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Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Untersuchen von Motorenöl eines Motors.
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Zum Überwachen eines mechanischen Zustands und/oder eines Verschleißzustands eines Prüfstandmotors für ein Kraftfahrzeug wird die sogenannte Ölanalytik eingesetzt, mit der es möglich ist, eine Zusammensetzung von Motorenöl, das von dem Prüfstandmotor verwendet wird, zu untersuchen. Dabei kann aus dem Prüfstandmotor entnommenes Motorenöl in regelmäßigen Zeitintervallen in einem Labor mittels winkeldispersiver Röntgenfluoreszenzanalyse (WDX) auf seinen Gehalt an Verschleißelementen untersucht werden, wobei derartige Verschleißelemente bei einem Betrieb des Prüfstandmotors entstehen und sich im Motorenöl anreichern.
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Allerdings ist hierbei zu berücksichtigen, dass zwischen einer Entnahme einer Probe an Motorenöl am Prüfstandmotor und einer eigentlichen Untersuchung im Labor, wobei Messwerte ermittelt werden, ein erheblicher Zeitversatz liegen kann. Somit kann ein drohender und/oder entstehender Schaden des Prüfstandmotors eventuell nicht zeitnah erkannt werden.
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Es wurde der Versuch unternommen, Motorenöl inline, d. h. betriebsbegleitend zu untersuchen. Hierbei wurde eine sogenannte Atomemissionsspektroskopie (ICP-OES) eingesetzt. Allerdings hat sich ergeben, dass ein hierbei verwendetes Messsystem betreuungsaufwändig ist und nur dann problemlos eingesetzt werden kann, wenn die im Motorenöl zu erwartenden Partikel eine Größe von 5 µm nicht überschreiten.
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Aus der Druckschrift
WO 03/091550 A1 ist ein Verfahren zum Analysieren eines Schmiermittels einer Maschine bekannt, wobei ein Eisengehalt des Schmiermittels ermittelt werden soll. Hierbei kommt eine sogenannte XRF- bzw. Röntgenfluoreszenzanalyse zur Anwendung.
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Ein Gerät zum Analysieren einer Flüssigkeit, die in einer Maschine verwendet wird, ist in der Druckschrift
WO 01/36966 A1 beschrieben. Dabei umfasst das Gerät zum Durchführen der Analyse eine Röntgenstrahl-Fluoreszenzvorrichtung.
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Ein duales Röntgenstrahl-Fluoreszenz-Spektrometer sowie ein Verfahren zur Analyse von Flüssigkeiten sind in der Druckschrift
US 2004/0213373 A1 beschrieben. Hierbei wird die zu analysierende Flüssigkeit in einem Modul untersucht, das ein Fenster aus einer Hochtemperaturfolie aufweist.
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Vor diesem Hintergrund werden ein System und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgestellt. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen und der Beschreibung.
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Das vorgestellte System ist zum Untersuchen von Motorenöl eines Motors, üblicherweise eines Prüfstandmotors, ausgebildet und umfasst eine Leitungsanordnung, eine Messzelle und ein EDX-Analysegerät, mit dem das Motorenöl durch energiedispersive Röntgenspektroskopie analysiert bzw. untersucht wird. Dabei ist die Leitungsanordnung mit einem Ölkreislauf des Motors verbunden. Die Messzelle ist entlang eines Abschnitts der Leitungsanordnung angeordnet. Das EDX-Analysegerät ist dazu ausgebildet, in der Messzelle befindliches Motorenöl zu analysieren.
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Die Messzelle weist mindestens ein Messfenster aus Fenstermaterial auf, das aus CVD-Diamant gebildet ist. Dabei handelt es sich um einen künstlichen bzw. synthetischen Diamant, der durch chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) hergestellt wird. Hierbei werden kristalline Diamantschichten auf einem Substrat für das für die Messzelle herzustellende Messfenster abgeschieden.
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Die Leitungsanordnung des Systems weist einen ersten, als Ringleitung ausgebildeten Abschnitt auf, wobei ein Anfang der Ringleitung über ein erstes Verbindungselement mit einer Öffnung des Ölkreislaufs zu verbinden ist, aus der Motorenöl öldruckseitig zu entnehmen ist, und wobei ein Ende der Ringleitung über ein zweites Verbindungselement mit einem Öleinfüllstutzen des Ölkreislaufs zu verbinden ist. Somit kann Motoröl über die Leitungsanordnung als Bypass zum Motor aus dem Ölkreislauf betriebsbegleitend abgeführt, untersucht und dem Motor über den Öleinfüllstutzen wieder zugeführt werden.
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Die Leitungsanordnung weist zudem einen zweiten, als Analyseleitung ausgebildeten Abschnitt auf, entlang dem die Messzelle angeordnet ist. In einer vorgesehenen Strömungsrichtung des Motorenöls ist bspw. an einem Anfang der Analyseleitung in einer vorgesehenen Strömungsrichtung des Motorenöls vor der Messzelle eine Druckregeleinrichtung, bspw. ein Druckregelventil, zum Reduzieren eines Drucks des Motorenöls in der Messzelle, angeordnet. Es ist alternativ oder ergänzend auch möglich, dass am Ende der Analyseleitung, in Strömungsrichtung des Motorenöls nach der Messzelle, eine derartige Druckregeleinrichtung angeordnet ist.
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Weiterhin kann die Analyseleitung von der Ringleitung abgezweigt sein, wobei ein Anfang der Analyseleitung an einem ersten Abzweigungselement von der Ringleitung abgezweigt ist. Ein Ende der Analyseleitung ist über ein zweites Abzweigungs-element mit der Ringleitung verbunden und mündet dort in die Ringleitung. Dabei sind der Anfang und das Ende der Analyse-leitung entlang der Ringleitung zwischen dem Anfang und dem Ende der Ringleitung angeordnet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist zum Untersuchen von Motorenöl eines Motors, bspw. mit dem vorgestellten System, das eine Leitungsanordnung, eine Messzelle und ein EDX-Analysegerät aufweist, vorgesehen. Hierbei wird die Leitungsanordnung mit einem Ölkreislauf des Motors verbunden, wobei die Messzelle entlang eines Abschnitts der Leitungsanordnung angeordnet wird, und wobei in der Messzelle befindliches Motorenöl von dem EDX-Analysegerät analysiert wird.
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Das Verfahren kann in Ausgestaltung für einen als Prüfstandmotor ausgebildeten Motor durchgeführt werden, der in einer stationären Versuchsanordnung zu Test- bzw. Prüfzwecken betrieben wird.
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Weiterhin kann Motorenöl, das durch die Messzelle fließt und/oder strömt, analysiert werden. Das Motorenöl wird über die Leitungsanordnung aus dem Ölkreislauf entnommen und dem Ölkreislauf nach Durchführung einer Analyse wieder zugeführt. Das Verfahren kann bei laufendem Motor durchgeführt werden. Außerdem kann vorgesehen sein, dass ein Druck des Motorenöls reduziert wird, bevor das Motorenöl der Messzelle zugeführt wird.
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Im Rahmen des Verfahrens können im Motorenöl befindliche Feststoffe bzw. Partikel untersucht werden, wobei Partikel, die als Abrieb- und/oder Verschleißelemente des Motors ausgebildet sein können, qualitativ und/oder quantitativ untersucht werden können.
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Mit dem erfindungsgemäßen System sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren kann somit ein Konzept zur Realisierung einer sogenannten Inline-Messung zur Bestimmung von Abrieb- und/oder Verschleißelementen im Motorenöl eines Prüfstandmotors mittels energiedispersiver Röntgenfluoreszenzanalyse (EDX) durchgeführt werden. Da die vorgesehene Untersuchung bzw. Analyse des Motorenöls inline durchgeführt wird, bedeutet dies, dass das Verfahren bei laufendem Motor betriebsbegleitend durchführbar ist.
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Durch die betriebsbegleitende Bestimmung einer Konzentration von Abrieb- und/oder Verschleißelementen in dem Motorenöl des befeuerten Motors, das durch den Ölkreislauf fließt, können Schäden des Motors früh erkannt werden, so dass kosten- und zeitintensive Ausfälle und/oder Schäden, üblicherweise in einem Prüfstandbetrieb, vermieden werden können.
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Zur Realisierung des Systems kann ein kommerziell erhältliches, leicht bedienbares EDX-Analysegerät mit akzeptabler Nachweisstärke für den vorgesehenen Inline-Betrieb und somit für eine betriebsbegleitende Untersuchung verwendet werden. Als mögliches EDX-Analysegerät kann bspw. das "PANalytical Epsilon 3 Range" zur Anwendung kommen. Bei üblicherweise einsetzbaren EDX-Analysegeräten ist auch dann keine Beeinträchtigung der Messgüte zu erwarten, wenn die in dem Motorenöl befindlichen Partikel vergleichsweise groß sein sollten. Außerdem können simultan mehrere unterschiedliche Partikelsorten bzw. Elemente bestimmt werden.
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Eine Kopplung des Motors an das erfindungsgemäße System und somit an das EDX-Analysegerät bei befeuertem Motor kann über ein Entnahmesystem erfolgen. Über ein derartiges Entnahmesystem wird dem Motor Motorenöl druckseitig an dem ersten Verbindungselement entnommen und in der Ringleitung mit hohem Volumenstrom an dem zweiten Verbindungselement über einen Öleinfüllstutzen wieder zugeführt. Weiterhin wird von dieser Ringleitung kontinuierlich ein geringer Volumenstrom an Motorenöl unter reduziertem und konstantem Druck dem EDX-Analysegerät über die Analyseleitung zugeführt und nach dem Messen wieder in die Ringleitung und ferner in den Ölkreislauf des Motors eingespeist.
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Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Leitungsanordnung ist vorgesehen, dass in der Ringleitung immer Motorenöl zirkuliert, dessen Betriebsparameter, bspw. dessen Strömungseigenschaften, zumindest annähernd den Bedingungen im Ölkreislauf des Motors entsprechen. Eine Entnahme einer Menge des zu analysierenden Motorenöls unter reduziertem Druck aus der Ringleitung in die Analyseleitung hat zur Folge, dass das mindestens eine Messfenster der Messzelle lediglich mit geringem Druck beaufschlagt wird. Weiterhin ist es durch den Aufbau des Systems möglich, dass in der Analyseleitung für das Motorenöl immer konstante Druck- und Fließ- bzw. Flussbedingungen herrschen.
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Durch die Maßnahme, für die Messzelle mindestens ein Messfenster aus CVD-Diamant zu verwenden, wird für die bei der EDX-Analyse eingesetzte Röntgenstrahlung mindestens ein transparentes Messfenster bereitgestellt, das zudem gegenüber dem in der Regel heißen Motorenöl robust genug ist, um eine lange und zuverlässige Standzeit für das eingesetzte System zu erzielen.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand einer Ausführungsform in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Systems zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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2 zeigt drei Diagramme (z.T. aus „The CVD diamond booklet“) zur Beschreibung von Eigenschaften eines CVD-Diamanten, der als Fenstermaterial für mindestens ein Messfenster einer Messzelle des erfindungsgemäßen Systems verwendet wird.
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Die in 1 schematisch dargestellte Ausführungsform des Systems 2 ist zum Untersuchen von Motorenöl ausgebildet, das bei Betrieb eines hier als Prüfstandmotor ausgebildeten Motors 4 durch einen Ölkreislauf 6 dieses Motors 4 fließt und somit strömt.
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Das System 2 umfasst eine Leitungsanordnung, die als Abschnitte eine Ringleitung 8 sowie eine Analyseleitung 10 aufweist. Dabei ist die Ringleitung 8 über ein erstes Verbindungselement 12 sowie ein zweites Verbindungselement 14 mit dem Ölkreislauf verbunden. Die Analyseleitung 10 ist von der Ringleitung 8 über ein erstes Abzweigungselement 16 und ein zweites Abzweigungselement 18 verbunden. Somit verläuft die Analyseleitung 10 parallel zu einem Abschnitt der Ringleitung 8, der hier ebenfalls zwischen dem ersten Abzweigungselement 16 und dem zweiten Abzweigungselement 18 angeordnet ist.
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Eine Strömungsrichtung des durch den Ölkreis 6, die Ringleitung 8 sowie die Analyseleitung 10 strömenden Motorenöls ist hier durch mehrere Pfeile entlang des Ölkreislaufs 6, der Ringleitung 8 sowie der Analyseleitung 10 angedeutet. Somit ist vorgesehen, dass das durch das System 2 strömende Motorenöl ausgehend von dem ersten Verbindungselement 12 bis zu dem ersten Abzweigungselement 16 strömt, wobei ein erster Teil des von dem Ölkreislauf 6 abgezweigten Motorenöls entlang der Ringleitung 8 über das zweite Abzweigungselement 18 zu dem zweiten Verbindungselement 14 fließt.
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Ein zweiter Teil des abgezweigten Motorenöls fließt über das erste Abzweigungselement 16 in die Analyseleitung 10. Entlang der Analyseleitung 10 sind hier in der vorgesehenen Strömungsrichtung des Motorenöls zunächst eine erste Druckregeleinrichtung 20 und danach eine Messzelle 22 mit mindestens einem Messfenster 24 angeordnet. Ein Druck des Motorenöls, das durch die Analyseleitung 10 fließt, wird durch die erste Druckregeleinrichtung 20 reduziert, bevor es durch die Messzelle 22 mit dem mindesten einen Messfenster 24 fließt.
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In Strömungsrichtung hinter der Messzelle 22 ist in der hier beschriebenen Ausführungsform entlang der Analyseleitung 10 eine optionale zweite Druckregeleinrichtung 26 angeordnet. Nach Passieren dieser zweiten Druckregeleinrichtung 26 fließt das Motorenöl zu dem zweiten Abzweigungselement 18 und vermischt sich mit dem bereits in der Ringleitung 8 strömenden ersten Teil des Motorenöls.
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Das fließende Motorenöl wird aus der Ringleitung 8 über das zweite Verbindungselement 14 wieder dem Ölkreislauf 6 des Motors 4 zugeführt. Mit der anhand der vorgestellten Ausführungsform beschriebenen, optionalen zweiten Druckregeleinrichtung 26 kann vermieden werden, dass Motorenöl über das zweite Abzweigungselement 18 entgegen der vorgesehenen Strömungsrichtung des Motorenöls aus der Ringleitung 8 zu der Messzelle 22 fließen kann.
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Zur Untersuchung des durch die Messzelle 22 strömenden Motorenöls wird hier ein EDX-Analysegerät 28 verwendet, mit dem das Motorenöl durch energie-dispersive Röntgenfluoreszenzanalyse untersucht wird. Hierbei werden von dem EDX-Analysegerät 28 Röntgenstrahlen durch ein erstes Messfenster 24 gesendet. Diese Röntgenstrahlen strahlen durch das durch die Messzelle 22 fließende Motorenöl und werden dabei einer Wechselwirkung mit dem Motorenöl und darin befindlichen Partikeln unterzogen, wobei Richtungen und/oder Wellenlängen der Röntgenstrahlen u. a. in Abhängigkeit davon, welche Partikel und wieviele hiervon in dem Motorenöl vorhanden sind, modifiziert werden. Diese modifizierten Röntgenstrahlen verlassen über ein in der Regel zweites Messfenster 24 die Messzelle, werden von einem Empfangsmodul des EDX-Analysegeräts 28 empfangen und analysiert.
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In der hier beschriebenen Ausführungsform des Systems 2 ist das EDX-Analysegerät 28 mit einer Recheneinheit 30 verbunden, die dazu ausgebildet ist, Ergebnisse einer Analyse, die von dem EDX-Analysegerät 28 durchgeführt wird, weiter auszuwerten.
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Als Fenstermaterial für das mindestens eine Messfenster 24 der hier als Durchflussmesszelle ausgebildeten Messzelle 22 wird künstlicher, im CVD-Verfahren hergestellter Diamant verwendet.
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Mechanische Eigenschaften eines derartigen CVD-Diamanten sind anhand des Diagramms aus 2a dargestellt. In diesem Diagramm ist entlang einer Abszisse eine sogenannte Mohs-Härte zum Beschreiben einer Härte von Material aufgetragen. Entlang einer Ordinate des Diagramms ist eine Vickers-Härte in kg/mm3 aufgetragen.
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In dem Diagramm sind Balken für Werte von Vickers-Härten von unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Mohs-Härten aufgetragen. Im Einzelnen sind das Balken für Talk mit der Mohs-Härte 1, für Gips mit der Mohs-Härte 2, für Calcit mit der Mohs-Härte 3, für Fluorit mit der Mohs-Härte 4, für Aquatit mit der Mohs-Härte 5, für Feldspat mit der Mohs-Härte 6, für Quarz mit der Mohs-Härte 7, für Topas mit der Mohs-Härte 8, für Korund mit der Mohs-Härte 9 sowie für Diamant mit der Mohs-Härte 10.
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Dabei zeigt das Diagramm aus 2a, dass ein natürlicher Diamant und somit auch ein synthetisch hergestellter Diamant, bspw. ein CVD-Diamant, in der relativen Härteskala nach Mohs mit einem Wert von 10 und einer korrespondierenden Vickers-Härte von 10.000 kg/mm3 im Vergleich zu den anderen angeführten Materialien als härtestes Material klassifiziert ist und neben der sehr hohen Härte auch eine hohe Abriebfestigkeit aufweist. Diese Eigenschaft macht das mindestens eine Messfenster 24 der vorgesehenen Messzelle, das auch als Durchflussfenster bezeichnet werden kann, gegenüber mechanischen Beanspruchungen verschleißresistent und unempfindlich.
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Eine thermische Eigenschaft von CVD-Diamant ist anhand des Diagramms aus 2b dargestellt, bei dem entlang einer Abszisse eine Temperatur in °C aufgetragen ist. Über der Abszisse ist entlang einer Ordinate eine thermische Leitfähigkeit in W/mK aufgetragen. Eine hier aus Messpunkten, die in dem Diagramm durch Dreiecke repräsentiert sind, zusammengesetzte Messkurve zeigt eine Temperaturabhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit von CVD-Diamant. Dabei weist CVD-Diamant über einen großen Temperaturbereich eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf.
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Bei ca. 20 °C beträgt die Wärmeleitfähigkeit von CVD-Diamant ca. 2.000 W/mK und ist damit ca. viermal höher als die Leitfähigkeit von Kupfer. Dadurch ergibt sich, dass sich das mindestens eine Messfenster 24 der Messzelle 22 bei permanenter Bestrahlung mit Röntgenstrahlung nicht aufheizt. Hierbei entstehende Wärme kann effizient abgeführt werden, so dass ausgeschlossen werden kann, dass für das mindestens eine Messfenster 24 thermische Stresssituationen auftreten.
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In dem Diagramm aus 2c ist über einer Abszisse, entlang der Werte für Energie in Elektronenvolt angegeben sind, eine Ordinate aufgetragen, entlang der eine Durchlässigkeit und somit eine Transmission von Strahlung aufgetragen ist. In dem Diagramm sind mehrere Kurven eingetragen, die die energieabhängige Transmission von Folien aus CVD-Diamant mit unterschiedlichen Dicken, hier mit Dicken von 1 µm, 2 µm, 5 µm, 10 µm und 100 µm, darstellt, wenn derartige Folien von Fluoreszenzstrahlung, die bei der EDX-Analyse erzeugt wird, durchquert werden.
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Somit zeigt das Diagramm aus 2c, dass das mindestens eine Messfenster 24, für das CVD-Diamant als Fenstermaterial verwendet wird, über ein breites Energieband an Röntgenstrahlung eine gute Transparenz aufweist. Bei einer niedrigsten zu erwartenden Fluoreszenzstrahlung mit einer Energie von 1,3 keV, die bei einer K-alpha-1-Linie von Magnesium erzeugt wird, weist ein Messfenster 24, das aus einer 2 µm starken Folie aus CVD-Diamant gebildet ist, eine Transmission von ca. 50 % auf. Ein Absorptionsverlust und eine daraus resultierende Verringerung der analytischen Nachweisstärke sind mit der von einer ca. 3,5 mm starken Mylarfolie vergleichbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 03/091550 A1 [0005]
- WO 01/36966 A1 [0006]
- US 2004/0213373 A1 [0007]
