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Diese
Erfindung betrifft die Lufttrocknerregeneration in einem Druckluftbremssystems
eines Fahrzeugs.
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Bei
Druckluftbremssystemen in Fahrzeugen wird Druckluft als Betätigungsmedium
eingesetzt. Dabei wird üblicherweise
von einem motorgetriebenen Kompressor Luft an einen Vorratsbehälter geführt, aus
dem heraus dann über
ein fußbetriebenes Bedarfsventil
Druckluft an Radbremsen geleitet wird. Zur Vermeidung von Korrosion
innerhalb des Bremssystems durchströmt die Luft vom Kompressor
erst einen Lufttrockner mit Trockenmittelkartusche, ehe sie an den
Vorratsbehälter
weiter fließt.
Im Gebrauch steigt der Feuchtigkeitsanteil im Trockenmittel progressiv
an und folglich ist ein periodisches Trockenereignis erforderlich,
um das Trockenmittel wieder in einen relativ trockenen Zustand zu
bringen. Dieses Ereignis wird als „Regeneration" bezeichnet und umfasst
einen Rückstrom
von trockener Druckluft durch das Trockenmittel hindurch an die
Atmosphäre.
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Im
Idealfall wäre
es wünschenswert,
ein Regenerationsereignis dann auszulösen, wenn das Trockenmittel
einen vorbestimmten Feuchtigkeitsgehalt erreicht. Es sind jedoch
keine geeigneten Mittel zur präzisen
Echtzeitmes sung des Feuchtigkeitsgehalts in einem Druckluftbremssystem
verfügbar.
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Im
herkömmlichen
Fall wird eine Regeneration auf eine von zwei Arten ausgelöst, üblicherweise nachdem
der Kompressor in den Leerlauf geschaltet hat, und der Vorratsbehälter hat
dementsprechend maximalen Systemdruck.
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Bei
einem zeitabhängigen
System strömt Druckluft
für eine
vorbestimmte Zeit durch das Trockenmittel hindurch an den Auspuff
zurück.
Die Zeit entspricht dabei einem Volumen, das gemäß der Größe einer Rückflussöffnung und einer bekannten Druckabfallkennlinie
berechnet werden kann.
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Bei
einem druckabhängigen
System hingegen strömt
Luft zurück,
bis der Systemdruck um einen vorbestimmten Betrag gesunken ist.
Das Volumen wird dabei in Kenntnis der Öffnungsgröße und einer Druckabfallkennlinie
berechnet.
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Zwar
lassen sich dabei sowohl Zeit als auch Druck präzise und kostengünstig bestimmen,
aber beide Verfahren haben auch ihre ihnen eigenen Nachteile. Nutzt
das System während
der Regenerationsphase Luft, dann erreicht das Rückstromvolumen nicht den für die Bauart
berechneten Wert und dementsprechend kommt es zu einer unzulänglichen Trocknung.
Des Weiteren kann sich aufgrund starkem Abbau von Luft durch das
System der Kompressor einschalten, wodurch das Regenerationsereignis vorzeitig
abgebrochen wird. Wiederholte Ereignisse dieser Art führen zu
einer progressiven Trockenmittelsättigung.
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Beim
Versuch, diese Nachteile zu überwinden,
werden üblicherweise
die Konstruktionsparameter des Systems kompromittiert, so dass es
häufig
zu einem Übertrocknen
des Trockenmittels kommt. Somit wird die Regenerationszeit verlängert oder
der Druckabfall erhöht,
um selbst unter den schlechtesten Fahrzeugbetriebsbedingungen noch
eine effektive Trocknung zu erzielen. Unsicherheit hinsichtlich der
Art der Fahrzeugnutzung kann zu pessimistischen Systemeinstellungen
und einer übermäßigen Überregeneration
führen.
Dies wiederum bedeutet eine hochgradige Luftverschwendung und entsprechend
fällt auch
der Kraftstoffverbrauch des Fahrzeugs höher als erforderlich aus.
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Ein
weiterer und möglicherweise
schwerwiegenderer Nachteil existierender Regenerationsverfahren
besteht darin, dass es durch starke und kontinuierliche Nutzung
von Luft zu einer langen Kompressorlaufdauer kommen kann, ehe der
Abschaltdruck erreicht wird, und unter diesen Umständen eine Regeneration
unterdrückt
wird und eine Trockenmittelsättigung
eintreten kann. Bei den aktuellen Verfahren lässt sich dieser Umstand nicht
ohne Weiteres erkennen.
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In
der DE 199 11 741-A ist ein Verfahren zur Schätzung des Volumens vorwärts strömender Luft gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, beispielsweise anhand der Kompressordrehzahl, des
Pumpvolumens und der Lufttemperatur, offenbart. Die Regeneration
findet dabei bei einer Schwelle und über eine zeitlich festgelegte
Periode hinweg statt.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zum Einleiten eines Regenerationsereignisses
für den
Lufttrockner eines Fahrzeugdruckluftbremssystems zur Verfügung gestellt,
wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
Echtzeitschätzung der
augenblicklichen Vorwärtsströmungsgeschwindigkeit
von Luft von einem Luftkompressor;
Modifizieren der augenblicklichen
Vorwärtsströmungsgeschwindigkeit
gemäß Bedingungen
des Druckluftbremssystems;
Berechnen des Volumens der vorwärts strömenden Luft
vom Kompressor für
ein vorbestimmtes Zeitintervall;
Wiederholen der Schritte des
Schätzens,
Modifizierens und Berechnens über
aufeinanderfolgende Zeitintervalle hinweg zur Erstellung einer aktuellen
Vorwärtszählung des
vorwärts
strömenden
Luftvolumens;
periodisches Vergleichen der aktuellen Vorwärtszählung mit
einer Sättigungsschwelle;
und
Einleiten eines Regenerationsereignisses, wenn die Vorwärtszählung diese
Sättigungsschwelle
erreicht oder überschreitet,
wobei
das Verfahren des Weiteren das Schätzen des Rückwärtsströmungsvolumens von Trockenluft
während
eines Regenerationsereignisses sowie folgende Schritte umfasst:
Echtzeitschätzung der
augenblicklichen Rückwärtsströmungsgeschwindigkeit
von Trockenluft an den Lufttrockner;
Modifizieren der augenblicklichen
Rückwärtsströmungsgeschwindigkeit
gemäß den Bedingungen
des Druckluftbremssystems;
Berechnen des Volumens der rückwärts strömenden Luft
für ein
vorbestimmtes Zeitintervall;
Wiederholen der Schritte des Schätzens, Modifizierens
und Berechnens über
aufeinanderfolgende Zeitintervalle hinweg zur Erstellung einer aktuellen Rückwärtszählung des
rückwärts strömenden Luftvolumens;
periodisches
Vergleichen der aktuellen Rückwärtszählung mit
einer Trockenheitsschwelle;
und Beenden eines Regenerationsereignisses,
wenn die Rückwärtszählung diese
Trockenheitsschwelle erreicht oder überschreitet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beruht dabei auf einer direkten Volumenschätzung und nicht auf einer Messung
der indirekten Parameter von Zeit und Druck. Dies ermöglicht folglich
ein präziseres – und somit
weniger häufiges – Einleiten
eines Regenerationsereignisses als es aufgrund der notgedrungen
pessimistischen Schätzung
nach den Verfahren aus dem Stand der Technik der Fall ist.
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Die
augenblickliche Strömungsgeschwindigkeit
kann anhand eines Kompressorleistungsmerkmals und der augenblicklichen
Kompressordrehzahl geschätzt
werden. Erstere kann digital beispielsweise in einer Nachschlagtabelle
gespeichert sein und letztere kann üblicherweise elektronisch aus
einem Fahrzeugmotor-Steuerungssystem als einfaches Verhältnis der
Motordrehzahl erhalten werden.
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Die
augenblickliche Strömungsgeschwindigkeit
kann auch gemäß anderer
Systemparameter modifiziert werden, zum Beispiel Umgebungslufttemperatur,
Kompressortemperatur, Luftdichte und dergleichen. Die Strömungsgeschwindigkeit
kann auch gemäß einer
voraussichtlichen Verringe rung der Kompressorleistung im Laufe der
Zeit modifiziert werden; für
diese Berechnung kann die Anzahl von Kompressorzyklen in einem Register
summiert werden und von einer Eingabe der Kompressor- oder Motordrehzahl über die
Zeit abgeleitet werden. Diese Korrektur der Leistungsverringerung
kann auch vom Verhältnis
der Betriebszeit zur Leerlaufzeit des Kompressors abhängig sein,
das vom üblichen
Reglerdrucksignal abgeleitet ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform kann
die Echtzeitschätzung
der Strömungsgeschwindigkeit
typischerweise in Intervallen von 100 Millisekunden erfolgen, und
dementsprechend fällt
die Zählung
des gepumpten Volumens für
jedes derartige Zeitintervall höher
aus.
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Die
Sättigungsschwelle
wird gemäß dem Trockenmittelvolumen
und den voraussichtlichen Betriebsbedingungen des Fahrzeugs bestimmt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
lässt sich
diese Schwelle innerhalb eines vorbestimmten Bereichs einstellen.
Außerdem
lässt sich
die Sättigungsschwelle
in Echtzeit derart variieren, dass sie Systembedingungen wie Trockenmitteltemperatur
wiedergibt. Es ist beispielsweise bekannt, dass die Feuchtigkeitsaufnahme
von der Trockenmitteltemperatur abhängig, und dass es dementsprechend
wünschenswert
wäre, für eine optimale
Regeneration die Temperatur in Betracht zu ziehen. Die vorliegende Erfindung
stellt ein Verfahren zur Verfügung,
mit dem die Trockenmitteltemperatur in Betracht gezogen werden kann.
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Die
Erfindung ermöglicht
eine Schätzung
der Rückwärtsströmung von
Trockenluft gemäß Betriebsbedingungen
und Systemparametern zur Optimierung des Rückströmungsvolumens bis nahe an das
ideale Volumen.
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Somit
kann ein Regenerationsereignis auf ein präzises Volumen rückwärtsströmender Luft
eingestellt werden, und somit kommt es dabei weniger wahrscheinlich
zu einer Luftverschwendung als bei Verfahren aus dem Stand der Technik,
die notgedrungen auf einer pessimistischen und unvermeidlich höheren Schätzung des
rückwärts strömenden Luftvolumens
beruhen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Trockenluftvolumen, das nahe an atmosphärischem Druck in Rückwärtsrichtung
durch das Trockenmittel strömt,
gleich dem Druckluftvolumen, das vom Kompressor an den Vorratsbehälter strömt.
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Die
augenblickliche Rückwärtsströmungsgeschwindigkeit
kann anhand von Faktoren wie Systemdruck, Lufttrocknerdruck und
dem Strömungsmerkmal
der üblichen Öffnung,
durch die Hochdruckluft zur Erhöhung
des unter niedrigem Druck stehenden Volumen expandiert, ermittelt
werden.
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Die
Geschwindigkeit der rückwärts strömenden Luft
kann gemäß Systemparametern
wie Lufttemperatur modifiziert werden.
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Strömungsgeschwindigkeitsschätzungen
erfolgen üblicherweise
in Intervallen von 100 ms, wodurch eine sukzessive Berechnung von
rückwärts strömenden Luftvolumen
und eine Zählung
des gesamten rückwärts strömenden Luftvolumens
ermöglicht
wird.
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Die
Trockenheitsschwelle lässt
sich gemäß den Fahrzeugbetriebsbedingungen
einstellen, und kann in Echtzeit variiert werden, um Systembedingungen
wie Trockenmitteltemperatur wiederzugeben. Die Schwelle kann eine
voraussichtliche Verringerung der Trockenmittelleistung im Laufe
der Zeit wiedergeben, die aus einer digitalen Nachschlagetabelle
abgeleitet sein kann, und durch das Aufzeichnen der Motorlaufzeit
aus einem Fahrzeugwartungsintervall, bei dem das Trockenmittel zuletzt
erneuert wurde, zeitlich festgelegt werden.
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Die
oben beschriebenen Verfahren schließen das Modifizieren der Luftströmungsgeschwindigkeit
ein, aber es ist gleichfalls möglich,
zuerst das Volumen vorwärts
oder rückwärts strömender Luft
zu berechnen, und dann den Schritt der Modifizierung der Daten durchzuführen.
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Es
ist vorgesehen, dass die Verfahren der Schätzung des vorwärts und
rückwärts fließenden Luftvolumens
zusammen verwendet werden, um ein intelligentes Steuersystem bereitzustellen.
Selbstverständlich
können
die Verfahren jedoch auch einzeln zum Einsatz kommen.
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Regenerationsereignisse
können
aufgrund des sich Einschaltens des Kompressors vorzeitig beendet
werden. Unter diesen Umständen
ermöglicht die
vorliegende Erfindung eine Schätzung
des rückwärts strömenden Luftvolumens
bis zu der Zeit, zu der die Regeneration aufgehoben wird, und dies
ermöglicht
einen Abschluss des Regenerationsereignisses, wenn der Kompressor
das nächste
Mal in Leerlauf schaltet. Bei einem nachfolgenden Regenerationsereignis
wird dann möglicherweise
ein von ei nem vorherigen Ereignis aufgehobener Teil mit einem Teil,
der dem intervenierenden Luftstrom in Vorwärtsrichtung entspricht, kombiniert.
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Andere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform,
die lediglich beispielhaft in der beiliegenden Zeichnung dargestellt
ist. Es zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung einer herkömmlichen Ladeanordnung eines
Fahrzeugdruckluftsystems.
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1 zeigt
schematisch einen Kompressor 11, der zum Pumpen von Luft über ein
Ventil 12 und einen Lufttrockner 13 an einen Vorratsbehälter 14 betrieben
werden kann, von wo aus unter Druck stehende Luft über ein
oder mehrere Rückschlagventil(e) 15 an
ein Druckluftsystem 16 eines Fahrzeugs verläuft.
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Dabei
kann ein Ventil 17 geöffnet
werden, um den Vorratsbehälter 14 über eine
Drossel 18 und den Lufttrockner 13 auf Atmosphäre zu legen.
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Der
Kompressor 11 wird typischerweise von einem Fahrzeugmotor
angetrieben und kann durch ein herkömmliches Mittel, beispielsweise
einen vorgeschalteten Druckregler 19, der zum Beispiel
durch ein auf Druck im Vorratsbehälter 14 ansprechendes Reglersignal
betrieben werden kann, in Betrieb und in Leerlauf geschaltet werden.
Somit schaltet sich der Kompressor bei oder unter einer bestimmten
Unterdruckschwelle ein und geht bei einer Überdruckschwelle in den Leerlauf.
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Im
Gebrauch wird Luft über
das Ventil 12, den Lufttrockner 13 und das Rückschlagventil 20 in den
Vorratsbehälter 14 gepumpt,
bis ein Abschaltdruck erreicht ist, an dem Punkt dann der Kompressor
wieder in Leerlaufbetrieb geschaltet wird. Druckluft wird nach Bedarf
vom System 16 verwendet, bis der Druck im Vorratsbehälter unter
den Einschaltdruck abfällt,
an dem sich dann der Kompressor wieder einschaltet, um den Ladezyklus
zu wiederholen.
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Die
Regeneration des Lufttrockners erfolgt zu Zeiten, wenn sich der
Kompressor im Leerlauf befindet, im üblichen Fall unmittelbar nach
dem Erreichen des Abschaltdrucks. Durch ein Regenerationssignal
wird das Öffnen
des Ventils 17 bewirkt, wodurch trockene Luft in umgekehrter
Richtung durch den Lufttrockner fließen und Feuchtigkeit aus dem Trockenmittel
an die Atmosphäre
abführen
kann.
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Das
in eine Richtung arbeitende Ventil 20 und die Drosselöffnung 18 sind
auf herkömmliche Weise
vorgesehen, so dass sich komprimierte Luft auf kontrollierte Weise
durch den Lufttrockner hindurch entspannt. Im üblichen Fall ist das Volumen
der komprimierten Luft in der Vorwärtsrichtung gleich dem Luftvolumen,
das sich durch den Lufttrockner hindurch auf atmosphärischem
Druck für
jedes Regenerationsereignis entspannt.
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Bei
Abschluss des Regenerationsereignisses macht das Ventil 17 zu,
um ein Laden des Vorratsbehälters
zu ermöglichen,
wenn der Kompressor als nächstes
auf Last schaltet. Ein plötzliches
Leerwerden des Vorratsbehäl ters,
zum Beispiel aufgrund starker Nutzung von Luft durch das System 16,
kann zu einem vorzeitigen Beenden eines Regenerationsereignisses
führen,
da der Systembedarf üblicherweise
Priorität
hat. Diverse herkömmliche
Steuersysteme können
der Darstellung von 1 zur Leistungssteigerung hinzugefügt werden.
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Herkömmlicherweise
ist ein Regenerationsereignis nach einer vorbestimmten Zeit oder
nach einem vorbestimmten Druckabfall im Vorratsbehälter abgeschlossen.
Bei einigen Systemen ist ein spezifischer Durchspülvorratsbehälter für den Lufttrockner vorgesehen,
und die Regeneration läuft
weiter, bis der Durchspülvorratsbehälter leer
ist oder der Kompressor wieder auf Last geschaltet wird. Durch einen zusätzlichen
Durchspülvorratsbehälter steigen
die Kosten herkömmlicher
Einrichtungen.
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Bei
der vorliegenden Erfindung wird das vorwärts fließende Luftvolumen zum Erhalt
eines Zählwerts
des vorwärts
fließenden
Gesamtluftvolumens wiederholt über
aufeinanderfolgende Zeitintervalle hinweg geschätzt. Bei einer einfachen Ausführungsform
erfolgt diese Schätzung
anhand einer Kompressorleistungskennlinie und eines von den üblichen Motorsteuersystemen
erhaltenen augenblicklichen Motordrehzahl-Eingabewerts. Da die Kompressordrehzahl
ein Motordrehzahlverhältnis
gemäß dem Antriebsrad-
oder Antriebsscheibenverhältnis
ist, kann der geschätzte
Volumenausgangswert berechnet werden. Wiederholte Schätzungen
zu Zeitintervallen von ca. 100 ms ergeben eine Zählung des vorwärts fließenden Luftvolumens,
die dem tatsächlich vorwärts fließenden Luftvolumen
sehr nahe kommt. Korrekturfaktoren können mathematisch auf die Schätzung des
vorwärts
fließenden Luftvolumens
angewandt werden. Diese schließen
Echtzeitfaktoren wie die Umgebungslufttemperatur, die Kompressortemperatur
und die Luftdichte ein, und einstellbare Faktoren, einschließlich beispielsweise
die Umgebungsfeuchtigkeit. Im letzteren Fall kann durch eine externe
Einstellung je nach Betriebsland zwischen relativ trockenen und
relativ feuchten Ländern
unterschieden werden, wodurch eine unnötige Regeneration bei relativ
geringer Umgebungsfeuchtigkeit vermieden werden kann.
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Auf
dieselbe Weise kann im Verlauf eines Regenerationsereignisses das
Volumen der rückwärts strömenden Luft
in Echtzeit geschätzt
werden. In diesem Fall erfolgt eine Hauptschätzung der Reihe nach anhand
von Information bezüglich
des Systemdrucks und der Strömungskennlinie
der üblichen Öffnung,
durch die hindurch sich Druckluft expandiert. Korrekturfaktoren
können
automatisch auf dieselbe Weise angewandt werden, um Änderungen
der Leistung der Öffnung
mit der Temperatur und dergleichen wiederzugeben, und Systemparameter
sind ebenfalls so einstellbar, dass sie allgemeine Fahrzeugsbetriebsbedingungen
wiedergeben.
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Das
Regenerationsereignis wird gemäß Schätzungen
des vorwärts
strömenden
Luftvolumens und des nächsten
Leerlaufereignisses des Kompressors eingeleitet, und wird beendet,
wenn das geschätzte
entspannte Volumen in Rückwärtsrichtung
gleich dem Volumen von Druckluft in Vorwärtsrichtung ist.
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Das
Regenerationsereignis kann natürlich
im Fall starker Nutzung von Luft und der daraus resultierenden Kom pressoreinschaltung
vorzeitig beendet werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Berechnung
des rückwärts strömenden Luftvolumens
bis zum Zeitpunkt der Beendigung, und somit des zusätzlichen
rückwärts strömenden Luftvolumens,
das erforderlich ist, um das Trockenmittel wieder auf einen vorbestimmten
Trockenheitspegel zu bringen. Beim nächsten Regenerationsereignis
kann dann dieses zusätzliche
Volumen in Betracht gezogen werden, oder es kann alternativ ein
kurzes Regenerationsereignis eingeleitet werden, um ein Strömen des
zusätzlichen
Volumens durch das Trockenmittel hindurch zu bewirken. Es sind diverse
Optionen möglich,
wenn erst einmal eine genaue Schätzung
des Volumenstroms gemäß den in
dieser Anmeldung offenbarten Verfahren durchgeführt werden kann.
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Bei
einer typischen Druckluftsystem-Einrichtung kann die vom Kompressor
an den Lufttrockner verlaufende Flüssigkeitsleitung ein erhebliches
Luftvolumen enthalten. Wenn der Kompressor in Leerlauf schaltet,
wird diese Leitung üblicherweise
an die Atmosphäre
entlüftet,
oder der Kompressor kann alternativ durch Öffnen dieser Leitung von der
Last genommen werden, wodurch ein Freilauf des Kompressors ermöglicht wird.
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Ein
erhebliches Luftvolumen kann somit komprimiert, aber nicht durch
den Lufttrockner geleitet werden. Zur Verbesserung der Schätzung der
vorwärts
strömenden
Luft kann das Verfahren den Schritt der Subtraktion des Luftvolumens,
das in der Zuführleitung
vorhanden ist, die entlüftet
wird, wenn der Kompressor in Leerlaufbetrieb schaltet, vom Schätzwert der
vorwärts
strömenden
Luft einschließen.
Alternativ kann das Verfahren sepa rat das vom Kompressor gepumpte
Luftvolumen schätzen,
aber erst dann die vorwärts
strömende
Luft ermitteln, wenn ein Volumen gleich dem Volumen der Zuführleitung
erreicht ist.