DE102004053430A1

DE102004053430A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ölverbrauchsbestimmung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102004053430A1
Application number: DE102004053430A
Authority: DE
Inventors: Werner Kummer; Harald Böger; Detlef Stendel; Peter Schärringer
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2006-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ölverbrauchsbestimmung, bei dem ein Gehalt eines Nachweisstoffs im Abgas eines Verbrennungsmotors (10) mit Hilfe von Ionen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie bestimmt wird, wobei im Abgas ein Gehalt an Schwefeldioxid bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Ölverbrauchsbestimmung eines Verbrennungsmotors gemäß den Oberbegriffen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 7.

Die bekannten Methoden zur Ölverbrauchsbestimmung lassen sich in konventionelle gravimetrische oder volumetrische Methoden und Markierungs- oder Tracermethoden unterteilen. Bei den konventionellen Methoden wird die Ölmenge des Verbrennungsmotors mit gravimetrischen oder volumetrischen Methoden gemessen. Bei den Tracermethoden wird dem Öl eine Substanz beigemischt, die im Abgas quantitativ bestimmt und dann mit den Ölverbrauch korreliert werden kann.

Bei den konventionellen Methoden muss der Verbrennungsmotor für eine reproduzierbare und genaue Messung über einen langen Zeitraum betrieben werden, um eine ausreichende Reproduzierbarkeit zu gewährleisten. Bei kurzen Messzeiten ist die Reproduzierbarkeit durch Öl, das an Flächen im Motorraum haftet, Ölverschäumung und Kraftstoffeintrag in das Öl ungenügend.

Bei der Anwendung der Tracermethoden werden zur Markierung z.B. Tritium; Brom und andere Halogene oder Pyren verwendet. Sie sind in undefinierter Form, als homogene Lösung oder als molekularer Bestandteil, im Öl gebunden und nehmen an der chemischen Umsetzung im Brennraum des Verbrennungsmotors teil. Im Abgas werden sie dann als Verbrennungs- oder Crackprodukte detektiert. Dabei kann Tritium nur unter Einsatz von zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen eingesetzt werden. Brom als Tracer erfordert einen hohen apparativen Aufwand sowie Maßnahmen zum Strahlenschutz. Eine routinemäßige Anwendung an Motorenprüfständen erscheint deswegen problematisch. Bei Halogenen als Tracer können Verbindungen wie HF oder HCl entstehen, die zum einen toxisch, zum anderen motorschädigend sind. Pyren als Tracer wird üblicherweise in Verbindung mit der Lasermassenspektrometrie eingesetzt, erfordert jedoch einen hohen zeitlichen Aufwand für die Kalibrierung. Weiterhin haben Tracer auf Kohlenwasserstoffbasis den Nachteil, dass diese undefiniert am Verbrennungsprozess im Verbrennungsmotor teilnehmen und daher nicht quantitativ bestimmt werden können. Dies tritt besonders bei Magermotorkonzepten und Dieselmotoren auf. Aus der gattungsbildenden DE 100 06 401 A1 ist bekannt, bei der Analytik von Abgasen von Verbrennungsmotoren die Ionen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie als Online-Analytik einzusetzen, indem als ein Kohlenwasserstoff als Primärgas zur Ionisierung von nachzuweisenden Kohlenwasserstoffkomponenten im Abgas eingesetzt wird. Die Ionen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie ermöglicht eine Ionisierung der Komponenten bei relativ niedrigen Energien.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ölverbrauchsbestimmung im Abgas eines Verbrennungsmotors anzugeben, das eine genaue Bestimmung auch bei geringem Ölverbrauch erlaubt, sowie eine Ölverbrauchsbestimmungsvorrichtung anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des Patentanspruchs 7 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ölverbrauchsbestimmung sieht vor, dass ein Gehalt an Schwefeldioxid im Abgas eines Verbrennungsmotors mit Hilfe von Ionen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie (IMR-MS) bestimmt wird. Die Ionen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie stellt eine Methode für die qualitative und quantitative Gasanalytik dar. Sie ist insbesondere für die Analyse komplexer Gasgemische, insbesondere für die Online-Analytik verwendbar. Das Grundprinzip der IMR-MS beruht auf einer speziellen Ionisierungsart der Meßgasmoleküle. Die Ionisierung findet im Vergleich zur herkömmlichen Elektronenstoß-Massenspektrometrie (EI-MS) bei wesentlich niedrigeren Energien statt ("sanfte Ionisierung"). Dies führt zu einer geringeren Fragmentierung der nachzuweisenden Moleküle, die in vielen Fällen sogar völlig vermieden werden kann. Es resultieren vereinfachte Massenspektren, die so eine bessere Unterscheidung und Quantifizierung der einzelnen Gase in komplexen Gemischen gewährleisten. Aufwendige Rechenverfahren (Matrixrechnungen), wie sie bei der EI-MS zur Anwendung kommen, sind hierbei nicht notwendig. Wird Schwefel als Tracer eingesetzt, treten Nachteile wie undefinierte Teilnahme am Verbrennungsprozess oder die Bildung motorschädigender oder hochtoxischer Verbindungen nicht auf, ebenso wenig ist der Einsatz von Strahlenschutzmaßnahmen notwendig. Zur Ölverbrauchsbestimmung auf einem Motorenprüfstand wird zweckmäßigerweise ein Öl mit einem erhöhten Schwefelgehalt und ein han delsüblicher Kraftstoff eingesetzt. Das Verfahren ermöglicht die genaue Messung niedriger Ölverbräuche in kurzer Zeit und hoch zeitaufgelöste Messungen dynamischer Vorgänge im Ölverbrauchsverhalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

In einer günstige Weiterbildung wird im Abgas enthaltener Schwefel mittels eines Oxidationsmittels zu Schwefeldioxid aufoxidiert, so dass sichergestellt ist, dass der die Brennkammer des Verbrennungsmotors verlassende Schwefel vollständig in einen einheitlichen Oxidationszustand überführt wird. Die Oxidation erfolgt vorzugsweise in einem Oxidationsofen, der dem Verbrennungsmotor nachgeschaltet ist.

Dabei ist vorteilhaft, zur Kalibrierung und bei der Bestimmung des Schwefeldioxidgehalts Durchflüsse des Oxidationsmittels und eines Prüfgases bzw. des Abgases heranzuziehen. Eine Verdünnung des Prüfgases und des Abgases durch Zugabe des Oxidationsmittels im Oxidationsofen ist damit bekannt. Das Prüfgas, das eine definierte Menge Schwefeldioxid enthält, dient zur Kalibrierung des Systems.

In einer günstigen Weiterbildung wird der nachgewiesene Gehalt an Schwefeldioxid hinsichtlich einer Querempfindlichkeit gegenüber Wasser korrigiert. Eine Trocknung des Abgases vor der Analyse, wie sie z.B. vor einer optischen Messung erfolgen muss, kann entfallen. Durch Verwendung eines geeigneten Primärgases zur Ionisierung des eine Zielkomponente bildenden Schwefeldioxids kann eine Querempfindlichkeit zu anderen Abgaskomponenten, wie sie bei photometrischen Methoden auftritt, kann vermieden werden. Zweckmäßigerweise wird ein Primärgas zur Ionisierung des Schwefeldioxids auf dessen Ionisierungsenergie abgestimmt.

Es ist günstig, wenn ein Öl mit erhöhtem Schwefelgehalt verwendet. Würde lediglich ein schwefelhaltiger Zusatz zum Öl zugegeben, kann nicht gewährleistet werden, dass das Öl und der Zusatz ein vergleichbares Siedeverhalten zeigen.

Die erfindungsgemäße Ölverbrauchsbestimmungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist Mittel auf, um einen Schwefeldioxidgehalt im Abgas zu bestimmen.

Vorzugsweise ist ein Oxidationsofen vorgesehen, um einen Schwefelgehalt im Abgas zu Schwefeldioxid aufzuoxidieren. Damit kann der gesamte Schwefelgehalt bei einer Kalibrierung und bei der Messung sicher erfasst werden.

Günstigerweise sind Mittel vorgesehen, um Querempfindlichkeiten des Schwefeldioxids zu anderen Abgaskomponenten zu eliminieren. Bevorzugt können Rechenmittel vorgesehen sein, um eine Querempfindlichkeit gegenüber Wasser zu eliminieren.

Weitere Ausbildungsformen und Aspekte der Erfindung werden unabhängig von einer Zusammenfassung in den Patentansprüchen ohne Beschränkung der Allgemeinheit im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur schematisiert eine bevorzugte Ölverbrauchsbestimmungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor durch Bestimmung eines Schwefeldioxidgehalts im Abgas mittels einer Ionen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie.
Die Figur zeigt einen Verbrennungsmotor 10 mit einem Abgaskanal 11, über den Abgas in einem Oxidationsofen 12 geleitet wird. Im Oxidationsofen 12 wird im Abgas enthaltener Schwefel mittels eines Oxidationsmittels zu Schwefeldioxid aufoxidiert, das über eine Leitung 13 aus einem Oxidationsmitteltank 14 in den Oxidationsofen 12 gefördert wird.
Zur Kalibrierung und/oder bei der Bestimmung des Schwefeldioxidgehalts werden Durchflüsse des Oxidationsmittels und des Abgases herangezogen.
Das sich bildende Gemisch eines Messgases aus Oxidationsmittel und Abgas wird über die Leitung 15 in ein Probennahmesystem 16 geleitet, in dem das Messgas mit einem Primärgas ionisiert wird und die gebildeten Ionen massengefiltert werden. Dann wird das Messgas über die Leitung 17 zu einem Massenspektrometer 18 gefördert, das auf der Basis der Ionen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie arbeitet und dort auf den Schwefeldioxidgehalt analysiert. Von einer Messgaspumpe 20 wird das Messgas über eine Leitung 19 angesaugt und über eine Pumpleitung 21 zur Absaugung 22 abgesaugt.

10: Verbrennungsmotor
11: Abgasleitung
12: Oxidationsofen
13: Leitung
14: Oxidationsmitteltank
15: Leitung
16: Probennahmesystem
17: Leitung
18: Massenspektrometer
19: Leitung
20: Messpumpe
21: Pumpleitung
22: Absaugung

Claims

Verfahren zur Ölverbrauchsbestimmung, bei dem ein Gehalt eines Nachweisstoffs im Abgas eines Verbrennungsmotors (10) mit Hilfe von Ionen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgas ein Gehalt an Schwefeldioxid bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Abgas enthaltener Schwefel mittels eines Oxidationsmittels zu Schwefeldioxid aufoxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kalibrierung und bei der Bestimmung des Schwefeldioxidgehalts Durchflüsse des Oxidationsmittels und des Abgases herangezogen werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der nachgewiesene Gehalt an Schwefeldioxid hinsichtlich einer Querempfindlichkeit gegenüber Wasser korrigiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Öl mit erhöhtem Schwefelgehalt verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Primärgas zur Ionisierung des Schwefeldioxids auf dessen Ionisierungsenergie abgestimmt wird.
Ölverbrauchsbestimmungsvorrichtung, bei dem ein Gehalt eines Nachweisstoffs im Abgas eines Verbrennungsmotors (10) mit Hilfe von Ionen-Molekül-Reaktions-Massenspektrometrie bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um einen Schwefeldioxidgehalt im Abgas zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oxidationsofen (12) vorgesehen ist, um einen Schwefelgehalt im Abgas zu Schwefeldioxid aufzuoxidieren.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um Querempfindlichkeiten des Schwefeldioxids zu anderen Abgaskomponenten zu eliminieren.