DE102005034454A1

DE102005034454A1 - Verfahren zur Messung des Verbrauchs zumindest eines Betriebsmittels einer Kraft- oder Arbeitsmaschine

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Publication number: DE102005034454A1
Application number: DE200510034454
Authority: DE
Inventors: Ralph Huber; Michael Dipl.-Ing. Nöst; Erich Dr. Schiefer; Andreas Dipl.-Ing.Dr.techn. Wimmer
Original assignee: AVL List GmbH
Current assignee: AVL List GmbH
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2005-07-23
Publication date: 2006-03-23

Abstract

Ein Verfahren zur Messung des Verbrauchs zumindest eines Betriebsmittels einer Kraft- oder Arbeitsmaschine ermittelt aus einer Messung von markierten Anteilen zumindest eines Betriebsmittels auf einer Ausgangsseite der Maschine den Verbrauch des jeweiligen Betriebsmittels. DOLLAR A Um ein zeitlich hoch auflösendes und onlinefähiges Verfahren anzugeben, das ohne besondere Schutzvorkehrungen, insbesondere in Bezug auf Strahlenschutz, durchführbar ist, wird der Maschine ein Betriebsmittel zugeführt, welches Betriebsmittel mit nicht-radioaktiven Isotopen seiner Bastandteile markiert ist, und wird auf der Ausgangsseite der Maschine eine auf der Anzahl von Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhende physikalische Größe als dem Verbrauch proportionale repräsentative Größe bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Verbrauchs zumindest eines Betriebsmittels einer Kraft- oder Arbeitsmaschine, wobei aus einer Messung von markierten Anteilen zumindest eines Betriebsmittels auf einer Ausgangsseite der Maschine der Verbrauch des jeweiligen Betriebsmittels ermittelt wird, wobei der Maschine ein Betriebsmittel zugeführt wird, welches Betriebsmittel mit nicht-radioaktiven Isotopen seiner Bestandteile markiert ist, und von welchem zumindest eine Teilmenge in der Maschine und vor Austritt auf der Ausgangsseite der Maschine einer chemischen Umwandlung unterworfen ist, weiters ein Verfahren zur Ölverbrauchsmessung von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Motoren, die nach dem Otto- oder Dieselprinzip oder einer Kombination dieser Verfahren arbeiten, umfassend die Beimischung einer nicht-radioaktiven, im Abgas der Verbrennungskraftmaschine nachweisbaren Substanz in das Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine, Abzweigung von zumindest einem Teilstrom des Abgases der Verbrennungskraftmaschine, Nachverbrennung allfälliger noch unverbrannter Anteile im entnommenen Teilstrom und Bestimmung der Konzentration jener Substanz im entnommenen Teilstrom des Abgases, sowie ein Betriebsmittel zur Verwendung in einem derartigen Verfahren bzw. insbesondere ein Schmiermittel für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere für jene Motoren, die nach dem Otto- oder Dieselprinzip oder einer Kombination dieser Verfahren arbeiten, bestehend hauptsächlich aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen verschiedener Fraktionen, zum Einsatz in derartigen Verfahren.

Die bisher im Versuchsbetrieb angewendeten Ölverbrauch-Messmethoden lassen sich grundsätzlich in zwei Gruppen einteilen. Einerseits kann eine Bestimmung der Ölmengen-Differenz durch Wiegen oder Volumenmessung vorgenommen werden, oder es kann unmittelbar die Ermittlung der verbrauchten Ölmenge durch Nachweis von Schmierölbestandteilen bzw. von Markierungssubstanzen (Tracer) im Abgas vorgenommen werden.

Die Volumen- und Gewichtsmethoden, die im Allgemeinen diskontinuierlich funktionieren, haben den Nachteil, dass große Messwertstreuungen auftreten. Diese Erscheinung ist durch sehr lange Messzeiten in Grenzen zu halten. Es wurden auch automatische Ölverbrauch-Messverfahren entwickelt, die kontinuierlich messen.

Die bekannten Nachteile dieser konventionellen Methoden, vor allem lange Messzeiten, führten bereits vor mehr als 40 Jahren zur Entwicklung von Tracer-Messverfahren. Allen diesen Markierungsverfahren ist gemein, dass dem Motoröl ein Indikator zugesetzt wird oder in bekannter Menge in diesem schon enthalten ist (Additive), welcher Tracer im Auspuffgas quantitativ nachgewiesen werden kann.

Für die Markierungsstoffe gelten – unabhängig vom Nachweisverfahren – die Anforderungen, dass sie durch die Temperaturen im Verbrennungsraum des Motors nicht zerstört werden dürfen, noch dürfen sie sich weder im Motorraum noch im Auspuffsystem ablagern, noch vorzeitig verflüchtigen, und der ermittelte Tracerverbrauch muss dem tatsächlichen Ölverbrauch proportional sein. Darüber hinaus sollten sie die Öleigenschaften – insbesondere seine Schmiereigenschaften – nicht verändern. Bislang konnten die genannten Anforderungen in ihrer Gesamtheit bei keinem der herkömmlichen Verfahren verwirklicht werden. Alle metallischen Elemente, die als Markierungsstoffe in Frage kommen, lagern sich als Oxide oder als hoch schmelzende Salze undefiniert im Motorraum oder im Auspuffsystem ab. Entsprechendes gilt für die meisten nichtmetallischen Markierungsstoffe, da sie mit den metallischen Elementen – wie Blei, Barium, Kalzium, Zink – in Benzin und Dieselöl hoch schmelzende Salze bilden würden. Versuche, den Ölverbrauch über Flammenphotometrie bzw. Spektralanalyse zu messen, scheiterten daran, dass die im Abgas gemessenen Additivkomponenten kein Maß für die tatsächliche verbrauchte Ölmenge waren.

Nicht radioaktive Tracer können entweder direkt (z.B. für den Stoff Pyren) oder über deren Reaktionsprodukte (z.B. für SO₂) im Abgastrakt – abhängig vom Verfahren – auch onlinefähig erfasst werden. Bei der SO2-Methode, wie etwa in SAE Paper 920652 beschrieben, muss der gesamte Motor und vor allem auch der Kraftstoff schwefelfrei sein, um das gemessene SO₂ eindeutig dem Schmieröl zuordnen zu können.

Lange Tradition – in der Entwicklung von Ölverbrauchsmessmethoden – haben die mit radioaktiven Stoffen arbeitenden Isotopenverfahren. Bei radioaktiver Markierung (z.B. Tritium, Brom, ¹⁴C, ...) wird die Aktivität der Reaktionsprodukte (z.B. T₂O, HBr; CO₂, ...) der jeweiligen Tracer im Motorabgas gemessen. Dabei hat sich vor allem das Tritium-Messverfahren durchgesetzt. Als Tracer wird der weiche β-Strahler ³H in einem Austauschverfahren (z.B.: nach Wilzbach) statt dem Element ¹H in das Motoröl eingebracht. Die Verwendung von radioaktiven Tracern hat einen erheblichen apparativen Aufwand zur Folge. Ferner sind Strahlenschutzmaßnahmen zu treffen. Die gesetzlichen Restriktionen bezüglich Strahlenschutzes werden in näherer Zukunft eher angezogen als gelockert werden, sodass der Einsatz von radioaktiven Tracern und der damit verbundene Aufwand daher nicht weiter sinnvoll einsetzbar ist. Ein Beispiel für ein derartiges radioaktives Tracer-Verfahren ist beispielsweise in der DE 1 698 029 beschrieben.

Zwei Methoden, die in letzter Zeit entwickelt wurden verzichten dabei auf den Einsatz von radioaktiven Tracern bzw. auf die vorgenannten Markierungen mit den bekannten Nachteilen. Die Pyren-Tracermethode gemäß der DE 198 32 194 A1 markiert dabei mit einer aromatischen Verbindung das Motoröl, welche Verbindung bei Verlassen der Brennkammer unverändert vorliegen sollte und durch ein Lasermassenspektrometer (das mit einer Laserwellenlänge von 266 nm speziell auf das hochselektive Erfassen dieser aromatischen Verbindung ausgelegt wurde) als Maß für den Ölverbrauch detektiert wird. So genannte „direkte Ölemissionsmessmethoden" verzichten auf die Zugabe eines Tracers und versuchen mithilfe eines modifizierten EIMS unverbrannte Ölverbrauchsanteile (schwere HCs, die dem Schmieröl zugeordnet werden können) im Abgas zu detektieren. Die Pyren – Tracermethoden und die direkten Methoden haben gemeinsam, dass für den Ölverbrauch signifikante Emissionen im Motorenabgas detektiert werden. Beide „Massenselektive Methoden" können jedoch nur die unverbrannten Anteile des Schmierölverbrauchs erfassen, was jedoch zu gröberen Fehleinschätzungen führen kann, da der Methodenansatz, aus der Erfassung von unverbrannten Ölemissionsanteilen um auf den Gesamtölverbrauch zu schließen, unzulässig ist. Aus Analysen mithilfe von Simulationsprogrammen konnte nachgewiesen werden, dass das Verhältnis von verbrannter zu unverbrannter Ölemission (Anteil der Ölverbrennung) stark vom Betriebspunkt und vom Brennverfahren abhängig ist. Die Pyren-Tracermethode nach DE 198 32 194 A1 sowie die „direkten Methoden" versuchen jedoch lediglich aufgrund des unverbrannten Ölanteils auf den Gesamtölverbrauch zu schließen.

Die Verwendung von nicht radioaktiven Isotopen einer flüssigen Chemikalie zu deren Markierung ist als eine Alternative in der WO 93/15398 A1 beschrieben, wobei allerdings keinerlei Rücksicht auf allfällige chemische Umwandlungen genommen wird, da lediglich die Herkunft der Chemikalie nach einem Transport über diese physikalische Markierung überprüft werden soll.

Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zur Messung des Verbrauchs zumindest eines Betriebsmittels einer Kraft- oder Arbeitsmaschine anzugeben, das zeitlich hoch auflösend und onlinefähig ist und ohne besondere Schutzvorkehrungen, insbesondere in Bezug auf Strahlenschutz, durchführbar ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass 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 wird. Selbstverständlich können die Betriebsmittel einer Maschine auch schon beim normalen Betrieb bereits in der Maschine und vor Austritt auf der Ausgangsseite der Maschine einer chemischen Umwandlung unterworfen sein. Das neue Messverfahren stützt sich also, abgehend von den vorgenannten chemisch markierenden Methoden und den in diesem Zusammenhang erläuterten Verfahrensnachteilen, auf eine physikalische Markierung des zu betrachteten Betriebsmittels. Mit heutigem Stand der Technik hat man Analysegeräte zur Verfügung, die auch kleinste Isotopen-Spuren, aufgrund von Substanz- bzw. Massenselektion, eindeutig und quantitativ, beispielsweise im Motorenabgas, nachweisen können. Derartige massenselektive und/oder substanzselektive Meßmethoden (im weiteren als isotopenselektive Meßmethoden bezeichnet) könnten beispielsweise IR-Spektroskopie, FTIR (Fourier Transformed IR)-Spektroskopie, massenspektroskopische Meßmethoden, NMR-Messungen oder Kombinationen der genannten Methoden sein. Generell wird durch den methodischen Ansatz einer Emissionsmessung zur Bestimmung des Ölverbrauches, Onlinefähigkeit und zylinderselektiver Messeinsatz ermöglicht.

Um dabei den Verbrauch an Betriebsmittel möglichst vollständig zu erfassen, kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen sein, dass auf der Ausgangsseite nicht vollständig umgewandelte Anteile des markierten Betriebsmittels einer gleichartigen Umwandlung wie in der Maschine unterworfen werden. Eine derartige Umwandlung kann beispielsweise die vollständige Nachverbrennung des Betriebsmittels sein.

Wenn vorteilhafterweise die auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhende physikalische Größe sowohl im bereits in der Maschine umgewandelten Betriebsmittel als auch im vollständig umgewandelten Betriebsmittel ermittelt und das Verhältnis der beiden Werte bestimmt wird, können Einflüsse von bereits natürlich im Betriebsmittel vorhandenen Isotopen berücksichtigt damit eine genaue Nullwertbestimmung für die Verbrauchsmessung durchgeführt werden.

Die bestmögliche Onlinefähigkeit des Verfahrens, d. h. die automatisierbare, hoch auflösende und vorzugsweise auch kontinuierliche Durchführbarkeit, kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung dann erreicht werden, wenn das Betriebsmittel auf der Ausgangsseite der Maschine mit Ausnahme einer allfälligen chemischen Umwandlung weitestgehend unverändert auf die auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhende physikalische Größe untersucht wird.

Selbstverständlich kann die Bestimmung der auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhenden physikalische Größe für einen Teilstrom des Betriebsmittels auf der Ausgangsseite der Maschine erfolgen, sodass nicht der gesamte Strom des Betriebsmittels auf der Ausgangsseite der Maschine erfasst werden muss, was bei gasförmigem Zustand sehr aufwendig sein könnte.

Für den Spezialfall der Ölverbrauchsmessung von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Motoren, die nach dem Otto- oder Dieselprinzip oder einer Kombination dieser Verfahren arbeiten, ist die Lösung der gestellten Aufgabe dadurch zu erzielen, dass dem Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine vor deren Inbetriebnahme zur Ölverbrauchsmessung zumindest ein Teil eines Schmiermittels beigemischt wird, bei welchem zumindest ein Atom zumindest einer Kohlenwasserstoff-Verbindung durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt ist, und dass die Konzentration dieses Isotops mittels isotopenselektiver Messungen bestimmt wird. Damit werden im Motorabgastrakt Verbrennungsprodukte, die nachweislich vom rein physikalisch und nicht-radioaktiv markierten Schmieröl stammen durch Einsatz einer isotopenselektiven Analysemethode erfasst. Ein weiterer Vorteil der Erfassung von Verbrennungsprodukten liegt darin, dass diese weniger Reaktionsfreudigkeit mit z.B. O₂ oder anderen Abgaskomponenten bei hohen Temperaturen im Abgastrakt (am Weg zur Probenentnahme) zeigen als unverbrannte Komponenten (z.B.: HC's).

Dazu kann natürlich auch vorgesehen sein, dass das gesamte Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine durch ein Schmiermittel ersetzt wird, bei welchem zumindest ein Atom zumindest einer Kohlenwasserstoff-Verbindung durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Verfahrens kann der isotopenselektiven Messung eine vorzugsweise katalytische Nachverbrennung des unverbrannten Anteils des entnommenen Teilstroms des Abgases vorangehen, sodass auch zur Gewährleistung der optimalen Messgenauigkeit die unverbrannte Ölemission ebenfalls erfasst werden kann.

Vorteilhafterweise wird zumindest ein Verfahren aus der Gruppe IR-Spektroskopie, FTIR (Fourier Transformed IR)-Spektroskopie, massenspektroskopische Meßmethoden, NMR-Messungen oder eine Kombination der genannten Methoden zur isotopenselektiven Messung herangezogen.

Zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe dient auch ein Betriebsmittel zur Verwendung in einem Verfahren wie oben beschrieben, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, dass es mit nicht-radioaktiven Isotopen seiner Bestandteile markiert ist. Damit ist es auch möglich, die Verbrennungsprodukte von Schmieröl und Kraftstoff getrennt voneinander zu bewerten.

Vorteilhafterweise werden dabei zumindest ein Wasserstoff- und/oder Kohlenstoff-Atom durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt. Als Tracer werden nicht radioaktive Isotope (z.B.: ¹³C, Deuterium ²H (in weiterer Folge als D bezeichnet) eingesetzt, die anstelle von vorhandenen C- oder H-Atomen in den Molekülraster eingebaut werden können, ohne die relevanten Eigenschaften dieses Betriebsstoffes zu ändern.

Speziell für Schmiermittel für Verbrennungskraftmaschinen, die zum Einsatz in einem der oben erläuterten Verfahren bestimmt sind, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest ein Atom zumindest einer Kohlenwasserstoff-Verbindung durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt ist.

Gemäß einer ersten Alternative kann zumindest ein Kohlenstoffatom durch das Kohlenstoff-Isotop ¹³C ersetzt sein.

Alternativ dazu oder auch zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Wasserstoffatom durch das Wasserstoff-Isotop D ersetzt ist.

Um einen einfachere Erfassung zu ermöglichen, ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass mehrere Atome pro Kohlenwasserstoff-Verbindung durch deren nicht-radioaktive Isotope ersetzt sind.

Um der Zusammensetzung moderner Schmiermittel aus Komponenten mit unterschiedlichen chemisch-physikalischen Parametern gerecht zu werden, welche auch unterschiedlichen Verbrauchsmechanismen unterliegen, ist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass jede Fraktion des Schmiermittels die gleiche Konzentration an nicht-radioaktiven Isotopen jeder Art enthält. Damit kann der Ölverbrauch jeder Fraktion erfasst und der Gesamtverbrauch exakt ermittelt werden.

In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigt
1 in schematischer Darstellung den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Verbrennungskraftmaschine und
2 ist eine schematische Darstellung verschiedener Probeentnahmestellen bei der erfindungsgemäßen Bestimmung des Ölverbrauchs einer Verbrennungskraftmaschine.
Einer Verbrennungskraftmaschine UUT wird die Luftmasse L zugeführt, welche im wesentlichen die bei Zus. 1 angegebene Zusammensetzung aufweist, wobei die Verhältniszahlen u, v und w in gewissem Umfang variieren können und auch noch weitere Komponenten vorhanden sein könnten. In dem oder den Brennräumen wird die Luft L mit der Brennstoffmasse V, hauptsächlich bestehend aus Kohlenwasserstoffen der Zusammensetzung 2, bei welcher die Verhältniszahlen x, y, z ebenfalls variieren können und sowohl aliphatische als auch aromatische Verbindungen beinhalten, in Energie umgesetzt. In der Verbrennungskraftmaschine UUT befindet sich auch noch zumindest ein weiteres Betriebsmittel B, beispielsweise Schmieröl, Kühlmittel, oder dergleichen. Dieses Betriebsmittel B ist mit einem nicht-radioaktiven Isotop als Tracer T zumindest eines seiner Bestandteile markiert, sodass sich die Zusammensetzung 3 ergibt. In weiterer Folge kann dann auf der Ausgangsseite der Verbrennungskraftmaschine UUT eine auf der Anzahl an Atomen des Tracers T beruhende physikalische Größe als dem Verbrauch des Betriebsmittels B proportionale repräsentative Größe bestimmt werden. Für den Fall von ebenfalls hauptsächlich aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Schmierölen werden als Tracer T vorzugsweise die Isotope ¹³C und/oder ²H (in weiterer Folge mit D bezeichnet) eingebracht.
Durch die durchgezogenen Linien ist ein erster Hauptweg für den Verbrauch des Betriebsmittels symbolisiert, beispielsweise für den Ölverbrauch durch Verbrennung oder Abdampfung des Schmieröls aus der Verbrennungskraftmaschine UUT.
Über diesen ersten Hauptweg kann durch Analyse von die Verbrennungskraftmaschine UUT gasförmig verlassende Substanzen mittels einer unmittelbaren isotopenselektiven Analyse MSu (MS, FTIR oder eine Kombination dieser Verfahren) oder auch nach einer vorhergehenden Nachverbrennung NV von nicht in der Maschine umgewandelten (unverbrannten) Anteilen des Betriebsmittels B und dann der isotopenselektiven Analyse MS auf den Verbrauch des Betriebsmittels B zurück geschlossen werden. Dabei kann das gasförmige Medium – wodurch die Online-Fähigkeit gegeben ist – zur Gänze oder als Teilstrom, unmittelbar oder verdünnt der Analyse zugeführt werden. Vorzugsweise wird, um die natürliche Isotopenkonzentration in Luft, Brennstoff und Betriebsmittel zu berücksichtigen, auch eine Analyse mit ungetracertem Betriebsmittel vorgenommen.
Über das Ergebnis E1, d. h. nachdem die entnommene Probe oder auch komplette gasförmige Substanz, beispielsweise das Abgas aus dem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine UUT, aus dem ersten Hauptweg einer Nachverbrennung unterworfen wurde, erhält man ein Ergebnis E1, das die Ölemission für verbrannte und unverbrannte Anteile berücksichtigt. Das Ergebnis E1u hingegen liefert nur die im Motor verbrannten Ölemissionsanteile (unverbrannte Anteile werden nicht erfasst).
Durch Bildung des Verhältnisses E1u/(E1 + E1u), d. h. durch Bestimmung der Anteile der Rohemission und der umgewandelten Anteile zum Gesamtverbrauch, kann ein Hinweis auf die Verbrauchsmechanismen erhalten werden.
Ein anderer Weg für den Verbrauch des Betriebsmittels B ist durch gestrichelte Darstellung symbolisiert. Dies könnte beispielsweise der Blowby am Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftmaschine UUT oder die kalte Seite eines Abgasturboladers sein. Auch hier kann wieder eine unmittelbare Zuführung der gasförmigen Probe zur isotopenselektiven Analyse MSu vorgenommen werden, oder es könnte eine isotopenselektiven Analyse MS erst nach einer Nachverbrennung erfolgen. Die Analyse von deren Ergebnissen E2 und/oder E2u liefert Aussagen analog zu den aus E1 und E1u herleitbaren Resultaten.
Ein Beispiel zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Bestimmung des Ölverbrauchs von Verbrennungskraftmaschinen, wobei die prinzipielle Vorgangsweise aber auch für allgemeine Kolbenmaschinen, etwa Kolbenkompressoren, angewendet werden kann. Abgesehen von der Forderung, den Ölverbrauch des Systems Kolben-Kolbenringpaket-Zylinderwand einer Kolbenmaschine schnell und effektiv quantifizieren zu können, gewinnen auch folgende Fragestellungen für den Motoren und Komponentenentwickler immer mehr an Bedeutung: Wie ist der Anteil des Abgasturbolader(ATL)-Ölverbrauchs am Gesamtölverbrauch? Welche ATL-Ölverbrauchspfade sind dominierend? Wie ist die Effizienz von in Kurbelgehäuseentlüftungen eingebauten Ölabscheidern? Wie wird der Ölverbrauch infolge fremd geschmierter Pumpen im Kraftstoff-Einspritzsystem beeinflusst? Es wurde herausgefunden, dass nämlich durch Leckagen von Einspritzpumpen (ölgeschmierte Systeme im NFZ-Bereich) der Verbrauch durch über den Kraftstoff in den Brennraum mit eingespritzte Schmierölanteile bis zur Hälfte des Gesamtölverbrauchs ausmachen.
Oben genannte Fragestellungen konnten bisher nur offline und unter Anspruchnahme eines langen Versuchszeitraumes bzw. bestenfalls an speziell adaptierten Aggregate-Prüfständen unter Einsatz von Radionukliden (verbunden mit erheblichem Aufwand) untersucht werden. Die erfindungsgemäße Methode erlaubt es jedoch Ölverbrauchs- und Öltransportwege direkt an einem Standard-Motorenprüfstand, durch gezielte physikalische und nicht-radioaktive Tracerung der zu analysierenden Ölverbrauchsquelle zu untersuchen. Der Mehraufwand liegt dabei lediglich in der Trennung der zu untersuchenden Ölkreisläufe vom Gesamtkreislauf.
Die 2 zeigt schematisch einen Motor mit Abgasturbolader, umfassend einen Turbinen-Teil TU und einen Verdichter-Teil VE, sowie einen Ölabscheider A als Beispiel für eine Verbrennungskraftmaschine UUT und zeigt auch verschiedene mögliche Stellen für die Entnahme von zumindest Teilströmen gasförmiger Substanzen aus der Verbrennungskraftmaschine UUT zur Analyse verschiedener Verbrauchswege und -mechanismen für das Schmieröl. So kann beispielsweise im Abgasstrang vor der heißen Seite des Turboladers, d. h. vor der Turbine TU, die Probe entnommen werden. Auch die Analyse bei 2 nach der Turbine TU ist möglich. Weitere Probeentnahmestellen sind bei 3 zwischen Kurbelgehäuseentlüftung und Ölabscheider A, oder auch hinter dem Ölabscheider A bei 4, in der Blowby-Leitung des Abgasturboladers TU, VE bei 5 (der Verbindung von dessen Lagergehäuse mit dem Kurbelgehäuse) oder bei 6 für den AGR. Durch Differenzbildung der Messwerte 2 – 1 kann der turbinenseitige Verbrauch des Turboladers bestimmt werden, die Differenz 3 – 4 kann zur Untersuchung der Effektivität des Ölabscheiders A herangezogen werden, usw.
Neben der Notwendigkeit, schnell und selektiv den Ölverbrauch zu bestimmen, bekommt der Emissionsaspekt in diesem Zusammenhang für den Fahrzeughersteller immer mehr an Bedeutung. Mit der Fähigkeit der Methode, unverbrannte und verbrannte Anteile der Ölemission getrennt voneinander zu ermitteln, kann dem Entwickler vor Allem bei einerseits der Verminderung von Motorenöl generierten HC-Partikeln als auch der Verminderung von Ascheablagerungen an Abgasnachbehandlungssystemen geholfen werden.
Neben einer Verminderung des unverbrannten Anteils der Ölemission (Primäreinfluss auf die Abgasemission von Dieselmotoren) sind auch Einflüsse sekundärer Art zu berücksichtigen: Die Verbrennung der Asche bildenden Additive des Motorenöls können einerseits zu Deaktivierung von Katalysatoroberflächen bzw. zu einer Beeinträchtigung der Langzeitaktivität von Abgasnachbehandlungssystemen führen. Die Sekundäreinflüsse des Motorenöls können damit zu einer Erhöhung der Emissionen sämtlicher limitierter Abgaskomponenten führen. Ziel der Entwickler muss es daher sein den Öleintrag in die Verbrennung (über Ventilschaftdichtungen, BBy, Öl geschmierte Kraftstoffpumpen, ...) zu minimieren. Zukünftige Partikelgrenzwerte für NFZ liegen bei 20mg/kWh (Euro IV, 2005) und bei 13mg/kWh (USA, 2007) Dabei ist aus Untersuchungen bekannt, dass davon 3mg/kWh alleine die Ascheemission ausmacht.
Zur Markierung des Öls wird ein Verfahren verwendet, das eine „fraktionsgerechte Markierung" gewährleistet. Auf das Markierungsverfahren an sich wird nicht näher eingegangen, da es dem heutigen Stand der Technik entspricht Austauschverfahren (D/¹H) zu bewerkstelligen. Wichtig ist allein sicherzustellen, dass der Tracerverbrauch – für verschiedene Betriebsbedingungen (Motorlastpunkte, Zylinderwandtemperaturen, ...) – und der Ölverbrauch einander proportional sind, was beispielsweise bei der Pyren-Methode gemäß der DE 198 32 194 A1 nicht erfüllt ist, da hier versucht wird mit einem Einstoff-Tracer das Verbrauchsverhalten des Polystoffes Öl abzubilden. Dasselbe gilt auch für den Tracer Schwefel.
Die Verbrennungsprodukte des isotopenmarkierten Stoffes (z.B. ¹³CO₂, DHO, D₂O, ...) können aufgrund ihrer geänderten Massenzahl mit einer isotopenselektiven Analysemethode eindeutig erfasst werden. Im Abgas(Maschinenausgangs-)Strom wird dabei die Konzentration des Markers gemessen. Um auf einen quantitativen Wert (z.B.: g/h) zu kommen ist die Kenntnis des Massenstroms notwendig. Der Abgasmassenstrom wird bei einem Verbrennungsmotor beispielsweise aus den Standardmessgrößen Ansaugluftmasse und verbrauchte Kraftstoffmenge errechnet. Die Kenntnis beider Größen ist durch Vorhandensein von Standardprüfstandstechnik bzw. durch Auslesen dieser Größen aus dem Motormanagement Stand der Technik und muss daher nicht weiter erläutert werden. Weiters ist für eine gewünschte Quantifizierung die Konzentration des Tracers im zu analysierenden Betriebsstoff (z.B. Motoröl) notwendig. Die Multiplikation der gemessenen Konzentration mit dem vorherrschenden Massenstrom (unter Berücksichtigung der Molmassenverhältnisse) und der Bezugnahme auf die Markierungskonzentration führen zu einem quantitativen Wert.
Grundsätzlich können mit der neuen Methode aber neben Schmierölen auch alle anderen Betriebsstoffe, die durch einen Motor, eine Maschine oder beispielsweise einen Wärmetauscher laufen und wie oben beschrieben markierfähig sind und vor der Detektion gasförmig vorliegen, bezüglich ihres Verbrauches erfasst werden. Neben der Verbrauchsmessung kann auch der rein qualitative Nachweis eines Verbrauchspfades oder eine Leckage-Ursachenerkennung von Bedeutung sein. So eignet sich die Methode ganz allgemein auch zur Detektion eines Lecks bei der Trennung zweier Medien, wie etwa bei 2-Gas-Gemischen beispielsweise an den Trennwänden eines Wärmetauscher, für das System Kühlflüssigkeit/Brennraumgas an der Zylinderkopfdichtung oder auch das System Kühlflüssigkeit/Öl ebenfalls an der Zylinderkopfdichtung.
Durch Markierung der Kühlflüssigkeit bzw. des Glykol/Wasser Gemisches wie oben erläutert und anschließender Detektion der Isotope im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine kann beispielsweise die Dichtfunktion von Zylinderkopfdichtungen analysiert werden.
Auch der Einsatz als Diagnosetool bei Großmotoren (Stationärmotoren) zur Schadensfrüherkennung oder bei der (Erst-)Inbetriebnahme ist zweckmäßig, um so etwa die Dichtfunktion einer Zylinderkopfdichtung, die auch abhängen kann von Toleranzfehlern bei der Fertigung der Dichtflächen Zylinderkopf/Kurbelgehäuse, durch Bauteilverzug (aufgrund der Paarung unterschiedlicher Komponentenwerkstoffe für Zylinderkopf oder Kurbelgehäuse) oder aufgrund von Montagefehlern (falsche Anzugsmomente bewirken einen Bauteilverzug ...).
Durch Tracerung der Ansaugluft kann der Fragestellung, wie viel Kompressionsgas in das Kurbelgehäuse gelangt, nachgegangen werden. Dies ist vor Allem für Komponentenentwickler des Systems Kolben-Kolbenring-Zylinderwand von Interesse.

Claims

Verfahren zur Messung des Verbrauchs zumindest eines Betriebsmittels einer Kraft- oder Arbeitsmaschine, wobei aus einer Messung von markierten Anteilen zumindest eines Betriebsmittels auf einer Ausgangsseite der Maschine der Verbrauch des jeweiligen Betriebsmittels ermittelt wird, wobei der Maschine ein Betriebsmittel zugeführt wird, welches Betriebsmittel mit nicht-radioaktiven Isotopen seiner Bestandteile markiert ist, und von welchem zumindest eine Teilmenge in der Maschine und vor Austritt auf der Ausgangsseite der Maschine einer chemischen Umwandlung unterworfen ist, dadurch gekennzeichnet, dass 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 wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Ausgangsseite nicht vollständig umgewandelte Anteile des markierten Betriebsmittels einer gleichartigen Umwandlung wie in der Maschine unterworfen werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhende physikalische Größe sowohl im bereits in der Maschine umgewandelten Betriebsmittel als auch im vollständig umgewandelten Betriebsmittel ermittelt und das Verhältnis der beiden Werte bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmittel auf der Ausgangsseite der Maschine mit Ausnahme einer allfälligen chemischen Umwandlung weitestgehend unverändert auf die auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhende physikalische Größe untersucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhenden physikalische Größe für einen Teilstrom des Betriebsmittels auf der Ausgangsseite der Maschine erfolgt.
Verfahren zur Ölverbrauchsmessung von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Motoren, die nach dem Otto- oder Dieselprinzip oder einer Kombination dieser Verfahren arbeiten, umfassend die Beimischung einer nicht-radioaktiven, im Abgas der Verbrennungskraftmaschine nachweisbaren Substanz in das Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine, Abzweigung von zumindest einem Teilstrom des Abgases der Verbrennungskraftmaschine, und Bestimmung der Konzentration der Substanz im entnommenen Teilstrom des Abgases, dadurch gekennzeichnet, dass dem Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine vor deren Inbetriebnahme zur Ölverbrauchsmessung zumindest ein Teil eines Schmiermittels beigemischt wird, bei welchem zumindest ein Atom zumindest einer Kohlenwasserstoff-Verbindung durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt ist, und dass die Konzentration dieses Isotops mittels isotopenselektiver Messungen bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine durch ein Schmiermittel ersetzt wird, bei welchem zumindest ein Atom zumindest einer Kohlenwasserstoff-Verbindung durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der isotopenselektiven Messung eine vorzugsweise katalytische Nachverbrennung des unverbrannten Anteils des entnommenen Teilstroms des Abgases vorangeht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Verfahren aus der Gruppe IR-Spektroskopie, FTIR (Fourier Transformed IR)-Spektroskopie, massenspektroskopische Meßmethoden, NMR-Messungen oder eine Kombination der genannten Methoden zur isotopenselektiven Messung herangezogen wird.
Betriebsmittel zur Verwendung in einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es mit nicht-radioaktiven Isotopen seiner Bestandteile markiert ist.
Betriebsmittel nach Anspruch 10, enthaltend Wasserstoff und/oder Kohlenstoff aufweisende Moleküle, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wasserstoff- und/oder Kohlenstoff-Atom durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt ist.
Schmiermittel für Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere jene Motoren, die nach dem Otto- oder Dieselprinzip oder einer Kombination dieser Verfahren arbeiten, bestehend hauptsächlich aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen verschiedener Fraktionen, zum Einsatz in Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Atom zumindest einer Kohlenwasserstoff-Verbindung durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt ist.
Betriebs- oder Schmiermittel nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kohlenstoffatom durch das Kohlenstoff-Isotop ¹³C ersetzt ist.
Betriebs- oder Schmiermittel nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Wasserstoffatom durch das Wasserstoff-Isotop D ersetzt ist.
Betriebs- oder Schmiermittel nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Atome pro Kohlenwasserstoff-Verbindung durch deren nicht-radioaktive Isotope ersetzt sind.
Schmiermittel nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jede Fraktion des Schmiermittels die gleiche Konzentration an nicht-radioaktiven Isotopen jeder Art enthält.