一種直噴汽油機機油消耗率測試方法的研究

段偉，牛貝妮，陳俊

（1.071000 河北省 保定市 長城汽車股份有限公司；2.201807 上海市 菲亞特克萊斯勒動力科技研發（上海）有限公司；3.201804 上海市 上海宏景智駕信息科技有限公司；4.130025 吉林省 長春市 吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室）

0 引言

隨著國家節能減排發展戰略的實施，內燃機產業面臨嚴峻挑戰。缸內直噴汽油機具有節能減排的優勢，成為乘用車市場的主流技術。缸內直噴汽油機與進氣道多點噴射汽油機相比，具有較高的機油稀釋率，特別是冷機工況和短途工況，且隨著發動機強化指標的不斷提高，發動機機油消耗率也較高。機油對于發動機穩定運行至關重要，存在于各種機械摩擦副以及液壓柔性氣門控制系統中。機油失效模式主要有：極高機油溫度或者較少量機油，破壞潤滑油膜；機油污染；機油乳化；機油稀釋。機油消耗率不僅是發動機綜合性能中一個重要評價指標，直接關系到發動機的經濟性、動力性以及運行可靠性，甚至會涉及一些功能安全的問題，也受到終端客戶的關切。而且研究表明，機油消耗率與發動機顆粒物排放之間存在密切關系，因此提高內燃機機油消耗率測量精度意義重大。

目前，發動機機油消耗率測試一般包括離線測試和在線測試2 種方式。離線測試法主要有直接稱重測量法、間接稱重測量法和容積法，一般需要大型電子秤或循環油箱，操作不靈活，不能實時測量，重復性較差，精度不高。在線測試法中使用較廣泛的有示蹤元素法[1-2]、硫平衡測試法[3]和電容式液位傳感器[4-6]測試法。其中，示蹤元素法利用機油里添加放射性元素，追蹤其在機油中的放射性強弱計算機油的消耗量，該設備較昂貴，儲存不便，使用時間和測量精度會受到放射性元素半衰期的影響，常用于機油稀釋試驗；硫平衡測試法可以支持在線測量，精度較高，但分析設備造價較高；電容式液位傳感器應用較廣泛，既可用于發動機臺架和整車機油消耗率測試，也可在特定的機油稀釋試驗中，利用機油液位高度與初始位置比較，判斷機油稀釋水平。通過數采設備能夠實時反映發動機運行工況和關鍵控制參數對機油消耗率的影響，為廣大內燃機工作者在發動機開發階段各控制參數對動力性、燃油經濟性、排放性等指標聯合標定和優化提供了便利條件，但測試時要求平臺有一定的水平度。

有關研究中，信曦等[7]運用數值模擬的方法研究了噴油策略對直噴增壓汽油機燃油濕壁與機油稀釋的影響；賈殿臣等[8]研究了增壓直噴汽油機機油稀釋的影響因素與優化方向；孫曉東等[9]探究了增壓直噴汽油機冷機怠速工況下，發動機運行參數對機油稀釋的影響；Mariani 等[10]介紹了一種基于神經網絡預測發動機缸壁上燃油與機油稀釋模型的液相擴散系數；Wattrus[11]研究了燃油特性對柴油機燃油稀釋機油的影響；Kondoh 等[12]介紹了剪切型水平表面聲波傳感器在機油性質測試中的應用；張勇等[13]設計了一種基于介電常數的電容式傳感器檢測系統來測量潤滑油中的水含量；王建華等[14]根據電容變化率來評定機油的分水性能。還有一些國內學者設計了基于電容液位傳感器的燃油液位監測系統，較少應用此傳感器測量一些不規則容器的液位。

目前，國內外學者主要研究發動機運行參數對機油消耗量的影響，較少研究發動機機油消耗量測試方法。本文提出了一種基于電容式液位傳感器的更加靈活的機油消耗率測試方法，并與U 型液位計測試液位高度結果對比，驗證了電容式液位傳感器的測量精度較高，應用此方法的機油消耗率測試結果與測試規范中推薦采用的放油直接稱重法對比分析，驗證了此方法的準確性和可靠性。

1 測試原理與試驗方法

1.1 測試原理與設備

本文采用電容式液位溫度傳感器[15]（Capacitive Liquid Level And Temperature Sensor），通過傳感器信號處理和數據采集設備（如圖1 所示），在線測量發動機機油液位和溫度，而且機油溫度模塊可以實時修正由于溫度變化而引起的液位變化。機油溫度測試范圍為-40～160 ℃，準確度±2℃，介電常數ε測量區間為1～6，精度±0.1。一般液位高度測試范圍為20～130 mm，準確度為3.8%（其為綜合誤差，一般包括傳感器和處理單元等）。

圖1 信號處理與采集設備示意圖Fig.1 Schematic diagram of signal processing and acquisition equipment

圖2 為電容式液位傳感器結構示意圖。2 根同軸裝配、相互絕緣的不銹鋼管分別作為圓柱形可變電容傳感器的內外電極，外管管壁上布有通孔，以便被測液體自由進出。測試原理是利用被測液體液位變化時引起可變電容傳感器兩電極之間介電常數的變化從而導致電容量變化這一關系，計算液位變化。

圖2 測量非導電液體液位的可變電容傳感器結構Fig.2 Structure of variable capacitance sensor for measuring non-conductive liquid level

當沒有被測液體時，傳感器的電容量Cair為

式中：ε0——空氣的介電常數；L——兩電極的最大覆蓋長度；D，d——外電極的內徑和內電極的外徑。

當被測液體的液位為H 時，傳感器的電容量CH為

式中：ε——被測液體的介電常數。

當容器內的液位由0 增加到H 時，傳感器的電容變化量ΔC 為

由式（3)可見，當電極確定后，參數ε、D 和d 都為定值，所以傳感器的電容變化量只與被測液位H 的單調函數，故測量傳感器的電容量就可以確定被測液體液位。

1.2 試驗方法

本文采用如圖3 所示的簡易試驗平臺，研究測試平臺傾斜角度和不同液面高度與體積擬合計算對機油體積測量的影響，應用U 型液位計測試液位高度，驗證電容式液位傳感器測試液位高度的準確性。

圖3 機油體積測試簡易平臺Fig.3 Platform of oil volume measuring

在發動機臺架上進行機油消耗率試驗。圖4 為機油消耗率試驗測試循環，包括啟動、怠速、加減速工況等。采用電容式液位傳感器實時測量發動機機油液位高度和溫度，并應用放油直接稱重法測量相應時間下的機油量，考慮到發動機散差和測量誤差，在3 臺同型號發動機上進行機油消耗率試驗。

圖4 機油消耗率測試循環Fig.4 Oil consumption test cycle

2 測試方法研究

基于電容式液位傳感器測量發動機機油消耗率，需要建立機油液面高度與機油體積的函數關系來計算機油消耗量，而發動機油底殼為不規則容器，當油底殼的橫截面越大，體積與高度的比越大，較大的體積高度比會顯著增加測量誤差，本文采用加密測點來標定機油液位高度與體積的對應關系。

2.1 電容式傳感器測試準確度驗證

電容式液位傳感器、U 型液位計與油底殼組成的連通器置于水平位置，同時測量相同機油加注量的液位高度。表1 為不同機油體積下電容式傳感器與U 型液位計液位高度測量值對比。由表可知，兩者測量差值較小，傳感器在測量機油液位高度為50～80 mm 時有較高的一致性和準確度，且測量誤差小于5%，因此該套電容式液位傳感器測量設備精度可以滿足機油消耗率測試實驗要求。

表1 機油液位高度測試值對比Tab.1 Comparison of oil level measuring values

2.2 機油液面高度與體積函數關系

圖5 為機油相對液位高度與體積的函數關系。其中，機油相對液位高度為當前液位高度與初始高度的差。由圖5 和表2 可得，采用兩點式線性擬合相對液位高度與體積時，較五點式3 次擬合計算結果偏差較大，特別在中間液位高度。在一定運行時間和工況下，車用發動機機油消耗量遠小于1 L，為了提高機油消耗率的測量準確度，文中應用五點式3 次擬合計算機油體積。

圖5 機油相對液位高度與體積的函數關系Fig.5 Functional relationship between oil level height and volume

表2 不同擬合方式對機油體積的影響Tab.2 Effect of different fitting methods on oil volume

2.3 測試平臺傾斜角度

電容式液位傳感器固定在水平臺上，與油底殼形成一個整體，通過塑料軟管和油底殼最低處連接，測試時要求平臺有一定的水平度。為了模擬在整車應用的實際路況，本文研究了測試平臺傾斜角對機油液位高度的影響。如圖6 所示，測試平臺傾斜角定義為平臺與水平面的夾角，其中測試平臺順時針傾斜形成的夾角規定為正，逆時針為負。

圖6 測試平臺傾斜示意圖Fig.6 Schematic diagram of test platform tilt

圖7 為相同體積不同平臺傾斜角對機油液位高度的影響，傾斜角為0°，機油體積4 500 mL 對應的液位高度為73.43 mm。由圖7 可知，隨著傾斜角變化，機油液位高度也相應變化。傾斜角正向增大時，液位高度增大；負向增大時，液位高度減小。在同樣傾斜角度、不同傾斜方向，正向時液位高度變化量大于負向時，可能原因是傳感器布置位置、油底坑形狀以及機油加注量共同影響的。當傾斜角為-3°時，液位高度為60.23 mm，計算機油體積為3 643.8 mL，實際機油體積為4 500 mL，計算偏差為-856.2 mL，傾斜角越大，機油體積計算偏差越大，嚴重影響機油消耗率的測試結果。

圖7 測試平臺傾斜角度對機油液位高度的影響Fig.7 Effect of tilt angle of test platform on oil level height

3 機油消耗率測試結果與分析

3.1 機油消耗率測試結果

發動機機油消耗率測量試驗開始前，需標定機油液面高度與機油體積的關系。標定過程如下：放干凈發動機舊機油，加入一定量新機油，啟動發動機，調整機油液位傳感器位置，待傳感器液位讀數穩定后采集液位高度記為INT，再依次添加250 mL 新機油（共4 次），分別采集傳感器液位高度記為SOT1，SOT2，SOT3，SOT4。開始機油耗耐久測試循環，運行50 h 后，采集液位高度記為EOT，每次記錄機油液位高度時需發動機在怠速工況。圖8為電容式液位傳感器機油液位高度實時測量值。

圖8 機油液位測量實時值Fig.8 Oil level measuring value

車輛運行過程，機油溫度較高，機油會產生熱膨脹現象，引起機油密度變化，影響機油消耗率的計算，采用式（4）計算機油體積：

式中：moil——機油質量；ρ23——23℃下的機油密度，ρ23=0.838 3 g/mL；t——當前機油溫度，t>23℃；α——機油熱膨脹系數，α=0.000 7 #/℃。

測試過程SOT4 之前的機油體積Voil由式（4）計算，其中機油質量由電子秤測得，測試過程EOT的機油體積由3 次數值擬合機油液位高度與機油體積的函數，計算得到結果如表3 所示。發動機運行50 h 耐久測試循環后的機油消耗率為21.4 g/h。

表3 發動機機油消耗率處理結果Tab.3 Processing results of engine oil consumption rate

3.2 與稱重法對比分析

圖9 為不同測量方法（稱重法和液位傳感器）下機油消耗量對比。可見，采用稱重法測試結果散差較大，標準差為4.25，這是因為發動機機油不能排干凈以及測試量筒的殘余質量；采用液位傳感器法的測量值波動較小，機油消耗量隨發動機運行時間的變化率與稱重法大致相同，標準差為1.85。

圖10 為不同測量方式下發動機機油消耗率正態分布。據圖可知，采用電容式液位傳感器測量的機油消耗率分布集中，機油消耗率為16.4 g/h 的概率最高，為0.23；應用稱重法在機油消耗率為16.08 g/h，分布概率最高為0.09。應用2 種方法測量的機油消耗率均滿足此發動機的規定范圍。

圖10 不同測量方式下機油消耗率正態分布Fig.10 Normal distribution of oil consumption rate at different measuring methods

4 結語

機油消耗率不僅是發動機重要的經濟性評價指標，而且也受到越來越多終端客戶的關切，但受限于測量標準和測量方法的局限性，機油耗測量精度較低，重復性較差。本文提出了一種基于電容式液位傳感器的更加靈活的機油耗的測量方法，通過與U 型液位計測試液位高度結果對比，驗證電容式液位傳感器的測量精度較高，并研究了測試平臺傾斜角度與擬合計算體積方法對機油消耗率的影響，結果表明兩者都對測試結果有一定的影響，最后與機油耗測試規范中規定采用的放油直接稱重法對比分析，可以得到：采用液位傳感器法測試結果一致性較好，準確性較高，為內燃機機油耗測試提供一種新的方法。