基于硫示蹤法機油消耗的試驗研究

摘要：為檢測汽油機機油消耗與排放中粒子數量（particle number，PN）的關系，采用硫示蹤法對增壓直噴汽油機進行穩態和瞬態工況機油消耗試驗研究，并采用不同彈力的活塞環組進行全球統一輕型車輛測試循環（worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC）機油消耗及PN試驗對比。試驗結果表明：穩態工況下，硫示蹤法與傳統稱質量法機油消耗率的相關系數為0.93，一致性良好；機油消耗率隨發動機轉矩和轉速增加逐漸升高，額定功率時達到最大；瞬態工況的機油消耗與發動機初始工況、轉速變化率、轉矩變化率有關，轉矩變化率、轉速變化率越大，機油消耗率和PN峰值越高；WLTC工況下，高彈力活塞環組可降低機油消耗率和PN；機油消耗率與PN有相同的變化趨勢。

關鍵詞：直噴汽油發動機；瞬態工況；機油消耗；硫示蹤法；PN；活塞環彈力

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

引用格式：程傳輝，王樹青，徐政.基于硫示蹤法機油消耗的試驗研究［J］.內燃機與動力裝置，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

機油消耗是評價發動機開發質量的重要指標，對發動機排放、燃油經濟性、耐久性、可靠性、使用成本和客戶體驗有重要影響，體現了發動機的設計、制造水平。隨著排放標準的加嚴及超高效率混動專用發動機的開發，平衡機油消耗、燃油消耗及顆粒排放成為重要的研究方向。

發動機運行過程中，缸內各部件如活塞環組、曲軸箱通風、增壓器和氣門油封均產生部分機油消耗，通常認為缸內各部件的機油消耗占機油總消耗的80%以上^[1-2]；但如果發動機處于非正常工作狀態，機油消耗可能會異常升高。現有研究表明，機油消耗與發動機排放中粒子數量（particle number，PN）密切聯系，一臺四沖程六缸柴油機約40%的PN由機油消耗產生，機油消耗增大會影響發動機性能。柴油機機油竄入燃燒室后，機油中大量大分子可溶性有機物聚合成碳粒，同時機油添加劑中的硫燃燒后生成的硫酸鹽吸附在碳粒表面，共同組成柴油機排放顆粒物^[3-4]。直噴汽油機壓縮比較高，機油容易進入燃燒室，機油消耗增加，進一步加劇污染物排放^[5]；機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；機油消耗使缸內積碳增加，加劇各部件間摩擦造成的磨損及機油劣化，降低發動機可靠性。

為了提高發動機的整體性能，應減少發動機非正常機油消耗。目前多采用稱質量法和硫示蹤法檢測發動機運行過程中的機油消耗。傳統的稱質量法測量發動機運行一定時間后機油減少的質量，測量速度慢，流程復雜，受人為操作影響較大，且只能進行穩態工況測量；相比傳統稱質量法，硫示蹤法測量時間短、流程簡單、重復性好、測量精度高，且能進行穩態、瞬態工況機油消耗測量，近年來得到了廣泛應用^[6-7]。

本文中采用硫示蹤法對某1.5 L直噴增壓汽油機進行穩態、瞬態工況機油消耗測量，分析機油消耗與PN之間的關聯，并對比不同彈力的活塞環對瞬態工況PN和機油消耗的影響，為減少發動機非正常機油消耗提供參考。

1 試驗方法和設備

1.1 試驗方法

硫示蹤法測量機油消耗的原理是使用硫質量分數較大的機油和硫質量分數較小的燃油進行發動機工況試驗，部分機油進入燃燒室內燃燒產生二氧化硫，通過測量發動機廢氣中硫的質量分數，結合機油中硫的質量分數計算發動機機油消耗率。發動機機油消耗率

q_m，1=q_m，2（w₁-w₂）/w₃

式中：q_m，2為排氣氣體質量流量，g/h；w₁、w₂、w₃分別為廢氣、燃油、機油中硫的質量分數，%。

為了提高測量精度，消除燃油中的硫對機油消耗測量的影響，本文中使用非活性硫質量分數為2.1%的機油及硫質量分數為0.000 01%的燃油進行試驗，對比硫質量分數為0.2%的普通機油及硫質量分數為0.000 07%的普通燃油，廢氣中SO₂的質量分數明顯提高，避開了測量設備極小測量區間，可根據排氣中SO₂的體積分數分析機油消耗率。

1.2 試驗設備

試驗用發動機為缸內直噴、4沖程、增壓汽油機，發動機主要技術參數如表1所示。

根據不同的測量原理，可采用紅外光譜法、紫外熒光法和質譜儀法測量機油消耗，本文中采用傅里葉變換紅外光譜法（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）測量機油消耗。使用AVL SESAM i60 FTIR設備測量廢氣排放中二氧化硫的體積分數，OSWALD DYNAS3 LI350電力測功機控制發動機轉速及轉矩，Horiba FQ-2200CR連續質量流量油耗儀測量燃油消耗，AVL 489設備測量PN，發動機臺架示意圖如圖1所示。AVL SESAM i60 FTIR設備的量程為（0.5～1 000）×10^-6，精度小于滿量程的1.0%，重復性小于0.5%；采用體積分數為20×10^-6的SO₂標準氣體對AVL SESAM i60 FTIR的超低量程區間進行精細化標定，提高小量程測量精度。

2 試驗過程及結果分析

2.1 穩態工況

不同發動機工況下，采用硫示蹤法與稱質量法進行機油消耗率測試對比，為了覆蓋全工況map的機油消耗，試驗轉速從低轉速到額定功率轉速，試驗轉矩從小、中轉矩到最大轉矩，設硫示蹤法測試機油消耗率為q_m，A，稱質量法測試機油消耗率為q_m，B，不同穩態工況下兩種方法機油消耗率測試對比如表2所示。

由表2可知：發動機機油消耗率隨轉矩和轉速的增加逐漸升高，額定功率時機油消耗率最大，硫示蹤法、稱質量法的最大機油消耗率分別為32.1、37.7 g/h。

硫示蹤法與稱質量法的相關性分析如圖2所示，2種方法測量機油消耗率的相關因數為0.93，表明測量結果一致性較好，關聯性強，硫示蹤法的測量精度和準確度符合測量要求。

2.2 瞬態機油消耗與PN關聯性

2.2.1 瞬態加速工況

選取不同的瞬態加速工況進行機油消耗測試，工況A初始轉速為1 500 r/min，初始轉矩分別為7、40 N·m（記為工況A₁、A₂），節氣門經過1 s全部打開；工況B初始轉速為怠速850 r/min，初始轉矩為3 N·m，發動機轉速分別經過1、9 s（記為工況B₁、B₂）提高到1 500 r/min，節氣門全開。發動機運行穩定后，A₁、A₂工況下，發動機轉矩、進氣歧管壓力、單位體積PN及排放中SO₂體積分數如圖3所示；B₁、B₂工況下，發動機轉速、轉矩、單位體積的PN及排放中SO₂體積分數如圖4所示。

由圖3可知：A₁工況單位體積PN和排放中SO₂體積分數明顯大于A₂工況；轉矩變化率越大，單位體積PN和SO₂體積分數的峰值越大。主要原因為低轉矩時，進氣歧管和缸內壓力較低，更多的機油通過氣門導軌進入燃燒室；同時由于缸內壓力低，在活塞往復運動產生的慣性力作用下，進入氣缸的機油增加，低轉矩下加速工況增大了單位體積PN和機油消耗率^[8]。

由圖4可知：B₁、B₂工況單位體積PN和SO₂體積分數達到峰值后逐漸降低到穩定水平；發動機轉速變化率越大，單位體積PN和SO₂體積分數的峰值越大。主要原因可能為發動機轉速變化率增大，在活塞往復運動產生的慣性力作用下，進入氣缸的機油增加，通過氣環環隙和環槽進入缸內的含有機油的燃氣增多，導致單位體積PN增加，機油消耗率增大^[9]。

以上研究表明發動機工況變化的劇烈程度影響排放中PN和機油消耗，且機油消耗與PN的關聯性較大。

2.2.2 機油消耗與PN

由于顆粒物排放主要由燃油及機油燃燒造成，并且90%的機油燃燒來源于缸內機油。為了分析活塞環組對發動機機油消耗和PN的影響，使用原活塞環及活塞環組總彈力增加4.5 N（其中第一道氣環彈力增加1.5 N，第二道氣環彈力保持不變，第三道油環彈力增加3.0 N）的2組活塞環（分別記為原方案、改進方案）進行全球統一輕型車輛測試循環（worldwide harmonized light vehicles test cycle，WLTC）工況試驗，不同方案下累計PN、機油消耗對比如圖5所示。

由圖5可知：原方案的累計PN及機油消耗質量明顯高于改進方案，累計機油消耗質量與累計PN總量關聯性較強。

為進一步分析累計機油消耗與累計PN的關聯性，截取原方案中PN上升較快的部分時段（第771.5～775.5秒），進行瞬態轉矩、單位體積PN、瞬態機油消耗率對比分析，不同方案下的瞬態轉矩、PN、機油消耗率如圖6所示。

由圖6可知：發動機從低轉矩快速升高至高轉矩時，瞬態機油消耗率升高，瞬態單位體積PN增大；活塞環組彈力增大，進入燃燒室的機油減少，機油消耗率明顯下降，單位體積PN峰值明顯降低；機油消耗率與單位體積PN之間存在較強的關聯性。

3 結論

基于硫示蹤法分析了某1.5 L增壓發動機穩態、瞬態機油消耗率，主要結論如下。

1）穩態工況下，硫示蹤法與稱質量法測試機油消耗率的一致性較好，相關因數為0.93；隨著發動機轉矩和轉速增大，機油消耗率增加；額定功率時機油消耗率最大，采用硫示蹤法該發動機最大機油消耗率為32.1 g/h。

2）瞬態工況機油消耗率與發動機初始工況及轉矩、轉速變化率有關，發動機轉速及轉矩變化率越大，機油消耗率和單位體積PN峰值越高，機油消耗與單位體積PN之間存在較強的關聯。

3）高彈力活塞環組有利于降低機油消耗率和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

（責任編輯：胡曉燕）