車用發(fā)動機油性能評估方法研究進展*

曾振豪，楊飛輝，蔣志偉，魏 雷

(湖南理工學院 機械工程學院，湖南 岳陽 414006)

0 引言

車用發(fā)動機油(簡稱:發(fā)動機油或機油)是燃油車輛正常工作的必要保證[1-4]。發(fā)動機油在高溫有氧環(huán)境下不可避免地會發(fā)生氧化與性能衰變,對發(fā)動機的保護作用逐漸減弱,故準確的發(fā)動機油性能評估方法可有效減少因潤滑失效導致的發(fā)動機損傷、發(fā)動機油資源浪費等問題。若大量廢機油未經(jīng)處理直接排放到環(huán)境中會造成極大的污染,研究表明,500 g廢機油可污染1 000 t水,相當于污染7個成年人一年左右的用水量[5]。

目前國際上尚無權(quán)威組織或機構(gòu)制定統(tǒng)一有效的發(fā)動機油性能評估方法,根本原因在于其性能指標(理化性能、氧化安定性能、清凈分散性能和摩擦學性能等)眾多、車輛運行工況復雜、油品類別繁多,無法獲取普適、有效的潤滑油性能評估方法。為了能夠科學地確定車用發(fā)動機油的換油周期,國內(nèi)外學者對車用發(fā)動機油的性能衰變進行了研究,提出了油液分析評估方法、傳感器技術(shù)評估方法和車載診斷系統(tǒng)評估方法等。本文介紹了車用發(fā)動機油不同評估方法的研究進展,分析了各方法存在的不足之處,闡明了未來發(fā)展的方向。

1 油液分析評估方法

油液分析評估方法是采用離線檢測的方式對潤滑油的性能進行檢測,即收集在使用的潤滑油試樣,并在實驗室中利用各類檢測儀器對試樣進行性能檢測[6]。常用的油液分析評估方法包括鐵譜分析法、光譜分析法、伏安分析法、核磁共振法與質(zhì)譜分析法等。

1.1 鐵譜分析法

鐵譜分析法是采用高梯度的磁場對發(fā)動機油與污染物的混合溶液進行震蕩將金屬磨損顆粒分離出來,再運用其他儀器分析金屬磨損顆粒的成分、尺寸以及生成機理等,從而對設(shè)備目前的工作狀態(tài)做出精確的判斷[7]。目前,鐵譜分析儀分為直讀鐵譜分析儀和分析鐵譜儀(見圖1),分析鐵譜儀又包括旋轉(zhuǎn)式和直線式兩種。鐵譜分析法過分依賴人的經(jīng)驗,試樣采集要求高,并且對于非磁性磨損顆粒檢測效果不好。

圖1 兩種常見的鐵譜分析儀

1.2 光譜分析法

光譜分析法是根據(jù)車用發(fā)動機油中各類物質(zhì)光譜的吸收、散射或發(fā)射特征譜線不同,從而對物質(zhì)進行辨別,并對發(fā)動機油中各類金屬顆粒的其他化學成分的種類、濃度和相對含量進行檢測的一種方法[8],具有快速、靈敏等特點。有學者利用紅外光譜法分析發(fā)動機油中的總酸值、總堿值、運動黏度、水分、燃油稀釋等指標,從而檢測判斷發(fā)動機油的狀態(tài)[9]。目前,紅外光譜法對發(fā)動機油的檢測主要為線下檢測,基于紅外光譜衰變指標的評估方法也還未得到統(tǒng)一,另外紅外光譜設(shè)備的高昂成本也制約了其在車用發(fā)動機油檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。Bruker Tensor27紅外測試裝置如圖2所示。

圖2 Bruker Tensor27紅外測試裝置

1.3 伏安分析法與核磁共振法

國外對發(fā)動機油使用壽命的研究起步較早,20世紀80年代,美國學者Kauffman[10,11]對已使用的發(fā)動機油剩余使用壽命進行了系列研究,提出使用循環(huán)伏安法來檢測酯類發(fā)動機油中抗氧劑含量隨時間變化的消耗量,以此來判斷發(fā)動機油的剩余使用壽命。向亞玲等[12]利用微脈沖伏安法對車用發(fā)動機油中酚類抗氧劑T501、胺類抗氧劑T558和ZDDP型抗氧劑進行了定性分析,建立了微脈沖伏安法檢測車用發(fā)動機油中抗氧劑種類、殘留含量方法,可以有效地預測發(fā)動機油的剩余使用壽命。伏安法對一種抗氧劑具有良好的測定性能,但難以測定多類混合型抗氧劑。

李建國等[13]采用核磁共振波譜技術(shù)對發(fā)動機油的性能進行探究,基于核磁理論提出了一種完整的發(fā)動機油基礎(chǔ)快速評價方法,并建立了測定發(fā)動機油基礎(chǔ)油基本性質(zhì)的核磁波譜分析模型,該模型能夠快速預測出發(fā)動機油的各項性能指標。

油液分析評估可以獲得發(fā)動機油的部分衰變信息,但其需要定期采集油樣,檢測周期長,不利于反映發(fā)動機油的實時狀態(tài),同時檢測成本高,要求采樣人員具有一定的經(jīng)驗,不利于現(xiàn)場檢測。

2 傳感器技術(shù)評估方法

隨著科學技術(shù)的發(fā)展,傳感器種類變得多樣化,發(fā)動機油監(jiān)測技術(shù)不斷走向智能化,在線監(jiān)測技術(shù)應(yīng)運而生。車用發(fā)動機油在線監(jiān)測技術(shù)主要是通過傳感器在線監(jiān)測發(fā)動機油的各項理化指標,并通過實時計算來判斷發(fā)動機油的質(zhì)量狀況[14]。利用傳感器衍生的各種發(fā)動機油狀態(tài)分析系統(tǒng)可以實時監(jiān)測出發(fā)動機油的含水量、黏度、酸值和色度等參數(shù),因此傳感器技術(shù)在油液監(jiān)測領(lǐng)域中備受青睞。

Jagannathan S與Raju G V S[15]結(jié)合微傳感技術(shù)和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提出一種在線智能診斷系統(tǒng),通過對發(fā)動機運行速度、載荷和發(fā)動機油總堿值與添加劑消耗進行監(jiān)測,利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法預測發(fā)動機使用壽命。但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的準確性過分依賴于實驗樣品的數(shù)量,使得該方法在應(yīng)用中受到限制。郭成成等[16]開發(fā)了一套嵌入式發(fā)動機油液特性在線監(jiān)測分析系統(tǒng)(其原理框圖見圖3),利用FPS2800型號的流體傳感器實時對發(fā)動機油的溫度、黏度、密度等參數(shù)進行監(jiān)測。上述利用傳感器方法對車用發(fā)動機油性能監(jiān)測主要是在實驗室中進行,更為精準可靠的發(fā)動機油狀態(tài)評估還需與現(xiàn)場實車試驗相結(jié)合。

圖3 潤滑油特性監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由于傳感器較為昂貴、監(jiān)測功能較為單一等方面的約束限制,使得它在車用發(fā)動機油評估中的應(yīng)用受到一定的限制。Kral Jr J等[17]對車用發(fā)動機油監(jiān)測系統(tǒng)判斷需要更換的發(fā)動機油做過監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)在實驗室中監(jiān)測所得到的結(jié)果與系統(tǒng)分析的結(jié)果仍存在部分誤差,這表明車用發(fā)動機油監(jiān)控系統(tǒng)目前難以實現(xiàn)精準可靠的預測。

3 車載診斷系統(tǒng)評估方法

車載診斷系統(tǒng)原是為監(jiān)控車輛尾氣排放及其故障診斷而設(shè)計的,當尾氣超標或車輛發(fā)生故障時,系統(tǒng)會發(fā)出警告,同時動力總控制模塊會將故障信息儲存至儲存器內(nèi),通過一定的程序可將故障信息讀出,現(xiàn)已將其廣泛運用于民用汽車之中。由于車載診斷系統(tǒng)內(nèi)部配備了大量的傳感器可以實時獲取車輛的運行速度、運行里程、車輛怠速時間等重要信息,因此部分學者根據(jù)車載診斷系統(tǒng)的特性展開了一系列對車用發(fā)動機油性能評估的研究,并且取得了一定的成就。

Siegel J等[18]通過車輛自帶的車載診斷系統(tǒng)監(jiān)控發(fā)動機中冷卻液的實時溫度,通過大量研究發(fā)現(xiàn),在相同的環(huán)境溫度、空載、怠速運行條件下,冷卻液由環(huán)境溫度升至穩(wěn)定工作溫度(85 ℃～105 ℃)過程中,服役9 000 km后的潤滑油發(fā)動機比使用新油的發(fā)動機冷卻液溫升速率快;并試圖通過冷卻液溫度變化速率評估發(fā)動機油質(zhì)量。此方法原理是老化后的車用發(fā)動機油指標性能下降,對發(fā)動機的冷卻保護作用下降,此時發(fā)動機在高強度工作下所產(chǎn)生的熱量丟失速率下降,更多的熱量傳導給了冷卻液,導致冷卻液溫度上升速率升高。該研究通過冷卻液的指標變化來反映出車用發(fā)動機油的質(zhì)量,為車用發(fā)動機油評估提供了一種新的思路。但該學者未考慮到車輛在實際行駛過程中車輛載荷、外界環(huán)境及運行狀態(tài)等因素對車用發(fā)動機油的影響,所以該方法還不能有效地對發(fā)動機油狀態(tài)進行評估。

Wei等[19]提出了一種基于車載診斷系統(tǒng)的汽車發(fā)動機油性能評估方法(其評估流程如圖4所示),通過車載診斷系統(tǒng)獲取車輛運行過程中不同時期所對應(yīng)的車輛運行參數(shù),并采集對應(yīng)時刻的發(fā)動機油油樣;分析采集油樣理化性能、氧化安定性、發(fā)動機油成分變化性能參數(shù);建立車輛運行參數(shù)綜合變化量與發(fā)動機油性能參數(shù)綜合變化量理論模型,實現(xiàn)發(fā)動機油性能評估。

圖4 汽車發(fā)動機潤滑油性能評估流程圖

車載診斷系統(tǒng)可實現(xiàn)車用發(fā)動機油狀態(tài)實時精準的評估,且無需附加額外的傳感器,節(jié)約成本。但其屬于一種新型的發(fā)動機油評估方式,目前處于初步研究階段,對于發(fā)動機油狀態(tài)評估的研究內(nèi)容較少,還未建立系統(tǒng)的車用發(fā)動機油評估方式,造成該方法在日常生活中還難以進行大范圍的運用。

4 結(jié)語和展望

車用發(fā)動機油性能評估方法長期以來是汽車生產(chǎn)商、潤滑油研發(fā)人員、國內(nèi)外學者高度關(guān)注的領(lǐng)域,引發(fā)了廣泛的研究熱潮,目前已經(jīng)發(fā)展出多種評估方法。油液分析評估方法能準確獲得發(fā)動機油性能,但因其滯后性無法及時反饋發(fā)動機油性能變化,且對檢測人員要求較高,成本高昂。傳感器技術(shù)評估方法能對發(fā)動機油性能進行在線監(jiān)測,但存在監(jiān)測誤差大、成本高等問題。車載系統(tǒng)評估方法可利用發(fā)動機出廠配置的傳感器對發(fā)動機油進行監(jiān)測,成本低,具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景,但目前車輛診斷系統(tǒng)對發(fā)動機油的檢測方法的研究較少,還未形成系統(tǒng)的評估方法。車輛診斷系統(tǒng)結(jié)合油液分析技術(shù)有望實現(xiàn)發(fā)動機油性能實時評估,重點突破和亟待解決的技術(shù)瓶頸與機理問題如下:

(1) 車用發(fā)動機油的老化降解過程復雜多變,影響因素繁多,研究重點應(yīng)放在揭示各性能指標之間相互影響的機理上。

(2) 建立車用發(fā)動機油與發(fā)動機狀態(tài)理論模型,闡明發(fā)動機運行狀態(tài)與發(fā)動機油衰變機制。

(3) 利用移動互聯(lián)技術(shù),結(jié)合原位表征手段,開發(fā)在線智能檢測系統(tǒng),實現(xiàn)發(fā)動機油狀態(tài)實時監(jiān)測。