论-柴油机润滑系统机油泄漏检测模型的研究

箱液位差，实现机油消耗的测量。机油消耗试验选 取柴油机外特性工况运行 ，试验用柴油机最大扭矩 点在l 400 r ／mi n，水温控制在( 80±2) ℃范围内，试 验方 案见 表1 。
a油箱 设i 十啄 意
b油 箱 内机 油变 化
图2试验油 箱 表1试验方 案
工况 1 Z
转速／r ·mi n一1
2 000 1 800
统异常泄漏监测主要采用缸内压力和缸壁温度作为缸内机油消耗的运行状态参数，把机油温度作为工况参数。通
过对4个工况下机油消耗量的测量与分析，揭示了机油消耗量随转速、负荷的增加而增大的特性。研究结果表明， 理论计算的机油消耗量与实际测量的机油消耗量是一致的。
关键词：柴油机；润滑系统；机油消耗；数学模型
DOI ：10． 3969／ j ．i s sn．10 01 22 22．201 2．03．005
式中：G№为活塞环开口处机油上窜消耗量；L。为活 塞环开口宽度；艿为活塞 环与缸套间隙；Ln为活塞 环厚度；』Dl 为活塞环开口处机油密度；pt 为活塞环 开口处机油黏度；P。为活塞环上端气体压力；P。为 活塞环下端气体压力；‰为活塞速度。
d) 第一道活塞环向燃烧室刮油消耗量 柴油机缸壁机油油膜分布 状态在不同的活塞行 程中是不一样的，通常活 塞上升行程的油膜比下降 行程的油膜厚度小，造成 第一道活塞环向燃烧室内 刮油的现象。在环往复运 动过程中，机油因为惯性 力的作用流入燃烧室被消耗掉。对于每个循环过 程，由惯性力造成的机油质量为
向运动；⑥活塞环开口端充溢机油，忽略惯性力
作用[ 3] 。缸内机油消耗 量可表示为
GI —GI 。+Gl D+GI b+Gl 。。
( 1)
式中： G为缸 内机油消耗量 ；G． 。为缸壁机油 蒸发
量；GI 。为活塞环“泵油”消耗量；Gl b为活塞环开口
处机油上窜消耗量；G“为第一道活塞环向燃烧室刮
油消耗量。
Z 剖 嚷 叫 划 糕 毪 耍
图5 油膜蒸发量随曲轴转角的变化
3．2第一 道 活塞环 刮 油消 耗 图6示出 活塞环 刮油机 油消耗 量随曲 轴转角 的
变化。 油膜厚度在活 塞上升行程 比下降行程小 ，造 成第一 道活塞环刮油 现象。在活 塞上升行程， 由于 活塞 环在活 塞槽内 相对运 动， 因此机 油消耗 为0。 随着柴油机转速增大，油膜厚度增加，第一道活塞环 刮油消耗增加，该值在2 000 r ／r ai n时最 大，占缸内 机油 消耗的6 8．95％ 。
曲轴转角p／( 。) a油 膜蒸发 层温度 随曲轴 转角 的变化
Z 恻 蚂 {喧 略 喽 划 槭 趔 跫
转速n， r·r ai n“ h油 膜蒸发 层最高 温度随 转速 的变化
图4 上止点 缸套内 壁油 膜蒸发 层温度 的变 化
图6 活塞环刮油消耗随曲轴转角的变化
3．3活塞环“泵油”消耗 图7示出活塞环“泵油”消耗量随曲轴转角的变
·22·
车用发动机
20 12年第3期
式中：Q，为缸内工质传入机油油膜的热量；Q，为缸
内工质与油膜辐射换热量；T- 为油膜蒸发层温度；
h，为机油比焓；W。为机油蒸发质量。由w。可
得到GI 。。
b) 活塞环“泵油”消耗量
环与环槽间的间隙使得 气环在轴向力作用下作
轴向运动，由此产生环与 环槽端面的泵油作用。活
图12液位传感器及其安装位置 对试验车 辆的某次驾驶训 练进行了数据 采集， 训练时大气压力为100 kPa ，环境温度为15℃，水 温变化范围57～105℃。驾驶训练测试结果见图 13。由图可见，转速 变化范围为800～2 000 r ／mi n， 主要集中在1 600 r ／ mi n以上，燃油消耗量范围为 17～110 kg／h。
中 图分类 号 ：TK421．9
文献标志码：B 文章编号：1001—2222( 2012) 03—0021—05
机油消耗量是发动 机的一项重 要性能指标 ，在 发动机 技术状态 监测中，一 个重要问 题是如何 通过 机油消 耗量来反 映活塞环预 紧力的变 化情况， 从而 评定发 动机缸内 的技术状态 。发动机 窜机油会 引起 燃烧室沉积物增加，影响传热效率，也可能引起不正 常燃 烧， 活塞、 活塞 环烧 结及咬 死， 气缸表 面拉 伤等 。 此外，发 动机的机油消 耗与HC，NQ和PM排放关 系密切 ，因此对发动 机的机油消 耗进行监测具 有重 要意义。
放置30 mi n后机油箱液面位置几乎保 持不变，而车 辆在行驶 过程中，机油箱液 位受路况和机油 流量等 的影响，机油箱液位是不稳定的，因此机油消耗量的 监测选择 在车辆起动前进行 ，通过比较监测 前后机 油液位的 变化情况即可算出 行驶过程中的机 油消耗 量。图10示出机油消耗量阈值MAP图，即通过模
塞环表面的机油被泵人环槽内，端面“泵油”消耗量
计算式为
GIp-IDI掣 (訾 )。
( 3)
式中：h，为活塞环相对环槽位置；D为缸套直径。 c ) 活塞环开口处机油上窜消耗量 因为活塞往复运动，机油因惯性通过活塞环开
口间隙窜入到燃烧室。活塞环开口处机油上窜消耗 量为
Gm一 以 萼 ( 岳 警 飞 )。 (4)
扭矩／N·m 运行 时间／h
2 800
1
2 850
l
3
1 6000
3 300
1
2 ．2 试验与 计算结果 对比分 析 图3示出在 柴油机外特 性机油消 耗实测值 与计
算值的对比。随着柴油机转速从1 400 r ／mi n逐渐 升高到2 000 r ／mi n，缸内压力逐渐下降，平均有效 压力下降，活塞环背压下降，机油油膜厚度增大，故 第一道活塞环在上升行程刮 油量增加，然而由于缸 套壁面温度减小，缸套内壁 面机油蒸发量减少。转 速在2 000 r ／mi n时 ，活塞环在活 塞环槽“上浮 ”速度 快， 故活塞环 “泵油 ”量最大 。但总 体来说 ，机油消 耗 量随着转速升高而增加。计 算结果与试验结果较为
式中，A--鱼皆；Lb为活塞环宽度；伽为活 Ⅳl
。
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2．90)
字o叫。
( 5)
塞惯性力为0时的曲轴转角。
2机油消耗台架试验
2．1试验设计 试验过程中气缸压力使用Aut oPSI —A压力传
感器测量，缸壁温度使用PTl 000贴片温度传感器 测量。通过读取柴油机稳 定工况下机油箱内试验前 后液位差，实现对机油消耗的测量“] 。机油箱分为 上下两部分，上半部分为试验用油箱，下半部分为柴 油机 正常工作 供油油箱 ，机油箱 示意见图 2。试 验 过程中，保证供油油箱充满机油，通过读取试验用油
1 缸内机油消耗数学模型
对增压柴油机而言 ，缸内机油 消耗途径主 要包 括：缸套内壁面机油油膜蒸发消耗；活塞环“泵油”作 用，机油窜入燃烧室消耗[ 1 3；活塞环开口处向上窜气 带入缸内的机油消耗；活塞上升行程，第一道活塞环 刮入燃烧室的机油消耗[ 2] 。缸内机油消耗途径示意 见图1。
8缸 套内 壁面 机油 油膜 蒸发
图4示出 活塞 上止点 缸套 内壁机 油油膜 蒸发 层 温度的 变化。图4a中 ，在标定功 率下，缸内工 质温 度变化 直接影响蒸发 层油膜温度 的变化，油膜 温度 随着缸 内工质温度的 升高而升高 。由于工质与 蒸发 层油膜 之间对流换热 存在一定的 延迟，使得蒸 发层 温度滞 后于缸内工质 温度。图4b中，受缸内工 质温 度的作 用，油膜蒸发 层最高温度 随着柴油机转 速的 升高而降 低。
一 g 链 蜒 耀 嚣
转速n， r·ml n。 1 b消 耗量 随 转速 的变 化
图7活塞环“泵油”消耗量的变化
3．4缸内机油总消耗 活塞环开 口处机油上窜 消耗量占缸内机 油消耗
总量的比例很小 [ 5] ，在转速2 000 r ／mi n时，仅为 0．962×10一g／h，可忽略不计。图8示出缸内机油 总消耗量 随转速的变化。随 着转速的升高， 缸套壁 面温度升高，缸套壁面机油蒸发量增大。
图9停车后机油箱液位变化
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图l o机油消耗量阈值MAP图
I 400 1 500 l 600 1 711 0 I 800 l 900 200 0 转速n，r ·ra i n。
图8 缸内机油消耗量随转速的变化
4机油异 常泄漏 实车监 测模型
4．1监测模型建立 图9示出 停车后 机油液 位变化 情况。 车辆静 止
上 ∞ 盘{ 耀 诞
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曲轴转角p，( 。) a消 耗量 随曲 轴转 角的 变化
型计算出 不同工况下机油的 正常消耗量。根 据机油 消耗量计算模型，利用极限状态下的水温( 105℃) 、 柴油机转 速和燃油消耗量作 为边界条件，计 算出极 限状态下机油消耗量。图11示出实车机油异常泄 漏监测流程。Gl 宴穗为实际柴油机机油消耗，Gl 计算为 通过图10实时计算的机油消 耗量，考虑到缸 内机油 消耗量占 柴油机机油总消耗 量的比例( 约90％) 、机 油箱液位传感器精度( 97．75％) 、计算误差( 小于 4％) 等因素的影响，k值取1．17。
20 12年6月
付礼程，等：柴油机润滑系统机油泄漏检测模型的研究
吻合，在柴油机转速1 600 r ／mi n时误差最大，为 3．75％。因此，建立的柴油机缸内机油消耗计算模 型是 比较 准确的 。
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图5示出 缸套内 壁机油 油膜蒸 发量随 曲轴转 角 的变化。 活塞在上止点时， 暴露在燃烧窜内 的缸套 内壁面机油很少，该处机油蒸发量几乎为0；随着活 塞下行 ，暴露在燃烧 室内的缸套 内壁面的机油 逐渐 增多， 机油蒸发量增 大。同时， 随着柴油机转 速增 大，缸内工质温度减小，机油蒸发量下降，故转速为 2 000 r ／mi n[ j f f ，机油蒸发量最小，占缸内机油消耗 量的29。34％。