DE102010014572A1

DE102010014572A1 - Vorrichtung zur Erfassung eines Schmiermittelniveaus für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102010014572A1
Application number: DE201010014572
Authority: DE
Inventors: Bernardo Mota; Thomas Steber
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-04-10
Filing date: 2010-04-10
Publication date: 2011-10-13

Abstract

iveaus (2) für eine Brennkraftmaschine mit einer Schmiermittelwanne (3), in die ein in ein Innenvolumen der Schmiermittelwanne (3) ragendes schwingfähiges Element (4) einbringbar ist, dessen Schwingungen von zumindest einem piezoelektrischen Element in ein von der Schwingungsamplitude des schwingungsfähigen Elementes (4) abhängiges elektrisches Signal wandelbar ist, wobei das piezoelektrische Element in einer Längsrichtung des schwingfähigen Elementes (4) an das schwingfähige Element (4) angeordnet ist und wobei keine aktive elektrische Anregung des schwingfähigen Elementes (4) vorgesehen ist. Die Erfindung bietet folgende Vorteile: – Geringe Kosten, – Keine Elektronik für das schwingfähige Element nötig, – kleiner Bauraum, dadurch Gewinn von Schmiermittelvolumen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung eines Schmiermittelniveaus für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Heutzutage sind im Stand der Technik bereits verschiedene Methoden zur Schmiermittelniveaumessung vorhanden:

– Das thermoresistive Messprinzip ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 100 63 326 A1 bekannt.
– Das Kapazitivmessprinzip ist beispielsweise aus der amerikanischen Patentanmeldung US 4,021,707 A bekannt.
– Das Ultraschallmessprinzip ist beispielsweise aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2,008,184 794 A bekannt.
– Darüber hinaus ist die passive Schwimmermethode beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 50 411 A1 bekannt.

Der oben zitierte, heute bekannte Stand der Technik weist folgende Nachteile auf:

– Thermoresistives Messprinzip: hohe Kosten, schlechte Haltbarkeit, schlechtes Ansprechverhalten.
– Kapazitätsmessprinzip: Wassereintrag problematisch, hohe Kosten, Leitfähige Teile im Schmiermittel.
– Ultraschallmessprinzip: empfindlich gegen Verschäumung, hohe Kosten.
– Schwimmermethode: relativ hohe Kosten, begrenzte Haltbarkeit, empfindlich gegen Verschäumung.

Weiter ist aus der deutschen Offenlegungsschrift, DE 1 773 815 , von der diese Erfindung ausgeht, eine Vorrichtung zur Feststellung des Füllstandes eines Behälters bekannt. Diese Vorrichtung weist eine Sonde mit wenigstens einem, in den Behälter ragenden Schwingstab auf, weiter eine Einrichtung zur Erregung von mechanischen Eigenschwingungen des Schwingstabs und eine Einrichtung zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen in Abhängigkeit von der Schwingungsamplitude dieses Schwingstabs. Die bekannte Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass zwei Schwingstäbe vorgesehen sind, die von einem ersten elektromechanischen Wandler parallel in gegensinnige Schwingungen versetzt werden, dass ein zweiter elektromechanische Wandler so angebracht ist, dass er die Schwingungen der beiden Schwingstäbe in elektrische Signale umwandelt, deren Amplitude von der Schwingungsamplitude abhängen, dass der Ausgang des ersten elektromechanischen Wandlers mit dem Eingang eines Verstärkers verbunden ist und dass der erste elektromechanische Wandler sowie die Einrichtung zur Auslösung von Anzeige- und/oder Schaltvorgängen an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen sind.
Nachteilig an dieser bekannten Messvorrichtung ist, dass die Schwingstäbe für eine Messung von einem elektromechanischen Wandler aktiv in Schwingung versetzt werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den o. g. Nachteil zu vermeiden und eine kostengünstige, mechanisch sehr robuste Vorrichtung aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird vorrichtungsmäßig durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und verfahrensmäßig durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 6 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung zur Erfassung eines Schmiermittelniveaus für eine Brennkraftmaschine gem. Patentanspruch 1 entfällt in vorteilhafter Weise die aktive Anregung des schwingfähigen Elementes, wodurch die Kosten gesenkt werden, keine Zusatzanregungselektronik nötig ist und nur ein kleiner Bauraum verbaut wird wodurch Schmiermittelvolumen gewonnen wird. Durch die Deformation des piezoelektrischen Elementes aufgrund der vom Schmiermittel generierten Schwingung des schwingfähigen Elementes, werden elektrisch auswertbare Signale gewonnen. Die Anregung der Schwingung ist rein passiv, d. h. sie erfolgt nur durch die Bewegung des Schmiermittels in der Schmiermittelwanne bei laufender Brennkraftmaschine.
Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.
Die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 ist eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante, bei der das schwingfähige Element der Detektor selbst ist.
Mit der Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 3 ist eine einfache Anbindung an ein elektronisches Auswertesystem möglich.
Die Ausgestaltung gemäß den Patentansprüchen 4 und 5 ist eine besonders robuste Ausführungsform mit einer Schutzfunktion für das schwingfähige Element.
Das Verfahren gemäß Patentanspruch 6 wird besonders bevorzugt zur Signalauswertung herangezogen.
Im Folgenden ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Schmiermittelniveaus für eine Brennkraftmaschine in einer schematischen Figur dargestellt und eine Signalauswertung an einer realen Brennkraftmaschine in einer zweiten Figur sowie eine Signalauswertekette in einer dritten Figur.
1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung eines Schmiermittelniveaus für eine Brennkraftmaschine.
2 zeigt in einem Diagramm eine Frequenzanalyse eines Messsignals an einer realen Brennkraftmaschine.
3 zeigt schematisch eine Signalauswertekette für die erfindungsgemäße Vorrichtung.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Erfassung eines Schmiermittelniveaus 2 in für eine Brennkraftmaschine. Die Vorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einer Schmiermittelwanne 3, in der ein Schmiermittel eingefüllt ist. Ein Schmiermittelniveau ist mit 2 beziffert. In ein Innenvolumen der Schmiermittelwanne 3 ragt ein schwingfähiges Element 4, dessen Schwingungen von zumindest einem piezoelektrischen Element in ein von der Schwingungsamplitude des schwingfähigen Elements 4 abhängiges elektrisches Signal wandelbar sind. Dieses elektrische Signal ist an einem elektrischen Anschluss 5, der an die Schmiermittelwanne 3 sowie an das schwingfähige Element 4 angeordnet ist, abgreifbar.
Erfindungsgemäß ist das piezoelektrische Element in einer Längsrichtung des schwingfähigen Elementes 4 an das schwingfähige Element 4 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das schwingfähige Element 4 das piezoelektrische Element selbst.
Damit das elektrische Signal des piezoelektrischen Elementes abgreifbar ist, weist dieses auf der dem Innenvolumen der Schmiermittelwanne 3 abgewandten Seite eine elektrische Kontaktierung auf, an der der elektrische Anschluss 5 angeordnet ist. In wiederum einer anderen Ausführungsform ist radial um das schwingfähige Element 4 eine nicht dargestellte Schutzhülse anordenbar. Besonders bevorzugt ist ein Innenvolumen der Schutzhülse schmiermittelführend mit dem Innenvolumen der Schmiermittelwanne 3 verbunden. Diese Schutzhülse dient, wie der Name schon sagt, zum Schutz des schwingfähigen Elementes 4 vor zu starken Schmiermittelbewegungen.
Mit anderen Worten gesagt:
In der Schmiermittelwanne 3 der Brennkraftmaschine ist ein schwingfähiges Element 4 fest mit der Schmiermittelwanne 3 verbunden. Die Brennkraftmaschine schwingt im Leerlauf mit einem gewissen Frequenzprofil. Diese Schwingung überträgt sich auch auf das Schmiermittel und somit auf das schwingfähige Element 4, das dadurch mit einer bestimmten Energie in einen bestimmten Spektralbereich schwingt.
Abhängig vom Schmiermittelstand 2 in der Schmiermittelwanne 3 wird die Schwingung des schwingfähigen Elementes 4 unterschiedlich stark gedämpft. An dem schwingfähigen Element 4 ist in Längsrichtung ein piezoelektrisches Element befestigt, welches aufgrund einer Deformation durch eine Schwingungsamplitude ein elektrisches Signal erzeugt. Die Energie dieses Signals hängt von der Schwingungsamplitude des schwingfähigen Elementes 4 und damit vom Füllstand ab.
2 zeigt in einem Diagramm ein Frequenzspektrum des schwingfähigen Elementes 4 bei 1000 U/min der Brennkraftmaschine, um drei Achsen eines Fahrzeug- oder Brennkraftmaschinenkoordinatensystems.
Über die Y-Achse ist eine Beschleunigung des schwingfähigen Elementes 4 von 0 bis 2 m/s aufgetragen. Über die X-Achse ist eine Schwingfrequenz von 0 bis 1000 Hz aufgetragen. Beispielhaft für diese genannte Drehzahl ist ein Spektralbereich A eingezeichnet, der beispielsweise zur Signalauswertung herangezogen werden kann. Überlagert eingezeichnet ist eine idealisierte Übertragungsfunktion U des schwingfähigen Elementes 4. Um eine Empfindlichkeit gegenüber einer Spektralverschiebung zu minimieren, muss ein konstanter Bereich der Übertragungsfunktion U gewählt werden. Um die Vorrichtung 1 möglichst einfach und kostengünstig zu halten, wird in dem Spektralbereich A die Schwingung beispielsweise nur in einer Achse ausgewertet. Wenn das Gesamtsystem, wie im Normalbetrieb, um mehrere Achsen schwingt, wird für die Auswertung die Schwingungsachse gewählt, die die geringste Änderung des Spektrums bei Veränderung der Umweltbedingungen (Alterung, Temperatur, usw.) zeigt.
Die Erfindung stellt somit passives Verfahren dar, die Anregung stammt von der Brennkraftmaschine selber, bewusst nicht in der Resonanzfrequenz des schwingungsfähigen Elementes (4) sondern in einem ausgewählten Frequenzbereich. Es wird nicht wie im Stand der Technik nur ein sehr schmaler Peak ausgewertet, sondern ein Frequenzband. Das erfindungsgemäße Ziel ist somit nicht eine Frequenzverschiebung zu messen und zu korrigieren.
Die Neuigkeit liegt an der Messung des Schmiermittelniveaus (2) durch die Änderung der Schwingungsenergie eines passiven Messsystems (schwingfähiges Element (4)), in einem definierten und speziell ausgewählten Frequenzbereich, d. h. die Signalenergie wird nur im dem Bereich integriert und ausgewertet. Bei der Nutzung eines Frequenzbereiches statt einer Einzelfrequenz, werden in vorteilhafter Weise Frequenzverschiebungen (z. B. durch Brennkraftmaschinenverhalten, Alterungseffekte, etc.) automatisch ausgeglichen.
3 zeigt schematisch eine Signalauswertekette als Blockschaltbild für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Ein linkes Kästchen steht symbolhaft für die mechanische Schwingung des schwingfähigen Elementes 4. Diese Schwingung wird von dem piezoelektrischen Element (Sensor) in eine elektrische Schwingung übertragen. Der Signalweg ist mit Pfeilen dargestellt. Dieses analoge Spannungssignal wird von einem Verstärker (7) verstärkt und bandpassgefiltert. Anschließend wird das bandpassgefilterte Signal in einem Analog/Digitalwandler (ADC) (8) digitalisiert und in einem Integriermodul (9) für eine definierte Zeit integriert und anschließend über eine handelsübliche Software ausgewertet und ein Füllstand angezeigt.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung 1 zur Erfassung eines Schmiermittelniveaus 2 für eine Brennkraftmaschine ist ein äußerst robustes, preisgünstiges System entstanden, da keine elektronischen Komponenten zur aktiven Ansteuerung des schwingungsfähigen Elementes 4 notwendig ist. Ferner benötigt das System selbst nur einen kleinen Bauraum, wodurch das Schmiermittelvolumen in vorteilhafter Weise vergrößert ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Schmiermittelniveau
3: Schmiermittelwanne
4: schwingfähiges Element
5: elektrischer Anschluss
6: Signalauswertekette
7: Verstärker
8: Analog/Digitalwandler
9: Integriermodul
S: Signalspektrum
U: Übertragungsfunktion
A: Spektralbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10063326 A1 [0002]
US 4021707 A [0002]
US 2008184794 A [0002]
DE 10250411 A1 [0002]
DE 1773815 A [0004]

Claims

Vorrichtung (1) zur Erfassung eines Schmiermittelniveaus (2) für eine Brennkraftmaschine mit einer Schmiermittelwanne (3), in die ein in ein Innenvolumen der Schmiermittelwanne (3) ragendes schwingfähiges Element (4) einbringbar ist, dessen Schwingungen von zumindest einem piezoelektrischen Element in ein von der Schwingungsamplitude des schwingfähigen Elementes (4) abhängiges elektrisches Signal wandelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element in einer Längsrichtung des schwingfähigen Elementes (4) an das schwingfähige Element (4) angeordnet ist und wobei keine aktive elektrische Anregung des schwingfähigen Elementes (4) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das schwingfähige Element (4) das piezoelektrische Element ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (4) auf der dem Innenvolumen der Schmiermittelwanne (3) abgewandten Seite eine elektrische Kontaktierung aufweist, an der das elektrische Signal abgreifbar ist.
Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass radial um das schwingfähige Element (4) eine Schutzhülse anordenbar ist.
Vorrichtung nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenvolumen der Schutzhülse schmiermittelführend mit dem Innenvolumen der Schmiermittelwanne (3) verbunden ist.
Verfahren zur Bestimmung eines Schmiermittelniveaus unter Verwendung der Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, das die gesamte in einem außerhalb der Resonanzfrequenzen des schwingfähigen Elementes (4) gelegenen Frequenzband enthaltene Schwingungsenergie bestimmt wird.