摘要：為檢測汽油機(jī)機(jī)油消耗與排放中粒子數(shù)量（particle number，PN）的關(guān)系，采用硫示蹤法對增壓直噴汽油機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)工況機(jī)油消耗試驗(yàn)研究，并采用不同彈力的活塞環(huán)組進(jìn)行全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)（worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC）機(jī)油消耗及PN試驗(yàn)對比。試驗(yàn)結(jié)果表明：穩(wěn)態(tài)工況下，硫示蹤法與傳統(tǒng)稱質(zhì)量法機(jī)油消耗率的相關(guān)系數(shù)為0.93，一致性良好；機(jī)油消耗率隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速增加逐漸升高，額定功率時達(dá)到最大；瞬態(tài)工況的機(jī)油消耗與發(fā)動機(jī)初始工況、轉(zhuǎn)速變化率、轉(zhuǎn)矩變化率有關(guān)，轉(zhuǎn)矩變化率、轉(zhuǎn)速變化率越大，機(jī)油消耗率和PN峰值越高；WLTC工況下，高彈力活塞環(huán)組可降低機(jī)油消耗率和PN；機(jī)油消耗率與PN有相同的變化趨勢。

關(guān)鍵詞：直噴汽油發(fā)動機(jī)；瞬態(tài)工況；機(jī)油消耗；硫示蹤法；PN；活塞環(huán)彈力

中圖分類號：TK417文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1673-6397（2024）05-0044-06

引用格式：程傳輝，王樹青，徐政.基于硫示蹤法機(jī)油消耗的試驗(yàn)研究［J］.內(nèi)燃機(jī)與動力裝置，2024，41（5）：44-49.

CHENG Chuanhui，WANG Shuqing，XU Zheng.Experimental study on engine oil consumption based on sulfur tracing method［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2024，41（5）：44-49.

0 引言

機(jī)油消耗是評價發(fā)動機(jī)開發(fā)質(zhì)量的重要指標(biāo)，對發(fā)動機(jī)排放、燃油經(jīng)濟(jì)性、耐久性、可靠性、使用成本和客戶體驗(yàn)有重要影響，體現(xiàn)了發(fā)動機(jī)的設(shè)計、制造水平。隨著排放標(biāo)準(zhǔn)的加嚴(yán)及超高效率混動專用發(fā)動機(jī)的開發(fā)，平衡機(jī)油消耗、燃油消耗及顆粒排放成為重要的研究方向。

發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，缸內(nèi)各部件如活塞環(huán)組、曲軸箱通風(fēng)、增壓器和氣門油封均產(chǎn)生部分機(jī)油消耗，通常認(rèn)為缸內(nèi)各部件的機(jī)油消耗占機(jī)油總消耗的80%以上^[1-2]；但如果發(fā)動機(jī)處于非正常工作狀態(tài)，機(jī)油消耗可能會異常升高?，F(xiàn)有研究表明，機(jī)油消耗與發(fā)動機(jī)排放中粒子數(shù)量（particle number，PN）密切聯(lián)系，一臺四沖程六缸柴油機(jī)約40%的PN由機(jī)油消耗產(chǎn)生，機(jī)油消耗增大會影響發(fā)動機(jī)性能。柴油機(jī)機(jī)油竄入燃燒室后，機(jī)油中大量大分子可溶性有機(jī)物聚合成碳粒，同時機(jī)油添加劑中的硫燃燒后生成的硫酸鹽吸附在碳粒表面，共同組成柴油機(jī)排放顆粒物^[3-4]。直噴汽油機(jī)壓縮比較高，機(jī)油容易進(jìn)入燃燒室，機(jī)油消耗增加，進(jìn)一步加劇污染物排放^[5]；機(jī)油消耗使活塞與氣缸之間的油膜變薄，加劇不同部件間的磨損，減少零件壽命；機(jī)油消耗使缸內(nèi)積碳增加，加劇各部件間摩擦造成的磨損及機(jī)油劣化，降低發(fā)動機(jī)可靠性。

為了提高發(fā)動機(jī)的整體性能，應(yīng)減少發(fā)動機(jī)非正常機(jī)油消耗。目前多采用稱質(zhì)量法和硫示蹤法檢測發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中的機(jī)油消耗。傳統(tǒng)的稱質(zhì)量法測量發(fā)動機(jī)運(yùn)行一定時間后機(jī)油減少的質(zhì)量，測量速度慢，流程復(fù)雜，受人為操作影響較大，且只能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工況測量；相比傳統(tǒng)稱質(zhì)量法，硫示蹤法測量時間短、流程簡單、重復(fù)性好、測量精度高，且能進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)工況機(jī)油消耗測量，近年來得到了廣泛應(yīng)用^[6-7]。

本文中采用硫示蹤法對某1.5 L直噴增壓汽油機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)工況機(jī)油消耗測量，分析機(jī)油消耗與PN之間的關(guān)聯(lián)，并對比不同彈力的活塞環(huán)對瞬態(tài)工況PN和機(jī)油消耗的影響，為減少發(fā)動機(jī)非正常機(jī)油消耗提供參考。

1 試驗(yàn)方法和設(shè)備

1.1 試驗(yàn)方法

硫示蹤法測量機(jī)油消耗的原理是使用硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的機(jī)油和硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較小的燃油進(jìn)行發(fā)動機(jī)工況試驗(yàn)，部分機(jī)油進(jìn)入燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生二氧化硫，通過測量發(fā)動機(jī)廢氣中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，結(jié)合機(jī)油中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)計算發(fā)動機(jī)機(jī)油消耗率。發(fā)動機(jī)機(jī)油消耗率

q_m，1=q_m，2（w₁-w₂）/w₃

式中：q_m，2為排氣氣體質(zhì)量流量，g/h；w₁、w₂、w₃分別為廢氣、燃油、機(jī)油中硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

為了提高測量精度，消除燃油中的硫?qū)C(jī)油消耗測量的影響，本文中使用非活性硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.1%的機(jī)油及硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 01%的燃油進(jìn)行試驗(yàn)，對比硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的普通機(jī)油及硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 07%的普通燃油，廢氣中SO₂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯提高，避開了測量設(shè)備極小測量區(qū)間，可根據(jù)排氣中SO₂的體積分?jǐn)?shù)分析機(jī)油消耗率。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為缸內(nèi)直噴、4沖程、增壓汽油機(jī)，發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

根據(jù)不同的測量原理，可采用紅外光譜法、紫外熒光法和質(zhì)譜儀法測量機(jī)油消耗，本文中采用傅里葉變換紅外光譜法（Fourier transform infrared spectroscopy，F(xiàn)TIR）測量機(jī)油消耗。使用AVL SESAM i60 FTIR設(shè)備測量廢氣排放中二氧化硫的體積分?jǐn)?shù)，OSWALD DYNAS3 LI350電力測功機(jī)控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩，Horiba FQ-2200CR連續(xù)質(zhì)量流量油耗儀測量燃油消耗，AVL 489設(shè)備測量PN，發(fā)動機(jī)臺架示意圖如圖1所示。AVL SESAM i60 FTIR設(shè)備的量程為（0.5～1 000）×10^-6，精度小于滿量程的1.0%，重復(fù)性小于0.5%；采用體積分?jǐn)?shù)為20×10^-6的SO₂標(biāo)準(zhǔn)氣體對AVL SESAM i60 FTIR的超低量程區(qū)間進(jìn)行精細(xì)化標(biāo)定，提高小量程測量精度。

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)態(tài)工況

不同發(fā)動機(jī)工況下，采用硫示蹤法與稱質(zhì)量法進(jìn)行機(jī)油消耗率測試對比，為了覆蓋全工況map的機(jī)油消耗，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速從低轉(zhuǎn)速到額定功率轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)轉(zhuǎn)矩從小、中轉(zhuǎn)矩到最大轉(zhuǎn)矩，設(shè)硫示蹤法測試機(jī)油消耗率為q_m，A，稱質(zhì)量法測試機(jī)油消耗率為q_m，B，不同穩(wěn)態(tài)工況下兩種方法機(jī)油消耗率測試對比如表2所示。

由表2可知：發(fā)動機(jī)機(jī)油消耗率隨轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的增加逐漸升高，額定功率時機(jī)油消耗率最大，硫示蹤法、稱質(zhì)量法的最大機(jī)油消耗率分別為32.1、37.7 g/h。

硫示蹤法與稱質(zhì)量法的相關(guān)性分析如圖2所示，2種方法測量機(jī)油消耗率的相關(guān)因數(shù)為0.93，表明測量結(jié)果一致性較好，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，硫示蹤法的測量精度和準(zhǔn)確度符合測量要求。

2.2 瞬態(tài)機(jī)油消耗與PN關(guān)聯(lián)性

2.2.1 瞬態(tài)加速工況

選取不同的瞬態(tài)加速工況進(jìn)行機(jī)油消耗測試，工況A初始轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，初始轉(zhuǎn)矩分別為7、40 N·m（記為工況A₁、A₂），節(jié)氣門經(jīng)過1 s全部打開；工況B初始轉(zhuǎn)速為怠速850 r/min，初始轉(zhuǎn)矩為3 N·m，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速分別經(jīng)過1、9 s（記為工況B₁、B₂）提高到1 500 r/min，節(jié)氣門全開。發(fā)動機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，A₁、A₂工況下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩、進(jìn)氣歧管壓力、單位體積PN及排放中SO₂體積分?jǐn)?shù)如圖3所示；B₁、B₂工況下，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、單位體積的PN及排放中SO₂體積分?jǐn)?shù)如圖4所示。

由圖3可知：A₁工況單位體積PN和排放中SO₂體積分?jǐn)?shù)明顯大于A₂工況；轉(zhuǎn)矩變化率越大，單位體積PN和SO₂體積分?jǐn)?shù)的峰值越大。主要原因?yàn)榈娃D(zhuǎn)矩時，進(jìn)氣歧管和缸內(nèi)壓力較低，更多的機(jī)油通過氣門導(dǎo)軌進(jìn)入燃燒室；同時由于缸內(nèi)壓力低，在活塞往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力作用下，進(jìn)入氣缸的機(jī)油增加，低轉(zhuǎn)矩下加速工況增大了單位體積PN和機(jī)油消耗率^[8]。

由圖4可知：B₁、B₂工況單位體積PN和SO₂體積分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值后逐漸降低到穩(wěn)定水平；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化率越大，單位體積PN和SO₂體積分?jǐn)?shù)的峰值越大。主要原因可能為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化率增大，在活塞往復(fù)運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力作用下，進(jìn)入氣缸的機(jī)油增加，通過氣環(huán)環(huán)隙和環(huán)槽進(jìn)入缸內(nèi)的含有機(jī)油的燃?xì)庠龆?，?dǎo)致單位體積PN增加，機(jī)油消耗率增大^[9]。

以上研究表明發(fā)動機(jī)工況變化的劇烈程度影響排放中PN和機(jī)油消耗，且機(jī)油消耗與PN的關(guān)聯(lián)性較大。

2.2.2 機(jī)油消耗與PN

由于顆粒物排放主要由燃油及機(jī)油燃燒造成，并且90%的機(jī)油燃燒來源于缸內(nèi)機(jī)油。為了分析活塞環(huán)組對發(fā)動機(jī)機(jī)油消耗和PN的影響，使用原活塞環(huán)及活塞環(huán)組總彈力增加4.5 N（其中第一道氣環(huán)彈力增加1.5 N，第二道氣環(huán)彈力保持不變，第三道油環(huán)彈力增加3.0 N）的2組活塞環(huán)（分別記為原方案、改進(jìn)方案）進(jìn)行全球統(tǒng)一輕型車輛測試循環(huán)（worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC）工況試驗(yàn)，不同方案下累計PN、機(jī)油消耗對比如圖5所示。

由圖5可知：原方案的累計PN及機(jī)油消耗質(zhì)量明顯高于改進(jìn)方案，累計機(jī)油消耗質(zhì)量與累計PN總量關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。

為進(jìn)一步分析累計機(jī)油消耗與累計PN的關(guān)聯(lián)性，截取原方案中PN上升較快的部分時段（第771.5～775.5秒），進(jìn)行瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩、單位體積PN、瞬態(tài)機(jī)油消耗率對比分析，不同方案下的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩、PN、機(jī)油消耗率如圖6所示。

由圖6可知：發(fā)動機(jī)從低轉(zhuǎn)矩快速升高至高轉(zhuǎn)矩時，瞬態(tài)機(jī)油消耗率升高，瞬態(tài)單位體積PN增大；活塞環(huán)組彈力增大，進(jìn)入燃燒室的機(jī)油減少，機(jī)油消耗率明顯下降，單位體積PN峰值明顯降低；機(jī)油消耗率與單位體積PN之間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。

3 結(jié)論

基于硫示蹤法分析了某1.5 L增壓發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)機(jī)油消耗率，主要結(jié)論如下。

1）穩(wěn)態(tài)工況下，硫示蹤法與稱質(zhì)量法測試機(jī)油消耗率的一致性較好，相關(guān)因數(shù)為0.93；隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速增大，機(jī)油消耗率增加；額定功率時機(jī)油消耗率最大，采用硫示蹤法該發(fā)動機(jī)最大機(jī)油消耗率為32.1 g/h。

2）瞬態(tài)工況機(jī)油消耗率與發(fā)動機(jī)初始工況及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化率有關(guān)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩變化率越大，機(jī)油消耗率和單位體積PN峰值越高，機(jī)油消耗與單位體積PN之間存在較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。

3）高彈力活塞環(huán)組有利于降低機(jī)油消耗率和PN。

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Experimental study on engine oil consumption based on sulfur tracing method

CHENG Chuanhui^1，2， WANG Shuqing^1，2， XU Zheng^1，2

1.SAIC Motor Technical Center， Shanghai 201804， China；2.Shanghai Key Laboratory of Automobile Powertrain， Shanghai 201804， China

Abstract： In order to detect the relationship between engine oil consumption and particle number （PN） emissions， the sulfur tracing method is used for steady and transient oil consumption tests on a turbocharged direct injection gasoline engines. Piston ring groups with different tension are used to compare oil consumption and PN emissions of the worldwide harmonized light vehicles test cycle（WLTC）. The test results show that under steady conditions， the correlation coefficient between the sulfur tracing method and the traditional weighing method for oil consumption rate is 0.93， and the consistency is good. The oil consumption rate increases gradually with the increase of engine torque and speed， and the rated power reaches the maximum. The oil consumption rate under the transient condition is related to the engine initial condition， speed change rate and torque change rate.The greater the torque change rate and speed change rate are， the higher the peak value of oil consumption rate and PN emissions is. Under the WLTC， the high tension piston ring group can reduce the oil consumption rate and PN emissions. The oil consumption rate and PN emission have the same change trend.

Keywords：direct injection gasoline engine; transient condition; oil consumption; sulfur tracing method; PN; piston ring tension

（責(zé)任編輯：胡曉燕）