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Verfahren zum Messen des Kurbelgehäuseölverbrauchs bei Brennkraftmaschinen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen des Kurbelgehäuseölverbrauchs
bei Brennkraftmaschinen im besonderen unter Verwendung der Leitisotopenmethode.
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Es ist bekannt, radioaktives Kurbelgehäusecil zu verwenden und in
irgend einer Weise die Radioaktivität der Abgase der Brennkraftmaschine zu messen,
um hieraus den olverbrauch zu bestimmen. Dieses Verfahren hat in der Praxis jedoch
nicht ein genaues Messen des Olverbrauches ermöglicht, da bei ihm ein Wiegen des
bleu fUr Eiohzweoke erforderlich ist und seine Verwendung dadurch begrenzt ist,
dass
es schwierig ist, das gesamte vol far das Messen abzuziehen. Ferner gestattet dieses
Verfahren nur das Messen des Ölsverbrauches der gesamten Brennkraftmaschine, so
dass der Ölverbrauch eines einzelnen Zylinders nicht feststellbar ist.
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Die Erfindung bezweckt, diese Na, chteile zu vermeiden. Das erfindungsgemässe
Verfahren zum Messen des Kurbelgehäuseölsverbrauches bei Brennkraftmaschinen kennzeichnet
sich durch Zufügen eines radioaktiven Leitisotops zum Kurbelgehäuseöl, Betreiben
der Brennkraftmaschine mit bleifreiem Brennstoff, durch Sammeln des Leitisotops
aus den Abgasen während einer bestimmten Zeit und Messung der dem Ölverbrauch proportionalen
Aktivität des Leitisotops, In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemessen Verfahrens
wird ein radioaktives Halogenidisotop verwendet, vorzugsweise ein Bromleitisotop.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Brennkammer der Brennkraftmaschine ein Stabilisator
für das Leitisotop zugeleitet wird. Als Stabilisator wird vorteilhaft ein Bromid,
beispielsweise A. thylenbromid, verwendet. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Aktivität
der Probe mit der spezifischen Aktivitat des Kurbelgehäuseöls verglichen wird, um
den Olverbrauch der Brennkraftmaschine zu bestimmen. Bei dem erfindungsgemässen
Verfahren ist es möglich, die Abgase eines Zylinders der Brennkraftmaschine zu sammeln,
um dessen Olverbrauch zu bestimmen.
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Der Umfang der Brfindung ergibt sich aus den beigefügten Ansprüchen.
Anhand der beigefugten Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. In der Zeichnung
ist Figo 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Durchfiihrung des
erfindungsgemässen Verfahrens und Fig. 2 ein Querschnitt durch einen in der Einrichtung
gemäss Fig. l verwendeten Diffusor.
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Es wurde festgestellt, dass eine sehr genaue Messung des Kurbelgehäuseöl-verbrauchs
durch das erfindungsgemässe Verfahren in nur wenigen Minuten durchgeführt werden
kann, um den Ölverbrauch bei gegebenen Betriebsverhältnissen festzustellen. Zur
Durchführung des-erfindungsgemässen Verfahrens wird ein Kurbelgehäuseöl verwendet,
das ein radioaktives Halogenidleitisotop enthält, das unter den gegebenen Betriebsbedingungen
der Brennkraftmaschine stabil ist und nach Eintritt in die Brennkammer während des
Betriebes der Brennkraftmaschine ein Halogen bildet, das aus den Abgasen leicht
ausgeschieden werden kann. Die Radioaktivität einer Probe dieser gesammelten Halogenverbindung
wird geprüft und mit der spezifischen Aktivität des Kurbelgehäuseöls verlichen,
um hieraus den Olverbrauch zu bestimmen, der
während der Prüfzeit
eingetreten ist. Als Leitisotopen sind die Halogene Jod und Brom bevorzugt geeignet,
wobei Brom vorzuziehen ist, da die Stabilität seiner Verbindungen bei höheren Temperaturen
grösser ist.
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Es wurde ferner festgestellt, dass bei dem erfindungsgemässen Verfahren
bei allen Betriebsbedingungen äusserst genaue Ergebnisse erzielt werden, wenn die
Brennkraftmaschine mit einem bleifreien Brennstoff betrieben wird, der einen besonderen
Zusatz enthält. Es konnte nicht festgestellt werden, aus welchen Gründen dieser
Zusatz erforderlich ist. Es wurde aber-erkannt, dass bei kleiner Leistung der Brennkraftmaschine
der gemessene Ölverbrauch wesentlich geringer als der tatsächliche Ölverbrauch war.
Dies ist darauf zurückzufuhren, dass das Beit sotop in irgend einer Weise nicht
aus den Abgasen abgeschieden wurde. Man hat jedoch festgestellt, dass bei Zusatz
eines Stabilisa. tors, wie beispielsweise ein Äthylenhalogen, dieser Fehler nicht
auftrat, also ein vollständiges Sammeln des Leitisotops eintrat. Es ist zu vermuten,
dass der festgestellte Verlust des Leitisotops bei geringen Leistungen der Machine
darauf beruht, dass das Leitisotop irgendwo in der Machine festgehalten wird.
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Wenn diese Betrige auch nur gering sind, so stellen sie doch einen
grosses Anteil des Leitisotops dar, da die absoluten Mengen des radioaktiven Werkstoffes
in der Brennkammer
und in der Abgasanlage der Brennkraftmaschine
nur gering sind. Dadurch, dass verhältnismässig grosse Mengen einer nicht radioaktiven
Verbindung gleicher oder ähnlicher Zusammensetzung wie das Leitisotop zugesetzt
werden, wird der radioaktive Werkstoff sozusagen von diesem eingebettet, so dass
nur äusserst geringe Verluste des Leitisotops eintreten können. Diese nicht t radioaktive
Verbindung stellt den bereits erwähnten Stabilisator dar. Es kann unter besonderen
Betriebsbedingungen möglich sein, auf den Stabilisator zu verzichten und dass in
gewissen Fällen auch geringe Beträge des Stabilisators ausreichen. Als bevorzugter
Werkstoff für den Stabilisator ist Athylen-Bromid geeignet. Mit diesem Zusatzstoff
wurden aussergewöhnlich genaue Ergebnisse erzielt. Weitere Vorteile des Athylen-Bromid
sind seine Billigkeit und seine leichte Beschaffungsmaglichkeit, da es ein üblicher
Zusatzstoff fUr gebleite Benzine ist. Bei diesen hat es die Aufgabe, mit dem Blei
zu reagieren, um Bleiniederschläge in der Brennkraftmachine zu unterbinden. Wurden
gebleite Brennstoffe mit einem Gehalt an Athylen-Bromid bei allen Olverbrauchsmessungen
verwendet, so wurde festgestellt, dass ein übermäasig hoher Betrag an Åthylen-Bromid
erforderlich ist und dass diese Mengen der Brennkraftmaschine schädlich sind, ja
sogar einen Fehlbetrieb der Maschinen auslösen kdnnen., Im Endergebnis ergaben sich
ungenaue Prüfergebnisse.
Bei Verwendung von bleifreien Benzinen
ist jedoch nur ein sehr geringer Zuschlag von Äthylen-Bromid erforderlich. Bei Versuchen
wurden Zuschläge von 1 bis 7 cm3 Äthylen-Bromid je Gallone Benzin verwendet, und
es zeigte sich kein Unterschied im Betrieb der Machine oder Fehler in den Prüfergebnissen
über den gesamten Betriebsbereich der Haschine. Bei Fortlassen des Zuschlagen an
Äthylen-Bromid wichen die Ergebnisse bemerkenswert ab.
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Die Verwendung einer Bromverbindung als radioaktives Leitisotop im
Kurbelgehauseöl ist vorteilhaft, weil seine Gammastrahlungen leichtabfuhlbar sind,
Ferner kann es in eine Verbindung umgewandelt werden, die unter den Betriebsbedingungen
der Brennkraftmaschine äusserst stabil ist, und schliesslich hat es eine Halb- @
wertzeit von 36 Stunden, so dass es genügend langsam zerfällt, um mehrere Stunden
lang für eine Reihe von Versuchen verwendet werden zu können. Dabei ist die Möglichkeit
nachtriglicher Schiden in der Brennkraftmaschine ausgeschaltet, da nach mehreren
Tagen die Radioaktivität vollstiindig verschwunden ist. Ferner kann Brom leicht
aus den Abgasen durch Reaktion mit einer Natrium-Hydroxydlösung abgesammelt werden,
um seine Radioaktivitit zu messen. Ein bevorzugtes Leitisotop ist 1, 2-Dibrom-octadecan,
das synthetisch aus radioaktivem Brom gewonnen wird, obwohl andere Verbindungen
beispielsweise
9, 10-Dibrom-Stearinsaure, ebenfalls mit Erfolg
verwendet worden sind. Diese Verbindungen zeigen eine grosse Stabilitat, wenn sie
als Zusatz zu Kurbelgehäuseöl verwendet werden.
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Wenn Kurbelgehäuseöl während des Betriebes der Brennkraftmaschine
in die Brennkammer gelangt, bildet sich aus der Leitisotopverbindung Bromwasserstoff,
der mit den Abgasen abzieht. Die Abgase werden durch eine Natrium-Hydroxydlösung
geleitet, wodurch das Brom in Form von Natriumbromid abgeschieden wird. Die Radioaktivität
einer Probe dieser Lösung wird dann gemessen.
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Da die Aktivität der Probe proportional dem von der Brennkraftmaschine
verbrauchten Ol ist, kann der Ölverbrauch leicht ausgerechnet werden.
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Fig. 1 zeigt in schematischer Weise ein Prüfgerät zur Durchführung
des Verfahrens nach der Brindung. Eine Brennkraftmaschine 10 treibt einen Dynamometer
12 an, so dass bestimmte Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine durch Einstellung
des Dynamometers eingeregelt werden können. Der Brennkraftmaschine fliesst Brennstoff
von einem Brennstoffbehälter 14 zu. Von der Brennkraftmaschine fuhren Abgasleitungen
16 zu einem Verteilerventil 18, über das die Abgase über ein Rohr 20 ins Freie oder
über ein Rohr 24 zu einem Extraktionstnrm 22 geleitet werden. Der Extraktionsturm
22 ist etwa 2750 mm hoch und hat einen Durchmesser von 305 mm. Am
Boden
des Extraktionsturms 22 befindet sich eine mehrere Zentimeter dicke Schicht einer
Lösung 26 aus Ilatrium-Hydroxido In diese Lösung 26 taucht ein mit dem Rohr 24 verbundener
Diffusor 28 en. tuber diesen werden die Abgase in die Natrium-Hydroxidlösung eingeleitet,
wobei eine maximale Berührungsfläche zur Vergrösserung der Reaktionsmöglichkeiten
gegeben ist. Im oberen Teil des Extraktionstomes 22 befindet sich ein Kondensator
30, der ubermässige Verluste von Wasser verhindert ; die Gase treten dann aus dem
Extraktionsturm 22 über ein Rohr 32 ins Freie aus. Vas Natrium-liydroxid kann dem
Extraktionsturm 22 über ein Rohr 34 zugespeist werden und über ein Abflussrohr 36
am unteren Ende des Extraktionstumes 22 abgezogen werden.
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Wie die Fig. 2 zeigt, besteht der Diffuser 28 aus einem zylindrischen
Block mit einer zentralen Bohrung 38, die mit dem AbBasrohr 24 verbunden ist und
einer Reihe von kleinen Kancilen 40, die radial von der zentralen Bohrung 38 ausgehen.
Der Diffusor ist so ausgelegt, dass ein geringstmöglicher Druckabfall der Abgase
eintritt.
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Daher ist die Summe der Quersehnitte der radialen Kanäle 40 etwa dem
Querschnitt des Rohres 24 gleich. Bei einem Abgasrohr r 24 mit einem Innendurchmesser
von 76, 2 mm enthält der Diffusor 28 beispielsweise 350 radiale Kanale mit einem
Durchmesser von 3, 2 mm.
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Nachdem die Abgase flair eine bestimmte Zeit durch die Natrium-Hydroxidlösung
geströmt sind, wird eine Probe 42 über das Abflussrohr 36 entnommen und in einem
Probenbehalter 44 aufgefangen. Dieser wird entsprechend der gestrichelten Linie
in Fig. 1 einem Scintillationsdetektor 46 zugefuhrt, wo die radioaktiveStrahlungabgefohlt
und durch ein Zählgerät 48 gemessen wird.
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Nachstehend wird ein besonderes Beipiel einer bevorzugten Verfahrensfuhrung
beschrieben : Das Gerät wird zunächst durch Bestimmung des Wirkungsgrades des Extraktionsturmes
22 geeicht. Hierzu wird die Brennkraftmaschine mit einem nicht radioaktiven Kurbelgehäuseöl
und einem bromfreien Benzin betrieben, während eine bestimmte Menge nicht radioaktiven
Bromwasserstoffs in die Abgasanlage eingeleitet wird und durch das Natrium-Hydroxid
des Extraktionsturmes 22 geleitet wird. Durch Analyse der sich ergebenden Natrium-Hydroxid-Natrium-Bomidlösung,
beispielsweise durch Röntgenstrahlenfluoressenz, wird der Betrag des gesammelten
Bromid bestimmt, woraus der Wirkungsgrad des Extraktionsturmes 22 errechenbar ist.
Diese Messung wurde bei verschiedenen Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
wiederholt. Es wurde hierbei festgestellt, dass der Wirkungagrad des Extraktionaturmes
22 nahezu bei allen
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine
konstant ist.
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Zur Bildung des Leitisotops, das dem Kurbelgehäuseöl zugesetzt wird,
wurden 0, 5 cm Brom mit einer Radioaktivitä von 40-80 millicuries mit 1-Octadecan
zur Reaktion. gebracht, um 10 cm3 1,2-Dibrom-Octadecan zu bilden. Diese radioaktive
Verbindung wurde mit 15 cm3 Kohlenstofftetrachlorid verdünnt und mit einer Gallone
Kurbelgehäusebl vermischt. Als Brennstoff für die Brennkraftmaschine wurde ein Isooctan-Benzin
oder ein anderer bleifreier Brennstoff verwendet, der etwa 4 ml Äthylen-Bromid je
Gallone enthält. Die Brennkraftmaschine wurde zunächst eine Stunde betrieben, um
eine homogene Mischung des Kurbelgehäuseöls zu erreichevl, Dann wurde eine Probe
von 0, 01 cm des Öles aus dem Kurbelgehäuse entnommen und deren Radioaktivität gemessen.
Diese Probe dient sp-iterhin als Vergleichsol, solange das gleiche 01 in der Maschine
verwendet wird. Das Gerät ist nun für den ersten Olivebrauchsversuch vorbereitet.
Es wurden 20 Liter einer monomolaren Lösung von Natrium-Uydroxid in den Lxtraktionsturm
22 eingebracht, so dass der Spiegel der Lösung in dem Extraktionsturm etwa 152 mm
oberhalb des Diffusors 28 lag. Die Brennkraftmaschine, die bisher mit freiem Auspuff
über das Verteilerventil 18 und das Rohr 20 lief, wurde nun nach Einstellung einer
bestimmten Drehzahl und Leistung mit L-eitung der Abgase durch den Extraktionsturm
22
weiter betrieben. Dies erfolgte 3 Minuten lang, worauf das Verteilerventil
18 wieder auf das Rohr 20 umgeschaltet wurde. Aus dem Extraktionsturm 22 wurde dann
eine Probe der Natrium-Hydroxyd-Natrium-Bromidlösung von 20 ml in den Probenhalter
44 abgezogen und die radioaktive Stra'rlung dieser Probe 1 Minute lang in einem
Natriumjod-scintillations-kristall-Detektor gemessen. Da. mit ist der Prüfvorgang
für eine Betriebsbedingung der Brennkraftmachine abgeschlossen. Der Ölverbrauch,
ausgedruckt in engl. Meilen je Quart Schmieröl ist dann aus der folgenden Formel
errechenbar : Engl. Meilen engl. Meilen/Stunde engl. L {eilen/Stunde = = Quart Quarts/Stunde
a V 1 1 e v t A In dieser Formel ist a die Radioaktivität der Probe in Zählanzeigen/Minute
e der Wirkungsgrad des Extraktionsturmes 22 in Prozenten V das Volumen der Natrium-Hydroxidlösung
in ml v das Volumen der Probe in ml t die Prüfzeit in Minuten A die spezifische
Aktivitat des Kurbelgehäuseöls in Zählanzeizen/Minute ml K die Umrechnungskonstante
(6,35 x 10-2 quart/Stunde ml/Minute.
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Bei einem typisch. en Versuch wurden folgende Werte festgestellt.
Es betrugen die Radioaktivität der Probe 2, 5 x 104 Zählanzeigen/Minute, der Wirkungsgrad
des Extraktionsturmes 65 %, das Volumen der Na. trium-Hydroxidlosung 2 x 104 ml,
das Volumen der Probe 20 ml, die Prüfzeit 3 Minuten und die spezifische Aktivität
des Kurbelgehäuseöls 2 x 10 Za. hlanzeigen/Minute. Die Brennkraftmaschine hatte
eine Dreh. za. hl, die einer Fahrgeschwindigkeit des Kraftfa. hrzeugs von 80, 45
km (50 engl. Mei. len) je Stunde betrug. Der Ölverbrauch ergab sich. zu 1200 engl.
Meilen Quart Unmittelbar anschliessend ka. nn ein weiterer Prüfvorgang unter anderen
Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine angeschlossen werden, wobei es lediglich
erforderlich ist, die Natrium-fIydroxidlosung im Extraktionsturm 22 durch frische
Losung zu ersetzen. Hierauf wird derselbe Prüfvorgang wie beschrieben wiederholt.
Falls gewünscht, kann da. s bei dem ersten Priifvorgang verwendete Natrium-IIydroxid
bei nachfdgenden Prufvorgängen weiter verwendet werden, jedoch muss die Erhöhung
der Radios aktivität infolge der vorhergehenden Prufvorgänge berücksichtigt werden,
wenn bei nachfolgendem Prüfversuchen der Olsverbrauch errechnet wird. Bei folgenden
Prtifvorgängen ist es nicht nötig, den Wirkungsgrad des
Extraktionsturmes
erneut festzustellen. Bei aufeinanderfolgenden Prüfungen muss die ; nderung der
Aktivität des Kurbelgehäuseöls infolge des Verfalls berücksichtigt werden, indem
ein Vergleich mit dem Vergleichsöl vorgenommen wird.
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Ms wurde festgestellt, dass die Feinfühligkeit des Messverfahrens
nach der Erfindung so gross ist, dass etwa 10-7 Quart, d. h. etwa 1/100 eines Öltropfens,
in den Abgasen festgestellt und gemessen werden kann.
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Um einen vollständigen Satz von Ölverbrauchskurven bei verschiedenen
iWaschinenleistungen und verschiedenen Masohinendrehzahlen zu erhalten, sind etwa
36 Einzelmessungen erforderlich. Dies kann bei Verwendung des erfindungsgemässen
Verfahrens in etwa 4 Stunden durchgefuhrt werden, während bei bisherigen Verfahren
mit Olmessung hierzu eine Zeit von etwa 360 Stunden erforderlich war, um gleiche
Werte zu erhalten. Die mit dem erfindungsgemässen Verfahren ermittelten Werte stimmten
mit den im Wege der olmessung gewonnenen uberein ; es ist jedoch zu vermuten, dass
das erfindungsgemässe Verfahren genauere Messwerte ergibt, da das erfindungsgemässe
Verfahren eine erhöhte Feinfühligkeit aufweiat und die einzelnen Versuche in kurzer
Zeit durchgeführt werden können. Bei der bekannten Methode können infolge der langen
Zeit, die zur Durchführung der
Versuche erforderlich ist, jinderungen
in den Ölverbrauohswerten infolge Abnutzungen an der Machine eintreten, bevor die
Versuchsreihe abgeschlossen ist.
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Mit dem erfindungsgemässen Verfahren können die Ölverbrauchswerte
eines einzelnen Zylinders der Brennkraftmasohine gemessen werden, indem diesem ein
eigener Abgaskanal zugeleitet wird, der die bgase dieses Zylinders zu dem Extraktionsturm
22 leitet. Da die Messungen in kurzer Zeit durchgefiibrt werden können, können die
Olverbrauchskurven einer neuen Maschine wahrend deren Einlaufzeit durchge-jführt
werden.