Freistrahlzentrifuge mit Überwachungsmittel und Verfahren zu deren Überwachung
Beschreibung
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Systems mit einer Freistrahlzentrifuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Außerdem betrifft die Erfindung Freistrahlzentrifugen mit Überwachungseinrichtungen nach dem Oberbegriff der Ansprüche 6 und 9.
Freistrahlzentrifugen mit Überwachungseinrichtungen sind z. B. aus der DE 44 03 425 A1 bekannt. Ziel solcher Überwachungseinrichtungen ist es, Fehlfunktionen der Zentrifuge erfassen zu können bzw. den durch die Abscheidung erzeugten Füllungsgrad festzustellen, um eine Aussage über den Zeitpunkt des Austausches des Zentrifugenrotors machen zu können (Spalte 3, Zeile 12 bis 22 des angegebenen Dokuments). Um das angegebene Ziel auf einfache Weise zu erreichen, zeigt Figur 1 des Dokuments einen Zentrifugenrotor, der auf einer Achse gelagert ist und Axialspiel aufweist. Die Düsen 48 sind schräg nach unten ausgerichtet, so dass durch den Betrieb der Zentrifuge eine Axialkraftkomponente entsteht, die den Rotor entgegen der Gewichtskraft gegen einen am oberen Axialanschlag für den Rotor angebrachten Kontaktring drückt. Eine Fehlfunktion wird angezeigt, wenn der Rotor während des Betriebs den Kontaktring verlässt.
Durch eine derartige konstruktive Ausgestaltung der Überwachungseinrichtung kann jedoch die Fehlerursache bei Verlassen des Kontaktringes nicht zweifelsfrei festgestellt werden. Ursachen können beispielsweise eine Erhöhung der Gewichtskraft der Zentrifuge durch den sich aufbauenden Filterkuchen, eine Verstopfung der Düsen
oder auch eine Schwergängigkeit der eingesetzten Gleitlager 30, 28 sein. Außerdem wird die Axialkraftkomponente, die durch die Düsenstellung erzeugt wird, durch eine Axialkraft aufgrund des Öldruckes überlagert, welcher sich resultierend daraus ergibt, dass die zu zentrifugierende Flüssigkeit von unten in den Rotor einströmt und diesen auf der Achse hochdrückt. Dadurch kann es bei einem unzulässig hohen Druckanstieg der Flüssigkeit dazu kommen, dass der Rotor trotz Fehlfunktionen gegen den Kontaktring gedrückt wird und dadurch die Kontrolleinrichtung im Hinblick auf ihre Funktion versagt.
Außerdem ist die beschriebene Kontrolleinrichtung nicht geeignet, wenn der Zentrifugenrotor, wie in der WO 99/54 051 im Gehäuse axial festgelegt ist (vergl. Figur 2). Diese Bauform ermöglicht die Verwendung von Kugellagern, welche zu einem geringen Drehwiderstand des Rotors und zu einer Verringerung des Leckagestroms an den Lagern führt. Jedoch muss auch eine derartige Zentrifugenbauform abhängig vom Einsatzfall überwacht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung der Funktion einer Freistrahlzentrifuge zu schaffen, welche zuverlässig Fehlfunktionen der Zentrifuge ermitteln. Diese Aufgabe wird durch die Ansprüche 1 , 6 und 9 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren ist zur Überwachung eines Systems geeignet, welches auf jeden Fall eine Freistrahlzentrifuge und die zu zentrifugierende Flüssigkeit enthält. Das System kann auch weitere Komponenten enthalten. Zum Beispiel kann als System auch die Kombination von Zentrifuge und Flüssigkeitsfilter betrachtet werden, wobei die Zentrifuge im Nebenstrom zur Abscheidung feinster Schwebeteilchen vorgesehen ist. Ein solcher Anwendungsfall ergibt sich z. B. im Kraftfahrzeugbereich zur Reinigung des Schmieröls.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung unabhängig von einer Axialkraft erfolgen kann, die auf den Rotor der Zentrifuge entlang seiner Drehachse wirkt. Dies hat den Vorteil, dass die Überwachung unabhängig von dem Zusammenspiel der die Axialkraft erzeugenden Komponenten erfolgen kann. Fehlfunktionen können also festgestellt werden, ohne die mechanischen Eigenschaften der Zentrifuge wie Lagerverschleiß oder Düsenverschleiß sowie der Verlauf des Druckes der zu zentrifugierenden Flüssigkeit beachtet werden müssen. Insbesondere ist die Ermittlung nicht abhängig vom Betrieb der Zentrifuge, da die durch die Düsen erzeugte Axialkraftkomponente nicht notwendig ist. Über den Füllungsgrad der Zentrifuge und damit deren Gewicht kann z. B. während des Stillstandes der Zentrifuge eine Aussage gemacht werden, wodurch Störgrößen, die das Ergebnis verfälschen könnten, weitgehend ausgeschlossen werden können. Das Überwachungssignal kann an entsprechende Ausgabegeräte weitergegeben werden, die Fehlfunktionen anzeigen. Dies können im Kraftfahrzeugbereich z. B. Kontrollleuchten am Armaturenbrett sein. Es ist aber auch die Auswertung der Messsignale durch die Motorelektronik denkbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Überwachung durch einen Drucksensor, der ein Signal abhängig von der auf den Rotor wirkenden Axialkraft erzeugt. Hier kann insbesondere ein piezoelektrischer Sensor eingesetzt werden. Die Messung der Axialkraft ist im Sinne der Erfindung jedoch nicht abhängig von der durch die Düsen erzeugten Axialkraft. Auch in diesem Fall kann z. B. die Axialkraft während des Stillstandes der Zentrifuge ermittelt werden, wodurch die genannten Vorteile erreicht werden. Selbstverständlich kann auch während des Betriebs der Zentrifuge eine Messung erfolgen, wobei eine Axialkraftkomponente der Düsen beachtet werden muss, sofern diese schräg gestellt sind. Es ist jedoch auch eine reine Horizontalwirkung der Düsen denkbar. Dies hat den Vorteil, dass der Vortrieb der Düsen ausschließlich zum Antrieb der Zentrifuge genutzt werden kann, wodurch höhere Drehzahlen erreicht werden können.
Selbstverständlich sind auch andere Funktionsprinzipien für den Drucksensor denkbar, z. B. ein Druckkolben, wobei der Flüssigkeitsdruck in dem Kolben proportional zur Axialkraft am Rotor ist. Um während des Betriebs des Rotors möglichst unverfälschte Ergebnisse zu erzielen, kann weiterhin der Druck des zu zentrifugierenden
Fluids ermittelt werden. Dies kann z. B. durch Sensoren erfolgen, die ohnehin im System, z. B. der Brennkraftmaschine, vorgesehen sind. Diese Werte werden ohnehin durch die Motorelektronik ausgewertet und können durch die direkt an der Zentrifuge ermittelten Messwerte ergänzt werden. Zusätzlich können auch weitere Sensoren im System genutzt werden, um möglichst genaue Aussagen über den Zustand der Zentrifuge treffen zu können.
Eine weitere Möglichkeit der Überwachung der Zentrifuge besteht in der Verwendung eines Drehzahlsensors, der insbesondere als optoelektrischer Sensor ausgeführt ist. Eine alternative Ausbildung des Sensors wäre z. B. ein Tachogenerator. Mit Hilfe eines Drehzahlsensors kann die Drehzahl des Rotors ermittelt werden. Dieses Messsignal kann als solches ausgewertet werden, wodurch z. B. überwacht werden kann, ob die Zentrifuge ihre Nenndrehzahl erreicht. Unter Zuhilfenahme weiterer Parameter sind zusätzliche Aussagen möglich. Zum Beispiel kann unter Hinzuziehung einer Zeiterfassung das Hochlaufverhalten der Zentrifuge bestimmt werden. Über das Hochlaufverhalten lässt sich indirekt der Aufbau des Filterkuchens im Rotor überwachen, da die zunehmende Trägheit des Rotors zu einer Verlängerung der Hochlaufzeit führt.
Wird das Rotorgewicht parallel auf andere Weise ermittelt, so lässt ein Vergleich der Hochlaufzeit und des Rotorgewichtes zusätzliche Aussagen über Fehlfunktionen der Zentrifuge zu. So könnte eine Erhöhung der Lagerreibung bzw. eine Verstopfung der Düsen erkannt werden, da die Hochlaufzeit ohne eine Gewichtserhöhung des Rotors zunehmen würde. Hierbei kann ebenfalls der anliegende Druck der zu zentrifugierenden Flüssigkeit ausgewertet werden, um die Zuverlässigkeit der Überwachung zu erhöhen.
Neben dem Hochlaufverhalten kann auch der Zeitbedarf der Zentrifuge bei einem Wechsel zwischen bestimmten charakteristischen Betriebszuständen ermittelt werden. Hierzu sind zusätzliche Sensoren notwendig, die das Erreichen bzw. das Verlassen charakteristischer Betriebszustände anzeigen. Im Falle der Verwendung der Freistrahlzentrifuge in einer Brennkraftmaschine können z. B. Signale über den Lastzustand des Motors, dessen Ölbedarf oder die Förderleistung der Ölpumpe im Schmierölkreislauf Beachtung finden.
Es ist vorteilhaft, das Verfahren zur Überwachung auch auf die zu zentrifugierende Flüssigkeit selbst anzuwenden. Ein wichtiger Parameter bei der Funktion der Zentrifuge ist die Viskosität dieser Flüssigkeit. So verändert z. B. das Schmieröl einer Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Betriebstemperatur und der Alterung des Schmieröls die Viskosität. Somit kann die Überwachung der Viskosität in einem solchen Fall zur Erreichung individueller Ölwechselintervalle verwendet werden, wodurch die Intervalle auf ein optimales Maß verlängert werden können. Hierdurch erhöht sich sowohl die Wirtschaftlichkeit im Betrieb als auch die Umweltverträglichkeit der betrachteten Brennkraftmaschine.
Die Viskosität der Flüssigkeit ist aber auch als Kriterium für die Funktion der Zentrifuge zu beachten. Der Einfluss der Viskosität auf das Hochlaufverhalten der Zentrifuge kann auf diese Weise mit beachtet werden.
Eine Freistrahlzentrifuge, welche geeignet ist, das beschriebene Verfahren durchzuführen, ist gemäß Anspruch 6 beansprucht. Der Rotor der Zentrifuge ist in mindestens eine Richtung axial festgelegt, wobei die axiale Festlegung des Rotors für einen Drucksensor genutzt wird, der die Axialkraft des Rotors in Richtung der axialen Festlegung ermitteln kann. Der so ermittelte Messwert lässt sich in der bereits beschriebenen Weise verarbeiten.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotor im Gehäuse in axialer Richtung spielfrei gelagert. Dadurch entsteht eine axiale Festlegung in beide Richtungen, so dass der Druckaufnehmer auch axiale Kraftkomponenten in beide Richtungen aufnehmen kann. Dieses ist von Vorteil, da im Stillstand des Rotors eine Axialkraft nach unten wirkt und beim Betrieb des Rotors auch Axialkräfte nach oben auftreten können. Diese werden erzeugt durch eine eventuelle Schrägstellung der Antriebsdüsen des Rotors nach unten und durch den an den Innenwänden des Rotors wirkenden resultierenden Öldruck. Abhängig von der Beladung des Rotors durch den Filterkuchen kann die Axialkraft auch im Betrieb des Rotors nach unten wirken. Im Vergleich zu der in der DE 44 03 425 A1 , Figur 1 , dargestellten konstruktiven Variante einer Überwachungseinrichtung kann das hier beschriebene System die Funktion der Zentrifuge also auch unabhängig von der auf den Rotor wirkenden
Axialkraftrichtung ermitteln. Insbesondere ist auch die Erzeugung eines kontinuierlichen Messsignals möglich, da dieses nicht von der durch die Schrägstellung der Düsen erzeugten Axialkraftkomponente abhängig ist sondern diese Axialkomponente lediglich beachten muss, sofern sie entsteht. Außerdem ist das Signal auch kontinuierlich hinsichtlich des gemessenen Wertes. Es kann somit z. B. der Aufbau des Filterkuchens verfolgt werden, wodurch z. B. ein Rückschluss auf Ölwechselintervalle möglich ist.
Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Zentrifugenrotor im Gehäuse durch ein Kugellager gelagert. Dieses vermag die Axialkräfte des Rotors aufzunehmen und an den Drucksensor weiter zu geben. Außerdem lässt sich hierdurch die Reibung vermindern, wodurch höhere Drehzahlen erreicht werden können.
Alternativ kann an der Freistrahlzentrifuge zur Überwachung auch ein Drehzahlsensor angebracht werden. Dieser wird an geeigneter Stelle im Gehäuse integriert. Ein Tachogenerator müsste z. B. an einer der Lagerstellen des Rotors vorgesehen werden, um einerseits eine Festlegung im Gehäuse und andererseits eine Verbindung mit dem sich drehenden Rotor herzustellen. Das Messsignal des Drehzahlsensors kann in der bereits beschriebenen Weise verarbeitet werden.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird.
Zeichnung
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden in den Zeichnungen anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigen
Figur 1 den schematischen Aufbau einer Freistrahlzentrifuge im Schnitt, an der ein Druckaufnehmer und ein Drehzahlsensor angebracht sind, und
Figur 2 die Anordnung einer Freistrahlzentrifuge im Schmierölkreislauf einer Brennkraftmaschine als Blockschaltbild.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist eine Freistrahlzentrifuge schematisch dargestellt, wie sie z. B. zur Reinigung von Schmieröl einer Brennkraftmaschine zum Einsatz kommt. Die Flussrichtung des Fluids ist durch Pfeile angedeutet. Die Freistrahlzentrifuge 10 weist ein Gehäuse 11 auf, welches mit einem Einlass 12 und einem Auslass 13 ausgestattet ist. Das Gehäuse muss nicht gesondert ausgeführt sein. Es kann der Rotor der Freistrahlzentrifuge genau so gut in weitere Strukturen der Brennkraftmaschine eingebaut werden, wie z. B. die Ölwanne. Ein Rotor 14 der Zentrifuge ist mit einem Mittelrohr 15 in einer Gleitlagerung 16 gelagert. Das Mittelrohr stellt gleichzeitig den Rotoreintritt 17 dar, durch den das Öl in den Rotor gelangt. Antriebsdüsen 18 dienen dem Öl als Rotoraustritt.
An der Außenseite des Rotors ist eine Lageraufnahme 19 für ein Kugellager 20 vorgesehen. Dieses wird mit seinem Außenring am Rotor fixiert. Der Innenring des Kugellagers 20 wird mit einem Zwischenstück 21 versehen, welches mit einem piezoelektrischen Sensor 22 verbunden ist. Dieser Sensor stützt sich im Gehäuse 11 ab. Dadurch kann der Sensor die durch den Rotor bewirkte Axialkraft aufnehmen und sendet das entsprechende Axialkraftsignal f an eine Auswertelektronik 23.
Im Gehäuse ist weiterhin ein optoelektrischer Sensor 24 vorgesehen. Dieser kann über eine Markierung 25 am Rotor ein Drehzahlsignal n erzeugen. Dieses wird zusammen mit einem Temperatursignal t in der Auswertelektronik 23 verarbeitet. Das Temperatursignal t stammt von einem Temperatursensor 26 zur Ermittlung der
Öltemperatur, welcher am Einlass 12 befestigt ist. Die Auswertelektronik gibt ein Kontrollsignal s aus, welches zur Ausgabe eines Fehlers benutzt werden kann.
In Figur 2 ist die Einbindung der Freistrahlzentrifuge 10 in einen Schmierölkreislauf 27 einer Brennkraftmaschine 28 dargestellt. Die bereits beschriebenen Signale f, t laufen zusammen mit einem Drucksignal p des Schmieröls, einem Zeitsignal z und weiteren Motorparametern a, b in einer Motorsteuerung 29 zusammen. Bei den Motorparametern kann es sich um die Drehzahl der Brennkraftmaschine, den Luftbedarf der Brennkraftmaschine, die Drehzahl bzw. Förderleistung der Ölpumpe des Schmierölkreislaufes oder sonstige Parameter handeln. Die Signale werden in der Motorsteuerung 29 verarbeitet und als Steuersignal s an das Armaturenbrett 30 weitergegeben. Eine Pumpe 31 , die im Schmierölkreislauf 27 vorgesehen ist, gewährleistet eine genügende Versorgung der Schmierstellen (nicht dargestellt). Die Freistrahlzentrifuge 10 ist im Nebenstrom zu einem Ölfilter 32 angeordnet. Über ein Steuerventil 33 lässt sich die Ölzufuhr zur Freistrahlzentrifuge regulieren.
Die verschiedenen Messsignale können als Kennfeld in der Motorsteuerung 29 hinterlegt werden. Dadurch ist die Beurteilung einer einwandfreien Funktion der Freistrahlzentrifuge möglich. Zusätzlich können Beziehungen zwischen einzelnen Messsignalen in der Steuerung abgelegt werden. Als Beispiel ist die Beziehung zwischen Hochlaufzeit und Beladung zu nennen. Hierdurch ergibt sich eine bestimmte Beziehung zwischen z und f.