Prüfstände und Simulation für Antriebe

extra
Prüfstände und Simulation für Antriebe
EMISSIONEN
EMISSIONEN
Ölemissionsmessung zur ganzheitlichen
Betrachtung des Ölverbrauchs
Oil emission measurement for a holistic
estimation of oil consumption
Impressum: Sonderausgabe 2015 in Kooperation mit Federal-Mogul Burscheid
GmbH, Motorenprüfstand, Burgermeister-Schmidt-Strase 17, 51399 Burscheid;
Springer Vieweg | Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Postfach 1546, 65173
Wiesbaden, Amtsgericht Wiesbaden, HRB 9754, USt-ldNr. DE81148419
Geschäftsführer: Armin Gross, Joachim Krieger, Dr. Niels Peter Thomas
Verkaufsleitung (verantwortlich für den Anzeigenteil): Armin Gross
Gesamtleitung Magazine: Stefanie Burgmaier
Chefredakteur: Dr. Alexander Heintzel
Projektmanagement: Melanie Malsch-Kranz, Markus Bereszewski
Druck: PRINT PRODUKTION-SERVICE, W. Hiese GmbH,
Tilsiter Weg 9, 61273 Wehrheim
EDITORIAL
Relevanter Faktor
Liebe Leserin, lieber Leser,
Ölemissionen werden ein immer wichtigerer Faktor bei der Entwicklung von
Verbrennungsmotoren. Ein Grund dafür
sind die kommenden RDE-Richtlinien,
die die Einhaltung der Abgasgrenzwerte
auch im realen Fahrbetrieb vorschreiben.
Insbesondere bei diesen instationären
Betriebsbedingungen führten größere
Ölemissionen zu höherem Partikel- und
HC-Ausstoß. Der zweite Grund sind
immer strengere Richtlinien zur Erfüllung der Emissionsgrenzen über die
Fahrzeuglaufzeit und damit wachsende
Lebensdaueranforderungen an die Abgasnachbehandlungssysteme. Denn
Aschen des Öls aus dem Abgas, die sich
mit der Zeit in Partikelfilter und Katalysator ablagern, können die Funktion
der Abgasnachbehandlungssysteme
und damit den Schadstoffausstoß negativ
beeinflussen. Aber auch die CO2-Anstrengungen haben direkte Auswirkungen auf die Ölemissionsbetrachtung. Ein
Beispiel sind Motoröle mit abgesenkter
Viskosität, die zwar die Reibung redu-
zieren, aber auch zu steigendem Ölverbrauch führen können. Nicht nur aus
diesem Grund muss insbesondere beim
Dichtsystem Kolben-Kolbenring-Zylinder
bei der praktischen Kolbenringauslegung
stets einen Kompromiss zwischen der
optimalen Dichtwirkung und einer Minimierung der Reibung gefunden werden.
für eine Optimierung zu einem frühen
Zeitpunkt im Motorentwicklungsprozess,
also da, wo Änderungen an der Konstruktion noch vergleichsweise zeit- und
kostengerecht möglich sind. Wir freuen
uns, Ihnen diese Verfahren von FederalMogul im Folgenden detailliert darstellen
zu können.
Als einer der führenden Hersteller von
Kolbensystemen stellt sich auch FederalMogul diesen Herausforderungen. In
Summe sind es viele kleine Rädchen, an
denen die Ingenieure des Unternehmens
bei der Weiterentwicklung bestehender
und der Konzeption neuer Produkte
drehen, um einen möglichst geringen
Ölverbrauch darstellen zu können. Um
die Komplexität durch die gegenseitigen
Wechselwirkungen und systemischen
Einflüsse beherrschen zu können, ist der
gezielte Einsatz von Prüfstandsuntersuchungen unumgänglich. Federal-Mogul
hat Entwicklungsmethoden etabliert, bei
denen die Ölemissionen mittels modernster Messverfahren analysiert werden
können. Das ist die Grundvoraussetzung
Herzlichst, Ihr
therefore have a negative effect on pollutant emissions. What is more, efforts to
reduce CO2 also have a direct impact on
oil emissions. One example is lowerviscosity engine oils, which may on the
one hand reduce friction, but at the same
time they can also lead to higher oil consumption. Not only for this reason, the
sealing system in particular, which comprises the piston, piston ring and cylinder,
requires a compromise to be found in the
practical piston ring design between the
optimum sealing effect and the minimisation of friction.
ducts and the design of new ones aimed
at minimising oil consumption. In order
to master this complexity through mutual
interaction and systemic influences, the
targeted application of test rig testing is
indispensable. Federal-Mogul has established development methods that enable
oil emissions to be analysed using stateof-the-art measuring techniques and
which also build a bridge to conventional oil consumption measurement in
the oil pan.
Dr. Alexander Heintzel
Chefredakteur der ATZ und MTZ
Relevant Factor
Dear Reader,
Oil emissions are becoming an increasingly important factor in the development of
internal combustion engines. One reason
for this is the upcoming RDE legislation,
which will require compliance with emissions standards also in real driving conditions. Particularly in these transient operating states, higher levels of oil emissions
result in higher emissions of particle matter and HC. The second reason is increasingly strict legislation that requires emissions standards to be met over the vehicle‘s
lifetime, thus making higher demands on
the life expectancy of the exhaust aftertreatment system. Ash in the oil from the
exhaust, which is deposited in the particulate filter and catalytic converter over
time, can impair the operation of the
exhaust gas aftertreatment systems and
As one of the leading manufacturers of
piston systems, Federal-Mogul is also addressing these challenges. In total, there
are many different individual elements
that the company‘s engineers focus on in
the further development of existing pro-
These are the basic conditions for successful optimisation at an early stage in the
development process – in other words, at
the point at which design modifications
are still largely possible within time and
cost constraints. We are pleased to present
this Federal-Mogul process in detail in the
following.
3
EMISSIONEN
ul
© Fe de ral -M og
FUNKTIONSPARAMETER
ÖLVERBRAUCH
Ölemissionsmessung zur
ganzheitlichen Betrachtung
des Ölverbrauchs
Die heutigen Emissionsgrenzwerte und erweiterte Wartungsintervalle erfordern eine umfangreiche Kenntnis des Motorölverbrauchs. Am Motorenprüfstand von Federal-Mogul in
Burscheid werden hierfür unterschiedliche Messverfahren
genutzt. Nur durch den Einsatz spezieller Versuchsprogramme
ist es möglich, eine integrale Aussage über den Ölverbrauch
im gesamten Einsatzbereich des Motors zu treffen.
4
Der Ölverbrauch von Verbrennungsmotoren wird von allen Herstellern als
wesentlicher Funktionsparameter angesehen, unabhängig von Größe oder
Anwendung des Motors. Er kann dabei
unter zwei unterschiedlichen Gesichtspunkten betrachtet werden:
– Verlust von Öl aus dem Schmierungskreislauf des Systems „Motor“: Ziel der
Betrachtung ist eine weitgehende Vermeidung oder Minimierung der Notwendigkeit, Öl zwischen den Serviceintervallen nachzufüllen.
– Minimierung von Ölemissionen: Aus
dem Brennraum über den Abgasstrom
entweichendes Öl kann einen negativen Einfluss auf das Emissionsverhalten des Motors ausüben. Der Einfluss
kann direkt sein, zum Beispiel durch
Erhöhung der HC-Emissionen vor
dem Anspringen des Katalysators, oder
indirekt durch Blockierung oder Vergiftung von Abgasnachbehandlungseinrichtungen.
Dabei ist im Hinblick auf die Verschärfung der Emissionsgrenzwerte eine
zunehmende Bedeutung des Emissionsaspekts zu beobachten. Im Kennfeld
des Motors verschiebt sich der Fokus bei
der Ermittlung des Ölverbrauchs von
den früher eher relevanten Hochlastbetriebspunkten hin zu einer Betrachtung
des Verhaltens über den gesamten
Betriebsbereich.
DEFINITION VON ÖLVERBRAUCH,
ÖLEMISSIONEN UND ÖLBILANZ
Unter Ölverbrauch versteht man den
Verlust von Schmieröl aus dem Ölkreislauf des Motors über die Zeit, BILD 1.
Unter Anwendung dieser Definition
kann postuliert werden, dass sich die
Größe „Ölverbrauch“ einer direkten
Messung entzieht.
Als Ersatzgröße zur Messung bietet
sich die Ölbilanz an, auch ÖlwannenÖlverbrauch genannt. Die Ölbilanzermittlung erfolgt durch Bestimmung
der Massen- oder Volumendifferenz
im Ölkreislauf über die Dauer eines
bestimmten Betriebsprogramms. Dass
die Messung der Ölbilanz nicht mit der
Bestimmung des globalen Ölverbrauchs
gleichzusetzen ist, wird dann ersichtlich,
wenn zum Beispiel im Kaltbetrieb des
Motors negative Ölbilanzergebnisse auf-
AUTOREN
Gravimetrische/
volumetrische
Messung
Abgasmessmethoden
Frischöl
Eintrag aus dem
Brennraum
Ablagerungen im Motor
Ölemissionen
Verlust an Ölmenge
über die
Auspuffanlage
Schmiermittel im Auspuff
Mengenänderung
Ölbilanz
Mengenänderung des
Schmiermittels in der
Ölwanne
Schmiermittel in der Ölwanne
BILD 1 Ölverbrauch, Ölemissionen und Ölbilanz (© Federal-Mogul)
treten. Ölverbrauch kann definitionsgemäß nicht negativ werden.
Neben der gravimetrischen oder volumetrischen Ölbilanzmessung bietet sich
die Bestimmung des Ölverbrauchsverhaltens durch Abgasmessmethoden an –
also die Ermittlung von Ölemissionen.
Unter der Ölemissionsmessung versteht
man die Bestimmung von Schmierölanteilen, die den Motor über das Abgassystem verlassen. Im Gegensatz zur Ölbilanz haben Eintragskomponenten und
Ablagerungen keinen direkten Einfluss
auf Ölemissionen. Die Ergebnisse von
Ölbilanz und Ölemissionsmessungen
müssen zwangsläufig voneinander
abweichen [1].
Dr. Arnim Robota
ist Leiter Motorenprüfstand
Rings & Liner bei der Federal-Mogul
Burscheid GmbH.
Johannes Plückers
ist Prüfstandsingenieur Motorenprüfstand Rings & Liner bei der
Federal-Mogul Burscheid GmbH.
METHODE ZUR
ÖLEMISSIONSMESSUNG
Die sogenannte C-Lube-Methode zur
Ölemissionsmessung basiert auf der
Verwendung von radioaktiv markierten
Germanium-69-Verbindungen (69Ge) [2].
Bei den markierten Molekülen handelt
es sich um Grundölmoleküle, bei denen
ein Kohlenstoffatom durch 69Ge ersetzt
wird. 69Ge ist ein Emitter von Gammastrahlung mit einer kurzen Halbwertszeit (39 h), der an verschiedene organische Verbindungen gebunden werden
kann, um ein mit dem Grundöl im
Motor vergleichbares Destillationsintervall zu erhalten, BILD 2.
Thierry Delvigne
ist CEO der Delta Services
Industriels SPRL in Froyennes
(Belgien).
Olivier Courtois
ist Technical Manager bei der
Delta Services Industriels SPRL in
Froyennes (Belgien).
BILD 2 Siedeverteilung
eines Öls mit vier
verschiedenen
69Ge-Tracermolekülen
(mit 69Ge C1 und
69Ge C3 (blau);
mit 69Ge C1,69Ge C2
und 69Ge C3 sowie
Frühsiedern (rot);
mit 69Ge C1,69Ge C2
und 69Ge C4 sowie
Frühsiedern (schwarz))
(© Delta Services
Industriels)
5
EMISSIONEN
BILD 3 Prinzip der C-Lube-Ölemissionsmessung (© Delta Services Industriels)
Das radioaktive Tracer-Gemisch wird
vor Beginn der Tests in das Motoröl eingebracht. Während des Motorbetriebs
wird der Tracer proportional zum Öl verbrannt. Durch ein in die Abgasleitung
eingebautes Messsystem, BILD 3, wird der
Tracer in einem Filter aufgefangen.
Die Ölemissionsmessung beruht auf
der Erfassung des Signals von im Filter
angesammeltem radioaktiven Tracer
(kumulative Messung). Dieses Signal
wird unter Berücksichtigung einer Kalibrierung in Ölemissionen umgewandelt.
Die wesentlichen Vorteile gegenüber
anderen Methoden sind:
– einfacher Einbau der Ausrüstung
in die Abgasleitung
– Online-Messung
– Tracer repräsentativ für das Grundöl
– keine Veränderung der
Öleigenschaften
– Möglichkeit der Trennung der
Ölverbrauchsquellen
– sehr hohe Empfindlichkeit
– ausgezeichnete Wiederholbarkeit
– keine Beeinträchtigung durch den
Kraftstoffverdünnungsprozess.
GANZHEITLICHE BETRACHTUNG
DES ÖLVERBRAUCHS
Zur Bestimmung von Ölbilanz und
Ölemissionen ist eine Vielzahl unterschiedlicher Messverfahren bekannt.
Weit verbreitet ist die gravimetrische
Bestimmung des Ölinhalts durch
6
Abtropfen und Wiegen, die auch automatisiert erfolgen kann. In den folgenden Abschnitten soll die Anwendung
der C-Lube-Methode zur Messung von
Ölemissionen in Kombination mit einer
automatisierten Ölbilanzmessung erläutert werden. Die Ölbilanzmessung erfolgt
dabei mittels der Ölverbrauchsmessanlage
mit der Bezeichung Movan, einer Entwicklung von Federal-Mogul [3]. Zielstellung der Kombination ist die Erfassung eines ganzheitlichen Blicks über
das Ölverbrauchsverhalten des Motors
über möglichst viele Betriebsarten, aber
auch die Berücksichtigung der unterschiedlichen Gesichtspunkte „Nachfüllmengen“ und „Emissionsverhalten“.
Um diese Zielstellung zu erfüllen, aber
auch gleichzeitig das Verhalten über die
Lebensdauer des Prüflings zu erfassen,
wird ein exemplarischer Programmablauf empfohlen, der im Folgenden weiter
erläutert wird:
– Ölemissionskennfeld (C-Lube)
– Zyklusprogramm (C-Lube)
– Bestimmung transienter Anteile über
70/20/10-Programm (C-Lube)
– Zyklus- oder Stationärpunkt-Programm (Movan).
ÖLEMISSIONSKENNFELDER
Zur Erstellung eines Ölemissionskennfelds müssen Drehzahlen, Lasten sowie
Lauf- und Messzeit für die Punkte des
Kennfelds festgelegt werden. Bei jeder
Ölverbrauchsuntersuchung hängen die
Ergebnisse von der Vorgeschichte der
Betriebsweise, vom Motor selbst und den
Zustandsänderungen im Öl ab. Um die
Laufzeit zur Erstellung eines Ölemissionskennfelds zu verkürzen, muss bei
der Gestaltung des Prüfprogramms
Rücksicht auf die kurzen Messzeiten pro
Betriebspunkt genommen werden. Ideal
wären konstante Randbedingungen oder
zumindest kleine Sprünge in Last und
Drehzahl für die Übergänge zwischen
den Betriebspunkten. Für die Gestaltung
von Kennfeldern wurden drei Optionen
untersucht:
– Lastschnittverfahren: Die Kennfeldaufnahme wird mit der höchsten Leistungsanforderung gestartet und zuerst
entlang der Volllast gefahren, später
wird sie bei konstantem Drehmoment
mit kleiner werdender Drehzahl abgearbeitet (Reihenfolge P1 bis P34),
BILD 4 (oben). Im hohen Lastbereich
erkennt man ein gutes Kennfeldverhalten; im niedrigen Lastbereich besteht
die Gefahr der Auskühlung von Motor
und Abgassystem, wobei Ölbestandteile im Abgasrohr kondensieren
können.
– Drehzahlschnittverfahren: Die Kennfeldaufnahme wird mit nmax/VL (P1)
gestartet und dann bei konstanter
Drehzahl mit kleiner werdender Last
abgearbeitet (Reihenfolge P1 bis P34),
BILD 4 (Mitte). Der Punkt der maximalen Ölemissionen verschiebt sich auf
P7, verursacht durch den hohen Lastunterschied mit jedem Drehzahlsprung (beispielsweise von P6 zu P7),
bei der Emissionen aus dem niedrigen
Lastpunkt in den Folgepunkt verschleppt werden.
– Referenzpunktverfahren: Die Abarbeitung erfolgt wie im Drehzahlschnittverfahren, allerdings wird jeweils zwischen zwei Kennfeldpunkten (geradzahlige Punktnummerierung) ein
Referenzpunkt eingeschoben, BILD 4
(unten, rotes Rechteck). Alle Kennfeldpunkte besitzen dadurch die gleiche
„Vorgeschichte“ (den Referenzpunkt).
Die Ergebnisse sind nicht mehr davon
abhängig, ob ein Hoch- oder Niedriglastpunkt vor dem entsprechenden
Betriebspunkt gefahren wurde.
Das Referenzpunktverfahren stellt die
optimale Methode zur Erstellung eines
Ölemissionskennfelds in Hinblick auf die
Verringerung des Einflusses der vorherigen Kennfeldpunkte dar.
ZYKLEN AUS DAUERLAUF- ODER
TRANSIENTEN PROGRAMMEN
BILD 4 Verfahren zur Erstellung von Kennfeldern (© Federal-Mogul)
Die Ölemissionen werden durch Messung
des Aktivitätsanstiegs im Abgasfilter
(DPF) bestimmt. Da für die Ermittlung
der Ölemission (in g) aus dem Signalanstieg ein ausreichender Aktivitätszuwachs (in cps) erforderlich ist, wird eine
Integrationszeit im Bereich von mehreren Minuten benötigt. Die Integrationszeit kann durch eine Erhöhung der spezifischen Traceraktivität im Öl verkürzt
werden; die direkte Beobachtung transienter Vorgänge wie Beschleunigungen
ist jedoch nicht möglich. Die Lösung dieses Problems besteht in der Durchführung von Online-Messungen über Programmzyklen, in denen die transienten
Phasen über mehrere Durchgänge wiederholt werden. Die Wiederholung von
Messungen transienter Vorgänge ist
ohnehin empfohlen, weil die Aussage
anhand eines Einzelvorgangs mit einer
hohen statistischen Unsicherheit verbunden ist.
Für die Ermittlung der mittleren
Ölemissionen über Zyklen, unabhängig
davon, ob es sich um Zyklen mit transienten Anteilen oder eine Kombination
von Stationärpunkten handelt, stellt sich
das beschriebene C-Lube-Messverfahren
aufgrund des integralen Charakters der
Aktivitätssammlung im Filter als ideal
dar. Die Verkürzung von Zyklen zur Verringerung der Messzeit kann unter Beibehaltung der Proportionalität der Einzelanteile in Erwägung gezogen werden,
sollte aber eine mehrfache Wiederholung
des Zyklus beinhalten.
Zyklusprogramme mit dynamischen
Anteilen gehören mittlerweile bei
nahezu allen Motorherstellern zur Standard-Programmbibliothek der Entwicklung. Diese Programme zeichnen sich
durch folgende Anteile, oft in Kombination miteinander, aus:
– flache Rampen zur Simulation von
Beschleunigungsvorgängen
– steile transiente Rampen zur Simulation von Schalt- und Anfahrvorgängen
– Schleppbetrieb in Verbindung mit
Rampen (für Nfz-Betrieb mit Einsatz
der Motorbremse)
– Stationärpunkte
– Start-Stopp-Betrieb.
Gerade weil diese Programme bei einer
hohen Anzahl von Motoren angewendet
und zur Bestimmung des Ölverbrauchsverhaltens im Entwicklungsprozess her-
7
EMISSIONEN
Gravimetrische Ölbilanzmessung
100
sowohl zur Bestimmung der Ölemissionen als auch zur Messung der Ölbilanz
herangezogen wird, BILD 5.
Ölverbrauch/Ölemissionen [%]
ANWENDUNG DER 70/20/10METHODE ZUR BESTIMMUNG
TRANSIENTER ANTEILE
0
Ölemissionen
über drei Zyklen
0-15 h
Kundenzyklus
15-30 h
Kundenzyklus
30-45 h
Kundenzyklus
BILD 5 Vergleich von Ergebnissen der Ölemissionsmessung und Ölbilanz im identischen Zyklus
(© Federal-Mogul)
Eine neben der Zyklusmessung empfehlenswerte Methode zur Bestimmung von
transienten Vorgängen mit kurzen Zykluszeiten von wenigen Sekunden stellt die
sogenannte 70/20/10-Methode dar [4]. Sie
ist eine spezielle Form eines Wechsellastprogramms, bei dem drei Betriebspunkte
in drei Prüfprogrammen mit unterschiedlicher zeitlicher Wichtung kombiniert
werden, sodass sich aus den Ergebnissen
der Einzelprogramme Ei durch die Auflösung des Gleichungssystem die unbekannten Ölverbräuche für die Betriebspunkte Oi (i = 1…3) errechnen lassen:
Gl. 1
angezogen werden, besteht bei den
OEMs eine fundierte Kenntnis durch
reichlich vorhandenes Datenmaterial.
Deshalb wird häufig die Forderung aufgestellt, die Ergebnisse der Ölemissions-
messung mit den beim Hersteller vorhandenen, durch Ölbilanzmessungen
erzeugten Ergebnissen zu spiegeln. Diese
Forderung lässt sich dadurch erfüllen,
dass das identische Zyklusprogramm
BILD 6 Ölemissionsmessung in einem 70/20/10-Programm mit Schub-/Zug-Anteilen (© Federal-Mogul)
8
( ) ( ) ( ) ()
E1
0,7
0,2
0,1
0,2 *(O1)+ 0,1 *(O2)+ 0,7 *(O3)= E2
0,1
0,7
0,2
E3
Die besondere Eignung dieser Programmstruktur zur Ölverbrauchsbestimmung
ergibt sich dadurch, dass die Betriebspunkte nicht als Stationärpunkte defi-
niert sein müssen, sondern auch
Betriebsarten wie Schub-/Zug-Zyklen,
Rampen oder Bremsbetrieb in Kombination genutzt werden können. BILD 6
demonstriert die Anwendung dieser Programmstruktur in der Kombination eines
Voll- und Teillastpunkts sowie von
Schub-/Zug-Zyklen.
Besondere Vorteile entfaltet die
70/20/10-Methode bei der Bestimmung
von Schubölemissionen. Eine Messung
von Schubemissionen im Stationärbetrieb ist nicht zu empfehlen, weil sich
der Zustand des Motors und der Emissionen über die notwendige Messzeit von
≥ 20 min dramatisch verändert. Folgende
Effekte sind dabei zu erwarten:
– Verschiebung des Zustands der
69Ge-Emissionen und
– Abkühlung des Abgassystems und des
Motors.
Die anzustrebende Lösung, die letztendlich auch der Realität der Feldnutzung
näher kommt, ist die Aufteilung eines
langen Schubabschnitts in viele kleine,
wie sie durch die 70/20/10-Methode
gewährleistet werden kann. Hierbei wird
der Schubabschnitt durch einen der drei
Abschnitte dargestellt, ergänzt durch
Stationärabschnitte oder einen stationären und einen Schub-/Zug-Abschnitt.
ZUSAMMENFASSUNG
Die in der Industrie weitverbreitete
Bestimmung des Ölverbrauchs in einzelnen Stationärpunkten oder durch spezifische Zyklenprogramme mittels Ölbilanz
hat nur eingeschränkte Aussagekraft. So
ist beispielsweise die Anwendung von
Schwachlastzyklen in Kombination mit
Ölbilanzmessungen für eine ausreichende Differenzierbarkeit ölverbrauchssenkender Maßnahmen ungeeignet. Dies
gilt besonders, wenn der Ölverbrauch
Auswirkungen auf das Emissionsniveau
des Motors hat. Hier hilft die direkte
Messung von Ölemissionen weiter.
Die Messung von Ölemissionen mittels
C-Lube-Verfahren stellt ein hochwertiges
Werkzeug zur Erfüllung dieser Forderung
dar. In Kombination mit einer Ölbilanz-
messung lässt sich eine Programmstruktur entwickeln, die nahezu alle relevanten
Betriebsarten eines Motors abdeckt. Mit
dieser ganzheitlichen Betrachtung des
Ölverbrauchsverhaltens konnte bei Federal-Mogul ein starkes Entwicklungstool
eingeführt werden. Letzthin kann damit
das Risiko minimiert werden, dass Ölverbrauchsprobleme erst in einer späten
Phase der Motorenentwicklung oder gar
im Feld aufgedeckt werden.
LITERATURHINWEISE
[1] Appel, N.; Gohl, M.; Robota, A.: Vergleichende
Untersuchungen zwischen Ölverbrauch und Ölemissionen an einem Ottomotor. In: MTZ 67 (2006), Nr.
5, S. 360-367
[2] Delvigne, T.; Deconninck, B.; Obiols, J.; China,
P.; Carlier P.: A New Methodology for On-line Lubricant Consumption Measurement. SAE-Bericht
2005-01-2172, 2005
[3] Robota, A.: Ölkreislauf von Verbrennungsmotoren II: Ölverbrauch, Ölemissionen und Ölbilanz –
Vergleichende Betrachtungen. Renningen: ExpertVerlag, 2007, S. 211-223
[4] Jöhren, P.; Newman, B.: Evaluating the oil consumption behavior of reciprocating engines in transient operation. SAE-Bericht Nr. 880098, 1988
Ölemissionsmessungen sind ebenso zur Anwendung an HD-Motoren geeignet
9
EMISSIONS
ul
© Fe de ral -M og
FUNCTIONAL PARAMETER
“OIL CONSUMPTION”
All manufacturers consider the oil consumption of combustion engines as a key
functional parameter, regardless of the
size or application of the engine. Oil consumption can be viewed from two different perspectives:
– Loss of oil from the lubricating circuit
of the engine system: the aim of measurement is largely to avoid or minimize the need to replenish oil between
services.
– Minimizing of oil emissions: oil escaping from the combustion chamber via
the exhaust gas stream can adversely
affect the emission behavior of an
engine. The effect may be direct, eg an
increase in HC emissions before the
catalytic converter lights off, or indirect by clogging or contamination of
exhaust aftertreatment systems.
In this context, as a result of tougher
emission standards a growing importance of the emission aspect is being
observed. In the performance map of an
engine the focus in determining oil consumption is shifting from the previously
more relevant high-load operating levels
to a consideration of the behavior across
the whole of the operating range.
DEFINITION OF OIL CONSUMPTION,
OIL EMISSIONS AND OIL BALANCE
Oil Emission Measurement
For A Holistic Estimation Of
Oil Consumption
Today’s emission limits and extended service intervals
necessitate a comprehensive understanding of engine oil
consumption. At the Federal-Mogul engine test house in
Burscheid, various measurement methods are used for this
purpose. Only by running special test programs is it possible
to derive integral information on oil consumption in the
whole of the engine operating range.
10
Oil consumption is understood as the
loss of lubricating oil from the engine oil
circuit over time, FIG 1. By applying this
definition it may be postulated that the
variable ’oil consumption’ defies direct
measurement.
A substitute quantity that lends itself
to measurement is the oil balance, also
referred to as sump oil consumption.
Measurement of the oil balance takes
place by determining the mass or volume
difference in the oil circuit over the duration of a specific operating program. The
fact that measuring the oil balance is not
equivalent to determining the global oil
consumption will become apparent
when negative oil balance results occur
e. g. while the engine is operating cold.
Oil consumption can by definition not
become negative.
Besides gravimetric or volumetric oil
balance measurement, a suitable approach to determining oil consumption
behavior is by means of exhaust gas
AUTHORS
Gravimetric/
Volumetric
measurement
Exhaust gas measurement
Fresh oil
Combusiton entres
Loss of oil
via exhaust system
Deposits in the engine
Oil emissions
Lube oil via exhaust system
Change of amount
Oil balance
Change of amount
in the oil pan
Lube oil in the oil pan
FIG 1 Oil consumption, oil emissions and oil balance
measurement methods – that is, the measurement of oil emissions. Oil emission
measurement means the determination
of lube oil components expelled from the
engine via the exhaust system. Unlike
the case of oil balance, included components and sediments have no direct effect
on oil emissions. The results of oil balance and oil emission measurements will
inevitably differ from one another [1].
OIL EMISSION
MEASUREMENT METHOD
The so-called C-Lube method for oil
emission measurement is based on the
use of radiotracer compounds of germa-
nium-69 (69Ge) [2]. The labeled molecules are base oil molecules where one
carbon atom is replaced by 69Ge. 69Ge is
a short half-life (39 hours) gamma-ray
emitter that can be attached to various
organic compounds to obtain a distillation interval similar to the base oil contained in the engine, FIG 2.
The radiotracer mixture is injected
into the engine oil before starting the
tests. During engine operation the tracer
is burned proportionally to the oil, and
a monitoring system installed in the
exhaust line, FIG 3, traps the tracer in a
filter.
Oil emission measurement consists of
monitoring the signal emitted by the
Dr. Arnim Robota
is Manager Engine Test House,
Rings & Liners, at Federal-Mogul
Burscheid GmbH.
Johannes Plückers
is Test Engineer Engine Test House,
Rings & Liners, at Federal-Mogul
Burscheid GmbH.
Thierry Delvigne
is CEO of Delta Services Industriels
SPRL in Froyennes (Belgien).
Olivier Courtois
is Technical Manager at Delta
Services Industriels SPRL in
Froyennes (Belgien).
FIG 2 Boiling distribution of an oil with four
different 69Ge tracer
molecules (© Delta
Services Industriels)
11
EMISSIONS
FIG 3 Principle of C-Lube oil emission measurement (© Delta Services Industriels)
radiotracer that accumulates in the filter
(cumulative measurement). This signal
is converted with appropriate calibration
into oil emissions.
The main advantages compared to
other methods are:
– equipment easy to install in the
exhaust line
– online measurement
– tracer is representative of the base oil
– no change in oil properties
– separation of oil consumption sources
is possible
– very high sensitivity
– excellent repeatability
– not impacted by the fuel dilution
process.
acquire a holistic view of engine oil consumption behavior across as many operating modes as possible, but also to consider the different aspects of replenishment amounts and emission behavior.
To accomplish this goal, as well as to
determine behavior over the lifetime of
the test engine, a typical example of a
program sequence is recommended as
described in more detail below:
– Oil emission map (C-Lube)
– Cyclic program (C-Lube)
– Determination of transient components via 70/20/10 program (C-Lube)
– Cyclic or steady-state point program
(MOVAN).
OIL EMISSION MAPS
HOLISTIC ESTIMATION OF
OIL CONSUMPTION
The measurement methods available for
determining oil balance and oil emissions are many and varied. A widely used
technique is gravimetric determination
of oil content by the drain and weigh
method, which can also be automated.
In the following sections it is proposed to
describe the application of the C-Lube
method for measuring oil emissions in
combination with automated oil balance
measurement. The equipment used for
oil balance measurement is the oil consumption measurement system named
MOVAN, a Federal-Mogul development
[3]. The object of combining the two is to
12
To create an oil emission map, the
speeds, loads and running and measurement times must be defined for the mapping points. In any oil consumption investigation the results will depend both
on the operating history, on the engine
itself and on the condition changes in
the oil. To shorten the running time for
development of an oil emission map,
the structure of the test program must
take into account the short measurement
times per operating point. The ideal
would be constant fringe conditions or at
least small load and speed steps for the
transitions between the operating points.
For mapping purposes, three options
were investigated:
– Load-based method: Development of
the map is started with the highest
power demand operating first along
full load, later proceeding at constant
torque with decreasing speed (sequence P1 through P34, FIG 4 (top). In
the high load range a good mapping
behavior is evident; in the low load
range there is danger of engine and
exhaust system cool-down, with
potential condensation of oil constituents in the exhaust line.
– Speed-based method: Start of map
development is at nmax/WOT (P1), proceeding then at constant speed with
decreasing load (sequence P1 through
P34), FIG 4 (middle). The point of
maximum oil emissions shifts to P7
caused by the large load difference
with every speed step (e. g. from P6 to
P7), where emissions are carried over
from the low load point to the subsequent point.
– Reference point method: the procedure
is like in the speed-based method,
though a reference point, FIG 4 (bottom, red rectangle), is inserted between
each two mapping points (even point
numbering). All of the map points
therefore have the same “history” (the
reference point). The results are no longer dependent on whether a high or
low load point was run before the relevant operating point.
The reference point method is the optimal method for creating an oil emission
map with respect to diminishing the
effect of the preceding mapping points.
CYCLES OF ENDURANCE OR
TRANSIENT PROGRAMS
Oil emissions are determined by measuring the activity increase in the exhaust
filter (DPF). Since to determine oil emission (in g) from the signal increase a
sufficient growth in activity (in cps) is
necessary, an integration time in the
region of several minutes is required.
The integration time can be shortened by
increasing the specific tracer activity in
the oil; direct observation of transient
events like accelerations, however, is not
possible. The solution to this problem
consists in performing online measurements by means of program cycles in
which the transient phases are repeated
across a number of passes. The repetition of measurements of transient events
is recommended in any case, as the
information derived from a single event
entails a high statistical uncertainty.
To determine the mean oil emissions
across cycles, regardless whether the
cycles are comprised of transient components or a combination of steady-state
points, the described C-Lube measurement method is ideal on account of the
integral character of activity concentration in the filter. Shortening of cycles to
reduce the measurement time may be
considered while retaining the proportionality of the individual components, but
it should incorporate a multiple repetition of the cycle.
Cyclic programs with dynamic components meantime belong to the standard
program library used by practically all
engine manufacturers in engine development. Such programs are characterized
by the following components, often in
combination with one another:
– shallow ramp-ups to simulate acceleration processes
– steep transient ramp-ups to simulate
gear changing and driveaway
processes
– motoring combined with ramp-ups
(for commercial vehicles with use of
engine brake)
– steady-state points
– start-stop mode.
Especially as these programs are applied
on a large number of engines and are
used in the development process to determine oil consumption behavior, OEMs
are in possession of sound knowledge
based on amply available data. For this
reason there is a frequent demand to
mirror the results of oil emission measurement against the results available to
manufacturers from oil balance measurements. Such a demand can be satisfied
by using an identical cyclic program
both for determining oil emissions and
measuring oil balance, FIG 5.
APPLICATION OF THE 70/20/10
METHOD FOR DETERMINING
TRANSIENT COMPONENTS
FIG 4 Procedure for creating performance maps (© Federal-Mogul)
Besides the cyclic measurement, a recommendable method for determining transient events with short cycle times of a few
seconds is the so-called 70/20/10 method
[4]. It is a special form of a mixed load
program in which three operating points
are combined in three test programs with
a different time weighting, so that from
the results of the individual programs Ei
13
EMISSIONS
Gravimetric oil balance measurement
Oil consumption/Oil emissions [%]
100
0
Oil emissions
across three
cycles
0-15 h
Customer cycle
15-30 h
Customer cycle
30-45 h
Customer cycle
FIG 5 Comparison of results of oil emission measurement and oil balance in an identical cycle
(© Federal-Mogul)
the unknown oil consumptions for the
operating points Oi (i=1 through 3) can
be calculated by solving the equation
system:
Gl. 1
( ) ( ) ( ) ()
E1
0,7
0,2
0,1
0,2 *(O1)+ 0,1 *(O2)+ 0,7 *(O3)= E2
0,1
0,7
0,2
E3
The particular suitability of this program
structure for oil consumption determina-
tion stems from the fact that the operating points need not be defined as
steady-state points, but also operating
modes like vacuum/acceleration cycles,
ramp-ups or brake operation may be
used in combination. FIG 6 demonstrates
the application of this program structure
in a combination of a full and part load
point and vacuum/acceleration cycles.
Special advantages derive from the
70/20/10 method when determining oil
emissions in the vacuum condition. Measurement of vacuum emissions in steadystate operation is not advisable because
the condition of the engine and emissions changes dramatically over the necessary measurement time of ≥20 minutes.
The following effects may be expected:
– shifting of the state of the 69Ge
emissions and
– cooling down of the exhaust system
and engine.
The desired solution, which ultimately
comes closer to the reality of field service, is to split a long vacuum section
into many small sections, as can be done
by means of the 70/20/10 method. In
this case the vacuum section is represented by one of the three sections, supplemented by steady-state sections or a
FIG 6 Oil emission measurement in a 70/20/10 program with vacuum/acceleration components (© Federal-Mogul)
14
steady-state and a vacuum/acceleration
section.
SUMMARY
The practice, still widespread in the
industry, of determining oil consumption
at individual steady-state points or in
specific cyclic programs by means of oil
balance, is limited in its informative
value. For instance, the application of
light-load cycles in combination with oil
balance measurements is unsuitable to
adequately differentiate oil consumption
reducing measures. This applies especially when oil consumption impacts the
emission level of the engine. This is
where direct measurement of oil emissions can be helpful.
The measurement of oil emissions
using the C-Lube method is a valuable
tool for meeting this requirement. In combination with oil balance measurement a
program structure can be developed that
covers practically all relevant engine operating modes. With this holistic approach
to determining oil consumption behaviour, Federal-Mogul has introduced a powerful development tool. It can minimize
the risk of oil consumption issues being
discovered only in a late phase of engine
development or even in the field.
LITERATURE
[1] Appel, N.; Gohl, M.; Robota, A.: Vergleichende
Untersuchungen zwischen Ölverbrauch und Ölemissionen an einem Ottomotor. In: MTZ 67 (2006),
Nr. 5, S. 360-367
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P.; Carlier P.: A New Methodology for On-line Lubricant Consumption Measurement. SAE-Bericht
2005-01-2172, 2005
[3] Robota, A.: Ölkreislauf von Verbrennungsmotoren II: Ölverbrauch, Ölemissionen und Ölbilanz –
Vergleichende Betrachtungen. Renningen: ExpertVerlag, 2007, S. 211-223
[4] Jöhren, P.; Newman, B.: Evaluating the oil consumption behavior of reciprocating engines in transient operation. SAE-Bericht Nr. 880098, 1988
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