DE4131969C2 - Schmierölüberwachungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung des Zeitpunktes für einen Wechsel von Schmierölen, insbe­ sondere in Wärmekraftmaschinen, mit Sensoren zur Meß­ werteerfassung, einer Auswerteeinheit zur Ermittlung des Ist-Zustandes des Schmieröls, der mit einem vorgeb­ baren Soll-Zustand verglichen wird, und einer An­ zeigeeinrichtung, die die Abweichung des Ist-Zustandes vom Soll-Zustand angibt, und/oder bei einer Abweichung des Ist- Zustandes vom Soll-Zustand von vorgegebenen Toleranzgrenzen ein Alarmsignal erzeugt. Ebenso be­ trifft diese Erfindung eine Vorrichtung zur Durch­ führung dieses Verfahrens.

Üblicherweise wird ein Wechsel von Schmierölen, insbe­ sondere in Wärmekraftmaschinen, dann vorgenommen, wenn ein vom Hersteller der Wärmekraftmaschine oder des Schmieröls pauschal vorgegebener Zeitpunkt erreicht wird. Dieser Zeitpunkt kann zum einen durch eine be­ stimmte Betriebsdauer der Wärmekraftmaschine vorgegeben sein, oder, bei einem Kraftfahrzeugmotor, durch die zurückgelegte Fahrstrecke. Ein solch vorgegebener Zeit­ punkt für einen Wechsel von Schmierölen berücksichtigt jedoch nicht die individuellen Betriebsbedingungen, denen das Schmieröl in den verschiedensten Wärmekraft­ maschinen unterliegt. Dies kann zum einen dazu führen, daß unter extrem harten Betriebsbedingungen nicht früh­ zeitig genug das Schmieröl gewechselt wird, und somit die Lebensdauer der Wärmekraftmaschine herabgesetzt wird, und zum anderen, bei einer geringen Beanspru­ chung, der Schmierölwechsel unnötigerweise zu früh vor­ genommen wird. Letzteres ist nicht nur unwirtschaft­ lich, sondern hat auch eine unnötige Umweltbelastung zur Folge bzw. das noch verwendungsfähige Schmieröl muß als Sondermüll speziell und aufwendig entsorgt werden.

In dem gattungsgemäßen Stand der Technik, der EP 0 174 601, ist ein Warnsystem zum Erkennen der Schmierstoff­ zersetzung durch Alterungsprozesse bekannt, das durch die Bestimmung der Öltemperatur, der Motorendrehzahl sowie der Motorenbelastung Rückschlüsse auf die Schmierstoffqualität ermöglichen soll. Die vorstehenden Meßparameter hängen jedoch nur mittelbar von dem Alterungsgrad des Öles ab, so daß zur weiteren Be­ stimmung der Ölkonsistenz bestimmte Algorithmen ver­ wendet werden müssen, die nur theoretische Aus­ sagemöglichkeiten über die Ölbeschaffenheit erlauben. Darüberhinaus wird in dieser Druckschrift die Meßmöglichkeit von Parametern zur direkten Bestimmung des Ölalserungsgrades, wie beispielsweise die Viskosität, die basischen Eigenschaften sowie der Anteil fester Bestandteile des Öles als sehr schwierig eingestuft.

In der DE-OS 32 28 195 A1, ist bereits ein Verfahren zur Überwachung des Zeitpunktes des Schmierölwechsels für einen Kraftfahrzeugmotor geoffenbart, mit dem der richtige und optimale Zeitpunkt für einen Schmieröl­ wechsel bestimmt werden soll, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Bei diesem Verfah­ ren wird der Alterungszustand des Schmieröls aufgrund der Menge an Verunreinigungen im Schmieröl ermittelt, wobei als Verunreinigung mit dem Schmieröl vermischter oder in diesem suspendierter Ruß angegeben ist. Dabei wird die im Schmieröl während des Motorbetriebs suspen­ dierte Rußmenge aus der mit einem ersten Fühler erfaß­ ten Anzahl der Motorumdrehungen pro Zeiteinheit und der mit einem zweiten Fühler erfaßten Motorlast, in einer Recheneinrichtung ermittelt und in einer Speicherein­ richtung aufaddiert, bis bei einem vorbestimmten Wert ein Alarmsignal zur Vornahme des Schmierölwechsels erzeugt wird. Ein solches Verfahren ist, wie in der DE- OS 32 28 195 A1 angegeben, insbesondere bei einem Die­ selmotor von Vorteil.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die im Schmieröl suspendierte Rußmenge nur rechnerisch unter Zuhilfenahme einer empirischen Gleichung ermittelt wird, und nicht die Eigenschaften des Schmieröls selbst mittels Sensoren in situ erfaßt werden. Ferner besteht die Vorrichtung aus dem gattungsgemäßen Stand der Tech­ nik aus mehreren getrennten Einzelteilen, wie z. B. Lastfühler, Motordrehzahlfühler, Zeitgeber und Schalter SW1 bis SW3, die einzeln an die Steuereinheit ange­ schlossen sind.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung des Zeitpunkts für einen Wechsel von Schmierölen, insbesondere in Wärmekraftmaschinen, anzu­ geben, bei dem die Eigenschaften des Schmieröls in situ mittels Sensoren erfaßt und ausgewertet werden und aufgrund der Auswerteergebnisse dem Betreiber der Wär­ mekraftmaschine der optimale Zeitpunkt für den Schmier­ ölwechsel in Abhängigkeit von den individuellen Be­ triebsbedingungen und der Art des verwendeten Schmier­ öls angezeigt wird. Dabei soll die Tatsache ausgenutzt werden, daß Schmieröle in der Regel aus langkettigen Kohlenwasserstoffen bestehen, die eine vergleichsweise geringe relative Dielektrizitätskonstante (epsilon ≈3) aufweisen, und daß Ölalserung neben der Kettenverkür­ zung durch thermische Einflüsse und/oder Scherkräfte auch eine Oxidation des Öls, also den Einbau von O- bzw. OH-Gruppen in die Moleküle bedeutet, wodurch der polare Charakter des Moleküls und damit die Dielektri­ zitätskonstante Epsilon steigt.

Ferner hat die Erfindung zur Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzu­ geben, die mit bekannten Verfahren aus der Silizium- Technologie und der IC-Fertigung in kostengünstiger Weise herstellbar ist und bei der die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Sensoren, sowie die Elek­ tronik zur Aufbereitung und Auswertung der Sensorsigna­ le auf einem Chip integriert sind, so daß Verbindungs­ kabel und damit verbundene Signalfälschungen praktisch vermieden werden. Dabei soll die erfindungsgemäße Vor­ richtung eine Temperaturbeständigkeit aufweisen, die im Bereich von ca. 30°C bis ca. +200°C liegt, wobei für die obere Temperatur eine Betriebsdauer von mindestens 10.000 Stunden erreicht werden soll.

Weiterhin soll die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausgestaltet sein, daß sie ohne bauliche Veränderungen an der Wärmekraftmaschine eingesetzt werden kann, z. B. bei einem Kraftfahrzeugmotor an die Stelle des dort verwendeten Öltemperaturfühlers oder Öldruckfühlers.

Die Lösung der ersten zuvor genannten Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ange­ gebenen Merkmale. Besondere Ausgestaltungen des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 geoffenbart. Die Lösung der zweiten zuvor genann­ ten Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere hinsichtlich der weiteren Anforderungen an die Erfindung, sind in den Unteransprüchen 7 bis 15 angegeben.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das Schmieröl selbst und dessen schmierungsrelevante Parameter konti­ nuierlich in situ überwacht und ausgewertet werden, so daß der momentane, tatsächliche Zustand des Schmieröls selbst ermittelt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens hat gegenüber dem Stand der Technik den wesentlichen Vorteil, daß sie in ko­ stengünstiger Weise mit bekannten Methoden aus der Silizium-Technologie und der IC-Fertigung in kleiner und kompakter Ausführung herstellbar ist und daß dabei die zur Durchführung des Verfahrens erforderlichen Sensoren sowie die Elektronik zur Aufbereitung und Auswertung der Sensorsignale in einem Chip integriert sind, wodurch unnötiger Verbindungskabelaufwand und dabei möglicherweise entstehende Signalverfälschungen vermieden werden.

Ein weiterer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielter Vorteil ist die Temperaturbeständigkeit des Chips für Betriebstemperaturen von ca. -30°C bis ca. +200°C, wobei für die obere Temperatur eine Betriebs­ dauer von mindestens 10.000 Stunden erreicht werden kann.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der zuvor genann­ ten Integration dahingehend, daß die Vorrichtung ohne besonderen Aufwand in ihren Außenabmessungen baugleich mit bereits vorhandenen Komponenten wie Ölthermometer oder Öldruckfühler ausgebildet werden kann, so daß für den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine baulichen Veränderungen an der Wärmekraftmaschine not­ wendig sind.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispiels näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung in Aufsicht,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in Schnitt­ darstellung, montiert auf einem mechanischen Träger einer bereits vorhandenen Komponente, wie z. B. Öldrucksensor.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden gleichzeitig die Parameter Druck, Temperatur und Viskosität sowie in dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel auch der pH- Wert des Schmieröls in situ erfaßt. Die Sensorsignale werden sodann in an sich bekannter Weise aufbereitet und einer Auswerteeinheit zugeführt. In der Auswerte­ einheit werden sodann der aus den Parametern des Schmieröls ermittelte Ist-Zustand mit dem in einer Speichereinheit gespeicherten vorgegebenen Soll-Zustand verglichen und die Abweichung des Ist-Zustandes vom Soll-Zustand über eine Anzeigeeinrichtung dargestellt. Vorteilhafterweise wird bei einer Abweichung des Ist- Zustandes vom Soll-Zustand von ebenfalls in der Spei­ chereinheit abgespeicherten, vorgegebenen Toleranzgren­ zen ein Alarmsignal erzeugt.

Die zur Durchführung dieses Verfahrens in den Fig. 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung besteht (siehe Fig. 2) aus einem Silizium-Chip 1, mit einer Kantenlänge von typischerweise 10 mm, der aus einer Silizium-Nutzschicht 15 von etwa 1 µm Schichtdicke, einer darunterliegenden Isolationsschicht 16 und einem Silizium-Trägerkörper 17 aufgebaut ist. Der Silizium- Trägerkörper 17 weist eine von hinten freigeätzte Aus­ nehmung 20 auf, in deren Bereich auch die Isolations­ schicht 16 ganz oder lediglich teilweise weggeätzt ist. Dieser Bereich der Silizium-Nutzschicht 15 dient als Drucksensormembran 2, deren Durchbiegung mittels in dieser Membran integrierter piezoresistiver Widerstände 3 detektiert wird.

In der in Fig. 1 dargestellten Aufsicht ist die Bele­ gung der Nutzschicht 15 dargestellt. Über die elektri­ schen Anschlüsse 13 erfolgt die Zufuhr der Versor­ gungsspannung und die Entnahme des für die Anzeigeein­ richtung vorgesehenen Ausgangssignals. In der Mitte des Chips befindet sich die Drucksensormembran 2 mit den integrierten piezoresistiven Widerständen 3. Im oberen Bereich sind der aus einer pn-Diode und einer Platin­ wendel bestehende Temperatursensor 4 und der aus einem MOS-Transistor mit H⁺-sensitivem Gate bestehende pH- Sensor 5 angeordnet. Rechts daneben sind die zur Aufbe­ reitung der von dem pH-Sensor 5 und vom Drucksensor 2, 3 erzeugten Signale erforderlichen Elemente 12, nämlich Verstärker und A/D-Wandler sowie Spannungsregelung angeordnet. Im linken Bereich des Chips befinden sich die zur Ermittlung der Viskosität erforderlichen Sen­ sorstrukturen. In dem hier dargestellten Ausführungs­ beispiel erfolgt die Bestimmung der Viskosität über die kapazitive Ermittlung der Dielektrizitätskonstanten des Schmieröls bei mindestens zwei erheblich voneinan­ der abweichenden Frequenzen, vorzugsweise mit einer Frequenz im kHz- und einer im MHz-Bereich. Da die Die­ lektrizitätskonstante oder Polarisierbarkeit im wesent­ lichen als Funktion der Molekülgröße und inneren Visko­ sität von der Frequenz abhängt und "lange" Moleküle bei hohen Frequenzen der Richtungsänderung des elektrischen Feldes langsamer folgen als kurze, kann somit eine Aussage über den Anteil schmierungsrelevanter lang­ kettiger Moleküle im Verhältnis zu dem Anteil bereits "verbrauchter" Moleküle getroffen werden. Die hierfür benötigten Daten aus dem experimentellen Zusammenhang zwischen der Dielektrizitätskonstante und der techni­ schen Schmierfähigkeit des Öls werden in der Speichereinheit 11 zur Verfügung gestellt. Zur kapazitiven Er­ mittlung der Dielektrizitätskonstante sind im linken Bereich des Chips Kapazitätstrukturen 6 und 7 nach Art einer Interdigitalstruktur ausgebildet, die über Ring­ oszillatoren 8 und 9 angesteuert werden.

In einer anderen Ausführungsform wird die Viskosität des Öls über die Dämpfung von Schallwellen gemessen. Dabei wird das Öl mit einem Piezokristall zu Schwingun­ gen angeregt, die sich im Öl ausbreiten. Die Viskosität beeinflußt nun die Dämpfung der Schwingung und kann daher durch die Messung des Amplitudenverlaufs bestimmt werden. Hierzu wird auf einem Bereich des Chips bzw. der Nutzfläche 15 ein Piezoschwinger angeordnet, z. B. durch Aufsputtern piezoaktiver Substanzen wie ZnO. Im unteren Bereich des Chips ist die Auswerteeinheit 10 angeordnet, in der die Verarbeitung und Auswertung aller Sensorsignale erfolgt und der Ist-Zustand des Schmieröls ermittelt und mit dem in der Speichereinheit 11 vorgegebenen Soll-Zustand verglichen wird. Die Ab­ weichung des Ist-Zustandes vom Soll-Zustand wird über eine hier nicht dargestellte Anzeigeeinrichtung darge­ stellt und gegebenenfalls wird ein Alarmsignal erzeugt, wenn die Abweichung des Ist-Zustandes vom Soll-Zustand eine vorgebbare Toleranzgrenze überschreitet.

Die Bereiche der Nutzfläche, die nicht in direktem Kontakt mit dem Schmieröl kommen dürfen, sind in an sich bekannter Weise mit einer hier nicht dargestellten Schutzschicht versehen.

Die Ausbildung der Vorrichtung in SOI-Technik ergibt eine Temperaturbeständigkeit der Vorrichtung für den Bereich von ca. -30°C bis zu +200°C.

Wie in Fig. 2 dargestellt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung für den Einbau in eine Wärmekraftmaschine mittels einer Lötverbindung 18 auf einem mechanischen Träger 19 angebracht. Bei dem mechanischen Träger 19 handelt es sich z. B. um eine Schraube 19, an der bisher ein Öldrucksensor angebracht war. Daher kann die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung ohne Vornahme baulicher Verän­ derungen an der Wärmekraftmaschine verwendet werden.

Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens kann die Anordnung der Sensorelemente, der zur Aufbe­ reitung der von den Sensorelementen erzeugten Signale erforderlichen Elemente, der Auswerteeinheit sowie der Speichereinheit auch in anderer geeigneter Weise erfol­ gen.

Bezugszeichenliste

1. Si-Chips aus SOI-Material, Kantenlänge typisch 10 mm
2. Drucksensor-Membran
3. Implantiertes Gebiet zur piezoresistiven Druckmessung
4. Temperatursensor, bestehend aus p-n Diode und Platin­ wendel
5. pH-Sensor, bestehend aus MOS-Transistor mit H⁺-sensi­ tivem Gate
6, 7 Interdigitalstruktur als belegungsabhängige Kapzität zur Erfassung der Dielektrizitätskonstante
8, 9 Ringoszillatoren einschließlich der Frequenzkompara­ toren zur Ansteuerung der Meßkapazitäten 6, 7
10. Auswertelogik zum Erfassen und Verarbeiten des Sensor­ signals und Beurteilung der Ölparameters
11. ROM zur Abspeicherung aller benötigten Daten
12. Verstärker und A/D-Wandler für pH-Sensor und Druckmem­ bran, Spannungsregelung
13. Kontaktflecken für Versorgungsspannung und Ausgangssignal
15. Nutzschicht des SOI-Wafers, typisch 1 µm dick
16. Isolationsschicht (SiO₂) des SOI-Chips
17. Trägersilizium des SOI-Chips, mit dünngeätzter Membran
18. Lötverbindung zum mechanischen Träger (Schraube)
19. Schraube, kompatibel zur bisherigen Lösung (Öldruck­ sensor)
20. freigeätzte Ausnehmung

Claims (15)

1. Verfahren zur Ermittlung des Zeitpunktes für einen Wechsel von Schmierölen, insbesondere in Wärmekraftma­ schinen, mit Sensoren zur Meßwerteerfassung, einer Aus­ werteeinheit zur Ermittlung des Ist-Zustandes des Schmier­ öls, der mit einem vorgebbaren Soll-Zustand verglichen wird, und einer Anzeigeeinrichtung, die die Abweichung des Ist-Zustandes vom Soll-Zustand angibt, und/oder bei einer Abweichung des Ist-Zustandes vom Soll-Zustand von vorge­ gebenen Toleranzgrenzen ein Alarmsignal erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Parameter Druck, Tempe­ ratur und Viskosität des Schmieröls in situ erfaßt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Viskosi­ tät die Dielektrizitätskonstante des Schmieröls bei mindestens zwei erheblich voneinander abweichenden Frequenzen kapazitiv ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität über die Dämpfung von Schallwellen ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallwellen mit einem Piezoschwinger erzeugt werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzlicher Parameter der pH-Wert des Schmieröls in situ erfaßt wird, bei­ spielsweise über die Messung der Leitfähigkeit des Schmieröls.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung und Auswer­ tung der Parameter mit bekannten Methoden der Silizium- Technologie und der Mikromechanik auszubildende Sensor­ elemente (2 bis 7) sowie zur Aufbereitung der von den Sensorelementen erzeugten Signale erforderliche Elemen­ te (8, 9, 12), beispielsweise Verstärker, zusammen mit der Auswerteeinheit (10) und einer Speichereinheit (11) auf einem Chip integriert sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente 2 bis 7, die Elemente zur Signalaufbereitung (8, 9, 12) und die Auswerteeinheit (10) sowie die Speichereinheit (11) auf einem Silizium-Grundkörper (1) angeordnet sind und daß auf dem Silizium-Grundkörper (1) Einrichtungen zur thermischen Isolation, beispielsweise freigeätzte Be­ reiche oder wärmeisolierende Schichten, vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente 2 bis 7, die Elemente zur Signalaufbereitung (8, 9, 12), die Aus­ werteeinheit (10) und die Speichereinheit (11) auf einer extrem dünnen durch eine Isolationsschicht (16) vom eigentlichen Silizium-Chip (1) isolierten, Silizi­ um-Nutzschicht (15) nach Art der SOI-Technik (Silicon on Insulator-Technik) angeordnet sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckmessung durch partielles Dünnätzen und/oder Freiätzen eines Bereichs des Chips eine Membran (2) ausgebildet wird und die Durchbiegung der Membran (2) mittels integrierter pie­ zoresistiver Widerstände (3) gemessen wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckmessung bei der SOI-Technik durch partielles Freiätzen eines Bereichs der extrem dünnen Silizium-Nutzschicht (15) eine Mem­ bran (2) ausgebildet wird und die Durchbiegung der Membran (2) gemessen wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die zur Ermittlung der Viskosität zu messende Dielektrizitätskonstante auf dem Chip Kapazitätstrukturen (6, 7) ausgebildet sind, beispielsweise als Interdigitalstruktur, daß die Kapa­ zitätsstrukturen die Kapazität eines Schwingkreises oder Ringoszillators bilden und daß der Wert der Kapa­ zität von der momentanen Zusammensetzung des Schmieröls bestimmt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung der Viskosität über die Dämpfung von Schallwellen der für die Erzeugung der Schallwellen vorgesehene Piezoschwin­ ger durch Aufsputtern piezoaktiver Substanzen, bei­ spielsweise ZnO, auf einem Bereich des Chips ausgebil­ det wird.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ermittlung des pH- Wertes zu messende Leitfähigkeit des Schmieröls durch Auswertung des Parallelwiderstandes einer in dem Chip integrierten, vorzugsweise niederfrequent ausgebilde­ ten, Interdigitalstruktur bestimmt wird.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung des pH- Wertes ein in bekannter Weise als Platin- oder Palla­ dium-Gate-MOS-Transistor ausgebildeter pH-Sensor (5) in den Chip integriert ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumform der Vorrich­ tung in gleicher Weise wie vorhandene, in bekannter Weise ausgebildete Vorrichtungen zur Schmierölüberwa­ chung, wie beispielsweise Ölthermometer oder Öldruck­ sensor, ausgebildet ist, und daß somit am Schmieröl­ kreislauf keine konstruktive Veränderungen erforderlich sind.