车用发动机油性能评估方法研究进展*

曾振豪，杨飞辉，蒋志伟，魏 雷

(湖南理工学院 机械工程学院，湖南 岳阳 414006)

0 引言

车用发动机油(简称:发动机油或机油)是燃油车辆正常工作的必要保证[1-4]。发动机油在高温有氧环境下不可避免地会发生氧化与性能衰变,对发动机的保护作用逐渐减弱,故准确的发动机油性能评估方法可有效减少因润滑失效导致的发动机损伤、发动机油资源浪费等问题。若大量废机油未经处理直接排放到环境中会造成极大的污染,研究表明,500 g废机油可污染1 000 t水,相当于污染7个成年人一年左右的用水量[5]。

目前国际上尚无权威组织或机构制定统一有效的发动机油性能评估方法,根本原因在于其性能指标(理化性能、氧化安定性能、清净分散性能和摩擦学性能等)众多、车辆运行工况复杂、油品类别繁多,无法获取普适、有效的润滑油性能评估方法。为了能够科学地确定车用发动机油的换油周期,国内外学者对车用发动机油的性能衰变进行了研究,提出了油液分析评估方法、传感器技术评估方法和车载诊断系统评估方法等。本文介绍了车用发动机油不同评估方法的研究进展,分析了各方法存在的不足之处,阐明了未来发展的方向。

1 油液分析评估方法

油液分析评估方法是采用离线检测的方式对润滑油的性能进行检测,即收集在使用的润滑油试样,并在实验室中利用各类检测仪器对试样进行性能检测[6]。常用的油液分析评估方法包括铁谱分析法、光谱分析法、伏安分析法、核磁共振法与质谱分析法等。

1.1 铁谱分析法

铁谱分析法是采用高梯度的磁场对发动机油与污染物的混合溶液进行震荡将金属磨损颗粒分离出来,再运用其他仪器分析金属磨损颗粒的成分、尺寸以及生成机理等,从而对设备目前的工作状态做出精确的判断[7]。目前,铁谱分析仪分为直读铁谱分析仪和分析铁谱仪(见图1),分析铁谱仪又包括旋转式和直线式两种。铁谱分析法过分依赖人的经验,试样采集要求高,并且对于非磁性磨损颗粒检测效果不好。

图1 两种常见的铁谱分析仪

1.2 光谱分析法

光谱分析法是根据车用发动机油中各类物质光谱的吸收、散射或发射特征谱线不同,从而对物质进行辨别,并对发动机油中各类金属颗粒的其他化学成分的种类、浓度和相对含量进行检测的一种方法[8],具有快速、灵敏等特点。有学者利用红外光谱法分析发动机油中的总酸值、总碱值、运动黏度、水分、燃油稀释等指标,从而检测判断发动机油的状态[9]。目前,红外光谱法对发动机油的检测主要为线下检测,基于红外光谱衰变指标的评估方法也还未得到统一,另外红外光谱设备的高昂成本也制约了其在车用发动机油检测领域的应用。Bruker Tensor27红外测试装置如图2所示。

图2 Bruker Tensor27红外测试装置

1.3 伏安分析法与核磁共振法

国外对发动机油使用寿命的研究起步较早,20世纪80年代,美国学者Kauffman[10,11]对已使用的发动机油剩余使用寿命进行了系列研究,提出使用循环伏安法来检测酯类发动机油中抗氧剂含量随时间变化的消耗量,以此来判断发动机油的剩余使用寿命。向亚玲等[12]利用微脉冲伏安法对车用发动机油中酚类抗氧剂T501、胺类抗氧剂T558和ZDDP型抗氧剂进行了定性分析,建立了微脉冲伏安法检测车用发动机油中抗氧剂种类、残留含量方法,可以有效地预测发动机油的剩余使用寿命。伏安法对一种抗氧剂具有良好的测定性能,但难以测定多类混合型抗氧剂。

李建国等[13]采用核磁共振波谱技术对发动机油的性能进行探究,基于核磁理论提出了一种完整的发动机油基础快速评价方法,并建立了测定发动机油基础油基本性质的核磁波谱分析模型,该模型能够快速预测出发动机油的各项性能指标。

油液分析评估可以获得发动机油的部分衰变信息,但其需要定期采集油样,检测周期长,不利于反映发动机油的实时状态,同时检测成本高,要求采样人员具有一定的经验,不利于现场检测。

2 传感器技术评估方法

随着科学技术的发展,传感器种类变得多样化,发动机油监测技术不断走向智能化,在线监测技术应运而生。车用发动机油在线监测技术主要是通过传感器在线监测发动机油的各项理化指标,并通过实时计算来判断发动机油的质量状况[14]。利用传感器衍生的各种发动机油状态分析系统可以实时监测出发动机油的含水量、黏度、酸值和色度等参数,因此传感器技术在油液监测领域中备受青睐。

Jagannathan S与Raju G V S[15]结合微传感技术和模糊神经网络算法提出一种在线智能诊断系统,通过对发动机运行速度、载荷和发动机油总碱值与添加剂消耗进行监测,利用神经网络算法预测发动机使用寿命。但是神经网络算法的准确性过分依赖于实验样品的数量,使得该方法在应用中受到限制。郭成成等[16]开发了一套嵌入式发动机油液特性在线监测分析系统(其原理框图见图3),利用FPS2800型号的流体传感器实时对发动机油的温度、黏度、密度等参数进行监测。上述利用传感器方法对车用发动机油性能监测主要是在实验室中进行,更为精准可靠的发动机油状态评估还需与现场实车试验相结合。

图3 润滑油特性监测系统结构框图

由于传感器较为昂贵、监测功能较为单一等方面的约束限制,使得它在车用发动机油评估中的应用受到一定的限制。Kral Jr J等[17]对车用发动机油监测系统判断需要更换的发动机油做过监测,发现在实验室中监测所得到的结果与系统分析的结果仍存在部分误差,这表明车用发动机油监控系统目前难以实现精准可靠的预测。

3 车载诊断系统评估方法

车载诊断系统原是为监控车辆尾气排放及其故障诊断而设计的,当尾气超标或车辆发生故障时,系统会发出警告,同时动力总控制模块会将故障信息储存至储存器内,通过一定的程序可将故障信息读出,现已将其广泛运用于民用汽车之中。由于车载诊断系统内部配备了大量的传感器可以实时获取车辆的运行速度、运行里程、车辆怠速时间等重要信息,因此部分学者根据车载诊断系统的特性展开了一系列对车用发动机油性能评估的研究,并且取得了一定的成就。

Siegel J等[18]通过车辆自带的车载诊断系统监控发动机中冷却液的实时温度,通过大量研究发现,在相同的环境温度、空载、怠速运行条件下,冷却液由环境温度升至稳定工作温度(85 ℃～105 ℃)过程中,服役9 000 km后的润滑油发动机比使用新油的发动机冷却液温升速率快;并试图通过冷却液温度变化速率评估发动机油质量。此方法原理是老化后的车用发动机油指标性能下降,对发动机的冷却保护作用下降,此时发动机在高强度工作下所产生的热量丢失速率下降,更多的热量传导给了冷却液,导致冷却液温度上升速率升高。该研究通过冷却液的指标变化来反映出车用发动机油的质量,为车用发动机油评估提供了一种新的思路。但该学者未考虑到车辆在实际行驶过程中车辆载荷、外界环境及运行状态等因素对车用发动机油的影响,所以该方法还不能有效地对发动机油状态进行评估。

Wei等[19]提出了一种基于车载诊断系统的汽车发动机油性能评估方法(其评估流程如图4所示),通过车载诊断系统获取车辆运行过程中不同时期所对应的车辆运行参数,并采集对应时刻的发动机油油样;分析采集油样理化性能、氧化安定性、发动机油成分变化性能参数;建立车辆运行参数综合变化量与发动机油性能参数综合变化量理论模型,实现发动机油性能评估。

图4 汽车发动机润滑油性能评估流程图

车载诊断系统可实现车用发动机油状态实时精准的评估,且无需附加额外的传感器,节约成本。但其属于一种新型的发动机油评估方式,目前处于初步研究阶段,对于发动机油状态评估的研究内容较少,还未建立系统的车用发动机油评估方式,造成该方法在日常生活中还难以进行大范围的运用。

4 结语和展望

车用发动机油性能评估方法长期以来是汽车生产商、润滑油研发人员、国内外学者高度关注的领域,引发了广泛的研究热潮,目前已经发展出多种评估方法。油液分析评估方法能准确获得发动机油性能,但因其滞后性无法及时反馈发动机油性能变化,且对检测人员要求较高,成本高昂。传感器技术评估方法能对发动机油性能进行在线监测,但存在监测误差大、成本高等问题。车载系统评估方法可利用发动机出厂配置的传感器对发动机油进行监测,成本低,具有良好的发展应用前景,但目前车辆诊断系统对发动机油的检测方法的研究较少,还未形成系统的评估方法。车辆诊断系统结合油液分析技术有望实现发动机油性能实时评估,重点突破和亟待解决的技术瓶颈与机理问题如下:

(1) 车用发动机油的老化降解过程复杂多变,影响因素繁多,研究重点应放在揭示各性能指标之间相互影响的机理上。

(2) 建立车用发动机油与发动机状态理论模型,阐明发动机运行状态与发动机油衰变机制。

(3) 利用移动互联技术,结合原位表征手段,开发在线智能检测系统,实现发动机油状态实时监测。