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专利名称：在实时运行中确定柴油发动机润滑剂的流体状态的方法
技术领域：
本发明涉及在发动机运行时监测例如柴油发动机润滑剂的流体的状态，还涉及提供电信号对流体能否继续有效地润滑运行中的发动机的状态进行指示。
背景技术：
用于在实时运行中监测发动机润滑剂的已知的技术是使用阻抗图谱的技术，其中，将一对电极浸在润滑剂箱中，顺序以相对高的和相对低的频率的低值交流电压激发一个电极，从在两个频率测量的电流计算阻抗，微分阻抗与流体在各大小的润滑剂应力下的已知的性质相关。然后，可以实时将微分阻抗与已知值比较，以便从微分阻抗对已知的流体状态的查找表中确定在发动机运行中流体的瞬时状态是怎样的。
在转让给本发明的受让人的美国专利6,278,281、6,377,052、6,380,746以及6,433,560中示出了和描述了这种使用阻抗图谱技术的润滑剂监测器。上述的’281专利尤其描述了利用阻抗图谱在自动变速箱油和客车马达油中确定发动机冷冻剂的存在的技术。
美国专利6,377,052描述了监测在客车的火花点火汽油发动机中使用的合成马达油的方法，该方法利用阻抗图谱，从在不同频率下对已知状态的发动机油的顺序电流测量计算出阻抗，通过比较上述阻抗，在实时运行中确定发动机润滑剂的瞬时剩余可用寿命(RUL)。
然而，还希望在实时发动机运行期间监测在压缩点火中或柴油发动机中的润滑剂的状态。在柴油发动机中，由润滑剂制造商以专门的添加系统或成分混合润滑剂，以防止由于柴油燃烧产物的作用导致润滑剂变质。相比于为燃烧汽油或其它燃料的火花点火发动机调配的润滑剂的添加剂，调配该柴油发动机润滑剂的添加剂具有完全不同的化学组成。因此，希望找到使用阻抗图谱、在实时发动机运行中精确地对柴油发动机润滑剂的状态提供电指示的技术和方法。

发明内容
本发明使用具有一对浸于发动机润滑剂中的电极的探测器，通过以下步骤应用阻抗图谱技术顺序以相对高的和低的频率的小振幅交流电压激发一个探测器；在两个频率都测量电流；以及将电流差用作对阻抗变化的模拟。将阻抗差与从查找表中得到的已知的添加剂损耗特征的柴油润滑剂样品的测量值进行比较，从而确定RUL百分数。
本发明的方法是，在流体是新的或部分受应力时，利用阻抗差(dZ)的倾向增至最大值，在流体完全受应力并已达到近似零RUL时，利用dZ的倾向从在缓和应力下达到的最大值减少到最小值。该方法确定阻抗差在选定的采样期间的变化率或斜率(ΔdZ)；以及，在ΔdZ为正的点，读数与添加剂损耗的已知值的查找表的第一区相关；以及，在ΔdZ为负的点，读数与添加剂损耗的已知值的查找表的第二区相关。在本发明的当前实施中，通过测量从一组成分中选定的参数X的损耗值，编辑出所述表，所述组是(a)磷，氧，炭(P-O-C)、(b)磷和双键硫(P＝S)、(c)根据碳酸钙损耗(CO3)变化的酸度或总碱价(TBN)、或者(d)二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)的损耗。通过傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)技术对取自于在润滑剂应力的已知状态水平下的柴油发动机的润滑剂样品进行实验室测量，为上述(a)-(d)的各个参数分别确定了流体状态或RUL的已知值的表。


图1是使用本发明方法的系统的图示和方框图；图2a、2b和2c是包括本发明方法的信号处理步骤的方框图；
图3是POC和dZ相对于具有逐渐增大的应力的状态的润滑剂样品的曲线图；图4是P＝S随润滑剂应力变化的类似图3的图；图5是TBN或碳酸损耗的相对于逐渐增大应力的润滑剂的类似图3的图；图6是在添加到润滑剂前调配的ZDDP的FTIR的能见度光谱曲线；图7是在P-O-C的频率范围中，在各增大的应力下，取自于发动机润滑剂样品的FTIR的能见度光谱曲线，其中基线以下的面积被打上影线；以及图8是在P＝S的频率范围内，在各增大的应力下，取自于发动机润滑剂样品的FTIR，其中基线以下的面积被打上影线。
具体实施例方式
参考图1，以10表示本发明的系统，所述系统包括以12表示的具有管状结构的探测器，其包括外部的收取或测量电极16，电极16从径向相隔于并环绕内部的管状电极18，两电极各具有从其上轴向伸出用于在其上的电连接的连接器条20、22。电子控制器10具有连接接线条22的导线24和连接接线条20的导线26。在本发明的当前优选实施中，将所述探测器设计为2002年1月31日提交的共同申请系列的第10/060,107号的所示和描述的那样，该申请名为“Probe Assembly For A Fluid Condition MonitorAnd Method Of Making Same(用于监测流体状态的探测器组件及其制造方法)”，其在2003年8月5日被公开为美国专利公开2003-0141,882，并被转让给本发明的受让人。然而，也可以使用其它探测器结构，如平面交叉电极、或如在上述美国专利6,278,281、6,380,746和6,377,052中描述的螺旋形结构的电极。
控制器10包括信号产生或激发部分28和信号处理和输出部分30。
激发部分28提供不大于大约1伏的相对小振幅的交流电压。在本发明的当前实施中，以0.750伏的RMS激发探测器；然而，可以使用其它水平的电压以提供可用的信噪比。部分28包括电源32和振荡器34，振荡器34为探测器激发电路36提供相对高的和低的频率的电流，电路36通过导线24以高的和低的频率顺序激发电极18。在本发明的当前实施中，将低频选择为大约30毫赫兹，将高频选择为大约100赫兹。应该理解，可以变化低频，只要其指示电极表面的特征；可以变化高频，只要其指示体积流体性质。低频最好在10-100毫赫兹的范围内，高频最好在10-10000赫兹的范围内。
信号处理部分通过导线26接收探测器电流使其到达电流测量电路38，电路38为计算阻抗差dZ的计算机40提供输入。计算机40为比较电路42提供输入，电路42能够使阻抗差dZ与流体状态参数X的已知值相关，如下面将描述的，这将为计算机44提供确定RUL的输入、并为显示器46提供输出。
参考图2，图中示出了电子控制器10的信号产生部分28和信号处理部分30的信号处理策略，其中，一旦在步骤50中开始，在步骤52，计算机40从温度传感器(未示出)接收流体温度输入，并进到步骤54，找出流体的温度Tf是否在最小和最大允许界限TMIN和TMAX内。如果步骤54确定为否，系统进入保持或停止状态直到温度在希望的界限内。当步骤54确定为是，系统进到步骤56，激发电路36以高频激发探测器，并且电流传感器38测量电流IHI。系统接着在步骤58计算阻抗ZHI并进到步骤60，电路36以低频激发探测器，并且传感器38测量电流ILO。系统然后进到步骤62，从电流测量ILO计算阻抗ZLO。系统接着进到步骤64，计算阻抗差ΔZ，并进到步骤66，取ΔZ的绝对值作为阻抗差dZ。
系统接着进到步骤70，将dZ存为dZ1，然后进到步骤72进行预定的时间延迟，然后进到步骤74重复步骤56到66，并进到步骤76将结果存为dZ2。在本发明的当前实施中，已经找出，如果将步骤72中的时间延迟Δt设为大约两小时将是合适的；然而，可以选择能够精确确定dZ的变化的任何合适的时间段。系统通过计算机44然后进到步骤78，计算dZ中的变化ΔdZ。计算机然后进到步骤80，找出ΔdZ是否为正；如果是，计算机进到步骤88，选择选自于以下组的参数X，所述组为(a)磷，氧，炭P-O-C、(b)磷和双键硫P＝S、(c)碳酸钙，CaCO3，CO3、以及(d)二烷基二硫代磷酸锌ZDDP，然后，进到步骤90从X对dZ的值的表中在表的I区确定参数X。
应该理解，所述表是从取自于图3到图6的数据点编辑而成。系统然后进到步骤92进行预定的时间延迟Δt。
如果在步骤80确定为否，计算机进到步骤82，找出斜率的绝对值是否等于或大于大约0.5。如果在步骤82确定为否，系统进到步骤88。
然而，如果在步骤82确定为正，意味着ΔdZ的负斜率相当陡，计算机进到步骤83，从上述参数之一选择参数X，然后进到步骤84，从通过图3到6编辑的X对dZ的值的表中在表的II区确定参数X。计算机然后将确定的值存为X1。
计算机然后进到步骤94进行预定的时间延迟Δt，然后进到步骤96，重复步骤56到90，并在步骤98将结果存为X2。
计算机然后进到步骤100，通过以X2和X1之差除以Δt计算衰减率Ψ。接着计算机在润滑剂的可用寿命结束时重新得到XEOL的存储值或参数X的值，并进到步骤104，通过从X2中减去XEOL再除以衰减率Ψ计算剩余可用寿命(RUL)。
计算机然后在步骤106为显示器输出信号。应该理解，如果达到了RUL的阈值水平，显示可以指示运行或警报。
在本发明的当前实施中，当dZ的值增至其最大峰值的大约20％的水平时，计算机可以编程进行直接指示近似零的RUL，其中，所述峰值确定图3-6中第一区和第二区之间的间隔。
在本发明的当前实施中，通过在逐渐增大的流体应力下对柴油发动机润滑剂顺序采样，得到图3到6每个图。然后，通过在表I给出的范围内观察光谱密度，由已知FTIR技术测试各样品中的P-O-C、P＝S、CO3和ZDDP量。

参考图7，图中示出了在混合或添加到发动机润滑剂前的调配状态下，ZDDP的FTIR光谱曲线的透射百分数。从图7可以发现，ZDDP的红外透射在970cm-1和645cm-1的频率下为零，换句话说，在这些频率被完全吸收。已经发现，ZDDP的该特征在光谱仪中非常有用，因为润滑剂在这些频率的红外透射的损失，可以作为对在特定润滑剂样品中剩余或未损耗的ZDDP的百分数的模拟或指示。
参考图7和8，以选定的25小时、112小时和275小时的发动机运行间隔采样发动机油；以及，沿新油的曲线，为每种样品绘出了在关注的分别对应P-O-C和P＝S的频率的标称频率970cm-1和655cm-1的周围频带中的光谱曲线。使用的技术在每种样品曲线的峰值之间采用画出的基线，其形成于如表I给出的关注的频带内。计算在检测的频带中如图7和8中的影线所示的由基线下的曲线形成的面积，并为已知应力水平状态的每种样品测量面积的减少量。然后，可知ZDDP的损耗百分数，可利用本发明的探测器测量样品，以及测量阻抗dZ的变化，并建立根据dZ的损耗百分数的值的表。从而，将从图7和8看到，如果通过上述FTIR技术分析受应力的润滑剂的样品，并且其结果指示在观察范围内在基线下的曲线的面积近似为零，则在检测的频率下将近似没有吸收，从而ZDDP将已被完全损耗。
再参考图3和4，从P＝S和P-O-C随增大的润滑剂应力的变化曲线将可以看到，可以将传感器输出dZ的值选为对应区中P-O-C的最小值，以代表ZDDP的总损耗；以及，可以将该dZ值选为润滑剂寿命的结束。类似地，在图4中，P＝S随增大的润滑剂应力的变化曲线指示了与在图3中为P-O-C所指示的dZ值大致相等处，达到最小值，相应于总添加剂损耗与。从而，利用选定频率的光谱可以编辑dZ值随润滑剂状态的变化的查找表，作为对润滑剂中剩余ZDDP数的指示。
通过美国材料试验协会(ASTM)标准D4739-2“利用电势滴定法确定总碱价的标准试验方法”，也可以测量弱酸性TBN(CO3)。
图3到图6是基于当润滑剂在由本发明技术测量时逐渐增大应力时，顺序取自于柴油发动机油样品的数据；并且根据步骤50-70计算样品的dZ值。然后，通过FTIR试验分析单独确定表I所列的每种润滑混合添加剂的数量。然后，编辑每种添加剂类型的dZ相关值的表，并可以将给出的数据如图3-6绘成曲线。从而，在图3到6中的水平或“X”轴上的标度代表在润滑剂的增大应力下取自于选定间隔的顺序样品。应该理解，在图3到6中的水平轴上的零点代表新油；以及，在水平轴上的14代表在由上述实验室分析确定的有用寿命结束时、即当化学损耗掉全部添加剂时的相同油的油样品。从图3到6将观察到，在区I润滑剂只是受到缓和应力处，dZ增大到达最大值，，之后，当润滑剂的应力继续增大，dZ碱小至润滑剂可用寿命结束(EOL)。
然后，可以从组中选择一种添加剂，并将来自所述表或图的数据编程输入计算机40，从而电路10的部分30中的42可以使润滑剂的dZ与RUL实时相关。从美国石油协会(API)分类的具有SAE 25W-40粘度级的CH4、CF油，确定了本发明中图3-6的数据。然而，应该理解，在其它API分类和其它SAE粘度级的柴油润滑剂中可以使用本发明的技术，举例来说而不是为了限制，所述API分类如CF-4、CG-4以及CF-2，所述SAE粘度级如SAE30和SAE 25W-40。
应该理解，根据希望利用监测器追踪混合添加剂的化学类型，可以利用取自图3到6中任一个的查找表来编程计算机电路42。而且，应该理解，指定代表近似零RUL的dZ的值可以根据发动机制造商对添加剂损耗的推荐值而变化；以及，可以按希望地或根据发动机制造商的推荐值选择在步骤83中确定的阈值，而不一定是dZMAX的0.2(20％)。
从而本发明提供一种方便的方法，在柴油发动机实时运行时，使用阻抗图谱提供对润滑剂的瞬时状态的指示。本发明使用具有隔开的电极的探测器，所述电极浸在润滑剂箱中，由电极控制器连接，从而一旦低值AC电压开始激发，以相对高的和低的频率顺序测量电流，从而可以计算阻抗微分，并将其与确定为已知状态的柴油润滑剂的存储值比较。然后，电子控制器可以通过比较确定和提供对润滑剂的剩余可用寿命的指示或对发动机使用者的报警指示。
尽管根据说明实施例在上文中描述了本发明，应该理解，可以对本发明进行修改和变化，本发明只通过下文的权利要求书来限定。
权利要求
1.一种在运行中实时监测发动机润滑剂的状态的方法，包括(A)将具有一对隔开的平行导体(16，18)的探测器(12)浸入待监测的流体中；(B)以第一相对高频的交流电压激发所述电极对之一(56)，以第二相对低频激发所述一个导体(60)，以及在所述第一和第二频率测量电流(38)；(C)在所述第一频率计算体积流体阻抗(58)，在所述第二频率计算流体-电极界面(表面)阻抗(62)，并由此计算阻抗差(dZ)(64)；(D)延迟一段选定的时间间隔(72)，重复步骤(A)-(C)，以及计算dZ的另一值(74，76)；(E)计算dZ在选定的时间间隔(Δt)上的变化率(ΔdZ)(78)，如下确定润滑剂的剩余可用寿命(RUL)值(i)当从具有已知成分数的润滑剂中得出ΔdZ为正，从在选定的参数X对dZ的表中，在所述表的第一区确定生物化学参数(X)值(90)，并从RUL对参数X(X1)的表确定RUL(104)，所述已知成分选自包括下列的组(a)磷，氧，炭(P-O-C)；(b)磷和双键硫(P＝S)；(c)二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)；以及(d)通过测量CaCO3(CO3)的总碱价TBN；(ii)当ΔdZ为负数，从X对dZ的表的第二区确定选定的参数X的值(86)；(F)经过一段选定的时间延迟Δt，重复步骤(B)-(E)，并确定X的第二个值(X2)，计算X的变化率，Ψ=X2-X1Δt(100);]]>以及(G)计算剩余可用寿命(RUL)，其表达为以X与已知XEOL之差除以变化率ψ的百分数(RUL=X-XEOLΨ)]]>(104)。
2.根据权利要求1的方法，其中所述步骤(E)(ii)包括确定ΔdZ具有大于大约一的负斜率。
3.根据权利要求1的方法，其中激发一个所述电极的步骤包括施加不大于大约1伏RMS的交流电压。
4.根据权利要求1的方法，其中如果ΔdZ为负，确定RUL值的所述步骤包括，确定dZ是否小于大约dZMAX的25％，如果是，提供RUL近似为零的指示。
全文摘要
具有一对电极的探测器，以相对高的和相对低的频率的低交流电压激发所述电极，并测量电流差。从电流差计算体积流体阻抗和界面阻抗之差dZ。确定阻抗差在一段时间间隔上的变化率ΔdZ，并且，当从具有已知成分数的润滑剂中得出的ΔdZ为正，从选定的参数X对dZ的表中在表的第一区确定生物化学参数(X)，并从RUL对参数X(X1)的表确定RUL，所述组的构成为(a)磷，氧，炭(P－O－C)；(b)磷和双键硫(P＝S)；(c)二烷基二硫代磷酸锌(ZDDP)；以及(d)通过测量CaCO
文档编号G01N27/02GK1598560SQ200410077859
公开日2005年3月23日 申请日期2004年9月15日 优先权日2003年9月15日
发明者S·R·沙卡迈耶, R·W·希尔斯, A·M·布伦森, V·E·施泰达, L·Q·邹, C·J·克勒 申请人:伊顿公司