柴油发动机实时运行时润滑剂中炭黑的检测.pdf

本发明提供一种在实时运行中监测在柴油发动机润滑剂中炭黑的累积的方法。把一有一对间距很小的电极的电探头浸没在润滑剂中并在一电极上通以低压交流电。扫描频率范围为约1－10,000Hz，以预定频率间隔测量该电流和相角。然后算出每一电流测量值的有功(Z′)电抗和无功(Z″)电抗，并绘出表示Z″值与Z′值之间函数关系的尼奎斯特曲线。然后确定该曲线在原点与Z″的最小值点之间的曲率中心，然后从原点与曲率中心的连线得出下偏角θ。测量炭黑浓度已知的润滑剂样品并确定每一样品的下偏角θ。绘出下偏角与炭黑浓度之间的函数关系，并从数据对绘出一与这些数据相拟合的光滑曲线。然后可把该曲线编程至一微电脑中用于实时确定炭黑浓度的传感器。

1、  一种在实时运行中监测在柴油发动机润滑剂中炭黑的累积的方法，包括：
(a)把一对电极(11、13)放置在发动机润滑剂中，以在一定范围内的不同频率向电极上施加交流电压(20)，并测量(24)每一频率上的电流幅值和相角，并算出每一电流测量值的阻抗的有功和无功分量(34)；
(b)比较得出阻抗的无功分量(Z”)与有功分量(Z’)之间的函数关系而绘出关系曲线，并确定在原点与无功阻抗低频最小值发生点之间半圆形曲线的曲率中心的位置；
(c)以一定时间间隔重复步骤a、b、c，算出从原点到曲率中心的连线的下偏角θ；
(d)根据
(i)与已知炭黑百分比值与下偏角之间的比较关系和
(ii)炭黑百分比与下偏角之间的已知关系之一确定炭黑百分比：以及
(e)提供一表示炭黑达到预定浓度值的电信号(28)。

2、  按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供一电信号的步骤包括提供一表示炭黑浓度在约0-9.6％范围内的信号。

3、  按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加交流电压的步骤包括施加其频率范围与体积流体阻抗测量值相关的电压。

4、  按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述比较步骤(b)包括绘出复数阻抗平面即尼奎斯特曲线。

5、  按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述比较步骤(b)包括绘出复数阻抗平面即尼奎斯特曲线，并确定尼奎斯特曲线在原点与所述最小无功阻抗值点之间的曲率中心的位置。

6、  按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述施加交流电压的步骤包括施加一交流电压并测量在约1-10,000Hz范围中的频率上的电流和相角。

7、  按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述比较步骤(b)包括使用计算装置(24)。

柴油发动机实时运行时润滑剂中炭黑的检测
技术领域
本发明涉及检测柴油发动机(柴油机)润滑剂中炭黑或炭粒的累积。
背景技术
人们发现，对车辆发动机废气排放强制限度的新近降低要求给柴油发动机安装使用废气再循环(EGR)阀以稀释燃油-空气加料比。这造成燃烧化学的改变和吹过发动机活塞环的炭黑累积率的增加以及污染发动机润滑油。
炭黑浓度超过一阈值时发动机润滑剂便无法正常工作，而发动机很快就会损坏。
在此之前，用实验室方法确定发动机润滑剂中的炭黑浓度，这需要把发动机油的样品送到实验室进行热重分析或使用光学方法如傅里叶变换红外线光谱分析确定润滑液中的炭黑量。这样做成本高且费时，因此在需要监测运行中的柴油发动机的机油状况时是实际上是行不通的。
使用阻抗谱(impedance spectroscopy)监测发动机实时运行时的发动机润滑液工况是公知的，例如参见美国专利6,278,281、6,377,052和6,380,746。上述方法使用差分阻抗谱分析检测制造商在混合时加入的润滑剂成分的消耗。但是上述专利中的阻抗谱分析算法无法监测柴油发动机润滑剂中的炭黑。
因此需要有一种方法或装置来监测柴油发动机实时运行中的该发动机润滑剂，特别是监测炭黑浓度。
发明内容
本发明使用一电探头来提供表示实时运行中柴油发动机的润滑液或润滑油中的炭黑浓度的电信号，为此使用一种使用阻抗谱分析的新颖程序来分析该信号。把一有一对电极的电探头浸没在发动机机油盘中的润滑剂中并在探头电极上通以频率变动的低压交流电，然后在该频率范围上以预定间隔测量该电流和相角。然后算出阻抗的有功(resistive)和无功(reactive)分量并绘出无功阻抗对有功阻抗的尼奎斯特(Nyquist)曲线。然后确定该曲线在原点与无功阻抗最小值发生点之间半圆形区域的曲率中心。然后得出原点与曲率中心的连线在X轴线下方的下偏角(angle of depression)，绘出下偏角随由浓度已知的润滑剂样品得出的炭黑浓度而变的曲线。然后把从该曲线得出的算法编程入一电子控制器中，以对任何时刻得出的下偏角与已知值进行比较来确定此时的炭黑浓度。
附图说明
图1为应用本发明的一系统的示意图；
图2为示出确定下偏角的方法的尼奎斯特曲线；以及
图3为示出下偏角与两组带有不同的已知炭黑浓度的润滑剂样品的炭黑浓度之间的函数关系的曲线。
具体实施方式
本发明系统总体上标记为10，包括一插入一柴油发动机14的用标号16表示油面高度的曲轴箱或机油盘中的探头12。该探头的电极可呈任何合适的结构；但在本发明中可使用一对在图1中用标号11、13表示的同心管状结构的同心管状电极。该探头的结构见转让给本申请人的申请日为2002年1月31日、题为“Probe Assembly For Fluid Condition Monitor AndMethod Of Making Same(用于流体状态监测的探头组件及其制造方法)”的待审公开文献No.10/060,107。
探头12的一个电极经导线18通以来自一控制器20的电压较低的AC电流，该控制器可包括一振荡器和微处理器以向该探头提供电压较低的AC电流。测得的探头电流经导线22传到一电信号处理装置24，该处理装置可包括一微电脑并测量经过探头12的电流的幅值和相角和进行如下所述的计算。当该信号处理装置24确定一预定阈值条件存在时，一信号经导线26传到一警报/显示装置28对发动机操作者发出警报。
不难看出，探头12的一对电极平行布置成间距很小，它们浸没在发动机机油盘的润滑剂中，电流从一电极经润滑剂流到另一电极后经导线22到信号处理装置24而形成电流路径。
不难看出，控制器20和信号处理装置24可远离发动机14并组装成图1虚线所示一成套装置30。
经导线18加到探头12上的AC电压较低，例如其均方根值在1V或1V以下，其扫描频率范围为约1-10,000Hz。以预定间隔如100-200Hz的间隔测量该电流和相角，算出无功阻抗和有功阻抗后如所公知地用该数据对绘出图2所示尼奎斯特曲线，该曲线的纵坐标Z”表示无功阻抗，横坐标Z’表示有功阻抗。然后确定该曲线在原点与Z”的最小值之间的区域的半圆形曲线的中心后，得出由原点与该曲率中心地连线形成的该曲率中心的下偏角。下偏角示出在图2中，用θ表示。柴油发动机润滑剂中不含炭黑时下偏角小；在约9.6％炭黑浓度下为最大值，该下偏角θ确定为约26°。因此，可用探头的电流测量值确定润滑剂中的炭黑浓度百分比，因为下偏角θ的变动范围足够大，使得检测一感兴趣的范围内的炭黑浓度的传感器的灵敏度或精度足够高。
图3示出炭黑浓度已知的两组柴油机润滑油样品的下偏角θ，两组样品的数据用不同符号表示。两组样品的数据各以连续增加润滑剂负载(lubricant stressing)的间隔相继从两运行的发动机排出的润滑剂取得。然后用任何合适的方法如多次回归分析得出/拟合出与这些数据相符的一曲线，该曲线用实线表示，其95％置信上下限用虚线表示。从图3可知，本发明方法可用下偏角θ模拟表示炭黑浓度，并可从所测数据得出一曲线。得出该曲线后可把一表示该曲线的算法或方程编程至信号处理装置24中；然后用控制器确定与用探头电流测量值得出的一给定下偏角θ对应的炭黑百分比值。
从图3可知，两组排出的润滑剂样品的数据各生成一总体上向上的指数曲线。因此本发明可用一连续输出电信号的传感器实时测量运行中的柴油发动机中的炭黑浓度。应用本发明的系统如图1所示可有一警报或显示装置在发动机润滑剂中的炭黑百分比达到可容许最大值时发出声音或可视警报。在本发明实施例中，当润滑剂中的炭黑浓度达到有害程度时可使警报或显示装置发出润滑剂无法正常工作的警报。
尽管以上结合所示实施例说明了本发明，但可对本发明作出修正和改动，本发明只受以下权利要求的限定。