基于温度和压力的柴油机润滑油黏度在线预测

冯海娣，刘军，孙楠楠，陈秀明，于云，孙启航

1.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061;2.潍柴重机股份有限公司，山东 潍坊 261108

0 引言

润滑油在发动机中起密封、润滑、减磨、冷却和减震等作用，其性能对发动机的正常运行及使用寿命有直接影响。应合理使用润滑油，随时监测润滑油状态，保证合理的换油时机，确保柴油机运行安全。导致润滑油变质的因素很多，过去普遍采用的“按期换油”做法既不科学，也不合理，一方面可能造成提前换油，不能充分利用润滑油性能，导致润滑油浪费；另一方面又可能造成换油滞后，润滑油指标劣化，加剧发动机磨损。为能够充分利用润滑油性能，保障发动机在良好润滑状态下工作，开展对润滑油品质监测的研究，实现“按质换油”，具有重要的社会意义和经济效益[1-2]。

润滑油在发动机的摩擦副表面形成润滑油膜，实现抗磨、减磨的作用。黏度是润滑油品质的重要理化指标之一，对于润滑油膜的形成具有决定性作用，润滑油黏度过大或过小都将导致润滑性能下降[3-4]。因此，润滑油黏度可作为换油的重要依据，有必要对其进行实时监测。

润滑油黏度监测有离线采样和在线监测两种方式，目前主要采用离线采样方式。润滑油黏度离线采样方式存在采样不便，检测时间长，不能及时、有效地反映润滑油的使用状态等问题；在线监测的研究主要集中在润滑油黏度传感器开发上，但黏度传感器成本较高、精度低、可靠性差，在实际应用中受到很大局限[5-6]。本文中，通过研究润滑油黏度与温度、压力的关系，建立润滑油黏度估计模型，利用发动机已有的压力和温度传感器采集数据，实时分析润滑油黏度的变化，实现润滑油黏度的在线估计。

1 润滑油黏度在线估计原理

1.1 润滑油黏度和压力的关系

怠速工况下，柴油机油路中的限压阀通常是关闭状态，润滑油压力不受调节，其压力主要由润滑油的流动阻力形成[7]。经计算，怠速工况下，管道内润滑油的雷诺数小于2100，可以认定润滑油在油道中是层流流动，且在一定温度范围内(80～100 ℃)润滑油密度近似为常量，满足Hagen-Poiseuille定律[8]：

(1)

式中：Δp为油道中润滑油总体压降，qV为润滑油体积流量，η为润滑油黏度，L为管道长度，r为管道半径。

由式(1)可知，Δp与qV、η成正比。发动机怠速工况下，润滑油油泵转速恒定，qV近似为常量[9-10]。所以，对于给定发动机，在怠速工况下，润滑油总体压降

Δp=Kη，

(2)

由式(2)可知，对于给定的发动机，当其在怠速工况下运行时，油道中润滑油压力随着黏度的增加而变大。

1.2 润滑油黏度和温度的关系

润滑油黏度对温度非常敏感，油温较低时，润滑油黏度随着温度降低迅速增大[11-12]。以15W-40润滑油为例，当油温为80～100 ℃时，润滑油黏度和温度近似呈线性关系，如图1所示。润滑油黏度η(T)的估算公式为：

η(T)=A′T+B′，

(3)

式中：T为润滑油温度；A′、B′为润滑油黏度特性常数。

图1 80～100 ℃时润滑油黏度与温度关系

1.3 基于温度和压力的润滑油黏度

式(3)代入(2)可得：

Δp=KA′T+KB′，

令：A=A′K，B=B′K，A、B为与润滑油黏度特性常数和发动机润滑油道结构有关的常量。则润滑油总体压降

Δp=AT+B。

(4)

图2 润滑油压力随温度变化曲线

由图1可知，润滑油黏度随温度升高而下降；黏度下降，润滑油的黏滞阻力随之减小、压力降低。因此，润滑油压力随温度升高呈下降趋势，如图2所示，进而可知式(4)中A为负数，B为正数。

对于给定的发动机，在确定常数A、B后，润滑油黏度

η(T)=(AT+B)/K。

(5)

图3 润滑油黏度计算流程

由式(4)可知，在发动机怠速工况下，可通过试验测量得到润滑油的压力和温度计算常数A、B；将常数A、B和润滑油在已知温度T下的黏度离线测量值代入式(5)，即可得到常数K。A、B、K确定后即得到确定的润滑油黏度在线估计模型。由于发动机运行条件的复杂性和不确定性，采用最小二乘法对多组润滑油压力和温度数据进行线性拟合，得到更为准确、可靠的常数A、B。润滑油黏度计算流程如图3所示。

2 润滑油黏度在线估计模型

2.1 试验设备及流程

以质量等级为CI-4、黏度等级为15W-40的润滑油为对象进行试验。

试验开始时，加注新润滑油，试验过程中发动机按照特定工况循环运行，试验进行1000 h。试验过程中每隔一段时间取润滑油样一次，根据油尺上下线补加相应的润滑油，但不更换，整个试验过程中润滑油总使用时间超过1000 h。

怠速工况下，分别在30、118、160、212、246、274、313 h检测试验润滑油低于100 ℃的离线运动黏度，同时测量润滑油的压力、温度。利用石油产品黏度测定仪测量发动机润滑油黏度，通过安装在发动机机体主油道中的温度和压力传感器测量润滑油温度和压力。

2.2 模型的确定

使用时间为30 h时测得的润滑油离线黏度为13.88 mm2/s，记录润滑油温度由99 ℃降至81 ℃时的润滑油压力变化，如表1所示。

表1 润滑油使用时间为30 h时不同温度下压力测量结果

将润滑油温度和压力数据进行线性拟合，得到润滑油使用时间为30 h的拟合曲线，求得A=-2.28、B=387.080；将A、B和实测润滑油离线黏度13.88 mm2/s带入式(5)，可得K=0.087 25。

同理，可依次求出其余润滑油使用时间的A、B和K，汇总如表2所示。

表2 A、B和K计算结果

取表2中A、B、K的平均值，分别为-2.32、398.36、0.086 88，则润滑油黏度在线计算模型为：

η(T)=(-2.32T+398.36)/0.086 88。

(6)

2.3 模型验证

利用式(6)计算上述7个使用时间的润滑油黏度并与离线测量结果进行对比，如表3所示。由表3可知，润滑油黏度模型计算与测量结果的最大偏差为1%左右，模型精度较高。

为充分验证润滑油黏度在线估计模型的有效性和准确性，继续采集630、710、735、800、912 h的相关数据进行验证。后5组润滑油黏度模型估计值和离线测量值对比如表4所示。由表4可知，润滑油黏度在线估计值和实际离线测量值的相对误差小于5%，表明基于油温和油压的润滑油黏度在线估计模型有效，可用于工程应用。

表3 前7组润滑油黏度模型估计值和离线测量值对比

表4 后5组润滑油黏度模型估计值和离线测量值对比

3 结论

1)对于给定的发动机，怠速工况下的润滑油黏度与压力呈线性关系，润滑油压力随着黏度的增加而变大；且在一定温度范围内，润滑油黏度和温度也呈线性关系。

2)根据实时采集的发动机怠速工况下的润滑油压力和温度数据，可以确定与润滑油品质常数和发动机润滑油油道结构有关的常数A、B、K，得到确定的润滑油黏度在线估计模型。通过模型计算的润滑油黏度与离线采样测量的黏度进行对比，误差在3%以内，润滑油黏度估计模型有效。