AT512010B1 - Messsystem zur bestimmung des schmierstoffverbrauchs einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Es wird eine Messsystem zur Bestimmung des Schmierstoffverbrauchs einer Verbrennungskraftmaschine umfassend die Beimischung eines im Abgas der Verbrennungskraftmaschine nachweisbaren Indikators zum Schmierstoff vorgeschlagen, wobei der Schmierstoffverbrauch aus einer Messung einer Menge an mit dem Schmierstoff in der Verbrennungskraftmaschine vorzugsweise verbranntem Indikator ermittelt wird, wozu abgasseitig der Verbrennungskraftmaschine eine auf der im Abgas vorhandene Menge des Indikators beruhende physikalische Größe als dem Schmierstoffverbrauch proportionale repräsentative Größe ermittelt wird. Um vorteilhafte Messverhältnisse zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass dem Schmierstoff Barium und/oder Bariumverbindungen als Indikator zugesetzt werden.

Description

österreichisches Patentamt AT512 010B1 2013-10-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Bestimmung des Schmierstoffverbrauchs einer Verbrennungskraftmaschine umfassend die Beimischung eines im Abgas der Verbrennungskraftmaschine nachweisbaren Indikators zum Schmierstoff, insbesondere Motoröl, wobei der Schmierstoffverbrauch aus einer Messung einer Menge an mit dem Schmierstoff in der Verbrennungskraftmaschine vorzugsweise verbranntem Indikator ermittelt wird, wozu abgasseitig der Verbrennungskraftmaschine eine auf der im Abgas vorhandene Menge des Indikators beruhende physikalische Größe als dem Schmierstoffverbrauch proportionale repräsentative Größe ermittelt wird.

[0002] Zur automatisierten Messung des Ölverbrauchs einer Verbrennungskraftmaschine können diverse Methoden zum Einsatz kommen. Bei der gravimetrischen Methode erfolgt die Messung beispielsweise durch abwägen des Öles bzw. des Vorratsbehälters, was aber keine präzise, und vor allem zylinderspezifische Messung ermöglicht. Deshalb ist eine derartige Vorgangsweise auch nicht dazu geeignet, in der Komponentenentwicklung von Motorkomponenten exakte Verbrauchswerte zu bestimmen. Gleiches gilt für Messungen, bei denen eine Messung des verbrauchten Schmierstoffvolumens, beispielsweise durch Schmierstoffstandmessung, erfolgt.

[0003] Der Nachteil großer Messwertstreuungen bei besagten Volumen- und Gewichtsmessungen kann zwar durch sehr lange Messzeiten in Grenzen gehalten werden, doch kann keine exakte Angabe über in der Verbrennungskraftmaschine verbranntes Schmierstoff getroffen werden, da dieses auch über Schmierstellen oder Anbauteile verloren gehen kann. Aus diesen Gründen wurden bereits Messverfahren entwickelt, bei denen dem Schmierstoff ein Indikator zudosiert wird oder bereits in bekannter Menge im Schmierstoff vorhanden ist, welcher Indikator im Abgas durch Messungen nachgewiesen werden kann.

[0004] Anforderungen an die Indikatorstoffe sind insbesondere, dass sie durch die Verbrennung im Motor nicht zerstört werden dürfen und dass sie sich weder im Motorraum noch im Auspuffsystem unkontrolliert ablagern oder vorzeitig verflüchtigen. Zudem muss der ermittelte Schmierstoffverbrauch dem tatsächlichen Schmierstoffverbrauch proportional sein, ohne Schmier- und Wärmetransporteigenschaften zu verändern. Als Indikatoren in Frage kommende metallische Elemente lagern sich als Oxide oder als hoch schmelzende Salze Undefiniert im Motorraum oder im Auspuffsystem ab, was die Messungenauigkeit erhöht. Hochschmelzende Salze bilden sich auch bei der Verwendung vieler nichtmetallischer Markierungsstoffe durch eine Reaktion mit in mineralischen Kraftstoffen enthaltenen metallischen Elementen.

[0005] Ebenfalls lange bekannt ist die Verwendung radioaktiver Indikatoren, die sich zwar einwandfrei im Abgas nachweisen lassen, deren Verwendung aber einen erheblichen Aufwand bedingt und zumindest aus gesundheitlichen Gründen nicht unumstritten ist. Ferner sind Strahlenschutzmaßnahmen zu treffen. Ein Beispiel für ein Messsystem zur Bestimmung des Schmierstoffverbrauchs einer Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise aus der DE 1 698 029 B bekannt. Nicht radioaktive Indikatoren, wie der Stoff Pyren können entweder direkt oder über deren Reaktionsprodukte im Abgas nachgewiesen werden. Soll beispielsweise S02 im Abgas nachgewiesen werden, ist zudem für den Kraftstoff Schwefelfreiheit zu gewährleisten, um aus der im Abgas gemessenen S02-Konzentration eindeutig auf die Menge an verbranntem Schmieröl schließen zu können.

[0006] Bezüglich der Verwendung nicht radioaktiver Indikatoren sei beispielsweise auf die DE 10 2005 034 454 A1 verwiesen. Gemäß dem in diese Druckschrift vorgeschlagenen Verfahren wird auf der Ausgangsseite der Maschine eine auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhende physikalische Größe als dem Verbrauch proportionale repräsentative Größe im chemisch umgewandelten Betriebsmittel auf der Ausgangsseite der Maschine ermittelt. Das vorgeschlagene Messverfahren beruht auf einer physikalischen Markierung des Schmierstoffs und auf einer massenselektiven und/oder substanzselektiven Messung der Menge an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope im Abgas, beispielsweise mittels IR-Spektroskopie, FTIR (Fourier 1 /4 österreichisches Patentamt AT512 010B1 2013-10-15

Transformed IR)-Spektroskopie, massenspektroskopischen Messmethoden, NMR-Messungen oder Kombinationen der genannten Methoden.

[0007] Ausgehend von einem Stand der Technik der eingangs geschilderten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Messsystem zu schaffen, welches die vorgenannten Nachteile vermeidet und das es insbesondere in der Komponentenentwicklung von Motorkomponenten erlaubt exakte Schmierstoffverbrauchswerte zu bestimmen. Insbesondere soll eine Messung bei zumindest nahezu allen gängigen Motorenkonzepten und Kraftstoffarten denkbar sein, wobei vorzugsweise eine Zylinder- bzw. bauteilspezifische Messung möglich und keine bzw. nur eine geringe Einflussnahme auf das Motorverhalten durch die Messung gegeben sein soll.

[0008] Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass dem Schmierstoff wenigstens eine Bariumverbindung, insbesondere Bariumsulfonat, als Indikator zugesetzt wird.

[0009] Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt die Schmierstoffverbrauchsmessung durch ein Detektieren eines dem Schmieröl zugesetzten Additivmetalls im Abgas unabhängig von Kraftstoff und Motorkonzept. Die Messung des Ölverbrauchs eines Verbrennungsmotors unter Zuhilfenahme von Bariumverbindungen und gegebenenfalls zusätzlichen Metallen im Abgas basiert auf der Tatsache, dass die Additivelemente gleichermaßen verbraucht werden wie das Schmieröl. Durch die hohe Temperatur und den Sauerstoffüberschuss im Brennraum moderner Verbrennungskraftmaschinen ist mit hoher Wahrscheinlichkeit sichergestellt, dass Indikatoren und die Kohlenwasserstoffketten vollständig verbrennen. Sie liegen dann im Abgas nur mehr als Oxide vor, was eine Ionisierung und Detektierung mittels Massenspektrometer ermöglicht.

[0010] Die Ermittlung der Menge an im Abgas nachweisbarem, vorzugsweise verbranntem, Indikator erfolgt vorzugsweise in einem Massenspektrometer, wozu dem Abgasstrom vorzugsweise ein Teilstrom abgezweigt und dem Massenspektrometer zur Bestimmung der Konzentration des verbrannten Indikators im entnommenen Teilstrom des Abgases zugeleitet wird. Aus den gewonnenen Messdaten kann dann zusammen mit der ebenfalls festgestellten, insbesondere gemessenen, Gesamtabgasmenge auf die tatsächliche Menge an in der Verbrennungskraftmaschine verbrauchtem Schmiermittel geschlossen werden.

[0011] Im Massenspektrometer herrscht ein Hochvakuum weshalb davon ausgegangen wird, dass die Metalloxide auch dort in der Gasphase stabil bleiben und nicht kondensieren. Sollte keine komplette Oxidation stattfinden, empfiehlt es sich zumindest den dem Massenspektrometer zugeleiteten Abgasteilstrom zuvor über einen Oxidator, insbesondere einen Katalysator zu leiten. Zur jeweiligen Messung wird dem Abgas ein Teilstrom entnommen und einem Massenspektrometer zugeführt, wo die einschlägige Elemente, die Indikatoren, deren Ursprung nur im Schmieröl liegen darf, quantitativ analysiert werden. Durch die zusätzliche Elementanalyse des Schmierstoffes zum Messzeitpunkt kann der Gesamtölverbrauch des Motors berechnet werden. Durch die direkte Messung des Additivmetalls im Abgasstrom mittels Massenspektrometer kann der Ölverbrauch des Verbrennungsmotors bestimmt werden.

[0012] Als Einsatzgebiet für die Messung eignen sich alle Motorenkonzepte, wobei vor allem die Motorenentwicklung von der universellen Methode profitieren wird. Auch bei Großmotoren, wo die vorhandenen Methoden oft an ihre Grenzen stoßen, eröffnet sich ein weiteres Anwendungsgebiet für die kontinuierliche Ölverbrauchsmessung. Der Anwendungsbereich umfasst die verschiedensten Motorenkonzepte und schließt jeden Einfluss des Kraftstoffes aus. Eine zylinderspezifische Messung ermöglicht ein weitaus größeres Potential für die Motorenkomponentenentwicklung als die Messung des gesamten Systems. Die wesentlichen Vorteile der Erfindung, verglichen mit dem Stand der Technik, liegen in der Möglichkeit der kontinuierlichen Messung bei nahezu allen Motorenkonzepten und Kraftstoffarten, wobei auch eine zylinder-bzw. bauteilspezifische Messung möglich ist. Das Messsystem ist Echtzeitfähig und liefert genaue sowie reproduzierbare Messungen ohne auf das Motorverhalten Einfluss zu nehmen.

[0013] Die Erfindung betrifft zudem einen Schmierstoff für Verbrennungskraftmaschinen, aus zumindest im wesentlichen Kohlenwasserstoffverbindungen verschiedener Fraktionen, welcher zum Einsatz in einem erfindungsgemäßen Messsystem geeignet ist und der sich dadurch aus- 2/4 österreichisches Patentamt AT512 010B1 2013-10-15 zeichnet, dass er mit wenigstens einer Bariumverbindung, insbesondere Bariumsulfonat, als Indikator ausgestattet ist. Insbesondere weist der Schmierstoff einen Anteil von 1 bis 50000 ppm, vorzugsweise von 1 bis 15000 ppm und besonders vorzugsweise zwischen 100 und 1000 ppm, einer Bariumverbindung, insbesondere Bariumsulfonat auf. 3/4