车用发动机机油消耗量测量方法研究与评价

周大伟，杨勇，谢飞飞

（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230022）

引言

随着全球经济的发展，人民生活水平的提高，汽车已经走进千家万户，但汽车高速发展随之而来的环境问题也成为人们必须面对的问题。

汽车发动机是为汽车提供动力的装置，是汽车的心脏，决定着汽车的动力性和经济性；根据动力源不同，汽车发动机可分为柴油发动机、汽油发动机、电动汽车电动机以及混合动力等。针对常规的柴油发动机、汽油发动机，除动力性和经济性之外，其排放性能也是重要指标之一[1]。

影响一台发动机的排放性能的因素很多：燃烧状态、油品、后处理等等，其中发动机机油消耗量也是一个重要的影响因素。研究表明，发动机的机油消耗与发动机的PM排放有着密切的联系：首先，对于柴油机而言，机油在窜入燃烧室后，由于机油中含有的大量的可溶于有机溶液的可溶性有机物，有机物的碳原子数通常分布在C10以上，这些大分子组分会聚合成碳粒，同时，机油添加剂中的硫在燃烧后生成的硫酸盐会吸附在碳粒表面，共同组成柴油机排放的颗粒物；其次，对于汽油机而言，随着直喷高增压汽油机的发展，因为直喷汽油机有着较高的压缩比，缸内燃烧温度和压力较高，使机油更容易进入燃烧室，直喷汽油机的机油消耗现象愈加严重，机油消耗的增加，会导致缸内直喷汽油机的颗粒物排放增加。

机油消耗不仅仅影响一台发动机的排放性能，异常的机油消耗也会影响发动机的使用寿命[2]。由于机油消耗对发动机的多种影响，导致精确测量一台发动机的机油消耗尤为重要。本文主要对现已知的发动机机油消耗测量方法做介绍，并对比分析其优缺点，为测量方案的选择提供参考。

1 发动机机油消耗测试方法介绍

1.1 人工液位-称重法

在多种的机油耗测试方法中，人工液位称重法是较为传统的测量方法，具体的测量过程如下：

1）选择一个发动机工况点I，在该工况点I时，发动机能够保持一个相对稳定的机油压力、曲轴箱压力，既保持一个稳定的机油液位。使发动机在工况点I稳定运行一段时间（例如 10min）后，在发动机油底壳机油液位稳定后，通过一个由油底壳延伸出来的透明软管，借助U型液位原理读取油底壳内部的机油液位高度h0。

2）之后，将发动机在额定工况点稳定运行特定时间 t（15h～20h）后，记录运行时间t。

3）将发动机再次调节至工况点I，稳定运行一段时间（例如10min）后，同样方法读取油底壳液位高度h1，将h1与h0作对比，计算两者差值，该差值即是由于机油消耗而引起的机油液位下降，基于此液位差值Δh=h0-h1依据经验估算出需要试验前后机油消耗的量 L1，通过高精度电子秤称取L1的机油加入至发动机中，再次重复工况点I一段时间（例如10min），再次读取机油液位h2，若h2=h0，则t时间消耗机油量 L=L1；若 h2≠h0，则添加或放出机油进行修正，以此最终得出t时间消耗机油量L。

1.2 自动液位-称重法

自动液位称重法是基于人工液位称重法所作出的改进的测量机油消耗量的方法，是利用一套机油消耗测试设备代替人工，自动的完成机油消耗的测量。具体的测量过程及原理如下：

1）通过充油标定单元定量多次向油底壳充油，记录每次充油后机油液位，从而自动标定发动机油底壳液位和充油量的关系，拟合出关系曲线，后面可根据此标定曲线，由机油液位变化反推出机油量变化。

2）试验开始后，首先在一个稳定工况I下运行一定时间（例如10min）后，由设备自动精确测出油底壳机油液位h0，并记录，该稳定工况I下曲轴箱压力保持稳定，以保证机油液位稳定。

3）运行额定点运行一定时间 t（15～20h）后，将发动机再次调节至工况点I，稳定运行一段时间（例如10min）后，由设备自动记录此时的机油液位h1。

4）根据初试标定得出的机油液位和充油量的关系曲线，由机油液位 h0和 h1反推出油底壳机油量 L0和 L1，则L=L0-L1即为在t时间段内消耗的机油量。

图1 自动液位称重法设备示意

1.3 示踪元素测试法

示踪元素测试法也是一种可用于测试发动机机油消耗量的方法，除可以测量额定点工况的机油消耗量外，同样可以测取一台发动机的机油消耗map图，用具体原理如下：

1）配置一种带有放射性元素的机油添加剂，该添加剂并不会影响和改变机油的物理和化学特性，对发动机运行也无任何的影响。

2）在机油里添加一定量带有放射性示踪元素的添加剂，发动机运转时带动机油和示踪元素到发动机各部位，然后通过检测目标点的放射性强弱，即可判断该处的机油含量或者消耗量。

3）该方法采用全新放射性示踪剂对润滑油进行标识，在发动机运行过程中，示踪粒子可以在排气管路中被拦截和检测，从而计算出机油消耗结果。被拦截的示踪粒子数量与机油消耗量成正比，而示踪粒子的辐射量与粒子数量成正比，因此可以通过监测辐射值的变化确定机油消耗速率。

图2 示踪元素机油消耗测量原理

4）该方法可获得实时在线测量结果，对任意运行工况，仅需几分钟即可完成机油消耗的测量，且在短时间内即可获得发动机的机油消耗谱图。

1.4 硫平衡测试法

硫示踪法也是可以测量发动机机油消耗的有效方法，是基于发动机输入和输出硫的质量平衡来实现机油消耗检测的方法，具体为：

进入燃烧室的硫来自于燃油、机油和进气中含有的硫，排气中的硫主要是SOx、COS和H2S等气态组分以及颗粒物中的硫酸盐，排气中的硫总质量基本等于进入气缸的硫的总质量，其中，动态输入硫含量已知，即进气中的硫、燃油里的硫、加入的机油里的硫均可以测量，即为已知参数。而发动机排气中的硫包含‘近气硫+燃油硫+机油消耗产生的硫’三部分，通过相应的转化设备将排气中的硫元素全部转化为二氧化硫，再通过专用的分析设备，可以实时动态的分析出二氧化硫的含量，由此排气中的二氧化硫含量得出硫元素的含量，去除已知的进气、燃油所形成的硫，剩下的即为消耗机油所产生的硫元素，由此硫元素含量即可反推出机油消耗量。

2 各测试方法对比分析

测试发动机机油消耗量的方法多种多样，但这其中也会有一些差异性，为更加准确的检测一台发动机的机油消耗量，我们也需要谨慎的选择合适的测量方法。 通过实际的应用分析，我们了解了各个机油消耗量测试方法的特点，简要介绍如下：

1）人工液位-称重法：该方法属于消耗资源较少的测试方法，仅需人工读液位、称重、添加机油几个简单的步骤，虽然过程简单，但伴随而来的就是测量时间较长、人为误差明显、测量精度无法保证、测量结果一致性较差的问题。如果仅仅是大概的了解一台发动机的机油消耗水平，可以采用这种方法。为尽可能的提高人工液位-称重法的测量精度，一般是采用延长试验时间的方法，这就导致了采用该方法无法实现测量机油消耗map的测量目标。

2）自动液位-称重法：该方法相较于人工液位-称重法，采用了自动的测量设备，大大降低了人为不确定性误差，提高了测量结果的一致性，也提高了测量结果的精确性，但同样的，用此方法测量机油消耗，要想获得更高的精度，也需要尽量延长测量时间，同样也导致该方法不能用于测量发动机的机油消耗map图。

3）示踪元素测试法：该方法测量发动机的机油消耗量具有高精度、测试方便、快速、动态在线测量的特点，可在短时间内测得一台发动机的机油消耗map图。但在这些优点的背后，此方法也有较多的限制因素，例如：带有放射性的机油添加剂，其内部的放射性元素不可避免的有半衰期，随着存放或者使用时间的延长，其内部的放射性元素逐渐衰变，直至无法正常使用，这就导致添加的储存局限性，同时示踪元素测试法的测试费用较高，另外放射性添加剂的运输、防护等也是需要考虑的问题。

4）硫元素平衡法：该方法相对来说测量精度较高、测试便捷、可动态在线测量，可完成多工况点机油消耗map图的测量，另外该测量方法的限制因素较少，针对测量过程来说属于较为良好的测试方法。硫平衡测试法的不足之处就在于其分析设备造价较高，一次性的投入需要去考虑。

3 结论

由于一台发动机的机油消耗水平影响复杂，使得每一个研发和设计发动机的机构和人员都无法忽视‘机油消耗量’的影响，如何去精确的、便捷的测量机油消耗量值得去探究。目前已知的测量发动机机油消耗量的方法有几种：人工液位称重法、自动液位称重法、示踪元素测试法、硫元素平衡法，每种方法均有其优点也有其劣势，通过本文可以大致了解这些方法的原理和优劣，不同的测试目标可以选择不同的测试方法。本文意在为机油消耗量的测试方案提供一些参考。

[1] 陈家瑞.汽车构造（第3版）[M].北京:人民交通出版社,2000.

[1] [韩]全兴信 著.李忠福等译.内燃机学[M].机械工业出版社,2016.