DE102006041075B4

DE102006041075B4 - Analyseverfahren für ein Motoröl und Analysevorrichtung

Info

Publication number: DE102006041075B4
Application number: DE102006041075.0A
Authority: DE
Inventors: Volker Haller; Markus Niemann; Thomas Hilberath; Gerald Hamm; Monika Scherer; Udo Kaess
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2026-09-02
Also published as: DE102006041075A1

Abstract

Analyseverfahren für ein Motoröl, mit den folgenden Schritten:
Bestimmen einer ersten Permittivität und einer ersten Viskosität des Motoröls, wenn das Motoröl unverbraucht ist;
Bestimmen einer zweiten Permittivität und einer zweiten Viskosität des Motoröls, während des Gebrauchs des Motoröls; und
Bestimmen eines Rußanteils in dem Motoröl basierend auf einem Unterschied der ersten Permittivität zu der zweiten Permittivität und einem Unterschied der ersten Viskosität zu der zweiten Viskosität.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Analyseverfahren für ein Motoröl, insbesondere ein Analyseverfahren zum Bestimmen des Rußanteils in dem Motoröl. Ferner betrifft die Erfindung eine Analysevorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Analyseverfahrens.
Ein Motoröl altert während seines Gebrauchs in einem Motor. Einerseits erfolgt ein Rußanteil auf Grund von Verbrennungsrückständen aus dem Verbrennungsmotor. Andererseits altert das Motoröl aufgrund der Wärmeeinwirkung und wird zunehmend oxidiert, und Teile des oxidierten Motoröls wandeln sich in saure oder basische Komponenten (TAN, TBN) um.
Es ist von herausragender Bedeutung, den Alterungszustand des Motoröls zu überwachen. Überschreitet der Alterungszustand vorgegebene Schwellwerte, so kann der Fahrzeugbesitzer auf einen notwendigen anstehenden Motorölwechsel aufmerksam gemacht werden. Ein zu später Motorölwechsel kann zu einer Beschädigung bis hin zu einem irreparablen Kolbenfresser führen.
Der Rußanteil in dem Motoröl gibt einen guten Hinweis auf den Alterungszustand. Eine genaue Bestimmung des Rußanteils durch externe chemisch-physikalische Diagnoseverfahren ist sehr aufwändig und auch während eines Betriebs des Motors nicht möglich.
Es besteht jedoch der Bedarf für ein Analyseverfahren, das in einfacher Weise den Rußanteil in einem Motoröl mit hoher Genauigkeit bestimmt.
Offenbarung der Erfindung
Das Analyseverfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und die Analysevorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 10 schaffen eine genaue Analyse des Rußanteils in einem Motoröl.
Das erfindungsgemäße Analyseverfahren sieht hierzu folgende Schritte vor:

a) Bestimmen einer ersten Permittivität und einer ersten Viskosität des Motoröls, wenn das Motoröl unverbraucht ist;
b) Bestimmen einer zweiten Permittivität und einer zweiten Viskosität des Motoröls während des Gebrauchs des Motoröls; und
c) Bestimmen eines Rußanteils in dem Motoröl basierend auf einem Unterschied der ersten Permittivität zu der zweiten Permittivität und einem Unterschied der ersten Viskosität zu der zweiten Viskosität.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Rußanteil des Motoröls hauptsächlich die Permittivität des Motoröls beeinflusst. Ein weiterer Parameter, der durch den Rußanteil in dem Motoröl stark beeinflusst wird, ist die Viskosität des Motoröls. Die Permittivität und die Viskosität hängen in unterschiedlicher, aber bekannter Weise von dem Rußanteil ab. Aus der unterschiedlichen Änderung der Permittivität und der Viskosität kann somit auf die Änderung des Rußanteil seit Gebrauch des Motoröls geschlossen werden.
Es zeigt sich, dass die Motoröle eine sehr unterschiedliche Permittivität und eine unterschiedliche Viskosität aufweisen. Daher sind diese in einem ersten Schritt festzuhalten. Erfindungsgemäß wurde darüber hinaus jedoch erkannt, dass der Grad einer Änderung der Permittivität und der Viskosität für Motoröle in Abhängigkeit eines Rußanteils und von anderen Verunreinigungen gleich groß ist. Daher werden bevorzugt die Änderungen erfasst.
Die Erfassung der Permittivität und der Viskosität kann bei einer vorbestimmten Temperatur stattfinden, um Änderungen der Permittivität und Viskosität aufgrund derer Temperaturabhängigkeit zu unterdrücken.
Gemäß einer Ausgestaltung wird die erste und die zweite Permittivität und die erste und die zweite Viskosität bei jeweils mindestens zwei verschiedenen Temperaturen erfasst und der Rußanteil zusätzlich basierend auf einer Temperaturabhängigkeit, der Permittivität und der Viskosität bestimmt. Der Rußanteil hat mit einen Einfluss auf das Temperaturverhalten der Permittivität und der Viskosität. Aus den unterschiedlichen Temperaturverläufen eines Motoröls mit Rußanteil gegenüber einem Motoröl ohne Rußanteil kann somit auf den Rußanteil geschlossen werden.
In einer Ausgestaltung wird die zweite Permittivität in Abhängigkeit eines Wassergehalts in dem Motoröl korrigiert. Der Wassergehalt kann durch Aufheizen des Motoröls über eine Aufheiztemperatur reduziert werden, und der Wassergehalt als vernachlässigbar angenommen werden, wenn die Permittivität bei einer konstant gehaltenen Temperatur, die größer als die Aufheiztemperatur ist, unverändert bleibt. Der Wassergehalt erhöht im Wesentlichen die Permittivität des Motoröls. Beim Aufheizen, d.h. beim Verdampfen des Wassers und somit einem Abtrennen des Wassers aus dem Motoröl, wird die Permittivität überwacht. Bleibt die Permittivität konstant, trotz einer Temperatur, bei welcher das Wasser verdampft, wird angenommen, dass der Wassergehalt in dem Motoröl gleich null oder nahezu null ist.
Gemäß einer Weiterbildung wird die zweite Viskosität in Abhängigkeit eines Kraftstoffgehalts in dem Motoröl korrigiert. Der Kraftstoffgehalt kann durch ein Reinigungsverfahren des Motoröls reduziert werden. Der Kraftstoffgehalt verringert hauptsächlich die Viskosität und beeinflusst nur in geringer Weise die Permittivität. In bekannten Reinigungsverfahren wird in dem Motorölrücklauf der Kraftstoff aus dem Motoröl abgetrennt.
In einer Ausgestaltung wird eine erste Kennlinie für die Viskosität des Motoröls in Abhängigkeit des Rußanteils und mindestens einer weiteren Verunreinigung aufgenommen und mindestens eine zweite Kennlinie für die Permittivität des Motoröls in Abhängigkeit des Rußanteils und der mindestens einen weiteren Verunreinigung aufgenommen, wobei der Rußanteil basierend auf der ersten und der zweiten Kennlinie bestimmt wird.
Der Gehalt der weiteren Verunreinigung in dem Motoröl kann basierend auf der zweiten Permittivität, der zweiten Viskosität, der ersten Kennlinie und der zweiten Kennlinie bestimmt werden. Die weitere Verunreinigung kann unter anderem oxidiertes Motoröl und/oder saure Motorölanteile umfassen.
Figurenliste

1 zeigt eine Abhängigkeit der Permittivität und der Viskosität von Verunreinigungen in einem Motoröl;
2 zeigt den anteilsmäßigen Beitrag von Ruß an einer Änderung der Viskosität und der Permittivität eines Motoröls;
3 Diagram zur Veranschaulichung der Änderung der Permittivität und der Viskosität über die Zeit;
4 Flussdiagram zur Illustration einer Ausführungsform;
5 Diagram zur Veranschaulichung der Abhängigkeit der Permittivität von dem Rußanteil verschiedener Motoröle;
6 Diagramm zur Illustration der erfindungsgemäßen Auswertung von Permittivität und Viskosität zur Bestimmung des Rußanteils;
7 Blockdiagram zur Illustration einer Ausführungsform zum Durchführen eines Analyseverfahrens;

Beschreibung der Ausführungsformen
1 zeigt die Abhängigkeit der Permittivität ε und der Viskosität v eines Motoröls von verschiedenen verunreinigenden Einträgen: oxidiertes Motoröl 1, Rußanteil 2, Wassereintrag 3 und Kraftstoffeintrag 4. Die Länge der Pfeile gibt qualitativ die typisch zu erwartenden Änderungen der Permittivität ε und der Viskosität v eines neuen zu einem verbrauchten Öl an.
Der typische Wassereintrag liegt zwischen 1 und 2%, der Brennstoffeintrag zwischen 5 und 10%.
Der Wassergehalt und der Brennstoffgehalt in dem Motoröl können durch geeignete Maßnahmen entfernt werden, oder deren Gehalt kann in geeigneter Weise bestimmt werden. Deren Änderung auf die Viskosität und Permittivität werden herausgerechnet, und daher wird auf diese Einträge im Nachfolgenden kein Bezug genommen.
Die Permittivität ε hängt vorrangig von dem Rußanteil 2 ab. In einem geringeren Maß wird die Permittivität jedoch auch von den oxidierten Motorölanteilen 1 beeinflusst. Das Verhältnis, in dem der Rußanteil und der oxidierte Motorölanteil die Permittivität ε beeinflussen, ist graphisch in 2 dargestellt. Die Viskosität v wird zu einem größeren Teil durch die oxidierten Motorölanteile bestimmt. Der Rußanteil hat auf die Viskosität v einen geringeren Einfluss.
Formelmäßig lassen sich die Abhängigkeiten einer Änderung der Permittivität Δε in Abhängigkeit des oxidierten Motorölanteils O und des Rußanteils S wie folgt darstellen: $Δε = a_{1} O + b_{1} S$
Dabei ist a₁ deutlich kleiner als b₁. Die genauen Werte für a₁ und b₁ können durch Messreihen unterschiedlicher Motoröle bestimmt werden. Es zeigt sich, dass das Verhältnis von a₁ zu b₁ für die meisten Motoröle nahezu gleich ist.
Die Änderung der Viskosität Δν kann mit den Proportionalitätsgröße a₂ und b₂ wie folgt dargestellt werden: $Δ v = a_{2} O + b_{2} S$
Dabei ist typischerweise a₂ etwas größer als b₂. Das genaue Verhältnis der beiden Proportionalitätsgröße a₂ und b₂ werden durch Untersuchungen verschiedener Motoröle bestimmt.
In 3 ist die Änderung der Permittivität Δε gegenüber der Änderung der Viskosität Δν graphisch über die Zeit t dargestellt. Das Verhältnis läuft über die Zeit von einem Zeitpunkt t=0 bis zu einem Zeitpunkt t=1. Typischerweise bleibt während der gesamten Alterung des Motoröls das Verhältnis der Permittivität zu der Viskosität konstant. Dies drückt sich in der 3 in der konstanten Steigung der Kurve 10 aus. Das über die Zeit konstante Verhältnis liegt darin begründet, dass in gleicher Weise, wie der Rußanteil in dem Motoröl steigt, sich auch der Anteil des oxidierten Motoröls erhöht. Liegt das Verhältnis oberhalb der Kurve 10 in dem Bereich 11, liegt weniger Ruß in dem Motoröl vor als standardmäßig erwartet. Umgekehrt liegt mehr Ruß in dem Motoröl vor also im Bereich 12, wenn sich das Verhältnis der Viskosität zu der Permittivität unterhalb der Kurve 10 befindet.
Die vorgenannten Beziehungen lassen sich in folgender Weise umschreiben: $\frac{Δ ε}{Δ ε max} = a \frac{Δ O}{Δ O max} + (1 - a) \frac{S}{S max}$
$\frac{Δ v}{Δ v max} = b \frac{Δ O}{Δ O max} + (1 - b) \frac{S}{S max}$
Die Größen a, b, ΔO_max und ΔS_max, Δε_max und Δν_max können aus experimentellen Untersuchungen bestimmt werden. Die maximalen Werte repräsentieren maximal zulässige oder maximal zu erwartende Werte.
Eine Ausführungsform des Verfahrens sieht vor die Viskosität und die Permittivität einmal zu Beginn des Gebrauchs des Motoröls zu erfassen (1, 4). Während des Gebrauchs des Motoröls werden die Viskosität und die Permittivität wiederholt erfasst (2). Die Größen a, b, ΔO_max und ΔS_max, Δε_max und Δν_max werden aus vorhergehenden Untersuchungen bereitgestellt. Die Bestimmung des Rußanteils erfolgt dann unter Verwendung der Formel 3 und 4 (3).
In 5 ist die Abhängigkeit einer Änderung der Permittivität von einem Rußanteil S in Prozent für drei verschiedene Motoröle 20, 21, 22 graphisch dargestellt. Wie zu erkennen ist, ergibt sich eine unterschiedliche Abhängigkeit der Permittivität ε von dem Rußanteil S für die einzelnen Motoröle.
In 6 ist die Änderung der Viskosität der einzelnen Motoröle mit berücksichtigt. Anstelle einer Auftragung der Änderung der Permittivität Δε über den Rußanteil ist die Änderung der Permittivität Δε über A aufgetragen (23). A bestimmt sich als 0,1 Δν/Δν_max + 0,9 S/S_max. Die Größen Δν_max und S_max sind Konstanten. In einem Analyseverfahren wird nun die Änderung der Permittivität Δε und die Änderung der Viskosität Δν gemessen. Der Rußanteil kann dann berechnet werden. Da die Beziehung zwischen Δε und A für alle Motoröle gültig ist, erhält man auf diese Weise eine sehr genaue und zuverlässige Schätzung des Rußanteils.
In 7 ist eine Analysevorrichtung 44 zum Analysieren eines Motoröls dargestellt. Ein Viskositätssensor 40 und ein Permittivitätssensor 41 erfassen die Viskosität bzw. Permittivität des Motoröls. Der Permittivitätssensor 40 und der Viskositätssensor 41 können als zwei getrennte oder als ein kombinierter Sensor bereitgestellt sein. Eine Datenverarbeitungseinrichtung 42 bestimmt einen Rußanteil in dem Motoröl nach einer der obigen Formeln 1-4 oder der beschriebenen Ausführungsform.

Claims

Analyseverfahren für ein Motoröl, mit den folgenden Schritten: Bestimmen einer ersten Permittivität und einer ersten Viskosität des Motoröls, wenn das Motoröl unverbraucht ist; Bestimmen einer zweiten Permittivität und einer zweiten Viskosität des Motoröls, während des Gebrauchs des Motoröls; und Bestimmen eines Rußanteils in dem Motoröl basierend auf einem Unterschied der ersten Permittivität zu der zweiten Permittivität und einem Unterschied der ersten Viskosität zu der zweiten Viskosität.
Analyseverfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Permittivität und die erste und zweite Viskosität bei jeweils mindestens zwei verschiedenen Temperaturen erfasst werden und der Rußanteil zusätzlich basierend auf einer Temperaturabhängigkeit der Permittivität und der Viskosität bestimmt wird.
Analyseverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Permittivität in Abhängigkeit eines Wassergehalts in dem Motoröl korrigiert wird.
Analyseverfahren nach Anspruch 3, wobei der Wassergehalt durch Aufheizen des Motoröls über eine Ausheiztemperatur reduziert wird und der Wassergehalt als vernachlässigbar angenommen wird, wenn die Permittivität bei einer konstant gehaltenen Temperatur, die größer als die Ausheiztemperatur ist, unverändert bleibt.
Analyseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Viskosität in Abhängigkeit eines Kraftstoffgehalts in dem Motoröl korrigiert wird.
Analyseverfahren nach Anspruch 5, wobei der Kraftstoffgehalt durch ein Reinigungsverfahren des Motoröls reduziert wird.
Analyseverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine erste Kennlinie für die Viskosität des Motoröls in Abhängigkeit des Rußanteils und mindestens einer weiteren Verunreinigung aufgenommen wird und mindestens eine zweite Kennlinie für die Permittivität des Motoröls in Abhängigkeit des Rußanteils und mindestens einer weiteren Verunreinigung aufgenommen wird, und der Rußanteil basierend auf der ersten und zweiten Kennlinie bestimmt wird.
Analyseverfahren nach Anspruch 7, wobei ein Gehalt der weiteren Verunreinigung in dem Motoröl basierend auf der zweiten Permittivität, der zweiten Viskosität, der ersten Kennlinie und der zweiten Kennlinie bestimmt wird.
Analyseverfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die weitere Verunreinigung oxidiertes Motoröl und/oder saure Motorölanteile umfasst.
Analysevorrichtung zum Analysieren eines Motoröls, mit • einem Viskositätssensor (40) zum Erfassen einer ersten Viskosität des Motoröls, wenn das Motoröl unverbraucht ist und einer zweiten Viskosität des Motoröls, während des Gebrauchs des Motoröls, • einem Permittivitätssensor (41) zum Erfassen einer ersten Permittivität des Motoröls, wenn das Motoröl unverbraucht ist und einer zweiten Permittivität des Motoröls, während des Gebrauchs des Motoröls, und • einer Datenverarbeitungseinrichtung (42) zum Bestimmen eines Rußanteils in dem Motoröl basierend auf einer Änderung der ersten zur zweiten Viskosität und einem Unterschied der ersten zur zweiten Permittivität.