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Die
Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Erfassung eines Ölzustands
von Motorölen
im laufenden Betrieb eines Motors sowie ein dazugehöriges Verfahren.
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Technologischer Hintergrund
und Stand der Technik
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Moderne
Motoröle
für Verbrennungsmotoren sind
in der Regel Mineral- und Synthetikgrundöle mit einem Additivpaket.
Verbrennungsmotoren stellen hohe Ansprüche an das Motoröl. Das Motoröl ist nicht nur
Schmierstoff, sondern hat weitere wichtige motorische Aufgaben,
unter anderem Verschleißschutz der
sich gegeneinander bewegenden Motorteile, Korrosionsschutz der Motorteile
gegenüber
aggressiven Verbrennungsprodukten durch Bildung von Schutzschichten
auf der Metalloberfläche,
Abdichten des Brennraums zum Kurbelgehäuse, der Ansaug- und Abgaskanäle über die
Ventilführungen
zum Ventiltrieb, Kühlen
von vor allem Kolben und Kurbelwelle, Neutralisation von sauren
Verbrennungsprodukten durch chemische Umwandlung, Reinhaltung der
Motorenteile durch Ablösen
von Verbrennungsrückständen sowie
Dispergieren von festen Fremdstoffen, Staub, Abrieb und Verbrennungsprodukten
wie Ruß oder
Asche.
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Um
diese Aufgaben erfüllen
zu können,
werden vielerlei Anforderungen an das Motoröl gestellt, die durch funktionelle,
chemische und physikalische Eigenschaften in den Lastenheften charakterisiert sind.
Diese Eigenschaften umfassen insbesondere die Viskosität und das
Fließverhalten,
das oberflächenaktive
Verhalten und das Neutralisationsvermögen. Daneben sollte das Motorenöl ein neutrales
Verhalten gegenüber
Dichtungswerkstoffen, eine geringe Schaumneigung, eine lange Gebrauchsdauer, eine
gute Kraftstoffverträglichkeit
und eine hohe Umweltverträglichkeit
besitzen. Weiterhin gilt es, durch gezielte Wahl beziehungsweise
Modifikation des Motoröls
ein möglichst
langes Ölwechselintervall
sicherzustellen sowie den Öl-
und Kraftstoffverbrauch niedrig zu halten.
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In
der Anwendung haben sich Mehrbereichsöle und Synthetiköle durchgesetzt.
Mehrbereichsöle wurden
ab Ende der 1960er Jahre entwickelt. Diese Öle haben die Eigenschaft, dass
sie bei unterschiedlichen Temperaturen ihre Viskosität nicht
so stark ändern
wie Einbereichsöle.
Das ermöglicht
es, im Sommer und im Winter das gleiche Öl zu benutzen und erleichtert
das Starten des Motors bedeutend. Außerdem erfolgt bereits bei
kaltem Motor eine schnellere Schmierung des Motors, so dass sich
der durch Kaltstarts verursachte Verschleiß verringert. Synthetiköle lassen
sich für
sehr große
Viskositätsbereiche
herstellen, haben eine gute Kältefließfähigkeit,
neigen nicht zum Verkoken und sind sehr druck- und temperaturstabil.
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Das
Motoröl
besteht in der Regel aus einem Grundöl und Additiven, deren Zusatz
die weiter oben genannten Eigenschaften des Motoröls (mit)bestimmen
soll. Als Additive werden Motorölen
beispielsweise Verschleißminderer,
Reibungsminderer, Fressschutzadditive, Antioxidantien, Viskositätsindexverbesserer,
Schaumverhütungsadditive
und Biozide zugesetzt. Die Additive werden dem Grundöl mit einem
Gewichtsanteil von bis zu 30% beigemischt.
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Durch
mit zunehmender Betriebszeit nicht mehr inhibierte Oxidationsprozesse
setzen Polymerisations- und Kondensationsreaktionen von Radikalen
und auch mit dem Grundöl
ein, welche zu Reaktionsprodukten mit ansteigenden Molmassen und
damit auch ansteigenden Viskositäten
führen,
bis hin zum Gelieren des Motoröles.
Die Eindickung des Öles
durch Russpartikelkonzentrationen von bis zu 8 Gew.-% stellt einen
weiteren Faktor für
den Viskositätsanstieg
dar. Die Viskosität
beschreibt zwar nur eine Qualitätseigenschaft
des Motoröls,
ist jedoch wichtig für
die Einhaltung des korrekten Öldrucks.
Ein zu hoher Öldruck
kann Dichtungen beschädigen,
ein zu niedriger die Lager.
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Sobald
die Wirkung des Additivpaketes demnach nachlässt beziehungsweise die Induktionszeit für die Oxidation
erreicht wurde, steigt die Viskosität – je nach Grundöltyp und
chemischen Konzept des Additivpaktes – entweder kontinuierlich oder
relativ spontan an und in dieser Folge der Druckabfall, welcher
ein indirektes Maß für die Viskosität ist. So
beträgt
der Druckabfall eines mineralischen (SAE 15W-40) oder synthetischen
Motoröles
(SAE 5W-40; beide
Motoröle
mit einer HTHS-Viskosität
von 3,9 bis 44,1 mPas) im betriebswarmen Motor nach dem Ölfilter
25 bis 35 hPa, welcher nach dem Induktionspunkt auf über +> 150 hPa ansteigt.
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Bei
Personenkraftwagen ist für
den sicheren motorischen Betrieb unter anderem die Viskosität bei tiefen
Temperaturen von –20°C bis –40°C, je nach eingesetzter
Viskositätslage,
von Bedeutung, um die Ansaugfähigkeit
durch die Ölpumpe
zu gewährleisten.
Dabei sollten Viskositäten
von zum Beispiel 60.000 mPas für
das Motoröl
SAE J300 nicht überschritten
werden. Andererseits definieren die Motoröllastenhefte für Frischöle zulässige kinematische Viskositäten bei
40°C und
100°C sowie
dynamische Viskositäten
bei 150°C,
welche auch kinetisch verrechnet werden können. Je nach Motorenhersteller werden
verschiedene Anstiege dieser Ausgangsviskositäten, zum Beispiel von +50%
bis +200%, als zulässig
erachtet.
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Wartungsintervalle
für Motoröle basieren heute
auf einem Nutzungsalgorithmus, der die Ölqualität nicht berücksichtigt. Die Kenntnis um
den tatsächlichen Ölzustand
würde jedoch
helfen, aktuelle Wartungsintervalle abzusichern oder noch weiter
zu verlängern,
die Lebensdauer des Öls
optimal zu nutzen und durch Früherkennung
möglichen
Motorschäden
vorzubeugen.
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Die
Bestimmung von schmierstoffrelevanten, den Ölwechsel bestimmenden Eigenschaften
ist normalerweise eine Aufgabe für
Labore, welche die gezogenen Ölproben
zur Analyse und Bestimmung erhalten. Deren Umsetzung in eine für mobile
oder stationäre
Anwendung taugliche, motornahe oder motorinterne Messmethodik, welche
nicht, wie in Laboren üblich,
regelmäßig kalibriert
werden kann, kennzeichnet die messtechnische Schwierigkeit. Darüber hinaus
muss in der motorischen Umgebung mit Temperaturen von bis zu 150°C, in Einzelfällen von
bis zu 180°C
gerechnet werden. Demzufolge muss die Messmethodik in einem weiten
Temperaturbereich langfristig und robust funktionieren sowie auch
großserientauglich
darstellbar sein.
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Die
Literatur offenbart eine Reihe von Messprinzipien, unter anderem
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Im
Kern setzen all diese Messverfahren voraus, dass das korrekte Frischöl oder Nachfüllöl zur Messung
vorhanden ist, da das Messergebnis über zuvor im Flottenbetrieb
ermittelte Kalibrierkurven einer Viskosität beziehungsweise Ölalterung
zugeordnet wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einer Messanordnung und ein
Verfahren bereit zu stellen, das eine Erfassung des Ölzustands
von Motorölen
im laufenden Betrieb des Motors ermöglicht. Die Messanordnung und
das Verfahren soll sich insbesondere für den großtechnischen Einsatz eignen und
eine kostengünstige
Umsetzung ermöglichen. Weiterhin
soll insbesondere eine Eigenkalibrierung des Systems möglich sein,
so dass auch bei einem Wechsel der Ölsorte ohne zusätzlichen
Arbeitsaufwand der Ölzustand
im nachfolgenden Betrieb überwacht
werden kann.
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DE 35 19 026 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ölfilter- und Ölwechselzeitpunktes
einer Brennkraftmaschine mit je einem Öldruckgeber vor und nach dem Ölfilter,
mit einem Differenzverstärker
und Schwellwertschalter sowie mit zwei Fensterkomparatoren für bestimmte Öltemperatur- und
Motordrehzahlbereiche. Der Zeitpunkt des Öl- und Filterwechsels wird
durch das Erreichen einer bestimmten Druckdifferenz am Filter bei
vorgegebenen Betriebsbedingungen angezeigt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einer Messanordnung zur Erfassung eines Ölzustands
von Motorölen
im laufenden Betrieb eines Motors. Die erfindungsgemäße Messanordnung
umfasst:
- a) einen ersten Drucksensor, der in
einem Ölkanal oder
einer Ölgalerie
des Motors angeordnet ist und einen ersten Messwert für den Öldruck liefert;
- (b) zumindest einen zweiten Drucksensor, der abströmseitig
vom ersten Drucksensor in dem Ölkanal
oder der Ölgalerie
angeordnet ist und einen zweiten Messwert für den Öldruck liefert, wobei die beiden
Drucksensoren in einer Ölgalerie
oder einem Ölkanal
ohne Ölfilter
angeordnet sind;
- (c) einen Temperatursensor, der einen Messwert für die Öltemperatur
liefert;
- (d) ein Drehzahlsensor, der einen Messwert für die Drehzahl des Motors liefert;
und
- (e) eine Auswerte- und Steuereinheit, die ausgelegt ist, eine
Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Messwert für den Öldruck zu
ermitteln und durch Vergleich der ermittelten Druckdifferenz mit
einem vorgegebenen Referenzwert für die Druckdifferenz bei vergleichbarer Öltemperatur
und Drehzahl und/oder anhand eines Verlaufs der Druckdifferenz bei
vergleichbarer Öltemperatur
und Drehzahl über
die Zeit den Ölzustand
zu bewerten.
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In
Motoren gibt es verschiedene Ölkanäle und Ölgalerien
mit unterschiedlichen Durchmessern und Längen. Abgesehen von den geometrischen
Parametern hängt
der Druckabfall von der Viskosität des Öles bei
gegebener Öltemperatur
und Drehzahl ab.
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Zur
Messung des Druckabfalls in einem Ölkanal oder einer Ölgalerie
ohne Ölfilter
genügt
die Montage von mindestens zwei, an sich aus dem Stand der Technik
her bekannten Drucksensoren, zum Beispiel am Anfang und dem Ende
eines beliebigen Ölkanals
beziehungsweise einer beliebigen Ölgalerie.
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Eine
erste Messung erfolgt als Kalibriermessung bei der Erstbefüllung oder
nach dem Ölwechsel. Die
vom Steuergerät
erfassten nachfolgenden Werte können über der
Zeit aufgezeichnet werden. Die Werte werden gemäß den individuellen Ölwechselkriterien
bewertet und gegebenenfalls wird in einer Anzeige ein Ölwechselhinweis
gegeben. Dieser Hinweis kann über
eine Farbanzeige (zum Beispiel von grün über gelb, orange bis rot) oder
als geschätzte Rest-Kilometerleistung
oder in Rest-Betriebsstunden angezeigt werden. Anzumerken ist, dass
der Öldruck,
allerdings mit nur einem Sensor, als auch die Öltemperatur bereits in allen
Motoren gemessen werden oder werden können und demzufolge derartige Sensoren
großserientauglich
und anerkannt robust gegenüber
diversen Einflüssen
sind.
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Kontinuierlich
oder in beliebigen, individuell zu ermittelnden Zeit-/Nutzungsabständen erfolgt
nun die Messung des Druckabfalls während des Umpumpens des Motoröles, zum
Beispiel frühestens
5 Sekunden nach dem Starten des Motors und bei einer vorgegebenen
Motordrehzahl. Der von der Ölpumpe erzeugte Öldruck hängt neben
der Ausgangsviskosität
und der Öltemperatur
auch von der Motordrehzahl ab.
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Die
beiden Drucksensoren der erfindungsgemäßen Messanordnung liegen in
einer Ölgalerie
oder in einem Ölkanal
ohne Ölfilter,
da der Ölfilter
naturgemäß seinen
Strömungswiderstand
durch das Abfiltern von Verschleißpartikeln und/oder Verbrennungsrückständen verändert und
so ein falsches Bild für
die Ursache des Anstiegs des Strömungswiderstands abgeben
könnte.
Weiterhin muss berücksichtigt
werden, dass in Ersatzteilgeschäften
von Kunden verschiedenartige Filtermaterialien (Papier, Celluloseester,
Sintermetall) zum Einsatz kommen können, welche verschiedene Strömungswiderstände besitzen und
ohne weiteres nicht erkannt werden können.
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In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform
der Messanordnung ist vorgesehen, dass diese einen Sensor zur Erfassung
einer Säurezahl
(TAN) des Motoröls
umfasst, und die Auswerte- und Steuereinheit ausgelegt ist, bei
der Bewertung des Ölzustands
zusätzlich
die Säurezahl
zu berücksichtigen. Dieses
Vorgehen hat den Vorteil, dass zur Beurteilung des Zeitpunktes des Ölwechsels
mindestens zwei Messgrößen zur
Verfügung
stehen und damit die Genauigkeit des Verfahrens gesteigert wird
(vergleiche
DE 10 2005 012
454 ). Sensoren zur Erfassung der Säurezahl sind hinlänglich aus
Stand der Technik bekannt, so dass hier auf eine nähere Beschreibung
verzichtet wird.
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Ein
zweiter Aspekt der die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung
eines Ölzustands
von Motorölen
im laufenden Betrieb eines Motors. Das Verfahren nimmt Rückgriff
auf die zuvor ausgeführte Messanordnung
und umfasst die Schritte:
- (i) Ermittlung einer
Druckdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Messwert für den Öldruck in der
Auswerte- und Steuereinheit;
- (ii) Vergleich der ermittelten Druckdifferenz mit einem vorgegebenen
Referenzwert für
die Druckdifferenz bei vergleichbarer Öltemperatur und Drehzahl und/oder
Erfassung eines Verlaufs der Druckdifferenz bei vergleichbarer Öltemperatur und
Drehzahl über
die Zeit; und
- (iii) Bewertung des Ölzustands
anhand des Vergleichsergebnisses und/oder Verlaufs aus Schritt (ii).
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Mit
Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen
sich somit in einfacher und robuster Weise indirekte Aussagen über die
Viskosität
des Motoröls treffen,
die letztendlich Basis für
eine Beurteilung des Ölzustandes
bilden. Vorzugsweise wird bei dieser Beurteilung – wie bereits
oben ausgeführt – im Schritt (iii)
zusätzlich
die Säurezahl
berücksichtigt,
um die Aussagekraft der Messergebnisse weiter zu erhöhen.
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Beschreibung der Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den dazugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 den
Verlauf der Tieftemperaturviskosität über die motorische Laufleistung;
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2 das
Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Messanordnung.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt
den Verlauf der Tieftemperaturviskosität über die motorische Laufleistung
von Motorölen
der ILSAC-Leistungsniveaus GF3 und GF4 über die motorische Betriebszeit
und die Wirkung von zwei verschiedenen Viskositätsindexverbesserer. Der starke
Anstieg Viskosität
führt zu
einer messbaren Erhöhung
des Strömungswiderstandes
und des Druckabfalls sowie zur Notwendigkeit des Ölwechsels.
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Der
Verlauf des Viskositätsanstiegs über die Oxidationszeit
bei T = 170°C
von verschiedenen Motorölen
auf Basis von Kohlenwasserstoffen ist bekannt. Je nach Ölformulierung
erfolgt entweder ein kontinuierlicher Anstieg der Viskosität über die
Zeit, welcher irgendwann in einen starken Anstieg der Viskosität mündet, oder
es erfolgt eine oxidativ bedingte Verdünnung, welche ebenfalls in
einen steilen Anstieg übergeht.
Auch bei 40°C
ergibt sich ein Viskositätsanstieg
von 100% und mehr, wodurch eine messbare Druckdifferenz entsteht.
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2 ist
in schematisierter Art und Weise eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Messanordnung 10 zur
Erfassung eines Ölzustands
von Motorölen
im laufenden Betrieb eines Motors zu entnehmen. Der Motor enthält einen
hier abschnittsweise dargestellten Ölkanal 12, durch den
das Motoröl
im Betrieb in Pfeilrichtung gefördert
wird.
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Die
Messanordnung 10 beinhaltet ferner einen ersten Drucksensor 14 und
zweiten Drucksensor 16, die voneinander beabstandet im Ölkanal 12 angeordnet
sind und jeweils einen aktuellen Öldruck vor Ort erfassen. Weiterhin
umfasst die Messanordnung 10 einen Temperatursensor 18,
mit dem die aktuelle Öltemperatur
bestimmt wird. Schließlich
wird über
einen Drehzahlsensor 20 die aktuelle Drehzahl des Motors
erkannt.
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Die
von den Sensoren 14, 16, 18 und 20 erfassten
Messwerte werden als Eingangsgrößen an eine
Auswerte- und Steuereinheit 22 weitergeleitet. Die Auswerte-
und Steuereinheit 22 kann beispielsweise Teil eines gängigen Motorsteuergerätes sein, so
dass zusätzlicher
Bauraum und Materialkosten bei der Verwirklichung dieses Teils der
der Messanordnung 10 nicht erforderlich sind. Die Auswerte-
und Steuereinheit 22 beinhaltet eine (hier nicht näher dargestellte)
Speichereinheit, in der Referenzwerte für eine Druckdifferenz bei vorgegebener Öltemperatur und
Drehzahl hinterlegt sind. Diese Referenzwerte können zum Beispiel beim erstmaligen
Befüllen
des Motors mit dem Motoröl
mit Hilfe der Messanordnung 10 in eben gleicher Weise wie
nachfolgend für
den laufenden Betrieb beschrieben bestimmt werden.
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Zunächst wird
in der Auswerte- und Steuereinheit 22 geprüft, ob ein
Referenzwert vorliegt, der bei vergleichbarer Öltemperatur und Drehzahl bestimmt
wurde. So kann beispielsweise in Kraftfahrzeugen eine im Sinne der
Erfindung vergleichbare Öltemperatur
vorliegen, wenn die Ist-Temperatur in einem Temperaturintervall
von +/–3°C der Öltemperatur
bei Messung des Referenzwertes liegt. Weiterhin kann eine vergleichbare
Drehzahl beispielsweise dann vorliegen, wenn die Drehzahl bei Bestimmung des
Referenzwertes um nicht mehr als 1% von der aktuellen Drehzahl abweicht.
Die genannten Toleranzen sind natürlich nur exemplarisch zu verstehen
und sind individuell in Abhängigkeit
von Motortyp und gegebenenfalls eingesetztem Motoröl vorzugeben.
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Liegen
vergleichbare Öltemperaturen
und Drehzahlen vor, so wird ein Druckabfall im Ölkanal 12 anhand der
Differenz der von den Drucksensoren 14 und 16 erfassten
Messwerte für
den Öldruck
bestimmt. Die ermittelte Druckdifferenz wird anschließend mit
dem Referenzwert für
die Druckdifferenz verglichen. Der Vergleich kann beispielsweise
derart erfolgen, dass zunächst
eine prozentuale oder absolute Abweichung der beiden Werte bestimmt
wird und anschließend
geprüft
wird, ob die Abweichung einen vorgebbaren Grenzwert übersteigt.
Ist dies der Fall, so kann der Ölzustand
als kritisch bewertet werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Bewertung des Ölzustands,
die sich auch mit der zuvor beschriebenen Möglichkeit der Bewertung des Ölzustands
kombinieren lässt,
sieht vor, dass Werte für
die ermittelte Druckdifferenz, die bei vergleichbarer Öltemperatur und
Drehzahl erfasst wurden, kontinuierlich oder in vorgegebenen Zeitabständen aufgezeichnet
werden. Anhand des Verlaufs der Druckdifferenz über die Zeit kann nun eine
Aussage über
den Ölzustand
getroffen werden: In der Regel erfolgt ein Viskositätsanstieg von
Motorölen über die
Betriebsdauer nicht linear; vielmehr ist ein rapider Anstieg zu
verzeichnen, wenn beispielsweise Additive zur Viskositätsindexverbesserung
im Laufe des Betriebes abgebaut werden. Der starke Anstieg der Viskosität führt dann
zu einer messbaren Erhöhung
des Strömungswiderstandes und
des Druckabfalls und indiziert somit die Notwendigkeit eines Ölwechsels.
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Das
Ergebnis der in der Auswerte- und Steuereinheit 22 durchgeführten Bewertung
des Ölzustandes
wird einer Ausgabeeinheit 24 zugeführt. Die Ausgabeeinheit 24 kann
beispielsweise derart gestaltet sein, dass anhand der bereitgestellten
Daten eine Restbetriebsdauer ermittelt wird oder, im Akutfall, ein
Warnhinweis ausgegeben wird, der den Benutzer des Motors auf den
ungenügenden Ölzustand hinweist.