利用黏度變化快速測定新型直噴發(fā)動(dòng)機(jī)汽油稀釋的實(shí)驗(yàn)研究

胡云昊，劉紅美，楊友文

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，上海 201804)

1 概述

1.1 汽油稀釋

汽油稀釋是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，汽油進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)油中的現(xiàn)象。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行燃燒過程中，汽油進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸燃燒，尚未燃燒的汽油沿著氣缸壁進(jìn)入油底殼，與發(fā)動(dòng)機(jī)油發(fā)生混合[1-4]。過去，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)主要以氣道噴射為主，此類發(fā)動(dòng)機(jī)的汽油噴射在氣道口，進(jìn)入氣缸時(shí)霧化較好，與空氣混合均勻，只有很少量的汽油進(jìn)入到油底殼，因此對(duì)汽油稀釋的影響關(guān)注較少。隨著油耗法規(guī)的日趨嚴(yán)格，以及對(duì)汽車性能的追求，汽油機(jī)直噴技術(shù)，尤其是汽油機(jī)增壓直噴技術(shù)逐漸普及[5]。增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，由于汽油直接噴入氣缸，極易造成未燃燒的汽油進(jìn)入油底殼[6]。汽油稀釋造成機(jī)油閉口閃點(diǎn)下降[7]；機(jī)油黏度下降，機(jī)油壓力不足，易造成發(fā)動(dòng)機(jī)異常磨損[1，8]；汽油中的酸性物質(zhì)混入機(jī)油，影響機(jī)油壽命[4]；未燃燒完成的碳煙也隨汽油進(jìn)入機(jī)油中，增加鏈條、機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)和驗(yàn)證試驗(yàn)中，密切關(guān)注汽油稀釋的狀態(tài)，保證量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)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(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)也可用于汽油稀釋的測定[11-12]。針對(duì)試驗(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間，得出機(jī)油中的汽油稀釋[13]。該方法測試準(zhǔn)確性高，但測試設(shè)備昂貴，導(dǎo)致測試費(fèi)用高，只有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室有經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)確測定，且設(shè)備無法攜帶，不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)和整車試驗(yàn)中大量的、快速的汽油稀釋測定要求。熱重法是目前試驗(yàn)中高頻次監(jiān)測汽油稀釋的主要手段。熱重法利用汽油易揮發(fā)的特性，將舊機(jī)油在烘箱中加熱到一定溫度，測定汽油揮發(fā)后的機(jī)油重量，和原重量對(duì)比，計(jì)算汽油稀釋率。該方法測試設(shè)備簡單，但誤差大，合適的溫度和時(shí)間很難選擇，難以保證只有汽油揮發(fā)，也難以保證汽油能充分揮發(fā)，同時(shí)該方法操作相對(duì)復(fù)雜，有一定的危險(xiǎn)性。為滿足發(fā)動(dòng)機(jī)和整車試驗(yàn)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(yàn)后發(fā)動(dòng)機(jī)油的汽油稀釋的方法。

2 試驗(yàn)原理及測試方法

2.1 試驗(yàn)原理

由于油品的黏度取決于流體分子的性質(zhì)以及分子間的相互作用，混有汽油的發(fā)動(dòng)機(jī)油屬于一種復(fù)雜的混合物，所以通常的混合規(guī)則并不適用于計(jì)算其黏度。1887年，Arrhenius基于理想溶液提出了對(duì)數(shù)混合規(guī)則，該模型由于計(jì)算稠油和輕質(zhì)油混合黏度較好，所以被推薦用于計(jì)算混合油品黏度[14]。

根據(jù)Arrhenius公式，在溫度一定的情況下，可以推導(dǎo)出兩種混合液體動(dòng)力黏度與混合比例間存在如下近似關(guān)系：

(1)

其中:x1、x2——兩種液體的體積比例；

η——混合液體的動(dòng)力黏度；

η1、η2——兩種混合液體的動(dòng)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(guān)系。同時(shí)，混合液體密度一定，體積和質(zhì)量存在線性換算關(guān)系。為了汽油稀釋的計(jì)算方便，體積比可看做質(zhì)量比，即可推導(dǎo)出下式：

wt%=(alnη+b)×100%

(2)

其中:wt%——汽油稀釋率；

η——混合液體的動(dòng)力黏度；

a、b——常數(shù)。

根據(jù)不同機(jī)油自身的黏度特性，以及機(jī)油對(duì)汽油稀釋的黏度保持性能，a、b會(huì)有不同值。從式2中可以看出，只要確定某款機(jī)油的a、b值，就可以快速地通過機(jī)油黏度測定的結(jié)果計(jì)算出汽油在舊機(jī)油中的質(zhì)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(gè)標(biāo)定好的玻璃毛細(xì)管黏度計(jì)的時(shí)間，黏度計(jì)的毛細(xì)管常數(shù)與流動(dòng)時(shí)間的乘積，即為該溫度下測定液體的運(yùn)動(dòng)黏度。發(fā)動(dòng)機(jī)油的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度是其黏度級(jí)別分類的重要指標(biāo)，是機(jī)油檢測的常用參數(shù)，但由于式2中的黏度參數(shù)為動(dòng)力黏度，為了測試的便利性，也需要對(duì)比分析使用100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度替代動(dòng)力黏度的可行性。

鑒于舊機(jī)油本身存在的客觀誤差，在推導(dǎo)常數(shù)a、b時(shí)，先采用新機(jī)油與汽油混合，得到黏度與混合比之間的曲線關(guān)系，通過數(shù)據(jù)擬合，得到a、b值。舊機(jī)油所造成的計(jì)算測試誤差，由于極度的復(fù)雜性，影響比例也不大，采用歷史數(shù)據(jù)擬合的方法，予以消除。

3 測試結(jié)果及誤差分析

3.1 測試結(jié)果

在應(yīng)用于某款新型汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)A的新機(jī)油中混入不高于20%的汽油，制備汽油與發(fā)動(dòng)機(jī)油的混合液體。眾所周知，一定溫度下，潤滑油的動(dòng)力黏度是運(yùn)動(dòng)黏度與密度的乘積[15]。通過100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的測定和密度測定，可繪出汽油含量和混合液體100 ℃動(dòng)力黏度的關(guān)系曲線(見圖1)，通過自然對(duì)數(shù)擬合，得到a、b值。為方便計(jì)算，假設(shè)運(yùn)動(dòng)黏度和汽油稀釋間也有這樣的對(duì)數(shù)關(guān)系，擬合出另一條曲線(見圖1)，運(yùn)動(dòng)黏度和汽油稀釋間的關(guān)系如下：

wt%=(A1lnV+B1)×100%

(3)

其中:wt%——汽油稀釋率;

V——混合液體的運(yùn)動(dòng)黏度;

A1、B1——常數(shù)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)A機(jī)油黏度與汽油稀釋率的關(guān)系

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)油一般測定100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度而非動(dòng)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(guān)系，所以，可以將動(dòng)力黏度用運(yùn)動(dòng)黏度和汽油含量的關(guān)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(dòng)力黏度；

V——混合液體的運(yùn)動(dòng)黏度。

圖2 混合液體密度與汽油稀釋率的關(guān)系

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

圖3 不同黏度下式3與式2計(jì)算汽油稀釋率差值

使用后的舊機(jī)油與新機(jī)油間存在一定的差異，由于機(jī)油本身在使用過程中會(huì)發(fā)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(jī)油黏度減小，而使用一段時(shí)間后，自身發(fā)生氧化，使得機(jī)油黏度上升。為減少該誤差，總結(jié)了過去兩年內(nèi)該新型汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)A耐久試驗(yàn)汽油稀釋和黏度間的關(guān)系，將實(shí)測的汽油稀釋數(shù)據(jù)分別代入式3，得到100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度的計(jì)算值。比較計(jì)算值和實(shí)測值，結(jié)果表明絕大部分實(shí)測黏度結(jié)果要大于預(yù)估的結(jié)果。由于耐久試驗(yàn)控制換油周期，沒有油樣發(fā)生急劇氧化導(dǎo)致黏度急劇上升的情況，在規(guī)定的換油期內(nèi)，無論換油時(shí)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(gè)范圍內(nèi)，因此兩者的差異可以作為修正誤差，若對(duì)這些差值進(jìn)行算術(shù)平均，可得到修正誤差△V，使用該經(jīng)驗(yàn)值修正式3，得到下式：

wt%=(A1ln(V-△V1)+B1)×100%

(5)

通過測定機(jī)油樣品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度并將值代入式5，即可測得該發(fā)動(dòng)機(jī)油樣的汽油稀釋值。

為了驗(yàn)證該方法的普適性，將此方法運(yùn)用到另一規(guī)格的機(jī)油上，同樣得到應(yīng)用于另一款新型汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)B的新機(jī)油100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度與汽油稀釋間的關(guān)系(見圖4)，并通過數(shù)據(jù)修正，得到下式：

wt%=(A2ln(V-△V2)+B2)×100%

(6)

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)B機(jī)油黏度與汽油稀釋率的關(guān)系

通過測定機(jī)油樣品的100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度并將值代入式6，即可測得該新型汽油直噴發(fā)動(dòng)機(jī)B機(jī)油樣品的汽油稀釋值。

當(dāng)然，該方法也適用于其他直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)油，但相應(yīng)的公式需要使用新油推導(dǎo)。

3.2 誤差分析

以氣相色譜法測定的歷史汽油稀釋數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，比較黏度變化法的測試準(zhǔn)確度。

圖5和圖6統(tǒng)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)A和發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)值則反之，單位為質(zhì)量百分比。從統(tǒng)計(jì)學(xué)上分析來看，兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的歷史汽油稀釋數(shù)據(jù)P值大于0.06，可以認(rèn)為都是正態(tài)分布的。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)A的歷史數(shù)據(jù)差值

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)B的歷史數(shù)據(jù)差值

圖7和圖8利用統(tǒng)計(jì)學(xué)手段進(jìn)一步分析了發(fā)動(dòng)機(jī)A的歷史汽油稀釋數(shù)據(jù)差值。相比于氣相色譜法，歷史數(shù)據(jù)通過黏度變化法測定汽油稀釋，差值均能達(dá)到±2%以內(nèi)。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析，±1%差值時(shí)Cpk為0.37，即約75%的測試誤差能達(dá)到±1%以內(nèi)。±2%差值時(shí)Cpk為0.74，即約97.4%的測試誤差能達(dá)到±2%以內(nèi)。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)A的歷史數(shù)據(jù)差值分析(設(shè)定誤差范圍為±1%)

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)A的歷史數(shù)據(jù)差值分析(設(shè)定誤差范圍為±2%)

圖9和圖10利用統(tǒng)計(jì)學(xué)手段進(jìn)一步分析了發(fā)動(dòng)機(jī)B的歷史汽油稀釋數(shù)據(jù)差值。相比于氣相色譜法，歷史數(shù)據(jù)通過黏度變化法測定汽油稀釋，差值均能達(dá)到±1.5%以內(nèi)。通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析，±1%差值時(shí)Cpk為0.52，即約88.1%的測試誤差能達(dá)到±1%以內(nèi)。±2%差值時(shí)Cpk為1.06，即約99.9%的測試誤差能達(dá)到±2%以內(nèi)。

圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)B的歷史數(shù)據(jù)差值分析(設(shè)定誤差范圍為±1%)

圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)B的歷史數(shù)據(jù)差值分析(設(shè)定誤差范圍為±2%)

兩種發(fā)動(dòng)機(jī)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(jié)語

本文試驗(yàn)研究中，在兩款新型直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)A、B上采用兩款發(fā)動(dòng)機(jī)油，利用發(fā)動(dòng)機(jī)油油樣100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度測定結(jié)果，結(jié)合推導(dǎo)出的汽油稀釋和100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度間的關(guān)系，計(jì)算得到該油樣的汽油稀釋率。也就是說，通過100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度，即可同時(shí)得到機(jī)油的汽油稀釋。其他直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)及對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)油需要使用該推導(dǎo)方法重新推導(dǎo)出汽油稀釋和100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度間的關(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)和整車試驗(yàn)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(yùn)動(dòng)黏度換算的方式，而100 ℃運(yùn)動(dòng)黏度也是機(jī)油監(jiān)控的指標(biāo)，100 ℃運(yùn)動(dòng)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(shí)，測定結(jié)果誤差小，使用該方法與氣相色譜法相比，通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得出，運(yùn)用該方法的得到的汽油稀釋結(jié)果是有效的。