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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Verbrauchs zumindest eines Betriebsmit- tels einer Kraft- oder Arbeitsmaschine, wobei aus einer Messung von markierten Anteilen zumin- dest eines Betriebsmittels auf einer Ausgangsseite der Maschine der Verbrauch des jeweiligen Betriebsmittels ermittelt wird, weiters ein Verfahren zur Ölverbrauchsmessung von Verbrennungs- kraftmaschinen, insbesonders von Motoren, die nach dem Otto- oder Dieselprinzip oder einer Kombination dieser Verfahren arbeiten, umfassend die Beimischung einer nicht-radioaktiven, im Abgas der Verbrennungskraftmaschine nachweisbaren Substanz in das Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine, Abzweigung von zumindest einem Teilstrom des Abgases der Verbrennungskraftmaschine,
Nachverbrennung allfälliger noch unverbrannter Anteile im entnom- menen Teilstrom und Bestimmung der Konzentration jener Substanz im entnommenen Teilstrom des Abgases, sowie ein Betriebsmittel zur Verwendung in einem derartigen Verfahren bzw. insbe- sonders ein Schmiermittel für Verbrennungskraftmaschinen, insbesonders für jene Motoren, die nach dem Otto- oder Dieselprinzip oder einer Kombination dieser Verfahren arbeiten, bestehend hauptsächlich aus Kohlenwasserstoff-Verbindungen verschiedener Fraktionen, zum Einsatz in derartigen Verfahren.
Die bisher im Versuchsbetrieb angewendeten Ölverbrauch-Messmethoden lassen sich grund- sätzlich in zwei Gruppen einteilen. Einerseits kann eine Bestimmung der Ölmengen-Differenz durch Wiegen oder Volumenmessung vorgenommen werden, oder es kann unmittelbar die Ermitt- lung der verbrauchten Ölmenge durch Nachweis von Schmierölbestandteilen bzw. von Markie- rungssubstanzen (Tracer) im Abgas vorgenommen werden.
Die Volumen- und Gewichtsmethoden, die im Allgemeinen diskontinuierlich funktionieren, ha- ben den Nachteil, dass grosse Messwertstreuungen auftreten. Diese Erscheinung ist durch sehr lange Messzeiten in Grenzen zu halten. Es wurden auch automatische Ölverbrauch-Messverfahren entwickelt, die kontinuierlich messen.
Die bekannten Nachteile dieser konventionellen Methoden, vor allem lange Messzeiten, führten bereits vor mehr als 40 Jahren zur Entwicklung von Tracer-Messverfahren. Allen diesen Markie- rungsverfahren ist gemein, dass dem Motoröl ein Indikator zugesetzt wird oder in bekannter Menge in diesem schon enthalten ist (Additive), welcher Tracer im Auspuffgas quantitativ nachgewiesen werden kann.
Für die Markierungsstoffe gelten - unabhängig vom Nachweisverfahren - die Anforderungen, dass sie durch die Temperaturen im Verbrennungsraum des Motors nicht zerstört werden dürfen, noch dürfen sie sich weder im Motorraum noch im Auspuffsystem ablagern, noch vorzeitig ver- flüchtigen, und der ermittelte Tracerverbrauch muss dem tatsächlichen Ölverbrauch proportional sein. Darüberhinaus sollten sie die Öleigenschaften - insbesondere seine Schmiereigenschaften - nicht verändern. Bislang konnten die genannten Anforderungen in ihrer Gesamtheit bei keinem der herkömmlichen Verfahren verwirklicht werden. Alle metallischen Elemente, die als Markierungs- stoffe in Frage kommen, lagern sich als Oxide oder als hochschmelzende Salze undefiniert im Motorraum oder im Auspuffsystem ab.
Entsprechendes gilt für die meisten nichtmetallischen Mar- kierungsstoffe, da sie mit den metallischen Elementen - wie Blei, Barium, Calzium, Zink - in Benzin und Dieselöl hochschmelzende Salze bilden würden. Versuche, den Ölverbrauch über Flammen- photometrie bzw. Spektralanalyse zu messen, scheiterten daran, dass die im Abgas gemessenen Additivkomponenten kein Mass für die tatsächliche verbrauchte Ölmenge waren.
Nicht radioaktive Tracer können entweder direkt (z. B. für den Stoff Pyren) oder über deren Re- aktionsprodukte (z. B. für SO2) im Abgastrakt - abhängig vom Verfahren - auch onlinefähig erfasst werden. Bei der S02-Methode, wie etwa in SAE Paper 920652 beschrieben, muss der gesamte Motor und vor allem auch der Kraftstoff schwefelfrei sein, um das gemessene SO2 eindeutig dem Schmieröl zuordnen zu können.
Lange Tradition - in der Entwicklung von Ölverbrauchsmessmethoden - haben die mit radioak- tiven Stoffen arbeitenden Isotopenverfahren. Bei radioaktiver Markierung (z. B. Tritium, Brom, 14C,...) wird die Aktivität der Reaktionsprodukte (z.B. T20, HBr ; C02,...) der jeweiligen Tracer im Motorabgas gemessen. Dabei hat sich vor allem das Tritium-Messverfahren durchgesetzt. Als Tracer wird der weiche #-Strahler 3H in einem Austauschverfahren (z. B.: nach Wilzbach) statt dem Element 1H in das Motoröl eingebracht. Die Verwendung von radioaktiven Tracern hat einen erheb- lichen apparativen Aufwand zur Folge. Ferner sind Strahlenschutzmassnahmen zu treffen.
Die gesetzlichen Restriktionen bezüglich Strahlenschutzes werden in näherer Zukunft eher angezogen
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als gelockert werden, so dass der Einsatz von radioaktiven Tracern und der damit verbundene Aufwand daher nicht weiter sinnvoll einsetzbar ist.
Zwei Methoden, die in letzter Zeit entwickelt wurden verzichten dabei auf den Einsatz von ra- dioaktiven Tracern bzw. auf die vorgenannten Markierungen mit den bekannten Nachteilen. Die Pyren-Tracermethode gemäss der DE 198 32 194 A1 markiert dabei mit einer aromatischen Ver- bindung das Motoröl, welche Verbindung bei Verlassen der Brennkammer unverändert vorliegen sollte und durch ein Lasermassenspektrometer (das mit einer Laserwellenlänge von 266 nm spe- ziell auf das hochselektive Erfassen dieser aromatischen Verbindung ausgelegt wurde) als Mass für den Ölverbrauch detektiert wird. Sogenannte .direkte Ölemissionsmessmethoden" verzichten auf die Zugabe eines Tracers und versuchen mithilfe eines modifizierten EIMS unverbrannte Öl- verbrauchsanteile (schwere HCs, die dem Schmieröl zugeordnet werden können) im Abgas zu detektieren.
Die Pyren-Tracermethoden und die direkten Methoden haben gemeinsam, dass für den Ölverbrauch signifikante Emissionen im Motorenabgas detektiert werden. Beide #Massense- lektive Methoden" können jedoch nur die unverbrannten Anteile des Schmierölverbrauchs erfas- sen, was jedoch zu gröberen Fehleinschätzungen führen kann, da der Methodenansatz, aus der Erfassung von unverbrannten Ölemissionsanteilen um auf den Gesamtölverbrauch zu schliessen, unzulässig ist. Aus Analysen mithilfe von Simulationsprogrammen konnte nachgewiesen werden, dass das Verhältnis von verbrannter zu unverbrannter Ölemission (Anteil der Ölverbrennung) stark vom Betriebspunkt und vom Brennverfahren abhängig ist.
Die Pyren-Tracermethode nach DE 198 32 194 A1 sowie die direkten Methoden" versuchen jedoch lediglich aufgrund des unver- brannten Ölanteils auf den Gesamtölverbrauch zu schliessen.
Es war daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs angegebe- nen Art zur Messung des Verbrauchs zumindest eines Betriebsmittels einer Kraft- oder Arbeitsma- schine anzugeben, das zeitlich hochauflösend und onlinefähig ist und ohne besondere Schutzvor- kehrungen, insbesondere in Bezug auf Strahlenschutz, durchführbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass der Maschine ein Betriebs- mittel zugeführt wird, welches Betriebsmittel mit nicht-radioaktiven Isotopen seiner Bestandteile markiert ist, und dass auf der Ausgangsseite der Maschine eine auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhende physikalische Grösse als dem Verbrauch proportionale reprä- sentative Grösse bestimmt wird. Damit stützt sich das neue Messverfahren, abgehend von den vorgenannten chemisch markierenden Methoden und den in diesem Zusammenhang erläuterten Verfahrensnachteilen, auf eine physikalische Markierung des zu betrachteten Betriebsmittels. Mit heutigem Stand der Technik hat man Analysegeräte zur Verfügung, die auch kleinste Isotopen- Spuren, aufgrund von Substanz- bzw. Massenselektion, eindeutig und quantitativ, beispielsweise im Motorenabgas, nachweisen können.
Derartige massenselektive und/oder substanzselektive Messmethoden (im weiteren als isotopenselektive Messmethoden bezeichnet) könnten beispielswei- se IR-Spektroskopie, FTIR (Fourier Transformed IR)-Spektroskopie, massenspektroskopische Messmethoden, NMR-Messungen oder Kombinationen der genannten Methoden sein. Generell wird durch den methodischen Ansatz einer Emissionsmessung zur Bestimmung des Ölverbrau- ches, Onlinefähigkeit und zylinderselektiver Messeinsatz ermöglicht.
Selbstverständlich können die Betriebsmittel einer Maschine auch schon beim normalen Be- trieb bereits in der Maschine und vor Austritt auf der Ausgangsseite der Maschine einer chemi- schen Umwandlung unterworfen sein. In diesem Fall ist gemäss einer vorteilhaften Ausführungsva- riante des Verfahrens vorgesehen, dass die auf der Anzahl an Atomen der nichtradioaktiven Isotope beruhende physikalische Grösse im chemisch umgewandelten Betriebsmittel auf der Ausgangsseite der Maschine ermittelt wird.
Um dabei den Verbrauch an Betriebsmittel möglichst vollständig zu erfassen, kann gemäss ei- nem weiteren Merkmal der Erfindung vorgesehen sein, dass auf der Ausgangsseite nicht vollständig umgewandelte Anteile des markierten Betriebsmittels einer gleichartigen Umwandlung wie in der Maschine unterworfen werden. Eine derartige Umwandlung kann beispielsweise die vollständige Nachverbrennung des Betriebsmittels sein.
Wenn vorteilhafterweise die auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhen- de physikalische Grösse sowohl im bereits in der Maschine umgewandelten Betriebsmittel als auch im vollständig umgewandelten Betriebsmittel ermittelt und das Verhältnis der beiden Werte be- stimmt wird, können Einflüsse von bereits natürlich im Betriebsmittel vorhandenen Isotopen be-
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rücksichtigt damit eine genaue Nullwertbestimmung für die Verbrauchsmessung durchgeführt werden.
Die bestmögliche Onlinefähigkeit des Verfahrens, d. h. die automatisierbare, hochauflösende und vorzugsweise auch kontinuierliche Durchführbarkeit, kann gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung dann erreicht werden, wenn das Betriebsmittel auf der Ausgangsseite der Maschine mit Ausnahme einer allfälligen chemischen Umwandlung weitestgehend unverändert auf die auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhende physikalische Grösse untersucht wird.
Selbstverständlich kann die Bestimmung der auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhenden physikalische Grösse für einen Teilstrom des Betriebsmittels auf der Aus- gangsseite der Maschine erfolgen, so dass nicht der gesamte Strom des Betriebsmittels auf der Ausgangsseite der Maschine erfasst werden muss, was bei gasförmigem Zustand sehr aufwendig sein könnte.
Für den Spezialfall der Ölverbrauchsmessung von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere von Motoren, die nach dem Otto- oder Dieselprinzip oder einer Kombination dieser Verfahren arbeiten, ist die Lösung der gestellten Aufgabe dadurch zu erzielen, dass dem Schmiermittel der Verbrennungskraftmaschine vor deren Inbetriebnahme zur Ölverbrauchsmessung zumindest ein Teil eines Schmiermittels beigemischt wird, bei welchem zumindest ein Atom zumindest einer Kohlenwasserstoff-Verbindung durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt ist, und dass die Konzent- ration dieses Isotops mittels isotopenselektiver Messungen bestimmt wird. Damit werden im Mo- torabgastrakt Verbrennungsprodukte, die nachweislich vom rein physikalisch und nicht-radioaktiv markierten Schmieröl stammen durch Einsatz einer isotopenselektiven Analysemethode erfasst.
Ein weiterer Vorteil der Erfassung von Verbrennungsprodukten liegt darin, dass diese weniger Reaktionsfreudigkeit mit z.B. 02 oder anderen Abgaskomponenten bei hohen Temperaturen im Abgastrakt (am Weg zur Probenentnahme) zeigen als unverbrannte Komponenten (z. B.: HC's).
Dazu kann natürlich auch vorgesehen sein, dass das gesamte Schmiermittel der Verbren- nungskraftmaschine durch ein Schmiermittel ersetzt wird, bei welchem zumindest ein Atom zumin- dest einer Kohlenwasserstoff-Verbindung durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt ist.
Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Verfahrens kann der isotopenselektiven Mes- sung eine vorzugsweise katalytische Nachverbrennung des unverbrannten Anteils des entnomme- nen Teilstroms des Abgases vorangehen, so dass auch zur Gewährleistung der optimalen Messge- nauigkeit die unverbrannte Ölemission ebenfalls erfasst werden kann.
Vorteilhafterweise wird zumindest ein Verfahren aus der Gruppe IR-Spektroskopie, FTIR (Fou- rier Transformed IR)-Spektroskopie, massenspektroskopische Messmethoden, NMR-Messungen oder eine Kombination der genannten Methoden zur isotopenselektiven Messung herangezogen.
Zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe dient auch ein Betriebsmittel zur Verwendung in einem Verfahren wie oben beschrieben, das erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet ist, dass es mit nicht-radioaktiven Isotopen seiner Bestandteile markiert ist. Damit ist es auch möglich, die Verbrennungsprodukte von Schmieröl und Kraftstoff getrennt voneinander zu bewerten.
Vorteilhafterweise werden dabei zumindest ein Wasserstoff- und/oder Kohlenstoff-Atom durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt. Als Tracer werden nicht radioaktive Isotope (z. B.: 13C, Deute- rium 2H (in weiterer Folge als D bezeichnet) eingesetzt, die anstelle von vorhandenen C- oder H- Atomen in den Molekülraster eingebaut werden können, ohne die relevanten Eigenschaften dieses Betriebsstoffes zu ändern.
Speziell für Schmiermittel für Verbrennungskraftmaschinen, die zum Einsatz in einem der oben erläuterten Verfahren bestimmt sind, ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass zumindest ein Atom zumindest einer Kohlenwasserstoff-Verbindung durch ein nicht-radioaktives Isotop ersetzt ist.
Gemäss einer ersten Alternative kann zumindest ein Kohlenstoffatom durch das Kohlenstoff- Isotop 13C ersetzt sein.
Alternativ dazu oder auch zusätzlich kann vorgesehen sein, dass zumindest ein Wasserstoff- atom durch das Wasserstoff-Isotop D ersetzt ist.
Um einen einfachere Erfassung zu ermöglichen, ist gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass mehrere Atome pro Kohlenwasserstoff-Verbindung durch deren nicht-radioaktive Isotope ersetzt sind.
Um der Zusammensetzung moderner Schmiermittel aus Komponenten mit unterschiedlichen chemisch-physikalischen Parametern gerecht zu werden, welche auch unterschiedlichen
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Verbrauchsmechanismen unterliegen, ist gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass jede Fraktion des Schmiermittels die gleiche Konzentration an nicht-radioaktiven Isotopen jeder Art enthält. Damit kann der Ölverbrauch jeder Fraktion erfasst und der Gesamt- verbrauch exakt ermittelt werden.
In der nachfolgenden Beschreibung soll die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbei- spiele und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigt die Fig. 1 in schematischer Darstellung den Ablauf des erfindungsgemässen Verfah- rens bei einer Verbrennungskraftmaschine und Fig. 2 ist eine schematische Darstellung verschie- dener Probeentnahmestellen bei der erfindungsgemässen Bestimmung des Ölverbrauchs einer Verbrennungskraftmaschine.
Einer Verbrennungskraftmaschine UUT wird die Luftmasse L zugeführt, welche im wesentli- chen die bei Zus. 1 angegebene Zusammensetzung aufweist, wobei die Verhältniszahlen u, v und w in gewissem Umfang variieren können und auch noch weitere Komponenten vorhanden sein könnten. In dem oder den Brennräumen wird die Luft L mit der Brennstoffmasse V, hauptsächlich bestehend aus Kohlenwasserstoffen der Zusammensetzung 2, bei welcher die Verhältniszahlen x, y, z ebenfalls variieren können und sowohl aliphatische als auch aromatische Verbindungen bein- halten, in Energie umgesetzt. In der Verbrennungskraftmaschine UUT befindet sich auch noch zumindest ein weiteres Betriebsmittel B, beispielsweise Schmieröl, Kühlmittel, od. dgl.
Dieses Betriebsmittel B ist mit einem nicht-radioaktiven Isotop als Tracer T zumindest eines seiner Be- standteile markiert, so dass sich die Zusammensetzung 3 ergibt. In weiterer Folge kann dann auf der Ausgangsseite der Verbrennungskraftmaschine UUT eine auf der Anzahl an Atomen des Tracers T beruhende physikalische Grösse als dem Verbrauch des Betriebsmittels B proportionale repräsentative Grösse bestimmt werden. Für den Fall von ebenfalls hauptsächlich aus Kohlenwas- serstoffen bestehenden Schmierölen werden als Tracer T vorzugsweise die Isotope 13C und/oder 2H (in weiterer Folge mit D bezeichnet) eingebracht.
Durch die durchgezogenen Linien ist ein erster Hauptweg für den Verbrauch des Betriebsmit- tels symbolisiert, beispielsweise für den Ölverbrauch durch Verbrennung oder Abdampfung des Schmieröls aus der Verbrennungskraftmaschine UUT.
Über diesen ersten Hauptweg kann durch Analyse von die Verbrennungskraftmaschine UUT gasförmig verlassende Substanzen mittels einer unmittelbaren isotopenselektiven Analyse MSu (MS, FTIR oder eine Kombination dieser Verfahren) oder auch nach einer vorhergehenden Nach- verbrennung NV von nicht in der Maschine umgewandelten (unverbrannten) Anteilen des Be- triebsmittels B und dann der isotopenselektiven Analyse MS auf den Verbrauch des Betriebsmittels B rückgeschlossen werden. Dabei kann das gasförmige Medium - wodurch die Online-fähigkeit gegeben ist - zur Gänze oder als Teilstrom, unmittelbar oder verdünnt der Analyse zugeführt werden. Vorzugsweise wird, um die natürliche Isotopenkonzentration in Luft, Brennstoff und Be- triebsmittel zu berücksichtigen, auch eine Analyse mit ungetracertem Betriebsmittel vorgenommen.
Über das Ergebnis E1, d. h. nachdem die entnommene Probe oder auch komplette gasförmige Substanz, beispielsweise das Abgas aus dem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine UUT, aus dem ersten Hauptweg einer Nachverbrennung unterworfen wurde, erhält man ein Ergebnis E1, das die Ölemission für verbrannte und unverbrannte Anteile berücksichtigt. Das Ergebnis E1u hingegen liefert nur die im Motor verbrannten Ölemissionsanteile (unverbrannte Anteile werden nicht erfasst).
Durch Bildung des Verhältnisses E1u/(E1+E1u), d. h. durch Bestimmung der Anteile der Roh- emission und der umgewandelten Anteile zum Gesamtverbrauch, kann ein Hinweis auf die Verbrauchsmechanismen erhalten werden.
Ein anderer Weg für den Verbrauch des Betriebsmittels B ist durch strichlierte Darstellung symbolisiert. Dies könnte beispielsweise der Blowby am Kurbelgehäuse der Verbrennungskraftma- schine UUT oder die kalte Seite eines Abgasturboladers sein. Auch hier kann wieder eine unmittel- bare Zuführung der gasförmigen Probe zur isotopenselektiven Analyse MSu vorgenommen wer- den, oder es könnte eine isotopenselektiven Analyse MS erst nach einer Nachverbrennung erfol- gen. Die Analyse von deren Ergebnissen E2 und/oder E2u liefert Aussagen analog zu den aus E1 und E1 u herleitbaren Resultaten.
Ein Beispiel zur Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens ist die Bestimmung des Öl- verbrauchs von Verbrennungskraftmaschinen, wobei die prinzipielle Vorgangsweise aber auch für
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allgemeine Kolbenmaschinen, etwa Kolbenkompressoren, angewendet werden kann. Abgesehen von der Forderung, den Ölverbrauch des Systems Kolben-Kolbenringpaket-Zylinderwand einer Kolbenmaschine schnell und effektiv quantifizieren zu können, gewinnen auch folgende Fragestel- lungen für den Motoren und Komponentenentwickler immer mehr an Bedeutung :
ist der Anteil des Abgasturbolader(ATL)-Ölverbrauchs am Gesamtölverbrauch? Welche ATL-Ölverbrauchspfade sind dominierend ? ist die Effizienz von in Kurbelgehäuseentlüftungen eingebauten Ölabschei- dern ? Wie wird der Ölverbrauch infolge fremdgeschmierter Pumpen im Kraftstoff-Einspritzsystem beeinflusst? Es wurde herausgefunden, dass nämlich durch Leckagen von Einspritzpumpen (ölge- schmierte Systeme im NFZ-Bereich) der Verbrauch durch über den Kraftstoff in den Brennraum miteingespritzte Schmierölanteile bis zur Hälfte des Gesamtölverbrauchs ausmachen.
Oben genannte Fragestellungen konnten bisher nur offline und unter Anspruchnahme eines langen Versuchszeitraumes bzw. bestenfalls an speziell adaptierten Aggregateprüfständen unter Einsatz von Radionukliden (verbunden mit erheblichem Aufwand) untersucht werden. Die erfin- dungsgemässe Methode erlaubt es jedoch Ölverbrauchs- und Öltransportwege direkt an einem Standard- Motorenprüfstand, durch gezielte physikalische und nicht-radioaktive Tracerung der zu analysierenden Ölverbrauchsquelle zu untersuchen. Der Mehraufwand liegt dabei lediglich in der Trennung der zu untersuchenden Ölkreisläufe vom Gesamtkreislauf.
Die Fig. 2 zeigt schematisch einen Motor mit Abgasturbolader, umfassend einen Turbinen-Teil TU und einen Verdichter-Teil VE, sowie einen Ölabscheider A als Beispiel für eine Verbrennungs- kraftmaschine UUT und zeigt auch verschiedene mögliche Stellen für die Entnahme von zumindest Teilströmen gasförmiger Substanzen aus der Verbrennungskraftmaschine UUT zur Analyse ver- schiedener Verbrauchswege und-mechanismen für das Schmieröl. So kann beispielsweise im Abgasstrang vor der heissen Seite des Turboladers, d. h. vor der Turbine TU, die Probe entnommen werden. Auch die Analyse bei 2 nach der Turbine TU ist möglich.
Weitere Probeentnahmestellen sind bei 3 zwischen Kurbelgehäuseentlüftung und Ölabscheider A, oder auch hinter dem Ölab- scheider A bei 4, in der Blowby-Leitung des Abgasturboladers TU, VE bei 5 (der Verbindung von dessen Lagergehäuse mit dem Kurbelgehäuse) oder bei 6 für den AGR. Durch Differenzbildung der Messwerte 2 - 1 kann der turbinenseitige Verbrauch des Turboladers bestimmt werden, die Differenz 3 - 4 kann zur Untersuchung der Effektivität des Ölabscheiders A herangezogen werden, usw.
Neben der Notwendigkeit, schnell und selektiv den Ölverbrauch zu bestimmen, bekommt der Emissionsaspekt in diesem Zusammenhang für den Fahrzeughersteller immer mehr an Bedeu- tung. Mit der Fähigkeit der Methode, unverbrannte und verbrannte Anteile der Ölemission getrennt voneinander zu ermitteln, kann dem Entwickler vor Allem bei einerseits der Verminderung von motorenölgenerierten HC-Partikeln als auch der Verminderung von Ascheablagerungen an Abgas- nachbehandlungssystemen geholfen werden.
Neben einer Verminderung des unverbrannten Anteils der Ölemission (Primäreinfluss auf die Abgasemission von Dieselmotoren) sind auch Einflüsse sekundärer Art zu berücksichtigen : Verbrennung der aschebildenden Additive des Motorenöls können einerseits zu Deaktivierung von Katalysatoroberflächen bzw. zu einer Beeinträchtigung der Langzeitaktivität von Abgasnachbe- handlungssystemen führen. Die Sekundäreinflüsse des Motorenöls können damit zu einer Erhö- hung der Emissionen sämtlicher limitierter Abgaskomponenten führen. Ziel der Entwickler muss es daher sein den Öleintrag in die Verbrennung (über Ventilschaftdichtungen, BBy, ölgeschmierte Kraftstoffpumpen,...) zu minimieren. Zukünftige Partikelgrenzwerte für NFZ liegen bei 20mg/kWh (Euro IV, 2005) und bei 13mg/kWh (USA, 2007).
Dabei ist aus Untersuchungen bekannt, dass davon 3mg/kWh alleine die Ascheemission ausmacht.
Zur Markierung des Öls wird ein Verfahren verwendet, das eine "fraktionsgerechte Markierung" gewährleistet. Auf das Markierungsverfahren an sich wird nicht näher eingegangen, da es dem heutigen Stand der Technik entspricht Austauschverfahren (D /'H) zu bewerkstelligen. Wichtig ist allein sicherzustellen, dass der Tracerverbrauch - für verschiedene Betriebsbedingungen (Motor- lastpunkte, Zylinderwandtemperaturen,...) - und der Ölverbrauch einander proportional sind, was beispielsweise bei der Pyren-Methode gemäss der DE 198 32 194 A1 nicht erfüllt ist, da hier ver- sucht wird mit einem Einstoff-Tracer das Verbrauchsverhalten des Polystoffes Öl abzubilden.
Dasselbe gilt auch für den Tracer Schwefel.
Die Verbrennungsprodukte des isotopenmarkierten Stoffes (z.B. 13C02, DHO, D20,...) können
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aufgrund ihrer geänderten Massenzahl mit einer isotopenselektiven Analysemethode eindeutig erfasst werden. Im Abgas- (Maschinenausgangs-)Strom wird dabei die Konzentration des Markers gemessen. Um auf einen quantitativen Wert (z. B.: g/h) zu kommen ist die Kenntnis des Massen- stroms notwendig. Der Abgasmassenstrom wird bei einem Verbrennungsmotor beispielsweise aus den Standardmessgrössen Ansaugluftmasse und verbrauchte Kraftstoffmenge errechnet. Die Kenntnis beider Grössen ist durch Vorhandensein von Standardprüfstandstechnik bzw. durch Auslesen dieser Grössen aus dem Motormanagement Stand der Technik und muss daher nicht weiter erläutert werden.
Weiters ist für eine gewünschte Quantifizierung die Konzentration des Tracers im zu analysierenden Betriebsstoff (z.B. Motoröl) notwendig. Die Multiplikation der gemes- senen Konzentration mit dem vorherrschenden Massenstrom (unter Berücksichtigung der Molmas- senverhältnisse) und der Bezugnahme auf die Markierungskonzentration führen zu einem quantita- tiven Wert.
Grundsätzlich können mit der neuen Methode aber neben Schmierölen auch alle anderen Be- triebsstoffe, die durch einen Motor, eine Maschine oder beispielsweise einen Wärmetauscher laufen und wie oben beschrieben markierfähig sind und vor der Detektion gasförmig vorliegen, bezüglich ihres Verbrauches erfasst werden. Neben der Verbrauchsmessung kann auch der rein qualitative Nachweis eines Verbrauchspfades oder eine Leckage-Ursachenerkennung von Bedeu- tung sein. So eignet sich die Methode ganz allgemein auch zur Detektion eines Lecks bei der Trennung zweier Medien, wie etwa bei 2- Gas-Gemischen beispielsweise an den Trennwänden eines Wärmetauscher, für das System Kühlflüssigkeit / Brennraumgas an der Zylinderkopfdichtung oder auch das System Kühlflüssigkeit / Öl ebenfalls an der Zylinderkopfdichtung.
Durch Markierung der Kühlflüssigkeit bzw. des Glykol/Wasser Gemisches wie oben erläutert und anschliessender Detektion der Isotope im Abgas einer Verbrennungskraftmaschine kann bei- spielsweise die Dichtfunktion von Zylinderkopfdichtungen analysiert werden.
Auch der Einsatz als Diagnosetool bei Grossmotoren (Stationärmotoren) zur Schadensfrüher- kennung oder bei der (Erst-) Inbetriebnahme ist zweckmässig, um so etwa die Dichtfunktion einer Zylinderkopfdichtung, die auch abhängen kann von Toleranzfehlern bei der Fertigung der Dichtflä- chen Zylinderkopf / Kurbelgehäuse, durch Bauteilverzug (aufgrund der Paarung unterschiedlicher Komponentenwerkstoffe für Zylinderkopf oder Kurbelgehäuse) oder aufgrund von Montagefehlern (falsche Anzugsmomente bewirken einen Bauteilverzug...).
Durch Tracerung der Ansaugluft kann der Fragestellung, wie viel Kompressionsgas in das Kur- belgehäuse gelangt, nachgegangen werden. Dies ist vor Allem für Komponentenentwickler des Systems Kolben-Kolbenring-Zylinderwand von Interesse.
ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Messung des Verbrauchs zumindest eines Betriebsmittels einer Kraft- oder
Arbeitsmaschine, wobei aus einer Messung von markierten Anteilen zumindest eines Be- triebsmittels auf einer Ausgangsseite der Maschine der Verbrauch des jeweiligen Be- triebsmittels ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschine ein Betriebsmittel zugeführt wird, welches Betriebsmittel mit nicht-radioaktiven Isotopen seiner Bestandteile markiert ist, und dass auf der Ausgangsseite der Maschine eine auf der Anzahl an Atomen der nicht-radioaktiven Isotope beruhende physikalische Grösse als dem Verbrauch propor- tionale repräsentative Grösse bestimmt wird.