利用黏度變化快速測定新型直噴發動機汽油稀釋的實驗研究

胡云昊，劉紅美，楊友文

(上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804)

1 概述

1.1 汽油稀釋

汽油稀釋是汽車發動機運行過程中，汽油進入到發動機油中的現象。汽油發動機正常運行燃燒過程中，汽油進入發動機氣缸燃燒，尚未燃燒的汽油沿著氣缸壁進入油底殼，與發動機油發生混合[1-4]。過去，汽油發動機主要以氣道噴射為主，此類發動機的汽油噴射在氣道口，進入氣缸時霧化較好，與空氣混合均勻，只有很少量的汽油進入到油底殼，因此對汽油稀釋的影響關注較少。隨著油耗法規的日趨嚴格，以及對汽車性能的追求，汽油機直噴技術，尤其是汽油機增壓直噴技術逐漸普及[5]。增壓直噴發動機，由于汽油直接噴入氣缸，極易造成未燃燒的汽油進入油底殼[6]。汽油稀釋造成機油閉口閃點下降[7]；機油黏度下降，機油壓力不足，易造成發動機異常磨損[1，8]；汽油中的酸性物質混入機油，影響機油壽命[4]；未燃燒完成的碳煙也隨汽油進入機油中，增加鏈條、機油泵的磨損，破壞油封等密封，增加活塞沉積物等等[9]。因此，需要在發動機開發和驗證試驗中，密切關注汽油稀釋的狀態，保證量產發動機在綜合工況下，保持較小的汽油稀釋率[10]。

1.2 汽油稀釋的測定方法

傳統的發動機油汽油稀釋的測定方法包括氣相色譜法，熱重法等。近些年的研究表明，紅外光譜和表面聲波技術也可用于汽油稀釋的測定[11-12]。針對試驗后發動機油的汽油稀釋測定，氣相色譜法是最主要的檢測手段。氣相色譜法通過分割汽油組分峰與潤滑油組分峰積分時間，得出機油中的汽油稀釋[13]。該方法測試準確性高，但測試設備昂貴，導致測試費用高，只有少數實驗室有經驗準確測定，且設備無法攜帶，不能滿足發動機和整車試驗中大量的、快速的汽油稀釋測定要求。熱重法是目前試驗中高頻次監測汽油稀釋的主要手段。熱重法利用汽油易揮發的特性，將舊機油在烘箱中加熱到一定溫度，測定汽油揮發后的機油重量，和原重量對比，計算汽油稀釋率。該方法測試設備簡單，但誤差大，合適的溫度和時間很難選擇，難以保證只有汽油揮發，也難以保證汽油能充分揮發，同時該方法操作相對復雜，有一定的危險性。為滿足發動機和整車試驗中大量的、快速的汽油稀釋測定要求，需要一種新型的測定方法。本文所研究介紹的是以低成本、快速、簡便和有效地測定試驗后發動機油的汽油稀釋的方法。

2 試驗原理及測試方法

2.1 試驗原理

由于油品的黏度取決于流體分子的性質以及分子間的相互作用，混有汽油的發動機油屬于一種復雜的混合物，所以通常的混合規則并不適用于計算其黏度。1887年，Arrhenius基于理想溶液提出了對數混合規則，該模型由于計算稠油和輕質油混合黏度較好，所以被推薦用于計算混合油品黏度[14]。

根據Arrhenius公式，在溫度一定的情況下，可以推導出兩種混合液體動力黏度與混合比例間存在如下近似關系：

(1)

其中:x1、x2——兩種液體的體積比例；

η——混合液體的動力黏度；

η1、η2——兩種混合液體的動力黏度。

在一定溫度下，式1中的η1和η2是常量，x1與x2之和為100%。因此，lnη與x1呈線性關系。同時，混合液體密度一定，體積和質量存在線性換算關系。為了汽油稀釋的計算方便，體積比可看做質量比，即可推導出下式：

wt%=(alnη+b)×100%

(2)

其中:wt%——汽油稀釋率；

η——混合液體的動力黏度；

a、b——常數。

根據不同機油自身的黏度特性，以及機油對汽油稀釋的黏度保持性能，a、b會有不同值。從式2中可以看出，只要確定某款機油的a、b值，就可以快速地通過機油黏度測定的結果計算出汽油在舊機油中的質量百分比，即汽油稀釋。

2.2 測試方法

在某一恒定的溫度下，測定一定體積的液體在重力下流過一個標定好的玻璃毛細管黏度計的時間，黏度計的毛細管常數與流動時間的乘積，即為該溫度下測定液體的運動黏度。發動機油的100 ℃運動黏度是其黏度級別分類的重要指標，是機油檢測的常用參數，但由于式2中的黏度參數為動力黏度，為了測試的便利性，也需要對比分析使用100 ℃運動黏度替代動力黏度的可行性。

鑒于舊機油本身存在的客觀誤差，在推導常數a、b時，先采用新機油與汽油混合，得到黏度與混合比之間的曲線關系，通過數據擬合，得到a、b值。舊機油所造成的計算測試誤差，由于極度的復雜性，影響比例也不大，采用歷史數據擬合的方法，予以消除。

3 測試結果及誤差分析

3.1 測試結果

在應用于某款新型汽油直噴發動機A的新機油中混入不高于20%的汽油，制備汽油與發動機油的混合液體。眾所周知，一定溫度下，潤滑油的動力黏度是運動黏度與密度的乘積[15]。通過100 ℃運動黏度的測定和密度測定，可繪出汽油含量和混合液體100 ℃動力黏度的關系曲線(見圖1)，通過自然對數擬合，得到a、b值。為方便計算，假設運動黏度和汽油稀釋間也有這樣的對數關系，擬合出另一條曲線(見圖1)，運動黏度和汽油稀釋間的關系如下：

wt%=(A1lnV+B1)×100%

(3)

其中:wt%——汽油稀釋率;

V——混合液體的運動黏度;

A1、B1——常數。

圖1 發動機A機油黏度與汽油稀釋率的關系

考慮到發動機油一般測定100 ℃運動黏度而非動力黏度，因此，需要研究采用式3代替式2的可行性。

如圖2所示，混合液體的密度和汽油含量之間也存在線性關系，所以，可以將動力黏度用運動黏度和汽油含量的關系式表示：

η=(-0.0014×wt+0.8033)×V

(4)

其中:wt——汽油稀釋率；

η——混合液體的動力黏度；

V——混合液體的運動黏度。

圖2 混合液體密度與汽油稀釋率的關系

采用式3擬合混合液體在不同運動黏度下的汽油稀釋率，通過式4計算相應的動力黏度，再將這一系列的動力黏度代入式2計算汽油稀釋率。比較該計算方法下混合液體的汽油稀釋率與直接采用圖1中動力黏度擬合的汽油稀釋率，兩者差值如圖3所示。結果表明，采用式3計算的汽油稀釋率比式2計算的汽油稀釋率僅相差不到0.07%。同時，式3擬合曲線的R2值達到0.9961。因此，采用式3計算汽油稀釋率是可行的。

圖3 不同黏度下式3與式2計算汽油稀釋率差值

使用后的舊機油與新機油間存在一定的差異，由于機油本身在使用過程中會發生黏度的變化，其中的部分黏指劑在使用過程中被剪切變成小分子，使得機油黏度減小，而使用一段時間后，自身發生氧化，使得機油黏度上升。為減少該誤差，總結了過去兩年內該新型汽油直噴發動機A耐久試驗汽油稀釋和黏度間的關系，將實測的汽油稀釋數據分別代入式3，得到100 ℃運動黏度的計算值。比較計算值和實測值，結果表明絕大部分實測黏度結果要大于預估的結果。由于耐久試驗控制換油周期，沒有油樣發生急劇氧化導致黏度急劇上升的情況，在規定的換油期內，無論換油時間長短變化，黏度的氧化增長并沒有明顯的趨勢，而是在一個范圍內，因此兩者的差異可以作為修正誤差，若對這些差值進行算術平均，可得到修正誤差△V，使用該經驗值修正式3，得到下式：

wt%=(A1ln(V-△V1)+B1)×100%

(5)

通過測定機油樣品的100 ℃運動黏度并將值代入式5，即可測得該發動機油樣的汽油稀釋值。

為了驗證該方法的普適性，將此方法運用到另一規格的機油上，同樣得到應用于另一款新型汽油直噴發動機B的新機油100 ℃運動黏度與汽油稀釋間的關系(見圖4)，并通過數據修正，得到下式：

wt%=(A2ln(V-△V2)+B2)×100%

(6)

圖4 發動機B機油黏度與汽油稀釋率的關系

通過測定機油樣品的100 ℃運動黏度并將值代入式6，即可測得該新型汽油直噴發動機B機油樣品的汽油稀釋值。

當然，該方法也適用于其他直噴汽油發動機和發動機油，但相應的公式需要使用新油推導。

3.2 誤差分析

以氣相色譜法測定的歷史汽油稀釋數據為基準，比較黏度變化法的測試準確度。

圖5和圖6統計了發動機A和發動機B分別在氣相色譜法和黏度變化法所測得的汽油稀釋的差值。其中，正值代表黏度變化法所測得汽油稀釋值大于氣相色譜法，負值則反之，單位為質量百分比。從統計學上分析來看，兩種發動機的歷史汽油稀釋數據P值大于0.06，可以認為都是正態分布的。

圖5 發動機A的歷史數據差值

圖6 發動機B的歷史數據差值

圖7和圖8利用統計學手段進一步分析了發動機A的歷史汽油稀釋數據差值。相比于氣相色譜法，歷史數據通過黏度變化法測定汽油稀釋，差值均能達到±2%以內。通過統計學方法分析，±1%差值時Cpk為0.37，即約75%的測試誤差能達到±1%以內。±2%差值時Cpk為0.74，即約97.4%的測試誤差能達到±2%以內。

圖7 發動機A的歷史數據差值分析(設定誤差范圍為±1%)

圖8 發動機A的歷史數據差值分析(設定誤差范圍為±2%)

圖9和圖10利用統計學手段進一步分析了發動機B的歷史汽油稀釋數據差值。相比于氣相色譜法，歷史數據通過黏度變化法測定汽油稀釋，差值均能達到±1.5%以內。通過統計學方法分析，±1%差值時Cpk為0.52，即約88.1%的測試誤差能達到±1%以內。±2%差值時Cpk為1.06，即約99.9%的測試誤差能達到±2%以內。

圖9 發動機B的歷史數據差值分析(設定誤差范圍為±1%)

圖10 發動機B的歷史數據差值分析(設定誤差范圍為±2%)

兩種發動機的誤差率均能兼顧測試效率和快速檢測所需要的誤差范圍，誤差率是可以接受的。

4 結語

本文試驗研究中，在兩款新型直噴汽油發動機A、B上采用兩款發動機油，利用發動機油油樣100 ℃運動黏度測定結果，結合推導出的汽油稀釋和100 ℃運動黏度間的關系，計算得到該油樣的汽油稀釋率。也就是說，通過100 ℃運動黏度，即可同時得到機油的汽油稀釋。其他直噴汽油發動機及對應的發動機油需要使用該推導方法重新推導出汽油稀釋和100 ℃運動黏度間的關系，同樣可以得到油樣的汽油稀釋率。

該汽油稀釋的測定方法，有效解決了發動機和整車試驗中大量的、快速的汽油稀釋測定需求，降低檢測成本。由于采用了100 ℃運動黏度換算的方式，而100 ℃運動黏度也是機油監控的指標，100 ℃運動黏度的測定方法簡單、易操作，使得該方法一舉兩得，非常便利。同時，測定結果誤差小，使用該方法與氣相色譜法相比，通過統計學方法得出，運用該方法的得到的汽油稀釋結果是有效的。