車用潤滑油性能檢測技術研究現狀

王利明，方英松，萬楊陽，潘晶晶，錢緒政

（黃山學院機電工程學院， 安徽 黃山 245041）

0 引 言

據公安部統計，2021年全國機動車保有量達3.95億輛，其中汽車為3.02億輛，汽車在我們日常生活中的扮演著重要的角色，而車用潤滑油作為汽車正常行駛的前提保障，其需求量也不斷上升。據不完全統計[1]，2013～2018年全球潤滑油消耗量由3960萬噸增長為近4660萬噸，年均增長率到達3.53%。潤滑油需求量中，車用潤滑油的消耗占整個潤滑油總量的50%以上。目前常用的換油周期方法是5000 km或者6個月（里程數不足5000 km），但頻繁的更換機油反而對發動機帶來一些不利影響[2]， 使得換油周期難以確定[3-5]。因此，本文通過對車用潤滑油性能檢測技術進行綜述，對于科學地回答潤滑油換油周期問題以及規范我國汽車潤滑油的使用具有重要的科學意義和實用價值。

1 潤滑油性能檢測方法

1.1 理化性能檢測法

理化性能檢測主要包含：總酸值，含水量黏度以及黏度指數等指標。車用潤滑油在使用過程中，不可避免發生高溫熱氧化、硝化等反應，從而導致其分子結構發生改變。當生成一些極性的含氧化合物時，總酸值上升；當潤滑油小分子結構通過高溫氧化發生自由基碰撞和脫水縮合反應時，生成大分子的聚合產物和水，導致潤滑油黏度和含水量上升。因此，潤滑油的理化性能指標直接與潤滑油的性能衰變相關聯。

1.2 潤滑油中固體污染顆粒檢測法

1.2.1 顆粒計數法

顆粒計數法是研究不同階段潤滑油體系中固體顆粒的數量以及粒徑，通過顆粒的變化速率對設備的磨損情況進行評判。目前已經研究出了自動顆粒計數器，這種裝置可以在顆粒與油液不分離的情況下，自動進行顆粒的分類及計數[6]。該方法根據對顆粒的計數方式不同可分為顯微鏡計數法[7]、遮光型顆粒計數法[8]、光散射型顆粒計數法[9]。目前國際上用顆粒計數器進行顆粒污染物分析的方法有ISO 11500:1997 (Hydraulic fluidpower -Detemination of particulate contamination by automatic counting using the ertinction principle)等，國內有DL/T 432-2007《電力用油中顆粒污染度測量方法》等。

1.2.2 鐵譜分析法

20 世紀 70 年代，鐵譜分析技術是美國麻省理工學院機械系的W.W.Seifert和美國Foxboro公司的V.C.Westcott共同研究和命名的，該技術是利用重力梯度和磁力梯度將磨屑和碎屑從潤滑油中分離出來，并根據粒度的大小將其沉淀在顯微鏡的基片上，制成鐵譜片。通過掃描電子顯微鏡獲得磨粒的形狀、大小、顏色、成分等相關信息[10]，從而掌握和了解發動機的運行狀況。該技術可在不停機的情況下通過分析油液中的顆粒，從而檢測出機器的運行磨損狀況。但該技術容易受個人經驗的影響，難以做到定量檢測和現場檢測。

1.2.3 磁塞與磁探檢測法

該方法是利用特殊的方式獲得的潤滑油中的金屬磨粒，利用金屬的磁性原理，對其數量、形狀和大小進行分析，以此來確定發動機磨損狀態的一種方法[11]。該方法主要測量油品中100～1000μm尺寸較大的金屬磨粒的形貌和數量。當金屬磨粒的尺寸小于100μm時， 檢測結果欠佳。

1.2.4 超聲波檢測法

超聲波檢測法是根據不同形狀、大小的顆粒超聲波輻射回波特征不同來確定被檢測潤滑油中顆粒的大小和分布。該方法快速、高效，且無需油液預處理即可實現在線油液檢測[12]。然而，超聲波檢測只能針對潤滑油中的小顆粒（粒徑小于100 μm），且無法區分顆粒是金屬還是非金屬，因此無法準確提供故障和磨損位置等信息。同時，超聲波輻射回波特征信號轉換為電信號時，在振動條件下靈敏度不夠高[13]。

1.2.5 電阻檢測法

潤滑油中含有不同材質類型、尺寸的磨粒時，其各自的電阻率不同，利用電阻傳感器測量金屬顆粒電阻變化值變化，判斷金屬顆粒的類型、數量和大小，該方法適用于金屬顆粒數量相對較多的情況。然而，該項檢測技術受磁場、電場、振動等因數的影響，且不同材質不同尺寸的金屬顆粒有電阻率重合區的存在，從而導致該項技術的可靠性較低[14]。

1.2.6 電容檢測法

潤滑油中磨粒、水和污染物含量的變化會導致其介電常數的改變。通過測量潤滑油不同狀態條件下電容數值的變化，可以定性定量地分析金屬顆粒的數量和尺寸的動態變化。因此，可以通過測量電容常數的變化來反映潤滑油的性能衰變程度[15]。

1.3 光譜分析法

光譜分析法是根據潤滑油中每種物質光譜的吸收、散射或發射特征譜線不同，對物質進行識別，并且對潤滑油中金屬顆粒的其他化學成分的類型、濃度和相對含量進行分析的一種方法。光譜分析法包括原子發射光譜法[16]、X 射線光譜法[17]、紅外光譜法[18]。

原子發射光譜法[16]是由于潤滑油中所含元素的離子或原子在外能激發后，當外層電子從高能級躍遷到低能級時，會發出特征光譜。通過測量特征光譜，可以定性和定量地分析潤滑油的成分。原子發射光譜具有效率高、速度快、測量準確、原位測量等優點。X射線熒光光譜法[17]是利用X射線照射潤滑油試樣，根據潤滑油中不同的成分X射線吸收亦不同的特點，確定潤滑油的成分。

紅外光譜法[18]是根據潤滑油分子基團在紅外光譜區的特征，可以在線檢測潤滑油分子微結構的變化。利用新峰出現的位置和峰強，定性和半定量地確定潤滑油的分子結構的變化，從而快速分析潤滑油的硝化程度、污染程度、氧化程度、稀釋程度等性能的變化。

1.4 斑點試驗法

國內學者葛郢漢[19]提出“濾紙斑點圖譜法”對潤滑油進行檢測。該方法主要根據濾紙上形成的不同顏色的環形斑痕，粗略地估算潤滑油的污染和衰變程度，這種方法簡便、高效、且費用低。樊建春等[20]提出了潤滑油斑點擴散定量檢測方法，建立石油擴散點圖像特征以及灰色圖像直方圖與平均污染水平、污染嚴重程度、擴散環水平、污染指數、相對污染程度和污染率之間的關聯，以評估運行中潤滑油的污染和衰變程度。

1.5 循環伏安法

美國學者R.E.Kauffrnan[21]利用循環伏安法測定潤滑油中抗氧劑含量隨時間的消耗量，來判斷潤滑油添加劑的消耗程度。將油樣與溶劑、固體基板和電解質混合，再將分析樣品放入電解池中施加足夠的電壓，使抗氧劑和其他電化學活性物質在玻碳工作電極表面進行氧化反應放出電子，電解池中的電流強度與溶液中的抗氧劑濃度呈線性關系，從而判定潤滑油的剩余壽命。

1.6 溫度法

美國學者Sawatari[22]等將發動機潤滑油的衰變程度定義為油溫和發動機轉速的函數，建立連續輸出的油溫和發動機轉速信號與潤滑油的剩余使用壽命的關聯。Schwartz[23]等通過監測油溫來確定機油更換時間，而不管發動機的負載和工作狀態如何，因為這些因素不會改變機油溫度。然而，發動機潤滑油在較高的溫度下發生氧化和硝化，其分子結構發生改變，從而造成發動機潤滑油的黏稠和酸化，降低其防銹和防腐能力。

1.7 差示掃描量熱法（DSC）

潤滑油樣品在DSC量熱儀的樣品盤中受熱氧化，根據樣品的吸放熱情況，從程序開始到樣品氧化和放熱開始的時間為氧化開始時間。找出氧化開始時間與氧化程度之間的線性關系，并根據氧化開始時間的長短估算潤滑油高溫抗氧化性能。浙江方圓檢測集團股份有限公司[24]用DSC差示掃描量熱議測試潤滑油起始氧化時間的優化實驗條件，對比高壓氧氣環境和常壓空氣環境對測試結果的影響。

1.8 比色法

比色法是測定潤滑油樣中抗氧化劑分解過氧化氫的能力[25]。比色法是基于雙-4-二甲基氨二硫代聯苯酰鎳復合物(BND)和抗氧劑與老化四氫呋喃(THF)的競爭反應。當BND反應時,溶液逐漸變成無色。因此，可以通過BND的反應速率可以通過其變色速率來衡量。在存在抗氧化劑的情況下，變色速率取決于抗氧化劑阻止BDN和THF之間反應的能力。因此該方法中潤滑劑的剩余抗氧化劑量由BND變色速率決定。

2 結 論

本文對車用潤滑油性能檢測技術進行了總結，展示了各種檢測技術的測試范圍以及能夠獲得的測試結果，從而為車用潤滑油快速、準確選用相應的檢測技術，以確定合理的換油周期提供理論基礎與技術支撐。