段偉，牛貝妮，陳俊

（1.071000 河北省 保定市 長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司；2.201807 上海市 菲亞特克萊斯勒動(dòng)力科技研發(fā)（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(zhǎng)春市 吉林大學(xué) 汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

隨著國(guó)家節(jié)能減排發(fā)展戰(zhàn)略的實(shí)施，內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)業(yè)面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)具有節(jié)能減排的優(yōu)勢(shì)，成為乘用車(chē)市場(chǎng)的主流技術(shù)。缸內(nèi)直噴汽油機(jī)與進(jìn)氣道多點(diǎn)噴射汽油機(jī)相比，具有較高的機(jī)油稀釋率，特別是冷機(jī)工況和短途工況，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化指標(biāo)的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率也較高。機(jī)油對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，存在于各種機(jī)械摩擦副以及液壓柔性氣門(mén)控制系統(tǒng)中。機(jī)油失效模式主要有：極高機(jī)油溫度或者較少量機(jī)油，破壞潤(rùn)滑油膜；機(jī)油污染；機(jī)油乳化；機(jī)油稀釋。機(jī)油消耗率不僅是發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能中一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性以及運(yùn)行可靠性，甚至?xí)婕耙恍┕δ馨踩膯?wèn)題，也受到終端客戶的關(guān)切。而且研究表明，機(jī)油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)顆粒物排放之間存在密切關(guān)系，因此提高內(nèi)燃機(jī)機(jī)油消耗率測(cè)量精度意義重大。

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率測(cè)試一般包括離線測(cè)試和在線測(cè)試2 種方式。離線測(cè)試法主要有直接稱重測(cè)量法、間接稱重測(cè)量法和容積法，一般需要大型電子秤或循環(huán)油箱，操作不靈活，不能實(shí)時(shí)測(cè)量，重復(fù)性較差，精度不高。在線測(cè)試法中使用較廣泛的有示蹤元素法[1-2]、硫平衡測(cè)試法[3]和電容式液位傳感器[4-6]測(cè)試法。其中，示蹤元素法利用機(jī)油里添加放射性元素，追蹤其在機(jī)油中的放射性強(qiáng)弱計(jì)算機(jī)油的消耗量，該設(shè)備較昂貴，儲(chǔ)存不便，使用時(shí)間和測(cè)量精度會(huì)受到放射性元素半衰期的影響，常用于機(jī)油稀釋試驗(yàn)；硫平衡測(cè)試法可以支持在線測(cè)量，精度較高，但分析設(shè)備造價(jià)較高；電容式液位傳感器應(yīng)用較廣泛，既可用于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架和整車(chē)機(jī)油消耗率測(cè)試，也可在特定的機(jī)油稀釋試驗(yàn)中，利用機(jī)油液位高度與初始位置比較，判斷機(jī)油稀釋水平。通過(guò)數(shù)采設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)反映發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況和關(guān)鍵控制參數(shù)對(duì)機(jī)油消耗率的影響，為廣大內(nèi)燃機(jī)工作者在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)階段各控制參數(shù)對(duì)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放性等指標(biāo)聯(lián)合標(biāo)定和優(yōu)化提供了便利條件，但測(cè)試時(shí)要求平臺(tái)有一定的水平度。

有關(guān)研究中，信曦等[7]運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究了噴油策略對(duì)直噴增壓汽油機(jī)燃油濕壁與機(jī)油稀釋的影響；賈殿臣等[8]研究了增壓直噴汽油機(jī)機(jī)油稀釋的影響因素與優(yōu)化方向；孫曉東等[9]探究了增壓直噴汽油機(jī)冷機(jī)怠速工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)對(duì)機(jī)油稀釋的影響；Mariani 等[10]介紹了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)缸壁上燃油與機(jī)油稀釋模型的液相擴(kuò)散系數(shù)；Wattrus[11]研究了燃油特性對(duì)柴油機(jī)燃油稀釋機(jī)油的影響；Kondoh 等[12]介紹了剪切型水平表面聲波傳感器在機(jī)油性質(zhì)測(cè)試中的應(yīng)用；張勇等[13]設(shè)計(jì)了一種基于介電常數(shù)的電容式傳感器檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)測(cè)量潤(rùn)滑油中的水含量；王建華等[14]根據(jù)電容變化率來(lái)評(píng)定機(jī)油的分水性能。還有一些國(guó)內(nèi)學(xué)者設(shè)計(jì)了基于電容液位傳感器的燃油液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，較少應(yīng)用此傳感器測(cè)量一些不規(guī)則容器的液位。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要研究發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)對(duì)機(jī)油消耗量的影響，較少研究發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量測(cè)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(jī)油消耗率測(cè)試方法，并與U 型液位計(jì)測(cè)試液位高度結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了電容式液位傳感器的測(cè)量精度較高，應(yīng)用此方法的機(jī)油消耗率測(cè)試結(jié)果與測(cè)試規(guī)范中推薦采用的放油直接稱重法對(duì)比分析，驗(yàn)證了此方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

1 測(cè)試原理與試驗(yàn)方法

1.1 測(cè)試原理與設(shè)備

本文采用電容式液位溫度傳感器[15]（Capacitive Liquid Level And Temperature Sensor），通過(guò)傳感器信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集設(shè)備（如圖1 所示），在線測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油液位和溫度，而且機(jī)油溫度模塊可以實(shí)時(shí)修正由于溫度變化而引起的液位變化。機(jī)油溫度測(cè)試范圍為-40～160 ℃，準(zhǔn)確度±2℃，介電常數(shù)ε測(cè)量區(qū)間為1～6，精度±0.1。一般液位高度測(cè)試范圍為20～130 mm，準(zhǔn)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(hào)處理與采集設(shè)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(jié)構(gòu)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(nèi)外電極，外管管壁上布有通孔，以便被測(cè)液體自由進(jìn)出。測(cè)試原理是利用被測(cè)液體液位變化時(shí)引起可變電容傳感器兩電極之間介電常數(shù)的變化從而導(dǎo)致電容量變化這一關(guān)系，計(jì)算液位變化。

圖2 測(cè)量非導(dǎo)電液體液位的可變電容傳感器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of variable capacitance sensor for measuring non-conductive liquid level

當(dāng)沒(méi)有被測(cè)液體時(shí)，傳感器的電容量Cair為

式中：ε0——空氣的介電常數(shù)；L——兩電極的最大覆蓋長(zhǎng)度；D，d——外電極的內(nèi)徑和內(nèi)電極的外徑。

當(dāng)被測(cè)液體的液位為H 時(shí)，傳感器的電容量CH為

式中：ε——被測(cè)液體的介電常數(shù)。

當(dāng)容器內(nèi)的液位由0 增加到H 時(shí)，傳感器的電容變化量ΔC 為

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

1.2 試驗(yàn)方法

本文采用如圖3 所示的簡(jiǎn)易試驗(yàn)平臺(tái)，研究測(cè)試平臺(tái)傾斜角度和不同液面高度與體積擬合計(jì)算對(duì)機(jī)油體積測(cè)量的影響，應(yīng)用U 型液位計(jì)測(cè)試液位高度，驗(yàn)證電容式液位傳感器測(cè)試液位高度的準(zhǔn)確性。

圖3 機(jī)油體積測(cè)試簡(jiǎn)易平臺(tái)Fig.3 Platform of oil volume measuring

在發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行機(jī)油消耗率試驗(yàn)。圖4 為機(jī)油消耗率試驗(yàn)測(cè)試循環(huán)，包括啟動(dòng)、怠速、加減速工況等。采用電容式液位傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油液位高度和溫度，并應(yīng)用放油直接稱重法測(cè)量相應(yīng)時(shí)間下的機(jī)油量，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)散差和測(cè)量誤差，在3 臺(tái)同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行機(jī)油消耗率試驗(yàn)。

圖4 機(jī)油消耗率測(cè)試循環(huán)Fig.4 Oil consumption test cycle

2 測(cè)試方法研究

基于電容式液位傳感器測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率，需要建立機(jī)油液面高度與機(jī)油體積的函數(shù)關(guān)系來(lái)計(jì)算機(jī)油消耗量，而發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼為不規(guī)則容器，當(dāng)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(huì)顯著增加測(cè)量誤差，本文采用加密測(cè)點(diǎn)來(lái)標(biāo)定機(jī)油液位高度與體積的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2.1 電容式傳感器測(cè)試準(zhǔn)確度驗(yàn)證

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

表1 機(jī)油液位高度測(cè)試值對(duì)比Tab.1 Comparison of oil level measuring values

2.2 機(jī)油液面高度與體積函數(shù)關(guān)系

圖5 為機(jī)油相對(duì)液位高度與體積的函數(shù)關(guān)系。其中，機(jī)油相對(duì)液位高度為當(dāng)前液位高度與初始高度的差。由圖5 和表2 可得，采用兩點(diǎn)式線性擬合相對(duì)液位高度與體積時(shí)，較五點(diǎn)式3 次擬合計(jì)算結(jié)果偏差較大，特別在中間液位高度。在一定運(yùn)行時(shí)間和工況下，車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量遠(yuǎn)小于1 L，為了提高機(jī)油消耗率的測(cè)量準(zhǔn)確度，文中應(yīng)用五點(diǎn)式3 次擬合計(jì)算機(jī)油體積。

圖5 機(jī)油相對(duì)液位高度與體積的函數(shù)關(guān)系Fig.5 Functional relationship between oil level height and volume

表2 不同擬合方式對(duì)機(jī)油體積的影響Tab.2 Effect of different fitting methods on oil volume

2.3 測(cè)試平臺(tái)傾斜角度

電容式液位傳感器固定在水平臺(tái)上，與油底殼形成一個(gè)整體，通過(guò)塑料軟管和油底殼最低處連接，測(cè)試時(shí)要求平臺(tái)有一定的水平度。為了模擬在整車(chē)應(yīng)用的實(shí)際路況，本文研究了測(cè)試平臺(tái)傾斜角對(duì)機(jī)油液位高度的影響。如圖6 所示，測(cè)試平臺(tái)傾斜角定義為平臺(tái)與水平面的夾角，其中測(cè)試平臺(tái)順時(shí)針傾斜形成的夾角規(guī)定為正，逆時(shí)針為負(fù)。

圖6 測(cè)試平臺(tái)傾斜示意圖Fig.6 Schematic diagram of test platform tilt

圖7 為相同體積不同平臺(tái)傾斜角對(duì)機(jī)油液位高度的影響，傾斜角為0°，機(jī)油體積4 500 mL 對(duì)應(yīng)的液位高度為73.43 mm。由圖7 可知，隨著傾斜角變化，機(jī)油液位高度也相應(yīng)變化。傾斜角正向增大時(shí)，液位高度增大；負(fù)向增大時(shí)，液位高度減小。在同樣傾斜角度、不同傾斜方向，正向時(shí)液位高度變化量大于負(fù)向時(shí)，可能原因是傳感器布置位置、油底坑形狀以及機(jī)油加注量共同影響的。當(dāng)傾斜角為-3°時(shí)，液位高度為60.23 mm，計(jì)算機(jī)油體積為3 643.8 mL，實(shí)際機(jī)油體積為4 500 mL，計(jì)算偏差為-856.2 mL，傾斜角越大，機(jī)油體積計(jì)算偏差越大，嚴(yán)重影響機(jī)油消耗率的測(cè)試結(jié)果。

圖7 測(cè)試平臺(tái)傾斜角度對(duì)機(jī)油液位高度的影響Fig.7 Effect of tilt angle of test platform on oil level height

3 機(jī)油消耗率測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 機(jī)油消耗率測(cè)試結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率測(cè)量試驗(yàn)開(kāi)始前，需標(biāo)定機(jī)油液面高度與機(jī)油體積的關(guān)系。標(biāo)定過(guò)程如下：放干凈發(fā)動(dòng)機(jī)舊機(jī)油，加入一定量新機(jī)油，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，調(diào)整機(jī)油液位傳感器位置，待傳感器液位讀數(shù)穩(wěn)定后采集液位高度記為INT，再依次添加250 mL 新機(jī)油（共4 次），分別采集傳感器液位高度記為SOT1，SOT2，SOT3，SOT4。開(kāi)始機(jī)油耗耐久測(cè)試循環(huán)，運(yùn)行50 h 后，采集液位高度記為EOT，每次記錄機(jī)油液位高度時(shí)需發(fā)動(dòng)機(jī)在怠速工況。圖8為電容式液位傳感器機(jī)油液位高度實(shí)時(shí)測(cè)量值。

圖8 機(jī)油液位測(cè)量實(shí)時(shí)值Fig.8 Oil level measuring value

車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程，機(jī)油溫度較高，機(jī)油會(huì)產(chǎn)生熱膨脹現(xiàn)象，引起機(jī)油密度變化，影響機(jī)油消耗率的計(jì)算，采用式（4）計(jì)算機(jī)油體積：

式中：moil——機(jī)油質(zhì)量；ρ23——23℃下的機(jī)油密度，ρ23=0.838 3 g/mL；t——當(dāng)前機(jī)油溫度，t>23℃；α——機(jī)油熱膨脹系數(shù)，α=0.000 7 #/℃。

測(cè)試過(guò)程SOT4 之前的機(jī)油體積Voil由式（4）計(jì)算，其中機(jī)油質(zhì)量由電子秤測(cè)得，測(cè)試過(guò)程EOT的機(jī)油體積由3 次數(shù)值擬合機(jī)油液位高度與機(jī)油體積的函數(shù)，計(jì)算得到結(jié)果如表3 所示。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行50 h 耐久測(cè)試循環(huán)后的機(jī)油消耗率為21.4 g/h。

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率處理結(jié)果Tab.3 Processing results of engine oil consumption rate

3.2 與稱重法對(duì)比分析

圖9 為不同測(cè)量方法（稱重法和液位傳感器）下機(jī)油消耗量對(duì)比?？梢?jiàn)，采用稱重法測(cè)試結(jié)果散差較大，標(biāo)準(zhǔn)差為4.25，這是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油不能排干凈以及測(cè)試量筒的殘余質(zhì)量；采用液位傳感器法的測(cè)量值波動(dòng)較小，機(jī)油消耗量隨發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間的變化率與稱重法大致相同，標(biāo)準(zhǔn)差為1.85。

圖10 為不同測(cè)量方式下發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗率正態(tài)分布。據(jù)圖可知，采用電容式液位傳感器測(cè)量的機(jī)油消耗率分布集中，機(jī)油消耗率為16.4 g/h 的概率最高，為0.23；應(yīng)用稱重法在機(jī)油消耗率為16.08 g/h，分布概率最高為0.09。應(yīng)用2 種方法測(cè)量的機(jī)油消耗率均滿足此發(fā)動(dòng)機(jī)的規(guī)定范圍。

圖10 不同測(cè)量方式下機(jī)油消耗率正態(tài)分布Fig.10 Normal distribution of oil consumption rate at different measuring methods

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)油消耗率不僅是發(fā)動(dòng)機(jī)重要的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，而且也受到越來(lái)越多終端客戶的關(guān)切，但受限于測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量方法的局限性，機(jī)油耗測(cè)量精度較低，重復(fù)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(jī)油耗的測(cè)量方法，通過(guò)與U 型液位計(jì)測(cè)試液位高度結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證電容式液位傳感器的測(cè)量精度較高，并研究了測(cè)試平臺(tái)傾斜角度與擬合計(jì)算體積方法對(duì)機(jī)油消耗率的影響，結(jié)果表明兩者都對(duì)測(cè)試結(jié)果有一定的影響，最后與機(jī)油耗測(cè)試規(guī)范中規(guī)定采用的放油直接稱重法對(duì)比分析，可以得到：采用液位傳感器法測(cè)試結(jié)果一致性較好，準(zhǔn)確性較高，為內(nèi)燃機(jī)機(jī)油耗測(cè)試提供一種新的方法。