车辆发动机润滑油在线监测技术的最新进展

摘要：车辆发动机润滑油在减少发动机运动部件磨损方面发挥着极其重要的作用，其监测技术正快速发展，该技术评定油品的降级程度以实现适时换油，减少不必要的动力损失和维修成本。文章对国际上该技术的最新发明和专利文献进行了综述，依据各自特点加以分类和描述，分析了各类技术的优劣点，得出了相对更科学、经济、高效的两种方法有前景的结论。

关键词：车辆；润滑油；在线监测

中图分类号：TE626.3文献标识码：A

0引言

发动机润滑油具有有限的寿命，典型使用寿命在5000～30000 km行驶里程不等。为了维持对发动机足够的保护，到达油品使用寿命时必须进行置换。通常的做法是，人们根据润滑油生产厂家或原始设备制造商（OEMs）的推荐，按固定时间间隔或行驶里程来换油。然而，这种方法并不是基于特定发动机里真实的油品状况，换油往往发生在油品使用寿命到达之前，或超过油品使用寿命之后。这是非经济性的，因为会产生浪费，也可能因延误而使发动机运行状态恶化。

很多客户意识到了这种经济浪费，要求油品生产商提供油品检测服务，希望能按质换油。这些显性服务需求往往超出一般实验室的承接能力。考虑到还存在更大量的潜在需求没有显现，从评定油品所需的时间、人力、物力成本考虑，普通实验室要完全满足所有车辆客户的需求，几乎是一件无法完成的任务。从经济性考虑，这个模式也不适合在全社会推广。

另一方面，由于绝大多数车辆驾驶员按固定换油里程或时间进行换油，所以常发生因某些情况导致润滑油提前失效，进而引发发动机故障，造成经济损失。这些情况包括：异常高温的环境、沙尘环境、驾驶员独特的驾驶习惯、机油滤清器品质异常、城市交通拥堵造成的发动机多次反复停机和启动、水箱及风扇冷却系统的异常等，以及其他情况。这些情况造成发动机油在预期之前失效，进而使发动机失去可靠保护，导致故障发生，不仅增加了驾驶员的维修保养费用，也增加了车辆生产厂家的赔付费用，以及润滑油生产厂家的售后服务成本。

发动机润滑油在线实时评定技术的引入，可以通过在车辆上安置发动机润滑油即时监控装置，通过在线实时自动化评定，给予驾驶员及时提醒，避免过早换油造成的浪费，也能使驾驶者在机油寿命终结时及时换油。

1车辆发动机润滑油在线实时评定技术

不同的车辆发动机润滑油在线实时评定技术已经投入应用或被开发出来。这些方法包括声学方法、电化学法、电导率法、数学运算法、温度法、多传感器技术及其他方法。下面对目前国际上的相关发明和专利做一个简要概述。

1.1声学法

Hammond[1]展示了一种声学发动机油品质传感器（简称AEOQ）试制模型。原理是， AEOQ包含了一个用来测量黏度的剪切模式压电探头，还有一个专门的电压控制谐振器（简称VCO），远程对压电探头元件励磁， AEOQ能够辨识出发动机油黏度的变化，这种变化可能是由于使用而导致的衰变，以及水、乙二醇冷却液、燃料等混入导致的稀释。之所以对黏度有很高的灵敏度，是因为VCO同步测量声波信号振幅和相位干涉效应。远程访问方式则允许电路离开发动机内严酷环境数英寸。进一步的努力将聚焦在提高传感器分辨率和可靠度上。然而，AEOQ 的直流电压信号会随环境温度的变化而改变，并影响到最终结果的准确性。

Jakoby[2]开展了一项微型声学黏度传感器的研究：黏度的测量可以由微型声学黏度传感器来完成。对在用油样和新油油样测量获得的结果，证实了试验车辆油样黏度增长是由于烟炱。基于研究结果，德国博世集团目前开发了一款多功能油品质量传感器，它将油品黏度和温度测量集成在一起，展现出了新前景。

ANALYSIS & EVALUATION分析与评定Chao（音译）[3]考察了一款基于石英谐振器厚膜剪切模式（简称TSM） 微型声波传感器，通过黏度检测来监测发动机油质。他对比研究了TSM谐振器双面接触液体和单面接触液体时的流体动力学效应和电学效应，开发出了基于单面和双面TSM谐振器的传感器原型，并在发动机新油和旧油中试验，最终，他发现双面TSM谐振器有更大的黏度灵敏度，但同时，比单面型存在更大的流体阻力，所以不太适合在传导性流体中测量。目前的研究也发现，除了黏度和密度之外，还有其他流体学科因素在影响着传感器的响应。Agoston[4]在流变学领域开展了系统的考察，对象包括加了添加剂和未加添加剂的发动机油。结果显示：矿物油的黏度能够可靠地被微型声学传感器测量，而对于聚合物添加剂，微型声学传感器却无法检测。具体地说，对于有增黏作用的聚合物添加剂，无论是它的增黏效果还是其自身的降解过程都无法被微型声学传感器感受到。对于包含高分子量增黏剂的发动机油而言，传感器输出信号与一般的黏度测量值没有相关性。他解释了原因：传感器探测的是极薄的油膜分子，与此不同的其他形式无法被探测。研究还发现，传感器信号与油品的氧化变质程度有很好的相关性，原因是氧化变质会引起矿物油黏度的增加。对人工老化油样的试验显示，传感器信号与人工老化油样的总酸值相关。人工老化油样的酸值增加是来源于油品自身氧化变质产物，而这些产物能够被微型声学传感器检测出来。所以，结论是：这种传感器非常适合检测由于油品热氧化变质而导致的黏度改变。

1.2电化学法

Wang[5]建立了一种相对于发动机油总酸值现行滴定法的补充电化学测量方法，并将两者进行对比，以改进Delphi发动机油监测传感器。该传感器能够检测出油品变质的三个阶段：好、总酸值快速增加和黏度快速增长阶段。无需对油样进行滴定，电化学测量法对浸没在油样中的两个电极施加电动势波形，油品的总酸值可由流经两传感电极的电量而确定，因为采用了一台电脑对整个实验程序进行控制，相对于滴定法而言，电化学测量法、总酸值测量法对操作者的依赖度更小，通过确定这两种测试方法获得的分析数据和传感器输出信号之间的相关度水平，讨论在油品老化第二阶段的电化学测量法测量值和滴定法测量值，最终，研究者在实验结尾证实了：总酸值电化学测量法是滴定法的互补方法，油品老化第二阶段的总酸值与传感器获得的输出信号之间的良好关联性被建立起来了。

1.3电导率法

Hochstein[6]展示了一款发动机和传动系统油液变质及温度监控器。用于测量因油品污染和变质产生的电导率变化，电路包含一个衰减回路，可以补偿由于温度变化引起的电导率变化。他们认为：在用油的污染和变质会改变特定温度下的初始电导率。虽然油液的电导率随温度升高而升高，但包含热敏电阻的补偿电路会产生相应的信号，把温度变化的影响抵消，使测量结果有效。

Liu[7]开发出基于介电常数的发动机润滑油报警系统。他们证实了介电常数作为润滑油变质评价指数是可行的，建立了介电常数三参数韦布分布模型，通过分析计算与图形分布形态评估相结合，实现了参数预测，基于润滑油质量确定了介电常数的阀值。他们还采纳了传感器技术并整合进单片机。通过实车试验，该系统能够可靠地检出润滑油衰变趋势，实时地实现“按质换油”，确保发动机始终处于润滑状况良好的状态。

1.4数学计算法

Jagannathan[8]提出了一种新颖的自适应算法，通过使用微型传感器和数学建模，联合神经网络分类模糊算法来预测发动机油的品质。通过检测发动机运行状态、测量油品参数，并将这些信息与油品状况关联，进而，先进的数据分析方法被用于预测发动机油剩余使用寿命。Hong[9]提出了新的算法，先用要素分析法识别出与发动机油质量相关的主要任务描述参数，然后，通过回归分析，判断任务描述参数的类型：是市区模式还是高速公路模式，确定主要参数之间的关系。在以上这些基础上，通过判别与分类分析来分析发动机油衰变状况，与任务描述数据关联，确定发动机油合适的换油时间。

Liu[10]建立了一种计算法监测模型，通过电容率来评价润滑油的品质，并进一步地设计出了车载电容率传感器和实时脉冲时长调制润滑油品质监测系统。从车辆试验结果中，他们发现并证实了监测系统能够根据润滑油的衰变状况给出换油警示， 因而避免了过早把好油换掉和继续使用劣质润滑油。

1.5温度法

Sawatari[11]发明的汽车发动机油监测系统，将发动机油的变质速率定义为油温和发动机转速的函数，提供连续输出信号来显示油品的剩余使用寿命。显示的形式可以是剩余里程数，剩余时间或变质等级，并且在油品变质之前警示驾驶者。

Schwartz[12]等发明的汽车发动机换油指示器，通过监测油温，确定换油时机，不用考虑发动机的负荷或运行状态，因为这些并不直接引起油温的改变。他们认为，发动机油的过分衰变发生在温度极高的时候，此刻抗氧剂的效力倾向于缺失，油品因氧化和硝化变得更黏稠和酸化。此外，酸性产物会降低油品防锈和防腐蚀能力。

1.6多传感器技术

Kawakita[13]开发出了发动机油牌号和状况监测系统。该监测系统包含监测油品质量的传感器以及能够检测换油操作本身的传感器。每次换油之后，油品质量传感器的输出读数被自动记录储存起来，下一次换油的合适阀值自动生成，此外，还有一个传感器用于检测油液面高低，另一个传感器用于检测油品变质的速率。

Preethichandra[14]设计了多功能传感器，用于测量发动机油的黏度、清洁度、温度和电容，根据具体情况作出更确定的判定。多功能传感器依照最小化和简单原则设计出，具备相对更简单的构造和更低的成本。该多功能传感器可以提供足够的信息，通过智能系统做出最佳发动机换油周期决定。

Agoston[15]开发了红外吸收传感器原型装置，用于确定发动机油的变质情况。可以测定5.85 μm处的吸收率和几乎不受氧化情况影响的参考波。装置包含一个宽波段发射源，一个用于红外线穿透油样的液池，可以选择两个波段的红外窄波段过滤器，和一个宽波段感应器。该传感器装置具有小型化的潜能，可进一步拓展应用，监测发动机油的硝化指数、烟灰、水分和乙二醇含量。

1.7其他方法

来自本田研究开发有限公司的Aikawa[16]开发出评估碱值衰变的技术，碱值衰变可作为判断发动机油变质的指数。研究小组使用NOx鼓泡装置开展考察，发现碱值下降速率主要由温度和NOx决定，下降速率可以用不同的反应速率定律加以解释。此外，他们还在实际发动机上开展采用公式评估碱值下降的可行性研究，研究显示这是可行的。这表示使用车载电子控制单元来评测碱值下降是可行的。同样来自本田研究开发有限公司的Okuyama[17]开展了另一项研究，他们采用了氧化诱导期评测方法，发现发动机油抗氧化性能与油泥的生成存在很强的相关性，鼓泡试验和发动机台架实验显示，抗氧化性能衰减的主要因素是热、空气、NOx和未燃烧的燃料，抗氧化性能的衰变速率可以用公式来表示，在实际发动机车载电子控制单元中使用该公式可以在线评测油品衰变。

2各个评定技术的特点分析

各项发明和专利各具特点，为了便于比较，表1从多个方面分析了这些技术的特点，包括：数据获取快捷性、是否具备油品寿命预测功能、评定油品变质的全面性、评定的灵敏度、数据后续处理复杂性、是否经过了现场试验、制造成本、维护成本等。

3结论

通过研究发动机润滑油质量衰变在线实时评定领域的相关论文和专利文献发现，在线实时评定已经成功被做到了，虽然部分发明处于实验室原型阶段，但另一部分已经商业化了。

数学计算法作为一种方法论，严格来说不是独立存在的评定技术，它需要与其他评定技术相结合才发挥效能。但它所具有的科学性、严谨性、最大限度的数据充分利用率，能够使所有的评定技术都发挥出更大的效能。

多传感器技术具有评定结果最准确可靠的优势，但制造和维护成本最高，未来在高成本车辆上有更大的应用前景。

介电常数法作为一种单传感器检测技术，依据其结构简单、信号灵敏、油品衰变评定相对科学、制造和维护成本低、已经通过实际应用测试等优势，相比目前其他评定技术，它是现阶段最佳的选择。

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[17] Y Okuyama， K Aikawa， W Hoshikawa， et al.Development of Engine Oil Deterioration Monitoring System Using Estimation Method of Oxidation Induction Time[C]∥Powertrain & Fluid Systems Conference and Exhibition . Chicago IL USA， 2007.收稿日期：2014-04-21。

作者简介：宋峻：1991年于石油大学（华东）应用化学专业获学士学位，2011年于电子科技大学MBA获硕士学位，1996年所参加的《15W/40 SD/CC级通用油的研制和应用》项目获中国石化总公司科技进步三等奖，现任中国石化润滑油武汉分公司技术支持中心主管。E-mail：song8jun@qq.com