摘要：車輛發(fā)動機潤滑油在減少發(fā)動機運動部件磨損方面發(fā)揮著極其重要的作用，其監(jiān)測技術(shù)正快速發(fā)展，該技術(shù)評定油品的降級程度以實現(xiàn)適時換油，減少不必要的動力損失和維修成本。文章對國際上該技術(shù)的最新發(fā)明和專利文獻進行了綜述，依據(jù)各自特點加以分類和描述，分析了各類技術(shù)的優(yōu)劣點，得出了相對更科學(xué)、經(jīng)濟、高效的兩種方法有前景的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：車輛；潤滑油；在線監(jiān)測

中圖分類號：TE626.3文獻標識碼：A

0引言

發(fā)動機潤滑油具有有限的壽命，典型使用壽命在5000～30000 km行駛里程不等。為了維持對發(fā)動機足夠的保護，到達油品使用壽命時必須進行置換。通常的做法是，人們根據(jù)潤滑油生產(chǎn)廠家或原始設(shè)備制造商（OEMs）的推薦，按固定時間間隔或行駛里程來換油。然而，這種方法并不是基于特定發(fā)動機里真實的油品狀況，換油往往發(fā)生在油品使用壽命到達之前，或超過油品使用壽命之后。這是非經(jīng)濟性的，因為會產(chǎn)生浪費，也可能因延誤而使發(fā)動機運行狀態(tài)惡化。

很多客戶意識到了這種經(jīng)濟浪費，要求油品生產(chǎn)商提供油品檢測服務(wù)，希望能按質(zhì)換油。這些顯性服務(wù)需求往往超出一般實驗室的承接能力?？紤]到還存在更大量的潛在需求沒有顯現(xiàn)，從評定油品所需的時間、人力、物力成本考慮，普通實驗室要完全滿足所有車輛客戶的需求，幾乎是一件無法完成的任務(wù)。從經(jīng)濟性考慮，這個模式也不適合在全社會推廣。

另一方面，由于絕大多數(shù)車輛駕駛員按固定換油里程或時間進行換油，所以常發(fā)生因某些情況導(dǎo)致潤滑油提前失效，進而引發(fā)發(fā)動機故障，造成經(jīng)濟損失。這些情況包括：異常高溫的環(huán)境、沙塵環(huán)境、駕駛員獨特的駕駛習(xí)慣、機油濾清器品質(zhì)異常、城市交通擁堵造成的發(fā)動機多次反復(fù)停機和啟動、水箱及風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的異常等，以及其他情況。這些情況造成發(fā)動機油在預(yù)期之前失效，進而使發(fā)動機失去可靠保護，導(dǎo)致故障發(fā)生，不僅增加了駕駛員的維修保養(yǎng)費用，也增加了車輛生產(chǎn)廠家的賠付費用，以及潤滑油生產(chǎn)廠家的售后服務(wù)成本。

發(fā)動機潤滑油在線實時評定技術(shù)的引入，可以通過在車輛上安置發(fā)動機潤滑油即時監(jiān)控裝置，通過在線實時自動化評定，給予駕駛員及時提醒，避免過早換油造成的浪費，也能使駕駛者在機油壽命終結(jié)時及時換油。

1車輛發(fā)動機潤滑油在線實時評定技術(shù)

不同的車輛發(fā)動機潤滑油在線實時評定技術(shù)已經(jīng)投入應(yīng)用或被開發(fā)出來。這些方法包括聲學(xué)方法、電化學(xué)法、電導(dǎo)率法、數(shù)學(xué)運算法、溫度法、多傳感器技術(shù)及其他方法。下面對目前國際上的相關(guān)發(fā)明和專利做一個簡要概述。

1.1聲學(xué)法

Hammond[1]展示了一種聲學(xué)發(fā)動機油品質(zhì)傳感器（簡稱AEOQ）試制模型。原理是， AEOQ包含了一個用來測量黏度的剪切模式壓電探頭，還有一個專門的電壓控制諧振器（簡稱VCO），遠程對壓電探頭元件勵磁， AEOQ能夠辨識出發(fā)動機油黏度的變化，這種變化可能是由于使用而導(dǎo)致的衰變，以及水、乙二醇冷卻液、燃料等混入導(dǎo)致的稀釋。之所以對黏度有很高的靈敏度，是因為VCO同步測量聲波信號振幅和相位干涉效應(yīng)。遠程訪問方式則允許電路離開發(fā)動機內(nèi)嚴酷環(huán)境數(shù)英寸。進一步的努力將聚焦在提高傳感器分辨率和可靠度上。然而，AEOQ 的直流電壓信號會隨環(huán)境溫度的變化而改變，并影響到最終結(jié)果的準確性。

Jakoby[2]開展了一項微型聲學(xué)黏度傳感器的研究：黏度的測量可以由微型聲學(xué)黏度傳感器來完成。對在用油樣和新油油樣測量獲得的結(jié)果，證實了試驗車輛油樣黏度增長是由于煙炱?；谘芯拷Y(jié)果，德國博世集團目前開發(fā)了一款多功能油品質(zhì)量傳感器，它將油品黏度和溫度測量集成在一起，展現(xiàn)出了新前景。

ANALYSIS & EVALUATION分析與評定Chao（音譯）[3]考察了一款基于石英諧振器厚膜剪切模式（簡稱TSM） 微型聲波傳感器，通過黏度檢測來監(jiān)測發(fā)動機油質(zhì)。他對比研究了TSM諧振器雙面接觸液體和單面接觸液體時的流體動力學(xué)效應(yīng)和電學(xué)效應(yīng)，開發(fā)出了基于單面和雙面TSM諧振器的傳感器原型，并在發(fā)動機新油和舊油中試驗，最終，他發(fā)現(xiàn)雙面TSM諧振器有更大的黏度靈敏度，但同時，比單面型存在更大的流體阻力，所以不太適合在傳導(dǎo)性流體中測量。目前的研究也發(fā)現(xiàn)，除了黏度和密度之外，還有其他流體學(xué)科因素在影響著傳感器的響應(yīng)。Agoston[4]在流變學(xué)領(lǐng)域開展了系統(tǒng)的考察，對象包括加了添加劑和未加添加劑的發(fā)動機油。結(jié)果顯示：礦物油的黏度能夠可靠地被微型聲學(xué)傳感器測量，而對于聚合物添加劑，微型聲學(xué)傳感器卻無法檢測。具體地說，對于有增黏作用的聚合物添加劑，無論是它的增黏效果還是其自身的降解過程都無法被微型聲學(xué)傳感器感受到。對于包含高分子量增黏劑的發(fā)動機油而言，傳感器輸出信號與一般的黏度測量值沒有相關(guān)性。他解釋了原因：傳感器探測的是極薄的油膜分子，與此不同的其他形式無法被探測。研究還發(fā)現(xiàn)，傳感器信號與油品的氧化變質(zhì)程度有很好的相關(guān)性，原因是氧化變質(zhì)會引起礦物油黏度的增加。對人工老化油樣的試驗顯示，傳感器信號與人工老化油樣的總酸值相關(guān)。人工老化油樣的酸值增加是來源于油品自身氧化變質(zhì)產(chǎn)物，而這些產(chǎn)物能夠被微型聲學(xué)傳感器檢測出來。所以，結(jié)論是：這種傳感器非常適合檢測由于油品熱氧化變質(zhì)而導(dǎo)致的黏度改變。

1.2電化學(xué)法

Wang[5]建立了一種相對于發(fā)動機油總酸值現(xiàn)行滴定法的補充電化學(xué)測量方法，并將兩者進行對比，以改進Delphi發(fā)動機油監(jiān)測傳感器。該傳感器能夠檢測出油品變質(zhì)的三個階段：好、總酸值快速增加和黏度快速增長階段。無需對油樣進行滴定，電化學(xué)測量法對浸沒在油樣中的兩個電極施加電動勢波形，油品的總酸值可由流經(jīng)兩傳感電極的電量而確定，因為采用了一臺電腦對整個實驗程序進行控制，相對于滴定法而言，電化學(xué)測量法、總酸值測量法對操作者的依賴度更小，通過確定這兩種測試方法獲得的分析數(shù)據(jù)和傳感器輸出信號之間的相關(guān)度水平，討論在油品老化第二階段的電化學(xué)測量法測量值和滴定法測量值，最終，研究者在實驗結(jié)尾證實了：總酸值電化學(xué)測量法是滴定法的互補方法，油品老化第二階段的總酸值與傳感器獲得的輸出信號之間的良好關(guān)聯(lián)性被建立起來了。

1.3電導(dǎo)率法

Hochstein[6]展示了一款發(fā)動機和傳動系統(tǒng)油液變質(zhì)及溫度監(jiān)控器。用于測量因油品污染和變質(zhì)產(chǎn)生的電導(dǎo)率變化，電路包含一個衰減回路，可以補償由于溫度變化引起的電導(dǎo)率變化。他們認為：在用油的污染和變質(zhì)會改變特定溫度下的初始電導(dǎo)率。雖然油液的電導(dǎo)率隨溫度升高而升高，但包含熱敏電阻的補償電路會產(chǎn)生相應(yīng)的信號，把溫度變化的影響抵消，使測量結(jié)果有效。

Liu[7]開發(fā)出基于介電常數(shù)的發(fā)動機潤滑油報警系統(tǒng)。他們證實了介電常數(shù)作為潤滑油變質(zhì)評價指數(shù)是可行的，建立了介電常數(shù)三參數(shù)韋布分布模型，通過分析計算與圖形分布形態(tài)評估相結(jié)合，實現(xiàn)了參數(shù)預(yù)測，基于潤滑油質(zhì)量確定了介電常數(shù)的閥值。他們還采納了傳感器技術(shù)并整合進單片機。通過實車試驗，該系統(tǒng)能夠可靠地檢出潤滑油衰變趨勢，實時地實現(xiàn)“按質(zhì)換油”，確保發(fā)動機始終處于潤滑狀況良好的狀態(tài)。

1.4數(shù)學(xué)計算法

Jagannathan[8]提出了一種新穎的自適應(yīng)算法，通過使用微型傳感器和數(shù)學(xué)建模，聯(lián)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模糊算法來預(yù)測發(fā)動機油的品質(zhì)。通過檢測發(fā)動機運行狀態(tài)、測量油品參數(shù)，并將這些信息與油品狀況關(guān)聯(lián)，進而，先進的數(shù)據(jù)分析方法被用于預(yù)測發(fā)動機油剩余使用壽命。Hong[9]提出了新的算法，先用要素分析法識別出與發(fā)動機油質(zhì)量相關(guān)的主要任務(wù)描述參數(shù)，然后，通過回歸分析，判斷任務(wù)描述參數(shù)的類型：是市區(qū)模式還是高速公路模式，確定主要參數(shù)之間的關(guān)系。在以上這些基礎(chǔ)上，通過判別與分類分析來分析發(fā)動機油衰變狀況，與任務(wù)描述數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，確定發(fā)動機油合適的換油時間。

Liu[10]建立了一種計算法監(jiān)測模型，通過電容率來評價潤滑油的品質(zhì)，并進一步地設(shè)計出了車載電容率傳感器和實時脈沖時長調(diào)制潤滑油品質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)。從車輛試驗結(jié)果中，他們發(fā)現(xiàn)并證實了監(jiān)測系統(tǒng)能夠根據(jù)潤滑油的衰變狀況給出換油警示， 因而避免了過早把好油換掉和繼續(xù)使用劣質(zhì)潤滑油。

1.5溫度法

Sawatari[11]發(fā)明的汽車發(fā)動機油監(jiān)測系統(tǒng)，將發(fā)動機油的變質(zhì)速率定義為油溫和發(fā)動機轉(zhuǎn)速的函數(shù)，提供連續(xù)輸出信號來顯示油品的剩余使用壽命。顯示的形式可以是剩余里程數(shù)，剩余時間或變質(zhì)等級，并且在油品變質(zhì)之前警示駕駛者。

Schwartz[12]等發(fā)明的汽車發(fā)動機換油指示器，通過監(jiān)測油溫，確定換油時機，不用考慮發(fā)動機的負荷或運行狀態(tài)，因為這些并不直接引起油溫的改變。他們認為，發(fā)動機油的過分衰變發(fā)生在溫度極高的時候，此刻抗氧劑的效力傾向于缺失，油品因氧化和硝化變得更黏稠和酸化。此外，酸性產(chǎn)物會降低油品防銹和防腐蝕能力。

1.6多傳感器技術(shù)

Kawakita[13]開發(fā)出了發(fā)動機油牌號和狀況監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)包含監(jiān)測油品質(zhì)量的傳感器以及能夠檢測換油操作本身的傳感器。每次換油之后，油品質(zhì)量傳感器的輸出讀數(shù)被自動記錄儲存起來，下一次換油的合適閥值自動生成，此外，還有一個傳感器用于檢測油液面高低，另一個傳感器用于檢測油品變質(zhì)的速率。

Preethichandra[14]設(shè)計了多功能傳感器，用于測量發(fā)動機油的黏度、清潔度、溫度和電容，根據(jù)具體情況作出更確定的判定。多功能傳感器依照最小化和簡單原則設(shè)計出，具備相對更簡單的構(gòu)造和更低的成本。該多功能傳感器可以提供足夠的信息，通過智能系統(tǒng)做出最佳發(fā)動機換油周期決定。

Agoston[15]開發(fā)了紅外吸收傳感器原型裝置，用于確定發(fā)動機油的變質(zhì)情況?？梢詼y定5.85 μm處的吸收率和幾乎不受氧化情況影響的參考波。裝置包含一個寬波段發(fā)射源，一個用于紅外線穿透油樣的液池，可以選擇兩個波段的紅外窄波段過濾器，和一個寬波段感應(yīng)器。該傳感器裝置具有小型化的潛能，可進一步拓展應(yīng)用，監(jiān)測發(fā)動機油的硝化指數(shù)、煙灰、水分和乙二醇含量。

1.7其他方法

來自本田研究開發(fā)有限公司的Aikawa[16]開發(fā)出評估堿值衰變的技術(shù)，堿值衰變可作為判斷發(fā)動機油變質(zhì)的指數(shù)。研究小組使用NOx鼓泡裝置開展考察，發(fā)現(xiàn)堿值下降速率主要由溫度和NOx決定，下降速率可以用不同的反應(yīng)速率定律加以解釋。此外，他們還在實際發(fā)動機上開展采用公式評估堿值下降的可行性研究，研究顯示這是可行的。這表示使用車載電子控制單元來評測堿值下降是可行的。同樣來自本田研究開發(fā)有限公司的Okuyama[17]開展了另一項研究，他們采用了氧化誘導(dǎo)期評測方法，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機油抗氧化性能與油泥的生成存在很強的相關(guān)性，鼓泡試驗和發(fā)動機臺架實驗顯示，抗氧化性能衰減的主要因素是熱、空氣、NOx和未燃燒的燃料，抗氧化性能的衰變速率可以用公式來表示，在實際發(fā)動機車載電子控制單元中使用該公式可以在線評測油品衰變。

2各個評定技術(shù)的特點分析

各項發(fā)明和專利各具特點，為了便于比較，表1從多個方面分析了這些技術(shù)的特點，包括：數(shù)據(jù)獲取快捷性、是否具備油品壽命預(yù)測功能、評定油品變質(zhì)的全面性、評定的靈敏度、數(shù)據(jù)后續(xù)處理復(fù)雜性、是否經(jīng)過了現(xiàn)場試驗、制造成本、維護成本等。

3結(jié)論

通過研究發(fā)動機潤滑油質(zhì)量衰變在線實時評定領(lǐng)域的相關(guān)論文和專利文獻發(fā)現(xiàn)，在線實時評定已經(jīng)成功被做到了，雖然部分發(fā)明處于實驗室原型階段，但另一部分已經(jīng)商業(yè)化了。

數(shù)學(xué)計算法作為一種方法論，嚴格來說不是獨立存在的評定技術(shù)，它需要與其他評定技術(shù)相結(jié)合才發(fā)揮效能。但它所具有的科學(xué)性、嚴謹性、最大限度的數(shù)據(jù)充分利用率，能夠使所有的評定技術(shù)都發(fā)揮出更大的效能。

多傳感器技術(shù)具有評定結(jié)果最準確可靠的優(yōu)勢，但制造和維護成本最高，未來在高成本車輛上有更大的應(yīng)用前景。

介電常數(shù)法作為一種單傳感器檢測技術(shù)，依據(jù)其結(jié)構(gòu)簡單、信號靈敏、油品衰變評定相對科學(xué)、制造和維護成本低、已經(jīng)通過實際應(yīng)用測試等優(yōu)勢，相比目前其他評定技術(shù)，它是現(xiàn)階段最佳的選擇。

參考文獻：

[1] J M Hammond， R M Lec， X J Zhang， et al. An Acoustic Automotive Engine Oil Quality Sensor[C]∥IEEE International Frequency Control Symposium， 1997：72-80.

[2] B Jakoby， M Scherer， M Buskies， et al. An Automotive Engine Oil Viscosity Sensor[J]. IEEE Sensor Journal，2003，3（5）：562-568.

[3] Z Chao.A Micro-Acoustic Wave Sensor for Engine Oil Quality Monitoring[C]∥Proceeding of the 2003 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointly with the 17th European Frequency and Time Forum，2003：971-977.

[4] A Agoston， C Otsch， B Jakoby.Viscosity Sensors for Engine Oil Condition Monitoring –Application and Interpretation of Results[J]. Sensors and Actuators， 2005， A（121）：327-332.

[5] S S Wang.Engine Oil Condition Sensor： Method for Establishing Correlation with Total Acid Number[J]. Sensors and Actuators，2002，B（86）： 122-126.

[6] P A Hochstein.Engine and Transmission Oil Degradation and Temperature Monitor： US， 4629334[P].1986.

[7] Y M Liu， X N Cao， C H Qian， et al.Engine Lubricant Warning System Based on the Dielectric Constant[C]∥The Ninth International Conference on Electric Measurement & Instruments-ICEMI， 2009： 205-209.

[8] S Jagannathan， G V S Raju. Remaining Useful Life Prediction of Automotive Engine Oils Using MEMS Technologies[C]∥Proceeding of the American Control Conference. Chicago， 2000：3511-3512，.

[9] B J Hong， D Kiritsis， M Gambera， et al.Predictive Algorithm to Determine the Suitable Time to Change Automotive Engine Oil[J]. Computers & Industrial Engineering， 2006， 51：671-683.

[10] Y M Liu， X H Li， X N Cao. On-line Monitoring System of Vehicle Lubricants Quality Based on the Permittivity[C]∥Proceeding of the 2009 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation. Changchun，China， 2009： 2591-2595.

[11] T Sawatari， M Nakamura， T Sugiura.Automatic Engine Oil Monitoring System：US， 4677847[P].1987.

[12] S E Schwartz， D J Smolenski， S C Shores， et al.Automatic Engine Oil Change Indicator System：US， 4742476[P]. 1988.

[13] T Kawakita， M Imajo.Engine Lubricant Type and Condition Monitoring System：US，4694793[P].1987.

[14] D M G Preethichandra， K Shida.Actual Condition Monitoring of Engine Oil through an Intelligent Multi-Functional Sensing Approach[C]∥IEEE Explore， 2000：2382-2387.

[15] A Agoston， C Otsch， J Zhuravleva， et al.An IR-Absorption Sensor System for the Determination of Engine Oil Deterioration[C]∥IEEE Explore，2004：463-466.

[16] K Aikawa， M Maruyama. Development of an Oil Deterioration Monitoring System by Estimating Base Number[C]∥SAE World Congress & Exhibition .Detroit MI USA，2007.

[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。

作者簡介：宋峻：1991年于石油大學(xué)（華東）應(yīng)用化學(xué)專業(yè)獲學(xué)士學(xué)位，2011年于電子科技大學(xué)MBA獲碩士學(xué)位，1996年所參加的《15W/40 SD/CC級通用油的研制和應(yīng)用》項目獲中國石化總公司科技進步三等獎，現(xiàn)任中國石化潤滑油武漢分公司技術(shù)支持中心主管。E-mail：song8jun@qq.com