車用發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

車用發動機油(簡稱:發動機油或機油)是燃油車輛正常工作的必要保證[1-4]。發動機油在高溫有氧環境下不可避免地會發生氧化與性能衰變,對發動機的保護作用逐漸減弱,故準確的發動機油性能評估方法可有效減少因潤滑失效導致的發動機損傷、發動機油資源浪費等問題。若大量廢機油未經處理直接排放到環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]。

目前國際上尚無權威組織或機構制定統一有效的發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動機油的換油周期,國內外學者對車用發動機油的性能衰變進行了研究,提出了油液分析評估方法、傳感器技術評估方法和車載診斷系統評估方法等。本文介紹了車用發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,從而對設備目前的工作狀態做出精確的判斷[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式和直線式兩種。鐵譜分析法過分依賴人的經驗,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

光譜分析法是根據車用發動機油中各類物質光譜的吸收、散射或發射特征譜線不同,從而對物質進行辨別,并對發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,從而檢測判斷發動機油的狀態[9]。目前,紅外光譜法對發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一,另外紅外光譜設備的高昂成本也制約了其在車用發動機油檢測領域的應用。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]對已使用的發動機油剩余使用壽命進行了系列研究,提出使用循環伏安法來檢測酯類發動機油中抗氧劑含量隨時間變化的消耗量,以此來判斷發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動機油中抗氧劑種類、殘留含量方法,可以有效地預測發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對發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動機油基礎快速評價方法,并建立了測定發動機油基礎油基本性質的核磁波譜分析模型,該模型能夠快速預測出發動機油的各項性能指標。

油液分析評估可以獲得發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,不利于反映發動機油的實時狀態,同時檢測成本高,要求采樣人員具有一定的經驗,不利于現場檢測。

2 傳感器技術評估方法

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

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

圖3 潤滑油特性監測系統結構框圖

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

3 車載診斷系統評估方法

車載診斷系統原是為監控車輛尾氣排放及其故障診斷而設計的,當尾氣超標或車輛發生故障時,系統會發出警告,同時動力總控制模塊會將故障信息儲存至儲存器內,通過一定的程序可將故障信息讀出,現已將其廣泛運用于民用汽車之中。由于車載診斷系統內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,因此部分學者根據車載診斷系統的特性展開了一系列對車用發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監控發動機中冷卻液的實時溫度,通過大量研究發現,在相同的環境溫度、空載、怠速運行條件下,冷卻液由環境溫度升至穩定工作溫度(85 ℃～105 ℃)過程中,服役9 000 km后的潤滑油發動機比使用新油的發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動機油質量。此方法原理是老化后的車用發動機油指標性能下降,對發動機的冷卻保護作用下降,此時發動機在高強度工作下所產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動機油的質量,為車用發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、外界環境及運行狀態等因素對車用發動機油的影響,所以該方法還不能有效地對發動機油狀態進行評估。

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

圖4 汽車發動機潤滑油性能評估流程圖

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

4 結語和展望

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

(1) 車用發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) 建立車用發動機油與發動機狀態理論模型,闡明發動機運行狀態與發動機油衰變機制。

(3) 利用移動互聯技術,結合原位表征手段,開發在線智能檢測系統,實現發動機油狀態實時監測。