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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Viskositätsmessung,
insbesondere zur Bestimmung der Viskosität von Motoröl
in einem Verbrennungsmotor.
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Eine
Viskositätsmessvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 199 11 441 A1 bekannt.
Diese Vorrichtung ist als Rotationsviskosimeter ausgebildet, welches
mit einem Messzylinder arbeitet, der im zu prüfenden fließfähigen
Medium rotiert. Die Vorrichtung nach der
DE 199 11 441 A1 ist zur
Verwendung im Labor bestimmt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Viskositätsmessung anzugeben, womit auf besonders rationelle Weise
die Viskosität eines Mediums, insbesondere Schmiermittels,
innerhalb einer Maschine oder Anlage überwachbar ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine zur Viskositätsmessung geeignete Vorrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren
erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch
für die Vorrichtung und umgekehrt.
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Die
Viskositätsmessvorrichtung umfasst zwei Systemkomponenten,
nämlich eine zur Förderung eines viskosen Mediums
vorgesehene Pumpe und eine zum Antrieb der Pumpe vorgesehene Antriebsvorrichtung,
wobei die beiden Systemkomponenten zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sein
können. Aus mindestens einem Betriebsparameter wenigstens
einer Systemkomponente ermittelt eine Auswerteeinheit die Viskosität
des Mediums, welches mittels der Pumpe vorzugsweise in einem geschlossenen
Kreislauf umgepumpt wird.
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Eine
bevorzugte Anwendung ist die Messung der Viskosität von Öl
in einem Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Die Viskositätsmessvorrichtung ist jedoch beispielsweise auch
zur Bestimmung der Viskosität von Kraftstoffen geeignet.
Aus der ermittelten Viskosität des Kraftstoffs können
hierbei Rückschlüsse auf die Kraftstoffqualität
gezogen werden.
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Nach
einer ersten Ausführungsform ist die das viskose Medium
fördernde Pumpe mittels eines Elektromotors, das heißt
mechanisch unabhängig von der Maschine, die das viskose
Medium als Betriebsstoff enthält, angetrieben. Die Förderleistung der
Pumpe ist damit vom Betriebszustand der Maschine entkoppelt. Im
Fall eines Verbrennungsmotors, insbesondere Otto- oder Dieselmotors,
als mit dem viskosen Medium zu versorgende Maschine bedeutet dies,
dass ohne Verwendung von Überlast- oder Bypassventilen
auf einfache Weise der Öldruck auf einen gewünschten
Wert regelbar ist, wobei die Pumpleistung nicht von der Drehzahl
des Verbrennungsmotors beeinflusst wird.
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Als
Betriebsparameter, aus denen auf die Viskosität des Mediums,
in bevorzugter Anwendung des Schmieröls des Motors, geschlossen
wird, werden bei elektrischem Antrieb der Pumpe vorzugsweise ausschließlich
elektrische Parameter herangezogen. Hierbei wird von einer bekannten
Korrelation zwischen der mechanischen Leistungsabgabe und der elektrischen
Leistungsaufnahme der Pumpe ausgegangen. Anhand ebenfalls bekannter
Zusammenhänge zwischen dem Druck des Mediums in der Maschine,
das heißt dem Öldruck im Fall einer Brennkraftmaschine,
und der zur Aufrechterhaltung dieses Drucks erforderlichen Pumpleistung
wird damit automatisch auf die Viskosität des Mediums geschlossen.
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Zum
elektrischen Antrieb der Pumpe ist beispielsweise ein mechanisch
kommutierter oder ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor
geeignet. Die letztgenannte Motorenbauart zeichnet sich aufgrund
des Fehlens von Schleifkontakten insbesondere durch eine besonders
hohe Lebensdauer aus.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform wird die zur Förderung
des viskosen Mediums vorgesehene Pumpe direkt oder indirekt, in
jedem Fall über eine mechanische Kopplung, mittels einer
rotierenden Welle der mit dem viskosen Medium zu versorgenden Maschine
angetrieben. Bei der Welle handelt es sich beispielsweise um die
Nockenwelle oder Kurbelwelle eines Hubkolbenmotors. Der Antrieb
der Pumpe ist hierbei als Teil eines auch dem Antrieb weiterer Komponenten,
etwa einer Wasserpumpe, dienenden Nebenaggregateantriebs des Hubkolbenmotors
realisierbar. Die auf die mechanisch, das heißt ohne eigenen
Antriebsmotor, angetriebene Ölpumpe übertragene
Antriebsleistung wird vorzugsweise unter Nutzung einer Drehmomentmesseinrichtung,
die beispielsweise in eine Antriebswelle der Ölpumpe integriert
ist, automatisch ermittelt. Die Drehzahl der Antriebswelle der Ölpumpe
braucht dagegen, vorausgesetzt, es liegt ein festes Übersetzungsverhältnis
zur Kurbelwelle des Verbrennungsmotors vor, nicht gesondert ermittelt
zu werden. Die der Ölpumpe zugeführte mechanische
Leistung ist als Produkt aus der Winkelgeschwindigkeit und dem Drehmoment
der Antriebswelle der Ölpumpe berechenbar. Analog dem ersten
Ausführungsbeispiel ist hieraus unter Berücksichtigung
maschinenspezifischer Parameter des Verbrennungsmotors automatisch
die Viskosität des Öls herleitbar.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Viskositätsmessvorrichtung
datentechnisch mit einem zur Bestimmung der Temperatur des viskosen Mediums
vorgesehenen Temperatursensor gekoppelt. Damit kann die Temperaturabhängigkeit
der Viskosität des geförderten Mediums, insbesondere Schmieröls,
automatisch in die Auswertung der ermittelten, insbesondere elektrischen,
Messgrößen einbezogen werden. Zusätzlich
ist die Auswerteeinheit der Viskositätsmessvorrichtung
optional mit weiteren Sensoren, beispielsweise zur Bestimmung des Kraftstoffgehalts,
des Rußgehalts und/oder des pH-Werts des ge förderten
viskosen Mediums verknüpft. Insgesamt ist durch die Viskositätsmessvorrichtung
in jedem Fall ein effektives Mittel gegeben, mit dem die Qualität
des viskosen Mediums detektiert, vorzugsweise permanent überwacht,
werden kann, um einen beanspruchungsgerechten Austausch des als
Betriebsmittel einer Maschine verwendeten Mediums planen zu können.
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Der
Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, das zur Bestimmung
der Viskosität eines in einer Maschine vorhandenen Mediums
eine zur Förderung des Mediums ohnehin, das heißt
unabhängig von der Viskositätsmessung, notwendige
Pumpe verwendet wird, die eine Komponente der Maschine ist. Im Vergleich
zu einer herkömmlichen Maschine, insbesondere einem Verbrennungsmotor,
ohne Mittel zur Viskositätsmessung ist die erfindungsgemäße Viskositätsmessvorrichtung
mit minimalem Hardwareaufwand realisierbar.
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Nachfolgend
werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer
Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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1 in
einer symbolisierten Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Viskositätsmessung, und
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2 in
einer Darstellung analog 1 ein zweites Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Viskositätsmessung.
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Einander
entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in beiden Figuren mit
den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
grob schematisiert, teilweise in der Art eines Fließbildes,
eine Messvorrichtung 1 veranschaulicht, welche zur Bestimmung
der Viskosität des Schmieröls eines Verbrennungsmotors 2,
beispielsweise eines Dieselmotors oder eines Ottomotors in einem
Kraftfahrzeug, ausgebildet ist.
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Bei
einer Abtriebswelle 3 des Verbrennungsmotors 2 handelt
es sich um dessen Kurbelwelle oder eine von der Kurbelwelle unmittelbar
oder mittelbar, unter Zwischenschaltung eines Getriebes, angetriebene
Welle. Insbesondere ist in diesem Sinne auch eine Nockenwelle des
Verbrennungsmotors 2 als Abtriebswelle 3 zu verstehen.
Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist die
Abtriebswelle 3 mit der Viskositätsmessvorrichtung 1 mechanisch
nicht gekoppelt.
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Wesentliche
Systemkomponenten der Viskositätsmessvorrichtung 1 sind
eine Pumpe 4 und ein zu deren Antrieb vorgesehener Elektromotor 5 als Antriebsvorrichtung.
Die Pumpe 4 dient der Förderung des Schmieröls
des Verbrennungsmotors 2. Ölleitungen 6 bilden
ebenfalls Teile des Schmiermittelkreislaufs.
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Der
Elektromotor 5 ist beispielsweise als bürstenloser,
permanentmagneterregter Gleichstrommotor ausgebildet und wird drehzahlgeregelt derart
betrieben, dass der Öldruck unabhängig von der
Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 zumindest annähernd
konstant bleibt. Mit dem Elektromotor 5 ist datentechnisch,
wie in 1 durch eine punktierte Linie angedeutet, eine
Auswerteeinheit 7 verbunden, welche im Ausführungsbeispiel
nach 1 als kombinierte Auswerte- und Ansteuereinheit
ausgebildet ist. Die Auswerteeinheit 7 ermöglicht
zum einen den drehzahlgeregelten Betrieb des Elektromotors 5 und dient
zum anderen der automatischen Ermittlung der Viskosität
des mit Hilfe der Pumpe 4 umgepumpten Schmieröls.
In die automatische Viskositätsermittlung geht die vom
Elektromotor 5 aufgenommene Leistung ein, welche mit der
Viskosität des Schmieröls korreliert ist. Da sich
die Viskosität des Öls im Laufe dessen Nutzungsdauer ändert,
kann aus der Viskositätsmessung insbesondere auf die maximal mögliche
Restnutzungsdauer des Schmieröls geschlossen werden.
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Um
den Einfluss der Temperatur des Schmieröls auf dessen Viskosität
im Rahmen der mit der Messvorrichtung 1 vorgenommenen Prüfung
und Auswertung berücksichtigen zu können, ist
ein Temperatursensor 8, welcher im Verbrennungsmotor 2, beispielsweise
in dessen Ölwanne, angeordnet ist, mit der Auswerteeinheit 7 verknüpft.
Darüber hinaus ist es möglich, weitere, nicht
dargestellte Sensoren, die Informationen über die Qualität
des Öls liefern, insbesondere über von der Nutzungsart
und -dauer des Verbrennungsmotors 2 beeinflusste Parameter, an
die Auswerteeinheit anzuschließen.
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Das
Ausführungsbeispiel nach 2 unterscheidet
sich vom Ausführungsbeispiel nach 1 sowohl
hinsichtlich des Antriebs des Elektromotors 5 als auch
hinsichtlich der Ermittlung der zum Fördern des Schmieröls
aufgebrachten mechanischen Leistung:
Der Antrieb der Pumpe 4 erfolgt
im Ausführungsbeispiel nach 2 über
ein Getriebe 9, welches im vorliegenden Fall eine auf der
Abtriebswelle 3 angeordnete erste Riemenscheibe 10,
eine mit einer Antriebswelle 11 der Pumpe 4 verbundene
zweite Riemenscheibe 12, sowie einen gestrichelt angedeuteten
Antriebsriemen 13 umfasst. Alternativ ist es beispielsweise
auch möglich, die Pumpe 4 direkt mittels der Abtriebswelle 3 anzutreiben.
In jedem Fall existiert ein festes Übersetzungsverhältnis
zwischen der Drehzahl der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 2 und
der Drehzahl der Antriebswelle 11 der Pumpe 4. Entsprechend
ist die von der Pumpe 4 bereitgestellte Förderleistung,
soweit sich keine sonstigen Randbedingungen ändern, von
der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 abhängig.
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Um
den durch die Ölleitungen 6 fließenden Volumenstrom
zumindest annähernd konstant zu halten, ist im Ausführungsbeispiel
nach 2 ein Regelventil 14 vorgesehen, welches
in der vereinfachten Darstellung direkt in dem einzigen Schmiermittelkreislauf
angeordnet ist. Tatsächlich handelt es sich bei dem so
genannten Regelventil 14 beispielsweise um ein Bypassventil,
das es ermöglicht, einen Teilstrom des von der Pumpe 4 geförderten Öls
unmittelbar in die Ölwanne des Verbrennungsmotors 2 zurück
zu leiten.
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Im
Kraftfluss zwischen der Abtriebswelle 3 des Verbrennungsmotors 2 und
der Antriebswelle 11 der Pumpe 4 wird ein übertragenes
Drehmoment gemessen, wobei der Messwert oder eine diesen repräsentierende
physikalische Größe durch die Auswerteeinheit 7 aufgenommen
wird. Des Weiteren wird direkt oder indirekt die Drehzahl der Antriebswelle 11 gemessen.
Zwischen dem zum Antrieb der Pumpe 4 bei einer bestimmten
Drehzahl benötigten Drehmoment und der Viskosität
des Schmieröls existiert ein eindeutiger Zusammenhang,
so dass ähnlich wie im Ausführungsbeispiel nach 1 automatisch
auf die Viskosität des Öls geschlossen werden
kann.
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Im
Fall einer nicht ausreichenden Ölversorgung ist es denkbar,
dass die Pumpe 4 nicht oder nicht ausreichend mit Schmieröl
gefüllt ist. In einem solchen Fall wäre das zur
Rotation der Antriebswelle 11 aufzuwendende Drehmoment
außergewöhnlich niedrig. Diese Abweichung vom
bestimmungsgemäßen Betrieb ist sowohl im Ausführungsbeispiel
nach 1 als auch im Ausführungsbeispiel nach 2 mit
hoher Zuverlässigkeit detektierbar. Die Viskositätsmessvorrichtung 1 eignet
sich somit auch dazu, eine Mangelversorgung des Verbrennungsmotors 2 mit
Schmiermittel automatisch festzustellen.
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- 1
- Messvorrichtung
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Abtriebswelle
- 4
- Pumpe
- 5
- Elektromotor
- 6
- Ölleitung
- 7
- Auswerteeinheit
- 8
- Temperatursensor
- 9
- Getriebe
- 10
- Riemenscheibe
- 11
- Antriebswelle
- 12
- Riemenscheibe
- 13
- Antriebsriemen
- 14
- Regelventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19911441
A1 [0002, 0002]