DE60026599T2

DE60026599T2 - Schmiersteueranordnung

Info

Publication number: DE60026599T2
Application number: DE60026599T
Authority: DE
Inventors: University of Central Lancashire Ian SHERRINGTON
Original assignee: University of Central Lancashire
Current assignee: University of Central Lancashire
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: TW461935B; EP1240455A2; GB2357556B; ES2260085T3; AU2205901A; DE60026599D1; GB2357556A; GB9930842D0; US7552799B2; WO2001048357A2; EP1240455B1; DK1240455T3; ATE319961T1; US20030047386A1; WO2001048357A3

Description

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der Zufuhr von Schmiermittel zu gleitenden oder rollenden Kontaktflächen zwischen Maschinenkomponenten. Das Verfahren kann auf einen weiten Bereich von Komponentengrenzflächen angewandt werden und ist besonders wertvoll für Komponenten, die in den hydrodynamischen und hydrostatischen Betriebsarten arbeiten. Das System kann auch Wert für Komponenten haben, die in Grenz-, Misch- und elastohydrodynamischen (EHD) Betriebsarten arbeiten. Die Vorteile seiner Verwendung zum Schmieren von Standard-Kontaktflächen, die in diesen Betriebsarten arbeiten, werden weiter unten erörtert.
Zusätzlich, aber nicht ausschließlich, betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Steuerung der Zufuhr von Schmiermittel zu dem Kolben und den Kolbenringen in einer Verbrennungsmaschine und ein Verfahren zur Steuerung der einem Kolben und Kolbenringen in einer Verbrennungsmaschine zugeführten Schmiermittelmenge.
Die US 4,326,603 offenbart ein Schmierungssteuersystem zur Zufuhr von Schmiermittel zu einer Reibungskontaktfläche und Dosierung des Schmiermittels zu der Kontaktfläche. Die EP 0 288 941 offenbart ein Schmierungssystem zur Versorgung eines Wälzelementlagers mit Schmiermittel. Sensorelemente überwachen Änderungen im Wälzelement-Kugelkäfig, um die elastohydrodynamische Filmdicke zu bestimmen. Die US 4,376,389 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Diagnose der Betriebsbedingungen eines Lagers. Die DE 2639839 offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung des Schmiermittelzustands zwischen einem statischen und einem bewegten Maschinenteil, insbesondere in Bezug auf eine Zylinderbuchse und einen Kolben in einer Verbrennungsmaschine. Die CH 613 495 offenbart eine Vorrichtung für Zylinderschmierung in einem Kolben einer Verbrennungsmaschine.
Lager und Dichtungen arbeiten gewöhnlich durch Ausbildung eines dünnen Films von unter Druck gesetztem Schmiermittel (Flüssigkeit oder Gas), das die zwei Oberflächen der Grenzflächenkomponenten um einen kleinen Abstand trennt, typischerweise ein paar Mikrometer. Am gebräuchlichsten werden Kontaktflächen durch "hydrodynamische Schmierung" geschmiert, bei der unter Druck Setzen des Ölfilms resultiert, wenn Komponenten mit einer konvergenten Grenzflächengeometrie über eine Schicht Schmiermittel auf ihrer Oberfläche gleiten (oder rollen). Kontaktflächen von dieser Art erfordern eine Zufuhr von Schmiermittel zu der Grenzfläche, und dieses kann aktiv auf die Kontaktfläche gepumpt, gespritzt oder gesprüht werden. Alternativ kann es passiv auf einer oder beiden der gleitenden/rollenden Komponenten der Kontaktfläche ruhen. Durch Modifizieren der Ölmenge, die der Kontaktfläche zur Verfügung stehe, können Aspekte ihres Betriebs beeinflusst werden (man beachte: in Fällen, in denen die Relativgeschwindigkeit zwischen den Oberflächen der zwei Komponenten zu niedrig ist, um einen Filmdruck zu erzeugen, der groß genug ist, um die zwei Komponentenoberflächen zu trennen, kann die Kontaktfläche durch externe Mittel unter Druck gesetzt werden. Dies nennt man "hydrostatische Schmierung").
Es gibt wenigstens drei allgemeine Gebiete, auf denen die in diesem Dokument beschriebene Erfindung bei der Steuerung des Betriebs von fluidfilmgeschmierten Kontaktflächen von Wert sein kann.

(1) Maschinenkontaktflächen wird Schmiermittel gewöhnlich mit einer Rate zugeführt, die während der Konstruktionsphase basierend auf der Spezifikation der härtesten Betriebsbedingungen für eine gegebene Komponente bestimmt wurde. Als Folge arbeiten Komponenten, die unter Bedingungen arbeiten, bei denen die Last und Geschwindigkeit variieren können, häufig unter ihrer Konstruktionsgrenze und werden möglicherweise mit Öl überversorgt.
(2) Kontaktflächen, die auf eine Weise mit Öl versorgt werden, die den Öleinlass füllt, werden als "vollständig geflutet" beschrieben. Ein vollständig gefluteter Einlass ist nicht notwendigerweise eine wesentliche Voraussetzung für den befriedigenden Betrieb einer Fluidfilm-Kontaktfläche. Viele Maschinenkontaktflächen benötigten keinen vollständig gefluteten Einlass und arbeiten doch sehr effektiv. Man sagt, Kontaktflächen von dieser Art haben einen "ausgehungerten" Öleinlass. Den Aushungerungspegel an einem Einlass zu steuern, erlaubt es, einen gewissen Mäßigungsgrad auf manche Aspekte der Betriebseigenschaften der Kontaktfläche auszuüben (z. B. Reibungsleistungsverlust, Anlaufverschleiß, Ansprechen auf dynamische Last usw.).
(3) Bedienungspersonen von Maschinerie, die Fluidfilm-Kontaktflächen verwendet, verfügen im Allgemeinen nicht über Mittel, die Menge oder Art des verwen deten Schmiermittels automatisch einzustellen, um bestimmte (möglicherweise dynamisch wechselnde) Anforderungen zu erfüllen, während sie die Vorrichtung verwenden. Außerdem sind sie normalerweise nicht in der Lage, die Wirkung irgendeiner Änderung auf den Betrieb der Anlage zuverlässig zu überwachen (z. B. kann eine typische Änderung umfassen, die Art des zum Schmieren der Komponenten verwendeten Schmiermittels zu ändern, um Umweltanforderungen zu erfüllen).

Die in diesem Patent beschriebene Erfindung soll Bedienungspersonen einen weiten Flexibilitätsbereich bei der Auswahl der Art und Weise, auf die Systemkomponenten geschmiert werden können, in einem Bereich von Anlagen, Apparaten und Maschinen unter Bereitstellung der Mittel zur Überwachung von deren Betrieb ermöglichen.
Große stationäre Maschinen und Schiffsdieselmaschinen umfassen häufig eine Anordnung, bei der Schmieröl durch Phinolen direkt auf eine Zylinderbuchsenwand gesprüht wird, um einen Kolbenmantel und Kolbenringe zu schmieren. Typischerweise wird Öl mit einer Rate von zwischen 0,8 g pro Kilowattstunde (eine niedrige Rate) bis 1,6 g pro Kilowattstunde (eine hohe Rate) zugeführt, je nach der Ausgangsleistung der Maschine. Maschinen auf diesem Gebiet haben typischerweise Leistungen, die an 100.000 Kilowatt herankommen. Schiffe, wie z. B. Öltanker, verbringen häufig 7.000 Stunden oder mehr pro Jahr auf See, so dass der jährliche Schmierölverbrauch im Bereich von hunderten von Tonnen pro Jahr liegt. Dieser Schmierölverbrauch kommt zu dem Verbrauch des Heizöls hinzu, das die Maschinen antreibt. Folglich stellt der Schmierölverbrauch eine beträchtliche finanzielle Belastung der Betreiber von Schiffen dieses Typs dar. Weiterhin verdrängt die Speicherung des Schmieröls Platz an Bord des Schiffes, der für Fracht benutzt werden könnte. Auch wirft die Verbrennung von Übermengen Öl Umweltfragen für Maschinenhersteller und Flottenbetreiber auf.
Gegenwärtig wird die Ölzufuhrrate zu den Kolbenringen, dem Kolbenmantel und der Zylinderbuchse bei größeren Maschinen im Allgemeinen auf heuristischen Richtlinien bestimmt und durch ein System gesteuert, das die Last auf die Maschine überwacht.
Bei dieser Art von System treten Nachteile auf, weil viele weitere Faktoren als die Maschinenlast die Ölmenge beeinflussen, die der Buchse zugeführt werden sollte, um die Schmierbedingungen zu optimieren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, sich mit dem oben erwähnten Nachteil zu befassen.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Schmiermittelsteuersystem für ein System von Maschinenkomponenten eine Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung, eine Schmiermitteleingabeeinrichtung sowie eine Steuereinrichtung, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgelegt ist, Signale betreffend die Dicke des Schmiermittels auf wenigstens einem Element von einer oder mehreren der Maschinenkomponenten von der Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung zu empfangen, und dazu ausgelegt ist, die Schmiermitteleingabeeinrichtung so zu steuern, dass sie eine Schmiermittelzufuhr zu einer oder mehreren der Maschinenkomponenten des Systems basierend auf den Signalen von der Dickenmesseinrichtung einstellt, und ferner umfassend eine Kalibrierungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, den Wert wenigstens einer physikalischen Variable des Schmiermittels zu bestimmen, die für die Dickenmesseinrichtung relevant ist.
Die Kalibrierungseinrichtung kann den Wert bzw. die Werte an die Steuereinrichtung ausgeben. Die physikalische(n) Variable(n) kann/können eine oder mehrere der folgenden Größen sein: Viskosität, Dielektrizitätskonstante, elektrischer Widerstand oder optische Konstanten (oder andere, nicht aufgeführte Variablen). Die Steuereinrichtung kann dazu ausgelegt sein, die Schmiermitteleingabeeinrichtung so zu steuern, dass sie die Schmiermittelzufuhr zum System von Maschinenkomponenten basierend auf Signalen aus der Kalibrierungseinrichtung einstellt.
Die Steuereinrichtung kann eine Recheneinrichtung umfassen, die eine Analog/Digital-Signalwandlungseinrichtung und/oder Digital/Analog-Signalwandlungseinrichtung enthalten kann. Die Steuereinrichtung kann einen Algorithmus basierend auf Schmiermitteldickensignalen zur Steuerung der Schmiermitteleingabeeinrichtung verwenden. Der Algorithmus kann ferner Signale betreffend eine Maschinenlast, eine Umgebungsölwannentemperatur und/oder eine Temperatur von einem oder mehreren Punkten innerhalb der Maschine zur Steuerung der Schmiermitteleingabeeinrichtung verwenden. Das Signal bzw. die Signale kann/können der Steuereinrichtung zugeführt werden.
Die Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung kann einen Versatzwandler zur Bestimmung des Relativabstands zwischen dem Wandler und einem Ziel umfassen, welches ein Kolbenmantel oder ein Kolbenring sein kann, wobei die Position des Ziels mit der Dicke des Schmiermittels zwischen dem Ziel und dem Wandler zusammenhängen kann oder diese vorzugsweise definiert. Der Wandler kann sich in der Zylinderwand befinden. Das Ziel kann sich in einem Mantel des Kolbens oder in einem Kolbenring befinden, wird aber normalerweise die Komponenten selbst sein.
Die Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung kann alternativ umfassen, den Versatz zwischen zwei Gleitkomponenten durch direkte Ermittlung einer physikalischen Variable zu bestimmen, wobei die Komponenten selbst als Elemente des Wandlers dienen können.
Der Ölfilmdickenwandler kann kapazitive, induktive, optische, Widerstands- und/oder Impedanzverfahren und/oder radioaktive Mittel und/oder akustische (Ultraschall-)Mittel zur Bestimmung der Schmiermitteldicke verwenden.
Weitere Wandler können in das System eingebaut sein, um Parameter von sekundärer Bedeutung, wie z. B. Zielposition, Temperatur, Ölviskosität, optische und elektrische Konstanten, zu registrieren.
Die Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung kann eine Mehrzahl beabstandeter Wandler zur Bestimmung der Schmiermitteldicke an beabstandeten Stellen im System von Maschinenkomponenten umfassen. Die Stellen können axial und/oder radial rings um das System angeordnet sein. Jeder Wandler kann seine eigene Schmiermittelfilmdickenmessung bereitstellen.
Die Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung kann eine indirekte Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung sein, die dazu ausgelegt ist, die Schmiermitteldicke auf einem Element des Systems von Maschinenkomponenten durch indirekte Mittel zu messen. Die indirekte Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung kann eine oder mehrere Variablen messen, die mit der Schmiermitteldicke auf dem Element zusammenhängen. Die oder jede Variable kann von der Schmiermitteldicke abhängen, vorzugsweise für einen gegebenen Satz von Laufbedingungen des Systems. Das Steuersystem kann dazu ausgelegt sein, mittels vorbestimmter Beziehungen zwischen der oder jeder Variablen und der Ölfilmdicke, vorzugsweise durch empirische Mittel bestimmt, die oder jede Variable mit der Schmiermitteldicke in Beziehung zu setzen.
Die Schmiermitteleingabeeinrichtung kann dazu ausgelegt sein, an einer durch die Steuereinrichtung spezifizierten Stelle Schmiermittel in das System von Maschinenkomponenten einzugeben. Die Stelle kann durch eine Messung der Schmiermitteldicke bestimmt werden. Die Schmiermitteleingabeeinrichtung kann dazu ausgelegt sein, den Betrag der Schmiermitteleingabe in das System zu variieren.
Die Schmiermitteleingabeeinrichtung kann dazu ausgelegt sein, Schmiermittel an im Wesentlichen denselben Stellen eines jeden einer Mehrzahl von Wandlern einzugeben.
Die Schmiermitteleingabeeinrichtung kann dazu ausgelegt sein, in Abhängigkeit von der Ausgabe bestimmter Wandler Schmiermittel an bestimmten Stellen in das System von Maschinenkomponenten einzugeben.
Das System von Maschinenkomponenten kann eine Verbrennungsmaschine sein. In diesem Fall kann die Schmiermitteldicke auf einem bestimmten Punkt auf einem Zylinder gemessen werden (oder sie kann ein Mittelwert oder anderer anzeigender Parameter wie z. B. ein Maximal- und/oder Minimalwert sein).
Die Schmiermitteldicke kann eine Dicke zwischen einem Kolbenring und einer Zylinderbuchse und/oder zwischen einem Kolbenmantel und einer Zylinderbuchse oder beide sein.
Die Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung kann dazu ausgelegt sein, die Schmiermitteldicke auf einer Zylinderwand der Maschine zu messen.
Die Maschine kann eine Schiffsdieselmaschine, eine große stationäre Maschine, eine Maschine mit langem Nutzzyklus, wie z. B. eine Lokomotivmaschine, oder eine Motorsportmaschine oder irgendeine andere Verbrennungsmaschine einschließlich Wankelmaschinen und anderen Arten von Verbrennungsmaschine sein.
Die Erfindung erstreckt sich auf eine Verbrennungsmaschine, umfassend ein Schmiermittelsteuersystem wie in Bezug auf den obigen Aspekt beschrieben.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Steuerung der Schmiermittelverteilung in einem System von Maschinenkomponenten das Messen der Schmiermitteldicke auf einem Element des Systems mit einer Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung, das Übermitteln eines der Messung entsprechenden Signals zu einer Steuereinrichtung, das Bestimmen einer Schmiermittelmenge, die einer oder mehreren Komponenten des Systems zuzuführen ist, mittels der Steuereinrichtung basierend auf der Dickenmessung, und das Aussenden von Steuersignalen an eine Schmiermitteleingabeeinrichtung zur Steuerung einer Schmiermittelzufuhr zum System, und eine Kalibrierungseinrichtung, die dazu ausgelegt ist, den Wert wenigstens einer physikalischen Variable des Schmiermittels zu bestimmen.
Es können mehrere Eingabestellen und Dickenmessstellen vorgesehen werden, welche zwei Gruppen von Stellen im wesentlichen gleich sein können.
Das Verfahren kann das Einstellen der Schmiermitteleingabe in einen Teil des Systems basierend auf einer Dickenmessung von diesem Teil des Systems umfassen.
Alle hierin beschriebenen Merkmale können in irgendeiner Kombination mit irgendeinem der obigen Aspekte kombiniert werden.
Es folgt eine Beschreibung von speziellen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung, in der:
1 eine Prinzipskizze eines allgemeinen Layouts für ein Ölzufuhrsteuersystem ist; und
2 eine Prinzipskizze der Komponenten einer Ausführungsform des Ölzufuhrsteuersystems für eine Verbrennungsmaschine ist.
In 2 ist ein Teil eines Querschnitts durch einen Kolben 10 und eine Zylinderwand 12 einer Verbrennungsmaschine gezeigt. Ein Kolbenring 14 befindet sich in einer Ringnut 16 im Kolben 14. Der Kolbenring 14 ist Teil eines Ölfilmdicken-Messabschnitts 18, dessen andere Teile einen Versatzwandler 20 und eine elektrische Signalaufbereitungseinheit 22 umfassen. Das Ölzufuhrsteuersystem umfasst außerdem einen Steuer systemabschnitt 24, der einen Online-Kalibrierungsabschnitt 26, ein Öleinspritzsystem 28 und ein Steuergerät 30 umfasst. Der Querschnitt würde für einen Schnitt durch einen Kolbenmantel wie auch einen Kolbenring gelten. Außerdem enthalten sind eine Benutzerschnittstelle 38 sowie eine sekundäre Signalaufbereitungseinheit 40, die sekundäre Messsignale von einer Einheit 42 oder mehreren Einheiten 42 empfängt.
Der Ölfilmdicken-Messabschnitt 18 kann eine Anzahl von verschiedenen Arten von Ölfilmdicken-Messgeräten umfassen. Die verschiedenen Verfahren, eine Ölfilmdicke zu messen, umfassen kapazitive Messung, induktive Messung, impedanzbasierte Messung, Widerstandsmessung, optische Messung, akustische (Ultraschall-)Messung und Radioaktivitätsmessung.
Für jedes dieser verschiedenen Arten von Messverfahren können der Versatzwandler 20 und die Signalaufbereitungseinheit 22 verschiedene Eigenschaften haben, ihre Funktion wäre aber dieselbe.
Man kann mehrere Arten von Wandler verwenden, um die Dicke des Ölfilms zwischen den Kolben und Zylinderwänden zu messen. Manche Geräte sind im Handel erhältlich; viele Systeme gibt es aber nur als Spezialisten-Messgeräte in Universitäten und in Prüf- und Entwicklungsorganisationen. Typischerweise liegt die Dicke des Ölfilms zwischen dem Kolben 10 und der Zylinderwand 12 in der Größenordnung einiger Mikrometer auf der Mitte des Hubs des Kolbens. In Richtung auf die Enden des Hubs, an denen sich der Kolben langsamer bewegt, ist der Film dünner, und der Kolben und/oder die Kolbenringe können die Zylinderwand berühren. Bekanntlich ist dieser Spalt sehr klein und sind die Betriebsbedingungen in diesem Teil einer Verbrennungsmaschine ziemlich feindlich, d. h. es gibt Schwingungen, hohen Druck und hohe Temperatur; es ist ein Wandler von sehr robuster Konstruktion nötig, um in dieser Anwendung eine Ölfilmdickenmessung zu messen. Gegenwärtig glaubt man, dass die zuverlässigsten Systeme auf kapazitiven oder induktiven Prinzipien basieren.
Messsensoren können sich an mannigfachen Stellen befinden: Einige Beispiele sind:

• in der Zylinderbuchse, wo sie den Abstand zur Zielkomponente, z. B. den Mantel oder Ring, direkt detektieren;
• Stellen hinter dem Kolbenring, wo die Dicke des Ölfilms durch Detektieren der Bewegung der Rückseite des Rings gefolgert wird;
• Positionen, die die Breite des Ringspalts zu messen erlauben, wodurch Daten gesammelt werden, die Änderungen der Betriebs-Ölfilmdicke aus indirekten Messungen abzuleiten erlauben.

Eine Messung des Versatzes zwischen Komponenten kann auch durch Mittel vorgenommen werden, bei denen die Komponenten selbst als Elemente eines Wandlers dienen. Zum Beispiel kann die mittlere Filmdicke zwischen einer Welle und einem Lager durch Messung der gesamten elektrischen Kapazität (oder Widerstand oder Impedanz) zwischen diesen zwei Komponenten abgeschätzt werden.
Um die Ölfilmdicke unter Verwendung von kapazitiven, induktiven oder Widerstands-Verfahren zu messen, wird eine maßvoll spezialisierte Version eines relativ gebräuchlichen Geräts verwendet. Normalerweise umfasst das Messsystem einen Signalaufbereiter 20 und außerdem einen Hochfrequenz-Signalgenerator oder Oszillator (nicht gezeigt). Das Signal vom Oszillator wird verwendet, um den Wandler 20 zu erregen, wobei mit der Filmdicke zusammenhängende physikalische Effekte Modulationen im Signal vom Oszillator herbeiführen (man kann aber auch andere physikalische Effekte verwenden, um das Spiel zwischen dem Wandler und dem Ziel zu messen).
Bei einem kapazitiven System ändern Änderungen der Filmdicke effektiv den Zwischenraum eines winzigen Parallelplattenkondensators, wodurch dessen Ladung verändert wird. Dieser Kondensator 20 ist mit einem Ladungsverstärker (Signalaufbereiter 22) verbunden, der eine zu dem Zwischenraum zwischen dem Wandler 20 und dem Kolbenring 14 proportionale Spannung erzeugt. Gewöhnlich umfasst die Signalaufbereitungseinrichtung Verstärkung und Demodulation, um ein dynamisches Signal zu erhalten, das den Zwischenraum zwischen dem Kolbenring 14 und dem Versatzwandler 20 widerspiegelt. Der Abstand vom Ring zur Buchse zeigt die Dicke des Ölfilms 32 zwischen dem Kolbenring 14 und dem Versatzwandler 20 an. Um dies zu erreichen, wird der Kolbenring 14 vorgespannt, um sich in Abwesenheit von Öl 32 in Richtung auf die Zylinderwand 12 auszudehnen.
Kapazitätsbasierte Systeme müssen auf eine Weise kalibriert werden, welche die Dielektrizitätskonstante im Spalt zwischen dem Ziel und dem Wandler berücksichtigt. Wenn sich das Medium im Spalt ändert, muss das System neu kalibriert werden. Diesem Effekt muss daher bei Ölwechseln Rechnung getragen werden (jedoch ist es eine Eigenschaft, die kapazitive Systeme besonders hilfreich macht, wenn Messungen durchgeführt werden, um die Lage von Einlass- und Auslass-Ölfilmgrenzen rings um Kolbenringe zu detektieren, z. B. um die Wahrscheinlichkeit von Vorbeiblas- oder Kavitationseffekten zu beobachten).
Ein Beispiel für ein kapazitätsbasiertes Ölfilmdicken-Messsystem ist beschrieben in:

Grice, N., Sherrington, I. Smith, E. H., O'Donnell, S. G., Stringfellow, J. F. "A capacitance based system for high resolution measurement of lubricant film thickness". Proc. of Nordtrib '90. 4^th Nordic symposium on Tribology, Lubrication, friction and wear. (Hirtsals, Denmark) 1990, S. 349–361.

Systeme, die die Ölfilmdicke unter Verwendung von Induktivität messen, können Sensoren verwenden, die auf den Prinzipien wechselseitige Induktivität oder Eigeninduktivität basieren. Miniatur-Induktivitätssensoren werden auf das Zielmaterial kalibriert, um die Entfernung zu einem Ring, Mantel oder Ziel zu messen. Ihr Betrieb ist anders als der von Kapazitätswandlern, da ihre Ausgabe im Allgemeinen nicht beeinflusst wird, wenn die Art des Öls, das den Spalt zwischen dem Wandler und dem Ring füllt, geändert wird (jedoch können als Folge der Ansammlung von Verschleißpartikeln im Öl Änderungen der magnetischen Eigenschaften des Öls auftreten). Beispiele für Induktivitätsmesssysteme wurden beschrieben von:

• Dow, T. A., Schiele, C. A. und Stockwell, R. D. "Technique for experimental evaluation of piston-ring/cylinder film thickness". J. Lubr. Technol. 105 (1983) S. 353–360;
• Wing, R. D., und Saunders, O. "oil film temperature and thickness measurements on the piston-rings of a diesel engine". Proc. I. Mech. E. 186(1) (1972) S. 1–9.

Bei einem Widerstands-Ölfilmdicken-Messsystem können zwei verwandte Methoden verwendet werden, um die Dicke eines Ölfilms zu bestimmen. Die Methode erfordert, dass wenigstens einige Maschinenkomponenten elektrisch vom Rest der Maschine isoliert sind. Bei einer ersten Methode wird der Widerstand des ganzen oder eines Teil des ölgefüllten Spalts zwischen der Zylinderwand und dem Kolbenring gemessen (gewöhnlich mit einer Art von Brückenschaltung), und eine Widerstandsänderung spiegelt eine Änderung der Ölfilmdicke wider. Bei einer zweiten Methode kann der Grad von elektrischem Durchschlag (oder isoliertem Kontakt) zwischen den isolierten Komponenten/Elektroden gemessen werden. In diesem Beispiel spiegelt weniger Durchschlag, gemessen auf der Basis einer Anzahl von individuellen Kontakten, oder die Dauer der Kontaktzeit, einen größeren Spalt wider. In beiden Fällen resultiert ein Ausgangssignal, das mit der Ölfimdicke in Beziehung gesetzt werden kann. Man beachte jedoch, dass die Widerstandsmessungen der Ölfilmdicke im Allgemeinen als nicht besonders zuverlässig angesehen werden. Frühere Beispiele für Widerstandsmesssysteme sind beschrieben in:

• Courtney Pratt, J. S., Tudor, G. K. "An analysis of the lubrication between the piston-rings and cylinder wall of a running engine". Proc. I. Mech. E., 155 (1946) S. 293–299;
• Furuhama, S., Sumi, T. "A dynamic theory of piston-ring lubrication (3^rd report, measurement of oil thickness)". Bull JSME 4(16) (1961) S. 744–752.

Optische Systeme zur Messung der Ölfilmdicke entwickeln sich schnell. Bis jetzt hat man zwei Methoden verwendet, wie nachfolgend beschrieben.
Die erste Methode ist ein Interferenzverfahren. Dieses verwendet ein System zum Beleuchten der Kontaktfläche zwischen dem untergeordneten Kolben 14 und dem Versatzwandler 20 mit monochromatischem Licht. Wechselwirkungen zwischen Licht, das von verschiedenen Grenzen innerhalb der Kontaktflächen reflektiert wird, erzeugt Interferenzmuster im Schmiermittelfilm. Durch Analyse des Interferenzmusters kann die Dicke des Films an verschiedenen Teilen der Kontaktfläche abgeleitet werden. Ein früheres Beispiel für diese Art von System findet man in:

• Wakuri, Y., Ono, S., Soejima, M., Noguchi, N. "Oil film behaviour of reciprocating slider with circular profile (Observation of oil film by means of thin film interferometry)". Bull JSME, 22(167) (1979) S. 755–762.

Zum Zwecke der Erzeugung von Interferenzmustern im Schmiermittelfilm kann auch chromatische Beleuchtung verwendet werden.
Die zweite Methode, ein optisches System zu verwenden, verwendet Fluoreszenzverfahren. Bei dieser Methode wird unter Verwendung eines konventionellen optischen Systems und eines Quarzfensters, zum Beispiel in der Zylinderwand 12, Laserlicht auf die geschmierte Kontaktfläche zwischen dem Kolbenring 14 und dem Versatzwandler 20 gerichtet. Alternativ kann ein Lichtwellenleiter verwendet werden, um das Licht an eine Stelle auf der Zylinderwand 12 zu lenken, an der die Ölfimdicke zu messen ist. Auf den Schmiermittelfilm auftreffendes Licht bewirkt Fluoreszenz des Öls (es ist jetzt gebräuchlich, zur Steigerung dieses Effekts einen Farbstoff hinzuzufügen). Man kann ein geeignetes optisches System verwenden, das ein konventionelles optisches System oder eines basierend auf Lichtwellenleiter-Technik sein kann, um Licht aus dem Ölfilm heraus zu lenken, um die Intensität des Fluoreszenzeffekts zu beobachten, welche von der Ölfilmdicke abhängt. Normalerweise wird der Detektor eine ladungsgekoppelte Vorrichtung oder ein optischer Detektor mit geeigneter Spezifikation zur Messung der Intensität der Fluoreszenz bei bestimmten Wellenlängen sein. Die Verwendung von optischen Filtern ist notwendig, um die für die Ölfilmdickenbeobachtung relevante Lichtwellenlänge zu messen. Das Verfahren ist bekanntermaßen schwierig zu kalibrieren, dieses Problem überwindet man aber allmählich durch Übernahme eines Bereichs von sinnreichen Methoden zur Ermittlung des Fluoreszenzeffekts. Beispiele von früherer Verwendung von Fluoreszenzverfahren findet man in:

• Inagaki, H., Saito, A. Murakami, M., Konomi, T., "Development of two-dimensional oil film thickness distribution measuring system", SAE paper 952346;
• Sanda, S., Konami, T. "Development of a scanning laser induced fluorescence method for analysing piston oil film behaviour" Pub I. Mech. Paper 465/014/93 (1993) S. 155–164.

Andere potentielle Verfahren zur Messung der Dicke von Ölfilmen umfassen radioaktive Dünnfilm-Aktivierung und akustische Überwachung. Als Ansatz zur Verwendung außerhalb eines Labors werden diese Verfahren gegenwärtig aber als unpraktisch angesehen.
Der Steuersystemabschnitt 24 kann auf einem Steuergerät 30 basieren, das eine Anzahl von verschiedenen Formen hat. Diese umfassen ein dediziertes Analogelektroniksystem, ein dediziertes Digitalelektroniksystem, eine Kreuzung aus digitaler und elektronischer Technik, oder einen Computer mit Analog/Digital-Wandlungs- und Digital/Analog-Wandlungsvermögen. In der Praxis ist ein Computer mit Analog/Digital-Wandlungs- und Digital/Analog-Wandlungsvermögen wahrscheinlich die vernünftigste Wahl.
Das Steuergerät 30 enthält Steuersoftware zur Verarbeitung der Ölfilmdicken-Daten aus dem Ölfilmdicken-Messabschnitt 18. Das Steuergerät 30 erzeugt dann ein Steuersignal zur Steuerung des Öleinspritzsystems 28, das Öl in die Maschinenzylinder einspritzt. Das Steuergerät 30 kann auch Messungen von anderen physikalischen Variablen empfangen, um das Öleinspritzsystem 28 mit einem genaueren und effektiveren Steuersignal zu versorgen. Diese physikalischen Variablen umfassen Maschinenlast, Umgebungsölwannentemperatur und Temperatur an verschiedenen Punkten innerhalb der Maschine.
Das Steuergerät 30 verwendet einen Algorithmus, mit dem es die durch das Öleinspritzsystem 28 in den Zylinder einzuspritzende Menge Öl 32 und außerdem das Timing und die Quantität dieser Einspritzung basierend auf der Ölfilmdickenmessung und der anderen, oben erwähnten physikalischen Umgebungsvariablen bestimmt. Einfach ausgedrückt, wenn die Ölfilmdicke eine Einstellung erfordert, um Aspekte der Maschinenleistung zu optimieren, so wird die in den Zylinder eingespritzte Ölmenge geändert.
Ölermittlung
Der Online-Kalibrierungsabschnitt 26 umfasst Kalibrierungszellen, welche Proben einer kleinen Menge des Öls enthalten, das in die Maschine eingespritzt wird. Diese sind im System eingebaut, um die für den Messabschnitt 18 relevanten Ölkonstanten zu messen, und werden verwendet, um den Messabschnitt 18 und den Steuersystemabschnitt 24 kontinuierlich oder intermittierend selbstzukalibrieren. Zum Beispiel würde ein kapazitätsbasiertes Messsystem erfordern, dass der Online-Kalibrierungsabschnitt 26 die Dielektrizitätskonstante des Öls misst.
Weiterhin werden für alle Arten von Systemen Viskositätsdaten für das Öl 32 benötigt. Die Viskositätsdaten könnten durch Eintippen von Daten in eine Speichereinrichtung des Steuergeräts 30 aus einem Spezifikationsblatt, unter Verwendung einer Nachschlagtabelle von Herstellerdaten oder durch Anwendung eines automatischen Online-Viskositätsmesssystems erfasst werden.
Vollständige kontinuierliche Selbstkalibrierung ist eine vorteilhafte Option, da Anwendung dieser Methode bedeutet, dass das Ölsteuersystem 24 zu automatischer Anpassung an die Eigenschaften von verschiedenen Ölen, die zum Schmieren der Maschine verwendet werden, und den Einfluss von Änderungen der Umgebungsbetriebsbedingungen im Stande sein würde. Die in den Zellen enthaltenen Vorrichtungen zur Durchführung der Messungen hängen von dem für das Steuersystem verwendeten Messprinzip ab.
Daten aus der Kalibrierungszelle können auch nützlich sein, um die Eignung des Öls für Dauergebrauch zu bewerten. So eine Ermittlung kann jedoch die Verwendung von zusätzlichen Wandlern in anderen Zellen 27, 42 erfordern, die im Stande sind, andere Parameter zu messen, die den Ölzustand effektiver widerspiegeln. Diese können zum Beispiel umfassen,

• die Menge und Größenverteilung von Verschleißrückstandspartikeln im Öl zu messen (z. B. um die Fähigkeit von Rückständen zu bewerten, weiteren Verschleiß zu fördern),
• die Alkalinität/Azidität des Schmiermittels zu messen (z. B. um seine Tendenz zu bewerten, Korrosion zu widerstehen bzw. zu fördern),
• Ermittlung von anderen speziellen Variablen wie z. B. der Konzentration von speziellen leistungssteigernden Additiven (z. B. Extremdruck-Additive).

Diese Daten können unter Verwendung des im Ölkreislauf fließenden Öls, der Ölwanne oder von Öl bewertet werden, von dem an kritischen Stellen im System überlegt eine Probe genommen wird. Z. B. Oberflächenkontaktflächen oder andere Stellen nahe an Kontaktflächen, wo bekanntlich extreme Bedingungen die Leistung des Schmiermittels überschritten haben können (d. h., man kann Ölprobennahme verwenden).
Das System, das den Zustand des Öls kontinuierlich ermittelt, könnte nötigenfalls auch bei der Steuerung einer Vorrichtung verwendet werden, die detaillierte Eigenschaften des Öls nötigenfalls dynamisch einstellen kann. Dies erreicht man durch Verwendung von Ventilen und Reservoirs, die Öladditive enthalten. Öffnen der Ventile lässt Additive in den Ölkreislauf ein und ändert das Gleichgewicht des Additivpakets im zirkulierenden Öl. Diese Additive könnten dem normalen Schmiermittelreservoir oder direkt bestimmten Stellen innerhalb des geschmierten Systems zugeführt werden, um die Forderung nach Änderung von Betriebsbedingungen in den Systemen oder Ölverschlechterung zu erfüllen.
Das Ölermittlungssystem kann auch etablierte (d. h. im Handel erhältliche) Geräte für Online-Zustandsüberwachung von Apparaten/Mechaniken 26 enthalten. Diese Systeme sind zum Beispiel im Stande, die Verschleißrückstände im Schmiermittel zu überwachen, um zu erkennen, welche Komponenten in einer Maschine möglicherweise an Verschleiß leiden oder im Begriff sind, auszufallen. Diese Systeme können auch im Stande sein, die Art von Prozess, der zu dem Verschleiß führt, und Details der Geschwindigkeit, mit der es geschieht, zu erkennen.
Die verschiedenen Ausführungsformen des hierin beschriebenen Öleinspritzsteuersystems haben mannigfache Vorteile im Vergleich mit existierenden Öleinspritzsteuersystemen. Zum Beispiel könnten mehrere Ölfilmdicken-Messwandler in jeden Zylinder eingebaut werden, radial und axial rings um jeden Zylinder beabstandet, um ein umfassendes Bild des Betriebsölfilms an verschiedenen Punkten im Hub rings um den Umfang jedes Kolbenrings zu geben. In dieser Situation kann der Ölfilmdicken-Messabschnitt 18 viele Signalkanäle pro Zylinder enthalten. Diese Messdaten werden vom Steuersystemabschnitt 24 verwendet, um die in jeden Maschinenzylinder einzuspritzende Ölmenge zu bestimmen. Die eingespritzte Ölmenge kann daher für radiale Punkte rings um einen gegebenen Zylinder verschieden sein und für jeden Zylinder verschieden sein, um die genauen Bedürfnisse eines gegebenen Kolbenrings an verschiedenen Umfangsstellen widerzuspiegeln.
Zusätzlich zu der oben in Bezug auf 2 beschriebenen Verwendung hat das System viele Anwendungen, für die nachfolgend Beispiele gegeben werden. In 1 hat das verallgemeinerte System dieselben Bezugszeichen für die entsprechenden Teile wie jene, die auch in 2 erscheinen.
In dem verallgemeinerten System befindet sich der Versatzwandler 20 in einem Wandabschnitt einer der Grenzflächenkomponenten 34, 36. Auch kann das System zusätzlich einen Ölzustands-Ermittlungsteil, einen Datenaufzeichnungsteil und einen Apparatzustands-Überwachungsabschnitt (in den Skizzen nicht gezeigt) umfassen.
Das Ölzufuhrsteuersystem hat potentielle Anwendung bei der Steuerung von Ölfilmen für einen weiten Bereich von aerostatisch, hydrostatisch, hydrodynamisch und elastohydrodynamisch geschmierten Komponenten. Beispiele umfassen:
Kolbenringe und Buchsen in Verbrennungsmaschinen;
hydrodynamische Wellenlager;
hydrodynamische Schrägklotzlager;
hydrostatische Lager;
aerostatische Lager;
Wälzelementlager;
Zahnradkontaktflächen;
Traktionskontaktflächen;
Nocken und Mitnehmer.
Die grundlegenden Elemente des Steuersystems sind in 1 dargestellt.
Mögliche Vorteile aufgrund der Verwendung des Systems zur Steuerung der Ölzufuhr zu hydrodynamischen Wellenlagern und Schrägklotzlagern umfassen die Folgenden.

a) Die Ölflussrate kann eingestellt werden, um eine gegebene Ölfilmdicke wäh rend des Betriebs von hydrodynamischen Wellenlagern und Schrägklotzlagern zu erhalten und die Möglichkeit zu dynamischer Einstellung der Filmdicke zu geben, um Änderungen der Drehzahl, Last, Einlassölviskosität usw. während des Betriebs zu berücksichtigen. Dies erlaubt:
– Ölflussraten bei Start/Stop der bewegten Komponente zu ändern, um Verschleiß zu minimieren;
– Ölflussraten zu den Lagern einzustellen, um sie für einen Bereich von Anforderungen der Bedingungsperson zu optimieren. Zum Beispiel könnte die Ölflussrate auf einen gegebenen Satz von Betriebsbedingungen eingestellt werden, um Pumpenergiegebrauch zu erhalten;
– Ölflussraten einzustellen, um die Ölfilmdicke während antizipierter Last- oder Drehzahländerungen aufrechtzuerhalten. Z. B. wird es möglich sein, eine Kontaktfläche in einem Lager, das nur gelegentlich dynamische Lasten erfährt, zu versteifen oder zu dämpfen.
b) Tritt Verschleiß von einer oder beiden Lagerkomponenten auf, können Spiel- oder Formänderungen, die normalerweise einen Austausch des Lagers erforderlich machen, oder eine manuelle Änderung am Ölzufuhrsystem bis zu einem gewissen Grade durch das Ölzufuhrsteuersystem automatisch kompensiert werden.
c) Änderungen der Art des verwendeten Schmiermittels oder Änderungen seiner Eigenschaften während des Betriebs (z. B. Viskositätsänderungen aufgrund von Änderungen der Drehzahl oder Belastung der Umgebungstemperatur der Ölwanne) beeinflussen die Betriebsfilmdicke. Unter Verwendung des Steuersystems würde es möglich sein, einige dieser Effekte durch Änderungen der Ölzufuhrrate zu kompensieren, so dass ein vollständiger Film oder alternativ eine "sichere" Betriebsfilmdicke für das Lager aufrechterhalten wird.
d) Die Dicke des Betriebsölfilms kann kontinuierlich überwacht und von einem Aufzeichnungssystem (z. B. einem Personalcomputer) protokolliert werden. Betriebsbedingungen, die zu Kontakt zwischen den Lagerkomponenten führen, können vom System erkannt werden, und die Bedienungsperson kann alarmiert werden, wenn die Bedingung ernst genug ist, eine Benachrichtigung zu fordern (Erkennen, dass ein gewisser Überlastpegel annehmbar sein kann). Details der Überlastbedingungen und ihrer Dauer könnten ebenfalls vom System aufgezeichnet werden.
e) Da die an den Lagern absorbierte Energie in einem gewissen Maß von der Betriebsfilmdicke abhängt, besteht eine begrenzte Möglichkeit, die zum Betrieb der Kontaktflächen erforderliche Energiemenge zu steuern.
f) Im Prinzip ist es auch möglich, den Betrieb einer Gruppe von möglichen alternativen Ölzufuhrwannen zu steuern. Diese Wannen könnten mit Ölen gefüllt werden, die für Betrieb unter einem Bereich von verschiedenen Bedingungen ausgelegt sind, um zu vorherrschenden Umgebungs- und Betriebssituationen zu passen (z. B. könnten sie mit Öl von verschiedener Viskosität gefüllt werden). Das Ölsteuersystem würde im Stande sein, auf Öl aus alternativen Wannen umzuschalten, um verschiedene Anforderungen zu erfüllen.
g) Es wird möglich sein, eine Steuerung der Betriebsölfilmdicke in kritischen Phasen in der Lebenszeit des Betriebs des Lagers auszuüben, z. B. um die Einlaufphase durch Zufuhr von genügend Schmiermittel zu steuern, um Rauheitswechselwirkung zu begrenzen und folglich Verschleiß zu begrenzen.

Hydrostatische Lager/aerostatische Lager
Die oben für hydrodynamische Lager aufgeführten Vorteile gelten auch für hydrostatische und aerostatische Lager. Es lohnt sich aber, einen wichtigen Aspekt der Verwendung dieses Steuersystems beim Betrieb von hydrostatischen/aerostatischen Lagern hervorzuheben.
Hydrostatische/aerostatische Lager werden normalerweise basierend auf dem Druck der Schmiermittelzufuhr und anderen (großenteils geometrischen) Konstruktionsmerkmalen der Komponenten konstruiert, eine maximale Last aufzunehmen. Das in diesem Patent geschilderte Steuersystem stellt eine Rückkoppelungsschleife bereit, die im Stande ist, die Merkmale der Schmiermittelzufuhr zu steuern: Druck, Temperatur usw.
Diese Merkmale zu verändern, würde es einem hydrostatischen/aerostatischen Lager erlauben, sich an eine Last- oder Drehzahländerung anzupassen und eine ausreichende Betriebsfilmdicke für die Lagerkomponenten in einem weiten Bereich von Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. Dies hätte mehrere Vorteile; zum Beispiel könnte es dem Lager erlaubt werden, in einem weiten Bereich von Lasten zu arbeiten, wobei das Schmiermittelzufuhrsystem (z. B. eine Pumpe) effizienter arbeiten kann, d. h. nur arbeiten muss, um eine Druck- und Flussrate aufrechtzuerhalten, die ausreicht, um eine Schmiermittelfilmdicke zur Unterstützung einer vorherrschenden Last statt einer maximalen vorhergesagten Last für eine gegebene Anwendung aufrechtzuerhalten.
Wälzelementlager/Zahnradkontaktflächen/Traktionskontaktflächen/Nocken und Mitnehmer
Die obigen Maschinenkomponenten arbeiten normalerweise in der elastohydrodynamischen (EHD) Betriebsart mit einem vergleichsweise dünnen Arbeitsfilm. Die zum Aufrechterhalten ihres korrekten Betriebs nötige Schmiermittelmenge ist gewöhnlich ziemlich klein und wird durch viele Kontaktereignisse zu der Kontaktfläche auf der Oberfläche der Komponenten befördert. Manchmal ist jedoch ein Schmiermittelnachschub nötig, und folglich kann ein Schmiermittelzufuhrsteuersystem eine lebenswichtige Rolle beim Aufrechterhalten der Unversehrtheit von Kontaktoberflächen von teilweise wälzenden Kontaktflächen spielen, wie z. B. Zahnrädern, kontinuierlich variablen Getrieben (CVTs), endlos variablen Getrieben (IVTs) und anderen Komponenten, die mittels EHD geschmiert werden.
Bei EHD-Kontaktflächen sind die Komponenten normalerweise nonkonform und arbeiten in einer Mischung von Gleiten und Wälzen. Die Beanspruchung an diesen Kontaktflächen ist sehr hoch, und sie fallen häufig durch Ermüdung aus. Eine der Hauptfunktionen des Schmiermittels ist es, Ermüdungsausfall verzögern zu helfen. Die Gegenwart eines Schmiermittels führt zu zwei wichtigen Effekten:

– das Kontaktdruckprofil wird durch die Gegenwart eines dicken Films geglättet;
– die durch Mikroschlupf verursachte Erzeugung von Scherbeanspruchung wird durch die Gegenwart von dickeren Ölfilmen reduziert.

Das hierin geschilderte Ölzufuhrsteuersystem könnte eine lebenswichtige Rolle beim Aufrechterhalten der Lebensdauer von EHD-Kontaktflächen spielen, indem sie eine Weise betrieben werden können, die sicherstellt, dass der Einlass stets "vollständig geflutet" ist. Diese Bedingung vermeidet "Einlassaushungerung" und dient dazu, die Größe einer unter Druck gesetzten Kontaktzone maximieren zu helfen, so dass die Kontaktflächenlast so weit wie möglich gespreizt wird, was die Kontaktflächenbeanspruchung minimiert und die Lebensdauer erhöht.
Eine zweite nützliche Funktion für dieses System kann in Fällen auftauchen, in denen es notwendig ist, die Wärmeabfuhr von der Kontaktfläche zu verbessern. Betriebsbedingungen, die zu einem "unerwünschten" Temperaturanstieg führen, der in einer Änderung der Filmdicke resultiert, könnten in bis zu einem gewissen Grade durch eine Änderung der Schmiermittelzufuhrrate (und/oder Änderung des Schmiermitteltyps) automatisch kompensiert werden, um die Wärmeabfuhr von der Kontaktfläche zu fördern.
Vorteile, die besonders mit einer Verbrennungsmaschine verknüpft sein können und auch für ein mehr verallgemeinertes System gelten können, sind nachfolgend angegeben.
Die Verwendung eines Steueralgorithmus, der softwarebasiert ist, würde es dem Öleinspritzsystem erlauben, auf bisher nicht in Betracht gezogenen Weisen gesteuert zu werden. Das System kann Maschinenbedienungspersonen einen Bereich von Steueroptionen und andere Vorteile wie folgt bieten.
Die Ölkosten können gesenkt werden, indem nur die minimale Ölmenge bereitgestellt wird, die nötig ist, um einen angemessenen Ölfilm aufrechtzuerhalten, der im richtigen Verhältnis zu einem gegebenen Verschleißbetrag steht.
Die Verschleißraten von Kolbenringen und Zylinderbuchsen können durch Einstellung der verwendeten Ölmenge gesteuert werden.
Die durch eine Maschine erzeugte Verschmutzung kann durch Modifizierung des eingespritzten Ölvolumens gesteuert werden, so dass ein Kompromiss mit erhöhtem Verschleiß ermöglicht wird.
Das in das System eingespritzte Ölvolumen kann zur Anpassung an Veränderungen der Menge und Art des dem Schiff zugeführten Schmieröls automatisch kompensiert werden.
Das System stellt eine verbesserte Fähigkeit bereit, die Maschine nötigenfalls schneller zu machen, indem die Betriebsölfilmdicke optimiert wird, um Reibung zu vermindern, bevor die Maschine schneller gemacht wird.
Das System erlaubt es außerdem, Schmiermittelbedingungen auf eine Art und Weise zu steuern, die für jeden individuellen Zylinder einer Maschine einzigartig ist. Dies sollte die Wartungszeitspanne für den Zylinder bzw. die Maschine verlängern, zum Beispiel durch Verlängerung der Zeitspanne zwischen Kolbenringwechseln. Solche genau gesteuerten Betriebsbedingungen können im Allgemeinen auch die nutzbare Maschinenlebensdauer verlängern.
Die Abdichtung eines Kolbenrings im Zylinder könnte ebenfalls über die Maschinenlebensdauer verbessert werden. Die Wirkung von Spieländerungen von Maschinenkomponenten, zum Beispiel aufgrund von Kolbenring- oder Zylinderbuchsenverschleiß, könnte automatisch berücksichtigt werden. Diese Prozedur kann auf einer individuellen zylinderweisen Basis vorgenommen werden. So ein System würde eine Verminderung des Auftretens von an den Kolbenringen vorbei entweichendem Verbrennungsgas (als Vorbeiblasen bekannt) erlauben und könnte besonders nützlich sein bei vorübergehender Steigerung der Ausgangsleistung von Maschinen mit abgenutzten Kolbenringen/Zylinderbuchsen.
Das System kann den Einbau von Zustandsüberwachung erlauben. Es wird ins Auge gefasst, dass das Ölfilmdicken-Messsystem für bestimmte Problemarten irgendwo in der Maschine empfindlich ist, die über ihren Einfluss auf das Ölzufuhrsteuersystem beobachtet werden könnten.
Das System ist im Stande, Änderungen der Bedürfnisse einer auf See arbeitenden Maschine zu kompensieren, wenn sich die Seebeschaffenheit ändert. Es wurde berichtet, dass Seebedingungen die Betriebsfilmdicke von Kolbenringen beeinflussen.
Das System erlaubt eine Steuerung der der Maschine zugeführten Ölmenge, um Anforderungsänderungen zu berücksichtigen, die als Folge von Umweltbedingungen und/oder lokaler Gesetzgebung auftreten.
Das System berücksichtigt Änderungen von Betriebsbedingungen in jedem Zylinder, die als Folge der marginalen Differenzen bei Maschinenzusammenbau und -herstellung auftreten (z. B. Toleranzen an Komponentengrößen und Veränderungen von Klemmkräften), welche in einer Maschine und ihren Komponenten unvermeidlich auftreten. Daher kann die Leistung jedes Maschinenzylinders optimiert werden.
Das System erlaubt es, den Einfluss der vom Algorithmus benutzten Steuervariablen zu modifizieren. Dies ermöglicht der Maschinenbedienungsperson flexible Steuerung und gibt möglicherweise die Möglichkeit, Änderungen im Denken bezüglich Ölfilmdicken-Steuertechnik auszunutzen.
Abgeleitete Systeme
Wenn die Leistung von Kontaktflächen zwischen denselben Komponenten in verschiedenen Apparaten in hohem Maße wiederholbar oder zumindest gut charakterisiert ist, wird es nicht notwendig sein, ein vollständiges Rückkoppelungssystem einzubauen, um bedeutende Verbesserungen der Schmiermittelsteuerung zu erzielen. Diese Situation kann zum Beispiel auftreten, wenn die Toleranz bei Herstellung, Aufbau und Einbau von Apparatekomponenten hoch ist und wenn Systeme veränderliche, aber bekannte Toleranzen/Spiele an oder zwischen Teilen haben (besonders wenn ein begrenzter Verschleiß und/oder ein spezifizierter, begrenzter Bereich von Betriebsbedingungen vorherrschend ist).
Bei diesen Systemen wird es möglich sein, ein verbessertes Zuverlässigkeitsniveau bei der Ölfilmdickensteuerung zu erreichen, zusammen mit einigen der begleitenden Vorzüge, indem man eine Ölzufuhr verwendet, die durch ein System mit offener Schleife gesteuert wird, welches Steuersignale basierend auf voraufgezeichneten Daten, die mit der Ölfilmdicke zusammenhängen, und einen Bereich von zusammenhängenden Betriebsparametern verwendet (z. B. Drehzahl, Last, Ölviskosität, Temperatur, Systemgeometrie usw.).
Diese voraufgezeichneten Daten könnten in Prüfungen erfasst werden, die unter Verwendung von repräsentativen Komponenten, Apparaten oder Maschinen durchgeführt werden, die mit einem vollständigen Rückkoppelungssystem ausgestattet sind. So eine Anordnung wird es erlauben, die Unabhängigkeit der Filmdicke und der zusammenhängenden Betriebsparameter herzustellen. Diese Informationen können benutzt werden, um "Nachschlagtabellen", empirische Gleichungen oder andere Formen einer Basis zur Steuerung einer Systems mit offener Schleife aufzustellen, das dafür konstruiert ist, die Ölfilmdicke von Komponenten zu steuern, die mit derselben Konstruktion gebaut worden sind. Wenn Kontaktflächen in dem unter Steuerung mit offener Schleife stehenden System nicht "identisch" mit der Prüfvorrichtung sind, haben sie möglicherweise eine Natur, die eine Skalierung der Steuersignale erlaubt, um Unterschiede zwischen sich selbst und den bei der Prüfung benutzten Komponenten zu kompensieren (somit kann der Effekt von Unterschieden in Betriebszustand, Komponentengröße, Spiel usw. berücksichtigt werden, um die Prüfung von ähnlichen, aber nicht identischen Kontaktflächen zu vermeiden).
Es wird auch möglich sein, insbesondere im Falle von einzelnen Kontaktflächen wie z. B. Wellenlagern und Schrägklotzlagern, geeignete Daten zu erzeugen, um die Ölfilmdicke unter Verwendung von theoretischer Analyse und/oder numerischen Modellen (wahrscheinlich computerbasiert) des Betriebs der Komponenten zu steuern. Allerdings ist es in der Praxis wahrscheinlich vernünftig, solche Vorhersagen durch irgendeine Prüfung zu sichern, um die Gültigkeit der Steueralgorithmen zu bestätigen.
Diese Steuersysteme mit offener Schleife werden im Allgemeinen kein so hohes Niveau von Steuerung und Anpassbarkeit wie die umfassend instrumentierten Rückkoppelungssysteme bieten; sie werden aber ein verbessertes Niveau von Ölzufuhrsteuerung bieten, das zur Verwendung bei einer bedeutenden Zahl von Apparatkontaktflächen geeignet ist. Diese Systeme mit offener Schleife können einige, alle oder keine der anderen Aspekte der oben erörterten Systeme beinhalten (z. B. Einrichtungen für Datenaufzeichnung, Ölermittlung/Apparatermittlung usw.).

Claims

Schmiermittelsteuersystem für ein System von Maschinenkomponenten (10, 12, 14), umfassend eine Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung (18), eine Schmiermitteleingabeeinrichtung (28) sowie eine Steuereinrichtung (24), wobei die Steuereinrichtung (24) dazu ausgelegt ist, Signale betreffend die Dicke des Schmiermittels auf wenigstens einem Element von einer oder mehreren der Maschinenkomponenten (10, 12, 14) von der Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung (18) zu empfangen, und dazu ausgelegt ist, die Schmiermitteleingabeeinrichtung (28) so zu steuern, dass sie eine Schmiermittelzufuhr zu einer oder mehreren der Maschinenkomponenten (10, 12, 14) des Systems basierend auf den Signalen von der Dickenmesseinrichtung (18) einstellt, und ferner umfassend eine Kalibrierungseinrichtung (26), die dazu ausgelegt ist, den Wert wenigstens einer physikalischen Variable des Schmiermittels zu bestimmen, die für die Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung (18) relevant ist.
Schmiermittelsteuersystem nach Anspruch 1, bei dem die Kalibrierungseinrichtung (26) den Wert/die Werte an die Steuereinrichtung (24) ausgibt, und die Steuereinrichtung (24) dazu ausgelegt ist, die Schmiermitteleingabeeinrichtung (28) so zu steuern, dass sie die Schmiermittelzufuhr zum System von Maschinenkomponenten (10, 12, 14) basierend auf Signalen aus der Kalibrierungseinrichtung (26) einstellt.
Schmiermittelsteuersystem nach Anspruch 2, bei dem die Steuereinrichtung (24) einen Algorithmus basierend auf Schmiermitteldickensignalen zur Steuerung der Schmiermitteleingabeeinrichtung (28) verwendet.
Schmiermittelsteuersystem nach Anspruch 3, bei dem der Algorithmus ferner Signale betreffend eine Maschinenlast, eine Umgebungsölwannentemperatur und/oder eine Temperatur von einem oder mehreren Punkten innerhalb der Maschine zur Steuerung der Schmiermitteleingabeeinrichtung (28) verwendet.
Schmiermittelsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung (18) einen Versatzwandler (20) zur Bestimmung des Relativabstands zwischen dem Wandler (20) und einem Ziel (14) umfasst, wobei die Position des Ziels (14) mit der Schmiermitteldicke zwischen dem Ziel (14) und dem Wandler (20) zusammenhängt.
Schmiermittelsteuersystem nach Anspruch 5, bei dem die Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung (18) dazu ausgelegt ist, den Versatz zwischen zwei Gleitkomponenten (10, 12) durch direkte Ermittlung einer physikalischen Variable zu bestimmen, wobei die Komponenten selbst als Elemente des Wandlers dienen.
Schmiermittelsteuersystem nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei dem der Ölfilmdickenwandler (20) kapazitive, induktive, optische, Widerstands- und/oder Impedanzverfahren und/oder radioaktive Mittel und/oder akustische (Ultraschall-)Mittel zur Bestimmung der Schmiermitteldicke verwendet.
Schmiermittelsteuersystem nach Anspruch 7, bei dem weitere Wandler in das System eingebaut sind, um Parameter sekundärer Bedeutung wie z. B. Zielposition, Temperatur, Ölviskosität, optische und elektrische Konstanten, zu registrieren.
Schmiermittelsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung (18) eine Mehrzahl beabstandeter Wandler zur Bestimmung der Schmiermitteldicke an beabstandeten Stellen im System von Maschinenkomponenten (10, 12, 14) umfasst.
Schmiermittelsteuersystem nach Anspruch 9, bei dem die Schmiermitteleingabeeinrichtung (28) dazu ausgelegt ist, abhängig von der Ausgabe spezieller Wandler Schmiermittel an bestimmte Stellen im System von Maschinenkomponenten (10, 12, 14) einzugeben.
Schmiermittelsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung (18) eine indirekte Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung ist, die dazu ausgelegt ist, die Schmiermitteldicke auf einem Element des Systems von Maschinenkomponenten durch indirekte Mittel zu messen.
Schmiermittelsteuersystem nach Anspruch 11, bei dem die indirekte Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung (18) eine oder mehrere Variablen mißt, die mit der Schmiermitteldicke auf dem Element zusammenhängen, wobei die oder jede Variable von der Schmiermitteldicke abhängt.
Schmiermittelsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schmiermitteleingabeeinrichtung (28) dazu ausgelegt ist, Schmiermittel in das System von Maschinenkomponenten (10, 12, 14) an einer durch die Steuereinrichtung (24) spezifizierten Stelle einzugeben.
Schmiermittelsteuersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das System von Maschinenkomponenten (10, 12, 14) eine Verbrennungsmaschine ist.
Verbrennungsmaschine, umfassend ein Schmiermittelsteuersystem nach einem der Ansprüche 1–14.
Verfahren zur Steuerung der Schmiermittelverteilung in einem System von Maschinenkomponenten (10, 12, 14), umfassend das Messen der Schmiermitteldicke auf wenigstens einem Element von einem oder mehreren der Maschinenkomponenten (10, 12, 14) des Systems mit einer Schmiermittelfilmdicken-Messeinrichtung (18), das Übermitteln eines der Messung entsprechenden Signals zu einer Steuereinrichtung (24), das Bestimmen einer Schmiermittelmenge, die einer oder mehreren Komponenten des Systems zuzuführen ist, mittels der Steuereinrichtung (24) basierend auf der Dickenmessung, und das Aussenden von Steuersignalen an eine Schmiermitteleingabeeinrichtung (28) zur Steuerung einer Schmiermittelzufuhr zum System, und eine Kalibrierungseinrichtung (26), die dazu ausgelegt ist, den Wert wenigstens einer physikalischen Variable des Schmiermittels zu bestimmen, die für die Schmiermitteldicken-Messeinrichtung (18) relevant ist.
Verfahren zur Steuerung der Schmiermittelverteilung in einem System von Maschinenkomponenten (10, 12, 14) nach Anspruch 16, bei dem mehrere Eingabestellen und Dickenmessstellen vorgesehen sind, welche zwei Gruppen von Stellen im wesentlichen gleich sind.
Verfahren nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, umfassend das Einstellen der Schmiermittelzufuhr zu einem Teil des Systems basierend auf einer Dickenmessung von diesem Teil des Systems.