14 einstellen.
Befindet sich Gas 13, insbesondere Luft, in ungelöster Form im System, so besteht die Emulsion aus Gas 13 und Hydraulikflüssigkeit 12 aus zwei Komponenten mit unterschiedlichen Kompressionsmodulen bzw. Elastizitäten. Die Elastizität des Gases 13 ist wesentlich höher als die der Hydraulikflüssigkeit 12. Der Anteil an ungelöstem Gas 13 in der Hydraulikflüssigkeit 12 hängt von deren Druck ab, dabei kann die Hydraulikflüssigkeit 12 umso mehr Gas 13 lösen, je höher der Druck ist. Das Gas 13, das nicht gelöst werden kann, liegt in ungelöster Form vor.
Im ersten Abschnitt 11a der Leitung hat die Hydraulikflüssigkeit 12 einen niedrigen Druck, so dass viel ungelöstes Gas 13, das in 1 in Form von Gasbläschen dargestellt ist, vorhanden ist. Im zweiten Abschnitt 11b der Leitung weist die Hydraulikflüssigkeit 12 einen höheren Druck auf, da der von der Pumpe 15 erzeugte Volumenstrom von der Drossel 14 angestaut wird. Demensprechend ist weniger oder kein ungelöstes Gas in der Hydraulikflüssigkeit 12 vorhanden. Soweit die Pumpe 15 konstant fördert, ist das Drucksignal p₂ des zweiten Drucksensors 21 zeitlich im Wesentlichen konstant.
Im dritten Abschnitt 11c der Leitung ist der Druck der Hydraulikflüssigkeit 12 wegen der Reibungsverluste in der Drossel 14 niedriger als im zweiten Abschnitt 11b der Leitung. Daher geht ein Teil des in der Hydraulikflüssigkeit 12 gelösten Gases 13 in die ungelöste Form über. Hierbei vergrößert sich dessen Volumen plötzlich, so dass im dritten Abschnitt 11c der Leitung Druckschwankungen entstehen. Durch Auswertung des Drucksignals p₁ des ersten Drucksensors 20 kann die Steuereinheit 23 diese Druckschwankungen erkennen und damit feststellen, dass zu viel Gas 13 in der Hydraulikflüssigkeit 12 gelöst ist. Mit dem Drucksignal p₂ des zweiten Drucksensors 21 sollen eventuelle Störungen berücksichtigt werden.
2 zeigt ein Diagramm, in dem die Drucksignale p₁; p₂ des ersten und des zweiten Drucksensors 20; 21 über die Zeit t aufgetragen sind. Die Zeit t ist dabei in horizontaler Richtung aufgetragen, wobei die Drucksignale p₁; p₂ in vertikaler Richtung aufgetragen sind. Das Drucksignal p₂ des zweiten Drucksensors 21 ist zeitlich konstant. Das Drucksignal p₁ des ersten Drucksensors 20 schwankt über die Zeit t, wobei der Durchschnittswert des ersten Drucksignals p₁ deutlich unterhalb des ersten Drucksignals p₂ liegt. Die zeitlichen Schwankungen des ersten Drucksignals p₁ sind in 2 nur grobschematisch dargestellt.
Bezugszeichenliste

p₁: erstes Drucksignal des ersten Drucksensors
p₂: zweites Drucksignal des zweiten Drucksensors
T: Temperaturmesswert des Temperatursensors
t: Zeit
10: Gaserkennungsvorrichtung
11: Leitung
11a: erster Abschnitt der Leitung
11b: zweiter Abschnitt der Leitung
11c: dritter Abschnitt der Leitung
12: Hydraulikflüssigkeit
13: Gas
14: Drossel
15: Pumpe
20: erster Drucksensor
21: zweiter Drucksensor
22: Temperatursensor
23: Steuereinrichtung
24: Anzeigemittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011011348 A1 [0002]
US 2008/0093152 A1 [0020]

Claims

Gaserkennungsvorrichtung mit einer Leitung (11) für Hydraulikflüssigkeit (12), wobei die Leitung (11) mit einer Drossel (14) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts an der Drossel (14) ein erster Drucksensor (20) zur Messung des Druckes der Hydraulikflüssigkeit (12) an der Leitung (11) angebracht ist, welcher an eine Steuereinrichtung (23) angeschlossen ist, wobei die Steuereinrichtung (23) ein Anzeigemittel (24) aufweist, mit dem die Anwesenheit von Gas (13) in der Hydraulikflüssigkeit (12) angezeigt werden kann.
Gaserkennungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts an der Drossel (14) ein zweiter Drucksensor (21) zur Messung des Druckes der Hydraulikflüssigkeit (12) an der Leitung (11) angebracht ist, welcher an die Steuereinrichtung (23) angeschlossen ist.
Gaserkennungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts und/oder stromabwärts an der Drossel (14) ein Temperatursensor (22) zur Messung der Temperatur der Hydraulikflüssigkeit (12) an der Leitung (11) angebracht ist.
Gaserkennungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (14) einen konstanten Strömungswiderstand aufweist.
Verfahren zum Betrieb einer Gaserkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwesenheit von Gas (13) in der Hydraulikflüssigkeit (12) angezeigt wird, wenn die Amplitude des Drucksignals (p₁; p₂) des ersten und/oder des zweiten Drucksensors (20, 21) einen vorgegebenen Schwellwert übersteigt.
Verfahren zum Betrieb einer Gaserkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwesenheit von Gas (13) in der Hydraulikflüssigkeit (12) angezeigt wird, wenn die Frequenz des Drucksignals (p₁; p₂) des ersten und/oder des zweiten Drucksensors (20; 21) in einem vorgegebenen Frequenzbereich liegt.
Verfahren zum Betrieb einer Gaserkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzgang des Drucksignals (p₁; p₂) des ersten und/oder des zweiten Drucksensors (20, 21) bestimmt wird, wobei die Anwesenheit von Gas (13) in der Hydraulikflüssigkeit (12) angezeigt wird, wenn der genannte Frequenzgang von einem vorgegebenen Referenzfrequenzgang abweicht.
Verfahren zum Betrieb einer Gaserkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwesenheit von Gas (13) in der Hydraulikflüssigkeit (12) angezeigt wird, wenn das Drucksignal (p₁; p₂) des ersten und/oder des zweiten Drucksensors (20; 21) von einem vorgegebenen Referenzverhalten abweicht.
Verfahren zum Betrieb einer Gaserkennungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei der Verfahren nach Anspruch 5 bis 8 in Kombination angewendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9 zum Betrieb einer Gaserkennungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Schwellwert und/oder der vorgegebene Frequenzbereich und/oder der vorgegebene Referenzfrequenzgang und/oder das vorgegebene Referenzverhalten abhängig von dem Temperaturmesswert (T) des Temperatursensors (22) vorgegeben werden.
Gaserkennungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuervorrichtung (23) zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 5 bis 10 eingerichtet ist.