周大偉，楊勇，謝飛飛

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)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(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，汽車(chē)已經(jīng)走進(jìn)千家萬(wàn)戶，但汽車(chē)高速發(fā)展隨之而來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也成為人們必須面對(duì)的問(wèn)題。

汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)是為汽車(chē)提供動(dòng)力的裝置，是汽車(chē)的心臟，決定著汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性；根據(jù)動(dòng)力源不同，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)可分為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)汽車(chē)電動(dòng)機(jī)以及混合動(dòng)力等。針對(duì)常規(guī)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，除動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性之外，其排放性能也是重要指標(biāo)之一[1]。

影響一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量也是一個(gè)重要的影響因素。研究表明，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗與發(fā)動(dòng)機(jī)的PM排放有著密切的聯(lián)系：首先，對(duì)于柴油機(jī)而言，機(jī)油在竄入燃燒室后，由于機(jī)油中含有的大量的可溶于有機(jī)溶液的可溶性有機(jī)物，有機(jī)物的碳原子數(shù)通常分布在C10以上，這些大分子組分會(huì)聚合成碳粒，同時(shí)，機(jī)油添加劑中的硫在燃燒后生成的硫酸鹽會(huì)吸附在碳粒表面，共同組成柴油機(jī)排放的顆粒物；其次，對(duì)于汽油機(jī)而言，隨著直噴高增壓汽油機(jī)的發(fā)展，因?yàn)橹眹娖蜋C(jī)有著較高的壓縮比，缸內(nèi)燃燒溫度和壓力較高，使機(jī)油更容易進(jìn)入燃燒室，直噴汽油機(jī)的機(jī)油消耗現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，機(jī)油消耗的增加，會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的顆粒物排放增加。

機(jī)油消耗不僅僅影響一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能，異常的機(jī)油消耗也會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[2]。由于機(jī)油消耗對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的多種影響，導(dǎo)致精確測(cè)量一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗尤為重要。本文主要對(duì)現(xiàn)已知的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗測(cè)量方法做介紹，并對(duì)比分析其優(yōu)缺點(diǎn)，為測(cè)量方案的選擇提供參考。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗測(cè)試方法介紹

1.1 人工液位-稱重法

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

1）選擇一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)I，在該工況點(diǎn)I時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)能夠保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的機(jī)油壓力、曲軸箱壓力，既保持一個(gè)穩(wěn)定的機(jī)油液位。使發(fā)動(dòng)機(jī)在工況點(diǎn)I穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間（例如 10min）后，在發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼機(jī)油液位穩(wěn)定后，通過(guò)一個(gè)由油底殼延伸出來(lái)的透明軟管，借助U型液位原理讀取油底殼內(nèi)部的機(jī)油液位高度h0。

2）之后，將發(fā)動(dòng)機(jī)在額定工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行特定時(shí)間 t（15h～20h）后，記錄運(yùn)行時(shí)間t。

3）將發(fā)動(dòng)機(jī)再次調(diào)節(jié)至工況點(diǎn)I，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)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(duì)比，計(jì)算兩者差值，該差值即是由于機(jī)油消耗而引起的機(jī)油液位下降，基于此液位差值Δh=h0-h1依據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算出需要試驗(yàn)前后機(jī)油消耗的量 L1，通過(guò)高精度電子秤稱取L1的機(jī)油加入至發(fā)動(dòng)機(jī)中，再次重復(fù)工況點(diǎn)I一段時(shí)間（例如10min），再次讀取機(jī)油液位h2，若h2=h0，則t時(shí)間消耗機(jī)油量 L=L1；若 h2≠h0，則添加或放出機(jī)油進(jìn)行修正，以此最終得出t時(shí)間消耗機(jī)油量L。

1.2 自動(dòng)液位-稱重法

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

1）通過(guò)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(jī)油液位，從而自動(dòng)標(biāo)定發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)油液位變化反推出機(jī)油量變化。

2）試驗(yàn)開(kāi)始后，首先在一個(gè)穩(wěn)定工況I下運(yùn)行一定時(shí)間（例如10min）后，由設(shè)備自動(dòng)精確測(cè)出油底殼機(jī)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(jī)油液位穩(wěn)定。

3）運(yùn)行額定點(diǎn)運(yùn)行一定時(shí)間 t（15～20h）后，將發(fā)動(dòng)機(jī)再次調(diào)節(jié)至工況點(diǎn)I，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間（例如10min）后，由設(shè)備自動(dòng)記錄此時(shí)的機(jī)油液位h1。

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

圖1 自動(dòng)液位稱重法設(shè)備示意

1.3 示蹤元素測(cè)試法

示蹤元素測(cè)試法也是一種可用于測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量的方法，除可以測(cè)量額定點(diǎn)工況的機(jī)油消耗量外，同樣可以測(cè)取一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)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(jī)油添加劑，該添加劑并不會(huì)影響和改變機(jī)油的物理和化學(xué)特性，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行也無(wú)任何的影響。

2）在機(jī)油里添加一定量帶有放射性示蹤元素的添加劑，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)帶動(dòng)機(jī)油和示蹤元素到發(fā)動(dòng)機(jī)各部位，然后通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)點(diǎn)的放射性強(qiáng)弱，即可判斷該處的機(jī)油含量或者消耗量。

3）該方法采用全新放射性示蹤劑對(duì)潤(rùn)滑油進(jìn)行標(biāo)識(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，示蹤粒子可以在排氣管路中被攔截和檢測(cè)，從而計(jì)算出機(jī)油消耗結(jié)果。被攔截的示蹤粒子數(shù)量與機(jī)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(guò)監(jiān)測(cè)輻射值的變化確定機(jī)油消耗速率。

圖2 示蹤元素機(jī)油消耗測(cè)量原理

4）該方法可獲得實(shí)時(shí)在線測(cè)量結(jié)果，對(duì)任意運(yùn)行工況，僅需幾分鐘即可完成機(jī)油消耗的測(cè)量，且在短時(shí)間內(nèi)即可獲得發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗譜圖。

1.4 硫平衡測(cè)試法

硫示蹤法也是可以測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗的有效方法，是基于發(fā)動(dòng)機(jī)輸入和輸出硫的質(zhì)量平衡來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)油消耗檢測(cè)的方法，具體為：

進(jìn)入燃燒室的硫來(lái)自于燃油、機(jī)油和進(jìn)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(jìn)入氣缸的硫的總質(zhì)量，其中，動(dòng)態(tài)輸入硫含量已知，即進(jìn)氣中的硫、燃油里的硫、加入的機(jī)油里的硫均可以測(cè)量，即為已知參數(shù)。而發(fā)動(dòng)機(jī)排氣中的硫包含‘近氣硫+燃油硫+機(jī)油消耗產(chǎn)生的硫’三部分，通過(guò)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(guò)專(zhuān)用的分析設(shè)備，可以實(shí)時(shí)動(dòng)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(jìn)氣、燃油所形成的硫，剩下的即為消耗機(jī)油所產(chǎn)生的硫元素，由此硫元素含量即可反推出機(jī)油消耗量。

2 各測(cè)試方法對(duì)比分析

測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量的方法多種多樣，但這其中也會(huì)有一些差異性，為更加準(zhǔn)確的檢測(cè)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗量，我們也需要謹(jǐn)慎的選擇合適的測(cè)量方法。 通過(guò)實(shí)際的應(yīng)用分析，我們了解了各個(gè)機(jī)油消耗量測(cè)試方法的特點(diǎn)，簡(jiǎn)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(cè)試方法，僅需人工讀液位、稱重、添加機(jī)油幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟，雖然過(guò)程簡(jiǎn)單，但伴隨而來(lái)的就是測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)、人為誤差明顯、測(cè)量精度無(wú)法保證、測(cè)量結(jié)果一致性較差的問(wèn)題。如果僅僅是大概的了解一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)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(cè)量精度，一般是采用延長(zhǎng)試驗(yàn)時(shí)間的方法，這就導(dǎo)致了采用該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)量機(jī)油消耗map的測(cè)量目標(biāo)。

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

3）示蹤元素測(cè)試法：該方法測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗量具有高精度、測(cè)試方便、快速、動(dòng)態(tài)在線測(cè)量的特點(diǎn)，可在短時(shí)間內(nèi)測(cè)得一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗map圖。但在這些優(yōu)點(diǎn)的背后，此方法也有較多的限制因素，例如：帶有放射性的機(jī)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(shí)間的延長(zhǎng)，其內(nèi)部的放射性元素逐漸衰變，直至無(wú)法正常使用，這就導(dǎo)致添加的儲(chǔ)存局限性，同時(shí)示蹤元素測(cè)試法的測(cè)試費(fèi)用較高，另外放射性添加劑的運(yùn)輸、防護(hù)等也是需要考慮的問(wèn)題。

4）硫元素平衡法：該方法相對(duì)來(lái)說(shuō)測(cè)量精度較高、測(cè)試便捷、可動(dòng)態(tài)在線測(cè)量，可完成多工況點(diǎn)機(jī)油消耗map圖的測(cè)量，另外該測(cè)量方法的限制因素較少，針對(duì)測(cè)量過(guò)程來(lái)說(shuō)屬于較為良好的測(cè)試方法。硫平衡測(cè)試法的不足之處就在于其分析設(shè)備造價(jià)較高，一次性的投入需要去考慮。

3 結(jié)論

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

[1] 陳家瑞.汽車(chē)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(jī)學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2016.