DE102017003247A1

DE102017003247A1 - Verfahren zur Überwachung eines kupplungsgesteuerten Luftkompressors eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102017003247A1
Application number: DE102017003247.5A
Authority: DE
Inventors: Steffen Krebs; Christoph Wilken
Original assignee: Wabco GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Hannover GmbH
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-10-04
Also published as: WO2018184849A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines kupplungsgesteuerten Luftkompressors (1) eines Fahrzeugs, bei dem in einer Förderphase des Luftkompressors (1) wenigstens folgende Schritte durchgeführt werden:(a) Erfassen der aktuellen Motordrehzahl (n_Motor) des Antriebsmotors (3) und Bestimmen der Kupplungseingangsdrehzahl (n_Kupplungseingang) aus der erfassten Motordrehzahl (n_Motor) sowie gegebenenfalls einer festen Übersetzung (i) eines Getriebes (5) zwischen der Antriebswelle (6) und der Kupplungseingangsseite (4),(b) Ermitteln der aktuellen Kompressordrehzahl (n_Kompressor) mittels einer Druckverlaufsanalyse des durch den Luftkompressor (1) erzeugten Luftdrucks,(c) Bestimmen der Kupplungsausgangsdrehzahl (n_Kupplungsausgang) aus der ermittelten Kompressordrehzahl (n_Kompressor) und gegebenenfalls einer festen Übersetzung zwischen der Kupplungsausgangsseite (7) und der Kompressoreingangswelle (8),(d) Vergleichen der Kupplungseingangsdrehzahl (n_Kupplungseingang) mit der Kupplungsausgangsdrehzahl (n_Kupplungsausgang) durch Bilden der Drehzahldifferenz (n_Schlupf) gemäß n_Schlupf = n_Kupplungseingang - n_Kupplungsausgang,(e) Vorgeben eines Schlupfgrenzwertes n_Schlupf_lim > 0 für die Kompressorkupplung (2),(f) Erkennen von Kupplungsschlupf der Kompressorkupplung (2), wenn die ermittelte Drehzahldifferenz (n_Schlupf) größer ist als der Schlupfgrenzwert (n_Schlupf_lim) [n_Schlupf > = n_Schlupf_lim], und(g) Erzeugen sowie Ausgeben eines Warnsignals und/oder einer Serviceanzeige bei erkanntem Kupplungsschlupf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines kupplungsgesteuerten Luftkompressors eines Fahrzeugs, bei dem der Luftkompressor in Förderphasen zur Drucklufterzeugung für eine elektronische Luftaufbereitungseinheit des Fahrzeugs durch einen Antriebsmotor angetrieben wird und außerhalb der Förderphasen durch eine steuerbare Kompressorkupplung von dem Antriebsmotor abgekoppelt ist, wobei die Kompressorkupplung als Reibungskupplung ausgebildet und zwischen dem Antriebsmotor und dem Luftkompressor angeordnet ist, und wobei eine Kupplungseingangsseite der Kompressorkupplung mit einer Antriebswelle des Antriebsmotors sowie eine Kupplungsausgangseite der Kompressorkupplung mit einer Kompressoreingangswelle des Luftkompressors mittelbar oder unmittelbar verbunden ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Luftkompressor, mit dem ein solches Verfahren durchführbar ist.
Elektronische Luftaufbereitungseinheiten werden in Kraftfahrzeugen, überwiegend in Nutzfahrzeugen, zur Druckluftversorgung pneumatischer Systeme genutzt. Derartige Luftaufbereitungseinheiten sind üblicherweise in unterschiedliche Luftkreise unterteilt und dienen beispielsweise dem Betrieb von Bremsanlagen und verschiedenen Nebenverbrauchern, wie beispielsweise einer Kupplung oder einem Getriebe, oder einer Luftfederanlage. Zur Drucklufterzeugung wird ein Luftkompressor eingesetzt, der, gesteuert durch die Luftaufbereitungseinheit, aus der Atmosphäre angesaugte Luft verdichtet. Die Luftaufbereitungseinheit schaltet zwischen Förderphasen, in denen Druckluft benötigt wird, und Leerlaufphasen, in denen der Kompressor antriebslos oder drucklos geschaltet ist, um. Die geförderte Druckluft wird bedarfsweise, geregelt durch die Luftaufbereitungseinheit, den verschiedenen pneumatischen Verbrauchern des Fahrzeugs zur Verfügung stellt.
Der Luftkompressor kann direkt an einen Verbrennungsmotors des Fahrzeugs angeflanscht und von diesem angetrieben werden. Hierzu ist der Luftkompressor über ein Zahnradgetriebe oder einen Zugmitteltrieb entweder ständig mit der Antriebswelle des Motors verbunden oder durch eine steuerbare Kompressorkupplung von der Antriebswelle abkoppelbar.
Die DE 10 2010 033 539 A1 und die DE 10 2011 100 512 A1 beschreiben beispielhaft Verfahren zur Steuerung von Druckluftsystemen für Nutzfahrzeuge mit Kompressoren, welche mit dem Antriebsmotor gekoppelt oder über eine Kupplung koppelbar sein können.
Die von dem Luftkompressor verdichtete Luft wird in einem Druckluftspeicher gespeichert. Sobald der Druck in dem Speicher ein Maximum erreicht, schaltet die Luftaufbereitungseinheit den Förderbetrieb aus. Wenn der Druck in dem Druckluftspeicher ein Minimum erreicht, schaltet die Luftaufbereitungseinheit den Luftkompressor zurück in den Förderbetrieb. Dann durchläuft der Kompressor einen erneuen Zyklus, um den Speicher wieder aufzufüllen. Zwischen den Zyklen läuft ein ständig antriebsverbundener Luftkompressor über eine Ventilsteuerung drucklos mit, ein kupplungsgeregelter Luftkompressor wir hingegen vom Antrieb abgekoppelt und läuft nicht mit. Kupplungsgeregelte Luftkompressoren haben den Vorteil, dass durch das vollständige Abkoppeln des Luftkompressors in denjenigen Phasen, in denen keine Luftverdichtung erforderlich ist, eine vergleichsweise größere Energieeinsparung beim Antriebsmotor erreicht werden kann.
Allerdings ist die Nutzungsdauer einer als Reibungskupplung ausgebildeten Kompressorkupplung durch den betriebsbedingten Verschleiß an der Kupplungsscheibe begrenzt. Am Ende dieser Nutzungsdauer beginnt die Kupplung zu schlupfen. Das ist derjenige Zeitpunkt, zu dem die Kupplung ausgetauscht werden sollte, um einem Ausfall des Luftkompressors sowie mögliche Folgeschäden und Kosten für unplanmäßige Fahrzeugstopps zuvorzukommen. Wenn es zu einem Versagen des Luftkompressors aufgrund von Kupplungsverschleiß kommt, geschieht dies plötzlich und ohne jede Warnung für den Fahrer des Fahrzeugs. Das Fahrzeug muss dann gegebenenfalls zur nächsten Werkstatt abgeschleppt werden.
Aus der DE 10 2008 005 437 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Systems aus einem Kompressor, einem Steuergerät und einer dem Kompressor zugeordneten Kupplung bekannt, bei dem eine Überwachungsroutine ausgeführt wird, in deren Rahmen die Kupplung mittels eines Signals des Steuergeräts geöffnet oder geschlossen werden kann, um eine Beschädigung von Kupplung, Kompressor und dem Kompressor nachgeordneten Komponenten zu vermeiden. Im Rahmen der Überwachungsroutine kann ein Schlupf der geschlossenen Kupplung mittels einer Überwachung der Kompressordrehzahl erkannt werden. Bei der bekannten Schlupfüberwachung wird zunächst geprüft, ob die Kupplung seit einer bestimmten Zeitspanne geschlossen ist. Danach wird geprüft, ob die aktuelle Kompressordrehzahl ungleich einer erwarteten Kompressordrehzahl plus/minus einem Toleranzwert ist. Anschließend wird geprüft, ob die Differenz aus der aktuellen Kompressordrehzahl und der erwarteten Kompressordrehzahl plus/minus dem Toleranzwert innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls anwächst und gegebenenfalls überprüft, ob ein Zähler größer als ein maximal erlaubter Wert für diesen Zähler ist. Falls ja, wird ein optisches oder akustisches Warnsignal an einem Display ausgegeben.
Vor diesem Hintergrund lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem die Betriebssicherheit eines kupplungsgesteuerten Luftkompressors erhöht wird und das zudem kostengünstig implementierbar sowie einfach betreibbar ist. Insbesondere soll ein drohender, verschleißbedingter Ausfall einer Kompressorkupplung frühzeitig erkannt werden. Dabei soll das Verfahren ohne zusätzlichen Aufwand für eine Drehzahlsensorik des Luftkompressors auskommen. Insbesondere soll das Verfahren an Luftkompressoren für Luftaufbereitungseinheiten in Nutzfahrzeugen durchführbar sein.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem reibungskupplungsgesteuerten Luftkompressor ein einwandfreier Druckluftförderbetrieb von der korrekten Funktion der Kompressorkupplung abhängt. Demnach wird die Luftverdichtung im Förderbetrieb durch eine verschleißbedingte Beeinträchtigung der Drehmomentübertragungsfähigkeit der Kompressorkupplung beeinflusst und gestört. Am Ende ihrer Nutzungsdauer beginnt die Kupplung zu schlupfen. Ist die Kupplung verschlissen, dreht sie ohne Vorwarnung durch und der Kompressor kann nicht mehr angetrieben werden, und er ist dadurch nicht weiter fähig, Druckluft dem Fahrzeug zur Verfügung zu stellen. Ein beginnender Kupplungsschlupf zeichnet sich jedoch schon vor einem Totalausfall der Kupplung ab, wenn die Kompressordrehzahl gegenüber der Motordrehzahl zurückbleibt und/oder das maximal übertragbare Drehmoment der Kompressorkupplung abnimmt. Dies kann ohne direkte Erfassung der Kompressordrehzahl anhand einer Betrachtung des Druckverlaufs bei einer regulären und/oder bei einer testweise verändert durchgeführten Luftverdichtung in einem der Luftkreise der Luftaufbereitungseinheit des Fahrzeugs erkannt und per Warnsignal dem Fahrer mitgeteilt werden.
Die Erfindung geht daher aus von einem Verfahren zur Überwachung eines kupplungsgesteuerten Luftkompressors eines Fahrzeugs, bei dem der Luftkompressor in Förderphasen zur Drucklufterzeugung für eine elektronische Luftaufbereitungseinheit des Fahrzeugs durch einen Antriebsmotor angetrieben wird und außerhalb der Förderphasen durch eine steuerbare Kompressorkupplung von dem Antriebsmotor abgekoppelt ist, wobei die Kompressorkupplung als Reibungskupplung ausgebildet und zwischen dem Antriebsmotor und dem Luftkompressor angeordnet ist, und wobei eine Kupplungseingangsseite der Kompressorkupplung mit einer Antriebswelle des Antriebsmotors sowie eine Kupplungsausgangseite der Kompressorkupplung mit einer Kompressoreingangswelle des Luftkompressors mittelbar oder unmittelbar verbunden ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, dass in einer Förderphase des Luftkompressors wenigstens folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

(a) Erfassen der aktuellen Motordrehzahl (n_Motor) des Antriebsmotors und Bestimmen der Kupplungseingangsdrehzahl (n_Kupplungseingang) aus der erfassten Motordrehzahl (n_Motor) sowie gegebenenfalls einer festen Übersetzung (i) eines Getriebes zwischen der Antriebswelle und der Kupplungseingangsseite,
(b) Ermitteln der aktuellen Kompressordrehzahl (n_Kompressor) mittels einer Druckverlaufsanalyse des durch den Luftkompressor erzeugten Luftdrucks,
(c) Bestimmen der Kupplungsausgangsdrehzahl (n_Kupplungsausgang) aus der ermittelten Kompressordrehzahl (n_Kompressor) und gegebenenfalls einer festen Übersetzung zwischen der Kupplungsausgangsseite und der Kompressoreingangswelle,
(d) Vergleichen der Kupplungseingangsdrehzahl (n_Kupplungseingang) mit der Kupplungsausgangsdrehzahl (n_Kupplungsausgang) durch Bilden der Drehzahldifferenz (n_Schlupf) gemäß der Gleichung n_Schlupf = n_Kupplungseingang - n_Kupplungsausgang,
(e) Vorgeben eines Schlupfgrenzwertes n_Schlupf_lim > 0 für die Kompressorkupplung,
(f) Erkennen von Kupplungsschlupf der Kompressorkupplung, wenn die ermittelte Drehzahldifferenz (n_Schlupf) größer ist als der Schlupfgrenzwert (n_Schlupf_lim) [n_Schlupf > = n_Schlupf_lim], und
(g) Erzeugen sowie Ausgeben eines Warnsignals und/oder einer Serviceanzeige bei erkanntem Kupplungsschlupf.

Durch das Verfahren kann die Funktionsfähigkeit der Reibungskupplung eines kupplungsgesteuerten Kompressors überwacht und der Fahrer des Fahrzeugs rechtzeitig vor einem drohenden Ausfall des Luftkompressors aufgrund eines verschleißbedingten Durchrutschens der Kupplung gewarnt werden. Hierdurch kann der Fahrer einen unplanmäßigen, schadensbedingten Stopp des Fahrzeugs vermeiden. Gemäß der Erfindung ist dazu keine direkte Messung der Kompressordrehzahl erforderlich. Dadurch kann auf einen kostenaufwendigen Drehzahlsensor zur Erfassung der Kompressordrehzahl verzichtet werden. Ein drohendes Ende der Nutzungsdauer der Kupplung kann demnach aus dem Druckverlauf bei der Luftverdichtung abgeleitet werden. Die Werte des Druckverlaufs stehen durch eine in der Luftaufbereitungseinheit vorhandene herkömmliche Drucksensorik ohnehin zur Verfügung und können für die Durchführung des Verfahrens genutzt werden. Für das Verfahren sind lediglich eine Anpassung der Steuerungssoftware in der Luftaufbereitungseinheit sowie eine Anzeigemöglichkeit, beispielsweise ein rotes Warnlicht in einer Anzeigentafel, erforderlich.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei der Druckverlaufsanalyse in wenigstens einem Luftkreis der Luftaufbereitungseinheit oder in einem an diesen Luftkreis angeschlossenen Druckspeicher bei einer definierten Motordrehzahl (n_Motor) mittels einer Drucksensorik regelmäßig wiederkehrende Druckspitzen gemessen werden, welche während der Luftverdichtung von dem Luftkompressor erzeugt werden, und dass aus dem zeitlichen Abstand T von jeweils zwei unmittelbar aufeinander folgenden Druckspitzen (peak_1, peak_2) die aktuelle Kompressordrehzahl (n_Kompressor) gemäß der Gleichung n_Kompressor = 1/T ermittelt wird.
Luftkompressoren für Nutzfahrzeuge weisen häufig eine Kolben-Zylinder-Bauweise auf. Die DE 10 2010 034 409 A1 zeigt beispielsweise einen solchen Zweizylinder-Kolbenkompressor, bei dem in einem Kurbelgehäuse eine als Kurbelwelle ausgebildete Kompressoreingangswelle angeordnet ist. Oberhalb des Kurbelgehäuses befindet sich ein Zylinderblock mit den beiden Zylindern, in denen jeweils ein Kolben angeordnet ist. Bei der Luftverdichtung erzeugt jeder Kolben bei einem bestimmten Kurbelwinkel bei jeder vollen Kurbelwellenumdrehung jeweils eine Druckspitze in der Druckluft. Der zeitliche Abstand der aufeinander folgenden Druckspitzen ist somit direkt mit der aktuellen Drehzahl der Kurbelwelle beziehungsweise mit der aktuellen Drehzahl der Kompressoreingangswelle verknüpft.
Demnach kann die Drucksensorik der Luftaufbereitungseinheit Druckspitzen, welche während der Luftverdichtung durch eine Kolbenbewegung in einem Kolbenzylinder eines Kolbenkompressors erzeugt werden, messtechnisch erfassen. Diese Messwerte werden an ein Steuerungsgerät zu deren Auswertung weitergeleitet. Diese Druckabtastung kann beispielsweise in einem Luftkreis der Betriebsbremse des Fahrzeugs erfolgen und wird vorzugsweise bei einer definierten Drehzahl des Antriebsmotors durchgeführt, beispielsweise bei Motorleerlaufdrehzahl. Die Zeitdifferenz (T) zwischen zwei Druckspitzen kann in die Kompressordrehzahl (n_Kompressor) umgerechnet werden. Diese Kompressordrehzahl (n_Kompressor) wird mit der Motordrehzahl (n_Motor) verglichen, welche beispielsweise von einem Datenbus des Fahrzeugs auslesbar ist. Falls der Kompressor über ein Getriebe, beispielsweise ein Zahnradpaar, angetrieben wird, wird das dann bekannte Übersetzungsverhältnis (i) zwischen der Antriebswelle des Antriebsmotors und der Kupplungseingangsseite bei dem Drehzahlvergleich berücksichtigt. Ein Getriebe zwischen der Kupplungsausgangsseite und der Kompressoreingangswelle kann ebenfalls berücksichtigt werden, falls vorhanden.
Das Steuerungsgerät prüft, ob eine durch die Kupplung verursachte Drehzahldifferenz zwischen der Kompressordrehzahl (n_Kompressor) und der Motordrehzahl (n_Motor) vorhanden ist. Insbesondere wird festgestellt, ob die tatsächliche Kompressordrehzahl (n_Kompressor) geringer ist als die Motordrehzahl (n_Motor) beziehungsweise kleiner ist als die daraus abgeleitete, erwartete Kompressordrehzahl (n_Kompressor). Diese Drehzahldifferenz ist der Schlupf der Kupplung. Durch einen Schlupfgrenzwert kann sinnvollerweise eine bestimmte Toleranz bei der Drehzahldifferenz zugelassen werden, um eine Fehlinterpretation zu vermeiden. Wird allerdings der vorgegebene Schlupfgrenzwert überschritten und ist demnach der Schlupf zu groß, erkennt das Verfahren beziehungsweise das Steuerungsgerät ein nahes Ende der Drehmomentübertragungsfähigkeit der Kupplung durch Verschleiß der Reibflächen und signalisiert einen bevorstehenden Kupplungsausfall. Beispielsweise kann dies dem Fahrer durch ein rotes Aufleuchten eines Schlupfsymbols an der Armaturentafel des Fahrzeugs angezeigt werden. Das Fahrzeug kann dann innerhalb einer bestimmten Fahrkilometerleistung oder Betriebsstundenzahl zur Werkstatt gebracht werden, um die nahezu verschlissene Kupplung rechtzeitig vor einem Ausfall auszutauschen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei einer Druckverlaufsanalyse ein Abschaltdruck (p_cut-off), bei welchem der Luftkompressor in einem Normalbetrieb vom Antriebsmotor abgekoppelt wird, kurzzeitig erhöht wird, dass in einem dann folgenden bestimmten Zeitintervall ein dem neuen Abschaltdruck (p_cut-off) entsprechender Druckanstieg und/oder die in diesem Zeitintervall erwarteten Druckspitzen überprüft werden, und dass bei einem Ausbleiben des erwarteten Druckanstiegs und/oder bei einem Ausbleiben der erwarteten Druckspitzen auf eine Kompressordrehzahl (n_Kompressor) von Null oder annähernd Null geschlossen wird.
Demnach kann durch die Luftaufbereitungseinheit der Abschaltdruck des Luftkompressors von Zeit zu Zeit für ein kurzes Zeitintervall erhöht werden. Für die höhere Verdichtung ist ein entsprechend höheres zu übertragendes Drehmoment gegenüber einem Normalbetrieb erforderlich. Eine nahezu verschlissene Kompressorkupplung würde durch den Versuch das höhere Drehmoment zu übertragen zum Durchrutschen gebracht. Wenn der erhöhte Abschaltdruck nicht erreicht wird und es stattdessen in einem bestimmten Zeitintervall zu keinem weiteren Druckanstieg kommt und/oder keine Druckspitzen durch die Luftaufbereitungseinheit nachgewiesen werden können, wird dies als eine nahezu verschlissene Kupplung interpretiert, welche das testweise erhöhte Drehmoment nicht übertragen kann und vollständig durchrutscht, so dass die Eingangswelle des Luftkompressor nicht gedreht werden kann. Falls die Kupplung vollständig durchrutscht, wird sie vorzugsweise zum Schutz vor Zerstörung durch Überhitzung geöffnet.
Diese Überprüfung kann vorzugsweise zusätzlich durchgeführt werden, um einen mittels des Drehzahlvergleichs von Motordrehzahl und Kompressordrehzahl bereits erkannten Kupplungsschlupf zu bestätigen. Grundsätzlich ist jedoch auch schon allein durch diese Überprüfung ein drohender Kupplungsausfall erkennbar.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass bei erkanntem Kupplungsschlupf ein Schonbetrieb zum Schutz der Kompressorkupplung aktiviert wird, in dem der Abschaltdruck des Luftkompressors permanent, solange Kupplungsschlupf vorhanden ist, verringert wird.
Demnach kann, sobald ein bevorstehender Kupplungsausfall erkannt und signalisiert ist, der Gesamtdruck in der Druckluftanlage des Fahrzeugs durch die Luftaufbereitungseinheit im Schonbetrieb reduziert werden. Um die Kompressorkupplung sowie den Luftkompressor zu schützen und einen Ausfall zumindest verzögern zu können, kann der Druck im pneumatischen System durch eine entsprechend Ansteuerung einer Ventileinrichtung der Luftaufbereitungseinheit auf den reduzierten Druck abgelassen und dieser Wert als neuer Abschaltdruck für den Luftkompressor eingestellt werden. Dadurch wird die Drehmomentlast auf die Kompressorkupplung im Vergleich zum Normalbetrieb verringert. Dies ermöglicht es dem Fahrer des Fahrzeugs die Kompressorkupplung beziehungsweise den kompletten Luftkompressor mit der Kupplung rechtzeitig vor einem Ausfall, also innerhalb einer bestimmten Betriebszeit und/oder innerhalb einer bestimmten Fahrkilometerleistung auszutauschen. Innerhalb des Schonbetriebs, werden der Kupplungsbetrieb und die Druckluftversorgung für das Fahrzeug weiterhin auf einem Minimalniveau gesichert. Nach dem Austausch der Kompressorkupplung wird der Schonbetrieb beendet und der Normalbetrieb wieder aktiviert.
Es ist vorteilhaft, wenn das Verfahren zumindest nach jedem neuen Einschalten des Luftkompressors durchgeführt wird. Es kann jedoch auch kontinuierlich in den jeweiligen Förderphasen des Luftkompressors durchgeführt werden. Dadurch wird die Betriebsbereitschaft des Luftkompressors jederzeit überwacht. Möglich ist es auch, dass das Verfahren jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von Betriebsstunden des Luftkompressors, nach einer vorgegebenen Anzahl von Fahrkilometern eines mit dem Luftkompressor ausgestatteten Fahrzeugs, in festgelegten Wartungsintervallen und/oder bedarfsweise auf Anforderung eines Bedieners durchgeführt wird. Eine Verschleißprüfung der Kompressorkupplung gemäß dem Verfahren der Erfindung kann beispielsweise ein fester Bestandteil der Servicearbeiten bei einem Wartungsaufenthalt des Fahrzeugs in einer Werkstatt sein.
Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Fahrzeug, beispielsweise ein Nutzfahrzeug, mit einem kupplungsgesteuerten Luftkompressor, welcher zur Durchführung eines Verfahrens nach wenigstens einem der Verfahrensansprüche betreibbar ist.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass bei kupplungsgesteuerten Luftkompressoren, welche bereits über einen Drehzahlsensor zur direkten Messung der Kompressordrehzahl verfügen, das Verfahren gemäß der Erfindung vorteilhaft zusätzlich durchgeführt werden kann, um die Sicherheit der Kupplungsverschleißerkennung noch zu erhöhen. Insbesondere kann mit Hilfe einer Druckverlaufsanalyse gegenüber herkömmlichen Verfahren eine genauere Verschleißprüfung der Kompressorkupplung durchgeführt werden. Ein Schonbetrieb wie er nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen sein kann, ist in jedem Fall bei erkanntem Kupplungsschlupf vorteilhaft einsetzbar.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

1 einen prinzipiellen Aufbau zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,
2 ein Diagramm eines Druckverlaufs einer Luftverdichtung eines Kolbenkompressors zur Ermittlung der Kompressordrehzahl, und
3a ein Diagramm zur Drehmomentübertragung bei intakter Kompressorkupplung,
3b ein Diagramm zur Drehmomentübertragung bei nahezu verschlissener Kompressorkupplung,
3c ein Diagramm zur Drehmomentübertragung bei nahezu verschlissener Kompressorkupplung in einem Schonbetrieb.

Demnach ist ein in 1 dargestellter Luftkompressor 1 über eine als Reibungskupplung ausgebildete Kompressorkupplung 2 mit einem als Verbrennungsmotor ausgebildeten Antriebsmotor 3 verbindbar und von diesem trennbar. Eine Kupplungseingangsseite 4 der Kompressorkupplung 2 ist über ein beispielsweise als Zahnradgetriebe ausgebildetes Getriebe 5 mit einer Antriebswelle 6 des Antriebsmotors 3 verbunden. Eine Kupplungsausgangsseite 7 der Kompressorkupplung 2 ist mit einer Kompressoreingangswelle 8 des Luftkompressors 1 verbunden. Durch Schließen der Kompressorkupplung 2 kann der Luftkompressor 1 bei laufenden Antriebsmotor 3 in den Förderbetrieb geschaltet werden. Durch Öffnen der Kompressorkupplung 2 ist der Luftkompressor 1 vom Antriebsmotor 3 abkoppelbar.
Der Luftkompressor 1 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als ein Zweizylinder-Kolbenkompressor ausgebildet. Diese in Nutzfahrzeugen häufig verwendete Bauform ist bekannt, beispielsweise aus der DE 10 2010 034 409 A1 , und muss daher nicht näher erläutert werden. Der Luftkompressor 1 weist demnach ein Kurbelgehäuse 9 auf, in dem die hier als Kurbelwelle ausgebildete Kompressoreingangswelle 8 drehbar gelagert ist. Die Kompressoreingangswelle 8 ist über Pleuel mit einem ersten Kolben 10, welcher sich in einem ersten Zylinder 11 bewegt, sowie mit einem zweiten Kolben 12, welcher sich in einem zweiten Zylinder 13 bewegt, verbunden. Durch die Kolbenbewegung wird angesaugte Atmosphärenluft in einem Kompressorraum 14 verdichtet.
Der Kompressorraum 14 ist über eine Verbindungsleitung 15 mit einer elektronischen Luftaufbereitungseinheit 16 pneumatisch verbunden. Eine derartige Luftaufbereitungseinheit 16 ist beispielsweise in der DE 10 2011 107 490 A1 beschrieben und muss daher an dieser Stelle nicht im Einzelnen erläutert werden. Die Luftaufbereitungseinheit 16 ist über eine Steuerungsleitung 26 mit einem Steuerungsgerät 29 verbunden, so dass elektropneumatische Ventile der Luftaufbereitungseinheit 16 von dem Steuerungsgerät 29 ansteuerbar sind.
Die Luftaufbereitungseinheit 16 weist mehrere separate Luftkreise auf, von denen in 1 lediglich ein erster Luftkreis 17 und ein zweiter Luftkreis 18, beispielsweise einer Betriebsbremse, sowie ein dritter Luftkreis 19, beispielsweise einer Feststellbremse, angedeutet sind. Der erste Luftkreis 17 weist einen ersten Druckluftspeicher 20 und der zweite Luftkreis 18 einen zweiten Druckluftspeicher 21 auf. Bei dem dritten Luftkreis 19 ist ein weiterer Druckspeicher lediglich optional vorgesehen und daher mit gestrichelter Linie dargestellt. Die Luftaufbereitungseinheit 16 weist eine Drucksensorik 24 mit mehreren Drucksensoren auf, von denen ein erster Drucksensor 22 an die Verbindungsleitung 15 angeschlossen ist. Ein dargestellter zweiter Drucksensor 23 ist an den ersten Luftkreis 17 angeschlossen. Die beiden Drucksensoren 22, 23 sind über Sensorleitungen 27, 28 mit dem Steuerungsgerät 29 verbunden. Das Steuerungsgerät 29 ist auch über eine weitere Sensorleitung 25 mit einem Drehzahlsensor an dem Antriebsmotor 3 verbunden, welcher die Drehzahl n_Motor der Antriebswelle 6 des Antriebsmotors 3 erfasst. Diese Drehzahlinformation kann aber auch von einem CAN-Bus des Fahrzeugs ausgelesen werden. Außerdem ist eine als Warnleuchte ausgebildete Anzeigevorrichtung 30 vorhanden, welche über eine Signalleitung 31 mit dem Steuerungsgerät 29 verbunden ist. Das Steuerungsgerät 29 und die Luftaufbereitungseinheit 16 können auch in einem nicht dargestellten Gehäuse baulich zusammengefasst ausgebildet ein.
Der als Kolbenkompressor ausgebildete Luftkompressor 1 gemäß 1 verdichtet Luft in einem zyklischen Arbeitsvorgang, welcher durch die Bewegung der Kolben 10, 12 in den Zylindern 11, 13 gekennzeichnet ist. Diese Kompression von Luft kann in einem zeitabhängigen Druckverlaufsdiagramm dargestellt werden, welches charakteristische Druckspitzen aufweist, die zum Zeitpunkt des jeweiligen Totpunkts der Kolbenbewegung entstehen.
Ein derartiges Druckverlaufsdiagramm zeigt 2. Darin ist der zeitliche Druckverlauf p(t) für zwei erste Zyklen cyl1 des ersten Zylinders 11 sowie für zwei zweite Zyklen cyl2 des zweiten Zylinders 13 gegen den Kurbelwinkel KW der Kompressoreingangswelle 8 aufgetragen, wobei die Zuordnung der Zylinder 11, 13 zu den Zyklen willkürlich vorgenommen worden ist. Demnach endet der erste Zyklus cyl1 jeweils im oberen Totpunkt bei einem Kurbelwinkel KW von 0° beziehungsweise 360°. Der zweite Zyklus cyl2 endet jeweils im oberen Totpunkt bei einem Kurbelwinkel KW von 180°. Bei der Luftverdichtung erzeugt demnach jeder Kolben 10, 12 bei einem bestimmten Kurbelwinkel KW bei jeder vollen Kurbelwellenumdrehung jeweils eine Druckspitze. Der zeitliche Abstand der Druckspitzen dieses Druckprofils ist somit direkt mit der aktuellen Drehzahl n_Kompressor der Kompressoreingangswelle 8 verknüpft. Das Druckprofil kann beispielsweise mit dem zweiten Drucksensor 23 im ersten Luftkreis 17 der Betriebsbremse kontinuierlich erfasst werden.
Für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung genügt die Betrachtung des Druckverlaufzyklus in einem der beiden Zylinder 11, 13, beispielsweise im ersten Zyklus cyl1, welcher dem ersten Zylinder 11 zugeordnet ist. Im oberen Totpunkt des zugehörigen ersten Kolbens 10 wird jeweils eine Druckspitze peak_1, peak_2, ... usw. erzeugt. Aus dem zeitlichen Abstand T[s] jeweils zweier Druckspitzen peak_1, peak_2 ergibt sich die Rotationsfrequenz f = 1/T der Kompressoreingangswelle 8. Daraus lässt sich unmittelbar die Kompressordrehzahl n_Kompressor gemäß der Gleichung n_Kompressor = f × 60 [1/min] berechnen.
Die Kompressordrehzahl n_Kompressor entspricht der Kupplungsausgangsdrehzahl n_Kupplungsausgang, da im gezeigten Ausführungsbeispiel die Kupplungsausgangsseite 7 unmittelbar mit der Kompressoreingangswelle 8 verbunden ist. Die Motordrehzahl n_Motor wird als bekannt vorausgesetzt. Diese kann wie erwähnt aus einem Datenbus CAN des Fahrzeugs ausgelesen werden (1). Da die Kompressorkupplung 2 nur mittelbar, also über das Getriebe 5 mit der Antriebswelle 6 des Antriebsmotors 3 verbunden ist, muss die vorgegebene Übersetzung i des Getriebes 5 berücksichtigt werden. Die Kupplungseingangsdrehzahl n_Kupplungseingang ergibt sich dann gemäß n_Kupplungseingang = n_Motor x i. Durch Vergleichen der aktuell ermittelten Kupplungseingangsdrehzahl n_Kupplungseingang mit der Kupplungsausgangsdrehzahl n_Kupplungsausgang ergibt sich der Kupplungsschlupf n_Schlupf aus der Differenz gemäß n_Schlupf = n_Kupplungseingang - n_Kupplungsausgang. Der Drehzahlvergleich wird während der Messung zur Vereinfachung der Auswertung bei einer definierten Motordrehzahl n_Motor vorgenommen, beispielsweise bei der Leerlaufdrehzahl des Antriebsmotors 3.
Im Idealfall einer schlupffreien Drehmomentüberragung einer neuwertigen Kompressorkupplung 2 ergibt die Auswertung einen Schlupfwert von n_Schlupf = 0. Im realen Betrieb wird meistens ein geringer Drehzahlunterschied festgestellt werden. Um diesen Drehzahlunterschied zu tolerieren, beziehungsweise um eine Fehlinterpretation zu vermeiden, wird ein Schlupfgrenzwert n_Schlupf_lim > 0 für die Kompressorkupplung 2 vorgegeben. Ein beachtenswerter Kupplungsschlupf der Kompressorkupplung 2 wird dann angenommen und ein Warnsignal wird dann ausgegeben, wenn der gemessene Schlupf größer ist als der Schlupfgrenzwert, also n_Schlupf > = n_Schlupf_lim. Vorzugsweise wird der Schlupfgrenzwert n_Schlupf_lim > 0 so gewählt, dass dem Fahrer voraussichtlich ausreichend Gelegenheit bleiben wird, in einem bestimmten Zeitraum und/oder nach einer bestimmten Fahrstrecke, beispielsweise spätestens nach den nächsten 5000 km, eine nahezu verschlissene Kompressorkupplung 2 auszutauschen.
Um einen erkannten Kupplungsschlupf zu verifizieren und um eine noch vorhandene Drehmomentübertragungsfähigkeit der Kompressorkupplung 2 festzustellen, kann einmalig oder von Zeit zu Zeit ein Test durch geführt werden, bei dem ein Abschaltdruck p_cut-off des Luftkompressors versuchsweise kurzfristig erhöht wird. Anschließend kann zum Schutz vor einem plötzlichen Ausfall des Luftkompressors 1 bis zum Austausch einer nahezu verschlissenen Kompressorkupplung 2 ein Schonbetrieb aktiviert werden.
Die 3a, 3b und 3c zeigen zu einem Drehmomentübertragungstest der Kompressorkupplung 2 und zu einem Schonbetrieb des Luftkompressors 1 ein Diagramm, in dem drei Beispielfälle eines berechneten Drehmoments M_cal und eines tatsächlich übertragbaren Drehmoments M_trans gegenübergestellt sind. Im ersten Beispielfall gemäß 3a ist der Abschaltdruck p_cut-off von normalerweise 12 bar auf 14,5 bar erhöht worden. Eine vollständig intakte, also verschleißfreie Kompressorkupplung 2 hat hier eine Drehmomentübertragungsfähigkeit von M_trans = 250 Nm. Die Kompressorkupplung 2 kann das für die größere Luftverdichtung erforderliche, beispielsweise um etwa 30% auf 210 Nm erhöhte Drehmoment M übertragen. Der Luftkompressor 1 beziehungsweise die Kompressoreingangswelle 8 wird also bis zum Erreichen des neuen Abschaltdrucks p_cut-off =14,5 bar gedreht.
Anders die Situation im Fall der Fig. 3b bei einer nahezu verschlissenen Kompressorkupplung 2. Die Kompressorkupplung 2 hat beispielsweise nur noch eine Drehmomentübertragungsfähigkeit von M_trans = 170 Nm. Dies reicht nicht aus, um die Kompressoreingangswelle 8 bis zum Erreichen des neuen Abschaltdrucks p_cut-off =14,5 bar zu drehen. Folglich dreht die Kompressoreingangswelle 8 bei einem anliegenden Drehmoment M von mehr als 170 Nm vollständig durch und wird, zum Schutz vor einer völligen Zerstörung, nach kurzer Zeit, beispielsweise nach 20 Sekunden, von der Luftaufbereitungseinheit 16, gesteuert durch das Steuerungsgerät 29, geöffnet. Die noch vorhandene Drehmomentübertragungsfähigkeit von M_trans = 170 Nm reicht möglicherweise noch für einen relativ kurzen Zeitraum für den Normalbetrieb des Fahrzeugs aus. Sicher reicht sie jedoch für einen längeren Zeitraum noch für einen in 3c dargestellten Schonbetrieb aus. Für diesen Schonbetrieb wurde der Abschaltdruck p_cut-off auf 9 bar abgesenkt. Das zu übertragende Drehmoment M verringert sich dadurch um etwa 20%, auf beispielsweise nur noch 140 Nm. Die Drehmomentübertragung ist bis zum jeweiligen Erreichen des neuen Abschaltdrucks p_cut-off = 9 bar bei der Luftverdichtung gewährleistet, so dass eine Druckluftversorgung des Fahrzeugs auf diesem, nun niedrigeren Niveau gesichert ist.
Bezugszeichenliste

1: Luftkompressor
2: Kompressorkupplung
3: Antriebsmotor
4: Kupplungseingangsseite
5: Getriebe
6: Antriebswelle
7: Kupplungsausgangsseite
8: Kompressoreingangswelle
9: Kurbelgehäuse
10: Erster Kolben
11: Erster Zylinder
12: Zweiter Kolben
13: Zweiter Zylinder
14: Kompressorraum
15: Verbindungsleitung
16: Luftaufbereitungseinheit
17: Erster Luftkreis
18: Zweiter Luftkreis
19: Dritter Luftkreis
20: Erster Druckspeicher
21: Zweiter Druckspeicher
22: Erster Drucksensor
23: Zweiter Drucksensor
24: Drucksensorik
25: Sensorleitung für Motordrehzahl; CAN-Bus
26: Steuerungsleitung
27: Erste Sensorleitung für Luftdruck
28: Zweite Sensorleitung für Luftdruck
29: Steuerungsgerät
30: Anzeigevorrichtung, Warnleuchte
31: Signalleitung
cyl1: Erster Zyklus
cyl2: Zweiter Zyklus
KW: Kurbelwinkel
i: Übersetzung
M: Drehmoment
M_cal: Berechnetes Drehmoment
M_trans: Übertragbares Drehmoment
n_Motor: Motordrehzahl
n_Kupplungseingang: Kupplungseingangsdrehzahl
n_Kupplungsausgang: Kupplungsausgangsdrehzahl
n_Kompressor: Kompressordrehzahl
n_Schlupf: Drehzahldifferenz, Schlupf
n_Schlupf_lim: Schlupfgrenzwert
p: Druck
p_cut-off: Abschaltdruck
peak_1: Erste Druckspitze
peak_2: Zweite Druckspitze
t: Zeit
T: Zeitabstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010033539 A1 [0004]
DE 102011100512 A1 [0004]
DE 102008005437 A1 [0007]
DE 102010034409 A1 [0015, 0028]
DE 102011107490 A1 [0029]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines kupplungsgesteuerten Luftkompressors (1) eines Fahrzeugs, bei dem der Luftkompressor (1) in Förderphasen zur Drucklufterzeugung für eine elektronische Luftaufbereitungseinheit (16) des Fahrzeugs durch einen Antriebsmotor (3) angetrieben wird und außerhalb der Förderphasen durch eine steuerbare Kompressorkupplung (2) von dem Antriebsmotor (3) abgekoppelt ist, wobei die Kompressorkupplung (2) als Reibungskupplung ausgebildet und zwischen dem Antriebsmotor (3) und dem Luftkompressor (1) angeordnet ist, und wobei eine Kupplungseingangsseite (4) der Kompressorkupplung (2) mit einer Antriebswelle (6) des Antriebsmotors (3) sowie eine Kupplungsausgangseite (7) der Kompressorkupplung (2) mit einer Kompressoreingangswelle (8) des Luftkompressors (1) mittelbar oder unmittelbar verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Förderphase des Luftkompressors (1) wenigstens folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: (a) Erfassen der aktuellen Motordrehzahl (n_Motor) des Antriebsmotors (3) und Bestimmen der Kupplungseingangsdrehzahl (n_Kupplungseingang) aus der erfassten Motordrehzahl (n_Motor) sowie gegebenenfalls einer festen Übersetzung (i) eines Getriebes (5) zwischen der Antriebswelle (6) und der Kupplungseingangsseite (4), (b) Ermitteln der aktuellen Kompressordrehzahl (n_Kompressor) mittels einer Druckverlaufsanalyse des durch den Luftkompressor (1) erzeugten Luftdrucks, (c) Bestimmen der Kupplungsausgangsdrehzahl (n_Kupplungsausgang) aus der ermittelten Kompressordrehzahl (n_Kompressor) und gegebenenfalls einer festen Übersetzung zwischen der Kupplungsausgangsseite (7) und der Kompressoreingangswelle (8), (d) Vergleichen der Kupplungseingangsdrehzahl (n_Kupplungseingang) mit der Kupplungsausgangsdrehzahl (n_Kupplungsausgang) durch Bilden der Drehzahldifferenz (n_Schlupf) gemäß der Gleichung n_Schlupf = n_Kupplungseingang - n_Kupplungsausgang, (e) Vorgeben eines Schlupfgrenzwertes n_Schlupf_lim > 0 für die Kompressorkupplung (2), (f) Erkennen von Kupplungsschlupf der Kompressorkupplung (2), wenn die ermittelte Drehzahldifferenz (n_Schlupf) größer ist als der Schlupfgrenzwert (n_Schlupf_lim) [n_Schlupf > = n_Schlupf_lim], und (g) Erzeugen sowie Ausgeben eines Warnsignals und/oder einer Serviceanzeige bei erkanntem Kupplungsschlupf.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Druckverlaufsanalyse in wenigstens einem Luftkreis (17, 18, 19) der Luftaufbereitungseinheit (16) oder in einem an diesen Luftkreis (17, 18, 19) angeschlossenen Druckspeicher (20, 21) bei einer definierten Motordrehzahl (n_Motor) mittels einer Drucksensorik (24) regelmäßig wiederkehrende Druckspitzen gemessen werden, welche während der Luftverdichtung von dem Luftkompressor (1) erzeugt werden, und dass aus dem zeitlichen Abstand (T) von jeweils zwei unmittelbar aufeinander folgenden Druckspitzen (peak_1, peak_2) die aktuelle Kompressordrehzahl (n_Kompressor) gemäß der Gleichung n_Kompressor = 1/T ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Druckverlaufsanalyse ein Abschaltdruck (p_cut-off), bei welchem der Luftkompressor (1) in einem Normalbetrieb vom Antriebsmotor (3) abgekoppelt wird, kurzzeitig erhöht wird, dass in einem dann folgenden bestimmten Zeitintervall ein dem neuen Abschaltdruck (p_cut-off) entsprechender Druckanstieg und/oder die in diesem Zeitintervall erwarteten Druckspitzen überprüft werden, und dass bei einem Ausbleiben des erwarteten Druckanstiegs und/oder bei einem Ausbleiben der erwarteten Druckspitzen auf eine Kompressordrehzahl (n_Kompressor) von Null oder annähernd Null geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei erkanntem Kupplungsschlupf ein Schonbetrieb zum Schutz der Kompressorkupplung (2) aktiviert wird, in dem der Abschaltdruck (p_cut-off) des Luftkompressors (1) permanent verringert wird, solange Kupplungsschlupf ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest nach jedem neuen Einschalten des Luftkompressors (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren kontinuierlich in den jeweiligen Förderphasen des Luftkompressors (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von Betriebsstunden des Luftkompressors (1), nach einer vorgegebenen Anzahl von Fahrkilometern eines mit dem Luftkompressor (1) ausgestatteten Fahrzeugs, in festgelegten Wartungsintervallen und/oder bedarfsweise auf Anforderung eines Bedieners durchgeführt wird.
Fahrzeug, beispielsweise Nutzfahrzeug, mit einem kupplungsgesteuerten Luftkompressors (1), welcher zur Durchführung eines Verfahrens nach wenigstens einem der Verfahrensansprüche betreibbar ist.