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Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Bestimmung der Menge von Verunreinigungen der Ladeluft eines Abgasturboladers einer Brennkraftmaschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine zur Durchführung des Verfahrens bestimmte Messanordnung.
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In der Praxis werden Abgasturbolader bereits vielfach zur Leistungssteigerung von Brennkraftmaschinen eingesetzt. Ein derartiger Abgasturbolader besteht aus einer Abgasturbine im Abgasstrom der Brennkraftmaschine und einem Verdichter im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine. Das Turbinenrad der Abgasturbine wird vom Abgasstrom des Motors in Rotation versetzt und treibt über eine Welle das Laufrad des Verdichters an. Der Verdichter erhöht den Druck im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine, sodass beim Ansaugen eine größere Menge Luft in die Brennkammern gelangt.
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Abgasturbolader mit Gleitlagerung der Wellen werden in der Regel mit Öl aus dem Schmierkreislauf der Brennkraftmaschine geschmiert. Da die Wellen sehr schnell drehen und dabei sehr hohe Umfangsgeschwindigkeiten erreichen können, werden vorzugsweise berührungsfreie Dichtungen eingesetzt, um einen Austritt von Schmieröl aus dem Lager in die Radseitenräume von Verdichter und Turbine zu verhindern.
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In der Praxis kann es zu Abweichungen der Randbedingungen von den Sollwerten kommen. Beispielsweise ändert sich die Geometrie durch Verschleiß oder Verschmutzung, sodass es zu einem Austritt von Öl kommen kann. Verdichterseitig führt dies zu einer unerwünschten Verschmutzung des Verdichterkanals bzw. des nachgeschalteten Ladeluftkühlers der Brennkraftmaschine.
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Eine mögliche Abhilfe kann ein Ventil zur Vermeidung oder Reduzierung des maximal möglichen Unterdrucks verschaffen. Allerdings wird für solche Ventile ein gewisser Öffnungsdruck (Unterdruck) benötigt.
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Die
EP 2 072 765 A1 offenbart bereits einen Abgasturbolader für aufgeladene Brennkraftmaschinen, bei dem der Luftaustritt des Verdichters über eine Verbindungsleitung und ein darin angeordnetes Rückschlagventil mit dem Lagerraum verbunden ist. Das Rückschlagventil dient zum Verschluss der Verbindung zwischen dem Luftaustritt des Verdichters und dem Lagerraum für die Betriebsbedingungen, wobei am Luftaustritt des Verdichters Überduck vorliegt. Dadurch wird ein Einströmen von Verdichterluft in den Lagerraum verhindert.
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In der
DE 38 17 617 A1 wird ein Abgasturbolader für eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei dem der Verdichtungsraum im Verdichtergehäuse vom Innenraum des Lagergehäuses zur Lagerung der Turboladerwelle durch eine Druckausgleichskammer abgetrennt ist. Die Druckausgleichskammer wirkt als Pufferzone zwischen beiden Räumen, die bei einem auftretenden Druckgefälle zwischen Innenraum und Verdichtungsraum einen solchen Druckausgleich schafft, dass aus dem Innenraum des Lagergehäuses kein Schmieröl zum Verdichtungsraum hin abgesaugt werden kann.
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Die
EP 0 791 747 A2 betrifft einen Ansaugtrakt einer Brennkraftmaschine mit zumindest einem Turbolader, bei dem stromauf des Turboladers ein Luftfilter angeordnet ist. In dem Ansaugtrakt ist in dem Leitungsabschnitt, der zum Verdichterteil des Turboladers führt, ein Bypass zumindest zum Luftfilter-Element vorgesehen. Wenn dieser Bypass geöffnet ist, wird ein Unterdruck abgebaut, sodass der Turbolader eine ausreichende Luftmenge ansaugen, verdichten und anschließend der Brennkraftmaschine zuführen kann. Um dabei zu verhindern, dass verschmutzte Ansaugluft angesaugt wird, kann im Bypass ein eigenes Luftfilter-Element vorgesehen sein, das deutlich kleiner dimensioniert ist als der übliche Luftfilter.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die austretende Menge derartiger Verunreinigungen zuverlässig zu erfassen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Menge von Verunreinigungen in der Ladeluft, die im Betrieb von einem Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine zugeführt wird. Dabei wird ein Filtersubstrat innerhalb einer Luftzuführungsleitung der mittels des Abgasturboladers verdichteten Ladeluft angeordnet, wobei vorzugsweise zugleich die Betriebsdauer der Brennkraftmaschine und/oder des Abgasturboladers erfasst wird, die Messwerte des Filtersubstrats vor der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine mit Messwerten des verunreinigten Filtersubstrats nach dem Betrieb der Brennkraftmaschine verglichen werden sowie schließlich aus der Differenz der Messwerte des Filtersubstrats auf die Menge der Verunreinigungen geschlossen wird.
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Erfindungsgemäß wird also ein austauschbar in der Ladeluftleitung angeordnetes Filtersubstrat oder Filterelement verwendet, wobei aufgrund der von dem Verschmutzungsgrad abhängigen veränderten Messwerte, beispielsweise der spezifischen Eigenschaften des Filtersubstrats als Differenzwert in Strömungsrichtung der Ladeluft vor und hinter dem Filterelement, auf den Grad der Verschmutzung und/oder die Verlustmenge des Schmiermittels geschlossen wird. Hierdurch wird in einfacher Weise eine unerwünschte Zuführung verschmutzter Ladeluft zu der Brennkraftmaschine vermieden, indem Fluide oder Partikel von dem Filtersubstrat zurückgehalten werden, wobei zugleich der Grad der Verschmutzung durch die Messwertermittlung erfasst wird. Daraus können beispielsweise Signale für einen erforderlichen Austausch des Filtermediums ebenso abgeleitet werden wie der mengenmäßige Verlust des Schmiermittels, aus dem beispielsweise der Verschleißzustand des Abgasturboladers erkennbar wird. Weiterhin können gegebenenfalls auch die Betriebspunkte der Brennkraftmaschine an die erhöhte Zufuhr von Verunreinigungen angepasst werden, um so unerwünschte Betriebssituationen zu vermeiden. Erfindungsgemäß wird so in einfacher Weise eine Reinigung der Ladeluft erreicht und zudem die Menge bzw. der Grad der Verunreinigung des Filtersubstrats sowie der zeitliche Verlauf der Verschmutzung bestimmt. Hieraus wird die Verlustmenge des Schmiermittels abgeleitet, sodass mögliche Störungen frühzeitig erkannt werden können.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird auch dadurch realisiert, dass als Messwert die Differenz der Masse des Filtersubstrats mit sowie ohne Verunreinigungen gemessen wird. Hierdurch kann in einfacher Weise aus der Differenz mit hinreichender Genauigkeit auf den Ölverlust geschlossen werden. Insbesondere geht die Erfindung dabei davon aus, dass Verunreinigungen der Umgebungsluft bereits durch den grundsätzlich vorhandenen allgemeinen Luftfilter vor dem Verdichter gefiltert werden, sodass die Verunreinigungen des Filtersubstrats im Wesentlichen nur aus dem Abgasturbolader stammen können.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens wird auch dadurch erreicht, dass als Messwert der Druckverlust an dem Filtersubstrat gemessen wird. Weil die Verunreinigungen die Luftdurchlässigkeit beeinträchtigen, wird der Grad der Verunreinigung in einfacher Weise als Druckdifferenz erkennbar. Auf der Basis von Erfahrungswerten kann so ebenfalls auf die Menge, beispielsweise das Volumen des von dem Filtersubstrat aufgefangenen Schmieröls des Abgasturboladers geschlossen werden. Vorteilhaft wirkt sich dabei die vergleichsweise einfache Messwerterfassung durch einen oder zwei Drucksensoren in einer Bypassleitung bzw. in der Einlassöffnung sowie der Auslassöffnung aus.
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Das Filtersubstrat kann in das Gehäuse des Abgasturboladers integriert werden. Besonders Erfolg versprechend ist hingegen eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei der das Filtersubstrat in einer Ladeluftleitung zwischen einem Verdichter des Abgasturboladers und einem Ladeluftkühler angeordnet wird. Hierdurch eignet sich das Verfahren zur universellen Anwendung bei unterschiedlichen Typen oder Bauarten des Abgasturboladers bzw. der Brennkraftmaschine, indem lediglich das Filtersubstrat in die Ladeluftleitung eingesetzt werden muss. Beispielsweise kann hierzu ein zylindrisches Filterelement in die Ladeluftleitung eingeführt werden.
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Besonders zweckmäßig ist es darüber hinaus auch, wenn das Filtersubstrat innerhalb einer druckdicht verschließbaren Aufnahme, beispielsweise innerhalb eines Gehäuses, in die Ladeluftleitung integriert wird, sodass ein einfacher Austausch des Filtersubstrats bzw. ein lediglich bedarfsweiser Einsatz des Filtersubstrats ermöglicht wird.
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Die Messwerterfassung könnte insbesondere bei einer Druckdifferenzmessung der Ladeluft während des Betriebs erfolgen, um so auch den zeitlichen Verlauf der Verunreinigung zu erfassen.
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Eine andere bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, dass das verunreinigte Filtersubstrat aus der Kammer entnommen und einer Messeinrichtung zugeführt wird. Hierdurch kann nicht nur mit hoher Genauigkeit die Menge der Verunreinigungen als quantitative Analyse erfasst werden, sondern zudem auch eine qualitative Analyse der Art der Verunreinigungen zur Bestimmung der Herkunft vorgenommen werden. Auf diese Weise wird es möglich, die Quelle der Verunreinigung bzw. einer Störung schnell und zuverlässig zu identifizieren.
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Zu diesem Zweck hat es sich bereits als empfehlenswert erwiesen, wenn in der Messeinrichtung übereinstimmende Umgebungsparameter für die Durchführung der Messung des unbenutzten sowie des verunreinigten Filtersubstrats eingestellt werden, sodass Messfehler aufgrund abweichender Bedingungen ausgeschlossen sind und damit eine zuverlässige Aussage hinsichtlich der erfassten Vergleichswerte ohne äußere Fehlereinflüsse möglich ist. Insbesondere werden dabei Luftdruck und/oder Temperatur übereinstimmend für das Filtersubstrat vor der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine und für das verunreinigte Filtersubstrat gemessen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird weiterhin noch mit einer Messanordnung zur Bestimmung der Menge von Verunreinigungen der Ladeluft, die im Betrieb von einem Abgasturbolader einer Brennkraftmaschine zugeführt wird, gelöst durch eine Aufnahme zur austauschbaren Anordnung eines Filtersubstrats innerhalb einer Luftzuführung der verdichteten Ladeluft, insbesondere zwischen dem Abgasturbolader und einem Ladeluftkühler, sowie einem Sensor zur Erfassung von verschmutzungsabhängigen Eigenschaften des Filtersubstrats. Hierdurch wird also nicht lediglich ein Filter in die Ladeluftleitung eingebracht, sondern das Filtersubstrat unterliegt einer Überwachung seines durch Messwerterfassung bestimmten Verschmutzungsgrads. Insbesondere wird dadurch ein Schmiermittelaustritt aus dem Abgasturbolader der Brennkraftmaschine, die in dem in Strömungsrichtung der Ladeluft nachfolgenden Ladeluftkühler oder der Brennkraftmaschine zu Beeinträchtigungen führen können, rechtzeitig erfasst. Auch im Versuchsbetrieb hat es sich als hilfreich erwiesen, wenn der Grad der Verunreinigung nach einer vorbestimmten Betriebsdauer zuverlässig erfasst und einer entsprechenden Auswertung zugeführt werden kann, um insbesondere auch die Austrittstellen des Schmiermittels zu lokalisieren.
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Die Messung kann sich auf einen bloßen Vergleich der sich vor der Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine und nach dem Betrieb der Brennkraftmaschine aufgrund der Verunreinigung ergebenden Abweichungen der Eigenschaften des Filtersubstrats beschränken. Besonders praxisgerecht hat sich bereits eine Abwandlung der Messanordnung erwiesen, bei welcher der Sensor einen Massesensor Zur Änderung der Masse des Filtersubstrats vor sowie nach dem Betrieb aufweist, wobei selbstverständlich auch eine Messung während des Betriebs nicht ausgeschlossen ist. Hierdurch kann in einfacher Weise auf die Menge der Verunreinigung geschlossen werden, wobei zum Zwecke genauerer Untersuchungen beispielsweise eine Trennung der Festkörperpartikel von Fluidabscheidungen vorgenommen werden kann.
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Bei einer anderen, ebenfalls besonders sinnvollen Weiterbildung der Erfindung ist die Messanordnung mit einem Drucksensor ausgestattet. Hierdurch kann der Grad der Verunreinigung in einfacher Weise aufgrund einer Druckdifferenz der Ladeluft vor und hinter der Aufnahme des Filtersubstrats vorzugsweise auch während des Betriebs der Brennkraftmaschine bestimmt werden. Hierzu kann ein Drucksensor in einem die Aufnahme bildenden Gehäuse zur Online-Messwerterfassung während des Betriebs beispielsweise im Bereich einer Einlassöffnung sowie einer Auslassöffnung der Aufnahme oder in einer die beiden Bereiche verbindenden Bypassleitung angeordnet sein.
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Das Filtersubstrat kann zu diesem Zweck aus einem an sich bekannten Material, beispielsweise aus einem zweilagigen Vlies, bestehen.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
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1 eine Messanordnung mit einer Aufnahme für ein Filtersubstrat;
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2 die in 1 gezeigte Aufnahme in einer Explosionsdarstellung.
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand der 1 und 2 näher dargestellt, welche die Messanordnung zur Durchführung des Messverfahrens zeigen. Eine Aufnahme 1 für ein Filtersubstrat 2 der Messanordnung umfasst ein Gehäuse 3 aus einem Leichtmetall, beispielsweise Aluminium, und ist innerhalb einer nicht weiter dargestellten Ladeluftstrecke zwischen einem ebenfalls nicht dargestellten Abgasturbolader und einem Ladeluftkühler angeordnet. Die von dem Abgasturbolader verdichtete Ladeluft tritt durch eine Einlassöffnung 4 in das Gehäuse 3 ein und wird durch eine Auslassöffnung 5 dem Ladeluftkühler zugeführt. Das Gehäuse 3 umfasst einen Hauptteil 6 sowie einen in den Hauptteil 6 einschiebbaren Halterahmen 7 für das Filtersubstrat 2. Der Halterahmen 7 hat eine die Fluidströmung nicht beeinträchtigende Durchlassöffnung 8, welche von einem an dem Halterahmen 7 fixierten Stützgitter 9 überspannt ist. Zur Durchführung des Messverfahrens wird das Filtersubstrat 2 in dem Halterahmen 7 auf dem Stützgitter 9 positioniert und zusätzlich durch eine Blende 10, die das Filtersubstrat 2 lediglich randseitig abdeckt und die zur Anpassung an unterschiedliche Stärken des Filtersubstrats 2 austauschbar ist, gesichert. Der Halterahmen 7 bildet so eine in das Hauptteil 6 einführbare Schublade, die einen einfachen Austausch des Filtersubstrats 2 gestattet. Zum gasdichten Verschließen des Gehäuses 3 dient eine lediglich andeutungsweise erkennbare Dichtfläche 11 zwischen einer Stirnplatte 12 des Halterahmens 7 sowie einer entsprechenden Anlagefläche des Gehäuses 3, wobei die erforderliche Vorspannung der Dichtung mittels Schraubverbindungen 13 erzeugt wird. Durch die Verwendung eines Filtersubstrats 2 mit einerseits hohem Abscheidegrad der Verunreinigungen, andererseits geringem Ladeduckverlust, beispielsweise eines zweilagigen Vlieses, werden geringe Druckverluste von wenigen Millibar erreicht, die dennoch eine zuverlässige Abscheidung der Verunreinigungen sicherstellen. Zur Bestimmung des Verunreinigungsgrads dient ein nicht dargestellter Sensor zur Messung der Gesamtmasse des Filtersubstrats 2 vor und nach dem Abschluss eines Messzyklus. Dieser Sensor kann in das Gehäuse 3 integriert oder außerhalb angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aufnahme
- 2
- Filtersubstrat
- 3
- Gehäuse
- 4
- Einlassöffnung
- 5
- Auslassöffnung
- 6
- Hauptteil
- 7
- Halterahmen
- 8
- Durchlassöffnung
- 9
- Stützgitter
- 10
- Blende
- 11
- Dichtfläche
- 12
- Stirnplatte
- 13
- Schraubverbindungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2072765 A1 [0006]
- DE 3817617 A1 [0007]
- EP 0791747 A2 [0008]
