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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Bestimmung des Schmierölgehaltes in einem Abgasgemisch
gemäß den Merkmalen der unabhängigen
Patentansprüche.
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Gemäß der
DE 10 2004 001 514
A1 ist eine Vorrichtung vorbekannt, bei welcher mittels
eines Massenspektrometers eine Bestimmung des Schmierölgehaltes
in einem Abgasgemisch während des Betriebes einer Verbrennungskraftmaschine
erfolgen kann. Dazu ist die Vorrichtung mit der Abgasleitung einer
Verbrennungskraftmaschine verbunden, so dass ein Abgasgemisch aus
der Abgasleitung entnommen und zu dem Massenspektrometer geführt
werden kann. Demzufolge ist das Massenspektrometer beim Betrieb
der jeweiligen Verbrennungskraftmaschine über das entnommene
Abgasgemisch wechselnden Druck- und Temperaturverhältnissen
ausgesetzt. Insbesondere bei Untersuchungen an abgasturboaufgeladenen
Verbrennungskraftmaschinen, hinsichtlich des Einflusses des Abgasturboladers
auf den Schmierölgehalt im Abgasgemisch, treten bei der
Entnahme des Abgases stromaufwärts des Abgasturboladers
aus der Abgasleitung erhebliche absolute Druck- und Temperaturwerte
sowie starke Schwankungen dieser Zustandsgrößen
auf, so dass ein Sättigungseffekt bei dem Massenspektrometer
auftreten und zu einer Verfälschung der Untersuchungsergebnisse führen
kann.
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Gemäß der
Veröffentlichung mit dem Titel „Lubrisense – neues
System zur Ölemissionsmessung am Motor" in dem
Landestechnologieanzeiger Mecklenburg-Vorpommern, LTA 4/2004, Seite
15, Herausgeber Innovationsagentur Mecklenburg-Vorpommern e. V.,
ist beschrieben, dass eine Kalibrierung des Messsystems mit einem
Schmiermittelverdampfer erfolgen kann, wobei unter Berücksichtigung
des Abgasmassenstroms der Schmiermittelverbrauch der Verbrennungskraftmaschine
absolut in g/h angegeben werden kann. Insbesondere wird diese Kalibrierung
jedoch nicht in Verbindung mit der zu untersuchenden Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise
nicht mittels des zu untersuchenden Abgasgemisches durchgeführt, sondern
mittels einer externen Vorrichtung. Das Massenspektrometer wird
also zunächst nicht mit der Abgasleitung gekoppelt. Es wird
vielmehr dem Massenspektrometer ein konstanter Volumenstrom an Umgebungsluft
von etwa 10 l/min zugeführt, der auf etwa 300°C
erhitzt wird. In diesen Luftstrom wird definiert ein Schmiermittel-Lösemittel-Gemisch
zur Bildung eines Kalibriergases eingespritzt, wobei die Konzentration
des Schmiermittels in diesem Schmiermittel-Lösemittel-Gemisch
bekannt ist, so dass in Verbindung mit dem konstanten Volumenstrom
an Umgebungsluft die Konzentration des Schmiermittels in dem heißen
Schmiermittel-Umgebungsluft-Gemisch beziehungsweise in dem Kalibriergas
bekannt ist. Das Schmiermittel-Umgebungsluft-Gemisch wird dem Massenspektrometer
zugeführt, das daraufhin ein Signal von bestimmter Größe
erzeugt. Anhand dieses Signals und der bekannten Konzentration des
Schmiermittels in dem Kalibriergas kann ein funktionaler Zusammenhang
ermittelt werden, auf dessen Grundlage, in Verbindung mit einer
fortlaufenden Entnahme eines Abgasgemisches aus der Abgasleitung
einer Verbrennungskraftmaschine und in Verbindung mit einem so ermittelten Signalverlauf,
auf eine Konzentration des Schmiermittels in dem Abgasgemisch geschlossen
werden kann, wobei es möglich ist, in Verbindung mit dem
Abgasmassenstrom einen Schmiermittelverbrauch oder einen Schmiermittelemissionswert
zu berechnen. Damit die Untersuchungen zur Bestimmung des Schmiermittelgehaltes
im Abgasgemisch einer Verbrennungskraftmaschine möglichst
genau sind, sind allgemein mehrere Kalibrierungen je Untersuchungsreihe
notwendig, so dass diese externe Kalibrierung zu einem großen
Aufwand führt. So muss die zu untersuchende Verbrennungskraftmaschine
ausgeschaltet und die Verbindungsleitung zwischen der Abgasleitung
und dem Massenspektrometer entfernt werden, was umständlich
und zeitaufwendig ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Bestimmung des Schmierölgehaltes in einem
Abgasgemisch bereitzustellen, welche die genannten Nachteile nicht
aufweisen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung
zur Bestimmung des Schmierölgehaltes in einem Abgasgemisch
gelöst, wobei von der Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine
eine Entnahmeleitung zur Entnahme eines Abgasgemisches aus der Abgasleitung
abzweigt, wobei stromabwärts des Abzweiges der Entnahmeleitung
von der Abgasleitung in der Entnahmeleitung ein Drosselventil ange ordnet
ist, wobei stromabwärts des Drosselventils in die Entnahmeleitung
eine Dosierleitung zur Zuleitung von schmiermittelhaltiger Kalibrierflüssigkeit
mündet, wobei stromabwärts der Einmündung
der Dosierleitung in die Entnahmeleitung von der Entnahmeleitung
eine Verbindungsleitung zu einem Massenspektrometer abzweigt, wobei in
der Entnahmeleitung ein Mittel zur Bestimmung des Durchsatzes durch
die Entnahmeleitung angeordnet ist. Erfindungsgemäß vorteilhaft
kann somit die schmiermittelhaltige Kalibrierflüssigkeit
unmittelbar in das zu untersuchende Abgasgemisch eingebracht werden,
so dass eine höhere Kalibriergenauigkeit gegenüber
Kalibrierungen gemäß dem Stand der Technik erzielt
werden kann, da die Kalibrierflüssigkeit, welche ebenfalls Schmiermittel
umfasst, und das im Abgasgemisch enthaltene und zu ermittelnde Schmiermittel
die gleichen Druck- und Temperaturbedingungen vorfindet. Zudem kann
sich durch die Anordnung des Drosselventils in der Entnahmeleitung
im Bereich der Verbindungsleitung zu dem Massenspektrometer kein
großer Druck aufbauen, so dass es zu keinem Sättigungseffekt
des Massenspektrometers kommen kann. So ergibt sich erfindungsgemäß der
Vorteil, dass auch unter schwierigen Untersuchungsbedingungen, die
wie beschrieben dann vorliegen können, wenn Untersuchungen
an abgasturboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen hinsichtlich des
Einflusses des Abgasturboladers auf den Schmierölgehalt
im Abgasgemisch durchgeführt werden, genaue Messungen möglich
sind. Mit anderen Worten wird der Umfang möglicher Untersuchungen
vergrößert. Ein weiterer Vorteil ist der geringere
Kalibrieraufwand. Während bei der bisherigen Kalibrierung
zumindest ein Umbau der Verbindungsleitung zu dem Massenspektrometer
notwendig ist, kann eine Kalibrierung mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine
durchgeführt werden, so dass sich der Zeitaufwand für
eine Kalibrierung um bis zu 70 Prozent verringert.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Figuren sowie der zugehörigen
Figurenbeschreibung zu entnehmen.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
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2 eine
Darstellung des Signalverlaufes des durch ein Massenspektrometer
erzeugten Ionenstroms bei einer Kalibrierung in Verbindung mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Gemäß 1 zweigt
erfindungsgemäß von der Abgasleitung 1 einer
Verbrennungskraftmaschine eine Entnahmeleitung 2 zur Entnahme
eines Abgasgemisches aus der Abgasleitung 1 ab. Das Abgasgemisch
ist als Pfeil schematisch dargestellt, wobei ein weiterer vergleichsweise
kleiner Pfeil auf den infolge des Überdruckes in der Abgasleitung 1 in
die Entnahmeleitung 2 fließenden und zu untersuchenden
Anteil des Abgasgemisches hinweist. Stromabwärts des Abzweiges
der Entnahmeleitung 2 von der Abgasleitung 1 ist
ein Drosselventil 3 angeordnet. Durch das Drosselventil 3 wird
der zu untersuchende Anteil des Abgasgemisches auf einen variablen
Massenstrom gedrosselt und der Druck des zu untersuchenden Abgasgemisches
wird beeinflusst. Stromabwärts des Drosselventils 3 mündet
in die Entnahmeleitung 2 eine Dosierleitung 4 zur
Zuleitung von schmiermittelhaltiger Kalibrierflüssigkeit.
Die schmiermittelhaltige Kalibrierflüssigkeit, beispielsweise
ein Schmiermittel-Lösemittel-Gemisch, ist in einem Vorratsbehälter 5 gespeichert.
In der Dosierleitung 4 ist ein Dosierventil 6 angeordnet,
so dass eine definierte Zufuhr von schmiermittelhaltiger Kalibrierflüssigkeit
in die Entnahmeleitung 2 im Bereich der Mündung
der Dosierleitung 4 in die Entnahmeleitung 2 eingebracht
werden kann. Das Dosierventil 6 ist elektrisch mit einer
Einheit zur Steuerung/Regelung 7 verbunden, wie durch die gestrichelte
Linie dargestellt. Stromabwärts der Einmündung
der Dosierleitung 4 in die Entnahmeleitung 2 zweigt
von der Entnahmeleitung 2 eine Verbindungsleitung 8 zu
einem Massenspektrometer 9 ab, so dass zumindest ein Teil
des zu untersuchenden Abgases zu dem Massenspektrometer 9 geführt
werden kann. Stromabwärts des Abzweiges der Verbindungsleitung 8 ist
in der Entnahmeleitung 2 ein Mittel zur Bestimmung des Durchsatzes 10 angeordnet.
Das Mittel zur Bestimmung des Durchsatzes 10 durch die
Entnahmeleitung 2, also des Volumen- oder Massenstroms
des zu untersuchenden Abgases kann auch im Bereich stromabwärts der
Einmündung der Dosierleitung 4 in die Entnahmeleitung 2 und
stromaufwärts des Abzweiges der Verbindungsleitung 8 in
der Entnahmeleitung 2 angeordnet sein. Wie weiterhin in 1 dargestellt
kann die Entnahmeleitung 2 im Bereich zwischen dem Abzweig
der Entnahmeleitung 2 aus der Abgasleitung 1 und
der Einmündung der Dosierleitung 4 in die Entnahmeleitung 2 ein
Heizelement 11 aufweisen. Dieses Heizelement 11 dient
dabei der Schaffung bestimmter Temperaturbedingungen des zu untersuchenden
Abgasgemisches. Beispielsweise kann sich die Einstellung der Heizleistung
des Heizelementes 11 daran orientieren, dass keine Kondensationseffekte
in der Entnahmeleitung 2 auftreten. Demgemäß weist
die Entnahmeleitung 2 im Bereich der Einmündung
der Dosierleitung 4 in die Entnahmeleitung 2 ein
weiteres Heizelement 12 auf. Dieses Heizelement 12 dient
insbesondere dem Entgegenwirken einer Temperaturabsenkung des zu
untersuchenden Abgasgemisches für den Fall, dass die schmiermittelhaltige
Kalibrierflüssigkeit in die Entnahmeleitung 2 eingebracht
wird und verdampft. Außerdem kann die Entnahmeleitung 2 im
Bereich zwischen der Einmündung der Dosierleitung 4 und
dem Abzweig der Verbindungsleitung 8 ein Heizelement 13 aufweisen,
was zu einer weiteren Stabilisierung der Temperatur des zu untersuchenden
Abgasgemisches oder dieses Abgasgemisches in Verbindung mit der
schmiermittelhaltigen Kalibrierflüssigkeit dient. Die Entnahmeleitung 2 kann
auch als Leitung aufgefasst werden, die vier in Strömungsrichtung
des zu untersuchenden Abgasgemisches angeordnete Abschnitte 2a, 2b, 2c, 2d aufweist,
wobei die Abschnitte 2a, 2b, 2c, 2d derart
zusammenwirken, dass in dem Abschnitt 2a eine Drosslung
des Massenstroms und somit eine Beeinflussung des Druckes des zu
untersuchenden Abgasgemisches erfolgt, dass im Abschnitt 2b eine
Mischung des zu untersuchenden Abgasgemisches mit einer schmiermittelhaltigen
Kalibrierflüssigkeit erfolgen kann, dass im Abschnitt 2c eine
Entnahme zumindest eines Teils des zu untersuchenden Abgasgemisches
sowie eine Zufuhr diese Teils des Abgasgemisches zu einem Massenspektrometer 9 erfolgt
und dass im Abschnitt 2d eine Bestimmung des Durchsatzes des
zu untersuchenden Abgases durch die Abschnitte 2a, 2b, 2c, 2d erfolgt.
Diese Abschnitte 2a, 2b, 2c sind ebenfalls
in 1 dargestellt.
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Im
Rahmen von Untersuchungen hinsichtlich des Schmierölgehaltes
in dem Abgasgemisch einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise
zur Bestimmung des Schmiermittelverbrauches der Verbrennungskraftmaschine,
erfolgt ein Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wie im Folgenden beschrieben. Gemäß 2 ist
der Signalverlauf eines Massenspektrometers 9 bei einer
Kalibrierung in Verbindung mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung dargestellt. Zunächst ist die Verbrennungskraftmaschine
ausgeschaltet und es stellt sich ein gewisser Grundwert des mittels
des Massenspektrometers 9 gemessenen Ionenstroms TIC_Grundwert
ein. Dieser Grundwert resultiert aus geringen Mengen in der Umgebungsluft
der Verbrennungskraftmaschine beziehungsweise des Prüfstandes
enthaltenem Schmiermittel und dem Grundrauschen des Messsystems.
Im weiteren Verlauf wird die Verbrennungskraftmaschine eingeschaltet
und ein Teil des schmiermittelhaltigen Abgasgemisches strömt über
die Entnahmeleitung 2 zu dem Massenspektrometer 9, wobei
der mittels des Massenspektrometers 9 gemessene Ionenstrom
um einen bestimmten Wert ΔTIC_Verbrennungskraftmaschine
ansteigt. Da weder die bei ausgeschalteter Verbrennungskraftmaschine vorliegende
Konzentration des Schmiermittels in der Umgebungsluft, noch die
im aktuell betrachteten Abgasgemisch vorliegende Konzentration des
Schmiermittels bekannt ist, kann dann auf die im aktuell betrachteten Abgasgemisch
vorliegende Konzentration des Schmiermittels geschlossen werden,
wenn über die Dosierleitung 4 dem zu untersuchenden
Abgasgemisch eine definierte Menge einer schmiermittelhaltigen Kalibrierflüssigkeit
zugeführt wird, wobei die Konzentration des Schmiermittels
in der Kalibrierflüssigkeit bekannt ist. Welche Menge an
schmiermittelhaltiger Kalibrierflüssigkeit nun dem zu untersuchenden
Abgasgemisch zugeführt wurde, kann beispielsweise durch
eine Differenzwägung der schmiermittelhaltigen Kalibrierflüssigkeit
in dem Vorratsbehälter 5 über eine bestimmte
Zeit erfolgen. Gemäß 2 steigt
der mittels des Massenspektrometers 9 ermittelte Ionenstrom
weiter um den Wert ΔTIC_Kalibrierung an. Die Konzentration
des Schmiermittels C_Schmiermittel_Kalibrierung, die aus der dem
Abgasgemisch zugeführten Menge an schmiermittelhaltiger Kalibrierflüssigkeit
resultiert und die den Anstieg des mittels des Massenspektrometers 9 ermittelten
Ionenstroms um den Wert ΔTIC_Kalibrierung verursacht, kann
aus der über die Dosierleitung 4 dem Abgasgemisch zugeführten
Menge oder Masse an schmiermittelhaltiger Kalibrierflüssigkeit
und dem Volumen- oder Massenstrom des Abgasgemisches, der aus der
Abgasleitung 1 entnommen und durch die Entnahmeleitung 2 einschließlich
des Mittels zur Bestimmung des Durchsatzes 10 fließt,
bestimmt werden. Hinsichtlich des Anteils an Abgasgemisch, der dem
Massenspektrometer 9 über die Verbindungsleitung 8 zugeführt
wird, kann beispielsweise ein konstanter Wert angenommen werden
beziehungsweise kann diese geringe Menge an Abgasgemisch, die über
das Massenspektrometer 9 fließt, auch vernachlässigt
werden. Im weiteren Verlauf kann zur Bestimmung der Schmiermittelkonzentration
im Abgasgemisch C_Schmiermittel_Abgasgemisch ein Verhältnis
gemäß Gleichung 1 gebildet werden.
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Durch
Umstellung von Gleichung (1) kann nun die Schmiermittelkonzentration
im Abgasgemisch C_Schmiermittel_Abgasgemisch gemäß Gleichung
(2) berechnet werden.
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Auf
Grundlage der in Gleichung (1) und (2) beschriebenen Zusammenhänge
kann auch eine lineare Gleichung entwickelt werden, so dass es möglich
ist, unterschiedliche, mittels des Massenspektrometers 9 ermittelte
Ionenstromwerte ΔTIC_Verbrennungskraftmaschine in unterschiedlichen
Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine in eine Schmiermittelkonzentration
im Abgasgemisch C_Schmiermittel_Abgasgemisch umzurechnen. Um auf
Grundlage der wie beschrieben ermittelten im Abgasgemisch vorliegenden
Schmiermittelkonzentration C_Schmiermittel_Abgasgemisch einen Schmiermittelemissionswert
zu erhalten, muss die Schmiermittelkonzentration C_Schmiermittel_Abgasgemisch
mit dem Abgasmassenstrom, der durch die Abgasleitung 1 in
dem betreffenden Betriebspunkt fließt, multipliziert werden.
Der Abgasmassenstrom kann beispielsweise durch eine Addition eines
gemessenen Luft- und eines gemessenen Kraftstoffdurchsatzes ermittelt
werden. Eine Kalibrierung des Messsystems beziehungsweise ein Hinzufügen der
schmiermittelhaltigen Kalibrierflüssigkeit zu dem Abgasgemisch über
die Dosierleitung 4 sollte zumindest vor jeder Untersuchung
durchgeführt werden, da jedoch die Messempfindlichkeit
des Massenspektrometers 9 nicht konstant ist, sondern sich über
der Messzeit verringert, da das System mit Schmiermittel beladen
wird, sollten nach einiger Zeit immer wieder Kalibrierungen durchgeführt
werden.
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- 1
- Abgasleitung
- 2
- Entnahmeleitung
- 3
- Drosselventil
- 4
- Dosierleitung
- 5
- Vorratsbehälter
- 6
- Dosierventil
- 7
- Einheit
zur Steuerung/Regelung
- 8
- Verbindungsleitung
- 9
- Massenspektrometer
- 10
- Mittel
zur Bestimmung des Durchsatzes
- 11
- Heizelement
- 12
- Heizelement
- 13
- Heizelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004001514
A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Lubrisense – neues
System zur Ölemissionsmessung am Motor” in dem
Landestechnologieanzeiger Mecklenburg-Vorpommern, LTA 4/2004, Seite
15, Herausgeber Innovationsagentur Mecklenburg-Vorpommern e. V. [0003]
