DE102014200081A1 - Method for detecting a loss of operating medium - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Verlustes von Betriebsmedium in einem Fluidsystem (8), das einen Niederdruckbereich (6) mit einem Niederdruckspeicher (30) und einen Hochdruckbereich (7) mit einem Hochdruckspeicher (40) umfasst. Um das Erfassen von Verlusten von Betriebsmedium in einem Fluidsystem zu vereinfachen und/oder zu verbessern, wird durch die Betrachtung einer Kompressibilität von Fluid im Niederdruckbereich (6) und von Fluid im Hochdruckbereich (7) eine Veränderung eines Gesamtfluidvolumens detektiert, das Hydraulikmedium und Gas umfasst.The invention relates to a method for detecting a loss of operating medium in a fluid system (8) comprising a low-pressure region (6) with a low-pressure accumulator (30) and a high-pressure region (7) with a high-pressure accumulator (40). In order to simplify and / or improve the detection of losses of operating medium in a fluid system, by considering a compressibility of fluid in the low pressure region (6) and fluid in the high pressure region (7), a change in a total fluid volume comprising hydraulic medium and gas is detected ,
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen eines Verlustes von Betriebsmedium in einem Fluidsystem, das einen Niederdruckbereich mit einem Niederdruckspeicher und einen Hochdruckbereich mit einem Hochdruckspeicher umfasst. The invention relates to a method for detecting a loss of operating medium in a fluid system comprising a low-pressure region with a low-pressure accumulator and a high-pressure region with a high-pressure accumulator.
Stand der TechnikState of the art
Bei dem Betriebsmedium handelt es sich zum Beispiel um ein Hydraulikmedium, wie Hydrauliköl, oder um Gas. Die Druckspeicher sind zum Beispiel als Hydrospeicher mit einem Gasvolumen und einem Ölvolumen ausgeführt. Derartige Hydrospeicher können als Kolbenspeicher, als Blasenspeicher oder als Membranspeicher ausgeführt sein. The operating medium is, for example, a hydraulic medium, such as hydraulic oil, or gas. The accumulators are designed for example as a hydraulic accumulator with a gas volume and an oil volume. Such hydraulic accumulators can be designed as a piston accumulator, as a bladder accumulator or as a diaphragm accumulator.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, das Erfassen von Verlusten von Betriebsmedium in einem Fluidsystem, das einen Niederdruckbereich mit einem Niederdruckspeicher und einen Hochdruckbereich mit einem Hochdruckspeicher umfasst, zu vereinfachen und/oder zu verbessern. The object of the invention is to simplify and / or to improve the detection of losses of operating medium in a fluid system comprising a low-pressure region with a low-pressure accumulator and a high-pressure region with a high-pressure accumulator.
Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Erkennen eines Verlustes von Betriebsmedium in einem Fluidsystem, das einen Niederdruckbereich mit einem Niederdruckspeicher und einen Hochdruckbereich mit einem Hochdruckspeicher umfasst, dadurch gelöst, dass durch die Betrachtung einer Kompressibilität von Fluid im Niederdruckbereich und von Fluid im Hochdruckbereich eine Veränderung eines Gesamtfluidvolumens detektiert wird, das Hydraulikmedium und Gas umfasst. Das Hydraulikmedium, insbesondere Hydrauliköl, das verkürzt auch als Öl bezeichnet wird, ist in einem Hydrauliksystem vorhanden, das zusätzlich zu dem Niederdruckspeicher und dem Hochdruckspeicher Hydraulikleitungen und Ventileinrichtungen umfasst. Das Gas ist vorzugsweise auf einer Gasseite der Speicher angeordnet. Durch die Erfassung und Betrachtung der Kompressibilität des Fluids im Niederdruckbereich und im Hochdruckbereich kann vorteilhaft nicht nur erkannt werden, ob ein Verlust an Betriebsmedium vorliegt, sondern es ist besonders vorteilhaft sogar möglich, einen Betriebsmittelverlust zu identifizieren. The object is achieved in a method for detecting a loss of operating medium in a fluid system comprising a low-pressure region with a low-pressure accumulator and a high-pressure region with a high-pressure accumulator, characterized in that by considering a compressibility of fluid in the low pressure region and fluid in the high pressure region, a change a total volume of fluid is detected, comprising hydraulic medium and gas. The hydraulic medium, in particular hydraulic oil, which is also referred to as oil for short, is present in a hydraulic system which, in addition to the low-pressure accumulator and the high-pressure accumulator, comprises hydraulic lines and valve devices. The gas is preferably arranged on a gas side of the storage. By detecting and considering the compressibility of the fluid in the low-pressure region and in the high-pressure region, it can advantageously be detected not only whether there is a loss of operating medium, but it is even particularly advantageous even possible to identify a loss of operating fluid.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass über die Betrachtung der Kompressibilität des Fluids im Niederdruckbereich und des Fluids im Hochdruckbereich zwischen einer Hydraulikmediumleckage und einer Gasleckage unterschieden wird, wobei ein Hydraulikmediumvolumen im Niederdruckbereich und im Hochdruckbereich modellbasiert überwacht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhaft vorhandene Drucksensoren nutzen. A preferred embodiment of the method is characterized in that a distinction is made between the consideration of the compressibility of the fluid in the low-pressure region and the fluid in the high-pressure region between a hydraulic medium leakage and a gas leakage, wherein a hydraulic medium volume in the low-pressure region and the high-pressure region is monitored model-based. The inventive method can advantageously use existing pressure sensors.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Simulationsmodell anhand von Eingangs- und Ausgangsgrößen sowie anhand von gemessenen und/oder berechneten Zustandsgrößen die Hydraulikmediumvolumina im Niederdruckspeicher und im Hochdruckspeicher ermittelt werden. Daraus kann vorteilhaft auf einen möglichen Verlust an Betriebsmedium geschlossen werden. A further preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the hydraulic medium volumes in the low-pressure accumulator and in the high-pressure accumulator are determined with the aid of a simulation model on the basis of input and output variables and on the basis of measured and / or calculated state variables. This can be concluded advantageous to a possible loss of operating medium.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass anhand einer Systemreaktion zwischen einem Gasverlust und einem Hydraulikmediumverlust differenziert wird. Dabei kann vorteilhaft auch der Ort, an welchem der Verlust auftritt, eingegrenzt werden. Insbesondere kann festgestellt werden, ob ein Defekt an einem der Hydrospeicher vorliegt. A further preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that a differentiation is made between a gas loss and a hydraulic medium loss on the basis of a system reaction. In this case, advantageously, the location at which the loss occurs can be limited. In particular, it can be determined whether there is a defect in one of the hydraulic accumulators.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren an einem Fluidsystem eines hydrostatischen Fahrantriebs mit mindestens einem Hydrostaten angewendet wird, um Verluste von Betriebsmedium zu erkennen, insbesondere zu identifizieren. Bei dem hydrostatischen Fahrantrieb handelt es sich zum Beispiel um ein Fahrzeug, das rein hydrostatisch angetrieben wird. Besonders bevorzugt handelt es sich aber um ein Fahrzeug, das den hydrostatischen Fahrantrieb zusätzlich zu einem verbrennungsmotorischen Antrieb umfasst. Ein derartiges Fahrzeug wird auch als Hydraulikhybridfahrzeug mit einem Hydraulikhybridantriebsstrang bezeichnet. A further preferred embodiment of the method is characterized in that the method is applied to a fluid system of a hydrostatic drive with at least one hydrostat to detect losses of operating medium, in particular to identify. The hydrostatic drive is, for example, a vehicle that is driven purely hydrostatically. However, it is particularly preferably a vehicle that includes the hydrostatic drive in addition to an internal combustion engine drive. Such a vehicle is also referred to as a hydraulic hybrid vehicle having a hydraulic hybrid powertrain.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruckspeicher, der Hochdruckspeicher, der Hydrostat und Fluidleitungen des Fluidsystems mit einem nicht-linearen Zustandsraum-Modell modelliert werden, wobei eine hydraulische Kapazität des Hydraulikmediumvolumens mit Hilfe eines Schätzalgorithmus kontinuierlich ermittelt wird. Ein Zustandsbeobachter ergänzt das Modell vorteilhaft. Aufgrund des modellbasierten Ansatzes ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr robust. A further preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the low-pressure accumulator, the high-pressure accumulator, the hydrostat and fluid lines of the fluid system are modeled with a non-linear state space model, wherein a hydraulic capacity of the hydraulic medium volume is determined continuously with the aid of an estimation algorithm. A state observer adds the model advantageous. Due to the model-based approach, the inventive method is very robust.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Sollwert-Überwachung der hydraulischen Kapazität unterschieden wird, ob eine Gasleckage oder eine Hydraulikmediumleckage vorliegt. Eine Eingrenzung, an welchem der beiden Speicher ein Gasverlust auftritt, kann im Stillstand vorteilhaft über eine Betrachtung der isochoren Zustandsänderung des Gases erfolgen. A further preferred embodiment of the method is characterized in that it is distinguished by means of a nominal value monitoring of the hydraulic capacity, whether a gas leak or a hydraulic medium leakage is present. A limitation at which the two memory gas loss occurs, can take place at standstill advantageous over a consideration of the isochoric state change of the gas.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Hydraulikmediumleckage identifiziert wird, wobei mit Hilfe eines Schätzalgorithmus die Größe und/oder der Ort der Hydraulikmediumleckage bestimmt werden/wird. In der folgenden ausführlichen Beschreibung sind fünf Formeln angegeben und erläutert, die bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft verwendet werden. A further preferred embodiment of the method is characterized in that a hydraulic medium leakage is identified, wherein the size and / or the location of the hydraulic medium leakage is / are determined with the aid of an estimation algorithm. In the following detailed description, five formulas are given and explained, which are advantageously used in carrying out the method according to the invention.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Bei dem Computer handelt es sich zum Beispiel um ein Steuergerät, das in ein Kraftfahrzeug integriert ist. Das Steuergerät wird auch als elektrische Kontrolleinheit beziehungsweise elektronische Kontrolleinheit bezeichnet. The invention further relates to a computer program product comprising a computer program having software means for performing a previously described method when the computer program is executed on a computer. The computer is, for example, a control unit that is integrated in a motor vehicle. The control unit is also referred to as an electrical control unit or electronic control unit.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Steuergerät mit einem derartigen Computerprogrammprodukt. Das Steuergerät ist vorzugsweise in ein Kraftfahrzeug eingebaut. Bei dem Kraftfahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Hydraulikhybridfahrzeug mit einem Hydraulikhybridantrieb, dem das vorab beschriebene Hydrauliksystem zugeordnet ist. The invention further relates to a control device with such a computer program product. The control unit is preferably installed in a motor vehicle. The motor vehicle is, in particular, a hydraulic hybrid vehicle with a hydraulic hybrid drive, to which the hydraulic system described above is assigned.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description in which, with reference to the drawings, various embodiments are described in detail.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Es zeigen: Show it:
In
Der verbrennungsmotorische Antrieb ist zum Beispiel als Brennkraftmaschine
Der durch die Brennkraftmaschine
Der Niederdruckbereich
Der hydrostatische Fahrantrieb
Die Hydrostaten
Der Niederdruckbereich
Der Hochdruckbereich
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, mit welchem Verluste der Betriebsmedien des hydrostatischen Fahrantriebs
Vorteilhaft kommt eine modellbasierte Überwachung des Ölvolumens
Auf Basis der zugrunde liegenden physikalischen Zusammenhänge ist es möglich, anhand der Systemreaktion zwischen einem Gas- und einem Ölverlust zu differenzieren. Mit Hilfe einer anschließenden Parameterschätzung kann der Verlust weiterhin genügend genau quantifiziert und eine Entscheidung über eine mögliche Gefährdung der Umwelt getroffen werden. Based on the underlying physical relationships, it is possible to differentiate between a gas and an oil loss based on the system reaction. With the help of a subsequent parameter estimation the loss can be further quantified with sufficient accuracy and a decision about a possible endangerment of the environment can be made.
In dem in
Für ein passendes nichtlineares Zustandsraum-Modell wurden der Hoch und Niederdruckspeicher
- ΔVH/L
- Öl-Volumen im Hoch-(Index H) bzw. Niederdruckspeicher (Index L)
- pmin
- Minimal zulässiger Betriebsdruck
- Vmin
- Gas-Volumen bei pmin
- pH/L
- Druck im Hoch-(Index H) bzw. Niederdruckspeicher (Index L)
- κ
- Adiabatenkoeffizient des Gases
- ΔV H / L
- Oil volume in high (index H) or low pressure storage (index L)
- p min
- Minimum permissible operating pressure
- V min
- Gas volume at p min
- p H / L
- Pressure in high (index H) or low pressure accumulator (index L)
- κ
- Adiabatic coefficient of the gas
Das Simulations-Modell in Kombination mit einem Zustandsbeobachter erlaubt es, selbst bei verrauschten Messsignalen, eine zuverlässige Aussage bezüglich des aktuellen Öl-Volumens in den Speichern treffen zu können. Auch können nichtmodellierte Systemdynamiken oder komplexere physikalische Zusammenhänge erfasst und berücksichtigt werden.The simulation model in combination with a state observer makes it possible, even with noisy measurement signals, to be able to make a reliable statement regarding the current oil volume in the storages. Also, unmodeled system dynamics or more complex physical relationships can be captured and considered.
Zur Detektion des Verlustes der Betriebsmedien ist eine Betrachtung der Öl-Volumina im Hoch- und Niederdruckspeicher
Das addierte Öl-Volumen Vgesamt, Formel 2a, ist im fehlerfreien Fall nahezu konstant. Geringe Volumenänderungen sind auf das Kompressibilitätsmodul des Fluids zurückzuführen. Es müssen zwei verschiedene Fälle betrachtet werden.The total oil volume V added, formula 2a, is almost constant in the error-free case. Small volume changes are due to the compressibility modulus of the fluid. Two different cases have to be considered.
Im ersten Fall, dass das Öl aus dem System in Folge eines Lecks in die Umwelt fließt, ist mit einer signifikanten Abnahme des Volumens Vgesamt zu rechnen. In the first case that the oil flows out of the system as a result of a leak into the environment, a significant decrease in the volume V total is expected.
Gleichzeitig wird der Druck in den Speichern
Im zweiten Fall, dass das Gas aus dem System in Folge eines Lecks in die Umwelt entweicht, ist dagegen mit keiner Änderung des Öl-Volumens zu rechnen. Allerdings kann unter der Annahme, dass die Gas-Leckage keinen Einfluss auf das Volumen und die Temperatur des Systems hat, mit einem abnehmenden Druck im Speicher gerechnet werden. Da weiterhin von einer adiabatischen Druck-Volumen-Beziehung während der Lade- und Entladevorgänge ausgegangen werden kann, sinkt das modellierte Vgesamt ebenfalls bei einer Gas-Leckage.In the second case, however, that the gas escapes from the system as a result of a leak in the environment, on the other hand, is to expect no change in the oil volume. However, assuming that the gas leakage does not affect the volume and temperature of the system, a decreasing pressure in the reservoir can be expected. Furthermore, since an adiabatic pressure-volume relationship can be assumed during charge and discharge operations, the modeled total also decreases in the event of gas leakage.
Folglich kann anhand der signifikanten Abnahme des rechnerischen Systemvolumens Vgesamt ein Verlust der Betriebsmittel, Öl und Gas, in die Umwelt sicher detektiert werden.Consequently, based on the significant decrease in the overall system volume V, loss of resources, oil and gas, into the environment can be reliably detected.
In beiden Fällen sinkt das berechnete Volumen ab dem Zeitpunkt einer Leckage. Eine Unterscheidung, welches Betriebsmittel in die Umwelt entweicht, ist mit dieser Betrachtung noch nicht möglich.In both cases, the calculated volume decreases from the time of a leak. A distinction which escapes resources into the environment, is not possible with this consideration.
Zur Bestimmung, welches Betriebsmittel in die Umwelt verloren geht, ist es notwendig, die hydraulische Kapazität kontinuierlich zu berechnen. To determine which resource is lost to the environment, it is necessary to continuously calculate the hydraulic capacity.
Für die Bestimmung der hydraulischen Kapazität Chydr., Formel 2b, kommt ein Schätz-Algorithmus (Rekursive Least Squares, kurz RLS) zum Einsatz. Zur Verbesserung der Dynamik werden neue Messwerte stärker gewichtet. Eine Änderung wird so schneller erkannt. Mittels einer Sollwert-Überwachung der hydraulischen Kapazität kann eine Gas-Leckage sicher von einer Öl-Leckage unterschieden werden.For the determination of the hydraulic capacity C hydr. , Formula 2b, an estimation algorithm (Recursive Least Squares, short RLS) is used. To improve the dynamics new measurements are weighted more. A change is detected faster. By means of a nominal value monitoring of the hydraulic capacity, a gas leakage can be reliably distinguished from an oil leakage.
Eine Eingrenzung, an welchem der beiden Speicher ein Gas-Verlust auftritt, kann im Stillstand über eine Betrachtung der isochoren Zustandsänderung des Gases erfolgen. Im fehlerfreien Fall muss Formel 3 erfüllt sein. A limitation at which the two memory gas loss occurs, can be done at a standstill on a consideration of the isochoric state change of the gas. In the error-free case,
Sollte dies nicht erfüllt sein, kann der Verlust auf den Hoch- oder Niederdruckspeicher begrenzt werden.If this is not the case, the loss can be limited to the high or low pressure accumulator.
Eine Beispielrechnung zur Verdeutlichung der Größenordnung ist in den
In
Die beschreiben Effekte sind deutlich zu erkennen. In beiden Fällen nimmt Vgesamt ab. Es ist eine Leckage von ca. 0,3 Litern ab der Zeit t = 200 sec zu verzeichnen.The described effects are clearly visible. In both cases V decreases overall . There is a leakage of about 0.3 liters from the time t = 200 sec recorded.
Betrachtet wurde ein Fahrzeug, welches zuerst gleichmäßig von 0km/h auf 80km/h bei zu Beginn vollgeladenem Hochdruckspeicher beschleunigt. Considered a vehicle, which first accelerates evenly from 0km / h to 80km / h with fully loaded high-pressure accumulator.
Anschließend fährt es mit gleichbleibender Geschwindigkeit (nicht dargestellt). Zum Schluss bremst das Fahrzeug gleichmäßig von 80km/h auf 0km/h.Then it drives at a constant speed (not shown). Finally, the vehicle brakes evenly from 80km / h to 0km / h.
Sofern durch die hydraulische Kapazitätsbestimmung eine Gas-Leckage des Systems ausgeschlossen werden kann, ist es möglich, die vorhandene Öl-Leckage zu identifizieren. Hierfür wird ebenfalls ein RLS-Algorithmus verwendet. Ab dem Zeitpunkt der Detektion eines Verlustes an Betriebsmittelen werden mittels des RLS die Koeffizienten zur Identifikation kLE_H und kLE_L und Eingrenzung der Leckage genutzt. Für eine Öl-Leckage gilt:
- qGesamt
- Zeitliche Änderung des addierten Öl-Volumens
- p0
- Umgebungsdruck
- kLE_H/L
- Leckage-Koeffizient auf Hoch-(Index H) bzw. Niederseite (Index L)
- q total
- Time change of the added oil volume
- p 0
- ambient pressure
- k LE_H / L
- Leakage coefficient on high (index H) or low side (index L)
Mit Hilfe einer RLS-Schätzung können die Parameter für die Leckage bestimmt werden. Mit Hilfe der Parameter kann eine Aussage über die Größe und den Ort der Öl-Leckage getroffen werden.Using an RLS estimate, the parameters for the leakage can be determined. With the help of the parameters, a statement about the size and the location of the oil leakage can be made.
Für den RLS-Algorithmus werden der Parametervektor Θ = [kLE_HP kLE_LP]T, der Messvektorund der Lösungsvektor y = qLeckage_Gesamt(k) benötigt.For the RLS algorithm, the parameter vector Θ = [k LE_HP k LE_LP ] T , the measurement vector and the solution vector y = q leakage_total (k) is needed.
In
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