Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ САЖИ В МОТОРНОМ МАСЛЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к способу определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения. Кроме того, изобретение относится к устройству для определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания согласно ограничительной части п.12 формулы изобретения.

Общеизвестно, что попадание сажи в моторное масло двигателей внутреннего сгорания может негативно сказаться на свойствах масла. Например, повышенное попадание сажи в моторное масло может способствовать ухудшению вязкости или, соответственно, смазочной способности моторного масла. Однако несмотря на требования к обработке отработавших газов, постоянно усложняющихся в соответствии с современным законодательством о нормах токсичности ОГ, современные двигатели внутреннего сгорания, тем не менее, все чаще эксплуатируются в таких рабочих точках, в которых повышенное попадание сажи в моторное масло является неизбежным. Поэтому такое попадание сажи в моторное масло может привести к сокращению интервалов замены масла, что, однако, противоречит пожеланиям заказчиков о постоянном увеличении интервалов замены масла.

Поэтому существует потребность в возможности относительно точного, осуществляемого надежным в применении способом прогнозирования попадания сажи в моторное масло двигателей внутреннего сгорания, в частности дизельных двигателей внутреннего сгорания грузовых автомобилей, чтобы иметь возможность приблизительно рассчитать попадание сажи для определенных условий эксплуатации в течение срока службы двигателя внутреннего сгорания.

Из US 5309213 А уже известен способ и устройство, посредством которых можно определять концентрацию оптически поглощающих материалов в жидкостях, таких как, например, сажа в смазочном масле. Конкретно для этого предлагается, с помощью тонкого оптического элемента подавать в моторное масло свет и при этом измерять оптическое поглощение в различных местах.

В US 5322961 описан бортовой датчик система для определения качества масла, используемого в качестве смазочного средства в двигателях внутреннего сгорания.

Из US 5309213 известен способ оптического определения количества сажи в пробах масла. Из US 5438420 известно устройство мониторинга степени очищения жидкости, в котором энергия света фокусируется на устройстве для прохождения жидкости.

Из US 4281533 известен способ, в котором предусмотрено использование источника энергии для подачи нагрузки на проверяемое моторное масло и устройства для измерения температуры для измерения количества абсорбированной энергии.

В отличие от этого задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания, посредством которых возможно определение концентрации сажи или, соответственно, последующее определение попадания сажи в течение определенного срока службы двигателя внутреннего сгорания простым, а также надежным в применении способом.

Эта задача решается с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются предметом соответствующих зависимых пунктов формулы изобретения.

По п. 1 предлагается способ определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания, при котором определенное количество моторного масла, направляемого в контуре циркуляции масла, с определенной скоростью течения направляется вдоль измерительного участка и/или через него, при этом моторному маслу в области измерительного участка подводится энергия по меньшей мере от одного источника энергии таким образом, что содержащиеся в моторном масле частицы сажи по меньшей мере частично поглощают эту энергию. Затем количество энергии, поглощенное в области измерительного участка, регистрируется посредством по меньшей мере одного измерительного устройства, а именно предпочтительно посредством по меньшей мере одного устройства для измерения температуры, и на основании этого поглощенного количества энергии определяется концентрация сажи в моторном масле.

Таким образом, при осуществлении данного способа согласно изобретению концентрация сажи определяется на основании того количества энергии, которое поглощается моторным маслом, что позволяет с особенной достоверностью и надежностью в эксплуатации определять концентрацию сажи и вместе с тем определять затем попадание сажи в моторное масло.

В принципе существуют различные возможности регистрации поглощенного количества энергии посредством по меньшей мере одного измерительного устройства. Например, температура моторного масла, зарегистрированная предпочтительно в области облучения посредством по меньшей мере одного устройства для измерения температуры, может сравниваться с эталонной температурой, и исходя из этого определяться концентрация сажи. Посредством такой системы определение концентрации сажи может осуществляться, в принципе, с помощью одного места измерения температуры, которое может включать в себя одно или же несколько устройств для измерения температуры. Такое место измерения температуры может быть, например, выполнено в точке облучения или, соответственно, области облучения источника энергии, или же в направлении течения моторного масла ниже по потоку от точки облучения или, соответственно, области облучения. При этом эталонная температура для моторного масла определяется при сравнимых условиях моторного масла предпочтительно без какого-либо подвода энергии источником энергии.

В соответствии с одним из особенно предпочтительных конкретных вариантов осуществления способа предлагается, однако, чтобы энергия подавалась в моторное масло в области измерительного участка между двумя местами измерения температуры, принадлежащими измерительному участку, находящимися на расстоянии друг от друга в направлении потока. Тогда затем по меньшей мере в зависимости от температуры моторного масла, зарегистрированной посредством принадлежащих измерительному участку мест измерения температуры, в различных областях измерительного участка определяется концентрация сажи в моторном масле. С помощью такого конкретного осуществления способа становится возможной регистрация и оценка переданной в моторное масло энергии с особенной надежностью в применении.

В соответствии с другим особенно предпочтительным осуществлением способа может быть предусмотрено, чтобы для определения концентрации сажи в качестве другого параметра использовалась скорость течения моторного масла в области измерительного участка, и/или удельная теплоемкость моторного масла, и/или сечение поглощения сажи, например, представляющее собой общее эффективное поперечное сечение поглощения излучения частицами сажи. Тем самым можно еще больше повысить точность результатов при определении концентрации сажи.

Таким образом, путем такого предлагаемого изобретением осуществления способа достоверное определение концентрации сажи в моторном масле в целом может осуществляться простым и надежным в применении способом, в частности, в зависимости от определенных рабочих точек. Кроме того, альтернативно или дополнительно возможно также определение рабочих точек катализаторов и/или мер регенерации катализаторов и/или фильтров твердых частиц простым способом.

Особенно предпочтительно, если источник энергии представляет собой оптический источник энергии, такой как, например, лазер, например диодный лазер, который излучает энергию по меньшей мере в одной определенной принадлежащей измерительному участку точке или области облучения. По одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения предусмотрено, что измерительный участок образован проточной кюветой, через которую направляется определенное количество моторного масла, при этом предпочтительно предусмотрено, что места измерения температуры расположены в области находящихся на расстоянии друг от друга участков кюветы. Тогда регистрация температуры осуществляется здесь предпочтительно таким образом, что, например, путем определения разности температур определяется и подвергается оценке разность температур выше по потоку и ниже по потоку от принадлежащей измерительному участку точки или, соответственно, области облучения. Для этого источник энергии излучает энергию в моторное масло предпочтительно в области между двумя находящимися на расстоянии друг от друга местами измерения температуры.

В принципе, следует исходить из того, что лазерный луч, полностью просвечивающий объем масла поперек направления течения, осуществляет равномерный подвод энергии по всей площади поперечного сечения объема масла в точке облучения, причем эту энергию, относительно площади поперечного сечения, по существу равномерно поглощают частицы сажи. Затем эта энергия при равномерном, относительно площади поперечного сечения, повышении температуры моторного масла непосредственно отдается моторному маслу, так что достаточно применение одного датчика, предназначенного для регистрации температуры по меньшей мере в одном месте измерения температуры, в частности в месте измерения температуры, расположенном в области ниже по потоку от точки или, соответственно, области облучения. В частности, при ожидаемых более высоких концентрациях сажи, при которых лазерный луч в данных условиях больше не просвечивает или, соответственно, не может просвечивать объем масла полностью, потому что частицы сажи уже заранее поглощают энергию, оказалось, однако, предпочтительным, в области по меньшей мере одного места измерения температуры расположить несколько пространственно удаленных друг от друга датчиков температуры, посредством которых можно просто и достоверно регистрировать имеющееся при известных условиях пространственно неодинаковое распределение температуры в моторном масле, например в области точки или, соответственно, области облучения или ниже по потоку от нее. Для этого датчики температуры располагаются предпочтительно в одной и той же, относительно направления течения моторного масла, плоскости поперечного сечения, и/или датчики температуры в направлении течения находятся по существу на одинаковом расстоянии от области облучения.

В соответствии с другим альтернативным решением может быть предусмотрено, что посредством устройства для измерения температуры регистрируется температура моторного масла в точке или области облучения, при этом предпочтительно предусмотрено, что в первом месте измерения температуры температура моторного масла регистрируется выше по потоку от точки или области облучения, а во втором, находящемся на расстоянии, месте измерения температуры температура моторного масла регистрируется в точке или области облучения. Особенно предпочтительным при этом является вариант осуществления, при котором устройство для измерения температуры представляет собой пирометр, посредством которого регистрируется выделяемое моторным маслом в точке или области облучения тепловое излучение, и затем определяется концентрация сажи в моторном масле. Таким образом, температура масла регистрируется теперь уже непосредственно в точке облучения с помощью пирометра. При этом используется то, что, когда глубина проникновения излучения источника энергии уменьшается, нагревается только меньший объем масла, чем это происходило бы при таком же количестве энергии и большей глубине проникновения излучения. Вследствие этого меньший объем масла нагревается сильнее, так что в результате он также выделяет большее тепловое излучение, которое затем может быть измерено пирометром.

Особенно предпочтительным является осуществление способа, при котором концентрация сажи для определенных рабочих состояний двигателя внутреннего сгорания регистрируется непрерывно или же с интервалами, например периодически, в течение срока эксплуатации двигателя внутреннего сгорания, и передается устройству обработки данных, в котором определяется попадание сажи в моторное масло, зависящее от срока службы и/или нагрузки или, соответственно, рабочей точки. С помощью вычисленной таким образом концентрации сажи можно простым способом определять, когда при известных условиях потребуется замена масла. Тогда при необходимости можно устанавливать стратегию эксплуатации двигателя внутреннего сгорания или, соответственно, воздействовать на нее так, чтобы замена масла требовалась к определенному моменту времени.

В отношении устройства задача решается также с помощью признаков п.12 формулы изобретения.

По п.12 формулы изобретения предлагается устройство, представляющее собой датчик, служащее для определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания, которое предпочтительно включает в себя проточную кювету, образующую измерительный участок. Кроме того, устройство содержит одно место или несколько, в частности два места измерения температуры, находящиеся на расстоянии друг от друга в области измерительного участка. Кроме того, предусмотрен по меньшей мере один источник энергии, посредством которого к частицам сажи в моторном масле может подводиться энергия по меньшей мере в одной определенной точке или области облучения. Наконец, устройство согласно изобретению включает в себя устройство обработки данных, на которое передается температура, зарегистрированная по меньшей мере в одном месте измерения температуры, для определения концентрации сажи в моторном масле. При этом параметры, необходимые наряду с соответственно регистрируемыми данными температуры, могут быть жестко заданы в системе.

Получаемые с помощью такого устройства преимущества выше уже пояснялись подробно.

По одному из конкретных вариантов осуществления места измерения температуры могут соответственно включать в себя по меньшей мере один представляющий собой катушку датчик температуры, которые являются составной частью мостовой схемы с резисторами, уравновешиваемой для регистрации температуры, при этом катушки расположены на расстоянии друг от друга в области проточной кюветы, образующей измерительный участок.

Один из примеров осуществления конкретной реализации предлагаемого изобретением устройства и предлагаемого изобретением осуществления способа схематично изображен на фигурах.

Показано:

фиг.1 схематично в качестве примера вариант осуществления устройства, предназначенного для определения попадания сажи в моторное масло,

фиг.2 схематично конструкция, включающая в себя несколько датчиков температуры, расположенных ниже по потоку от точки облучения,

фиг.3 схематично другой альтернативный вариант предлагаемого изобретением устройства.

На фиг.1 показан датчик 1, предназначенный для определения концентрации сажи в моторном масле двигателя внутреннего сгорания; данный датчик 1 содержит проточную кювету 2, имеющую определенный заданный объем. Через эту проточную кювету 2 в направлении стрелок 3, 4 потока в течение определенного времени протекает заданное количество моторного масла двигателя внутреннего сгорания, при этом скорость протекания моторного масла через проточную кювету 2 по существу всегда одинакова и имеет заданное и поэтому известное значение скорости.

На впускном участке 5 кюветы здесь в качестве примера расположена первая на пути течения моторного масла катушка. На расстоянии от нее на выпускном участке 6 кюветы расположена другая, по существу одинаковая по конструкции катушка 8, которая также находится на пути течения моторного масла.

Две эти катушки 7, 8 вместе с резисторами 9, 10, из которых резистор 10 представляет собой регулируемый резистор, а также с вольтметром 11, образуют собственно известную мостовую схему 12, которая здесь изображена только в качестве примера и схематично и, разумеется, может также иметь любую другую подходящую конструкцию.

С помощью такой мостовой схемы 12 в области катушек 7, 8 выполнены два расположенных на расстоянии друг от друга места или, соответственно, датчика измерения температуры, посредством которых могут регистрироваться температуры моторного масла, с одной стороны, на впускном участке 5 кюветы, а также, с другой стороны, на выпускном участке 6 кюветы. Таким образом, конкретно при выбранной и показанной здесь мостовой схеме 12 для измерения температуры используется зависимость электрического сопротивления проводников от температуры. Это общеизвестно и не требует здесь дальнейших пояснений.

Кроме того, датчик 1 включает в себя в качестве оптического источника энергии - выбранный здесь в качестве примера - диодный лазер 13, посредством которого, как это изображено на фиг.1 только штриховкой, в области между двумя местами измерения температуры, образованными катушками 7, 8, оптическая энергия передается в проточную кювету 2 таким образом, что содержащиеся в моторном масле частицы сажи поглощают эту энергию и затем при повышении температуры моторного масла снова отдают моторному маслу. При этом в области катушки 8 измеряется температура T₂, которая в определенной степени больше, чем температура T₁, которая регистрируется и измеряется в области катушки 7. На основании разности двух этих температур T₂ и T₁ в местах измерения температуры на катушках можно посредством устройства 15 обработки данных, изображенного здесь только очень схематично, по известной скорости течения моторного масла в области кюветы, удельной теплоемкости применяемого моторного масла, а также известному поперечному сечению поглощения сажи или, соответственно, частиц сажи определять соответствующую концентрацию сажи в моторном масле для текущего состояния эксплуатации двигателя внутреннего сгорания и, соответственно, определять общее попадание сажи в зависимости от рабочей точки и/или в течение срока службы двигателя внутреннего сгорания.

Центральное расположение точки 14 облучения относительно положения образующих места измерения температуры катушек 7, 8 здесь выбрано только в качестве примера и произвольно. Разумеется, всегда возможны также другие расположения.

На фиг.2 только очень схематично изображен, наконец, один из альтернативных вариантов осуществления, при котором выше по потоку от точки 14 облучения предусмотрен только один, например, образованный катушкой датчик температуры, посредством которого регистрируется температура T₁, в то время как ниже по потоку от точки 14 облучения в данном случае в качестве примера расположены соответственно три пространственно удаленных друг от друга датчика температуры, посредством которых относительно определенного находящегося в направлении потока поперечного сечения кюветы регистрируются температуры T₂, T₃ и T₄ в различных местах поперечного сечения ниже по потоку от точки 14 облучения, благодаря чему можно определять наблюдаемое вдоль поперечного сечения потока пространственное распределение температур моторного масла ниже по потоку от точки 14 облучения.

Для случая, показанного на левом изображении фиг.2, где имеется только нормальная концентрация сажи в моторном масле, лазерный луч 13a просвечивает всю область измерительного участка или, соответственно, кюветы, так что температуры T₂, T₃ и T₄ в области ниже по потоку от точки 14 облучения имеют по существу одинаковое значение.

Напротив, если концентрация сажи в моторном масле увеличивается так, что лазерный луч 13a больше не может полностью проникать в область измерительного участка, как это показано на среднем изображении фиг.2, то в области ниже по потоку от точки 14 облучения определяемые значения температур T₂ и T₃, с одной стороны, а также T₄, с другой стороны, являются различными, это означает, что в данном примере не происходит или происходит только несущественное повышение температуры в области расположения датчика температуры, регистрирующего температуру T₄, по сравнению с температурой T₁, измеренной выше по потоку.

То же самое показано на правом изображении фиг.2 для еще более высокого содержания сажи в моторном масле. В этом случае в области датчиков температуры, регистрирующих температуры T₃ и T₄, не регистрируется никакое или, соответственно, регистрируется только несущественное отклонение значения температуры от температуры T₁.

На основании пространственно неодинакового распределения температур, в отношении поперечного сечения потока, расположенного поперек направления потока, можно, таким образом, при необходимости с использованием уже описанных выше параметров или по меньшей мере одного из этих параметров, делать заключения о содержании сажи в масле. Не изображенные здесь датчики температуры, регистрирующие температуры T₂, T₃ и T₄, находятся при этом предпочтительно примерно в одной и той же плоскости поперечного сечения измерительного участка 2.

Такой же касающийся концентрации сажи случай изображен на фиг.3, однако здесь, в отличие от варианта осуществления, показанного на фиг.2, не расположено несколько образованных, например, катушками датчиков температуры пространственно удаленно друг от друга ниже по потоку от точки 14 облучения, а измеряется температура T₂ масла посредством пирометра 16 непосредственно в точке 14 облучения. Если глубина проникновения облучения лазерного луча 13a уменьшается, как это показано на изображениях фиг.3 слева направо, то одним и тем же количеством энергии нагревается меньший объем масла, впрочем, данный меньший объем масла нагревается сильнее и при этом в результате также отдает более высокое тепловое излучение, которое затем может быть измерено пирометром 16. Следовательно, благодаря этому можно делать заключения о содержании сажи в масле.

Разумеется, датчики температуры в примерах, описанных выше с помощью фиг. 2 и 3, могут быть выполнены в соответствующих местах измерения температуры соответственно различным способом, например, с помощью показанных на фиг.1 катушек, но также с помощью других пригодных датчиков температуры, которые известны специалисту.