基于溫度和壓力的柴油機(jī)潤滑油黏度在線預(yù)測

馮海娣，劉軍，孫楠楠，陳秀明，于云，孫啟航

1.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061;2.濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 261108

0 引言

潤滑油在發(fā)動機(jī)中起密封、潤滑、減磨、冷卻和減震等作用，其性能對發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)行及使用壽命有直接影響。應(yīng)合理使用潤滑油，隨時監(jiān)測潤滑油狀態(tài)，保證合理的換油時機(jī)，確保柴油機(jī)運(yùn)行安全。導(dǎo)致潤滑油變質(zhì)的因素很多，過去普遍采用的“按期換油”做法既不科學(xué)，也不合理，一方面可能造成提前換油，不能充分利用潤滑油性能，導(dǎo)致潤滑油浪費(fèi)；另一方面又可能造成換油滯后，潤滑油指標(biāo)劣化，加劇發(fā)動機(jī)磨損。為能夠充分利用潤滑油性能，保障發(fā)動機(jī)在良好潤滑狀態(tài)下工作，開展對潤滑油品質(zhì)監(jiān)測的研究，實(shí)現(xiàn)“按質(zhì)換油”，具有重要的社會意義和經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

潤滑油在發(fā)動機(jī)的摩擦副表面形成潤滑油膜，實(shí)現(xiàn)抗磨、減磨的作用。黏度是潤滑油品質(zhì)的重要理化指標(biāo)之一，對于潤滑油膜的形成具有決定性作用，潤滑油黏度過大或過小都將導(dǎo)致潤滑性能下降[3-4]。因此，潤滑油黏度可作為換油的重要依據(jù)，有必要對其進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

潤滑油黏度監(jiān)測有離線采樣和在線監(jiān)測兩種方式，目前主要采用離線采樣方式。潤滑油黏度離線采樣方式存在采樣不便，檢測時間長，不能及時、有效地反映潤滑油的使用狀態(tài)等問題；在線監(jiān)測的研究主要集中在潤滑油黏度傳感器開發(fā)上，但黏度傳感器成本較高、精度低、可靠性差，在實(shí)際應(yīng)用中受到很大局限[5-6]。本文中，通過研究潤滑油黏度與溫度、壓力的關(guān)系，建立潤滑油黏度估計(jì)模型，利用發(fā)動機(jī)已有的壓力和溫度傳感器采集數(shù)據(jù)，實(shí)時分析潤滑油黏度的變化，實(shí)現(xiàn)潤滑油黏度的在線估計(jì)。

1 潤滑油黏度在線估計(jì)原理

1.1 潤滑油黏度和壓力的關(guān)系

怠速工況下，柴油機(jī)油路中的限壓閥通常是關(guān)閉狀態(tài)，潤滑油壓力不受調(diào)節(jié)，其壓力主要由潤滑油的流動阻力形成[7]。經(jīng)計(jì)算，怠速工況下，管道內(nèi)潤滑油的雷諾數(shù)小于2100，可以認(rèn)定潤滑油在油道中是層流流動，且在一定溫度范圍內(nèi)(80～100 ℃)潤滑油密度近似為常量，滿足Hagen-Poiseuille定律[8]：

(1)

式中：Δp為油道中潤滑油總體壓降，qV為潤滑油體積流量，η為潤滑油黏度，L為管道長度，r為管道半徑。

由式(1)可知，Δp與qV、η成正比。發(fā)動機(jī)怠速工況下，潤滑油油泵轉(zhuǎn)速恒定，qV近似為常量[9-10]。所以，對于給定發(fā)動機(jī)，在怠速工況下，潤滑油總體壓降

Δp=Kη，

(2)

由式(2)可知，對于給定的發(fā)動機(jī)，當(dāng)其在怠速工況下運(yùn)行時，油道中潤滑油壓力隨著黏度的增加而變大。

1.2 潤滑油黏度和溫度的關(guān)系

潤滑油黏度對溫度非常敏感，油溫較低時，潤滑油黏度隨著溫度降低迅速增大[11-12]。以15W-40潤滑油為例，當(dāng)油溫為80～100 ℃時，潤滑油黏度和溫度近似呈線性關(guān)系，如圖1所示。潤滑油黏度η(T)的估算公式為：

η(T)=A′T+B′，

(3)

式中：T為潤滑油溫度；A′、B′為潤滑油黏度特性常數(shù)。

圖1 80～100 ℃時潤滑油黏度與溫度關(guān)系

1.3 基于溫度和壓力的潤滑油黏度

式(3)代入(2)可得：

Δp=KA′T+KB′，

令：A=A′K，B=B′K，A、B為與潤滑油黏度特性常數(shù)和發(fā)動機(jī)潤滑油道結(jié)構(gòu)有關(guān)的常量。則潤滑油總體壓降

Δp=AT+B。

(4)

圖2 潤滑油壓力隨溫度變化曲線

由圖1可知，潤滑油黏度隨溫度升高而下降；黏度下降，潤滑油的黏滯阻力隨之減小、壓力降低。因此，潤滑油壓力隨溫度升高呈下降趨勢，如圖2所示，進(jìn)而可知式(4)中A為負(fù)數(shù)，B為正數(shù)。

對于給定的發(fā)動機(jī)，在確定常數(shù)A、B后，潤滑油黏度

η(T)=(AT+B)/K。

(5)

圖3 潤滑油黏度計(jì)算流程

由式(4)可知，在發(fā)動機(jī)怠速工況下，可通過試驗(yàn)測量得到潤滑油的壓力和溫度計(jì)算常數(shù)A、B；將常數(shù)A、B和潤滑油在已知溫度T下的黏度離線測量值代入式(5)，即可得到常數(shù)K。A、B、K確定后即得到確定的潤滑油黏度在線估計(jì)模型。由于發(fā)動機(jī)運(yùn)行條件的復(fù)雜性和不確定性，采用最小二乘法對多組潤滑油壓力和溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到更為準(zhǔn)確、可靠的常數(shù)A、B。潤滑油黏度計(jì)算流程如圖3所示。

2 潤滑油黏度在線估計(jì)模型

2.1 試驗(yàn)設(shè)備及流程

以質(zhì)量等級為CI-4、黏度等級為15W-40的潤滑油為對象進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)開始時，加注新潤滑油，試驗(yàn)過程中發(fā)動機(jī)按照特定工況循環(huán)運(yùn)行，試驗(yàn)進(jìn)行1000 h。試驗(yàn)過程中每隔一段時間取潤滑油樣一次，根據(jù)油尺上下線補(bǔ)加相應(yīng)的潤滑油，但不更換，整個試驗(yàn)過程中潤滑油總使用時間超過1000 h。

怠速工況下，分別在30、118、160、212、246、274、313 h檢測試驗(yàn)潤滑油低于100 ℃的離線運(yùn)動黏度，同時測量潤滑油的壓力、溫度。利用石油產(chǎn)品黏度測定儀測量發(fā)動機(jī)潤滑油黏度，通過安裝在發(fā)動機(jī)機(jī)體主油道中的溫度和壓力傳感器測量潤滑油溫度和壓力。

2.2 模型的確定

使用時間為30 h時測得的潤滑油離線黏度為13.88 mm2/s，記錄潤滑油溫度由99 ℃降至81 ℃時的潤滑油壓力變化，如表1所示。

表1 潤滑油使用時間為30 h時不同溫度下壓力測量結(jié)果

將潤滑油溫度和壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到潤滑油使用時間為30 h的擬合曲線，求得A=-2.28、B=387.080；將A、B和實(shí)測潤滑油離線黏度13.88 mm2/s帶入式(5)，可得K=0.087 25。

同理，可依次求出其余潤滑油使用時間的A、B和K，匯總?cè)绫?所示。

表2 A、B和K計(jì)算結(jié)果

取表2中A、B、K的平均值，分別為-2.32、398.36、0.086 88，則潤滑油黏度在線計(jì)算模型為：

η(T)=(-2.32T+398.36)/0.086 88。

(6)

2.3 模型驗(yàn)證

利用式(6)計(jì)算上述7個使用時間的潤滑油黏度并與離線測量結(jié)果進(jìn)行對比，如表3所示。由表3可知，潤滑油黏度模型計(jì)算與測量結(jié)果的最大偏差為1%左右，模型精度較高。

為充分驗(yàn)證潤滑油黏度在線估計(jì)模型的有效性和準(zhǔn)確性，繼續(xù)采集630、710、735、800、912 h的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。后5組潤滑油黏度模型估計(jì)值和離線測量值對比如表4所示。由表4可知，潤滑油黏度在線估計(jì)值和實(shí)際離線測量值的相對誤差小于5%，表明基于油溫和油壓的潤滑油黏度在線估計(jì)模型有效，可用于工程應(yīng)用。

表3 前7組潤滑油黏度模型估計(jì)值和離線測量值對比

表4 后5組潤滑油黏度模型估計(jì)值和離線測量值對比

3 結(jié)論

1)對于給定的發(fā)動機(jī)，怠速工況下的潤滑油黏度與壓力呈線性關(guān)系，潤滑油壓力隨著黏度的增加而變大；且在一定溫度范圍內(nèi)，潤滑油黏度和溫度也呈線性關(guān)系。

2)根據(jù)實(shí)時采集的發(fā)動機(jī)怠速工況下的潤滑油壓力和溫度數(shù)據(jù)，可以確定與潤滑油品質(zhì)常數(shù)和發(fā)動機(jī)潤滑油油道結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)A、B、K，得到確定的潤滑油黏度在線估計(jì)模型。通過模型計(jì)算的潤滑油黏度與離線采樣測量的黏度進(jìn)行對比，誤差在3%以內(nèi)，潤滑油黏度估計(jì)模型有效。