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Die
Erfindung betrifft ein Schmiersystem für Verbrennungskraftmaschinen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zur
Verlängerung
der Schmiermittelwechselintervalle bei einer Verbrennungskraftmaschine
ist eine Sensorik zur Bestimmung der Schmiermittelqualität erforderlich.
Derzeit werden zu diesem Zweck beispielsweise kostenaufwendige kapazitive Ölsensoren
verwendet.
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In
der
DE 100 25 690
A1 wird eine Vorrichtung zur Sensierung des Ölzustandes,
wie beispielsweise Ölverschmutzung, Öltemperatur
oder ähnliches,
in einem Ölsystem
zur Schmierung und/oder Kühlung
beschrieben. In dem Ölsystem
ist ein Ölfilter vorgesehen,
in welchem Mittel zur Sensierung des Ölzustandes angeordnet sind,
welche vorzugsweise als zwei Elektroden ausgeführt sind, welche nach Art eines
Parallelplattenkondensators angeordnet sind zwischen denen das zu
sensierende Öl
als Dielektrikum wirkt.
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In
der
DE 103 23 396
A1 wird ein Ölzirkulationssystem
beschrieben, welches die Lebensdauer eines Ölfilters überwacht und einen Benutzer über den
Status der Lebensdauer des Ölfilters
informiert. Die Lebensdauer des Ölfilters
wird basierend auf Signalen von Öldrucksensoren
berechnet, welche am Einlass und am Auslass des Ölfilters angeordnet sind. Der
Druckabfall, die Öltemperatur
und die Motorgeschwindigkeit werden als Faktoren in die Berechnung
der verbleibenden Lebensdauer des Ölfilters einbezogen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Schmiersystem für Verbrennungskraftmaschinen
mit einer kostengünstigen
Sensorik zur Bestimmung der Ölqualität und/oder
des Zustandes des Ölfilters
zur Verfügung
zu stellen.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch Bereitstellung eines Schmiersystems für Verbrennungskraftmaschinen
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß misst
eine in einem Schmiermittelfilter integrierte Sensorstruktur eine elastische
Deformation des Schmiermittelfilters und eine Auswerteelektronik
bestimmt aus der gemessenen Deformation eine Schmiermittelqualität und/oder einen
aktuellen Zustand des Schmiermittelfilters, wobei eine Ölpumpe die
Deformation des Schmiermittelfilters durch Druckhübe zur Schmiermittelförderung
im Schmiersystem verursacht. Die durch die Druckwellen der Ölpumpe hervorgerufene
elastische Deformation des Schmiermittelfilters ist von der Steifigkeit
des Ölfilters
und vom geometrisch bedingten Druckabfall am Filterbauelement abhängig. Der Druckabfall
wird wiederum durch den Porenzustand des Schmiermittelfilters bestimmt,
d.h. vom Verschmutzungsgrad bzw. Schmiermittelfilterzustand. Somit
können
in vorteilhafter Weise aus der Deformation des Schmiermittelfilters
Rückschlüsse auf
die Schmiermittelqualität
und/oder den aktuellen Zustand des Schmiermittelfilters gezogen
werden, wobei die Sensorstruktur zur Ermittlung der Deformation des
Schmiermittelfilters einfach und kostengünstig ausgeführt werden
kann.
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In
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmiersystems
umfasst die integrierte Sensorstruktur beispielsweise zwei am Schmiermittelfilter
angeordnete Elektroden mittels denen die Deformation des Schmiermittelfilters über eine
Messung und Auswertung eines elektromagnetischen Feldes und/oder eines
Widerstands zwischen den beiden Elektroden ermittelbar ist. Diese
Ausführungsform
hat den Vorteil, dass die integrierte Sensorstruktur kostengünstig ausgeführt werden
kann.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Schmiersystems sind die Elektroden so ausgebildet und angeordnet,
dass die Deformation des Schmiermittelfilters zu einer maximalen Änderung
des elektromagnetischen Feldes zwischen den Elektroden führt. Zusätzlich oder
Alternativ können
Elektroden vorhanden sein, die so ausgebildet und angeordnet sind,
dass die Deformation des Schmiermittelfilters zu einer minimalen Änderung
des elektromagnetischen Feldes zwischen den Elektroden führt.
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In
weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmiersystems sind die
Elektroden mit piezoresistiven Materialen beschichtet, mit welchen
bei der Deformation des Schmiermittelfilters eine Widerstandsänderung
ermittelbar ist.
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In
weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmiersystems ermittelt
die Auswerteelektronik über
entsprechende Sensoren eine aktuelle Temperatur des Schmiermittels
und/oder eine Dielektrizitätskonstante
von Rückständen im
Schmiermittelfilter. Die Dielektrizitätskonstante kann in vorteil hafter Weise
ebenfalls durch Auswertung des elektromagnetischen Feldes zwischen
den Elektroden ermittelt werden. In diesem Fall erlaubt ein AC-Signalanteil der
Sensorstruktur Rückschlüsse auf
die Deformation des Schmiermittelfilters und ein DC-Signalanteil erlaubt
Rückschlüsse auf
die elektrischen Eigenschaften der Rückstände im Schmiermittelfilter.
Aus der ermittelten Dielektrizitätskonstante
lässt sich dann
die Art der Rückstände bestimmen.
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In
weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schmiersystems ermittelt
die Auswerteelektronik zur Bestimmung der Schmiermittelqualität aus den
gemessenen Parametern Deformation und/oder Temperatur und/oder Dielektrizitätskonstante
eine Schmiermittelviskosität
und einen Schmiermittelverschmutzungsgrad. Dadurch sind in vorteilhafter
Weise Rückschlüsse auf
die Alterung des Schmiermittels und den Zustand des Schmiermittelfilters
möglich. Zudem
können
Aussagen über
die Schmiermittelviskosität,
einen Anteil metallischer Ablagerungen sowie einen Wasseranteil
an diesen Ablagerungen gemacht werden. Diese Kenngrößen stehen
in einem direkten Zusammenhang mit einer Übersäuerung, d.h. einem Abbau alkalischer
Reserven, und einer Senkung der Schmierfähigkeit des Schmiermittels. Das
bedeutet, dass durch eine Überwachung
dieser Kenngrößen in vorteilhafter
Weise eine Ablagerungsbildung im Motor, eine Belegung von Detergentien, d.h.
schmutztragender Additive, eine Hydrolysierung von Additiven sowie
eine Korrosion von Metalloberflächen
reduziert werden können.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Schmiersystems
berechnet die Auswerteelektronik aus den gemessenen Parametern Deformation
und/oder Temperatur und/oder Dielektrizitätskonstante eine Schmiersystem qualitätszahl, aus
welcher ein aktuelles Schmiermittelwechselintervall ableitbar ist,
welches einem Benutzer angezeigt werden kann.
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Die
Elektroden der Sensorstruktur sind bei isolierendem Filtermaterial
beispielsweise durch Aufdrucken und/oder Einpressen und/oder Einweben von
elektrisch leitfähigen
Bandstrukturen in den Schmiermittelfilter integriert.
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Bei
metallischen Filtergeweben und/oder Polymerfiltergeweben sind die
Elektroden beispielsweise durch Einweben von elektrisch leitfähigen Fasern in
den Schmiermittelfilter integriert, welche gegenüber ihrer Umgebung elektrisch
isoliert sind.
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Die
leitfähigen
Fasern werden beispielsweise durch Aufbringen einer Haftschicht,
welche vorzugsweise aus Polymeren oder Metallen aufgebaut ist, einer
darüber
liegenden elektrisch leitenden Funktionsschicht, welche vorzugsweise
aus Kupfer und/oder Gold aufgebaut ist, und einer elektrisch isolierenden
Schicht hergestellt, welche vorzugsweise aus Metalloxiden und/oder
Polymeren aufgebaut ist.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend
beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen Schmiersystems für Verbrennungskraftmaschinen
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2 eine
schematische Darstellung eines Ölfilters
des Schmiersystems aus 1 bei einem Druckminimum,
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3 eine
schematische Darstellung des Ölfilters
des Schmiersystems aus 1 bei einem Druckmaximum, und
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4 einen
Querschnitt durch den Ölfilter des
Schmiersystems aus 1.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst ein Schmiersystem 100 für eine Verbrennungskraftmaschine 5 einen
Schmiermittelfilter 1, welcher eine Sensorstruktur 2 umfasst,
eine Auswerteelektronik 3, eine Schmiermittelpumpe 4 und
ein Reservoir 6 zum Sammeln des Schmiermittels. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der Schmiermittelfilter 1 als Zylinder mit einer Gewebewandung
ausgeführt,
durch welche das Schmiermittel von der Schmiermittelpumpe 4 aus
dem Reservoir 6 in eine Schmierstrecke gepresst wird, welche
hier eine Verbrennungskraftmaschine 5 umfasst. Nach Passieren
der Schmierstrecke, d.h. der Verbrennungskraftmaschine 5,
wird das Schmiermittel im Reservoir 6 gesammelt, um in
die Schmierstrecke zurückgeführt zu werden.
Die für Partikel
einer bestimmten Größe durchlässigen Wandungen
des Schmiermittelfilters 1 sind beispielsweise als metallische
Netzstrukturen, synthetische textilähnliche Gewebe oder papierähnliche
Matten aufgebaut. Infolge des Verbrennungsvorganges in der Verbrennungskraftmaschine 5 bilden
sich Kleinstteilchen, welche in diesen Netzstrukturen, abhängig von der
Filterporengröße, aufgefangen
werden. Bei den Kleinstteilchen handelt es sich beispielsweise um Metallspäne, Russteilchen
und Wasser. Der Schmiermittelfilter 1 selbst zeigt gegenüber den Druckwellen
der Ölpumpe 4 eine
elastische Deformation. Diese Deformation ist abhängig von
der Steifigkeit des Schmiermittelfilters und vom geometrisch bedingten
Druckabfall am Schmiermittelfilter 1. Der Druckabfall wird
wiederum durch den Porenzustand des Schmiermittelfilters 1 bestimmt,
d.h. vom Verschmutzungsgrad und vom Ölfilterzustand bzw. von der
Viskosität
und/oder Temperatur des Schmiermittels. Wie aus 1 weiter
ersichtlich ist, umfasst das Schmiersystem 100 einen Temperatursensor 7 zur Messung
der Schmiermitteltemperatur, welcher beispielsweise im Reservoir 6 oder
im Schmiermittelfilter 1 oder in der Schmiermittelpumpe 4 angeordnet
ist.
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Erfindungsgemäß misst
die im Schmiermittelfilter 1 integrierte Sensorstruktur 2 die
elastische von der Schmiermittelpumpe 4 verursachte Deformation
des Schmiermittelfilters 1 und die Auswerteelektronik 3 bestimmt
aus der gemessenen Deformation des Schmiermittelfilters 1 eine
Schmiermittelqualität und/oder
einen aktuellen Zustand des Schmiermittelfilters 1.
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Wie
aus 2 und 3 ersichtlich ist, umfasst die
integrierte Sensorstruktur 2 des dargestellten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Schmiersystems 100 zwei
am Schmiermittelfilter 1 angeordnete Elektroden 2.1, 2.2.
Die Deformation des Schmiermittelfilters 1 wird über eine
Messung und Auswertung eines elektromagnetischen Feldes 8 ermittelt,
welches sich zwischen den beiden Elektroden 2.1, 2.2 aufbaut. 2 zeigt
den Schmiermittelfilter 1 bei einem Druckminimum, d.h.
ohne Deformation, und 3 zeigt den Schmiermittelfilter 1 bei
einem Druckmaximum, d.h. mit einer maximalen Deformation in x- und
y-Richtung eines XY-Koordinatensystems. Das Druckmaximum wird in 3 durch den
Pfeil 9 repräsentiert.
Durch die Deformation des Schmiermittelfilters 1 ändert sich
das elektrische Feld 8 zwischen den Elektroden 2.1 und 2.2.
Die ermittelte Änderung
des elektromagnetischen Feldes ist dann ein Maß für die Deformation des Schmiermittelfilters 1,
aus dem dann die Schmiermittelqualität und/oder der Zustand des Schmiermittelfilters 1 ermittelt
werden kann. Die Elektroden 2.1, 2.2 sind so ausgebildet und
angeordnet, dass die Deformation des Schmiermittelfilters 1 zu
einer maximalen Änderung
des elektromagnetischen Feldes 8 zwischen den Elektroden 2.1, 2.2 führt. Bei
einer alternativen nicht dargestellten Ausführungsform können die
Elektroden 2.1, 2.2 so ausgebildet und angeordnet
sein, dass die Deformation des Schmiermittelfilters 1 zu
einer minimalen Änderung
des elektromagnetischen Feldes 8 zwischen den Elektroden 2.1, 2.2 führt. Selbstverständlich können auch
beide Arten von Elektroden an einem Schmiermittelfilter 1 angeordnet
bzw. integriert werden.
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Bei
einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform können die
Elektroden mit piezoresistiven Material beschichtet sein, mit welchen
bei der Deformation des Schmiermittelfilters eine Widerstandsänderung
ermittelt werden kann. Die ermittelte Widerstandsänderung
ist dann ein Maß für die Deformation
des Schmiermittelfilters, aus dem dann die Schmiermittelqualität und/oder
der Zustand des Schmiermittelfilters ermittelt werden kann.
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Wie
aus 4 ersichtlich ist, kann die Art der Rückstände 10 innerhalb
des Schmiermittelfilters 1 ebenfalls über eine Messung und Auswertung
des elektromagnetischen Feldes 11 zwischen den Elektroden 2.1 und 2.2 bestimmt
werden. Wie aus 4 ersichtlich ist beeinflussen
die Rückstände 10 das elektromagnetische
Feld 11 zwischen den Elektroden 2.1 und 2.2,
so dass eine materialabhängige
Dielektrizitätskonstante
der Rückstände 10 und
daraus die Art der Rückstände 10 bestimmt
werden kann. In diesem Fall gibt ein AC-Signalanteil des elektromagnetischen
Feldes 8, 11 einen Rückschluss auf die Deformation
des Schmiermittelfilters 1 und ein DC- Signalanteil gibt einen Rückschluss
auf die elektrischen Eigenschaften der Rückstände 10 im Schmiermittelfilter 1.
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Aus
den Messwerten der Deformation des Schmiermittelfilters 1,
der Schmiermitteltemperatur und/oder der Dielektrizitätskonstante
der Rückstände 10 im
Schmiermittelfilter 1 sind Rückschlüsse auf die Alterung des Schmiermittels
und den Zustand des Schmiermittelfilters 1 möglich. Dadurch
können
aus den genannten Messgrößen Aussagen über die Schmiermittelviskosität, über den
Anteil metallischer Ablagerungen und/oder über den Anteil von Wasser an
diesen Ablagerungen gemacht werden. Diese Kenngrößen stehen im direkten Zusammenhang
mit einer Übersäuerung,
d.h. mit einem Abbau alkalischer Reserven, und einer Senkung der
Schmierfähigkeit
des Schmiermittels. Das bedeutet, dass durch eine Überwachung
dieser Kenngrößen eine
Ablagerungsbildung im Motor, eine Belegung von Detergentien, d.h.
schmutztragender Additive, eine Hydrolysierung von Additiven sowie
eine Korrosion von Metalloberflächen
reduziert werden können.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Schmiersystems
berechnet die Auswerteelektronik 3 aus den gemessenen Parametern
Deformation und/oder Temperatur und/oder Dielektrizitätskonstante
eine Schmiersystemqualitätszahl.
Diese Schmiersystemqualitätszahl
kann als Eingabegröße für ein Assistenzsystem
benutzt werden, welches aus der Schmiersystemqualitätszahl ein
aktuelles Schmiermittelwechselintervall ableitet und einem Benutzer über entsprechende
nicht dargestellte Anzeigemittel anzeigt.
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Die
für die
Messung und Auswertung des elektromagnetischen Feldes 8, 11 erforderlichen Elektroden 2.1, 2.2 sind
auf dem Schmiermittelfilter 1 aufgebracht. Bei Papier/Textilfiltern können die
Elektroden 2.1, 2.2 vor der Formgebung der einzelnen
Filterblätter
durch einen Aufdruck und/oder durch Einpressen und/oder Einweben
von elektrisch leitfähigen
Bandstrukturen umgesetzt werden. Die elektrische Kontaktierung erfolgt über Kontakte
am Filtereinsatz. Diese Kontakte sind über entsprechende Leitungen
mit der Auswerteelektronik 3 verbunden.
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Bei
metallischen Geweben und Polymergeweben können die Elektrodenflächen 2.1, 2.2 direkt durch
Einweben elektrisch leitender, zu Ihrer Umwelt isolierten Fasern
realisiert werden. Diese Fasern werden vor der Bearbeitung durch
Aufbringung einer Haftschicht, welche vorzugsweise aus Polymeren und/oder
Metallen aufgebaut ist, einer darüber liegenden elektrisch leitenden
Funktionsschicht, welche beispielsweise aus Kupfer und/oder Gold
aufgebaut ist, sowie einer elektrisch isolierenden Schicht, welche
beispielsweise aus Metalloxiden und/oder Polymeren aufgebaut ist,
hergestellt werden, z.B. galvanisch aufgebracht werden.
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Das
erfindungsgemäße Schmiersystem
ermöglicht
eine Ableitung der Kenngrößen für den Zustand
des Schmiersystems und damit eine kostengünstige und genauere Vorhersage
eines erforderlichen Schmiermittelwechselintervalls. Zudem können durch
die erfindungsgemäße Auswertung
der Deformation des Schmiermittelfilters die Schmiermittelviskosität und der
Schmiermittelverschmutzungsgrad bestimmt werden.