CN101512353B - 确定运行机构流体润滑内一定量油的剩余有用寿命的方法 - Google Patents

Abstract

当油在工作中的机构内，比如在车辆发动机内使用时，润滑油的电阻ρ的数值在预定的温度(范围内)被重复地确定。这种在工作中的润滑剂的运行时间内的累积特性可绘制成图形，以便显示曲线，比如该曲线包括dρ/dt＞0的第一部分；在时间t₁时的最大值ρ_max，此时dρ/dt＝0；dρ/dt＜0的第二部分；在时间t₂时的最小值ρ_min，在该时间的dρ/dt再次为0；以及dρ/dt＞0的第三部分。此外，可以存在另一个时间t₃，dρ/dt在此表现为随时间而呈不连续的变化。ρ相对于t的曲线的特性，包括t₁、t₂、t₃、ρ_max、ρ_min及ρ_max/ρ_min的比值的数值可与类似数据进行比较，该数据为用于估计运行润滑油的剩余有用寿命的润滑油的数据。

Description

确定运行机构流体润滑内一定量油的剩余有用寿命的方法

技术领域

本发明涉及对用于发动机、机器或其它润滑机构内的润滑油的质量进行确定的方法。更具体地，本发明涉及电性测量的使用，用于估计这种润滑材料在其运行环境中的质量(比如，剩余的有用寿命)。 

发明背景 

油作为发动机内的润滑流体而使用，该发动机用于陆地车辆、海上及空中运输、发电及其它内燃发动机应用。油也用于润滑机器内的滑动接触表面，并且它们作为多种设备应用内的热传递流体而使用。在这些发动机和机器的许多应用中，油在氧化环境中被很好地加热到周围温度以上，并且承受高剪切应力，其在化学性质上恶化了油。油也可能承受来自燃烧或其它外源的污染。因此，油的初始成分逐渐改变并且其润滑特性恶化，油的初始成分提供油的特定润滑特性。 

一组润滑剂包括石油，其广泛地作为润滑剂而在汽车发动机内与宽广范围的其它发动机内大批量地使用。这些作为原油的精馏产品而制造的石油的范围，一般地从分子量低至250的低粘性润滑剂，直到分子量高达大约1000的非常粘稠的润滑剂。这种发动机润滑剂的物理特性和性能特性取决于石蜡组分、芳香组分以及脂环(环烷)组分的相对分布。根据发动机的应用，这些精油调配成包含特殊的添加剂，比如氧化抑制剂、防锈剂、抗磨损及高压剂、摩擦改性剂、清洁剂、降凝剂、粘度指数改进剂、防泡剂以及防污剂。商业发动机油调配成包含这些种类的添加剂中的大部分或全部。除了石油基或矿基(mineral-based)润滑剂之外，合成分子含碳和/或含硅润滑油已被开发出，以便用于汽车应用及其它需要润滑的机器或机构应用。 

润滑油的开发是一项复杂的技术，但用于确定在发动机或其它机构内使用的润滑油，何时到达其有用寿命的终点的技术没有如此的进步。典型地，固定运行里程、时间或基于发动机运行条件的算法，作为油逼近其有用寿命的终点并且应当更换的标志而使用。这些指示器通常专用于低估油的剩余寿命，以便避免对发动机或其它机构造成损坏。需要一种更精确的方法，用于确定机构内的润滑油的剩余有用寿命。这种方法应当在没有太快地丢弃材料的情况下，能够使润滑油的有用寿命被利用，并且应当避免太长时间地使用流体，以至于对主机或发动机造成危害。 

发明概要

本发明的实施将以运行中的汽车发动机，比如使用汽油燃料的发动机和内燃发动机的形式来展示。然而，应当明白：本发明可用于评估高电阻润滑油的剩余有用寿命，该高电阻润滑油实际上运行于任何发动机或机构内。 

在代表性的汽车发动机中，石油(矿基)从曲轴箱内的油箱被泵抽，并且围绕发动机的转动和往复运动部件且在发动机的转动和往复运动部件的上方而喷溅并循环。油被发动机加热到一定温度，该温度的范围从比如大约50℃到大约150℃，并且暴露于氧化气氛中。在发动机运行过程中，循环油的少量代表部分不时地经由适当的紧凑型阻抗传感器而被转移，该紧凑型阻抗传感器方便地定位于油道内、油底盘内或任何其它位于或靠近发动机的适当位置上。传感器设置并且构造成允许油流经该传感器，而以一个或多个相对的薄膜细流的形式而流动，以便确定流体的当前时间的电阻。在发动机的运行过程中，获得了正在工作的油的电阻值ρ的记录(历程)。同时容易地获得了介电常数ε，并且该介电常数ε也可用于预测剩余油的寿 命。 

当要求与油的特性有关的数据时，传感器由适当的交流频率发生器所启动。输入传感器的电压在测试中的流体内部产生时变电场。输出电流、及输出电流与所施加的电压之间的相位角被感应到，并且此数据与输入电压值一起导向至局部的微处理器，该微处理器在汽车应用中可以为发动机的控制模块。电压、电流和相位角信号然后可用于计算传感器-油组合的阻抗幅度、电阻和电抗，并且这些数值依次用于确定通过传感器的油的电阻，及可选地额外确定通过传感器的油的介电常数。油特性数据(电阻ρ和介电常数ε)存储于车辆承载(或者发动机承载或机器承载)的微处理器内，用于后续处理和分析。在获得电性特性数据的时候，油的温度也被记载。 

油的电阻ρ与拖力成正比，该拖力由自由电荷载体(自由电子)所经受，该自由电荷载体在所施加电场的影响下经由介质而移动，并且因此与介质的粘度η成正比，并且与自由电荷载体(自由电子)的数量密度N_i，或者ρ～η/N_i成反比。因此，在自由电荷载体的数量恒定(即不存在释放自由电子的化学反应的情况下)的情形下，电阻代表对流体粘度的测量。介电常数为对润滑剂内的分子偶极在所施加电场的影响下的再定向的测量。当其微观要素的偶极矩d改变时，油的介电常数将改变，偶极矩d的改变通过比如化学反应(其将氧原子或氮原子，或包含氧原子或氮原子的化学基团结合到油的分子要素内)或将极性液体比如水、乙醇或乙二醇添加到油中而进行。除了承受所施加的电场之外，流体内的偶极也承受热运动。电场趋向于将偶极在平行并相对于电场的方向内对齐，而热运动则趋向于破坏这种对齐，并且通过分子碰撞而打乱偶极定向。此外，粘力将趋向于减慢偶极在电场内的转动，同时减慢热运动对它们的对齐的打乱效果(randomizing effect)，因此介电常数也将取决于介质的粘度。因此，介电常数具有比例ε～ηN _d，且N_d为介质内的偶极的数量密度。应当理解：润滑剂粘度相对于其电阻和介电常数的先前比例为数据解释 的启发目的而获得，并且流体的电阻和介电常数之间的关系的精确获得，使得使用具有较高复杂度的统计机械学成为必要。 

油的电阻改变作为发动机运行时间的函数反映了油的物理和化学改变，并且其时间依赖性具有显示了油的质量的迹象。这些迹象的多种特征用于确定润滑油的质量，同时预测其失效时间。此方法优选地借助紧凑型阻抗-响应传感器来实施，紧凑型阻抗-响应传感器安装在润滑系统内的任何适当位置内，并且借助控制/解释算法来实施，控制/解释算法可作为独立装置而执行，或者结合到发动机或其它润滑装置上的预先存在的计算机内。本发明适用于汽车，但也适用于其它发动机推动的装置(比如船、火车、发电机等)，并且具有在任何处理类油物质(比如，将油作为热交换流体使用)的系统内的潜在应用。 

根据车辆发动机运行的频率和激烈性，发动机油旨在用于比如数月或数年的阶段内。因此，比如在发动机运行的每个数小时之后，油的电阻数据因此而间歇性地累积，以便记录这些油的特性的历程。优选地，此油特性数据在大致相同的温度处(或在狭窄的温度范围内)获得，此温度从常规油使用条件范围内选出，该常规油使用条件范围的获得与天气或气候条件无关。 

当在图形上视为单位为兆欧厘米MΩ·cm的油的电阻ρ(y轴)相对于累积且单位为小时的测试时间t(x轴)时，存储于微处理器内的累积电阻数据显示了曲线，该曲线具有在估计油的剩余有用寿命时有用的特性，该油运行于发动机或机器内。比如，在典型的客车马达油的情况下，电阻值在累积的运行小时内(dρ/dt＞0)从用于新油的初始值稳定地增加到最大值(在t₁处，当dρ/dt＝0的时候)。这可认为是区域I。伴随着额外的运行小时，油的电阻值稳定地减小(现在dρ/dt＜0)到最小值(在t₂处，且dρ/dt再次为0的时候)(区域II)。此后，伴随着进一步的运行时间，电阻值继续稳定地增加，直到油的有用寿命已经在区域III耗尽。润滑剂有用寿命的结束借助在时间t₃(区域4)处的非常 快的电阻值增加而得知。此“膝盖”可被电阻的时间导数值的急剧增加而标识：(dρ/dt)_t＜t3＜＜(dρ/dt)_t＞t3。 

因此，视为连续的线性曲线的累积的ρ相对于时间数据，显示了三个连续的斜率(dρ/dt)变化。曲线也显示了在油的使用的过程中的特定时间处的两个局部极值(最大和最小，在此，dρ/dt＝0)，同时显示了“膝盖”，其特征是斜率dρ/dt的突然增加。这些最大和最小ρ值对应的时间，观察到膝盖的时间，以及包括比值ρ_max/ρ_min的ρ值本身作为油质量的指示器使用，并且作为发动机内的油的失效时间的预测器使用。 

从下附优选实施例的描述出发，本发明其它目的和优点将变的明显。 

附图简述 

图1为火花点火式发动机内的代表性发动机油的电阻ρ相对于测试时间t的图形，该火花点火式发动机运行于稳定状态条件下； 

图2为图1中的发动机油的粘度η相对于测试时间t的图形，发动机油位于发动机内，该发动机运行于稳定状态条件下； 

图3为标准矿基发动机油S(空心圆圈数据点)以及改进的合成发动机油A(空心三角形数据点)的电阻(MΩ·cm)与粘度(cSt)的比值相对于以小时表示的测试时间的图形； 

图4为废弃的矿基发动机油O(上部曲线)、标准矿基发动机油S(中部曲线)和改进的合成发动机油A(下部曲线)的电阻ρ，MΩ·cm相对于以小时表示的发动机运行时间的图形； 

图5为流通式(flow-through)阻抗传感器的侧视截面图，该传感器用于比如在本发明的实施过程中的发动机的运行过程中，确定润滑油的电特性； 

图6为与阻抗传感器结合运行的电子仪器的功能方框图，用于在发动机运行过程中确定润滑油的电特性；以及 

图7为仪器的视图，其用于在发动机运行过程中监视润滑油的电特性。 

优选实施例详述 

本发明为用于确定发动机润滑油的质量和有用寿命的方法。该方法使用适当的润滑油流通式电阻抗传感器，用于监视在发动机内或其它运行机构内使用的油的电特性。并且该方法的实施由适当的电子仪表来支持。 

方法

对有关发动机油的介电常数和导电率的时间依赖性做出推理性预测是困难的，因为它们是复杂性流体，包含大量分子化合物的混合物，并且在发动机油运行寿命的有限阶段过程中，一个因素或另一个因素可相对于所有的其它因素而占主导地位，并且平衡随着油的使用而改变。然而，在油的有用寿命中，基于油的一般使用条件，并且根据油的粘度的已知行为特性，可预测到少量一般趋势，从而阻碍了其它尚待确定因素的重要影响。在发动机内的石油的绝大多数有用寿命过程中，油的粘度稳定地增加，除了在其寿命开始时的较短时间阶段之外(多达10-15小时)，此时它可能由于剪切变稀的缘故而减小。粘度的增加在油的有用寿命的终点时加速，并且经过其时间依赖性的斜率dρ/dt内的转折点。因此，存在同时用于电阻和介电常数且随着时间而一般地增加的趋势的期望。发动机油，像所有的碳氢化合物一样，更属于一种非极性介电液体，且其介电常数的范围从2-3。期望油的介电常数在油的寿命的整个过程中增加，因为燃烧过程将导致发动机油的分子组分的氧化和硝化，并且也可能将水引入到发动机油内。期望油的电阻值非常高(从MΩ·cm到GΩ·cm的范围)，除非特定的使用条件导致水从燃烧过程中的累积，其将通过将电荷载体(质子)引入到油内而降低电阻。水在发动机油内的存在，即使数量很少，也可以导致其介电常数的显著增加，因为水的 介电常数ε＝80。水在发动机油内的显著数量也可以降低所测量电阻的数值，因为水的自动离子化可以将自由电荷载体(质子)释放到油内。作为这些事实的后果，必须慎重地选择测量条件(测量温度和发动机运行循环过程中，即启动、稳定状态运行、瞬变比如加速或减速、或关闭时的精确测量时刻)，以便减小诊断中错误的可能性，该错误由效果所导致，而不是由与油的老化相关的效果所导致，该油的老化由发动机运行所导致。 

当发动机在稳定状态条件下运行的时候，油的电阻和粘度的时间依赖性的例子分别展示于图1和图2中。当在图形上视为单位为兆欧厘米MΩ·cm的油的电阻ρ(y轴)相对于单位为小时的累积测试时间t(x轴)时，存储于微处理器内的累积电阻数据显示了曲线，该曲线具有在估计油的剩余有用寿命时有用的特性，该油运行于发动机或机器内。如图1所示，在电阻的时间依赖性内存在四个不同的区域。在区域I(dρ/dt＞0)内，电阻值随着累积的运行小时，而稳定地从用于新油的初始值增加到在时间t₁或t_Max处的最大值ρ_Max(当dρ/dt＝0的时候)。在区域II内，油的电阻值随着额外的运行小时(现在dρ/dt＜0)而稳定地减小，直到它们在时间t₂或t_Min处达到最小值ρ_Min(dρ/dt再次等于0的时候)。此后，在区域III内，伴随着进一步的运行时间，电阻值继续稳定地增加，直到油的有用寿命已经耗尽。这可通过在时间t₃(t_knee)处的电阻的时间依赖性内的“膝盖”(“knee”)而获得，这表明区域IV的启动，区域IV的特征在于电阻值的非常快速的增加。此“膝盖”可被电阻的时间导数值的急剧增加(在一些情况中几乎为不连续的“跳跃”)而标识：(dρ/dt)_t＜t3＜＜(dρ/dt)_t＞t3。 

因此，视为连续的线性曲线的累积ρ相对于时间数据，显示了三个连续的斜率dρ/dt的符号变化。曲线也显示了在油使用过程中的特定时间处的两个局部极值(最大和最小，在此，dρ/dt＝0)，同时显示了“膝盖”，其特征是斜率dρ/dt的突然增加。 

相比之下，如图2所示，粘度仅仅展现了在相同的时间间隔上 的单调变化，且在时间间隔之间没有区别性的特征，该时间间隔对应于电阻的时间依赖性内的区域I、II和III。然而，在某个时刻t_knee 粘度的时间依赖性内存在“膝盖”，该时刻t_knee与电阻的时间依赖性内发生激烈变化时的时刻相同。图2中的区域I显示了油的稳定地不断增加的粘度，直到油的使用或测试时间到达t_knee。发生在大于t_knee的时刻(图2中的区域II)的陡峭的粘度增加，表明了油的有用寿命的结束。在发动机对应于图1中的区域I、II和III的运行时间内，油的分析数据(并且，尤其是粘度)并未展现了激烈变化。然而，粘度在区域IV内展现了激烈的增加，从而表明了由不当润滑引起的即将来临的发动机失效。 

虽然一些(但不是全部)传统的油分析方法能够检测发动机油的有用寿命的结束，然而对应于电阻值ρ的时间依赖性内的最大值和最小值的时刻，以及ρ值自身可作为油质量的指示器而使用，并且可作为发动机内部油的失效时间的预测器而使用。此外，电阻的时间依赖性内的t₃处的“膝盖”可作为发动机油的寿命结束指示器而使用，因为其发生时刻与表征发动机油粘度开始激烈增加的时刻重合。电阻的时间依赖性内的区域I和II(参考图1)揭示了两个(可能相关的)化学过程的存在，其发生于两个明显不同的时间刻度上。区域I内的电阻的时间依赖性由快速化学过程(在当前举例中，具有从1-20个小时的特性时间刻度)所控制，该快速化学过程将电荷载体耗尽，而区域II内的电阻的时间依赖性由慢速化学过程(在当前举例中，具有从40-150个小时的特性时间刻度)所控制，该慢速化学过程将自由电荷载体释放到油内。应当注意：如图3所示，发生于区域III和IV内的电阻增加仅仅是因为粘度增加的缘故，其为两种不同质量的油显示了电阻与粘度之间的比值，该比值在与区域III和IV对应的时间内几乎恒定，其表明：所有将自由离子释放到油内的化学过程，已经在任何可感知的程度上停止，此时，电阻已经在时间t₂达到最小值。 

上述发现代表着该方法的基础，该方法用于确定润滑油的有用 寿命，该润滑油用于内燃发动机，此基础导致下述算法。 

(1)在一个或多个由已知温度上的十进制步距分开的频率上测量传感器阻抗Z(g；t，T)＝Z′(f；t，T)+iZ″(f；t，T)，其作为时间的函数。 

(2)确定油的电阻ρ并且构建其时间历程。 

(3)从导数dρ/dt估计油的有用寿命： 

I.如果在测量时间t’， ${\left(\frac{\mathrm{d\&rho;}}{\mathrm{dt}}\right)}_{t=t^{,}}=0,$ 并且 ${\left(\frac{\mathrm{d\&rho;}}{\mathrm{st}}\right)}_{t<t^{,}}>0,$ 则t_M＝t’；使用t_M 获得油失效时间的第一估计。 

II.如果在测量时间t”， ${\left(\frac{\mathrm{d\&rho;}}{\mathrm{dt}}\right)}_{t=t^{,,}}=0,$ 并且 ${\left(\frac{\mathrm{d\&rho;}}{\mathrm{dt}}\right)}_{t<t^{,,}}<0,$ 则t_m＝t”；现在同时使用t_m和t_M获得油失效时间的改进估计。另外，或备选地，数值ρ_max、ρ_min和/或比值ρ_max/ρ_min也可以与先前的数据进行比较，以便估计失效时间。 

备选地，也可以选择计算二阶时间导数d²ρ/dt²，以便区别最大和最小，而不是使用不等式 ${\left(\frac{\mathrm{d\&rho;}}{\mathrm{dt}}\right)}_{t<t^{\&prime;}}>0\mathrm{and}{\left(\frac{\mathrm{d\&rho;}}{\mathrm{dt}}\right)}_{t<t^{\&prime;\&prime;}}<0.$ 区别最大和最小的第三个方法是使用简单的有序关系式ρ(t′)＜ρ(t≠t′)和ρ(t″)＞ρ(t≠t″)，其相应地在最大与最小的附近位置获得。 

(4)在所预测的失效时间达到之前，触发油变指示器。 

(5)如果油尚未改变，并且电阻的时间导数在某个时间t

经历了突然增加，(dρ/dt)_t＜t

＜＜(dρ/dt)_t＞t

，则向车辆或机器操作员发布警告。 

本方法的性能展示于图4中，该图分别显示了三种不同质量的发动机油的电阻和粘度。这些油中的每一种为商业原油，并且由未指明的添加剂配方，添加剂包括氧化抑制剂、防锈剂、抗磨损及高压剂、摩擦改性剂、清洁剂、降凝剂、粘度指数改进剂、防泡剂以及防污剂。 

图4为先前形成的矿基发动机油(O，粗点划线)、标准油(S，长短点划线)以及改进油(A，实线)相对于以小时表示的测试时间的电阻数据图形。油O，即目前未指定用于车辆的矿基油被测试，以便在 较宽的油成分(composition)范围内评估本发明方法。标准油S为GF-3矿基发动机油，比如用于新车辆发动机内的油。改进油A为具有改进配方的完全合成的GF-3油，比如可被一些车主用于发动机磨合的油。油样被分别用于高温高负载发动机功率计测试中，在该测试中，被测试的发动机在103Nm的恒定负载下以3000转/分钟的速度运行。在取走阻抗数据的时间，传感器上的油温度为130℃。 

借助其油泵而循环经过发动机的油的一部分，传送经过阻抗传感器，正如以下将要描述的那样，其展示于图5中的截面图中。使用电子仪表而在所选定的时间并且在已知的传感器温度内为阻抗传感器提供交变电流。阻抗传感器系统电子的特征和功能展示并总结于图6和图7中。在测试中的第一个20小时中，此仪表和相关的微处理器感应出充有流动油的传感器的阻抗，并且以有规律的15分钟的时间间隔确定单位为MΩ·cm的电阻ρ，而对于每个测试中的剩余部分则以30分钟的时间间隔来确定。 

显示于图4中的数据代表油在实际的发动机运行过程中的电阻历程ρ(t)。油O的初始电阻值为680MΩ·cm，油S的初始电阻值为231MΩ·cm，而油A的初始电阻值为77MΩ·cm。随着功率计测试时间的进展，每种油样经历了电荷载体密度N的减小，及它们的相应电阻值ρ的快速增加。在相对短的时间过去之后，每种油样的电阻值达到最大值：油O在1.5测试小时的电阻值为780MΩ·cm，油S在6测试小时的电阻值为360MΩ·cm，而油A在12测试小时的电阻值为149MΩ·cm。因此，这些样品的电阻相对于时间的一阶导数(dρ/dt)初始地大于0。在每种电阻情况下，然后在t＝t_Max时，即当斜率值为0，(dρ/dt)＝0的时候，达到最大值。每种油到达其最大电阻值的相应时间为：t_Max，O＝1.5小时，t_Max，S＝6小时，而t_Max，A＝12小时。 

在ρ达到局部最大值之后，随后的电阻值随着进一步的测试时间(dρ/dt＜0)而单调地减小，直到在时间t＝t_min(专门对应于每种油样)时，ρ的局部最小值被检测到，此时斜率值再次为零，(dρ/dt)＝0。油 O在t_min＝102小时的低值ρ为148MΩ·cm，油S在t_min＝75小时的低值ρ为200MΩ·cm，而油A在t_min＝148小时的低值ρ为86MΩ·cm。 

反映于图4中的测试在油S或油A经历失效之前而停止，该失效将被其粘度的过分增加所证实。油O在超越“危险点”的一段时间内被测试。然而，惊人地类似的特性图形代表相应的油的迹象，该迹象在预测它们的剩余有用寿命或失效时间时有用。 

为了给油的寿命预测提供参考数据，油样可被测试直到失效，以便获得更详细的dρ/dt历程。这些历程可存储于微处理器的存储器内，该存储器为目前工作中的油样检测并记录dρ/dt数据。虽然每种油样(不论具有相同的成分，还是具有在功能上可比的成分)经历了不同的负载与环境条件，然而dρ/dt数据类似并且可被比较，以便用于可靠地预测剩余的有效润滑寿命。通过这种方式，润滑油可被完全地使用，而没有过早并浪费地丢弃有限地可获得的材料。 

阻抗传感器

图5描述了阻抗传感器的截面图，该阻抗传感器优选地用于本发明的实施过程中。展示于图5中的传感器可定位于比如运行中的车辆发动机的油道内或油底盘内。在发动机的运行过程中，润滑油连续地从其油箱内泵抽出来，该油箱位于油底盘内，该油底盘围绕并位于发动机的运动零件的上方。典型地，循环油的温度被测量并传送到发动机控制模块(或动力控制模块，PCM)上，其用于控制发动机(及变速器)的运行。根据本发明，导致油流经适当的传感器，比如展示于图5中的阻抗传感器10。 

当定位于油道内时，传感器10需要金属壳体，该金属壳体包括上单元外壳12和下单元安装法兰14。除了能够使油经由传感器而通过时，外壳部件12、14也提供了传感器针对电干扰的电屏蔽，该电干扰可由点火火花引起。单元外壳12具有油流端口16。对于车辆发动机应用，这些外壳部件可由适当的可铸造或可成形金属合金，比如铝合金而制成。在传感器放置在油底盘内部的情况下，不需要特 别的壳体，因为底盘自身可提供充足的电屏蔽。 

几个堆叠的圆形板在单元外壳12内形成了交错的电容，并且具有六组周向地及垂直地间隔的金属接触管18、19(18和19中的每一个中的其中一组展示于图5中)，其垂直于板而放置，并且支撑着板。该组金属接触管18、19在每隔一个板之间提供了电接触。板以大约1毫米的间隔而均匀地分布。第一连接板20借助三组(其中一组展示于图5中)五个交替的接触管18而连接到第一组五个交替内电容器板22上。位于第一连接板20的上方，并且与该第一连接板20分开的第二连接板24，借助另外的三组四个交替的接触管19而连接到第二组四个交替的内电容器板26上。六个周向地分布且不导电的紧固螺栓28(两个展示于图5中的截面图中)将电容器组件附接到单元安装法兰14上，该紧固螺栓28垂直地延伸经过垂直的一组接触管18、19。位于每个接触管18的外表面上的绝缘层30确保了：电场线以及单元内的电流垂直于电容器板。圆形电容器板20、22、24和26由不锈钢(或任何其它适当金属或金属合金，比如镍、英科耐尔、哈氏合金等)适当地制成，并且具有大约为43毫米的直径。 

正如所叙述及展示的那样，电容器部件利用六个紧固螺栓28而互相固持在一起，并且牢固地安装到单元安装法兰14上，该紧固螺栓28由坚硬的塑料材料制成，以便防止电容器板的短路。连接板20和安装法兰14之间的六个绝缘垫块32(展示了两个)同时用于防止单元电容器板20、22、24和26与安装法兰14之间的短路。 

O型环34影响单元外壳12与安装法兰14之间的气密性密封。利用两个流体端口16而将测试中的液体引入到测量器具内，并且将其从测量器具除去。单元外壳12和单元安装法兰14都由金属制成，并且影响测量电容器的电屏蔽，并且连接到电性接地端。 

测量电容器与测量电子之间的电连接，由两个或优选地四个同轴电缆(未展示)所影响，该同轴电缆经由单元安装法兰14的同轴电缆端口36(位于展示于图5中的截面的后面)而进入测量器具，并且进 入单元空间38内，并且使它们的内导体成对地连接到两个下连接板20和24上。在四个同轴电缆的情况下，内导体成对地连接到两个连接板上。同轴电缆利用高温绝缘环氧树脂而密封到单元安装法兰内，而它们的外导体则电性地连接到单元外壳上。 

当然，阻抗传感器10内充有测试中的流体，以便确定流体的电特性。传感器可在成批模式(通过经由端口中的一个而填充单元，并且然后用塞子将端口闭合)中运行，也可以在流通模式(使测试中的液体流过传感器)中运行。当油在紧密地间隔的电容器板之间流动时，油通常在或接近其运行温度。充油传感器然后连接到阻抗测量仪器(LCA仪、自动平衡交流桥、频率响应分析仪等)上，并且其电阻抗在所感兴趣的一些频率范围上被确定。流体的电阻然后可以由所测量的电阻和单元常数而确定，而流体的介电常数则可由所测量的电容和单元的真空电容所确定。 

传感器可用于确定所感兴趣的汽车的任何流体(发动机油、变速器流体、用于发动机内或用于机加工的冷却剂、液压流体、电池电解液)的电阻(或等效地，导电率)和介电常数。它已被用于确定新鲜发动机油和使用后的发动机油的特性。 

此外，在高温功率计测试的过程中，传感器可用于对发动机油进行在线监视，而发动机油的性能在超过1200个小时且在130℃的测试之后没有任何显著恶化。 

用于油寿命测试的电路和仪表

图6以流程图的形式展示了用于确定使用中的润滑油的电阻，及可选地额外的介电常数的功能性步骤。图7也为方框流程图，其展示了用于这种流体监视系统的电子装置(仪器)之间的关系。这些展示以运行中的四循环内燃发动机为例。 

参考图6中的五个流程方框，该流程方框开始于第一个(顶部)方框。当需要与油的特性有关的数据时，传感器由适当的交流频率发生器(显示于图7中的方框1)所启动，该交流频率发生器产生已知幅 度和频率的波形。频率被适当地比如从100MHz到0.1MHz向下地扫描，且每个十进制频率具有3到20个数据点。此输入到油特性阻抗传感器的电压在测试中的流体内产生时变电场。输入电压的定时由用于现代车辆中的类型的动力控制模块(PCM)所设置，以便管理发动机和变速器的运行。传感器内的油温也被感应到并传输到PCM，或者传输到在PCM控制下的油特性微处理器。 

输出电流、以及输出电流和穿过阻抗传感器而施加的电压之间的相位角被感应到，并且此数据与输入电压值一同导向至PCM，如图6中的方框2所显示。 

PCM与锁相环电路(PLL)互相作用，以便确定相差(方框3)。 

然后使用电压、电流和相位角信号来计算传感器-油组合的阻抗幅度、电阻和电抗(方框4)。这些数值然后依次用于确定通过传感器的油的电阻和/或介电常数(方框5)。油特性数据(电阻ρ和介电常数ε)存储于PCM内，用于后续的处理和分析。 

图7通过提供适当的用于仪器、PCM及用于确定油质的专用微处理器的示意流程图，而对图6进行了补充。 

频率发生器1用具有预定幅度和频率的交流信号来激发油阻抗传感器2A。信号同时被相位敏感型检测器4所接收。专用的微处理器5对来自频率发生器1的数据进行采样，并且对来自相位敏感型检测器4的数据进行采样。微处理器5由PCM所激励，或者在其控制下而被激励。因此，来自油温传感器2B的油温数据被提供给微处理器5。 

来自传感器2A的输出电流信号由电流-电压转化器3所接收。来自转化器3的电压信号被发送至相位敏感型检测器4，并且发送到由微处理器5所采样的电流和相位角数据。微处理器5计算传感器的阻抗幅度、电阻和电抗。通过使用计算出的数据以及所存储的与传感器2A的特性相关的常数，微处理器5计算工作中的油的当前电阻值和介电常数值。如本说明书的方法部分所描述的那样，这些数 值存储于专用的微处理器内，并且用于算法内，该算法基于时基电阻数据和/或时基介电常数数据。 

作为结果的油寿命数据从微处理器5传输到PCM6，PCM6有规律地向车辆操作员通知当前的油条件。 

本发明的实施已经通过参考一定实施例而被描述，这些实施例为解释的目的，而不是为限制本发明的目的而提供。 

Claims (21)

1.一种确定使用于运行机构的流体润滑内的一定量油的剩余有用寿命的方法，所述方法包括：

在所述机构的运行时间间隔内，重复地确定所述油在预定油温时的电阻(ρ)的数值；

记录所述油的电阻-时间ρ(t)的历程，从而当开始于初始值的持续电阻值随着消逝的运行时间而累积的时候，连续的ρ(t)线性曲线得以形成，所述曲线包括：(1)具有dρ/dt>0的斜率的第一部分，直到第一时间t₁，ρ值在所述第一部分中增加；以及(2)在时间t₁时的最大值，在所述时间t₁时的dρ/dt=0，并且具有对应的ρ_max；

不时地将所述ρ(t)线性曲线当时存在的部分与类似的预定数据进行比较，所述预定数据为类似或功能上可比较的油成分的数据；以及

使用所述比较值来预测所述油的剩余有用寿命;

继续记录所述油的电阻-时间ρ(t)的历程，从而使连续的ρ(t)线性曲线得以形成，所述曲线包括：(3)具有dρ/dt<0的斜率的第二部分，ρ值在所述第二部分内减小，直到第二时间t₂；(4)在时间t₂时的最小值，在所述时间t₂时的dρ/dt=0，并且具有对应的ρ_min；以及(5)dρ/dt>0的第三部分；

不时地将所述ρ(t)线性曲线当时存在的部分与类似的预定数据进行比较，所述预定数据为类似或功能上可比较的油成分的数据；以及

使用所述比较值来预测所述油的剩余有用寿命;

继续记录所述油在所述ρ(t)曲线的所述第三部分内的电阻-时间ρ(t)的历程，直到时间t₃，此时所述电阻的时间导数值具有突然增加，从而显示所述油的有用寿命已经耗尽；以及接下来

产生信号，所述信号显示所述油的有用寿命已经耗尽。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油包括从石油中获得的矿基油。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油包括合成油，所述合成油包括碳基材料和/或硅基材料。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机构为碳氢燃料型发动机。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机构内的油运行于高于100℃的温度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，t₂/t₁为10或更大。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，t₁用于预测所述油的剩余有用寿命。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，t₁和 t₂用于预测所述油的剩余有用寿命。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，ρ_max用于预测所述油的剩余有用寿命。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，ρ_min和/或ρ_max用于预测所述油的剩余有用寿命。

11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，ρ_max和ρ_min的比值ρ_max/ρ_min用于预测所述油的剩余有用寿命。

12.一种确定使用于运行机构的流体润滑内的一定量油的剩余有用寿命的方法，所述方法包括：

在所述机构的运行时间间隔内，并且在时变电场下，重复地确定所述油在预定油温时的电阻(ρ)的数值；

记录所述油的电阻-时间ρ(t)的历程，从而当开始于初始值的持续电阻值随着消逝的运行时间而累积的时候，连续的ρ(t)线性曲线得以形成，所述曲线包括：(1)具有dρ/dt>0的斜率的第一部分，直到第一时间t₁，ρ值在所述第一部分中增加；(2)在时间t₁时的最大值，在所述时间t₁时的dρ/dt=0，并且具有对应的ρ_max；(3)具有dρ/dt<0的斜率的第二部分，ρ值在所述第二部分中减小，直到第二时间t₂；(4)在时间t₂时的最小值，在所述时间t₂时的dρ/dt=0，并且具有对应的ρ_min；以及(5)dρ/dt>0的第三部分；

不时地将所述ρ(t)线性曲线当时存在的部分与类似的预定数据进行比较，所述预定数据为类似或功能上可比较的油成分的数据；以及

重复地使用所述比较值来预测所述油的剩余有用寿命;

继续记录所述油在所述ρ(t)曲线的所述第三部分内的电阻-时间ρ(t)的历程，直到时间t₃，此时所述电阻的时间导数值具有突然增加，从而显示所述油的有用寿命已经耗尽；以及接下来

产生信号，所述信号显示所述油的有用寿命已经耗尽。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述油为从石油中获得的矿基油。

14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述油为合成油，所述合成油包括碳基材料和/或硅基材料。

15.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述机构为碳氢燃料型发动机。

16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述机构内的油运行于高于100℃的温度。

17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，t₁和t₂用于预测所述油的剩余有用寿命。

18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，ρ_min和/或ρ_max用于预测所述油的剩余有用寿命。

19.如权利要求12所述的方法，其特征在于，ρ_max和ρ_min的比值ρ_max/ρ_min用于预测所述油的剩余有用寿命。

20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述油包含于阻抗传感器内，所述阻抗传感器具有已知的电阻常数，并且所述传感器在时变电场内借助交流频率发生器而由输入电压所启动，所述时变电场的频率范围从100MHz到0.1Hz；

检测传感器输出电流以及所述输出电流与输入电压之间的相位角；

根据所述输入电压、输出电流以及相位角而确定所述传感器-油组合的阻抗幅度、电阻以及电抗；以及

根据所述确定的电阻及传感器电阻常数而确定所述油在所述预定温度时的电阻。

21.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述油包含于阻抗传感器内，所述阻抗传感器具有已知的电阻常数，并且所述传感器在时变电场内借助交流频率发生器而由输入电压所启动，所述时变电场的频率范围从100MHz到0.1Hz；

检测所述传感器输出电流以及所述输出电流与输入电压之间的相位角；

根据所述输入电压、输出电流以及相位角而确定所述传感器-油组合的阻抗幅度、电阻以及电抗；以及

根据所述确定的电阻及传感器电阻常数而确定所述油在所述预定温度时的电阻。

Images