DE102021118828B3

DE102021118828B3 - Verfahren zur Abschätzung des Gasgehalts in einem Schmieröl eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102021118828B3
Application number: DE102021118828.8A
Authority: DE
Inventors: Hong Truc Jung
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2022-10-20
Anticipated expiration: 2041-07-22

Abstract

Verfahren zur Abschätzung des Gasgehalts in einem Schmieröl eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, umfassend die Schritte:Erfassung von physikalischen Größen (100) des Antriebsmotors und des Gasgehalts (110) in dem Schmieröl während eines Betriebs des Antriebsmotors,Erstellen und/oder kontinuierliches Optimieren eines Gasgehaltmodells (130) anhand von Trainingsdaten (120), wobei die Trainingsdaten (120) die erfassten physikalischen Größen (100) und den erfassten Gasgehalt (110) in unterschiedlichen Betriebsmodi des Antriebsmotors umfassen,Abschätzung des Gasgehalts in dem Schmieröl des Antriebsmotors aus den physikalischen Größen (100) des Antriebsmotors mittels des Gasgehaltmodells (130).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abschätzung des Gasgehalts in einem Schmieröl eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs.
Ein Antriebsmotor, insbesondere ein Verbrennungsmotor, weist eine Vielzahl von relativ zueinander bewegenden Komponenten auf, welche aneinander abgleiten. Um den Verschleiß an den Komponenten zu reduzieren, wird Schmiermittel, insbesondere Schmieröl, in einen Spalt zwischen den Komponenten eingefügt. Dabei muss das Schmieröl vielerlei Anforderungen erfüllen, die durch chemische, physikalische und technologische Eigenschaften, wie beispielsweise die Viskosität, das Fließverhalten und die Umweltverträglichkeit des Schmieröls, charakterisiert sind.
Im Betrieb des Antriebsmotors besteht die Gefahr, dass durch Ölplanschen, Verwirbelungen, hohe Umwälzzahlen, eine geringe Ölmenge oder durch Luftansaugungen ein Schmieröl-Luft-Gemisch entsteht und dadurch eine ausreichende Schmierung der relativ zueinander bewegenden und aneinander abgleitenden Komponenten nicht mehr gewährleistet ist. Die Luft bzw. das Gas kann in drei unterschiedlichen Arten in dem Schmieröl vorliegen, nämlich in Form eines Oberflächenschaums, in Form von in dem Schmieröl gelöster Luft und in Form von im Schmieröl dispergierter Luft. Insbesondere der dritte Fall, d.h. die in dem Schmieröl dispergierte Luft, kann zu einer Veränderung der Schmieröleigenschaften und damit zu einem Versagen der Schmierung zwischen den relativ zueinander bewegenden Komponenten führen. Dabei verursacht die dispergierte Luft im Schmieröl eine Kompressibilität und eine Reduzierung der Schmierfilmdicke, wodurch eine Erhöhung des Verschleißes, eine unregelmäßige Bewegung eines Hydrauliksystems, eine unerwünschte Geräuschentwicklung, eine Verschlechterung der Kühlung und eine Einschränkung der Ölstandsmessung verursacht wird.
Um eine derartige Verschlechterung der Schmierung bzw. einen vollständigen Ausfall der Schmierung detektieren zu können, wird der Gasgehalt durch Gasgehaltsensoren überwacht. Anderenfalls kann der Gasgehalt durch die Messung einer oder mehrerer Kenngrößen des Schmieröls, beispielsweise des Drucks, der Temperatur oder der Dichte, ermittelt werden, wobei über physikalische Zusammenhänge zwischen den Kenngrößen und dem Gasgehalt der Gasgehalt unmittelbar bestimmt wird. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der DE 10 2015 105 427 A1 , der DE 10 2005 029 824 B4 und der DE 689 13 504 T2 offenbart.
Weiterhin ist aus DE 10 2011 121 415 A1 , der DE 10 2007 042 507 B4 und der BE DE 10 2009 003 200 A1 bekannt, dass der Alterungszustand des Schmieröls, die Inhaltsstoffe des Schmieröls oder der Ölverschleiß des Schmieröls KI-basiert bzw. durch auf maschinellem Lernen basierende Verfahren ermittelt wird.
Nachteilig an einer derartigen Überwachung des Gasgehalts mittels Gasgehaltsensoren ist, dass die Gasgehaltsensoren aufwendig und kostenintensiv sind. Außerdem können die Gasgehaltsensoren ausschließlich an einem Prüfstand eingesetzt werden, da die Gasgehaltsensoren für eine Messung des Gasgehalts im Schmieröl bei Feldversuchen, d.h. im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs, nicht geeignet sind.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem der Gasgehalt im Schmieröl auf eine einfache und zuverlässige Weise ermittelt werden kann. Insbesondere soll eine Ermittlung des Gasgehalts im Schmieröl auch im Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs möglich sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
Für einen zuverlässigen Betrieb eines Antriebsmotors ist es zwingend erforderlich, dass eine Mindestschmierfilmdicke zwischen zwei, relativ zueinander bewegenden und aneinander abgleitenden Komponenten des Antriebsmotors jederzeit vorliegt, da bereits durch einen kurzzeitigen Ausfall der Schmierung ein Schaden an dem Antriebsmotor entstehen könnte, wodurch die Lebensdauer des Antriebsmotors reduziert wird. Eine Ursache für den Ausfall der Schmierung ist die in dem Schmieröl vorliegende Luft, d.h. Gas, durch welche das Schmieröl kompressibel wird und durch welche die Schmierwirkung reduziert wird. Dabei variiert die im Schmieröl enthaltene Luft in Abhängigkeit vom Betriebspunkt des Antriebsmotors.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der im Schmiermittel enthaltene Gasgehalt, d.h. der Luftgehalt oder der Anteil eines anderen im Schmieröl enthaltenen Gases, zuverlässig abgeschätzt werden. Dadurch kann ein Ausfall der Schmierung im Betrieb des Antriebsmotors zuverlässig und auf eine einfache Weise erkannt werden und ggfs. durch eine Anpassung der Ansteuerung des Antriebsmotors eine Beschädigung des Antriebsmotors aufgrund einer nicht ausreichenden Schmierung verhindert werden.
Um den Gasgehalt im Schmieröl im Betrieb des Antriebsmotors zuverlässig und ohne den Einsatz kostenintensiver Gasgehaltsensoren abzuschätzen, wird ein datenbasiertes Gasgehaltmodell anhand von Trainingsdaten erstellt und kontinuierlich optimiert. Eine derartige Vorgehensweise wird als maschinelles Lernen bezeichnet. Zur Erstellung des Gasgehaltmodells wird ein Algorithmus mit den Trainingsdaten trainiert, auch Modelltraining genannt, wobei der Algorithmus Muster, Zusammenhänge, Abhängigkeiten und verborgene Strukturen erkennt, d.h. der Algorithmus aus den Trainingsdaten lernt und seinen Programmcode eigenständig erstellt.
Bevor der Algorithmus mit Trainingsdaten trainiert werden kann, werden Trainingsdaten gesammelt, indem für unterschiedliche Betriebspunkte des Antriebsmotors physikalische Größen des Antriebsmotors durch unterschiedliche Sensoren sowie der Gasgehalt in dem Schmieröl durch einen Gasgehaltsensor ermittelt werden. Die durch den Gasgehaltsensor ermittelten Gasgehalte im Schmiermittel dienen beim Erstellen des Gasgehaltmodells als Zielgröße, wobei das Gasgehaltmodell einen Zusammenhang zwischen den physikalischen Größen des Antriebsmotors und dem Gasgehalt herstellt.
Bei einer späteren Analyse und/oder bei einer späteren Überwachung des Gasgehalts in dem Schmieröl im ordnungsgemäßen Betrieb des Antriebsmotors werden ausschließlich physikalische Größen dem Gasgehaltmodell zugeführt, wobei das Gasgehaltmodell einen geschätzten Gasgehalt im Schmieröl in Abhängigkeit von den vorliegenden physikalischen Größen ausgibt.
Auf diese Weise kann der Gasgehalt im Schmieröl im Betrieb des Antriebsmotors einfach und zuverlässig ermittelt werden, wobei keine zusätzliche Messtechnik, insbesondere kein Gasgehaltsensor, erforderlich ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die physikalischen Größen und der Gasgehalt zur Erstellung und Optimierung des Gasgehaltmodells standardisiert. Die unterschiedlichen, gemessenen physikalischen Größen und der gemessene Gasgehalt weisen unterschiedliche Einheiten und unterschiedliche Wertebereiche auf. Um die Messwerte der physikalischen Größen und des Gasgehalts vergleichbar zu machen, werden alle Messsignale standardisiert. Dies erfolgt dadurch, dass von den physikalischen Größen und dem Gasgehalt die entsprechenden arithmetische Mittelwerte subtrahiert werden und durch die dazugehörigen Standardabweichungen dividiert werden.
Vorzugsweise werden durch einen Optimierungsalgorithmus physikalische Größen zur Erstellung und Optimierung des Gasgehaltmodells gezielt ausgewählt. Bei der Erstellung des Gasgehaltmodells durch die Trainingsdaten, sind nicht alle Werte der physikalischen Größen nutzbar, um das Gasgehaltmodell zur bestmöglichen Abschätzung des Gasgehalts zu erhalten. Durch den Optimierungsalgorithmus werden ausschließlich die Werte aus den gemessenen physikalischen Größen ausgewählt, durch welche ein Gasgehaltmodell zur bestmöglichen Abschätzung des Gasgehalts, d.h. der geschätzte Gasgehalt entspricht im Wesentlichen dem gemessenen Gasgehalt, geschaffen wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die ausgewählten physikalischen Größen durch Gewichtungsparameter gewichtet. Bestimmte physikalische Größen bzw. bestimmte Einzelwerte der physikalischen Größen haben einen höheren Einfluss auf das Ergebnis als andere physikalische Größen oder Einzelwerte. Durch den Algorithmus werden die physikalischen Größen unterschiedlich gewichtet, wobei beispielsweise die Gewichtungen zufällig verändert werden und die Variante auswählen wird, welche die besten Ergebnisse, d.h. die an die tatsächlichen, gemessenen Gasgehalte nächstkommende abgeschätzten Gasgehalte im Schmieröl, hervorbringt.
Vorzugsweise wird das Gasgehaltmodell durch Training eines Datenregressionsalgorithmus erhalten, wobei vorzugsweise eine polynomiale Regression angewandt wird. Dadurch kann auf eine einfache Weise ein Gasgehaltmodell erstellt werden, durch welches im späteren Betrieb des Antriebsmotors aus den Eingangsgrößen, d.h. aus den physikalischen Größen, die Ausgangsgröße, d.h. der Gasgehalt im Schmieröl, abgeschätzt werden kann.
Vorzugsweise sind die physikalischen Größen die Ölpumpendrehzahl einer Schmierölpumpe, die Schmieröltemperatur, der Schmieröldruck eines Schmierölkreislaufs, die Drehzahl des Antriebsmotors und /oder das Drehmoment des Antriebsmotors. Dabei werden die physikalischen Größen zur Abschätzung des Gasgehalts im Schmieröl verwendet, welche nicht unmittelbar mit dem Gasgehalt des Schmieröls zusammenhängen und auf eine einfache Weise, beispielsweise durch ein Auslesen eines bereits im Kraftfahrzeug vorliegenden On-Board-Diagnosesystems, ermittelt werden können. Insbesondere ist eine zusätzliche Messung der physikalischen Größen nicht erforderlich, da diese bereits für andere Anwendungen erfasst werden oder einfach ausgelesen werden können. Durch die ausgewählten physikalischen Größen kann im Betrieb des Antriebsmotors auf eine einfache Weise der Gasgehalt im Schmieröl ermittelt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

1 zeigt einen Ablaufplan einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die 1 stellt einen Ablaufplan einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abschätzung des Gasgehalts im Schmieröl eines Antriebsmotors dar.
Die Kenntnis des Gasgehalts im Schmieröl im Betrieb des Antriebsmotors ist sinnvoll, da der Antriebsmotor, insbesondere ein Verbrennungsmotor, mehrere, relativ zueinander bewegende, aneinander abgleitende und durch das Schmieröl zu schmierende Komponenten aufweist, wobei durch das in dem Spalt zwischen den Komponenten vorliegende Schmieröl insbesondere der Verschleiß an den Komponenten reduziert wird. Im Betrieb des Antriebsmotors besteht die Gefahr, dass durch Ölplanschen, Verwirbelungen, hohe Umwälzzahlen, eine geringe Ölmenge oder durch Luftansaugungen ein Schmieröl-Gas-Gemisch bzw. ein Schmieröl-Luft-Gemisch entsteht und dadurch eine ausreichende Schmierung der relativ zueinander bewegenden und aneinander abgleitenden Komponenten nicht mehr gewährleistet ist. Dabei kann die Luft in drei unterschiedlichen Arten in dem Schmieröl vorliegen, nämlich in Form eines Oberflächenschaums, in Form von in dem Schmieröl gelöster Luft und in Form von im Schmieröl dispergierter Luft. Insbesondere der dritte Fall, d.h. die in dem Schmieröl dispergierte Luft, kann zu einer Veränderung der Schmieröleigenschaften und damit zu einem Versagen der Schmierung zwischen den relativ zueinander bewegenden Komponenten führen. Dabei verursacht die dispergierte Luft im Schmieröl eine Reduzierung der Schmierfilmdicke und dadurch insbesondere eine Erhöhung des Verschleißes.
Die Ermittlung des Gasgehalts in dem Schmieröl erfolgt durch das in der Figur dargestellte Verfahren.
Auf der linken Seite der Figur ist der Ablaufplan des online, also während des Betriebs des Antriebsmotors, erfolgenden Verfahrens abgebildet. In ersten Schritt 1 werden die physikalischen Größen 100, d.h. Sensordaten unterschiedlicher Sensoren des Antriebsmotors, insbesondere eines Verbrennungsmotors, erfasst. Die physikalischen Größen 100 sind insbesondere die Ölpumpendrehzahl einer das Schmieröl fördernden Pumpe, die Schmieröltemperatur an unterschiedlichen Stellen eines Schmierölkreislaufs, der Schmieröldruck des Schmierölkreislaufs, die Drehzahl des Antriebsmotors und das Drehmoment des Antriebsmotors.
Im zweiten Schritt 2 werden die Sensordaten, d.h. die gemessenen Werte der physikalischen Größen 100, aufbereitet und die aufbereiteten Sensordaten 200 einer Berechnung des Gasgehalts im Schmieröl im dritten Schritt 3 zugeführt. Die Berechnung bzw. Abschätzung des Gasgehalts in dem Schmieröl erfolgt durch ein Gasgehaltmodell 130. Das im dritten Schritt 3 ermittelte Ergebnis 300 ist der aktuelle Gasgehalt im Schmieröl, welcher ausgegeben wird und zur Weiterverwendung, insbesondere zur Analyse des Antriebsmotors im Fahrbetrieb und in Prüfstandversuchen oder zur Ansteuerung des Antriebsmotors, weiterverwendet werden kann.
Auf der rechten Seite der Figur ist der Ablaufplan der Erstellung und Optimierung des Gasgehaltmodells 130 für das Abschätzen des Gasgehalts in dem Schmieröl im Betrieb abgebildet. Die Erstellung des Gasgehaltmodells 130 erfolgt offline, wobei auf einem Prüfstand des Antriebsmotors im ersten Schritt 11 Rohdaten der physikalischen Größen 100 und Rohdaten 110 des Gasgehaltsensors ermittelt werden. Dabei werden wie bereits erläutert, die Ölpumpendrehzahl einer das Schmieröl fördernden Pumpe, die Schmieröltemperatur an unterschiedlichen Stellen eines Schmierölkreislaufs, der Schmieröldruck des Schmierölkreislaufs, die Drehzahl des Antriebsmotors und das Drehmoment des Antriebsmotors mittels unterschiedlicher Sensoren ermittelt. Weiterhin wird während den Prüfstandsversuchen der Gasgehalt in dem Schmieröl erfasst.
Aus den ermittelten Rohdaten 110 des Gasgehaltssensors und Rohdaten 100 der physikalischen Größen werden in einem zweiten Schritt 12 durch einen Optimierungsalgorithmus die für die Erstellung des Gasgehaltmodells 130 nutzbaren Werte ausgewählt, standartisiert und gewichtet. Die Standardisierung dient der Vergleichbarkeit der Rohdaten, welche ursprünglich unterschiedliche Einheiten und Wertebereiche aufweisen. Dabei werden von den Rohdaten 100, 110 die entsprechenden Mittelwerte subtrahiert und durch die Standartabweichungen dividiert. Die Gewichtung dient dazu, dass entsprechende physikalische Größen bzw. Werte der physikalischen Größen für die Erstellung des Gasgehaltmodells stärker ins Gewicht fallen sollen als andere, um eine möglichst geringe Abweichung zwischen dem durch das Gasgehaltmodell geschätzten Gasgehalt und dem tatsächlichen bzw. dem gemessenen Gasgehalt zu erzielen. Die Auswahl bestimmter Werte mittels des Optimierungsalgorithmus dient ebenfalls diesem Ziel. Der daraus entstandene Trainingsdatensatz 120 aus physikalischen Größen 100 und den Gasgehaltwerten 110 wird zur Erstellung des Gasgehaltmodels 130 verwendet.
Mit dem Trainingsdatensatz 120 wird in einem dritten Schritt 13 ein Datenregressionsalgorithmus 131 trainiert und ein Gasgehaltmodell 130 erstellt. Dabei werden Muster, Zusammenhänge, Abhängigkeiten und verborgenen Strukturen im Trainingsdatensatz 120 erkannt und ein Programmcode eigenständig erstellt. Durch dieses maschinelle Lernen wird ein statistisch optimiertes Gasgehaltmodell 130 erzeugt.
Das Gasgehaltmodell 130 wird beispielsweise in einem Steuergerät des Antriebsmotors implementiert und kann zur Abschätzung des Gasgehalts in dem Schmiermittel verwendet werden.
Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen.

Claims

Verfahren zur Abschätzung des Gasgehalts in einem Schmieröl eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, umfassend die Schritte: - Erfassung von physikalischen Größen (100) des Antriebsmotors und des Gasgehalts (110) in dem Schmieröl während eines Betriebs des Antriebsmotors, - Erstellen und/oder kontinuierliches Optimieren eines Gasgehaltmodells (130) anhand von Trainingsdaten (120), wobei die Trainingsdaten (120) die erfassten physikalischen Größen (100) und den erfassten Gasgehalt (110) in unterschiedlichen Betriebsmodi des Antriebsmotors umfassen, - Abschätzung des Gasgehalts in dem Schmieröl des Antriebsmotors aus den physikalischen Größen (100) des Antriebsmotors mittels des Gasgehaltmodells (130).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalischen Größen (100) und der Gasgehalt (110) zur Erstellung und Optimierung des Gasgehaltmodells (130) standardisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Optimierungsalgorithmus physikalische Größen (100) zur Erstellung und Optimierung des Gasgehaltmodells (130) gezielt ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgewählten physikalischen Größen (100) zur Erstellung und Optimierung des Gasgehaltmodells (130) durch Gewichtungsparameter gewichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgehaltmodell (130) durch Training eines Datenregressionsalgorithmus (131) erhalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalischen Größen (100) eine Ölpumpendrehzahl einer Schmierölpumpe, Schmieröltemperatur, Schmieröldruck eines Schmierölkreislaufs, die Drehzahl des Antriebsmotors und /oder das Drehmoment des Antriebsmotors ist.