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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung
mindestens eines Alterungseinflusses auf ein Motoröl.
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Obwohl
nachfolgend die Erfindung mit Bezug auf die quantitative Bestimmung
von Einflüssen auf
eine Oxidation oder eine Versauerung eines Motoröl beschrieben wird, ist die
Erfindung nicht darauf beschränkt,
sondern betrifft allgemein Verfahren, welche Alterungseinflüsse auf
ein Motoröl
bestimmen.
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In
Verbrennungsmotoren werden zur Schmierung der beweglichen Teile
Motoröle
eingesetzt, um die Reibung und den Verschleiß von zueinander bewegten Metalloberflächen zu
verringern. Das Motoröl
unterliegt mehreren Alterungsprozessen, welche dazu führen, dass
das Öl
nach einer gewissen Zeit gewechselt werden muss. Hierbei ist es von
großem
Interesse, eine Sensoreinrichtung und ein Verfahren bereitzustellen,
welches den Zustand des Öls
in einem Verbrennungsmotor im laufenden Betrieb erfassen kann.
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Der
Zustand des Motoröls
wird in verschiedener Weise durch vielfältigen Alterungsprozesse beeinflusst.
Die Wirkung einiger Alterungsprozesse auf die Eigenschaften und
Zusammensetzung des Motoröls
ist bekannt. Zudem lassen sich diese Alterungsprozesse mit bestimmten
Vorgängen
in einem Motor bzw. an den Motor angeschlossener Einrichtungen identifizieren.
Daher können
im Umkehrschluss aus dem Zustand des Öl mögliche Fehleinstellungen oder
Defekte des Motor bzw. der angeschlossenen Einrichtungen erfasst
werden.
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Zwei
Alterungseinflüsse
sind die Abwärme des
Motors und der Zustrom von Luftsauerstoff, welche zu einer Oxidation
und einer Versauerung des Öl führen. Die
Oxidation führt
zu einer erhöhten
Viskosität
des Öls.
Die Bestimmung der Viskosität
ermöglicht
somit eine Bestimmung des Grades der Oxidation. Da Carbonsäuren durch
Oxidation des Motoröls entstehen
und damit die Menge der Carbonsäuren abhängig von
dem Oxidationsgrad sind, kann über die
Viskosität
auch der Anteil dieser Säuren
in dem Öl erfasst
werden. Dieses sehr einfache Untersuchungsverfahren berücksichtigt
jedoch nicht weitere Einflüsse,
welche zu einer Erhöhung
der Viskosität des Öls beitragen,
ohne den Säuregehalt
zu verän dern,
wie zum Beispiel eine verstopfte Abgasnachbehandlungseinrichtung,
welche den Russgehalt in dem Motor erhöht.
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Zudem
wird die Menge von Durchblasegasen nicht erfasst, da diese nur zu
einer Erhöhung
des Säureanteils
führen
ohne dass dies unmittelbar durch die Viskosität erfassbar ist.
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VORTEILE DER
ERFINDUNG
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur quantitativen Bestimmung eines Alterungseinflusses auf ein Motoröl sieht
folgende Schritte vor: Erfassen zweier Größen des Motoröls, wobei
die eine der beiden physikalischen Größen die Viskosität und die
andere Größe der Säuregehalt
des Motoröls
ist; Bestimmen einer ersten Abweichung der erfassten ersten Größe zu einem
ersten Vorgabewert; Schätzen
der zweiten Größe basierend
auf dem Unterschied; Bestimmen einer zweiten Abweichung der geschätzten zweiten
Größe von der
erfassten zweiten Größe als Maß für den Alterungseinfluss
auf das Motoröl.
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Ein
Vorteil des vorliegenden Verfahrens ist, dass die Einflüsse gezielt
erfasst werden können, welche
nur auf den Säuregehalt
einwirken oder die Viskostät
des Öls
verändern.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des
in Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens.
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Gemäß einer
Weiterbildung wird in einem ersten Fall, wenn die geschätzte zweite
Größe größer als
die erfasste zweite Größe ist,
der Alterungseinfluss als ein erster Alterungseinfluss identifiziert, welcher
die erste Größe beeinflusst
und im gegenteiligen zweiten Fall, der Alterungseinfluss als ein
zweiter Alterungseinfluss identifiziert, welcher die zweite Größe beeinflusst.
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Gemäß einer
Weiterbildung werden als einer der Alterungseinflüsse eine
Zustrommenge von Durchblasegasen und/oder ein Schwefelanteil in dem
Motoröl
bestimmt, welche den Säuregehalt
beeinflussen oder als der andere Alterungseinfluss eine Zustrommenge
von Rußpartikeln
und/oder ein Nitrationsvorgang des Öls bestimmt, welche die Viskosität beeinflussen.
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Gemäß einer
Weiterbildung wird als eine dritte Größe die Permittivität oder der
spezifische Widerstand des Motoröls
erfasst und basierend auf dieser Größe der Russgehalt des Motoröls bestimmt.
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Gemäß einer
Weiterbildung wird eine Temperatur der Motoröls bestimmt, der Vorgabewert
von der Temperatur abhängig
gewählt
und die Schätzung der
zweiten Größe erfolgt
basierend auf der Temperatur der Motoröls.
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Gemäß einer
Weiterbildung wird eine Verwendungsdauer des Motoröls aufgezeichnet
und der Vorgabewert abhängig
von der Verwendungsdauer gewählt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sowie vorteilhafte Weiterbildungen werden mit Bezug
auf die Figuren der schematischen Zeichnungen dargestellt und in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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ZEICHNUNGEN
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In
den Figuren zeigen:
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1 ein Blockdiagramm einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine graphische Darstellung
zur Erläuterung
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Merkmale, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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Untersuchungen
von Motorölen
werden heutzutage verwendet, um den Zustand eines Motors zu bestimmen.
Vielfältige
Charakteristika eines Motors nehmen in unterschiedlicher Weise Einfluss
auf den Zustand eines Öls.
Standardmäßig wird
durch Zufuhr von Luftsauerstoff und der Abwärme des Motors das Motoröl oxidiert.
Hierbei entstehen durch die Oxidation u.a. Aldehyde, Ketone und
Carbonsäuren. Diese
können
in weiteren chemischen Reaktionen zu schlammartigen, größtenteils ölunlöslichen
Ablagerungen weiterreagieren und sich an Metalloberflächen festsetzen.
Andere Alterungsprodukte des Öls sind
flüssig
und bewirken einen Viskositätsanstieg. Auf
Basis von Laboruntersuchungen ist der Grad der Oxidation des Motoröls und damit
dessen Viskosität bei
typischen Belastungen des Motors in Abhängigkeit der Verwendungsdauer
des Motoröls
bekannt. Ergeben sich hierbei erhebliche Unterschiede zu den erwarteten
Werten, insbesondere eine deutlich erhöhte Viskosität, so lässt dies
auf eine Fehlfunktion des Motors, der Ölfilter, von Abgasnachbehandlungseinrichtungen
oder Ähnlichem
schließen.
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Ein
weiterer Grund die Viskosität
des Öls
zu überwachen
ist, dass ab einem kritischen Wert der Viskosität ein erhöhter Abrieb und Verschleiß der Elemente
auftritt. Unterschreitet die Viskosität des Öls auf der anderen Seite einen
kritischen Wert, kann es zum Abreißen des schützenden Schmierfilms zwischen
den Teilen führen,
was im schlimmsten Fall ein „Festfressen" des Motors verursacht.
Daher muss das Motoröl
vor Erreichen dieser Viskositätswerte ausgetauscht
werden. Durch Vorgabe einer maximalen Kilometerzahl wird mit einer
sehr großen
Sicherheitsmarge erreicht, dass die Viskosität unterhalb des kritischen
Werts bleibt. Jedoch wird hierbei nachteiligerweise in der Regel
das Öl
sehr viel früher
gewechselt, als es notwendig wäre.
Durch permanente Überwachung
der Viskosität
kann die Sicherheitsmarge reduziert werden und das Öl somit
im Mittel länger
verwendet werden.
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Ein
weiteres Kriterium, welches einen Ölwechsel zwingend notwendig
macht, ist ein zu hoher Gehalt an Säuren im Öl. Durch Zugabe von basischen
Additiven werden die Säuren,
z.B. die Carbonsäuren,
in dem Motoröl
gepuffert. Durch die Säuren verstärkt sich
die Korrosion, insbesondere von Buntmetallen. Außerdem wirken die Säuren in
dem Öl
katalytisch auf die Oxidation des Öls. Daher ist in einer ersten
Näherung
der Säuregehalt
des Motoröls
proportional zu der Oxidation und damit linear von der Viskosität des Motoröls abhängig.
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Daher
wird als Hilfsgröße für die Bewertung des
Säuregehalts
die Viskosität
herangezogen. Allerdings führen
auch Durchblasegase (Blow-by-Gase) und Schwefel aus dem Kraftstoff
zur zusätzlichen
Bildung von Säuren
unabhängig
von der Oxidation. Durch eine Analyse der Viskosität des Motoröls kann somit
kein Rückschluss
auf den Beitrag dieser Durchblasegase bzw. des zugeführten Schwefels
gezogen werden. Jedoch ist eine Erfassung von untypisch hohen Durchblasgasen
interessant, da diese z.B. auf Ablagerungen an Kolbenringen und
einer suboptimalen Abdichtung des Kurbelgehäuses hinweisen. Zudem zeigt
ein Anstieg des Säuregehalts
an, dass die basischen Additive in dem Motoröl aufgebraucht sind. Ab dem
Zeitpunkt, an dem die basischen Additive aufgebraucht sind, erhöht sich
der Oxidationsgrad des Motoröls
und damit auch die Viskosität
des Motoröls
exponentiell. Daher ist ab diesem Zeitpunkt ein zeitnaher Ölwechsel
dringend anzuraten.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dem zu untersuchenden
Motoröl
sind ein Säuresensor 1 und
ein Viskositätssensor 2 eingetaucht.
Zusätzlich
kann noch ein Permittivitätssensor 3,
welcher vorzugsweise als kombinierter Viskositäts/Permittivitäts-Sensor
ausgebildet ist, in das Motoröl
getaucht werden. Die Signale von den Sensoren werden von einer Datenverarbeitungseinrichtung 5 bearbeitet.
Zusätzlich
ist es von Vorteil, eine Verwendungsdauer-Erfassungseinrichtung 4 bereitzustellen,
welche bestimmt, wie lange das Motoröl bereits verwendet wird, welchen
Maximaltemperaturen das Öl
ausgesetzt war, welcher mittlerer Wärme das Motoröl ausgesetzt
war und bei welchen Drehzahlen der Motor betrieben wurde oder weitere
erfasste Motorparameter. Diese Daten können alle oder teilweise der
Datenverarbeitungseinrichtung 5 zur Auswertung der Signale
der Viskositäts-,
Permittivitäts-
und Säuresensoren
zur Verfügung
gestellt werden.
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In 2 ist
zur Erläuterung
eines Auswerteverfahrens der Datenverarbeitungseinrichtung 5 dargestellt. Über die
Zeit t sind die Viskosität ν und der Säuregehalt
x eines Motoröls
dargestellt. Die Größen können durch
die entsprechenden Sensoreinrichtungen 1, 2, 3 zu
einem Zeitpunkt T0, T1 erfasst
werden. Zu einem ersten Zeitpunkt T0 erfasst
der Säuresensor 1 den
Säuregehalt
x1 und der Viskositätssensor die Viskosität ν1.
In der Datenverarbeitungseinrichtung 5 ist ein Modell bereitgestellt,
welches basierend auf dem Säuregehalt
x1 die Viskosität ν1 schätzen kann,
unter der Annahme, dass nur die Oxidation des Motoröls zur Bildung
von Säuren,
insbesondere der Carbonsäuren,
führt.
Durch ein Vergleichen der geschätzten
Viskosität ν2 mit
der erfassten Viskosität ν1 ergibt
sich zum Zeitpunkt T0 kein Unterschied.
D.h., dass keine weiteren Einflüsse
auf das Motoröl
einwirken, welche zu einer Erhöhung
der Viskosität
oder des Säuregehalts
in dem Motoröl
führen.
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Zu
dem Zeitpunkt T1 ist beispielhaft das Verhalten
des Motoröls
dargestellt, wenn sich der Säuregehalt
z.B. aufgrund von Durchblasegasen stark erhöht. In einem ersten Schritt
wird ein Unterschied Δx oder
eine Abweichung des erfassten Säuregehalts
x1 zu einem Vorgabewert x2 oder
erwarteten Säuregehalt
x2 ermittelt. Der Vorgabewert kann einerseits
der Säuregehalt
eines neuen Motoröls
sein, oder bereits einen Oxidationsgrad und damit verbundener Säureanteil
eines Motoröls
berücksichtigen,
welcher basierend auf der Verwendungsdauer, der Maximaltemperaturen,
der mittleren Temperatur und der Drehzahlen des Motors durch die
Datenverarbeitungseinrichtung bestimmt wird. Basierend auf der Abweichung Δx wird eine
Viskosität ν2 bestimmt.
Dies kann in einfacher Weise dadurch geschehen, dass eine proportionale
Abhängigkeit
der Viskosität
von dem Säuregehalt
angenommen wird und entsprechend dem Vorgabewert des Säuregehalts
auch ein Vorgabewert für
die Viskosität
bereitgehalten wird. Danach wird die auf diese Weise geschätzte Viskosität ν2 mit der
erfassten Viskosität ν1 verglichen.
Ergibt sich hierbei eine Abweichung Δν, so ist diese auf zusätzliche
Einflusse (keine reine Oxidation aufgrund von Wärme und Luftzufuhr und Bildung
der Carbonsäuren)
zurückzuführen. Ist
die geschätzte
Viskosität ν2, wie
in 2 dargestellt, größer als die erfasste Viskosität ν1,
so liegt die Ursache darin, dass ein Einfluss die Viskosität erhöht hat,
ohne gleichzeitig den Säuregehalt
zu erhöhen.
Ein solcher Einfluss sind Rußpartikel,
welche u.a. durch Abgasnachbehandlungseinrichtungen in diesen Motoren
verstärkt
in das Motoröl
gelangen. Ein untypisch großer
Unterschied Δν der erfassten
Viskosität ν1 zu
der geschätzten
Viskosität ν2 würde hierbei
zum Anlass genommen, die Abgasnachbehandlungseinrichtung zu reinigen.
Der zweite gegenteilige Fall, also wenn die geschätzte Viskosität ν2 geringer
als die erfasste Viskosität ν1 ist,
ergibt sich bei Bildung von Säuren,
welche nicht durch Oxidation von Motoröl entstehen. Diese weiteren
Säuren
entstehen u.a. durch Schwefel, welche durch Kraftstoff in das Motoröl gelangt
und auch durch Durchblasegase. Ein untypisch hoher Wert in der Abweichung Δν weist u.a.
auf Ablagerungen an Kolbenringen hin.
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Als
zusätzliche
Größe kann
die Permittivität und/oder
der elektrische spezifische Leitwert des Motoröls bestimmt werden. Durch diese
Größe ist insbesondere
ein Rückschluss
auf den Rußanteil
in dem Motoröl
möglich.
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- 1
- Säuresensor
- 2
- Viskositätssensor
- 3
- Permittivitätssensor
- 4
- Erfassungseinrichtung
- 5
- Datenverarbeitungseinrichtung
- t
- Zeit
- ν
- Viskosität
- x
- Säuregehalt
- T0, T1
- Zeitpunkte
- x1
- erfasster
Säuregehalt
- ν1
- erfasste
Viskosität
- ν2
- geschätzte Viskosität
- x2
- Vorgabewert
- Δx
- Abweichung
- Δν
- Abweichung