DE10255943A1 - Verfahren zur In-situ-Bestimmung von Öleigenschaften - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur On-board-Messung des Ölzustandes, vorzugsweise zum Einsatz in Verbrennungsmotoren. Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bewertung des Ölzustandes, um einerseits die Schmierölwechselintervalle ohne Gefahr für den Motor bedarfsgerecht verlängern zu können und um andererseits frühzeitig kritische Motorzustände erkennen zu können. DOLLAR A Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die In-situ-Bestimmung von Öleigenschaften mit einem elektrischen Sensor ermöglicht. Dabei wird aus den Messwerten eines erfindungsgemäßen elektrischen Sensors der zu bestimmende Ölzustand ermittelt. Das Verfahren der Auswertung liefert von äußeren Einflüssen unabhängige Messsignale, die ausschließlich den momentanen Ölzustand wiedergeben. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Messung der Impedanz des zu untersuchenden Öls bei verschiedenen Öltemperaturen und der anschließenden Ermittlung von charakteristischen Parametern durch geeignete Datenreduktion. Die Zuordnung der gemessenen elektrischen charakteristischen Parameter zum gesuchten Ölzustand wird durch ein Expertensystem realisiert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur On-board-Messung des Ölzustandes, vorzugsweise für den Einsatz in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Vorbekannt sind den Ölzustand erfassende Messmethoden, die auf optischen und kapazitven Messprinzipien für Flüssigkeiten beruhen ( DE 34 13 135 A1 , US 2487238 ).
• Weiterhin sind Messverfahren, bei denen feinwerktechnisch hergestellte Sensoren oder Interdigitalstrukturen (kammförmige Elektroden) durch Messung der Leitfähigkeit oder der Impedanz ein elektrisches Signal zur Bewertung des Ölzustandes z.B. im Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges liefern, bekannt. So sind einige dieser Verfahren und Apparate, wie z.B.
• US 2840035 Oil conditioning testing and indicating device for automobiles (1958), US 3182255 Instrument for capacitively testing the condition of lubricating oil (1965) oder US 4733556 Method and apparatus for sensing the condition of lubricating oil in an internal combustion engine (1988) schon seit vielen Jahren bekannt, aber deren breite technische Anwendung ausgeblieben.
• DE 10121186A1 Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung eines Ölzustandes (2001) basiert auf einem Messverfahren ( US 5274335 ) bei dem sich das zu vermessende Öl in einem Spalt zwischen zwei mit Gold plattierten Eisenelektroden befindet. Zwischen den Elektroden wird eine Prüfspannung mit Dreieckwellenform angelegt und der dadurch induzierte Stromfluss als Parameter zur Ölzustandsbewertung eingesetzt. Der Vergleich der Stromwerte mit einem vorbestimmten Wert erfolgt bei einer Öltemperatur von 80°C.
• Diese Messverfahren können nur eine teilweise Charakterisierung des momentanen Schmierölzustandes vornehmen. Eine Reihe von entgegengesetzt wirkenden Einflussfaktoren z.B. auf die Impedanzmessung lassen nicht in jedem Fall eine eindeutige Interpretation des unspezifischen Messsignals zu. Das Messsignal ist von einer Reihe nicht oder nur schwer kontrollierbarer äußerer Faktoren abhängig, die die Auswertung des Messsignals verfälschen. In DE 10103532A1 Inline-Ölzustandssensor (2001) wird lediglich eine zweckmäßige Anordnung einer Sensorspitze im Motorölkreislauf zwischen Ölwanne und Ölkühler angegeben ohne deren Funktionsweise auszuführen.
• In US 20020113596 A1 Oil condition sensor and method for making the same (2002) wird eine konzentrische Elektrodenanordnung angegeben, wobei Informationen über den Ölzustand aus der Potentialdifferenz abgeleitet werden sollen.
• Des weiteren sind Verfahren bekannt, bei denen Kombinationen o.g. unspezifischer Sensoren mit spezifischen Sensoren eingesetzt werden, die beispielsweise direkt die Viskosität des Schmieröls oder dessen Neutralisationszahl messen. Im ersten Fall kommen piezoelektrische Oberflächenwellenbauelemente und im zweiten Fall elektrochemische Sensoren zur Anwendung. Nachteilig stellt sich hierbei der hohe Hardware-Aufwand und die damit verbundenen Kosten für die Integration verschiedenartiger Sensoren der breiten Anwendung entgegen.
• Ein für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung wird in DE 10000148 A1 Vorrichtung zur On-bord-Messung der Gebrauchseigenschaften von Motorenölen (2000) beschrieben. Die feinwerktechnisch hergestellte Elektrodenanordnung eines zylindrischen Adapterbauteils wird zwischen Motor und Ölfilter montiert.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren anzugeben, das die In-situ-Bestimmung von Öleigenschaften ermöglicht. Dabei werden aus den Messwerten eines erfindungsgemäßen elektrischen Sensors der zu bestimmende Ölzustand ermittelt. Das Verfahren der Auswertung soll von äußeren Einflüssen unabhängige Messsignale liefern, die ausschließlich den momentanen Ölzustand wiedergeben. Das für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft einsetzbare Ausführungsbeispiel eines Sensors soll die Vorteile der feinwerktechnische hergestellten Sensoren mit den in Schichttechnologie hergestellten Interdigitalstrukturen verbinden und deren Nachteile umgehen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Bewertung des Ölzustandes, um einerseits die Schmierölwechselintervalle ohne Gefahr für den Motor bedarfsgerecht verlängern zu können und um andererseits frühzeitig kritische Motorzustände erkennen zu können.
• Kennzeichnung der Erfindung
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur In-situ-Bestimmung von Öleigenschaften beruht auf der Messung der Impedanz des zu untersuchenden Öls und der anschließenden Ermittlung von charakteristischen Parametern durch geeignete Datenreduktion.
• Die In-situ-Bestimmung der Impedanz erfolgt mittels einer Messanordnung, bei der das zu untersuchende Öl als Dielektrikum das Messvolumen zwischen Elektroden ganz oder teilweise ausfüllt. Das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel eines Sensors besteht aus mindestens zwei ebenen Elektroden die sich in geringem Abstand gegenüberstehen. Der freie Spalt zwischen den Elektroden wird ganz oder teilweise vom zu untersuchenden Öl ausgefüllt, was in diesem Fall als Dielektrikum in einer kapazitiven Anordnung fungiert. Die Elektrodenplatten werden durch Abstandshalter (Spacer) auf konstante Distanz gehalten. Die Elektrodenplatten weisen auf der dem Spalt zugewandten Innenseite vollflächige oder maschenartige leitfähige Bereiche auf, die die Elektroden einer kapazitiven Anordnung darstellen. Diese Elektroden werden in Schichttechnologie hergestellt, vorzugsweise als Pt-Leitpaste in Dickschichttechnologie auf keramischem Aluminiumoxidträger. Zur Abschirmung gegenüber äußeren Störfeldern können die vom Spalt weg nach außen zeigenden Plattenflächen mit elektrisch und magnetisch abschirmenden Leitstrukturen versehen werden.
• Die Elektrodenplatten sind so anzuordnen, dass der ölgefüllte Spalt vertikal möglichst ausgerichtet ist. dadurch ist gewährleistet, dass sich bei Befüllung des Systems keine Gasphase unkontrolliert im Messvolumen befindet. Außerdem wird durch die vertikale Ausrichtung eine mögliche Ablagerung von Feststoffen auf den Elektrodenflächen vermieden. Befindet sich der mittlere Füllstand des Öls dauerhaft oder zeitweilig zwischen minimaler und maximaler Eintauchposition, kann aus den Messsignalen zusätzlich eine Information über den Ölstand abgeleitete werden.
• Das Paket der Elektrodenplatten lässt sich öldicht in eine Scheibe mit Außengewinde eingießen und somit als Einschraubsensor konfektionieren. Die elektrischen Kontaktierungen werden als Layer nach außen geführt und können dort weiter kontaktiert werden. Das Paket der Elektrodenplatten ragt fingerförmig in das Ölvolumen.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die komplexen Impedanzwerte bei mindestens vier verschiedenen Messfrequenzen bestimmt. In der Darstellung der Impedanzwerte der Imaginärteile als Funktion des Realteils (sog. Nyquist-Diagramm oder Cole-Cole-Plot oder Ortskurven) ordnen sich die Messwerte in charakteristischen Bögen an. Die geometrischen Parameter dieser Bögen werden mittels zyklischer Regression oder Kreisberechnung ermittelt. Der bei niedrigen Frequenzen (10 mHz bis 1 Hz) gemessene Teil der Impedanzwerte kann den Elektrodenphänomenen zugeordnet werden, während der bei höheren Frequenzen (>10 Hz) gemessene Teil der Impedanzwerte Informationen über das Ölvolumen beinhaltet (bulk-Phänomen). Die genaue Grenzfrequenz ist abhängig von der Dimensionierung der Elektrodenanordnung der Ölsorte und -qualität der Messtemperatur und wird in Vorversuchen ermittelt, wobei die gesuchte Grenzfrequenz dem Knickpunkt der bogenförmigen Messwertgruppierungen zugeordnet wird.
• Werden die logarithmierten Radien der Kreisbögen über dem Kehrwert der Öltemperatur in Grad Kelvin aufgetragen, ergeben sich bei ausreichend großer Variation der Öltemperatur (vorzugsweise in Bereich von 300 °K bis 400 °K) für jeden Ölzustand charakteristische Kurven (Arrhenius-Darstellung). Der Abstand der Öltemperaturen soll mindestens 10 K besser 5 K betragen. Im On-board-Betrieb der Messanordnung kann die Variation der Öltemperatur während des Warmlaufen des Motors oder in der Abkühlphase nach Motorstillstand ausgenutzt werden. Der Kurvenanstieg ist proportional zur Aktivierungsenergie der für den elektrischen Leitungsvorgang verantwortlichen Prozesse und in bestimmten Temperaturbereichen betrachtet charakteristisch für den Ölzustand.
• Neben der gezielt ausgenutzten Temperaturabhängigkeit der Impedanzmessung können zusätzliche Informationen über den Ölzustand aus der Variation eines DC-Spannungsoffsets gewonnen werden. Dabei werden die komplexen Impedanzwerte im Nyquist-Diagramm für verschiedene DC-Offsetwerte vorzugsweise zwischen 0 V und 1 V aufgetragen. Die bei niedrigen Frequenzen (Elektrodenphänomen) zu beobachtende Aufsplittung der Kreisbögen wird durch Bildung von Doppelschichten polarer Ölbestandteile an einer oder beiden Elektrodenplatten hervorgerufen und ist charakteristisch für den Ölzustand.
• Die Zuordnung der gemessenen elektrischen charakteristischen Parameter zum Ölzustand wird durch ein Expertensystem realisiert. Dieses beinhaltet alle notwendigen Informationen um die empirische Verknüpfung der Impedanzwerte mit dem Ölzustand zu ermöglichen. Im Ergebnis dessen bestimmt das erfindungsgemäße Verfahren aus den gemessenen Impedanzwerten eine oder mehrere den Ölzustand beschreibende Größen.
• Erläuterung der angestrebten Vorteile
• Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der On-line-Fähigkeit des Messablaufs. Ein ausschließlich mit elektrischen Messgrößen operierender Sensor ohne aufwendige Probennahme eignet sich gut für den On-board-Einsatz vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug.
• Der erfindungsgemäße Sensor lässt sich vorteilhaft in Schichttechnologie in Serie fertigen. Die vertikale Einbaulage verhindert das Verschmutzen der Elektrodenplatten durch Sedimentation von Feststoffen aus dem Öl. Außerdem wird eine Ölbefüllung frei von Gasblasen gewährleistet. Bei Anordnung der Elektrodenplatten im Schwankungsbereich des Ölfüllstandes kann dieser als zusätzlicher Parameter erfasst werden.
• Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im relativen Charakter der Messung. Somit werden gegenüber Absolutmessungen bestimmte Fehlereinflüsse beispielsweise eine Langzeitdrift des Temperatursensors a priori eliminiert, da während eines Messvorganges konstant bleibender systematischer Fehler auf die Bestimmung des Kurvenanstieges in der Arrheniusschen Darstellung keinen Einfluß hat. Dies trifft prinzipiell ebenfalls auf Fehlereinflüsse durch Schichtbildung an den Elektrodenplatten zu, die durch den relativen Charakter des Messverfahrens eliminiert werden. Zusätzlich lassen sich durch gezielte Auswertung der Impedanzwerte in einem nur für bulk-Phänomene relevanten Frequenzbereich mögliche Störungen hervorgerufen durch Veränderungen an den Elektroden (Verschmutzung) vermeiden.
• Im Ergebnis des Mess- und Auswertevorganges wird eine Größe bereitgestellt, die direkt in eine noch verbleibenden Restnutzungsdauer bzw. Fahrstrecke bis zum nächsten Ölwechsel umgerechnet und zur Anzeige gebracht werden kann. Bei Erreichen eines vorgegebenen Grenzwertes kann ein Warnsignal auf die notwendige Wartung hinweisen.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der 1 und 2 dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 die schematische Anordnung der Bauteile des Sensorkopfes eines erfindungsgemäßen Ölzustandssensors,
• 2 das Layout einer einzelnen Elektrodenplatte.
• 3 Arrheniussche Geraden für verschiedene Ölqualitäten
• 4 Vergleich von Arrheniusschen Geraden für 2 Qualitäten (ungetempert sowie getempert) eines Frischöls der Viskositätsklasse 0W-30. Die Arrheniusschen Geraden basieren zum einen auf Viskositätsmessungen und zum anderen auf Impedanzmessungen
• Ein erfindungsgemäßer Ölzustandssensor, der in 1 dargestellt ist, besteht aus mindestens zwei vertikal angeordneten Elektrodenplatten (1). Diese stehen sich paarweise gegenüber und bilden einen Spalt (2) aus, der vom zu untersuchenden Öl (4) durchströmt werden kann.
• Abstandshalter (3) zwischen den Elektrodenplatten stellen einen konstantes Spaltmaß in allen Betriebssituationen sicher. Auf den Platteninnenseiten sind in Schichttechnologie aufgebrachte Leiterbahnen, die über elektrische Anschlüsse (6) mit einer Messelektronik verbunden sind. Ein mit Außengewinde und Dichtelement versehener Sensorschaft (5) wird der erfindungsgemäße Ölzustandssensor in ein ölführendes Bauteil eingeschraubt oder auf konstruktive Weise integriert.
• In 2 ist ein mögliches Layout der Leitbahnen (8) auf den Elektrodenplatten (1) dargestellt. Die maschenartige Ausbildung der Leiterbahnen (8) verhindert Spannungsrisse bei thermisch bedingten Ausdehnungsunterschieden zwischen Plattenmaterial (vorzugsweise Al₂O₃-Keramik) und in Dickschichttechnologie aufgedruckten Leitbahnen (vorzugsweise Platin-Leitpasten). Die Leitbahnen (8) sind elektrisch mit Kontaktierungsinseln (7) verbunden, an denen die in 1 gezeigten elektrischen Kontaktierungen (6) angelötet werden können. Zwischen den Leitbahnen (8) gegenüberliegender Elektrodenplatten (1) bildet sich bei Anlegen einer Wechselspannung ein elektrisches Feld aus, wobei das zu untersuchende Öl als Dielektrikum zwischen den Elektrodenplatten (1) fungiert und mit seinen Stoffeigenschaften diese Feldausbildung beeinflusst. Durch Impedanzmessung wird die Beeinflussung des elektrischen Feldes durch das zu untersuchende Öl festgestellt und damit der Ölzustand mit einem elektrischen Ausgangsignal in Zusammenhang gebracht.
• Werden die Impedanzwerte einer Ölqualität bei einer Messtemperatur in der Nyquistdiagramm dargestellt, ergibt sich eine halbkreisförmige Anordnung. Der Radius dieser halbkreisförmigen Anordnung der Messpunkte kann graphisch oder rechnerisch (mittels zyklischer Regression) ermittelt werden, trägt die Dimension eines elektrischen Widerstandes und soll im folgenden als Impedanzradius bezeichnet werden. Bei Variation der Öltemperatur ergeben sich so unterschiedliche Werte für die Impedanzradien. In einem vorgegebenen Temperaturbereich (z.B. von 30°C bis 110°C) liegen die ermittelten Impedanzradien in einer Arrheniusähnlichen Darstellung (3) nahezu auf einer Geraden. Die mittels linearen Regression aus den temperaturabhängigen Radienwerten ermittelten Ausgleichsgeraden können für verschiedene Ölqualitäten verglichen werden. In 3 Zeigt sich, dass die über den Messbereich der Temperatur hinaus extrapolierten Ausgleichsgeraden unterschiedliche Anstiege aufweisen. Die Ausgleichsgeraden der Altölqualitäten A, B und C weisen steilere Anstiegswerte auf als das zugehörige Frischöl. Außerdem scheinen die Ausgleichsgeraden der verschiedenen Ölqualitäten um einen gemeinsamen Schnittpunkt bei ca. 300°C zu schwenken. Der Geradenanstieg kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren als Parameter zu Bewertung der Ölqualität eingesetzt werden.
• Die Diskussion des folgenden Ausführungsbeispiels soll zeigen, dass bei Auswertung der temperaturabhängigen Impedanzwerte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zusätzliche, über die bei Viskositätsmessung hinausgehenden Informationen über den Ölzustand erhalten werden. Der Vergleich von temperaturabhängigen Viskositäts- und Impedanzwerten eines frischen und eines getemperten Schmieröls der Viskositätsklasse 0W-30 in Arrheniusähnlicher Darstellung zeigt, dass durch eine Temperung (5 Stunden bei 150°C) die Werte für die kinematische Viskosität nicht signifikant beeinflusst werden. Die aus dem Anstieg der Ausgleichsgeraden ermittelten Aktivierungsenergien E_A unterscheiden sich um weniger als 1 % voneinander (4).
• Die aus den in Nyquistdiagrammen dargestellten Impedanzwerten ermittelten Impedanzradien der 1. Halbkreise wurden ebenfalls in der Arrhenius-ähnlichen Darstellung aufgetragen. Die Öle beider Kurven unterscheidet, dass das getemperte in einem vorhergehenden Messvorgang 1 Stunde auf 130°C erhitzt wurde. Bereits diese geringe thermische Beanspruchung verändert die Impedanzwerte signifikant. So hat sich die absolute Lage der Kurven der Impedanzwerte im Diagramm verschoben. Der Anstieg der Ausgleichsgeraden und damit auch die zugeordnete Aktivierungsenergie im betrachteten Temperaturbereich von 30°C–130°C wird lediglich um ca. 2% erhöht, was an der Signifikanzgrenze liegt.
• Im Vergleich zu den Messungen der kinematischen Viskosität werden bei der Impedanzmessung steiler verlaufende Ausgleichsgeraden und damit höhere Werte für die Aktivierungsenergie bestimmt. Dies lässt vermuten, dass die für die Impedanzmessung relevanten Öleigenschaften nicht ausschließlich durch die Viskosität kontrolliert werden. Aus der temperaturabhängigen Impedanzmessung lassen sich also zusätzliche Informationen über die Öleigenschaften gewinnen, die nicht durch Viskositätsbestimmung zugänglich sind. Insbesondere die Veränderungen der Öleigenschaften, die durch eine kurzzeitige Erhitzung auf 130°C bzw. 150°C verursacht werden, lassen sich durch Viskositätsmessungen nicht nachweisen, beeinflussen aber die Impedanzspektren deutlich. Die Kurven der Impedanzwerte in Arrhenius-ähnlicher Auftragung zeigen ein, in der Messtechnik oft vorteilhaftes, lineareres Verhalten als die Viskositätswerte.

1

Elektrodenplatten

2

Spalt

3

Abstandshalter

4

zu untersuchendes Öl

5

Sensorschaft

6

elektrische Anschlüsse

7

Kontaktierungsinsel

8

Leitbahnen

Claims (5)

1. Verfahren zur Messung des Ölzustandes, dadurch gekennzeichnet, dass Impedanzwerte des zu untersuchenden Öls bei mindestens vier verschiedenen Messfrequenzen bestimmt werden.
2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Auftragung der Impedanzwerte im Nyquistdiagramm charakteristische geometrische Parameter des sich ergebenden Kreisbogens extrahiert werden.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzmessung bei mehreren verschiedenen Öltemperaturen erfolgt und so für jeden Ölzustand charakteristische Kurven (Arrhenius-Darstellung) ergeben.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Informationen über den Ölzustand aus der Variation des DC-Offsetspannungswerte bei niedrigen Messfrequenzen gewonnen werden.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuordnung der gemessenen elektrischen charakteristischen Parameter zum Ölzustand durch ein Expertensystem realisiert wird.