Sensors for online oil condition monitoring

Abstract

Die optimale Nutzung von Motorölen wird zunehmend angestrebt sowohl aus wirtschaftlichen als auch aus ökologischen Gründen. Um den optimalen Zeitpunk für einen Ölwechsel zu bestimmen, ist eine kontinuierliche Überwachung des augenblicklichen Ölzustandes notwendig, welche dem Wunsch nach zuverlässigen Online-Ölzustandssensoren entstehen lässt. Die aktuellen Methoden der Ölzustandsüberwachung erlauben entweder keine echt kontinuierliche Überwachung, oder aber liefern keine zufriedenstellend aussagekräftige Parameter für die zuverlässige Prognose der verbleibenden Ölstandzeit. Die zur Zeit handelsüblich erhältlichen Online-Ölzustandssensortechnologien bieten keine umfassende und exakte Aussage über den Ölzustand. Die vorliegende Dissertation strebt eine umfassende Untersuchung im Bereich der Sensorgestützten Ölzustandsüberwachung an und beschäftigt sich mit der Erforschung mehrerer Sensorprinzipien (Permittivitätssensor, Infrarot (IR) Sensor, Korrosionssensor und zwei unterschiedlichen Viskositätssensoren), welche potenziell für den Online-Einsatz geeignet sind. Im Einklang mit diesem Ziel, wurden unterschiedliche bekannte und - im Rahmen dieser Arbeit - neu entwickelte elektro-physikalische, spektroskopische und chemische Sensoren unter Laborbedingungen und in Feldtests experimentell erforscht und bewertet hinsichtlich derer Eignung und Aussagekraft zur Überwachung des Ölzustandes. Der mikroakustische Dickenscherschwinger (TSM) Viskositätssensor wurde für die Überwachung der termisch-oxidativen Alterung des Öles als geeignet gefunden, aufgrund der selektive Empfindlichkeit auf die Viskosität des Basisöls. Der elektrodynamisch angetriebene Cantilever Sensor konnte erfolgreich als mit den genormten Labormessmethoden vergleichbarer als Viskositätssensor eingesetzt werden. Eine Kombination der beiden Sensoren erlaubt eine selektive Überwachung der mechanisch bedingten Ölalterung. Der Permittivitätssensor wurde als gute Indikator für die Kontamination des Öles durch polare Komponenten, wie Wasser und Ruß gefunden, aber dem Korrelation mit dem Ölzustand wurde eine weitgehende Abhängigkeit von den Einsatzbedingungen des Öles, wie die Art des Treibstoffs und Motors, .zusätzlich zu eine Abhängigkeit vom Öltyp. Ein IR spektroskopischer Sensor wurde erfolgreich mit einem einfachen und robusten Konzept realisiert, welche für den Online-Einsatz potenziell geeignet ist, und als Anwendungsbeispiel zur Bestimmung des Oxidations-Indexes als maß für den oxidativen Alterung des Öles ausgelegt wurde. Für die Überwachung des Ausmaßes an säurigen Kontamination im Öl, wurde eine neuartige Korrosionssensordesign entworfen, erforscht und erfolgreich erprobt. Auf die gewonnenen Erkenntnisse beruhend wurde eine neue kapazitive Auslesemethode vorgeschlagen.<br />

There is an ever-increasing need to optimize the lifetime of engine oils for economical and ecological reasons. In order to determine the optimum time for an oil change in an engine, a continuous and up-to-date monitoring of the current oil condition is necessary, arising the need for reliable online oil condition sensors. State of the art methods of oil condition monitoring either do not allow a continuous monitoring or do not provide satisfactory significant parameters for the reliable estimation of the oil's remaining lifetime. The commercially available online oil sensors to date cannot provide all-embracing and accurate information about the oil's condition.<br />The current thesis aims an overall investigation in the field of sensor-based oil condition monitoring involving the study of several sensor principles (permittivity sensor, infrared (IR) sensor, corrosion sensor, and two different viscosity sensor principles), which are potentially suitable for online monitoring. In accordance with this intention, different known and - in the scope of the work - newly developed sensors were investigated and evaluated in laboratory and in field tests for their suitability and expressiveness regarding oil condition monitoring.<br />The microacoustic thickness shear mode (TSM) viscosity sensor was found to be suitable to monitor the thermal-oxidative aging of the oil, featuring a selective sensitivity for the base oil's viscosity. The electrodynamically actuated cantilever sensor could be successfully applied as a viscosity sensor, and the provided results were comparable to standard laboratory measurements. Thus, combination of the two sensors allows the selective monitoring of the mechanical degradation of the oil. The sensor for permittivity was found to be a good indicator for polar contaminations in the oil like soot or water, but the correlation to the oil's condition was found to be largely depending on the oil type and also on the operating conditions of the oil determined by the fuel and engine type. An IR spectroscopic sensor was successfully realized in a simple and robust sensor setup, which is potentially suitable for online application, determining exemplary the Oxidation Index as an indicator for the oxidative aging of the oil. For monitoring the extent of acidic contamination in the oil, a novel design for a corrosion sensor was created and successfully evaluated. Based on the findings a new capacitive readout method was proposed.