基于溫度和壓力的柴油機潤滑油黏度在線預測

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.濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261108

0 引言

潤滑油在發動機中起密封、潤滑、減磨、冷卻和減震等作用，其性能對發動機的正常運行及使用壽命有直接影響。應合理使用潤滑油，隨時監測潤滑油狀態，保證合理的換油時機，確保柴油機運行安全。導致潤滑油變質的因素很多，過去普遍采用的“按期換油”做法既不科學，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，導致潤滑油浪費；另一方面又可能造成換油滯后，潤滑油指標劣化，加劇發動機磨損。為能夠充分利用潤滑油性能，保障發動機在良好潤滑狀態下工作，開展對潤滑油品質監測的研究，實現“按質換油”，具有重要的社會意義和經濟效益[1-2]。

潤滑油在發動機的摩擦副表面形成潤滑油膜，實現抗磨、減磨的作用。黏度是潤滑油品質的重要理化指標之一，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，有必要對其進行實時監測。

潤滑油黏度監測有離線采樣和在線監測兩種方式，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等問題；在線監測的研究主要集中在潤滑油黏度傳感器開發上，但黏度傳感器成本較高、精度低、可靠性差，在實際應用中受到很大局限[5-6]。本文中，通過研究潤滑油黏度與溫度、壓力的關系，建立潤滑油黏度估計模型，利用發動機已有的壓力和溫度傳感器采集數據，實時分析潤滑油黏度的變化，實現潤滑油黏度的在線估計。

1 潤滑油黏度在線估計原理

1.1 潤滑油黏度和壓力的關系

怠速工況下，柴油機油路中的限壓閥通常是關閉狀態，潤滑油壓力不受調節，其壓力主要由潤滑油的流動阻力形成[7]。經計算，怠速工況下，管道內潤滑油的雷諾數小于2100，可以認定潤滑油在油道中是層流流動，且在一定溫度范圍內(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。發動機怠速工況下，潤滑油油泵轉速恒定，qV近似為常量[9-10]。所以，對于給定發動機，在怠速工況下，潤滑油總體壓降

Δp=Kη，

(2)

由式(2)可知，對于給定的發動機，當其在怠速工況下運行時，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，當油溫為80～100 ℃時，潤滑油黏度和溫度近似呈線性關系，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。

圖1 80～100 ℃時潤滑油黏度與溫度關系

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和發動機潤滑油道結構有關的常量。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，進而可知式(4)中A為負數，B為正數。

對于給定的發動機，在確定常數A、B后，潤滑油黏度

η(T)=(AT+B)/K。

(5)

圖3 潤滑油黏度計算流程

由式(4)可知，在發動機怠速工況下，可通過試驗測量得到潤滑油的壓力和溫度計算常數A、B；將常數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K。A、B、K確定后即得到確定的潤滑油黏度在線估計模型。由于發動機運行條件的復雜性和不確定性，采用最小二乘法對多組潤滑油壓力和溫度數據進行線性擬合，得到更為準確、可靠的常數A、B。潤滑油黏度計算流程如圖3所示。

2 潤滑油黏度在線估計模型

2.1 試驗設備及流程

以質量等級為CI-4、黏度等級為15W-40的潤滑油為對象進行試驗。

試驗開始時，加注新潤滑油，試驗過程中發動機按照特定工況循環運行，試驗進行1000 h。試驗過程中每隔一段時間取潤滑油樣一次，根據油尺上下線補加相應的潤滑油，但不更換，整個試驗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檢測試驗潤滑油低于100 ℃的離線運動黏度，同時測量潤滑油的壓力、溫度。利用石油產品黏度測定儀測量發動機潤滑油黏度，通過安裝在發動機機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果

將潤滑油溫度和壓力數據進行線性擬合，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，匯總如表2所示。

表2 A、B和K計算結果

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算模型為：

η(T)=(-2.32T+398.36)/0.086 88。

(6)

2.3 模型驗證

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

為充分驗證潤滑油黏度在線估計模型的有效性和準確性，繼續采集630、710、735、800、912 h的相關數據進行驗證。后5組潤滑油黏度模型估計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值和實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模型有效，可用于工程應用。

表3 前7組潤滑油黏度模型估計值和離線測量值對比

表4 后5組潤滑油黏度模型估計值和離線測量值對比

3 結論

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

2)根據實時采集的發動機怠速工況下的潤滑油壓力和溫度數據，可以確定與潤滑油品質常數和發動機潤滑油油道結構有關的常數A、B、K，得到確定的潤滑油黏度在線估計模型。通過模型計算的潤滑油黏度與離線采樣測量的黏度進行對比，誤差在3%以內，潤滑油黏度估計模型有效。