DE3904142A1 - Verfahren und vorrichtung zur on-line kontrolle von motorenoelen - Google Patents

Description

Motorenöle werden nach derzeitiger Praxis ohne Berücksichtigung ihres wirklichen Alterungs-, Verunreinigungs- und Additiver­ schöpfungszustand und ohne Berücksichtigung der Betriebsbe­ dingungen nach einer bestimmten Laufleistung gewechselt.

Es ist bekannt und in einem Merkblatt der Berufsgenossenschaft niedergelegt, daß Motorenöle mit zunehmender Gebrauchsdauer Schadstoffe anreichern, die hinsichtlich möglicher Umweltschä­ den bedenklich sind. Es sind bisher keine technisch brauchba­ ren Lösungen erkennbar, wie etwaige für Mensch und Umgebung kritische Konzentrationen rechtzeitig erkannt werden können. Es besteht daher die Aufgabenstellung von diesen üblichen zwar statistisch abgesicherten und von großen Sicherheitszuschlägen gekennzeichneten Ölwechselfristen abzukommen und eine On-line Kontrolle von Motorenölen einzuführen.

Zuverlässige Meßmethoden zur Ermittlung der Erschöpfung der Schmieröl-Additive aufgrund der thermischen und mechanischen Beanspruchung im Motor fehlen bisher, obgleich miniaturisierte Meßgeräte bekannt sind, die es gestatten, einige wichtige Daten, die den chemischen oder physikalischen Zustand des Öls beschrei­ ben, genügend genau zu ermitteln. Es liegt in der Natur der Verunreinigungen (Wasser, Ruß, Glykol, Kraftstoff) und in der Vielfalt der im Öl verwendeten Additive (VI-Verbesserer, PP- Depressants, Antioxidantien, Rost- und Korrosionsinhibitoren u. a. m.), daß für jede Leitgröße gesondert ein an sich bekanntes Meßprinzip miniaturisiert werden müßte. Meßgeräte, welche die zahlreichen Parameter erfassen, sind bisher nicht vorhanden.

Von großer Bedeutung für die Lebensdauer eines Verbrennungs­ motors ist der Verschleißverlauf.

Diese technisch wichtige und für den Betreiber wirtschaftlich wichtige Größe bleibt bis jetzt völlig unbeachtet, wenn es um die Begrenzung der Lebensdauer einer Ölfüllung geht. Erfor­ derlich wäre daher eine On-line Meßmethode, welche auch die Zunahme an metallischen Verunreinigungen, die aus dem Motoren­ material stammen, zu bestimmen erlaubt.

Eine Methode zum On-line Messen von festen als Verunreinigung im Schmieröl auftretenden Partikeln und zum Bestimmen von Wasser im Schmieröl ist in "Turbine Bearings and Rotor Dynamics Work­ shop, EPRI, Electric Power Res. Inst., Dearborn, MI, USA, Inne 1985 4024 (1985) Inn, S.3.1-3.25" (Autor ist Richard C. El­ well) beschrieben.

Die festen Partikel im Schmieröl von Turbinengeneratoren des Georgia Kraftwerks Yates Unit 6 wurden hiernach mit einem HIAC/ Royco Gerät gemessen und das Wasser mit einem optischen Trü­ bungsmeßgerät der Fa. Monitek, Inc.

In einem Vortrag von Dr. G. Hellwig, Dr. N. Normann und Dr. G. Uhl anläßlich der UNITI-Tagung in Hohenheim vom 16. bis 15.03.1988 wird ein Sensor auf dielektrischer Basis zur On-line Charakterisierung von Alkalität und Viskosität von Motorenölen beschrieben.

In "The Wear Particle Analyzer" 41st Meeting of the Mechanical Failures Prevention Group. Oct. 28-30, 1986, patuxent River, Maryland wird ein Analysengerät zur Bestimmung Eisen enthalten­ den Abriebs in Motorenöl auf der Grundlage magnetischer Ab­ trennung offenbart. Das Gerät kann auch als On-line Gerät ein­ gesetzt werden.

Der geschilderte Stand der Technik macht deutlich, daß man noch weit von der Lösung der eingangs geschilderten Aufgaben­ stellung entfernt ist, nämlich der On-line Erfassung für die Schmierwirkung wichtiger Parameter in einem in Betrieb befind­ lichen Motor, wie Viskositätszunahme durch Ölalterung, Verdam­ pfungsverlust oder Feststoffe, Veränderung, Abbau und Erschöp­ fung der Additive, wie z. B. der Korrosionsschutzadditive, Rost­ inhibitoren, Detergents, Dispersants, Antioxidantien u. a., Verdünnung durch Kraftstoff, Änderung der Basenzahl und andere wichtige Einflüsse.

Eine überraschende Lösung der geschilderten Aufgabenstellung ergibt sich aus der Erfindung der Anmelderin, die ein Verfahren und eine Vorrichtung zur On-line Kontrolle von Motorenölen betrifft, dadurch gekennzeichnet, daß Änderungen der Motorenöl­ eigenschaften durch Biosensoren angezeigt werden.

Die Fig. 1 und 2 stellen beispielhaft Sensorenanordnungen dar.

Es ist bekannt, daß Biosensoren bereits im medizinischen und Nahrungsmittel-Bereich Anwendung finden, sowie in der Abwasser- Technik. Es handelt sich um Detektoren aus Mikroorganismen, wie beispielsweise Viren, Bakterien, Enzymen, Pilzen, Hefen, Flechten oder Algen.

Die Stoffwechselvorgänge in solchen Kulturen, die als Reaktion auf Veränderungen in dem sie umgebenden Medien ablaufen, lassen sich elektronisch so erfassen und verstärken, daß bereits außer­ ordentlich geringe Veränderungen nachweisbar sind.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe, On-line Veränderungen in Motorenölen zu messen, besteht daher darin, daß in Verbin­ dung mit dem Motorenöl befindliche Biosensor-Kulturen durch spezifische Reaktionen auf Veränderungen im Motorenöl, also z. B. auf Ursachen von Viskositätsänderungen, Veränderungen der Additive, auf bestimmte Abriebmaterialien und dergl. rea­ gieren und diese Veränderungen über elektronische Vorrichtungen laufend anzeigen, so daß auf diese Weise jederzeit eine Bewer­ tung der in Betrieb befindlichen Schmiermittel vorgenommen werden kann.

Obgleich noch nicht für alle in Motorölen ablaufenden Verände­ rungen spezifische Biosensoren zur Verfügung stehen, sind be­ reits zahlreiche Bakterienstämme wie Hefen, Schimmelpilze und andere Mikroorganismen bekannt, die in Motorenölen wachsen können.

So werden in Dev. Ind. Microbiol. 1982, 23, S. 207-216 Mikro­ organismen beschrieben, welche sich in Metallbearbeitungsflüs­ sigkeiten vermehren und hierbei die Qualität derselben negativ verändern.

Es handelt sich um die Stämme Serratia liquefaciens, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa und Pseudomonas sp.

Die Veränderungen in den Metallbearbeitungsflüssigkeiten wurden infrarot-spektroskopisch verfolgt.

In Trib Int. 1975, 81, 253-255 wird der Einfluß von Mikroorga­ nismen auf Motoröle untersucht. Hier werden die Stämme Bacillus, Corynebacterium, Actinomyces, Micrococcus, Serratia, Citrobac­ ter, Edwardsiella, Pseudomonas, Nocardia, Acinetobacter species, Cladosporium, Aspergillus, Cephalosporium, Mucor, Monosporium, Penicillium und Saccharomyces genannt.

Erfindungsgemäß werden solche und andere Mikroorganismen in der Weise genutzt, daß sie mit kleinen Mengen des in Betrieb befindlichen Motorenöls in Kontakt gebracht werden und die hierbei auftretenden Stoffwechselvorgänge elektronisch regi­ striert werden.

Der Kontakt kann hierbei kontinuierlich im Ölnebenstrom erfol­ gen oder beispielsweise durch einen zeitlich begrenzten Kon­ takt vor Antritt oder nach Beendigung einer Fahrt. Hierbei können für jede Bestimmungsart, z. B. veränderte Additive, veränderte Viskosität, Anreicherung bestimmte Metalle wie Fe, Cu oder Al im Motorenöl, jeweils einzelne Sensoren mit dem Öl in Kontakt gebracht werden, um auf diese Weise die Qualität des Öls über einen längeren Zeitraum kontrollieren zu können.

Die spezifischen Sensoren können beispielsweise auch zu Sen­ sorenpaketen bzw. Batterien zusammengepackt sein, wobei nach­ einander einzelne Sensoren mit dem Öl in Kontakt gebracht wer­ den.

Die kleinen Mengen an in die Sensoren eingebrachtem Öl können in einem Behälter gesammelt werden.

Auch eine Rückführung in den Schmiermittel-Kreislauf ist mög­ lich, wobei jedoch die Mikroorganismen bevorzugt durch Fil­ ter vor dem Eintritt in den Kreislauf abgetrennt werden sollten.

Durch eine Prinzipfigur 1, die jedoch nur als ein stark verein­ fachtes Beispiel anzusehen ist, soll diese zusätzlich erläutert werden, ohne die vorliegende Erfindung einzuschränken.

(1) stellt eine Motorenölwanne dar, (2) den Ölsumpf, (3), (4), (5), (6) und (7) sind spezifische Sensorenbatterien. (3) zeigt beispielsweise die Zunahme von Eisen, (4) die Zu­ nahme von Kupfer und (5) die Zunahme von Aluminium an. In (6) wird die Abnahme des Korrosionsinhibitors angezeigt, in (7) die Viskositätsveränderung.

In bestimmten Zeitabständen öffnen sich die Verbindungsleitungen (10), (11), (12), (13) und (14) und es fließt eine kleine Menge Öl in einen einzelnen Sensor der spezifischen Sensorenbatterien (3), (4), (5), (6) und (7). Durch elektronische Meßmethoden werden die Stoffwechselveränderungen bzw. die Zunahme oder Abnahme der Mikroorganismen angezeigt. Die erhaltenen Meßwerte können direkt als Veränderungen der Metallgehalte, Korrosions­ mittelgehalte oder Viskositätsänderung abgelesen werden.

Nach der Messung fließt die kleine Menge Öl in Sammelbehälter (8) ab, dieser kann über ein Mikroorganismenfilter (9) mit (2) verbunden sein, so daß das Öl wieder in den Kreislauf rück­ geführt werden kann.

Eine weitere, jedoch nicht limitierende Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Prinzipfigur 2 dargestellt. Hier befinden sich die Sensoren in einer (Wegwerf-) Leiste, die nachdem sie die Ölzustands-Kriterien registriert hat, auf einfache Weise entfernt und beispielsweise zum Zeitpunkt des ölwechsels durch eine neue Leiste ersetzt werden kann.

Über die in den Figuren näher beschriebenen, erfindungsgemäßen Ausgestaltungen hinaus sind zahlreiche andere Anordnungen mög­ lich.

In Fig. 2 stellt (1) eine Motorenölwanne dar, (2) den Ölsumpf, (3) eine (Wegwerf-) Sensorenleiste und (4), (5), (6), (7) und (8) verschiedene spezifische Sensoren. Über (9) werden elek­ trische Signale abgegeben.

(10)-(14) stellen die Ölzuläufe zu den Biosensoren dar.

Claims (6)

1. Verfahren zur On-line-Kontrolle von Motorenölen, dadurch gekennzeichnet, daß Änderungen der Motorenöleigenschaften durch Biosensoren angezeigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in bestimmten Zeitabständen eine kleine Menge Öl in einen ein­ zelnen spezifischen Biosensor fließt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das in die Biosensoren eingesetzte Öl gesammelt wird und über einen Mikroorganismenfilter in die Motorenöl­ wanne ruckgeführt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Biosensoren, zu denen das Öl Zutritt hat in einer Leiste angeordnet sind und daß diese nach Gebrauch entfernt wird.

5. Vorrichtung zur On-line-Kontrolle von Motorenölen, dadurch gekennzeichnet, daß diese Biosensoren enthält, welche Än­ derungen der Motorenöleigenschaften anzeigen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Biosensoren auf einer leicht entfernbaren und leicht einsetzbaren (Wegwerf-) Leiste befinden.