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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ölstandsüberwachung
eines verbrennungsmotorbetriebenen Blockheizkraftwerks.
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Blockheizkraftwerke
funktionieren nach dem Prinzip der Kraft-Wärme-Kopplung,
d. h. ein Gas-Verbrennungsmotor treibt einen Generator zur Stromerzeugung
an. Dieser wandelt die mechanische Energie des Motors in elektrische
Energie um. Die dabei entstehende Abwärme wird über
einen Plattenwärmetauscher zur Heizung und Warmwasserbereitung
weitergeleitet. Über die stufenlose Anpassung der Motordrehzahl
arbeitet das Gerät immer bedarfsgerecht, ermöglicht
längere Betriebszeiten und eine hohe Stromproduktion. Um
eventuelle Folgeschäden am Motor aufgrund eines zu geringen Ölstandes
zu vermeiden, ist eine Überwachung des aktuellen Ölstands
erforderlich. Nach dem bekannten Stand der Technik erfolgt eine
solche Ölstandsüberwachung mittels Ölniveauschalter,
die über Alarmkontakte einen minimalen Ölstand
signalisieren.
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Nachteilig
an diese Überwachung ist die Benutzung mechanischer Teile,
die ausfallen und somit höheren Kosten verursachen können.
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Die
JP 53112619 A offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ölstandsmessung
mit einem Temperaturfühler auf der Höhe des Minimalstandes.
Sinkt der Ölstand unter die zulässige Minimalhöhe,
so ändert sich der Widerstand des Temperaturfühlers
schlagartig. Hierdurch kann während des Betriebs das Unterschreiten
des zulässigen Minimalstandes erkannt werden. Auch die
JP 6307912 A offenbart
ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ölstandsmessung
mit einem Temperaturfühler. Der Temperaturfühler
wird mit einem anderen Widerstand in Reihe mit einer Spannungsquelle
verbunden. Hierbei agiert der Temperaturfühler temperaturabhängig
und somit widerstandsabhängig als Heizer. Die Temperatur
des Fühlers ändert sich in Luft unterschiedlich
zum Verhalten in Öl. Erreicht der Fühler eine
hohe Absoluttemperatur, so muss der Fühler oberhalb des Ölspiegels
sein. Diese Verfahren setzten somit das Über- oder Unterschreiten
eines bestimmten Absolutwertes voraus.
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Die
Druckschrift
JP 60165518
A offenbart ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Ölstandsmessung mit einem Temperaturfühler.
Beim Start wird das Signal des Temperaturfühlers erfasst und
gespeichert. Nach einer bestimmten Zeit wird das Signal wieder erfasst.
Der Temperaturfühler befindet sich stets im Öl,
d. h. auf jeden Fall unterhalb der Minimumlinie. Es wird ein Integral
des Signalwertes über einer vorgegebenen Zeit erstellt.
In dem Fall, in dem dieses Integral dem Wert für den Minimalstand
entspricht, wird ein Signal an eine Schaltung gesandt. Das Verfahren
weißt den Nachteil auf, dass die Wärmekapazität
cp des Öls – und somit auch das Aufheizverhalten – stark
von der Zusammensetzung des Öls und dem Abrieb im Öl
abhängig ist. So unterscheidet sich frisches Öl
wesentlich von altem, verbrauchtem Öl.
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Gemäß
JP 53112619 A und
JP 6307912 A wird
der Temperaturfühler stets als Heizer betrieben. Durch
die unterschiedliche Kühlwirkung von Öl beziehungsweise
eines Öl-Gas-Gemischs stellt sich am Fühler eine
bestimmte Temperatur ein, die größer als die Temperatur
des Öls oder des Öl-Gas-Gemischs ist.
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Die
JP 58191927 A beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ölstandsmessung
mit zwei Temperaturfühlern, von denen sich ein Fühler
bei korrektem Ölstand im Öl befindet, während
der andere Fühler oberhalb der Mindestfüllhöhe
angeordnet ist. Messen beide Fühler die gleiche Temperatur,
so ist dies ein Zeichen dafür, dass beide Fühler
sich oberhalb des Öls befinden und somit die Mindestfüllhöhe unterschritten
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
bei dem eine zuverlässige Überwachung des Ölstandes
ohne bewegliche Teile mit einfachen kosten- und platzsparenden Mitteln
gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird
dies gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 mit einem
Verfahren zur Ölstandsüberwachung eines verbrennungsmotorbetrieben
Blockheizkraftwerks mit einem Temperaturfühler, welcher
auf der Höhe des Mindestfüllstandes in der Ölwanne
angebracht ist, erreicht, bei dem nach dem Start oder dem Abschalten
des Verbrennungsmotors der Wert ΔT/Δt anhand der
am Temperaturfühler gemessenen Temperaturen während
eines Zeitraums bestimmt wird und in dem Fall, dass der Betrag des
Wertes ΔT/Δt einen bestimmten Grenzwert (ΔT/Δt)Grenz überschreitet, ein Signal
für das Vorhandensein eines niedrigen Füllstandes
ausgegeben wird.
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Hierbei
wird der Effekt ausgenutzt, dass sich Öl in der Ölwanne
eines Verbrennungsmotors langsamer erwärmt beziehungsweise
abkühlt als das Gas oder der Ölschaum oberhalb
des Öls. Dies ist an die entsprechende spezifische Wärmekapazität
erkennbar, die ein Maß für die zur Erwärmung
1 kg eines Stoffes um 1 K erforderliche Wärmemenge ist. Die
spezifische Wärmekapazität liegt bei einem Gasluftgemisch
unter 1 kJ/kg K und bei der Ölflüssigkeit deutlich
darüber, z. B. beim Heizöl bzw. Maschinenöl beträgt
diese knapp 2 kJ/kgK.
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Weiterhin
betrifft Anspruch 4 ein Verfahren zur Ölstandsüberwachung
eines verbrennungsmotorbetrieben Blockheizkraftwerks mit einem Temperaturfühler,
welcher auf der Höhe des Mindestfüllstandes in
der Ölwanne angebracht ist, bei dem zusätzlich
ein zweiter Temperaturfühler im oberen Bereich der Ölwanne
oberhalb des Ölspiegels angeordnet ist, dessen Temperatur
mit der Temperatur des anderen Temperaturfühlers verglichen
wird und in dem Fall, dass die Differenz der beiden gemessenen Temperaturen
einen gewissen Betrag unterschreitet und gleichzeitig der Wert ΔT/Δt
beider Temperaturfühler einen vorgegebenen Grenzwert (ΔT/Δt)Grenz1 überschreiten, ein Signal
für das Vorhandensein eines niedrigen Füllstandes
ausgegeben wird.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Merkmalen der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei
zeigen
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1 den
Verlauf der Aufheizgeschwindigkeit einer Ölflüssigkeit
und eines Gases oder Gas-Öl-Gemisches in der Ölwanne
eines Verbrennungsmotors,
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2 den
Verlauf der Abkühlgeschwindigkeit einer Ölflüssigkeit
und eines Gases oder Gas-Öl-Gemisches in der Ölwanne
eines Verbrennungsmotors,
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3 ein
schematisch dargestelltes Blockheizkraftwerk nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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4 ein
schematisch dargestelltes Blockheizkraftwerk nach einem zweiten
Ausführungsbeispiel,
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5 und 6 die
Anbringung des Temperatursensors in der Ölwanne des Verbrennungsmotors
nach dem ersten Ausführungsbeispiel und
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7 und 8 die
Anbringung der Temperatursensoren in der Ölwanne des Verbrennungsmotors
nach dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Die
Erfindung wird nun anhand der Figuren und der Ausführungsbeispiele
detailliert erläutert.
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In 3 ist
ein Blockheizkraftwerk (1) schematisch dargestellt, bei
dem ein Motor (6) mit einem Zylinderkopf (5),
eine Ölwanne (3) zur Bevorratung einer Mindestölmenge,
ein Abgaswärmetauscher (10) und ein Abgasschalldämpfer
(11) in einem Gehäuse (2) angeordnet
sind. In der Ölwanne (3) des Blockheizkraftwerks
(1) wird im unteren Drittel ein Temperatursensor (4),
vorzugsweise ein Standardfühler NTC, in eine vorgesehene
Tauchhülse eingebaut. Somit kann die Kerntemperatur der
in der Wanne (3) befindlichen Ölflüssigkeit
gemessen werden. Beim Sinken des Ölstands unterhalb des
Temperatursensors (4), wird eine veränderte Temperatur
eines Ölschaums bzw. eines Luft-Abgas-Gemisches gemessen,
da der Temperatursensor (4) nicht mehr in der Flüssigkeit
liegt.
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Die 1 und 2 zeigen
den Verlauf der Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit einer Ölflüssigkeit
und eines Gases oder Gas-Öl-Gemisches in einer Start- bzw.
Abschaltphase des Blockheizkraftwerkes. Das Gas enthält
Luft und Abgase des Verbrennungsmotors. Aufgrund der unterschiedlichen physikalischen
Eigenschaften erwärmt sich die Ölflüssigkeit
in der Wanne während der Startphase langsamer als das Gas
oberhalb der Ölflüssigkeit. Nach dem Ausschalten
des Motors kühlt sich die Ölflüssigkeit
in der Wanne ebenfalls langsamer als das Gas oder Gas-Öl-Gemisch
ab.
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Wie
in 1 und 2 dargestellt, wird das Verfahren
erst nach einer bestimmten Betriebsdauer nach dem Start (zum Beispiel
zum Zeitpunkt t0) oder einer bestimmten
Zeit nach dem Ausschalten begonnen, um zu verhindern, dass die Messung
durch den Startprozess (z. B. andere Öltemperatur im Ölfilter und
-kreislauf) verfälscht wird. Aus diesen Gründen wird
das Verfahren auch spätestens nach einer weiteren vorbestimmten
Zeit (z. B. zum Zeitpunkt t2) beendet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt
das Abkühl- bzw. Aufheizverhalten der beiden Medien und
ermöglicht damit eine zuverlässige Überwachung
des Ölstands mit einfachen Mitteln.
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Steigt
die Temperatur des Temperatursensors (4) in der Ölwanne
(3) langsam, so ist dies ein Indiz dafür, dass
sich der Temperatursensor (4) innerhalb der Ölflüssigkeit
befindet. Steigt die Temperatur des Temperatursensors (4)
in der Ölwanne (3) dagegen schnell, so ist dies
ein Indiz dafür, dass sich der Temperatursensor (4)
oberhalb der Ölflüssigkeit befindet. Ein bestimmter
Temperaturgradient dient hierbei als Unterscheidungskriterium. In 5 und 6 sind
beide Fälle dargestellt: bei ausreichendem Ölstand
befindet sich der Temperatursensor (4) in der Ölflüssigkeit
(13) bzw. bei niedrigem Ölstand – in
der Gaszone (12) oberhalb der Ölflüssigkeit
in der Wanne (3).
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Bei
geringer Motordrehzahl beziehungsweise kleiner Motorleistung fällt
weniger Wärme an als bei hohen Drehzahlen und Motorleistungen.
Deshalb erwärmt sich das Öl bei hoher Last schneller
als bei kleiner Last. Dementsprechend kann optional der Grenztemperaturgradient
drehzahl- beziehungsweise lastabhängig festgelegt werden.
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Befindet
sich der Motor bereits beim Motorstart auf Betriebstemperatur, so
kann kein entsprechender Temperaturgradient gemessen werden.
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Optional
wird daher vor jedem Start des Blockheizkraftwerks eine Kontrolluntersuchung durchgeführt,
bei der die Temperatur (Tzk) des Zylinderkopfs (5) des
Motors (6) gemessen wird. Unterschreitet die gemessene
Zylinderkopftemperatur einen vorgegebenen Temperaturwert (z. B.
25°C) wird eine Ölstandsüberwachung während
der Startphase (Warmlaufphase) des Blockheizkraftwerks durchgeführt.
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Zusätzlich
zur Messung der Zylinderkopftemperatur kann als Kontrolle – ob
die Temperatur im ganzen Innenraum gleichmäßig
verteilt ist – auch die Ölwannentemperatur gemessen
werden.
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Eine
Kontrolluntersuchung vor dem Start ist erforderlich um feststellen
zu können, ob ein „Warmstart" oder ein „Kaltstart"
des Blockheizkraftwerks vorliegt. Wenn die Zylinderkopftemperatur
und die Ölwannentemperatur vor dem Start einen vorgegebenen
Temperaturwert überschreiten, handelt es sich um einen „Warmstart".
Dann kann zur Untersuchung des Ölstandes nur das Abkühlverhalten
(bei dem nächsten Ausschalten des Motors) herangezogen werden.
Unterschreiten aber die Zylinderkopftemperatur und die Ölwannentemperatur
vor dem Start einen vorgegebenen Temperaturwert, handelt es sich um
einen „Kaltstart". Dann kann zur Untersuchung des Ölstandes
zusätzlich zum Abkühlverhalten auch das Aufheizverhalten
herangezogen werden.
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Die
Unterschreitung einer definierten Zylinderkopftemperatur ist erforderlich,
da die Zylinderkopftemperatur ein Maß für ein
intern voraufgeheiztes Blockheizkraftwerksystems ist. Wenn z. B.
die Zylinderkopftemperatur relativ hoch ist, dann sind auch die
Innenraumtemperatur und die Ölwannentemperatur insgesamt
relativ hoch.
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Als
nächster Schritt werden Innerhalb der Warmlaufphase die
Temperaturen der Ölflüssigkeit T0 und
T1 für bestimmte Zeitpunkte t0 und t1 gemessen
und das Verhältnis ΔT/Δt = (T1 – T0)/(t1 – t0)
wird gebildet.
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Der
Wert ΔT/Δt wird in der Regelung (7) für eine
spätere Auswertung im Ruhezustand des Blockheizkraftwerkes
gespeichert. Dabei wird der Wert ΔT/Δt mit einem
Grenzwert (ΔT/Δt)Grenz einer
definierten (hinterlegten) Aufheizgeschwindigkeit für ein Ölstand
verglichen. Der hinterlegte Grenzwert (ΔT/Δt)Grenz ist dabei drehzahlabhängig.
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Befindet
sich der Wert ΔT/Δt in einem Bereich mit einer
relativ hohen Aufheizgeschwindigkeit (z. B. 2 K/min.) ist dies ein
Hinweis für einen zu geringen Ölstand, d. h. der
Temperaturfühler befindet sich außerhalb der Ölflüssigkeit
in dem sich schneller aufwärmenden Luftbereich. Befindet
sich der Wert ΔT/Δt in einem Bereich mit einer
relativ niedrigen Aufheizgeschwindigkeit (z. B. 0,6 K/min) ist dies
ein Merkmal für einen ausreichenden Ölstand in
der Ölwanne.
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In
der Abschaltphase des Blockheizkraftwerks werden nach einer definierten
Zeit (z. B. 10 min.) erneut die Temperaturen der Ölflüssigkeit
für einen bestimmten Zeitraum gemessen und das Verhältnis ΔT/Δt
gebildet. In diesem Fall wird das Abkühlverhalten der Ölflüssigkeit
und des Luft/Abgasgemisches untersucht. Befindet sich der Wert ΔT/Δt innerhalb
der Messzeit in einem Bereich mit einer relativ hohen Abkühlgeschwindigkeit
(z. B. 2 K/min.) ist dies ein Indiz für einen zu geringen Ölstand.
Befindet sich die Temperatur innerhalb der Messzeit in einem Bereich
mit einer relativ niedrigen Abkühlgeschwindigkeit (z. B.
0,6 K/min.) ist dies ein Hinweis für einen ausreichenden Ölstand
in der Ölwanne 3.
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Der
Wert ΔT/Δt wird in der Regelung (7) für eine
spätere Auswertung im Ruhezustand des Blockheizkraftwerks
hinterlegt.
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Die
spätere Auswertung der in dem Regler (7) gespeicherten
Werte aus der Start- und Abschaltphase findet am Ende der Abschaltphase,
im Ruhezustand des Blockheizkraftwerkes statt. Der Regler (7)
ist für die Ansteuerung der Heizkreise und Pumpen der Heizungsanlage
vorgesehen. Der Regler (7) kann die Leistung des Blockheizkraftwerks über
eine Drehzahlvorgabe verändern. Er gibt die Startbedingungen,
Abschaltbedingungen und Betriebsanforderungen des Blockheizkraftwerks
vor.
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Trifft
sowohl das Abschaltverhalten als auch das Startverhalten auf einen Ölmangel
zu, ist eine Warnung für einen vorhandenen Ölmangel
zu melden.
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Trifft
aber nur jeweils immer ein Verhalten (Abschaltverhalten oder Starverhalten)
auf einen Ölmangel zu, so ist der Ölstand nicht
sicher festgestellt Um Schädigungen zu vermeiden, wird
im Wiederholungsfall eine Warnung für Ölmangel
generiert und direkt an einem Display (8) der Anlage ausgegeben. Diese
Warnmeldung kann auch über Fernüberwachung an
das zuständige Fachpersonal weitergeleitet werden.
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Im
zweiten Ausführungsbeispiel ist in 7 und 8 ein
weiterer Temperatursensor (9), angeordnet im oberen Bereich
der Ölwanne (3) oberhalb des Ölspiegels,
vorgesehen. Dies trägt zu einer zuverlässigen
Auswertung der Temperaturen in der oberen Gas-Luft-Zone und in der Ölflüssigkeit
bei. Die Auswertung der Temperatur findet im Fall einer Überschreitung,
bzw. Unterschreitung einer vorgegebenen Temperaturdifferenz sowohl
in der Warmlaufphase, im normalen Betrieb, in der Überhitzungsphase
und im Abschalt/-Abkühlvorgang statt.
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Eine
Auswertung des vorhandenen Ölstands findet wie im zuvor
genannten Ausführungsbeispiel im Ruhezustand des Blockheizkraftwerkes
statt. Hierbei wird das Abkühlverhalten der Ölflüssigkeit gegenüber
der Luft-Zone entsprechend des Verfahrens aus dem ersten Ausführungsbeispiel
ausgewertet. Zusätzlich wird in diesem Fall die Temperaturdifferenz
zwischen den Temperaturen beider Temperatursensoren überwacht.
In dem Fall, dass die Differenz der beiden gemessenen Temperaturen
einen gewissen Betrag unterschreitet und gleichzeitig der Wert ΔT/Δt
beider Temperaturfühler einen vorgegebenen Grenzwert (ΔT/Δt)Grenz 1 überschreiten,
wird ein Signal für das Vorhandensein eines niedrigen Füllstandes
ausgegeben.
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Bei
anhaltender Temperaturdifferenz (z. B. kleiner als 1–5
K), kann davon ausgegangen werden, dass beide Temperatursensoren
(4, 9) in der gleichen Temperaturzone liegen (Luft
oder Öl). Wenn die Temperaturdifferenz über die
Zeit zunehmend ist (z. B. größer als 1 bis 5 K),
kann von unterschiedlichen Temperaturzonen (Luft und Öl)
und somit von einem ausreichenden Ölstand ausgegangen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 53112619
A [0004, 0006]
- - JP 6307912 A [0004, 0006]
- - JP 60165518 A [0005]
- - JP 58191927 A [0007]