車輛發(fā)動機潤滑油在線監(jiān)測技術的最新進展

摘要：車輛發(fā)動機潤滑油在減少發(fā)動機運動部件磨損方面發(fā)揮著極其重要的作用，其監(jiān)測技術正快速發(fā)展，該技術評定油品的降級程度以實現(xiàn)適時換油，減少不必要的動力損失和維修成本。文章對國際上該技術的最新發(fā)明和專利文獻進行了綜述，依據(jù)各自特點加以分類和描述，分析了各類技術的優(yōu)劣點，得出了相對更科學、經(jīng)濟、高效的兩種方法有前景的結論。

關鍵詞：車輛；潤滑油；在線監(jiān)測

中圖分類號：TE626.3文獻標識碼：A

0引言

發(fā)動機潤滑油具有有限的壽命，典型使用壽命在5000～30000 km行駛里程不等。為了維持對發(fā)動機足夠的保護，到達油品使用壽命時必須進行置換。通常的做法是，人們根據(jù)潤滑油生產(chǎn)廠家或原始設備制造商（OEMs）的推薦，按固定時間間隔或行駛里程來換油。然而，這種方法并不是基于特定發(fā)動機里真實的油品狀況，換油往往發(fā)生在油品使用壽命到達之前，或超過油品使用壽命之后。這是非經(jīng)濟性的，因為會產(chǎn)生浪費，也可能因延誤而使發(fā)動機運行狀態(tài)惡化。

很多客戶意識到了這種經(jīng)濟浪費，要求油品生產(chǎn)商提供油品檢測服務，希望能按質(zhì)換油。這些顯性服務需求往往超出一般實驗室的承接能力?？紤]到還存在更大量的潛在需求沒有顯現(xiàn)，從評定油品所需的時間、人力、物力成本考慮，普通實驗室要完全滿足所有車輛客戶的需求，幾乎是一件無法完成的任務。從經(jīng)濟性考慮，這個模式也不適合在全社會推廣。

另一方面，由于絕大多數(shù)車輛駕駛員按固定換油里程或時間進行換油，所以常發(fā)生因某些情況導致潤滑油提前失效，進而引發(fā)發(fā)動機故障，造成經(jīng)濟損失。這些情況包括：異常高溫的環(huán)境、沙塵環(huán)境、駕駛員獨特的駕駛習慣、機油濾清器品質(zhì)異常、城市交通擁堵造成的發(fā)動機多次反復停機和啟動、水箱及風扇冷卻系統(tǒng)的異常等，以及其他情況。這些情況造成發(fā)動機油在預期之前失效，進而使發(fā)動機失去可靠保護，導致故障發(fā)生，不僅增加了駕駛員的維修保養(yǎng)費用，也增加了車輛生產(chǎn)廠家的賠付費用，以及潤滑油生產(chǎn)廠家的售后服務成本。

發(fā)動機潤滑油在線實時評定技術的引入，可以通過在車輛上安置發(fā)動機潤滑油即時監(jiān)控裝置，通過在線實時自動化評定，給予駕駛員及時提醒，避免過早換油造成的浪費，也能使駕駛者在機油壽命終結時及時換油。

1車輛發(fā)動機潤滑油在線實時評定技術

不同的車輛發(fā)動機潤滑油在線實時評定技術已經(jīng)投入應用或被開發(fā)出來。這些方法包括聲學方法、電化學法、電導率法、數(shù)學運算法、溫度法、多傳感器技術及其他方法。下面對目前國際上的相關發(fā)明和專利做一個簡要概述。

1.1聲學法

Hammond[1]展示了一種聲學發(fā)動機油品質(zhì)傳感器（簡稱AEOQ）試制模型。原理是， AEOQ包含了一個用來測量黏度的剪切模式壓電探頭，還有一個專門的電壓控制諧振器（簡稱VCO），遠程對壓電探頭元件勵磁， AEOQ能夠辨識出發(fā)動機油黏度的變化，這種變化可能是由于使用而導致的衰變，以及水、乙二醇冷卻液、燃料等混入導致的稀釋。之所以對黏度有很高的靈敏度，是因為VCO同步測量聲波信號振幅和相位干涉效應。遠程訪問方式則允許電路離開發(fā)動機內(nèi)嚴酷環(huán)境數(shù)英寸。進一步的努力將聚焦在提高傳感器分辨率和可靠度上。然而，AEOQ 的直流電壓信號會隨環(huán)境溫度的變化而改變，并影響到最終結果的準確性。

Jakoby[2]開展了一項微型聲學黏度傳感器的研究：黏度的測量可以由微型聲學黏度傳感器來完成。對在用油樣和新油油樣測量獲得的結果，證實了試驗車輛油樣黏度增長是由于煙炱?；谘芯拷Y果，德國博世集團目前開發(fā)了一款多功能油品質(zhì)量傳感器，它將油品黏度和溫度測量集成在一起，展現(xiàn)出了新前景。

ANALYSIS & EVALUATION分析與評定Chao（音譯）[3]考察了一款基于石英諧振器厚膜剪切模式（簡稱TSM） 微型聲波傳感器，通過黏度檢測來監(jiān)測發(fā)動機油質(zhì)。他對比研究了TSM諧振器雙面接觸液體和單面接觸液體時的流體動力學效應和電學效應，開發(fā)出了基于單面和雙面TSM諧振器的傳感器原型，并在發(fā)動機新油和舊油中試驗，最終，他發(fā)現(xiàn)雙面TSM諧振器有更大的黏度靈敏度，但同時，比單面型存在更大的流體阻力，所以不太適合在傳導性流體中測量。目前的研究也發(fā)現(xiàn)，除了黏度和密度之外，還有其他流體學科因素在影響著傳感器的響應。Agoston[4]在流變學領域開展了系統(tǒng)的考察，對象包括加了添加劑和未加添加劑的發(fā)動機油。結果顯示：礦物油的黏度能夠可靠地被微型聲學傳感器測量，而對于聚合物添加劑，微型聲學傳感器卻無法檢測。具體地說，對于有增黏作用的聚合物添加劑，無論是它的增黏效果還是其自身的降解過程都無法被微型聲學傳感器感受到。對于包含高分子量增黏劑的發(fā)動機油而言，傳感器輸出信號與一般的黏度測量值沒有相關性。他解釋了原因：傳感器探測的是極薄的油膜分子，與此不同的其他形式無法被探測。研究還發(fā)現(xiàn)，傳感器信號與油品的氧化變質(zhì)程度有很好的相關性，原因是氧化變質(zhì)會引起礦物油黏度的增加。對人工老化油樣的試驗顯示，傳感器信號與人工老化油樣的總酸值相關。人工老化油樣的酸值增加是來源于油品自身氧化變質(zhì)產(chǎn)物，而這些產(chǎn)物能夠被微型聲學傳感器檢測出來。所以，結論是：這種傳感器非常適合檢測由于油品熱氧化變質(zhì)而導致的黏度改變。

1.2電化學法

Wang[5]建立了一種相對于發(fā)動機油總酸值現(xiàn)行滴定法的補充電化學測量方法，并將兩者進行對比，以改進Delphi發(fā)動機油監(jiān)測傳感器。該傳感器能夠檢測出油品變質(zhì)的三個階段：好、總酸值快速增加和黏度快速增長階段。無需對油樣進行滴定，電化學測量法對浸沒在油樣中的兩個電極施加電動勢波形，油品的總酸值可由流經(jīng)兩傳感電極的電量而確定，因為采用了一臺電腦對整個實驗程序進行控制，相對于滴定法而言，電化學測量法、總酸值測量法對操作者的依賴度更小，通過確定這兩種測試方法獲得的分析數(shù)據(jù)和傳感器輸出信號之間的相關度水平，討論在油品老化第二階段的電化學測量法測量值和滴定法測量值，最終，研究者在實驗結尾證實了：總酸值電化學測量法是滴定法的互補方法，油品老化第二階段的總酸值與傳感器獲得的輸出信號之間的良好關聯(lián)性被建立起來了。

1.3電導率法

Hochstein[6]展示了一款發(fā)動機和傳動系統(tǒng)油液變質(zhì)及溫度監(jiān)控器。用于測量因油品污染和變質(zhì)產(chǎn)生的電導率變化，電路包含一個衰減回路，可以補償由于溫度變化引起的電導率變化。他們認為：在用油的污染和變質(zhì)會改變特定溫度下的初始電導率。雖然油液的電導率隨溫度升高而升高，但包含熱敏電阻的補償電路會產(chǎn)生相應的信號，把溫度變化的影響抵消，使測量結果有效。

Liu[7]開發(fā)出基于介電常數(shù)的發(fā)動機潤滑油報警系統(tǒng)。他們證實了介電常數(shù)作為潤滑油變質(zhì)評價指數(shù)是可行的，建立了介電常數(shù)三參數(shù)韋布分布模型，通過分析計算與圖形分布形態(tài)評估相結合，實現(xiàn)了參數(shù)預測，基于潤滑油質(zhì)量確定了介電常數(shù)的閥值。他們還采納了傳感器技術并整合進單片機。通過實車試驗，該系統(tǒng)能夠可靠地檢出潤滑油衰變趨勢，實時地實現(xiàn)“按質(zhì)換油”，確保發(fā)動機始終處于潤滑狀況良好的狀態(tài)。

1.4數(shù)學計算法

Jagannathan[8]提出了一種新穎的自適應算法，通過使用微型傳感器和數(shù)學建模，聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡分類模糊算法來預測發(fā)動機油的品質(zhì)。通過檢測發(fā)動機運行狀態(tài)、測量油品參數(shù)，并將這些信息與油品狀況關聯(lián)，進而，先進的數(shù)據(jù)分析方法被用于預測發(fā)動機油剩余使用壽命。Hong[9]提出了新的算法，先用要素分析法識別出與發(fā)動機油質(zhì)量相關的主要任務描述參數(shù)，然后，通過回歸分析，判斷任務描述參數(shù)的類型：是市區(qū)模式還是高速公路模式，確定主要參數(shù)之間的關系。在以上這些基礎上，通過判別與分類分析來分析發(fā)動機油衰變狀況，與任務描述數(shù)據(jù)關聯(lián)，確定發(fā)動機油合適的換油時間。

Liu[10]建立了一種計算法監(jiān)測模型，通過電容率來評價潤滑油的品質(zhì)，并進一步地設計出了車載電容率傳感器和實時脈沖時長調(diào)制潤滑油品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。從車輛試驗結果中，他們發(fā)現(xiàn)并證實了監(jiān)測系統(tǒng)能夠根據(jù)潤滑油的衰變狀況給出換油警示， 因而避免了過早把好油換掉和繼續(xù)使用劣質(zhì)潤滑油。

1.5溫度法

Sawatari[11]發(fā)明的汽車發(fā)動機油監(jiān)測系統(tǒng)，將發(fā)動機油的變質(zhì)速率定義為油溫和發(fā)動機轉速的函數(shù)，提供連續(xù)輸出信號來顯示油品的剩余使用壽命。顯示的形式可以是剩余里程數(shù)，剩余時間或變質(zhì)等級，并且在油品變質(zhì)之前警示駕駛者。

Schwartz[12]等發(fā)明的汽車發(fā)動機換油指示器，通過監(jiān)測油溫，確定換油時機，不用考慮發(fā)動機的負荷或運行狀態(tài)，因為這些并不直接引起油溫的改變。他們認為，發(fā)動機油的過分衰變發(fā)生在溫度極高的時候，此刻抗氧劑的效力傾向于缺失，油品因氧化和硝化變得更黏稠和酸化。此外，酸性產(chǎn)物會降低油品防銹和防腐蝕能力。

1.6多傳感器技術

Kawakita[13]開發(fā)出了發(fā)動機油牌號和狀況監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)包含監(jiān)測油品質(zhì)量的傳感器以及能夠檢測換油操作本身的傳感器。每次換油之后，油品質(zhì)量傳感器的輸出讀數(shù)被自動記錄儲存起來，下一次換油的合適閥值自動生成，此外，還有一個傳感器用于檢測油液面高低，另一個傳感器用于檢測油品變質(zhì)的速率。

Preethichandra[14]設計了多功能傳感器，用于測量發(fā)動機油的黏度、清潔度、溫度和電容，根據(jù)具體情況作出更確定的判定。多功能傳感器依照最小化和簡單原則設計出，具備相對更簡單的構造和更低的成本。該多功能傳感器可以提供足夠的信息，通過智能系統(tǒng)做出最佳發(fā)動機換油周期決定。

Agoston[15]開發(fā)了紅外吸收傳感器原型裝置，用于確定發(fā)動機油的變質(zhì)情況?？梢詼y定5.85 μm處的吸收率和幾乎不受氧化情況影響的參考波。裝置包含一個寬波段發(fā)射源，一個用于紅外線穿透油樣的液池，可以選擇兩個波段的紅外窄波段過濾器，和一個寬波段感應器。該傳感器裝置具有小型化的潛能，可進一步拓展應用，監(jiān)測發(fā)動機油的硝化指數(shù)、煙灰、水分和乙二醇含量。

1.7其他方法

來自本田研究開發(fā)有限公司的Aikawa[16]開發(fā)出評估堿值衰變的技術，堿值衰變可作為判斷發(fā)動機油變質(zhì)的指數(shù)。研究小組使用NOx鼓泡裝置開展考察，發(fā)現(xiàn)堿值下降速率主要由溫度和NOx決定，下降速率可以用不同的反應速率定律加以解釋。此外，他們還在實際發(fā)動機上開展采用公式評估堿值下降的可行性研究，研究顯示這是可行的。這表示使用車載電子控制單元來評測堿值下降是可行的。同樣來自本田研究開發(fā)有限公司的Okuyama[17]開展了另一項研究，他們采用了氧化誘導期評測方法，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機油抗氧化性能與油泥的生成存在很強的相關性，鼓泡試驗和發(fā)動機臺架實驗顯示，抗氧化性能衰減的主要因素是熱、空氣、NOx和未燃燒的燃料，抗氧化性能的衰變速率可以用公式來表示，在實際發(fā)動機車載電子控制單元中使用該公式可以在線評測油品衰變。

2各個評定技術的特點分析

各項發(fā)明和專利各具特點，為了便于比較，表1從多個方面分析了這些技術的特點，包括：數(shù)據(jù)獲取快捷性、是否具備油品壽命預測功能、評定油品變質(zhì)的全面性、評定的靈敏度、數(shù)據(jù)后續(xù)處理復雜性、是否經(jīng)過了現(xiàn)場試驗、制造成本、維護成本等。

3結論

通過研究發(fā)動機潤滑油質(zhì)量衰變在線實時評定領域的相關論文和專利文獻發(fā)現(xiàn)，在線實時評定已經(jīng)成功被做到了，雖然部分發(fā)明處于實驗室原型階段，但另一部分已經(jīng)商業(yè)化了。

數(shù)學計算法作為一種方法論，嚴格來說不是獨立存在的評定技術，它需要與其他評定技術相結合才發(fā)揮效能。但它所具有的科學性、嚴謹性、最大限度的數(shù)據(jù)充分利用率，能夠使所有的評定技術都發(fā)揮出更大的效能。

多傳感器技術具有評定結果最準確可靠的優(yōu)勢，但制造和維護成本最高，未來在高成本車輛上有更大的應用前景。

介電常數(shù)法作為一種單傳感器檢測技術，依據(jù)其結構簡單、信號靈敏、油品衰變評定相對科學、制造和維護成本低、已經(jīng)通過實際應用測試等優(yōu)勢，相比目前其他評定技術，它是現(xiàn)階段最佳的選擇。

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作者簡介：宋峻：1991年于石油大學（華東）應用化學專業(yè)獲學士學位，2011年于電子科技大學MBA獲碩士學位，1996年所參加的《15W/40 SD/CC級通用油的研制和應用》項目獲中國石化總公司科技進步三等獎，現(xiàn)任中國石化潤滑油武漢分公司技術支持中心主管。E-mail：song8jun@qq.com