車用發(fā)動機機油消耗量測量方法研究與評價

周大偉，楊勇，謝飛飛

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230022）

引言

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的提高，汽車已經(jīng)走進千家萬戶，但汽車高速發(fā)展隨之而來的環(huán)境問題也成為人們必須面對的問題。

汽車發(fā)動機是為汽車提供動力的裝置，是汽車的心臟，決定著汽車的動力性和經(jīng)濟性；根據(jù)動力源不同，汽車發(fā)動機可分為柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機、電動汽車電動機以及混合動力等。針對常規(guī)的柴油發(fā)動機、汽油發(fā)動機，除動力性和經(jīng)濟性之外，其排放性能也是重要指標(biāo)之一[1]。

影響一臺發(fā)動機的排放性能的因素很多：燃燒狀態(tài)、油品、后處理等等，其中發(fā)動機機油消耗量也是一個重要的影響因素。研究表明，發(fā)動機的機油消耗與發(fā)動機的PM排放有著密切的聯(lián)系：首先，對于柴油機而言，機油在竄入燃燒室后，由于機油中含有的大量的可溶于有機溶液的可溶性有機物，有機物的碳原子數(shù)通常分布在C10以上，這些大分子組分會聚合成碳粒，同時，機油添加劑中的硫在燃燒后生成的硫酸鹽會吸附在碳粒表面，共同組成柴油機排放的顆粒物；其次，對于汽油機而言，隨著直噴高增壓汽油機的發(fā)展，因為直噴汽油機有著較高的壓縮比，缸內(nèi)燃燒溫度和壓力較高，使機油更容易進入燃燒室，直噴汽油機的機油消耗現(xiàn)象愈加嚴重，機油消耗的增加，會導(dǎo)致缸內(nèi)直噴汽油機的顆粒物排放增加。

機油消耗不僅僅影響一臺發(fā)動機的排放性能，異常的機油消耗也會影響發(fā)動機的使用壽命[2]。由于機油消耗對發(fā)動機的多種影響，導(dǎo)致精確測量一臺發(fā)動機的機油消耗尤為重要。本文主要對現(xiàn)已知的發(fā)動機機油消耗測量方法做介紹，并對比分析其優(yōu)缺點，為測量方案的選擇提供參考。

1 發(fā)動機機油消耗測試方法介紹

1.1 人工液位-稱重法

在多種的機油耗測試方法中，人工液位稱重法是較為傳統(tǒng)的測量方法，具體的測量過程如下：

1）選擇一個發(fā)動機工況點I，在該工況點I時，發(fā)動機能夠保持一個相對穩(wěn)定的機油壓力、曲軸箱壓力，既保持一個穩(wěn)定的機油液位。使發(fā)動機在工況點I穩(wěn)定運行一段時間（例如 10min）后，在發(fā)動機油底殼機油液位穩(wěn)定后，通過一個由油底殼延伸出來的透明軟管，借助U型液位原理讀取油底殼內(nèi)部的機油液位高度h0。

2）之后，將發(fā)動機在額定工況點穩(wěn)定運行特定時間 t（15h～20h）后，記錄運行時間t。

3）將發(fā)動機再次調(diào)節(jié)至工況點I，穩(wěn)定運行一段時間（例如10min）后，同樣方法讀取油底殼液位高度h1，將h1與h0作對比，計算兩者差值，該差值即是由于機油消耗而引起的機油液位下降，基于此液位差值Δh=h0-h1依據(jù)經(jīng)驗估算出需要試驗前后機油消耗的量 L1，通過高精度電子秤稱取L1的機油加入至發(fā)動機中，再次重復(fù)工況點I一段時間（例如10min），再次讀取機油液位h2，若h2=h0，則t時間消耗機油量 L=L1；若 h2≠h0，則添加或放出機油進行修正，以此最終得出t時間消耗機油量L。

1.2 自動液位-稱重法

自動液位稱重法是基于人工液位稱重法所作出的改進的測量機油消耗量的方法，是利用一套機油消耗測試設(shè)備代替人工，自動的完成機油消耗的測量。具體的測量過程及原理如下：

1）通過充油標(biāo)定單元定量多次向油底殼充油，記錄每次充油后機油液位，從而自動標(biāo)定發(fā)動機油底殼液位和充油量的關(guān)系，擬合出關(guān)系曲線，后面可根據(jù)此標(biāo)定曲線，由機油液位變化反推出機油量變化。

2）試驗開始后，首先在一個穩(wěn)定工況I下運行一定時間（例如10min）后，由設(shè)備自動精確測出油底殼機油液位h0，并記錄，該穩(wěn)定工況I下曲軸箱壓力保持穩(wěn)定，以保證機油液位穩(wěn)定。

3）運行額定點運行一定時間 t（15～20h）后，將發(fā)動機再次調(diào)節(jié)至工況點I，穩(wěn)定運行一段時間（例如10min）后，由設(shè)備自動記錄此時的機油液位h1。

4）根據(jù)初試標(biāo)定得出的機油液位和充油量的關(guān)系曲線，由機油液位 h0和 h1反推出油底殼機油量 L0和 L1，則L=L0-L1即為在t時間段內(nèi)消耗的機油量。

圖1 自動液位稱重法設(shè)備示意

1.3 示蹤元素測試法

示蹤元素測試法也是一種可用于測試發(fā)動機機油消耗量的方法，除可以測量額定點工況的機油消耗量外，同樣可以測取一臺發(fā)動機的機油消耗map圖，用具體原理如下：

1）配置一種帶有放射性元素的機油添加劑，該添加劑并不會影響和改變機油的物理和化學(xué)特性，對發(fā)動機運行也無任何的影響。

2）在機油里添加一定量帶有放射性示蹤元素的添加劑，發(fā)動機運轉(zhuǎn)時帶動機油和示蹤元素到發(fā)動機各部位，然后通過檢測目標(biāo)點的放射性強弱，即可判斷該處的機油含量或者消耗量。

3）該方法采用全新放射性示蹤劑對潤滑油進行標(biāo)識，在發(fā)動機運行過程中，示蹤粒子可以在排氣管路中被攔截和檢測，從而計算出機油消耗結(jié)果。被攔截的示蹤粒子數(shù)量與機油消耗量成正比，而示蹤粒子的輻射量與粒子數(shù)量成正比，因此可以通過監(jiān)測輻射值的變化確定機油消耗速率。

圖2 示蹤元素機油消耗測量原理

4）該方法可獲得實時在線測量結(jié)果，對任意運行工況，僅需幾分鐘即可完成機油消耗的測量，且在短時間內(nèi)即可獲得發(fā)動機的機油消耗譜圖。

1.4 硫平衡測試法

硫示蹤法也是可以測量發(fā)動機機油消耗的有效方法，是基于發(fā)動機輸入和輸出硫的質(zhì)量平衡來實現(xiàn)機油消耗檢測的方法，具體為：

進入燃燒室的硫來自于燃油、機油和進氣中含有的硫，排氣中的硫主要是SOx、COS和H2S等氣態(tài)組分以及顆粒物中的硫酸鹽，排氣中的硫總質(zhì)量基本等于進入氣缸的硫的總質(zhì)量，其中，動態(tài)輸入硫含量已知，即進氣中的硫、燃油里的硫、加入的機油里的硫均可以測量，即為已知參數(shù)。而發(fā)動機排氣中的硫包含‘近氣硫+燃油硫+機油消耗產(chǎn)生的硫’三部分，通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)化設(shè)備將排氣中的硫元素全部轉(zhuǎn)化為二氧化硫，再通過專用的分析設(shè)備，可以實時動態(tài)的分析出二氧化硫的含量，由此排氣中的二氧化硫含量得出硫元素的含量，去除已知的進氣、燃油所形成的硫，剩下的即為消耗機油所產(chǎn)生的硫元素，由此硫元素含量即可反推出機油消耗量。

2 各測試方法對比分析

測試發(fā)動機機油消耗量的方法多種多樣，但這其中也會有一些差異性，為更加準確的檢測一臺發(fā)動機的機油消耗量，我們也需要謹慎的選擇合適的測量方法。 通過實際的應(yīng)用分析，我們了解了各個機油消耗量測試方法的特點，簡要介紹如下：

1）人工液位-稱重法：該方法屬于消耗資源較少的測試方法，僅需人工讀液位、稱重、添加機油幾個簡單的步驟，雖然過程簡單，但伴隨而來的就是測量時間較長、人為誤差明顯、測量精度無法保證、測量結(jié)果一致性較差的問題。如果僅僅是大概的了解一臺發(fā)動機的機油消耗水平，可以采用這種方法。為盡可能的提高人工液位-稱重法的測量精度，一般是采用延長試驗時間的方法，這就導(dǎo)致了采用該方法無法實現(xiàn)測量機油消耗map的測量目標(biāo)。

2）自動液位-稱重法：該方法相較于人工液位-稱重法，采用了自動的測量設(shè)備，大大降低了人為不確定性誤差，提高了測量結(jié)果的一致性，也提高了測量結(jié)果的精確性，但同樣的，用此方法測量機油消耗，要想獲得更高的精度，也需要盡量延長測量時間，同樣也導(dǎo)致該方法不能用于測量發(fā)動機的機油消耗map圖。

3）示蹤元素測試法：該方法測量發(fā)動機的機油消耗量具有高精度、測試方便、快速、動態(tài)在線測量的特點，可在短時間內(nèi)測得一臺發(fā)動機的機油消耗map圖。但在這些優(yōu)點的背后，此方法也有較多的限制因素，例如：帶有放射性的機油添加劑，其內(nèi)部的放射性元素不可避免的有半衰期，隨著存放或者使用時間的延長，其內(nèi)部的放射性元素逐漸衰變，直至無法正常使用，這就導(dǎo)致添加的儲存局限性，同時示蹤元素測試法的測試費用較高，另外放射性添加劑的運輸、防護等也是需要考慮的問題。

4）硫元素平衡法：該方法相對來說測量精度較高、測試便捷、可動態(tài)在線測量，可完成多工況點機油消耗map圖的測量，另外該測量方法的限制因素較少，針對測量過程來說屬于較為良好的測試方法。硫平衡測試法的不足之處就在于其分析設(shè)備造價較高，一次性的投入需要去考慮。

3 結(jié)論

由于一臺發(fā)動機的機油消耗水平影響復(fù)雜，使得每一個研發(fā)和設(shè)計發(fā)動機的機構(gòu)和人員都無法忽視‘機油消耗量’的影響，如何去精確的、便捷的測量機油消耗量值得去探究。目前已知的測量發(fā)動機機油消耗量的方法有幾種：人工液位稱重法、自動液位稱重法、示蹤元素測試法、硫元素平衡法，每種方法均有其優(yōu)點也有其劣勢，通過本文可以大致了解這些方法的原理和優(yōu)劣，不同的測試目標(biāo)可以選擇不同的測試方法。本文意在為機油消耗量的測試方案提供一些參考。

[1] 陳家瑞.汽車構(gòu)造（第3版）[M].北京:人民交通出版社,2000.

[1] [韓]全興信 著.李忠福等譯.內(nèi)燃機學(xué)[M].機械工業(yè)出版社,2016.