CN104154963A - 一种发动机润滑油消耗量的实时测量方法 - Google Patents

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谭丕强
沈海燕
胡志远
楼狄明
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Abstract

本发明属于发动机润滑油消耗量测量技术领域，特别涉及发动机润滑油消耗量的一种实时测量方法。采用硫元素平衡分析法，提出了一个发动机实时润滑油消耗量的计算公式moil=(0.5·mexhaust·SO2exhaust)/(k2·Soil)，其中排气流量mexhaust为进气流量计测取的进气流量与油耗仪测取的燃油消耗量之和，排气SO2含量SO2exhaust通过SO2气体分析仪实时获得，k2为0.96~0.98，润滑油硫含量Soil由硫含量测试装置事先测取。只需实时测取发动机的进气流量和燃油消耗量、排气SO2含量，便可实时得到发动机瞬态工况的润滑油实时消耗量。对于多缸发动机的单个气缸的润滑油消耗量测量，在该多缸发动机待测单个气缸对应的排气歧管布置采样探头，测取该气缸的排气SO2含量，可以得到多缸发动机的单个气缸的实时润滑油消耗量。

Description

一种发动机润滑油消耗量的实时测量方法
技术领域
本发明属于发动机测量技术领域，特别涉及发动机润滑油消耗量的一种实时测量方法。
背景技术
发动机润滑油主要是用来润滑发动机曲轴、连杆、活塞环与缸套、凸轮与挺杆、气门导杆、涡轮增压轴密封等摩擦部位，以降低摩擦、减少功耗；密封活塞环与缸套、活塞环与环槽之间的间隙，冷却和清洁发动机部件，防止发动机发生腐蚀和锈蚀。
发动机润滑油消耗量是发动机综合性能的一个重要评价指标，降低润滑油消耗量已成为当前发动机研发的重要内容。发动机润滑油的消耗主要集中在气缸内、气门导杆、曲轴箱通风等部位，这些部位消耗的润滑油，最终会经发动机燃烧反应随尾气排出。研究表明，润滑油的消耗量直接关系到发动机的经济性、动力性、可靠性等一系列问题；此外，发动机润滑油消耗量与尾气有害排放也有密切关系。因此，如何精确快速地测量发动机润滑油的消耗量，对发动机的研发具有重大意义。
目前，比较常用的测量发动机润滑油消耗量的方法有两种：称重法和液面法，两种方法统称为静态测量法。这两种方法概述起来，就是在发动机运转一段时间后，用称重或液面比较的方法，测量油底壳内所存润滑油与初始注入既有润滑油的重量差或液面差，来确定润滑油的消耗量。这两种测量方法简便易行，但由于发动机润滑油消耗量比较小，测量时间较长，很难保证其测量的准确性。
更为关键的是，这两类静态测量方法都不能实时反映发动机瞬态工况的润滑油消耗量。特别对于车用发动机而言，其经常处于瞬态工况，必须要克服称重法和液面法这两类静态测量方法所存在的缺陷，以实现润滑油消耗量的实时测量。
发明内容
本发明旨在提出一种发动机润滑油消耗量的实时测量方法，由此可快速实时获得发动机瞬态工况下的润滑油消耗量。
本发明采用硫元素平衡分析法，如图1所示，以实现发动机润滑油消耗量的实时测量。对于多缸发动机，可以测取单个气缸的润滑油消耗量。
具体原理如下：
（1）发动机尾气中含有二氧化硫（SO2），这些SO2的来源为发动机使用的润滑油、燃油、进入缸内的气体。润滑油、燃油以及进气中的硫，经发动机缸内的高温燃烧氧化作用，从而转化为SO2，然后随尾气排出。
（2）基于事先测取的润滑油硫含量、燃油硫含量，实时获取发动机某工况下进气流量、进气硫含量、排气流量、排气SO2含量、燃油消耗量，即可得到发动机该工况下的润滑油实时消耗量。 根据硫元素的平衡分析，可得下式：
0.5·mexhaust·SO2exhaust= k 1·mfuel·Sfuel + k 2·moil·Soil + k 3·mair·Sair    （1）
式中：mexhaust为排气流量(g/s)，SO2exhaust为排气SO2含量(wt%)。
   mfuel为燃油消耗量(g/s)，Sfuel为燃油硫含量(wt%)。
   moil为润滑油消耗量(g/s)，Soil为润滑油硫含量(wt%)。
   mair为进气流量(g/s)，Sair为进气硫含量(wt%)。
k 1：燃油中的硫转化为SO2 的比例。
k 2：润滑油中的硫转化为SO2 的比例。
k 3：进气中的硫转化为SO2 的比例。
本发明提出的发动机润滑油消耗量的实时测量方法，具体步骤如下：
(1)布置发动机测量装置，在进气总管上安装进气流量计测取进气流量mair，在进油总管上安装油耗仪测取燃油消耗量mfuel，同时将SO2气体分析仪的采样探头放置于发动机排气总管处，以测取发动机排气的SO2含量SO2exhaust；
(2)采用完全不含硫的无硫燃油，故燃油硫含量Sfuel为0%；
(3)采用硫含量测试装置，事先测取润滑油的硫含量Soil；
(4)启动发动机后，设置发动机到某一运行工况（某个转速和某个扭矩），排气流量值mexhaust等于进气流量mair加上燃油消耗量mfuel，测取发动机排气SO2含量SO2exhaust；
(5)发动机使用无硫燃油，故燃油硫含量Sfuel为零；进气中的硫含量极低，可忽略不计，进气硫含量Sair亦为零；上述式（1）可以简化为：
0.5·mexhaust·SO2exhaust=k 2·moil·Soil                       （2）
进一步，可得润滑油消耗量moil为：
moil=(0.5·mexhaust·SO2exhaust)/(k 2·Soil)                    （3）
其中k 2为润滑油中的硫转化为SO2 的比例；为0.96~0.98；
mexhaust为排气流量(g/s)， 
moil为润滑油消耗量(g/s)，Soil为润滑油硫含量(wt%)；
(6)对于共有 i 个气缸的多缸发动机，气缸之间的润滑油消耗量可能存在差异；如果需要测量单个气缸的润滑油消耗量，只需将SO2气体分析仪的采样探头放置于发动机第j个气缸单个排气歧管处，以测取发动机第j个气缸排气的SO2含量SO2j；其余测试方法与前述的步骤完全相同；发动机单个气缸的排气流量为mexhaust/ i ，其中 i 为气缸总数量；最后得到第j个气缸的润滑油消耗量为moil = (0.5·mexhaust/ i  ·SO2j) / (k 2·Soil)。
本发明的有益之处在于：
（1）减少测量时间：采用前述传统的液面法或称重法等静态测量法，测取发动机润滑油消耗量时，测量时间较长。而通过本发明的方法，可大大减少润滑油消耗量的测量时间。
（2）发动机瞬态工况的润滑油消耗量测量：发动机实际运行时经常处于瞬态工况，传统的液面法或称重法等静态测量法，无法实现瞬态工况的润滑油消耗量测量。采用本发明的方法，可以实现发动机瞬态工况的润滑油消耗量测量。
（3）多缸发动机中，单个气缸的润滑油消耗量测量：对于多缸发动机而言，传统的液面法或称重法等静态测量法，无法实现单个气缸的润滑油消耗量测量。采用本发明的方法，通过在多缸发动机排气系统中布置合适的测试位置，可以测取单个气缸的润滑油消耗量。
附图说明
图1为本发明的硫元素平衡分析图。
图2为本发明的发动机润滑油消耗量测量装置示意图。
图3为本发明的汽油机瞬态工况的润滑油消耗量测量结果。
图4为本发明的多缸汽油机中，单个气缸润滑油消耗量测量的排气歧管测量点布置。
图5为本发明的多缸汽油机中，单个气缸润滑油消耗量的测量结果。
具体实施方式
下面通过实施举例对本发明作进一步的说明。
实施例1：一台6缸柴油机稳态工况的润滑油油耗量测量  
测量一台6缸柴油机的润滑油消耗量，按照本发明的方法，如图2布置试验柴油机，该柴油机燃用无硫柴油，并用硫含量测试装置测取润滑油的硫含量为0.98%；启动柴油机在稳态工况点（转速1500r/min、负荷206N.m）运行，待发动机稳定运行，用进气流量计和油耗仪得到该工况下的排气流量为42.0g/s；同时在SO2气体分析仪中测得排气SO2浓度为6.1×10-6，k 2值为0.98。根据公式（3）计算出该工况下柴油机的润滑油消耗量为0.013g/s。
实施例2：一台4缸汽油机瞬态工况的润滑油消耗量测量
测量一台4缸汽油机瞬态工况的润滑油消耗量，按照本发明的方法，如图2布置试验汽油机，该汽油机燃用无硫汽油，并用硫含量测试装置测取润滑油的硫含量为0.72%；启动汽油机，设置该汽油机在某个瞬态工况过程（由工况点A（转速1000r/min、负荷为52N.m）变化至工况点B（转速2000r/min、负荷为196N.m））运行5秒，其中每隔1秒，用进气流量计和油耗仪测得这5个瞬态工况点的进气流量和油耗，得到发动机在这5个瞬态工况点的排气流量，并在SO2气体分析仪测得这5个瞬态工况点的排气SO2浓度；如图3(a)所示，由进气流量计和油耗仪得到这5个瞬态工况点排气流量，分别为19.05g/s 、24.3 g/s、30.15 g/s、41.25 g/s、53.1 g/s； 如图3(b)所示，测得5个瞬态工况点的排气SO2含量，分别为5.1×10-6、4.5×10-6、4.5×10-6、4.4×10-6、4.6×10-6；k 2值为0.96；根据公式（3）可得，该汽油机从工况点A运行至工况点B，这5个瞬态工况点的润滑油消耗量依次为0.007 g/s、0.008 g/s、0.010 g/s、0.013 g/s、0.018g/s，如图3 (c)所示。
实施例3：一台4缸汽油机单个气缸的润滑油消耗量测量
测量一台4缸汽油机单个气缸的润滑油消耗量，按照本发明的方法，如图2布置试验汽油机，并如图4所示，在该汽油机第1气缸、第2气缸、第3气缸、第4气缸的排气歧管分别布置4个SO2气体分析仪的采样探头A、B、C、D，用SO2气体分析仪分别测量这4个缸的排气SO2浓度；用进气流量计和油耗仪得到发动机的总排气流量，每个排气歧管的排气流量均为总排气流量的1/4。该汽油机燃用无硫汽油，并用硫含量测试装置测取润滑油的硫含量为0.72%；启动汽油机，设置该汽油机在稳态工况点（转速1200r/min、负荷74N.m）运行，待发动机稳定运行，由进气流量计和油耗仪得到该工况下发动机的总排气流量为24.4g/s，则每个排气歧管的排气流量为6.2g/s；同时在测点A、B、C、D，用SO2气体分析仪测得第1气缸、第2气缸、第3气缸、第4气缸的排气SO2含量分别为4.5 ×10-6、4.5×10-6、4.4 ×10-6、4.6×10-6；根据公式（3）可得，该汽油机第1气缸、第2气缸、第3气缸、第4气缸的润滑油消耗量分别为0.00195 g/s、0.00195 g/s、0.00191 g/s、0.00199 g/s，如图5所示。

Claims (1)

1.发动机润滑油消耗量的实时测量方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)布置发动机测量装置，在进气总管上安装进气流量计测取进气流量mair，在进油总管上安装油耗仪测取燃油消耗量mfuel，同时将SO2气体分析仪的采样探头放置于发动机排气总管处，以测取发动机排气的SO2含量SO2exhaust；
(2)采用完全不含硫的无硫燃油，故燃油硫含量Sfuel为0%；
(3)采用硫含量测试装置，事先测取润滑油的硫含量Soil；
(4)启动发动机后，设置发动机到某一运行工况（某个转速和某个扭矩），排气流量值mexhaust等于进气流量mair加上燃油消耗量mfuel，测取发动机排气SO2含量SO2exhaust；
(5)发动机使用无硫燃油，故燃油硫含量Sfuel为零；进气中的硫含量极低，可忽略不计，进气硫含量Sair亦为零； 
0.5·mexhaust·SO2exhaust=k 2·moil·Soil                       
进一步，可得润滑油消耗量moil为：
moil=(0.5·mexhaust·SO2exhaust)/(k 2·Soil)                    
其中k 2为润滑油中的硫转化为SO2 的比例，为0.96~0.98；
mexhaust为排气流量(g/s)， 
moil为润滑油消耗量(g/s)，Soil为润滑油硫含量(wt%)；
(6)对于共有 i 个气缸的多缸发动机，气缸之间的润滑油消耗量可能存在差异；如果需要测量单个气缸的润滑油消耗量，只需将SO2气体分析仪的采样探头放置于发动机第j个气缸单个排气歧管处，以测取发动机第j个气缸排气的SO2含量SO2j；其余测试方法与前述的步骤完全相同；发动机单个气缸的排气流量为mexhaust/ i ，其中 i 为气缸数量；最后得到第j个气缸的润滑油消耗量为moil = (0.5·mexhaust/ i  ·SO2j) / (k 2·Soil)。
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