WO2021116251A1 - Verfahren und vorrichtung zum befüllen eines hydrauliksystems mit einer hydraulikflüssigkeit - Google Patents

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WO2021116251A1
WO2021116251A1 PCT/EP2020/085435 EP2020085435W WO2021116251A1 WO 2021116251 A1 WO2021116251 A1 WO 2021116251A1 EP 2020085435 W EP2020085435 W EP 2020085435W WO 2021116251 A1 WO2021116251 A1 WO 2021116251A1
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WO
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volume
sys
hydraulic system
filling
hydraulic
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PCT/EP2020/085435
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Inventor
Jochen Gerhard MAST
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Daimler Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P11/00—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P9/00
    • F01P11/02—Liquid-coolant filling, overflow, venting, or draining devices
    • F01P11/0204—Filling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2025/00—Measuring
    • F01P2025/04—Pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/06—Retarder

Definitions

  • the invention relates to a method for filling a hydraulic system (hydraulic system), in particular a cooling system of a motor vehicle, and a device for filling a hydraulic system.
  • hydraulic system in the context of the invention comprises a system that is at least partially filled with a liquid or a liquid mixture, comprising containers, pipes, hoses, an equalizing or storage tank, heat exchanger, cooler, one or more pumps or hydraulic motors and / or other components.
  • the hydraulic system can be closed during operation or, for example, be connected to the ambient air via a venting of the optional expansion tank.
  • the terms “amount” and “volume” are used synonymously in the following.
  • the cooling system of a mobile or stationary internal combustion engine is an example of such a hydraulic system.
  • Further examples are vehicles with alternative drive systems (e.g. plug-in hybrid, electric drive, fuel cell), hydraulic steering assistance of a motor vehicle, the working hydraulics of a construction machine or an agricultural device, or a stationary device.
  • the invention is explained below using the example of a cooling system of a vehicle, without restricting the claimed protection thereto.
  • the vehicle is designed, for example, as a utility vehicle with an internal combustion engine.
  • Its cooling system usually has at least one cooling circuit through which a coolant, in particular a liquid coolant, can flow.
  • Various components of the vehicle e.g. the internal combustion engine, one or more (water-cooled) turbochargers), retarders, are in the cooling circuit and / or one or more coolers / heat exchangers are arranged, wherein the first-mentioned or other components can be cooled or temperature-controlled by the coolant.
  • the cooler or coolers / heat exchangers ultimately transfer the heat absorbed by the cooling liquid to other consumers in the system or to the ambient air.
  • the expansion tank is used to compensate for fluctuations in the volume of the coolant in the cooling system. These volume fluctuations result, for example, from temperature fluctuations and / or from leaks. This is known to the person skilled in the art and therefore does not require any further explanation.
  • each hydraulic system Before commissioning, for example during the final assembly of the vehicle, each hydraulic system must be filled with a sufficient amount of hydraulic fluid. A sufficient amount / volume of the coolant must be filled into the cooling system. Neither too much nor too little coolant or hydraulic fluid may be added. In addition, the filling should take place quickly and reliably. Filling is made more difficult by the fact that, above all, complicated hydraulic systems are shaped in such a way that the hydraulic fluid does not reach all areas of the hydraulic system when, for example, it is conveyed into the hydraulic system through the filling opening of an expansion tank. Air bubbles remain in the hydraulic system, the volume of which is unknown.
  • a method for filling a cooling system of a vehicle is known from DE 102015008465 A1, in which an attempt is made, using the ideal gas equation, to adjust the amount of coolant as a function of a remaining volume in an expansion tank of the cooling system.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method and a device for carrying out the method, by means of which a cooling system of a vehicle and any other hydraulic system can be filled with a coolant or another fluid quickly, precisely and in a simple manner.
  • the process should be reliable and automatable.
  • this object is achieved by a method for filling a hydraulic system with a hydraulic fluid, which comprises the following method steps:
  • this object is achieved according to the invention by a method for filling a hydraulic system with a hydraulic fluid, which comprises the following method steps:
  • the volume of the total remaining air volume / air bubbles is determined with the hydraulic system closed by conveying a defined volume of hydraulic fluid into the closed system or withdrawing it from it and precisely recording the absolute pressures before and after the amount is filled or withdrawn.
  • the volume of the total remaining air volume ie the air bubbles and the air volume in the expansion tank, can thus be determined with sufficient accuracy.
  • the hydraulic system can then be filled with the final correction volume or too much of the amount in the system can be withdrawn and filling can thus be completed.
  • the amount of air provided by the design is also set in a storage tank, for example a cooling system expansion tank.
  • a storage tank for example a cooling system expansion tank.
  • This desired and structurally intended residual amount of air in the expansion tank is referred to as the air reservoir VL, AGB.
  • the air seal is usually provided to - in a closed system - cushion the pressure change triggered by a temperature change through a defined compressible gas quantity, in this case air or steam, and thus to achieve a defined pressure build-up above the temperature increase of the coolant in the system, or - at an open system - to have a defined expansion space ready above the storage volume in the storage container in order to compensate for changes in volume in the system before liquid can escape to the outside through the vent hole.
  • the desired amount of air depends, for example, on the maximum design pressure of the system and on any minimum pressure requirements of the components in the cooling system and can vary depending on the cooling system.
  • the method according to the invention is used to determine the amount to be filled, even if the total volume of the hydraulic system is not at the beginning of the method is known.
  • Reasons for this are, for example, component tolerances, in particular with regard to the cavities of the components in the system, and / or an unknown residual amount of hydraulic fluid in one or more components of the system; For example, a remaining amount of coolant in an internal combustion engine due to a previous test run in which the engine was filled with coolant, but an unknown amount remains in cavities in the engine, even if the coolant is drained at the end of the test run.
  • Different embodiments eg for use in the tropics with a larger radiator or different wheelbases
  • the method according to the invention works reliably and precisely even without precise knowledge of the total volume.
  • the method according to the invention can be used together with a so-called vacuum filling process.
  • a negative pressure is generated in the hydraulic system in relation to the surroundings of the hydraulic system.
  • This negative pressure is usually also referred to as a vacuum, although it is clear that this is not a pure vacuum, since such a pure vacuum cannot be produced technically or can only be produced with great effort.
  • the negative pressure to which the hydraulic system is evacuated is, for example, a rough vacuum of around 50 millibars. This vacuum is helpful in the process and shortens cycle times, as it allows the hydraulic fluid to be pumped very quickly into the hydraulic system.
  • One advantage of the method according to the invention is that, during filling, it is irrelevant at which points there are residual amounts of air in the hydraulic system. In addition, it is not necessary to know the exact volume of the hydraulic system and any residual amounts of hydraulic fluid that are already in the hydraulic system before the actual filling process. In practice, because of the above-mentioned variables, it is not possible to precisely determine the amount of hydraulic fluid to be filled in beforehand.
  • the amount is determined using the gas equation.
  • the amount to be filled in can be determined particularly precisely in conjunction with the predetermined air reserve in the expansion tank become.
  • the gas equation or ideal gas equation thus forms a physical relationship on the basis of which the remaining air volume in the hydraulic system, for example in the cooling circuit of a vehicle, can be determined within the scope of at least a two-point measurement.
  • the necessary amount of hydraulic fluid to be filled into the hydraulic system can be calculated so that each vehicle can subsequently be filled exactly, i.e. with the desired amount .
  • incomplete filling of vehicles or the like can be prevented, so that the risk of damage, which can result from insufficient filling, can be kept particularly low. Possible customer-relevant complaints due to shortages or overfilling can also be avoided.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a cooling system of a vehicle in FIG.
  • the cooling system being filled with a coolant, in particular liquid coolant, by filling the cooling system with an amount of the coolant, the amount of the The coolant to be filled in depends on the residual air volume in the cooling system and the desired air reserve VL.
  • AGB is set in the expansion tank AGB;
  • FIG. 2 shows an illustration of the method according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the device according to the invention for filling.
  • the cooling system has at least one cooling circuit through which a coolant can flow and in which different components of the utility vehicle are arranged.
  • the cooling circuit and thus the components arranged in the cooling circuit can be flowed through by the coolant, so that the components can be cooled or also tempered as a result of a heat transfer from the components to the coolant, for example a battery with coolant flowing through it in an electrically powered vehicle.
  • the coolant is, for example, a liquid coolant, that is to say a cooling liquid, which is also referred to as cooling water.
  • the components include a coolant cooler 10, hoses 12, a cylinder head and an engine block, the cylinder head and the engine block being collectively denoted by 14, retarder tubes 16, heating lines 18, a retarder 20, lines 22, a heating heat exchanger 24 and an expansion tank AGB.
  • the cooling system is filled with the coolant.
  • a method for filling the cooling system is described below.
  • a quantity of the coolant is poured into the cooling system.
  • the cooling system has an expansion tank AGB which can be seen in FIG. 2, via which the coolant can be filled into the cooling system SYS.
  • the coolant has been filled into the SYS cooling system as part of what is known as prefilling, there is not only a quantity of coolant but also an amount of air in the expansion tank AGB, and in the remaining SYS cooling system there is still possible residual air quantities / air bubbles and thus the respective residual air volumes in components of the SYS cooling system.
  • This - not absolutely necessary - first process step of prefilling increases the accuracy of the process; the more fluid and the less, the more precise the procedure is Residual air is trapped in the system.
  • the respective residual air quantities in the system together with the air in the expansion tank AGB result in a total residual air quantity V 3 and thus a total residual air volume.
  • the amount of coolant to be filled is determined depending on the air supply VL, AGB in the expansion tank AGB as well as the total amount of remaining air in the system determined by this method determined and set.
  • the hydraulic system SYS to be filled with hydraulic fluid is shown in a very simplified manner in FIG. 2. It includes an expansion tank AGB and the rest of the hydraulic system SYS in different stages at different times to to U-
  • KM denotes a volume flow with which the coolant is filled into the cooling system SYS via the expansion tank AGB over a certain period of time.
  • FH KM.maxAGB denotes the maximum filling volume of the expansion tank AGB in normal operation, which is derived from the volumetric size of the expansion tank AGB minus the constructively desired air reserve VL.
  • AGB results and VKM.K OIT denotes the amount of coolant to be filled or extracted into the cooling system in the last process step (step 6) in order to ideally fill the system, ie completely with the desired amount of coolant.
  • VKM.K OIT is used to fill up exactly up to FH KM.maxAGB.
  • the expansion tank AGB is overfilled by the volume V5 compared to the constructive fluid level target position FH KM using the method described here and the amount VKM, Korr. maxAGB, precisely by the amount of the sum of the air volumes V4 enclosed outside the expansion tank.
  • step 1 a bar at the bottom of the SYS system indicates that there is an unknown amount of VKM.
  • O hydraulic fluid is already in the SYS system before prefilling, usually carried out as a vacuum filling, begins.
  • the cooling system is hermetically sealed and the pressure po , abs is reduced, for example, to around 50 mbar absolute pressure.
  • This underpressure / this vacuum conveys a first volume VKM, prefin to the hydraulic system SYS or supports and favors rapid coolant filling. This results in a water level with a filling height of FHKM, prefin in the expansion tank AGB.
  • a negative pressure pi abs of, for example, 800 mbar absolute pressure in the hydraulic system.
  • the prefill amount should preferably be set above the approximately known total target fill amount.
  • a precisely predetermined second volume ⁇ VKM, measurement of the hydraulic fluid is then fed into the hydraulic system by a feed pump of the filling system 32 (FIG. 3). This increases the pressure in the hydraulic system from p2 , abs to p3 , abs and the filling level FH in the expansion tank AGB rises to the value FHKM, Mess.
  • This pressure p3 , abs is also recorded, ie measured; Alternatively, starting from p2 , abs , it is also possible to measure the pressure difference Dr between before (time t2) and after (time t3) the filling or removal of the second volume VKM, Mess.
  • This second volume ⁇ VKM measurement of the hydraulic fluid must be conveyed into the hydraulic system as precisely as possible. This volume must be known for the further calculation. This volume must be dimensioned so that it can still be filled into the hydraulic system without exceeding the air space currently available in the expansion tank AGB.
  • the remaining air volume can be calculated using the ideal gas equation, for example calculated in the hydraulic system.
  • the total residual air volume of the entire system is calculated on the basis of the ideal gas equation under the assumption that the total residual air volume still contained in the entire cooling system, i.e. the air contained in the cooling system, is approximately an ideal gas and the method step measuring step (step 4) is approximately one isothermal change of state takes place.
  • the temperature of the coolant to be filled in the tank of the filling system 32 is similar to that of the production hall of the vehicle and the vehicle and its parts itself, which is located in the production line.
  • a filling level FHKM, Final is set that is above the desired filling level FHKM, maxAGB.
  • the liquid volume V5 from the corresponding volume difference of the filling heights FHKM, Final - FHKM, maxAGB in the expansion tank AGB corresponds exactly to the volume of the sum of the air bubbles in the hydraulic system SYS, which is denoted by V4 in FIG. 2.
  • the total remaining air volume V2 in the cooling system results from:
  • the above equation is a first equation.
  • a pressure of the coolant which the coolant has in the cooling system at time t2 is designated by p2 , abs.
  • p3 abs denotes a pressure which the coolant has in the cooling system at a later point in time tz.
  • the change in the total amount of coolant in the measuring step VKM Mess for changing the absolute pressures in the cooling system, these pressures being detected, ie measured, as precisely as possible, for example, by means of a detection device, in particular by means of at least one pressure sensor.
  • the amount of coolant to be filled is set by controlling the filling time (t ß ⁇ 1 2 ) at a given constant volume flow with which the coolant is filled into the cooling system over this time.
  • a volume VKM, measurement in the expansion tank AGB shown in FIG. 2 denotes the amount of coolant filled or removed from the expansion tank AGB between the times t 2 and tz. Accordingly, a volume VKM, Korr denotes the amount of coolant filled or withdrawn from the expansion tank AGB between the times tz and U. This amount corresponds to the amount VKM, Korr of the coolant still to be filled or removed from the cooling system, so that the cooling system is optimally filled, i.e. exactly according to the design specifications:
  • VKM Korr denotes a volume of the coolant to be filled into or removed from the cooling system via the expansion tank AGB or in a similar manner.
  • Overfilling of the expansion tank above the level provided by the design is accepted; the cooling system will relatively quickly separate the unwanted residual air volumes / air bubbles in the expansion tank in the later real vehicle operation.
  • the method of determining the amount of air is preferably carried out in the overpressure range, since this can prevent undesired drawing in and thus an internal change in volume due to contraction of the rubber hoses of a hydraulic system that are usually present in a hydraulic system.
  • the aim of the process and thus an ideal filling of the cooling system is to make the system robust against possible shortfalls when filling the cooling system, as well as to be able to consciously allow smaller shortages, i.e. air inclusions in the system, in order to avoid complex ventilation lines or technical / structural effort for constructively required to save constantly increasing lines.
  • FIG. 3 an exemplary embodiment of a device for filling, designated as a filling system 32, is shown schematically.
  • a filling adapter 42 is received in the filler neck 34 of the expansion tank AGB.
  • the filler neck 34 has an overfill protection.
  • the filling adapter comprises a line 13 for filling with hydraulic fluid and a connection 15 for a pressure sensor (not shown).
  • the filling adapter 42 optionally includes a suction line 17 which is required to carry out the vacuum filling.
  • a suction line 17 which is required to carry out the vacuum filling.
  • the vacuum filling can then take place with the first volume VKM, Prefin (step 2).
  • the pressure sensor is used to record the absolute pressures p2, abs and p3 , abs.
  • the amount of coolant that has been filled in or withdrawn must be recorded as precisely as possible using appropriate volume measuring devices, in particular in the measuring step (step 4).
  • a control unit ECU is set up and programmed in such a way that it controls the vacuum pump and the filling and / or suction pumps. It controls the filling with the first volume VKM, prefin, the second volume ⁇ VKM, Mess, and the final setting volume / correction volume VKM, Korr. It also controls the detection of the pressures P2 , abs , P3 , abs and the amount of coolant filled or withdrawn in every measurement step and calculates the volume V3 of the total remaining air in the hydraulic system and calculates the final setting volume / correction volume VKM, corr.
  • volume control is usually advantageous, since the stabilization of the pressures in the system takes some time and pressure control would usually result in slower process times.
  • control device ECU is an electronic control device of the filling system 32 for controlling the filling process, the respective measurement data acquisition and the calculation of the respective coolant quantities.
  • the coolant in the expansion tank AGB is denoted by 40 in FIG.
  • An arrow 36 shows that the coolant 40 can flow from the expansion tank AGB to or into the cooling system SYS.
  • a double arrow 38 shows that coolant can be sucked out of the expansion tank AGB via the line 13 and the expansion tank AGB can be filled with coolant.
  • An arrow 28 shows that the coolant of known quantity and temperature can be introduced into the line 13 from the tank of the filling system 32, which is also referred to as the system tank, and can be introduced into the expansion tank AGB by means of the line 13.
  • An arrow 26 is finally a connection to the Air suction for partial evacuation and to the vent / pressure equalization valve illustrated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum genauen Befüllen eines wenigstens einen Ausgleichsbehälter (AGB) aufweisenden Hydrauliksystems (SYS) - beispielsweise eines Kraftfahrzeugs - mit einer Hydraulikflüssigkeit (40), bei welcher eine Menge (VKM, Korr) der Hydraulikflüssigkeit (40) in das Hydrauliksystem (SYS) eingefüllt wird, wobei die Menge (VKM, Korr) der Hydraulikflüssigkeit (40) in Abhängigkeit von einem sich in dem Hydrauliksystem (SYS) befindenden Gesamtrestluftvolumen (V3) eingestellt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Befüllen eines Hydrauliksystems mit einer Hydraulikflüssigkeit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befüllen eines hydraulischen Systems (Hydrauliksystem), insbesondere eines Kühlsystems eines Kraftfahrzeugs, und eine Vorrichtung zum Befüllen eines Hydrauliksystems. Der Begriff "Hydrauliksystem" im Sinne der Erfindung umfasst ein mindestens teilweise mit einer Flüssigkeit oder einem Flüssigkeitsgemisch gefülltes System umfassend Behälter, Rohre, Schläuche, einen Ausgleichs- oder Vorratsbehälter, Wärmetauscher, Kühler, eine oder mehrere Pumpen oder Hydraulikmotoren und/oder andere Komponenten. Das Hydrauliksystem kann während des Betriebs geschlossen sein oder zum Beispiel über eine Entlüftung des optionalen Ausgleichsbehälters mit der Umgebungsluft in Verbindung stehen. Die Begriffe "Menge" und "Volumen" werden im Folgenden synonym verwandt.
Das Kühlsystem einer mobilen oder stationären Brennkraftmaschine ist ein Beispiel für ein solches Hydrauliksystem. Weitere Beispiele sind Fahrzeuge mit alternativen Antriebsystemen (z.B. Plug-In Hybrid, Elektroantrieb, Brennstoffzelle) eine hydraulische Lenkunterstützung eines Kraftfahrzeugs, die Arbeitshydraulik einer Baumaschine oder eines landwirtschaftlichen Geräts, oder einer stationären Vorrichtung. Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel eines Kühlsystems eines Fahrzeugs exemplarisch erläutert, ohne den beanspruchten Schutz darauf zu beschränken.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Fahrzeugbau sind Fahrzeuge mit verschiedenen unterschiedlichen Hydrauliksystemen bereits hinlänglich bekannt. Das Fahrzeug ist beispielsweise als Nutzfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine ausgebildet. Dessen Kühlsystem weist üblicherweise wenigstens einen Kühlkreislauf auf, welcher von einem Kühlmittel, insbesondere einem flüssigen Kühlmittel, durchströmbar ist. In dem Kühlkreislauf sind verschiedene Komponenten des Fahrzeugs (z. B. die Brennkraftmaschine, ein oder mehrere (wassergekühlte) Turbolader), Retarder, ein und/oder ein oder mehrere Kühler/Wärmetauscher angeordnet, wobei die erstgenannten oder andere Komponenten durch das Kühlmittel gekühlt oder temperiert werden können. Der oder die Kühler/Wärmetauscher geben die von der Kühlflüssigkeit aufgenommene Wärme letztlich an andere Verbraucher im System oder an die Umgebungsluft ab. Der Ausgleichsbehälter dient dazu, Volumenschwankungen des Kühlmittels in dem Kühlsystem auszugleichen. Diese Volumenschwankungen resultieren beispielsweise aus Temperaturschwankungen und/oder aus Leckagen. Dies ist dem Fachmann bekannt und bedarf daher keiner näheren Erläuterung.
Vor der Inbetriebnahme muss, zum Beispiel bei der Endmontage des Fahrzeugs, jedes Hydrauliksystem mit einer ausreichenden Menge von Hydraulikflüssigkeit befüllt werden. In das Kühlsystem muss eine ausreichende Menge / ein ausreichendes Volumen des Kühlmittels eingefüllt werden. Dabei darf weder zuviel noch zuwenig Kühlmittel bzw. Hydraulikflüssigkeit eingefüllt werden. Außerdem soll das Befüllen rasch und prozesssicher erfolgen. Das Befüllen wird dadurch erschwert, dass vor allem komplizierte Hydrauliksysteme so geformt sind, dass die Hydraulikflüssigkeit nicht alle Bereiche des Hydrauliksystems erreicht, wenn sie beispielsweise durch die Befüllöffnung eines Ausgleichsbehälters in das Hydrauliksystem gefördert wird. Es bleiben Luftblasen im Hydrauliksystem, deren Volumen unbekannt ist.
Eine hinreichende Kühlung des Fahrzeugs beziehungsweise dessen Komponenten kann nur dann erfüllt werden, wenn sich eine hinreichende Menge des Kühlmittels im Kühlsystem befindet. Eine übermäßige, sich im Kühlsystem befindende Menge des Kühlmittels ist jedoch ebenso zu vermeiden wie eine zu geringe Menge, da eine zu große Menge als auch eine zu geringe Menge zu Schäden am Fahrzeug führen kann.
In der Serienfertigung von beispielsweise Kraftfahrzeugen ist üblicherweise ein iteratives Befüllen des Kühlsystems mit Kühlmittel vorgesehen. Nach einer Erstbefüllung des Kühlsystems wird beispielsweise ein Antriebsaggregat, insbesondere eine Verbrennungskraftmaschine, des Fahrzeugs gestartet, sodass das eingefüllte Kühlmittel im Kühlsystem beziehungsweise Kühlkreislauf durch wenigstens eine Pumpe (die sogenannte Wasserpumpe) gefördert wird. Üblicherweise befinden sich nach der Erstbefüllung Restluftmengen (Luftblasen) im Kühlsystem, welche infolge des Förderns des Kühlmittels durch das Kühlsystem zum Ausgleichsbehälter gelangen, sodass der Pegel des Kühlmittels nach der Erstbefüllung im Ausgleichsbehälter durch die Inbetriebnahme der Wasserpumpe abnimmt. Dann kann beispielsweise eine die Befüllung durchführende Person anhand dieser Mengenabnahme visuell oder durch Füllstandssensoren erkennen, dass die Menge des Kühlmittels im Kühlsystem noch zu klein ist und kann weiteres Kühlmittel in das Kühlsystem nachfüllen. Diese iterative Befüllung ist zeit- und kostenaufwendig, fehleranfällig und erfordert das Anlassen der Brennkraftmaschine und gegebenenfalls das Öffnen der eventuell im System befindlichen Thermostate und oder Absperrungen, beispielsweise Heizungsventile für die Fahrzeug Innenraumheizung. Das Öffnen des Thermostats kann dabei - falls möglich - zwangsgesteuert erfolgen oder muss durch das in einer Produktionslinie vergleichsweise aufwändige Erreichen der Thermostat Öffnungstemperatur im Kühlsystem hergestellt werden. Ähnlich verhält es sich beim Befüllen anderer Hydrauliksysteme.
Aus der DE 102015008465 A1 ist ein Verfahren zum Befüllen eines Kühlsystems eines Fahrzeugs bekannt, bei dem unter Nutzung der idealen Gasgleichung versucht wird, die Menge des Kühlmittels in Abhängigkeit von einem sich in einem Ausgleichsbehälter des Kühlsystems befindlichen Restvolumen einzustellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, mittels welchem ein Kühlsystem eines Fahrzeugs, und jedes andere Hydrauliksystem schnell, exakt und auf einfache Weise mit einem Kühlmittel oder einem anderen Fluid befüllt werden kann. Das Verfahren soll prozesssicher und automatisierbar sein.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und/oder Patentanspruchs 2 sowie durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Befüllen eines Hydrauliksystems mit einer Hydraulikflüssigkeit gelöst, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- Befüllen des Hydrauliksystems mit einem vorgegebenen ersten Volumen (VKM, Prefiii) der Hydraulikflüssigkeit,
- Druckdichtes Verschließen des Hydrauliksystems und Erfassen des Drucks (p2, abs) im verschlossenen Hydrauliksystem,
- Befüllen oder Entnahme eines vorgegebenen zweiten Volumens (ÄVKM, Mess) der Hydraulikflüssigkeit aus dem verschlossenen Hydrauliksystem, - Erfassen des Drucks (p3, abs) im verschlossenen Hydrauliksystem nach dem Befüllen oder Entnehmen des zweiten Volumens (ÄVKM, Mess),
- Berechnen des Volumens (V3) der gesamten Restluft im Hydrauliksystem in Abhängigkeit der Drücke (p2, abs, P3, abs) vor und nach dem Befüllen mit dem zweiten Volumen (ÄVKM, Mess), und Berechnung eines finalen Korrekturvolumens (VKM, korr) in Abhängigkeit des Volumens (V3) und der konstruktiv vorgegebenen Luftvorlage des Systems VL, AGB und
- Nachfüllen bzw. Entnahme des errechneten finalen Korrekturvolumens (VKM, Korr) zur finalen korrekten Mengenbefüllung des Hydrauliksystems.
Alternativ hierzu wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Befüllen eines Hydrauliksystems mit einer Hydraulikflüssigkeit gelöst, das die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- Befüllen des Hydrauliksystems mit einem vorgegebenen ersten Volumen (VKM, Prefin) der Hydraulikflüssigkeit,
- druckdichtes Verschließen des Hydrauliksystems und Erfassen des Drucks (p2, abs) im verschlossenen Hydrauliksystem,
- Befüllen oder Entnahme der Hydraulikflüssigkeit aus dem verschlossenen Hydrauliksystem bis ein vorgegebener Druck (p3, abs) im verschlossenen Hydrauliksystem erreicht ist, und Erfassen des Volumens (ÄVKM, Mess) der dabei eingefüllten Hydraulikflüssigkeit,
- Berechnen des Volumens (V3) der gesamten Restluft im Hydrauliksystem in Abhängigkeit der Drücke (p2, abs, P3, abs) vor und nach dem Befüllen mit dem zweiten Volumen (ÄVKM, Mess), und Berechnung eines finalen Korrekturvolumens (VKM, korr) in Abhängigkeit des Volumens (V3) und der konstruktiv vorgegebenen Luftvorlage des Systems VL, AGB und
- Nachfüllen bzw. Entnahme des errechneten finalen Korrekturvolumens (VKM, Korr) zur finalen korrekten Mengenbefüllung des Hydrauliksystems.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, das Volumen der im Hydrauliksystem nach der ersten Befüllung vorhandenen gesamten Restluftmenge zu bestimmen und in Abhängigkeit davon und von der konstruktiv vorgegebenen Luftvorlage des Systems das Volumen der noch fehlenden oder zu viel eingefüllten Hydraulikflüssigkeit (= finales Korrekturvolumen) zu bestimmen und in das Hydrauliksystem zu fördern oder etwaige zu viel vorhandene Menge wieder zu entnehmen. Die Bestimmung des Volumens der gesamten Restluftmenge / der Luftblasen erfolgt bei geschlossenem Hydrauliksystem indem ein definiertes Volumen der Hydraulikflüssigkeit in das geschlossene System gefördert oder daraus entnommen wird und die absoluten Drücke vor und nach dem Einfüllen oder Entnehmen der Menge genau erfasst werden. Über die (ideale) Gasgleichung kann damit das Volumen der gesamten Restluftmenge, d.h. der Luftblasen und des Luftvolumens im Ausgleichsbehälter ausreichend genau ermittelt werden. Auf Basis dieses Ergebnisses kann dann das Hydrauliksystem mit dem finalen Korrekturvolumen befüllt oder eine zu viel im System befindliche Menge entnommen werden und die Befüllung damit abgeschlossen werden.
Das bedeutet, um auf das Beispiel "Kühlsystem eines Kfz" zurückzukommen, dass, nachdem das Kühlsystem befüllt wurde, der Pegel der Kühlflüssigkeit vor der ersten Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine oberhalb des zulässigen Höchststands im Ausgleichsbehälter liegt. Zeitnah nach der ersten Inbetriebnahme und Öffnen aller Thermostate und / oder Absperrungen sinkt der Pegel dann einmalig im Betrieb des Systems auf den dauerhaft maximal zulässigen Stand, weil die Luftblasen aus dem System in den Ausgleichsbehälter gefördert werden.
Dann stellt sich auch die konstruktiv vorgesehene Luftmenge in einem Vorratsbehälter, beispielsweise einem Kühlsystem Ausgleichsbehälter, ein. Diese gewünschte und konstruktiv vorgesehene Restluftmenge im Ausgleichsbehälter wird als Luftvorlage VL,AGB bezeichnet. Die Luftvorlage ist üblicherweise vorgesehen, um - bei einem geschlossenen System - die Druckänderung ausgelöst durch Temperaturänderung durch eine definierte kompressible Gasmenge, in diesem Fall Luft beziehungsweise Dampf, abzufedern und damit einen definierte Druckaufbau über der Temperaturerhöhung des Kühlmittels im System zu erreichen, oder - bei einem offenen System - einen definierten Ausdehnungsraum über der Vorratsmenge im Vorratsbehälter bereitzuhalten um Volumenänderungen im System auszugleichen, bevor Flüssigkeit durch die Entlüftungsbohrung nach außen austreten kann.
Die gewünschte Luftmenge hängt beispielsweise vom konstruktiv zulässigen Maximaldruck des Systems und von etwaigen Mindestdruckanforderungen der Komponenten im Kühlsystem ab und kann je nach Kühlsystem variieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Ermittlung der einzufüllenden Menge, auch wenn das Gesamtvolumen des Hydrauliksystems zu Beginn des Verfahrens nicht bekannt ist. Gründe hierfür sind beispielsweise Bauteiltoleranzen, insbesondere betreffend die Kavitäten der im System befindlichen Bauteile, und/oder eine unbekannte Restmenge an Hydraulikflüssigkeit in einer oder mehreren Komponenten des Systems; beispielsweise eine restlich verbleibende Kühlmittelmenge in einem Verbrennungsmotor aufgrund eines vorherigen Prüfstandslaufs, bei dem der Motor mit Kühlmittel befüllt war, jedoch eine unbekannte Restmenge in Hohlräumen im Motor verbleibt, selbst bei Ablassen des Kühlmittels am Ende des Prüflaufs. Auch können verschiedene Ausführungsformen (z.B. für den Einsatz in den Tropen mit größerem Kühler oder verschiedene Radstände) zu einem unbekannten Gesamtvolumen des Systems führen. Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet auch ohne genaue Kenntnis des Gesamtvolumens sicher und genau.
Somit ist es möglich, jedes Hydrauliksystem, sei es bei einer mobilen oder einer stationären Anwendung, mit genau der gewünschten Menge der Hydraulikflüssigkeit zu befüllen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zusammen mit einem sogenannten Vakuumbefüllprozess angewandt werden. Bei dem Vakuumbefüllprozess wird in dem Hydrauliksystem gegenüber der Umgebung des Hydrauliksystems ein Unterdrück erzeugt. Dieser Unterdrück wird üblicherweise auch als Vakuum bezeichnet, wobei es jedoch klar ist, dass es sich hierbei nicht um ein reines Vakuum handelt, da ein solches reines Vakuum technisch nicht oder nur übermäßig aufwendig erzeugt werden kann. Bei dem Unterdrück, auf welchen das Hydrauliksystem evakuiert wird, handelt es sich beispielsweise um ein Grobvakuum mit zirka 50 Millibar. Dieses Vakuum ist im Prozess hilfreich und Taktzeit verkürzend, da hierdurch die Hydraulikflüssigkeit sehr rasch in das Hydrauliksystem gefördert werden kann.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es beim Befüllen unerheblich ist, an welchen Stellen sich im Hydrauliksystem Restluftmengen befinden. Außerdem ist es nicht erforderlich das genaue Volumen des Hydrauliksystems und eventuell vorhandene Restmengen an Hydraulikflüssigkeit zu kennen, die sich vor dem eigentlichen Befüllvorgang schon im Hydrauliksystem befinden. In der Praxis ist es wegen der weiter oben genannten Variablen nicht möglich, die einzufüllende Menge der Hydraulikflüssigkeit vorab genau zu bestimmen.
Um die in das Hydrauliksystem einzufüllende Menge der Hydraulikflüssigkeit möglichst genau einzustellen, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Menge über die Gasgleichung ermittelt wird. Hierdurch kann in Zusammenspiel mit der vorgegebenen Luftvorlage im Ausgleichsbehälter die einzufüllende Menge besonders genau bestimmt werden. Die Gasgleichung beziehungsweise ideale Gasgleichung bildet somit einen physikalischen Zusammenhang, auf dessen Basis im Rahmen einer mindestens Zwei- Punkt-Messung das vorhandene Restluftvolumen im Hydrauliksystem beispielsweise im Kühlkreislauf eines Fahrzeugs ermittelt werden kann.
Grundlage hierfür ist eine näherungsweise isotherme Zustandsänderung, die nach dem Gesetz von BOYLE-MARIOTTE beschrieben werden kann als p*V = const, bei T = const und dT = 0.
Da für jedes Fahrzeug beziehungsweise jede Fahrzeugvariante die erforderliche Luftvorlage im Hydrauliksystem konstruktiv vorgegeben und bekannt ist, kann die notwendige, in das Hydrauliksystem einzufüllende Menge der Hydraulikflüssigkeit berechnet werden, sodass in der Folge jedes Fahrzeug exakt, das heißt mit der gewünschten Menge, befüllt werden kann. Hierdurch ist es möglich, das jeweilige Fahrzeug, Anlage oder Gerät in besonders kurzer Zeit und somit kostengünstig zu befüllen, sodass iterative Befüllvorgänge vermieden werden können. Ferner können unvollständige Befüllungen von Fahrzeugen o.ä. verhindert werden, sodass die Gefahr von Schäden, welche aus einer nur unzureichenden Befüllung resultieren können, besonders geringgehalten werden kann. Auch können mögliche kundenrelevante Beanstandungen aufgrund Fehlmengen oder Überfüllung vermieden werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Kühlsystems eines Fahrzeugs in
Form eines Nutzfahrzeugs, wobei das Kühlsystem mit einem Kühlmittel, insbesondere flüssigen Kühlmittel, befüllt wird, indem eine Menge des Kühlmittels in das Kühlsystem eingefüllt wird, wobei die Menge des einzufüllenden Kühlmittels in Abhängigkeit von dem im Kühlsystem befindlichen Restluftvolumen und der gewünschten Luftvorlage VL. AGB im Ausgleichsbehälter AGB eingestellt wird;
Fig. 2 eine Illustration des erfindungsgemäßen Verfahrens; und Fig. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Befüllen.
Fig. 1 zeigt in einer Seitenansicht ein Kühlsystem für ein Fahrzeug insbesondere in Form eines Nutzfahrzeugs, welches insbesondere als Nutzkraftwagen ausgebildet ist. Das Kühlsystem weist wenigstens einen von einem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkreislauf auf, in welchem unterschiedliche Komponenten des Nutzfahrzeugs angeordnet sind. Der Kühlkreislauf und somit die in dem Kühlkreislauf angeordneten Komponenten sind von dem Kühlmittel durchströmbar, sodass die Komponenten infolge eines Wärmeübergangs von den Komponenten an das Kühlmittel gekühlt oder auch temperiert werden können, beispielsweise eine kühlmitteldurchströmte Batterie in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug. Bei dem Kühlmittel handelt es sich beispielsweise um ein flüssiges Kühlmittel, das heißt eine Kühlflüssigkeit, welche auch als Kühlwasser bezeichnet wird. Die Komponenten umfassen einen Kühlmittelkühler 10, Schläuche 12, einen Zylinderkopf und einen Motorblock, wobei der Zylinderkopf und der Motorblock zusammenfassend mit 14 bezeichnet sind, Retarderrohre 16, Heizleitungen 18, einen Retarder 20, Leitungen 22, einen Heizungswärmetauscher 24 und einen Ausgleichsbehälter AGB.
Im Rahmen der Herstellung beziehungsweise Montage des Nutzfahrzeugs wird das Kühlsystem mit dem Kühlmittel befüllt. Im Folgenden wird ein Verfahren zum Befüllen des Kühlsystems beschrieben. Im Rahmen des Verfahrens wird eine Menge des Kühlmittels in das Kühlsystem eingefüllt. Das Kühlsystem weist dabei einen aus Fig. 2 erkennbaren Ausgleichsbehälter AGB auf, über welchen das Kühlmittel in das Kühlsystem SYS eingefüllt werden kann. Nach dem Einfüllen des Kühlmittels in das Kühlsystem SYS im Rahmen des sogenannten Prefillings befindet sich im Ausgleichsbehälter AGB neben einer Kühlmittelmenge noch eine Luftmenge sowie im restlichen Kühlsystem SYS noch mögliche Restluftmengen/Luftblasen und somit jeweilige Restluftvolumen in Bestandteilen des Kühlsystems SYS. Dieser - nicht zwingend notwendige - erste Prozessschritt des Prefillings erhöht die Genauigkeit des Verfahrens; das Verfahren wird umso genauer, je mehr Flüssigkeit und je weniger Restluft im System eingeschlossen ist. Die jeweiligen Restluftmengen im System ergeben in Summe mit der Luft im Ausgleichsbehälter AGB eine Gesamtrestluftmenge V3 und somit ein Gesamtrestluftvolumen. Um nun das gesamte Kühlsystem einschließlich des Ausgleichsbehälters AGB auf besonders einfache Weise besonders exakt mit der richtigen Kühlmittelmenge zu befüllen, wird die Menge des einzufüllenden Kühlmittels in Abhängigkeit von der konstruktiv vorgesehenen Luftvorlage VL,AGB im Ausgleichsbehälter AGB sowie der nach diesem Verfahren ermittelten Gesamtrestluftmenge im System bestimmt und eingestellt.
In Fig. 2 ist das mit Hydraulikflüssigkeit zu befüllende Hydrauliksystem SYS sehr stark vereinfacht dargestellt. Es umfasst einen Ausgleichsbehälter AGB und den Rest des Hydrauliksystems SYS in verschiedenen Stadien zu verschiedenen Zeitpunkten to bis U-
In Fig. 2 ist mit KM ein Volumenstrom bezeichnet, mit welchem das Kühlmittel über eine bestimmte Zeit in das Kühlsystem SYS über den Ausgleichsbehälter AGB gefüllt wird. Mit FHKM.maxAGB ist das maximale Füllvolumen des Ausgleichsbehälters AGB im Normalbetrieb bezeichnet, welches sich aus der volumetrischen Größe des Ausgleichsbehälters AGB abzüglich der konstruktiv gewünschten Luftvorlage VL. AGB ergibt und mit VKM.KOIT ist die im letzten Prozessschritt (Schritt 6) noch in das Kühlsystem einzufüllende oder abzusaugende Menge des Kühlmittels bezeichnet, um das System ideal, d.h. vollständig mit der gewünschten Kühlmittelmenge zu befüllen. Unter der Voraussetzung, dass in keinem weiteren Teil des Systems außer dem Ausgleichsbehälter AGB noch Luft eingeschlossen ist, wird mit VKM.KOIT genau bis zu FHKM.maxAGB aufgefüllt. Sobald sich an anderer Stelle im Kühlsystem SYS noch eine restliche Luftmenge befindet, die sich auch aus mehreren Teilmengen zusammensetzen kann, wird mittels des hier beschriebenen Verfahrens und der Menge VKM, Korr der Ausgleichsbehälter AGB um das Volumen V5 überfüllt gegenüber der konstruktiven Flüssigkeitsstandssolllage FHKM.maxAGB , und zwar genau um die Menge der Summe der außerhalb es Ausgleichsbehälters eingeschlossenen Luftvolumina V4.
Im Schritt 1 wird durch einen Balken am Grund des Systems SYS angedeutet, dass sich eine unbekannte Menge VKM. O an Hydraulikflüssigkeit bereits im System SYS befindet bevor das Prefilling, üblicherweise durchgeführt als Vakuumbefüllung, beginnt.
Für diese Vakuumbefüllung wird das Kühlsystem luftdicht verschlossen und der Druck po, abs zum Beispiel auf zirka 50 mbar Absolutdruck abgesenkt. Dieser Unterduck / dieses Vakuum fördert ein erstes Volumen VKM, prefin in das Hydrauliksystem SYS beziehungsweise unterstützt und begünstigt eine schnelle Kühlmittelbefüllung. Daraus resultiert ein Pegelstand mit einer Füllhöhe FHKM, prefin im Ausgleichsbehälter AGB. Am Ende des Prefilling Prozessschritts (Schritt 2) herrscht im Hydrauliksystem noch ein Unter-Druck pi, abs von beispielsweise 800 mbar Absolutdruck. Es ist im Sinne der Genauigkeit des Verfahrens sinnvoll, dieses erste Volumen VKM, prefin so zu bestimmen, dass das gesamte Hydrauliksystem danach bereits weitgehend gefüllt ist. Aus Gründen der Prozessvereinfachung des Verfahrens ist die Prefill-Menge bevorzugt über der näherungsweise bekannten Gesamt Soll-Füllmenge anzusetzen. Dadurch verbleibt am Ende des gesamten Prozesses nach der finalen Füllstandseinstellung (Schritt 6) ein leichter Unterdrück im System SYS, so dass nach einem einfachen Druckausgleich der Befüllkopf der Anlage abgenommen werden kann, ohne dass dabei unerwünscht Flüssigkeit aus dem Ausgleichsbehälter AGB gedrückt würde oder der Ausgleichsbehälter AGB mit einer besonderen Funktion zum Abbau des Überdrucks ausgestattet sein müsste, oder ein separater Prozessschritt oder zusätzliche Anlagentechnik hierfür erforderlich wäre.
Nach dem Prefilling (Schritt 2) wird ein Druckausgleich (Schritt 3) des Hydrauliksystems durchgeführt, so dass ein Druckausgleich mit der Umgebung stattfindet. Danach herrscht im Hydrauliksystem Umgebungsdruck pamb = P2, abs von beispielsweise 1013 mbar.
Anschließend (Schritt 4) wird das Hydrauliksystem wieder luftdicht verschlossen und der Druck p2,abs im System (=Umgebungsdruck pamb) erfasst, d.h. möglichst genau gemessen. Danach wird durch eine Förderpumpe der Befüllanlage 32 (Fig. 3) ein genau vorgegebenes zweites Volumen ÄVKM, Mess der Hydraulikflüssigkeit in das Hydrauliksystem gefördert. Dadurch erhöht sich der Druck im Hydrauliksystem von p2, abs auf p3, abs und die Füllhöhe FH im Ausgleichsbehälter AGB steigt auf den Wert FHKM, Mess an. Dieser Druck p3, abs wird ebenfalls erfasst, d.h. gemessen; alternativ ist es auch möglich ausgehend von p2,abs die Druckdifferenz Dr zwischen vor (Zeitpunkt t2) und nach (Zeitpunkt t3) dem Einfüllen oder Entnehmen des zweiten Volumens VKM, Mess zu messen. Dieses zweite Volumen ÄVKM, Mess der Hydraulikflüssigkeit muss möglichst genau in das Hydrauliksystem gefördert werden. Dieses Volumen muss für die weitere Rechnung bekannt sein. Dieses Volumen muss so bemessen sein, dass es sich noch in das Hydrauliksystem einfüllen lässt, ohne dass dabei der aktuell noch zur Verfügung stehende Luftraum im Ausgleichsbehälter AGB überschritten wird.
Aus dem Absolutdruck P2, abs, der Druckdifferenz Dr (= p3, abs - P2, abs) und in Kenntnis des Volumens ÄVKM, Mess kann zum Beispiel über die ideale Gasgleichung die Restluftmenge im Hydrauliksystem berechnet werden. Das Errechnen des Gesamtrestluftvolumens des gesamten Systems erfolgt auf Basis der idealen Gasgleichung unter der Annahme, dass die im gesamten Kühlsystem noch enthaltenen Gesamtrestluftmenge, das heißt die im Kühlsystem enthaltene Luft, näherungsweise ein ideales Gas ist und der Verfahrensschritt Messschritt (Schritt 4) näherungsweise als eine isotherme Zustandsänderung erfolgt. Im Sinne einer möglichst hohen Genauigkeit des Verfahrens ist dabei sicher zu stellen, dass die Temperatur des einzufüllenden Kühlmittels im Tank der Befüllanlage 32 ähnlich temperiert ist, wie die Produktionshalle des Fahrzeugs und das Fahrzeugs und seiner Teile selbst, welches sich in der Produktionslinie befindet.
In Kenntnis des Volumens ÄVKM, Mess und der Drücke p3, abs und p2, abs kann nun das gesamte Restluftvolumen V3 ermittelt werden. Damit ist die erforderliche finale Korrekturmenge ÄVKM, Korr einfach durch Subtraktion der gewünschten Luftvorlage VL. AGB von V3 zu ermitteln (Schritt 5).
Wenn nun die finale Korrekturmenge VKM, Korr in das Hydrauliksystem gefördert oder daraus entnommen wird, dann stellt sich eine Füllhöhe FHKM, Final ein, die oberhalb der gewünschten Füllhöhe FHKM, maxAGB liegt. Das Flüssigkeitsvolumen V5 aus der entsprechenden Volumendifferenz der Füllhöhen FHKM, Final - FHKM, maxAGB im Ausgleichsbehälter AGB entspricht dabei genau dem Volumen der Summe der Luftblasen im Hydrauliksystem SYS, welches in Fig. 2 mit V4 bezeichnet ist.
Die Gesamtrestluftmenge V2 im Kühlsystem ergibt sich zu:
Figure imgf000013_0001
Obige Gleichung ist eine erste Gleichung.
Ferner wird folgende zweite Gleichung genutzt, welche das ideale Gasgesetz repräsentiert:
P2, abs * V2 - P3, abs * V3
(Gesetz von BOYLE-MARIOTTE für T = const, dT = 0)
Mit p2,abs ist ein Druck des Kühlmittels bezeichnet, den das Kühlmittel zum Zeitpunkt t2 im Kühlsystem aufweist. Dementsprechend ist mit p3, abs ein Druck bezeichnet, den das Kühlmittel zum späteren Zeitpunkt tz im Kühlsystem aufweist. Wie vorstehend erläutert, führt somit die Veränderung der gesamten Menge des Kühlmittels im Messschritt VKM, Mess zur Veränderung der absoluten Drücke im Kühlsystem, wobei diese Drücke beispielsweise mittels einer Erfassungseinrichtung, insbesondere mittels wenigstens eines Drucksensors, möglichst präzise erfasst, d.h. gemessen werden. Dabei wird die Menge des einzufüllenden Kühlmittels durch die Steuerung der Befüllzeit (tß - 12) bei gegebenem konstantem Volumenstrom eingestellt, mit welchem das Kühlmittel über diese Zeit in das Kühlsystem gefüllt wird.
Figure imgf000014_0001
Werden diese drei Gleichungen ineinander eingesetzt, so ergibt sich für V3 folgendes:
Figure imgf000014_0002
Ein in Fig. 2 gezeigtes Volumen VKM, Mess im Ausgleichsbehälter AGB bezeichnet die zwischen den Zeitpunkten t2 und tz in den Ausgleichsbehälter AGB eingefüllte oder entnommene Kühlmittelmenge. Demzufolge bezeichnet ein Volumen VKM, Korr die zwischen den Zeitpunkten tz und U in den Ausgleichsbehälter AGB eingefüllte oder entnommene Kühlmittelmenge. Diese Menge entspricht der noch in das Kühlsystem einzufüllenden oder zu entnehmenden Menge VKM, Korr des Kühlmittels, so dass das Kühlsystem optimal, d.h. genau nach Konstruktionsvorgabe, befüllt ist:
VKM, Korr — V3 - VL. AGB-
Genauer gesagt bezeichnet VKM, Korr ein noch in das Kühlsystem über den Ausgleichsbehälter AGB oder in ähnlicher Art und Weise einzufüllendes oder zu entnehmendes Volumen des Kühlmittels. Eine Überfüllung des Ausgleichsbehälters über den konstruktiv vorgesehenen Füllstand wird dabei in Kauf genommen; das Kühlsystem wird im späteren realen Fahrzeugbetrieb verhältnismäßig schnell die im System befindlichen unerwünschten Restluftvolumina/Luftblasen im Ausgleichsbehälter abscheiden. Hierfür ist normalerweise das Öffnen des motorseitigen Kühlmittelthermostats erforderlich, welches sich im Fährbetrieb regelmäßig bei Erreichen der Thermostatöffnungstemperatur des Kühlmittels einstellt. Sofern das Verfahren solchermaßen durchgeführt wird, dass bereits die Prefill-Menge über der letztlichen Soll- Menge liegt, entsteht im letzten Schritt des Verfahrens am Ende der finalen Füllstandseinstellung ein leichter Unterdrück. Im Falle, dass die finale Füllstandseinstellung des Ausgleichsbehälters AGB über eine Befüllung dargestellt werden soll, muss das analgentechnisch im leichten Unterdrück geschehen, sofern der AGB einen konstruktiven Überfüllschutz enthält. Dieser Überfüllschutz ist üblicherweise in einem Ausgleichsbehälter vorhanden um sicherzustellen, dass im späteren Kundengebrauch ein unerwünschtes Überfüllen des Kühlsystems vermieden wird.
Wird die auf die oben geschildete Weise berechnete Menge VKM, Korr des Kühlmittels in das Kühlsystem eingefüllt oder entnommen, so stellt sich im Ausgleichsbehälter AGB ein Kühlmittelvolumen ein, welches einer Luftmenge Raum im Ausgleichsbehälter AGB lässt, die rechnerisch in Verbindung mit den noch vorhandenen Luftblasen im System genau die gewünschte Luftvorlage VL,AGB des Kühlsystems ergibt.
Vorzugsweise ist das Verfahren der Luftmengenbestimmung im Überdruckbereich durchzuführen, da hiermit ein unerwünschtes Einziehen und damit eine innere Volumenänderung durch Kontraktion der üblicherweise in einem Hydrauliksystem vorhandenen Gummischläuche eines Hydrauliksystems vermieden werden kann.
Ziel des Verfahrens und damit einer idealen Befüllung des Kühlsystems ist, das System robust gegenüber möglichen Fehlmengen bei der Befüllung des Kühlsystems zu machen, sowie kleinere Fehlmengen, d.h. Lufteinschlüsse im System bewusst zulassen zu können, um aufwändige Entlüftungsleitungen oder technischen/konstruktiven Aufwand für konstruktiv erforderliche stetig steigende Leitungen einzusparen.
In der Figur 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer als Befüllanlage 32 bezeichneten Vorrichtung zum Befüllen schematisch dargestellt. Ein Befülladapter 42 ist in dem Einfüllstutzen 34 des Ausgleichsbehälters AGB aufgenommen. Der Einfüllstutzen 34 weist einen Überfüllschutz auf. Der Befülladapter umfasst eine Leitung 13 zum Befüllen mit Hydraulikflüssigkeit und einen Anschluss 15 für einen Drucksensor (nicht dargestellt).
Optional umfasst der Befülladapter 42 eine Saugleitung 17, die zur Durchführung der Vakuumbefüllung erforderlich ist. Indem mit Hilfe einer Vakuumpumpe Luft aus dem Ausgleichsbehälter AGB gesaugt wird, sinkt der Druck im Hydrauliksystem SYS auf beispielsweise 50 mbar. Danach kann die Vakuumbefüllung mit dem ersten Volumen VKM, Prefin erfolgen (Schritt 2). Der Drucksensor dient dazu, die Absolutdrücke p2, abs und p3, abs zu erfassen. Die eingefüllte oder entnommene Kühlmittelmenge muss über entsprechende Mengenmessgeräte möglichst präzise erfasst werden, insbesondere im Messschritt (Schritt 4).
Ein Steuergerät ECU ist so eingerichtet und programmiert, dass es die Vakuumpumpe und die Befüll- und/oder Absaugpumpen ansteuert. Es steuert die Befüllung mit dem ersten Volumen VKM, prefin, dem zweiten Volumen ÄVKM, Mess, und dem finalen Einstellvolumen / Korrekturvolumen VKM, Korr. Außerdem steuert es die Erfassung der Drücke P2, abs, P3, abs und der eingefüllten oder entnommenen Kühlmittelmenge in jedem Messschritt und berechnet das Volumen V3 der gesamten Restluft im Hydrauliksystem und berechnet das finale Einstellvolumen / Korrekturvolumen VKM, Korr.
Für die Durchführung des Verfahrens ist es dabei unerheblich, ob die Volumenänderung VKM, Mess, die erforderlich ist, um den zweiten späteren Messzeitpunkt (Zeitpunkt t3) einzustellen, volumengesteuert, d.h. durch ein vorgegebenes Volumen VKM, Mess erfolgt und die daraus resultierende Druckveränderung gemessen wird, oder ob die im Messschritt (Schritt 4) eingefüllte oder entnommene - dann anfangs unbekannte - Menge VKM, Mess druckgesteuert, d.h. bis zum Erreichen eines vorgegebenen Druckes, eingefüllt oder entnommen wird und diese sich daraus ergebende Menge VKM, Mess möglichst genau gemessen wird. Vorteilhaft ist üblicherweise die Volumensteuerung, da die Stabilisierung der Drücke im System etwas Zeit benötigt und sich durch eine Drucksteuerung üblicherweise langsamere Prozesszeiten ergäben.
Insbesondere ist das Steuergerät ECU ein elektronisches Steuergerät der Befüllanlage 32 zur Steuerung des Befüllprozesses, der jeweiligen Messdatenerfassung sowie der Berechnung der jeweiligen Kühlmittelmengen. Des Weiteren ist in der Figur 3 das Kühlmittel in dem Ausgleichsbehälter AGB mit 40 bezeichnet. Durch einen Pfeil 36 ist veranschaulicht, dass das Kühlmittel 40 aus dem Ausgleichsbehälter AGB zu dem beziehungsweise in das Kühlsystem SYS strömen kann. Durch einen Doppelpfeil 38 ist veranschaulicht, dass Kühlmittel über die Leitung 13 aus dem Ausgleichsbehälter AGB abgesaugt und eine Kühlmittelbefüllung in den Ausgleichsbehälter AGB durchgeführt werden kann. Durch einen Pfeil 28 ist veranschaulicht, das Kühlmittel bekannter Menge und Temperatur aus dem auch als Anlagentank bezeichneten Tank der Befüllanlage 32 in die Leitung 13 eingeleitet und mittels der Leitung 13 in dem Ausgleichsbehälter AGB eingeleitet werden kann. Durch einen Pfeil 26 ist schließlich ein Anschluss zur Luftabsaugung zur teilweisen Evakuierung und zum Belüftungs-/Druckausgleichsventil veranschaulicht.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Befüllen eines Hydrauliksystems (SYS) mit einer Hydraulikflüssigkeit (40) umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- druckdichtes Verschließen des Hydrauliksystems (SYS) und Erfassen des Drucks (P2, abs) im verschlossenen Hydrauliksystem (SYS),
- Befüllen oder Entnahme eines vorgegebenen zweiten Volumens (ÄVKM, Mess) der Hydraulikflüssigkeit (40) aus dem verschlossenen Hydrauliksystem (SYS),
- Erfassen des Drucks (p3, abs) im verschlossenen Hydrauliksystem (SYS) nach dem Befüllen oder Entnehmen des zweiten Volumens (ÄVKM, Mess),
- Berechnen des Volumens (V3) der gesamten Restluft im Hydrauliksystem (SYS) in Abhängigkeit der Drücke (p2, abs, P3, abs) vor und nach dem Befüllen oder Entnahme des zweiten Volumens (ÄVKM, Mess), und Berechnung eines finalen Korrekturvolumens (VKM, korr) in Abhängigkeit des Volumens (V3) und der konstruktiv vorgegebenen Luftvorlage (VL. AGB) des Systems (SYS) und
- Nachfüllen bzw. Entnahme des errechneten finalen Korrekturvolumens (VKM, Korr) zur finalen korrekten Mengenbefüllung des Hydrauliksystems (SYS).
2. Verfahren zum Befüllen eines Hydrauliksystems (SYS) mit einer Hydraulikflüssigkeit (40) umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- druckdichtes Verschließen des Hydrauliksystems (SYS) und Erfassen des Drucks (P2, abs) im verschlossenen Hydrauliksystem (SYS),
- Befüllen oder Entnahme der Hydraulikflüssigkeit (40) aus dem verschlossenen Hydrauliksystem (SYS) bis ein vorgegebener Druck (p3, abs) im verschlossenen Hydrauliksystem (SYS) erreicht ist, und Erfassen des Volumens (ÄVKM, Mess) der dabei eingefüllten Hydraulikflüssigkeit (40), - Berechnen des Volumens (V3) der gesamten Restluft im Hydrauliksystem (SYS) in Abhängigkeit der Drücke (p2, abs, P3, abs) vor und nach dem Befüllen oder Entnahme des zweiten Volumens (ÄVKM, Mess), und Berechnung eines finalen Korrekturvolumens (VKM, korr) in Abhängigkeit des Volumens (V3) und der konstruktiv vorgegebenen Luftvorlage (VL. AGB) des Systems (SYS) und
- Nachfüllen bzw. Entnahme des errechneten finalen Korrekturvolumens (VKM, Korr) zur finalen korrekten Mengenbefüllung des Hydrauliksystems (SYS).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem druckdichten Verschließen des Hydrauliksystems (SYS) und dem Erfassen des Drucks (p2, abs) im verschlossenen Hydrauliksystem (SYS) das Hydrauliksystem mit einem vorgegebenen ersten Volumen (VKM, prefiii) der Hydraulikflüssigkeit (40) befüllt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das finale Korrekturvolumen (VKM, Korr) in Abhängigkeit der eingeschlossenen Gesamt Restluftmenge abzüglich der Soll Luftvorlage ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das finale Korrekturvolumen (VKM, Korr) so berechnet wird, dass der Pegelstand der Hydraulikflüssigkeit (40) nach dem Befüllen des Hydrauliksystems (SYS) mit dem finalen Korrekturvolumen (VKM, Korr) über dem höchsten dauerhaft während des Betriebs zulässigen Pegelstand (FHKM, maxAGB) liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Befüllen des Hydrauliksystems (SYS) mit dem finalen Korrekturvolumen (VKM, Korr) sich ein der Restluftmenge (V4) entsprechendes Volumen der (V5) Hydraulikflüssigkeit (40) im Ausgleichsbehälter (AGB) über dem höchsten während des Betriebs zulässigen Pegelstand (FHKM, maxAGB) ergibt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befüllen des Hydrauliksystems (SYS) mit dem ersten Volumen (VKM, prefin) der Hydraulikflüssigkeit (40) durch Unterdrück erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Befüllung des Hydrauliksystems (SYS) mit Hydraulikflüssigkeit über einen Ausgleichsbehälter (AGB) erfolgt.
9. Vorrichtung zum Befüllen eines Hydrauliksystems (SYS) umfassend einen Befülladapter (42), eine Leitung (13) für Hydraulikflüssigkeit (40), einen Drucksensor, Mittel zum Verschließen des Hydrauliksystems (SYS) und ejn Steuergerät (ECU).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Verfahrensansprüche ausgebildet ist.
PCT/EP2020/085435 2019-12-11 2020-12-10 Verfahren und vorrichtung zum befüllen eines hydrauliksystems mit einer hydraulikflüssigkeit WO2021116251A1 (de)

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