介电常数法监测汽车发动机润滑油技术

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1、介电常数法监测汽车发动机润滑油技术李喜武;苏建;刘玉梅【摘要】为了快速监测润滑油质量，达到及时更换润滑油的目的应用介电常数理论 分析法，研究了润滑油的铁磨粒含量、水分含量、总酸值与介电常数增量之间的相 关性，润滑油中的铁磨粒含量、水分含量、总酸值的增加,导致润滑油介电常数增加. 在此基础上开发了润滑油的实时监测设备.试验结果表明:该监测设备能实时监测汽 车发动机中润滑油质量，实现了按质更换润滑油；需更换润滑油的介电常数上、下 限分别为 4.7 和 4.2.%In order to monitor the quality of lubricating oil quickly so as to r

2、eplace the oil timely, a theoretical analysis method of dielectric constant was used to study the correlation between the iron abrasive grit content, moisture content and total acid value of the lubricating oil and the dielectric constant increment. The results reflect that the dielectric constant w

3、ould increase with the iron grits content, moisture content, and total acid value of lubricant oil. On this basis, a lubricant dynamic monitoring device was developed. Experimental results show that the device can monitor the quality of lubricating oil of automotive engines in real time, so that the

4、 lubricating oil can be replaced timely according to the oil quality once the dielectric constant value of lubricating oil is out of the range from 4.7 to 4.2.【期刊名称】西南交通大学学报【年(卷)，期】2011(046)005 【总页数】5页(P831-835)【关键词】润滑油;介电常数;平板电容;传感器;单片机 【作者】李喜武;苏建;刘玉梅【作者单位】吉林大学交通学院，吉林长春130022洁林农业大学工程技术学院，吉 林长春13011

5、8洁林大学交通学院,吉林长春130022洁林大学交通学院,吉林长春 130022【正文语种】中文【中图分类】U467.5根据美国环保局测得的典型汽车能量分布情况可知，在汽车各种摩擦损失中，燃料 消耗使发动机摩擦产生的损失占4.5%，在发动机故障中，摩擦造成的故障占47.2%1 .发动机工作过程中，润滑油形成的油膜需达到正常厚度，才能起到润滑作用， 润滑不良将加重摩擦造成的故障2 .可见润滑对节约能量消耗和减少发动机故障 是至关重要的3 .目前大多数汽车按行驶里程数或按使用时间的方法更换发动机 的润滑油，而不是根据润滑油的实际质量状况进行更换，容易造成润滑油延期使用， 引起发动机故障或者过早更换

6、造成浪费4.因此，开发一种汽车发动机润滑油的 监测技术是十分必要的.文献5-6 从实验和理论方面研究了润滑油监测技术.但 是没有将理论研究应用到实际的监测中.本文首先通过实验验证润滑油的理化指标 与介电常数的相关性，然后在此基础之上设计开发了润滑油监测装置.1润滑油理化指标与介电常数的关系评价润滑油性能的理化指标有多种，其中对润滑油品质影响比较大的有水分含量、 铁含量及总酸值7 .为了通过实验得到上述3个指标与润滑油介电常数之间的关 系，在综合考虑润滑油的质量等级和粘度等级、发动机工作条件的苛刻程度、机油 容量与压缩比、燃料性质等因素的基础上，分别选取不同类型和级别的润滑油为研 究对象，它们是

7、 SL10W-40、SL20W-30、SM20W-30、SM10W-3 0 共4 种润 滑油.便于描述，分别将其定义为1#、2#、3#、4#润滑油.为了验证在一定的温度 条件下，3个理化指标与润滑油介电常数之间是否存在某种关系，是否能够用介电 常数表征润滑油劣化程度，所有的实验均在20OC的环境温度下进行.虽然与实车工 作状况有差异，但这里仅证明润滑油与介电常数的某种关系，具体的劣化阈值在实 车试验中进行测定.此处及以后相应实验中润滑油的介电常数的测定均使用RZJ-2A 型介电常数分析仪进行检测.1.1水分含量发动机中的燃烧气体冷凝、冷却液泄漏及清洗等工作环节，使得一定的水分进入润 滑油中.虽

8、然清净分散剂能够溶解少量水分，但仍有过量水分存在，这些水分促进 油液氧化并加速发动机的腐蚀.发动机在正常工作时，大部分自由状态的水会蒸发， 但是当自由状态的水碰到热物质的表面变成水蒸气时，会破坏润滑油膜，导致局部 磨损，甚至会造成灾难性的后果8.新润滑油水分含量一般低于0.01%，在典型的运行温度下，一般吸水率达到 0.02% -0.03%.水本身的介电常数很大，可以达到80，微量水分对润滑油的介电 常数的影响显著9-11 .按照GB/T 8028-94国家标准12，油品的含水量 如果低于0.02%，认为是没有水分的，如果水分含量超过0.20%就应该更换了.为 了说明水分与介电常数的关系，用微

9、量滴定管依次向润滑油中加入不同质量的蒸馏 水，配置了水分含量从0.02% , 0.04% , 0.06%，0.26%均匀递增的13份样 品，对其进行介电常数与水分含量的关系试验.试验结果如图1所示.由图1可知， 介电常数随水分的增加而增加，当含水量超过0.2%时，介电常数随水分的增加而 快速增加，润滑油的介电常数对水分的改变很敏感.图 1 介电常数与水分的关系 Fig.1 Relationship between clielectric constantand moisture content 1.2铁磨粒含量发动机的缸套、曲轴、活塞、轴瓦等在运行过程中产生摩擦，如果润滑不理想，这 种摩擦将加

10、剧.而摩擦的后果是产生的金属磨粒混入润滑油中，进而影响润滑油的 润滑效果及介电常数6.汽车发动机正常工作磨损所产生的金属颗粒一般为0.5 -15.0顷，小于5.0顷 的颗粒对润滑油的性能基本无影响，出现大于12.0 pm的颗粒时，属于较严重的 摩擦8.在试验中考虑正常磨损工作状态，选取直径为5.0 -12.0 pm的铁粉颗 粒，将不同质量的铁粉依次加入到100 g的润滑油中，利用玻璃棒搅拌后加热， 配制得到充分混合的铁磨粒含量（质量分数）为0.25%。，0.50%。，0.75%。， 2.25 %。均匀递增的润滑油试样.然后进行测试，得到介电常数增值与铁磨粒含量的 关系如图2所示.图2介电常数与

11、铁磨粒含量的关系Fig.2 Relationship between dieleltric constant and iron abrasive grit content由图2可知在铁粉颗粒浓度小于1.50%。以内，二者之间呈现近似线性关系，表明 介电常数随铁磨粒含量的增加而增大.由于金属磨粒自身的扩散能力以及附着能力 都远不如水，所以其对介电常数的影响远不如水明显;铁粉含量超过1.50%后，随 着铁粉含量的增加，介电常数增加趋势变缓.1.3总酸值发动机在运行过程中，润滑油中的基础油逐渐被氧化，其中的添加剂也被逐渐消耗， 使润滑油中的有机酸增加.此外，燃料燃烧的产物亦会渗入其中，使油中的无机酸

12、 增加.这样最终会导致润滑油中的总酸值升高，加重对发动机的腐蚀，不利于其正 常工作.按照GB/T 802894 12 国家标准，润滑油的酸值增加量大于2.0 mg KOH/g时应该更换润滑油.为了考察润滑油的介电常数与总酸值之间的关系，采用 向润滑油中加入过氧乙酸的办法配制得到试样.对于4种润滑油，分别利用微量滴 定管依次向13份、各10 g的润滑油中滴入不同质量的过氧乙酸，最终配制得到 酸值增值分别为0.20-2.60 mg KOH/g均匀递增的润滑油试样.试验测试结果得 到介电常数增值与总酸增值的关系如图3所示.从图3中可知，介电常数随总酸值 的增加而增大，表明二者之间有很好的相关性.图

13、3 介电常数与酸值的关系 Fig.3 Relationship between dieleltric constantand acid value从以上3个测试实验可以得出:润滑油中水分含量、铁磨粒含量以及总酸值的增加， 都会导致润滑油介电常数的增加，即3个理化指标的变化趋势与介电常数的变化 趋势一致，对介电常数影响最大的是水含量.由于3个理化指标是评价润滑油品质 的主要指标，因此，润滑油的介电常数是衡量其劣化程度的指标.2润滑油介电常数的测量2.1传感器原理测量润滑油介电常数的传感器采用平板电容传感器.将平板电容器置于润滑油中， 如果忽略平板电容传感器的边缘电场效应，则待测润滑油流经电容器时

14、，电容器的 电容量13为式中:s为极板的面积(m2)；为流经电容传感器的润滑油的相对介电常数(F/m);d为 极板间距(m).如果保持s、d为恒定值，则有CX是介电常数的函数.当润滑油的 介电常数发生改变时，导致CX改变.因此，测量CX值可间接反映润滑油品质的变 化14.2.2测量装置设计润滑油的介电常数受温度的影响较大，即使同一份润滑油样品，在不同的环境温度 下，介电常数也有较大的差别15 .针对润滑油这种特性，监测装置中设计了一 个油样池，每次更换新油时将少许新油即样品油存放于油样池中.该油样池和油路 监测部分为一体.在稳定工作状态下，样品油的温度与油路中的油温是一致的将2 个物理尺寸完全

15、相同的电容，分别放入样品油和在用油中，取二者的电容差值作为 检测的结果，达到了消除温度对润滑油介电常数影响的目的.为了实现这个设计， 利用CAV424集成芯片进行电容测量.介电常数测量的原理如图4所示.图 4 介电常数测量的原理 Fig.4 Schematic diagram of measuring dieleltric constant图4中，CAV424内部有2个相位恒定和周期相同的对称构造的积分器，其振荡 器的频率由2脚所接电容COSC确定.CAV424内部的2个积分器的振幅分别由图 中16、14脚所接电容CX1和CX2确定16 .将CX1作为测量备份样品润滑油 电容值的电容，CX2为

16、被测在用润滑油电容值的电容.比较2个积分器的电压振幅 差值就可以得出电容CX1和CX2的相对电容变化差值，即得到在用润滑油相对纯 净的样品油的相对介电常数的变化值.CAV424将电容差值信号转换为模拟电压信 号，反映电容差值大小的模拟电压信号由CAV424输出后，再经两级放大，输入 到A/D转换器，转换后的数字量输入89S51单片机，这个值与更换新油时测得的 新油即样品油的介电常数相加后，作为在用油的介电常数进行数据的处理.3系统试验为了验证理论的准确性和设备的可靠性，将本文中设计的监测设备应用到实际运行 的车辆上进行测试.先后将4个级别的润滑油应用到不同的6台汽油出租车上，这 6台车是同一批

17、次出厂并同时投入运营的，而且车况大体一致.出租车的运营范围 在长春市区内，试验的时间是整个换油周期大约20-30 d,车所走的路况总体是 致.由于出租车驾驶员均有丰富的出租车驾驶经验，驾驶行为大体一致.每辆车在 装入新润滑油之前均更换了滤清器，然后车辆每运行500 km取样1次，对样品 进行理化指标的化验.根据国家颁布的理化指标试验方法，测取这些车辆润滑油的 各个理化指标，同时利用RZJ-2A型介电常数分析仪测量其介电常数值是否与开发 的设备介电常数指示值相同，进而判断所开发的设备是否能够正确监测出润滑油的 受污染程度.根据国家标准汽油机油换油标准GB/T 802894中的规定12:在 酸值增

18、加量大于2.0、铁磨粒含量大于1.50%。、闪点低于165、100C、运动粘 度变化率大于25%、水分大于0.2%、正戊烷不溶物大于2.0%中的某一指标达到 这一标准程度时，就应该更换润滑油17 .如果样品中某一理化指标超过国家的 规定，则终止试验，记录试验结果如表1所示.试验结果表明，车辆的行驶里程均超过以往按厂家给出5000 km参考值，有的行 驶里程甚至超出2000 km，增加了润滑油的利用时间，达到节约的目的.表 1 试验结果数据 Tab.1 Data of experimental results4结论(1) 润滑油的水含量、铁磨粒含量、总酸值和介电常数具有相同的变化趋势；(2) 当

19、润滑油的某个理化指标超出国家标准时，润滑油的介电常数位于4.24.7之 间(温度20C).得出需要更换润滑油的介电常数上、下限分别为4.7和4.2.参考文献：【相关文献】1 熊云，王九，王崇强.车用油液基础及应用M .北京:中国石化出版社，2005:5-97.2 秦萍，阎兵，谭达明.利用声发射诊断滑动轴承接触摩擦故障的研究J.西南交通大学学报, 2001 , 36(3):272-275.QIN Ping , YAN Bing , TAN Daming.Study on fault diagnosis of sliding bearings using AE signals J .Journal

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