DE102018207441B4

DE102018207441B4 - Verfahren zum Analysieren der in einem Betriebsfluid einer Vorrichtung enthaltenen Partikel sowie Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens

Info

Publication number: DE102018207441B4
Application number: DE102018207441.0A
Authority: DE
Inventors: Dominik Huber; Niklas Berberich
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2022-08-18
Anticipated expiration: 2038-05-16
Also published as: US20210116351A1; WO2019219323A1; CN111868522A; DE102018207441A1; US11719614B2

Abstract

Verfahren zum Analysieren der in einem Betriebsfluid einer Vorrichtung (1) enthaltenen Partikel, wobei- das Analysieren während des Betriebs der Vorrichtung (1) erfolgt, wobei Betriebsfluid während des Analysierens einen Betriebsfluidkreislauf der Vorrichtung (1) durchströmt, wobei- an einer ersten Abzweigstelle (2) des Betriebsfluidkreislaufs ein Betriebsfluidstrom abgezweigt wird,- der abgezweigte Betriebsfluidstrom einer Abscheideeinrichtung (8) zugeführt wird, die den abgezweigten Betriebsfluidstrom aufzweigt in◯ einen ersten Betriebsfluidstrom und einen zweiten Betriebsfluidstrom, wobei◯ mittels der Abscheideeinrichtung (8) ein Großteil der in dem abgezweigten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel dem ersten Betriebsfluidstrom zugeführt werden, und- mittels einer Auswerteeinrichtung (14) mindestens ein Parameter der in dem ersten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel ermittelt wird,dadurch gekennzeichnet, dassmittels der Abscheideeinrichtung (8) mehr als 80% der in dem abgezweigten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel dem ersten Betriebsfluidstrom zugeführt werden, wobeials Abscheideeinrichtung ein Hydrozyklon verwendet wird,der erste Betriebsfluidstrom stets kleiner als der zweite Betriebsfluidstrom ist, wobei das Volumenstromverhältnis des ersten Betriebsfluidstroms in Bezug auf den zweiten Betriebsfluidstrom kleiner als 1:10 ist,die Vorrichtung ein Motor (1), insbesondere ein Verbrennungsmotor ist und der Betriebsfluidstrom im Bereich zwischen 5 l/min und 50 l/min liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren der in einem Betriebsfluid einer Vorrichtung enthaltenen Partikel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US 2015 / 0 048 011 A1 bekannt. Zum technischen Hintergrund der Erfindung zählt die US 2009 / 0 211 379 A1.
In das Motoröl von Verbrennungsmotoren können Feststoffpartikel gelangen, die, wenn sie an „Laufflächen“ bewegter Motorteile gelangen, zu mechanischen Schäden am Verbrennungsmotor führen können. Solche Feststoffpartikel können z.B aus dem Fertigungsprozess des Motors stammen oder aus Abnutzungs- bzw. Verschleißprozessen resultieren.
Bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren ist es daher wichtig, dass im Rahmen der Qualitätskontrolle festgestellt wird, ob im Motoröl Feststoffpartikel in einer kritischen Menge und/oder einer kritischen Größe enthalten sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Analysieren der in einem Betriebsfluid einer Vorrichtung, insbesondere einem Verbrennungsmotor, enthaltenen Partikeln anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, das erfindungsgemäße Analyseverfahren während des Betriebs der Vorrichtung (z. B. Verbrennungsmotor) durchzuführen, d. h. während ein Betriebsfluid (z. B. Motoröl) einen Betriebsfluidkreislauf (z.B. Motorölkreislauf) der Vorrichtung (z. B. Verbrennungsmotor) durchströmt. Hierfür wird an einer ersten Abzweigstelle des Betriebsfluidkreislaufs der Vorrichtung ein Betriebsfluidstrom zu Analysezwecken abgezweigt. Der abgezweigte Betriebsfluidstrom wird anschließend auf (Schad-)Partikel untersucht und zwar „in-line“, d. h. während des Betriebs der Vorrichtung.
Für die Analyse der in dem abgezweigten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel kommen verschiedene bekannte Verfahren, wie z. B. Laserabschattungsverfahren, Laserbeugungsverfahren, auf einer kamerabasierte Auflichtverfahren oder Siebblockadeverfahren etc. in Betracht. Viele dieser Verfahren können jedoch nur ab einer gewissen Mindestkonzentration von Feststoffpartikeln sinnvoll angewendet werden. Üblicherweise ist die Konzentration der im Motoröl von Verbrennungsmotoren enthaltenen Feststoffpartikel so gering, dass derartige Verfahren zumindest ohne weiteres nicht angewendet werden können.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht im Einsatz einer „Abscheideeinrichtung“, welche eine Anwendung der o. g. Verfahren ermöglicht. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der aus dem Betriebsfluidkreislauf abgezweigte Betriebsfluidstrom der Abscheideeinrichtung zugeführt und mittels der Abscheideeinrichtung in einen ersten Betriebsfluidstrom und in einen zweiten Betriebsfluidstrom aufgezweigt, wobei mittels der Abscheideeinrichtung ein Großteil der in dem abgezweigten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel dem ersten Betriebsfluidstrom zugeführt werden. Dadurch kommt es zu einer Erhöhung der Konzentration von Feststoffpartikeln in dem ersten Betriebsfluidstrom, was eine Anwendung der o. g. Analyseverfahren ermöglicht.
Dementsprechend wird gemäß der Erfindung mittels einer elektronischen Auswerteeinrichtung mindestens ein Parameter der in dem ersten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel ausgewertet. Auf diese Weise kann auf die im gesamten Betriebsfluid der Vorrichtung enthaltenen Partikel rückgeschlossen werden, z. B. auf deren Größe bzw. Größenverteilung, Anzahl bzw. Konzentration, Herkunft etc.
Es kann vorgesehen sein, dass mittels der Abscheideeinrichtung mehr als 80% oder mehr als 90% oder mehr als 95% der in dem abgezweigten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel dem ersten Betriebsfluidstrom zugeführt werden. Dadurch wird eine starke Erhöhung der Partikelkonzentration im ersten Betriebsfluidstrom in Bezug auf den zweiten Betriebsfluidstrom erreicht, was für die Anwendung der o. g. Analyseverfahren oder andere Analyseverfahren von Vorteil bzw. Voraussetzung ist.
Gemäß der Erfindung kann eine Abscheideeinrichtung verwendet werden, die auf dem Prinzip der Fliehkraftabscheidung basiert. Beispielsweise kann ein auf dem Markt erhältliches Hydrozyklon verwendet werden. Ein Hydrozyklon ist eine rein mechanische bzw. strömungsmechanische Vorrichtung mit einem Fluideingang und zwei Fluidausgängen. Über den Fluideingang strömt der abgezweigte Betriebsfluidstrom in das Hydrozyklon ein und wird auf eine Kreisbahn gezwungen. In einem konischen Abschnitt des Hydrozyklons kommt es aufgrund von Fliehkraft- und Wirbeleffekten zu einer Aufspaltung des abgezweigten Betriebsfluidstroms in den ersten partikelreichen Betriebsfluidstrom und den zweiten, partikelarmen Betriebsfluidstrom. Der erste Betriebsfluidstrom strömt über einen ersten Ausgang des Hydrozyklons aus dem Hydrozyklon heraus. Der zweite Betriebsfluidstrom strömt über einen zweiten Ausgang des Hydrozyklons aus dem Hydrozyklon heraus. Vorzugsweise ist das Hydrozyklon so dimensioniert, dass der erste Betriebsfluidstrom stets kleiner als der zweite Betriebsfluidstrom ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das das Volumenstromverhältnis des ersten Betriebsfluidstroms in Bezug auf den zweiten Betriebsfluidstrom kleiner als 1:10 oder kleiner als 1:15 oder kleiner als 1:20 ist. Beispielsweise kann der erste Betriebsfluidstrom 5% des zweiten Betriebsfluidstroms sein.
Wie oben bereits erwähnt, kann der über den ersten Ausgang des Hydrozyklons bzw. der Abscheideeinrichtung abströmende erste Betriebsfluidstrom mittels einer elektronischen Auswerteeinrichtung hinsichtlich der in ihm enthaltenen Feststoffpartikeln näher analysiert werden. Ein Vorteil der Erfindung ist insbesondere darin zu sehen, dass durch die Erhöhung der Konzentration von Feststoffpartikeln in dem ersten Betriebsfluidstrom bestimmte Auswerteverfahren, die eine Mindestkonzentration von Feststoffpartikeln erfordern, anwendbar sind.
Beispielsweise kann mittels einer elektronischen Auswerteeinrichtung die Konzentration oder die Anzahl der in dem ersten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel ermittelt werden und/oder die Verteilung der Partikelgrößen der in dem ersten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel, und/oder die Konzentration oder die Anzahl von Partikeln bestimmter, vorgegebener Partikelgrößen bzw. vorgegebener Partikelgrößenbereiche, etc.
Hierbei können z. B. die oben bereits erwähnten optischen Auswerteverfahren (z. B. Laserabschattungsverfahren, Laserbeugungsverfahren, Kameraanalyseverfahren etc.) oder auf Differenzdruckmessungen basierende Verfahren (z. B. Siebblockademessverfahren) eingesetzt werden.
Nach der Auswertung durch die Auswerteeinrichtung kann zumindest der flüssige Anteil des ersten Betriebsfluidstroms wieder in den Betriebsfluidkreislauf der Vorrichtung ein- bzw. zurückgeleitet werden.
In dem ersten Betriebsfluidstrom enthaltene Partikel können stromabwärts der Auswerteeinrichtung dem ersten Betriebsfluidstrom mittels einer Filtereinrichtung entzogen werden. Hierfür kann beispielsweise ein Metallgewebefilter eingesetzt werden.
Vorzugsweise wird hierbei ein „waschbarer Filter“ (wie z. B. ein Metallgewebefilter) verwendet, d. h. ein Filter, aus dem die dem ersten Betriebsfluidstrom entzogenen Feststoffpartikel wieder herausgewaschen werden können. Gemäß der Erfindung kann nämlich vorgesehen sein, dass die in dem ersten Betriebsfluidstrom mittels der Filtereinrichtung entzogenen Partikel der Filtereinrichtung entnommen und anschließend hinsichtlich ihrer chemischen Beschaffenheit oder ihres Materials untersucht werden.
Durch einen Vergleich der chemischen Beschaffenheit bzw. des Materials einzelner über die die Filtereinrichtung herausgefilterter Partikel mit dem in einer vorgegebenen Materialdatenbank enthaltenen chemischen Zusammensetzungen bzw. Materialien kann dann festgestellt werden, von welcher Komponente oder von welchen Komponenten der Vorrichtung einzelne Partikel stammen oder stammen könnten. Im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren kann also beispielsweise festgestellt werden, ob es sich bei einzelnen Partikeln um Partikel des Kurbelgehäuses oder der Herstellung des Kurbelgehäuses (z. B. Sandpartikel oder Schleifspäne) handelt oder beispielsweise um Partikel, die von verschleißbedingtem Abrieb herrühren.
Der von der Abscheideeinrichtung kommende zweite Betriebsfluidstrom kann ebenfalls wieder dem Betriebsfluidkreislauf zugeführt werden.
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren angewendet wird, kann der Betriebsfluidstrom beispielsweise im Bereich zwischen 51/m in und 501/m in oder im Bereich zwischen 10l/m in oder 40l/min liegen.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Die einzige 1 zeigt das Grundprinzip der Erfindung anhand eines schematischen Schaltplans.
Ein hier nur sehr schematisch dargestellter Verbrennungsmotor 1 weist in ein seinem Inneren einen Betriebsfluidkreislauf (Motorölkreislauf) auf. An einer ersten Abzweigstelle 2 kann Betriebsfluid (Motoröl) aus dem Betriebsfluidkreislauf (Motorölkreislauf) des Verbrennungsmotors abgezweigt und über Ventile 3, 4 von einer Pumpe 5 der erfindungsgemäßen Analysevorrichtung angesaugt werden.
Über einen Wärmetauscher 6 kann der von dem Betriebsfluidkreislauf des Motors abgezweigte Betriebsfluidstrom temperiert (z. B. beheizt oder gekühlt) werden. Anschließend strömt der abgezweigte Betriebsfluidstrom zu einem Eingang 7 einer Abscheideeinrichtung 8, bei der es sich um einen Fliehkraftabscheider (z.B. ein Hydrozyklon) handeln kann. Die Abscheideeinrichtung 8 weist einen ersten Ausgang 9 und einen zweiten Ausgang 10 auf. Der über den Eingang 7 in die Abscheideeinrichtung 8 einströmende abgezweigte Betriebsfluidstrom wird auf einen über den ersten Ausgang 9 abströmenden ersten Betriebsfluidstrom und einen über den zweiten Ausgang 10 abströmenden zweiten Betriebsfluidstrom aufgezweigt. Der erste Betriebsfluidstrom 9 ist deutlich kleiner als der zweite Betriebsfluidstrom. Das Volumenstromverhältnis der beiden Betriebsfluidströme kann beispielsweise kleiner als 1:10 oder kleiner als 1:15 oder kleiner als 1:20 sein.
Der über den ersten Ausgang 9 abströmende erste Betriebsfluidstrom weist aber eine wesentlich größere Partikelkonzentration auf als der über den zweiten Ausgang 10 abströmende zweite Betriebsfluidstrom. Die Abscheideeinrichtung 8 „lenkt“ somit die meisten über den Eingang 7 zu strömenden Partikel in den ersten Betriebsfluidstrom. Beispielsweise können mehr als 80% oder mehr als 90% oder mehr als 95% in den ersten Betriebsfluidstrom geleitet werden.
Der zweite Betriebsfluidstrom strömt über den zweiten Ausgang 10 , ein Ventil 11 direkt oder indirekt über einen Filter 12, bei dem es sich beispielsweise um einen Zellulosefilter handeln kann, und eine weitere Abzweigstellte 13 zurück in den Betriebsfluidkreislauf des Motors 1.
Der erste Betriebsfluidstrom strömt über den ersten Ausgang 9 zu einer elektronischen bzw. optoelektronischen Auswerteeinrichtung 14. Die Auswerteinrichtung 14 wird also von dem ersten Betriebsfluidstrom durchströmt. Während des Durchströmens wird dabei mindestens ein Parameter der in dem ersten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel gemessen bzw. ausgewertet. Beispielsweise kann die Konzentration oder die Anzahl der in dem ersten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Verteilung der Partikelgrößen der in dem ersten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel ermittelt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Konzentration oder die Anzahl von Partikeln bestimmter vorgegebener Partikelgrößen bzw. Partikelgrößenbereiche ermittelt werden.
Sofern in dem ersten Betriebsfluidstrom „kritische Partikel“ enthalten sind, kann der erste Betriebsfluidstrom über ein Ventil 15 einem „waschbaren Filter“ (z. B. eine Metallgewebefilter) und weiter über ein Ventil 17 zurück in den Betriebsfluidkreislauf des Motors 1 geleitet werden. Über den Filter 16 herausgefilterte Partikel können dem Filter 16 entnommen werden, (z. B. aus dem Filter 16 ausgewaschen werden) und hinsichtlich ihrer chemischen Beschaffenheit bzw. Materialzusammensetzung näher analysiert werden. Durch diese Weise kann beispielsweise festgestellt werden, von welcher Komponente des Motors 1 einzelne Partikel stammen bzw. stammen könnten.
Durch Umschalten des Ventils 15 kann der ersten Betriebsfluidstrom auch direkt, d. h. unter Umgehung des Filters 16 über das Ventil 17 zurück in den Betriebsfluidkreislauf des Motors geleitet werden.

Claims

Verfahren zum Analysieren der in einem Betriebsfluid einer Vorrichtung (1) enthaltenen Partikel, wobei - das Analysieren während des Betriebs der Vorrichtung (1) erfolgt, wobei Betriebsfluid während des Analysierens einen Betriebsfluidkreislauf der Vorrichtung (1) durchströmt, wobei - an einer ersten Abzweigstelle (2) des Betriebsfluidkreislaufs ein Betriebsfluidstrom abgezweigt wird, - der abgezweigte Betriebsfluidstrom einer Abscheideeinrichtung (8) zugeführt wird, die den abgezweigten Betriebsfluidstrom aufzweigt in ◯ einen ersten Betriebsfluidstrom und einen zweiten Betriebsfluidstrom, wobei ◯ mittels der Abscheideeinrichtung (8) ein Großteil der in dem abgezweigten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel dem ersten Betriebsfluidstrom zugeführt werden, und - mittels einer Auswerteeinrichtung (14) mindestens ein Parameter der in dem ersten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Abscheideeinrichtung (8) mehr als 80% der in dem abgezweigten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel dem ersten Betriebsfluidstrom zugeführt werden, wobei als Abscheideeinrichtung ein Hydrozyklon verwendet wird, der erste Betriebsfluidstrom stets kleiner als der zweite Betriebsfluidstrom ist, wobei das Volumenstromverhältnis des ersten Betriebsfluidstroms in Bezug auf den zweiten Betriebsfluidstrom kleiner als 1:10 ist, die Vorrichtung ein Motor (1), insbesondere ein Verbrennungsmotor ist und der Betriebsfluidstrom im Bereich zwischen 5 l/min und 50 l/min liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Abscheideeinrichtung (8) mehr als 90% oder mehr als 95% der in dem abgezweigten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel dem ersten Betriebsfluidstrom zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenstromverhältnis des ersten Betriebsfluidstroms in Bezug auf den zweiten Betriebsfluidstrom kleiner als 1:15 oder kleiner als 1:20 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswerteeinrichtung (14) ermittelt wird, a. die Konzentration oder die Anzahl der in dem ersten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel, und/oder b. die Verteilung der Partikelgrößen der in dem ersten Betriebsfluidstrom enthaltenen Partikel, und/oder c. die Konzentration oder die Anzahl von Partikeln bestimmter vorgegebener Partikelgrößen bzw. Partikelgrößenbereiche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der flüssige Anteil des ersten Betriebsfluidstroms nach der Auswertung durch die Auswerteeinrichtung (14) wieder dem Betriebsfluidkreislauf zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts der Auswerteeinrichtung (14) dem ersten Betriebsfluidstrom mittels einer Filtereinrichtung (16) Partikel entzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem ersten Betriebsfluidstrom mittels der Filtereinrichtung (16) entzogenen Partikel der Filtereinrichtung entnommen werden, wobei die entnommenen Partikel hinsichtlich ihrer chemischen Beschaffenheit oder ihres Materials untersucht werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Vergleich der chemischen Beschaffenheit oder des Materials mindestens eines entnommenen Partikels mit den in einer Materialdatenbank enthaltenen chemischen Zusammensetzungen bzw. Materialien ermittelt wird, von welcher Komponente oder von welchen Komponenten der Vorrichtung der mindestens eine entnommene Partikel stammt oder stammen könnte.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Betriebsfluidstrom dem Betriebsfluidkreislauf zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsfluid ein Öl ist.