胡云昊，刘红美，杨友文

(上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海 201804)

1 概述

1.1 汽油稀释

汽油稀释是汽车发动机运行过程中，汽油进入到发动机油中的现象。汽油发动机正常运行燃烧过程中，汽油进入发动机气缸燃烧，尚未燃烧的汽油沿着气缸壁进入油底壳，与发动机油发生混合[1-4]。过去，汽油发动机主要以气道喷射为主，此类发动机的汽油喷射在气道口，进入气缸时雾化较好，与空气混合均匀，只有很少量的汽油进入到油底壳，因此对汽油稀释的影响关注较少。随着油耗法规的日趋严格，以及对汽车性能的追求，汽油机直喷技术，尤其是汽油机增压直喷技术逐渐普及[5]。增压直喷发动机，由于汽油直接喷入气缸，极易造成未燃烧的汽油进入油底壳[6]。汽油稀释造成机油闭口闪点下降[7]；机油黏度下降，机油压力不足，易造成发动机异常磨损[1，8]；汽油中的酸性物质混入机油，影响机油寿命[4]；未燃烧完成的碳烟也随汽油进入机油中，增加链条、机油泵的磨损，破坏油封等密封，增加活塞沉积物等等[9]。因此，需要在发动机开发和验证试验中，密切关注汽油稀释的状态，保证量产发动机在综合工况下，保持较小的汽油稀释率[10]。

1.2 汽油稀释的测定方法

传统的发动机油汽油稀释的测定方法包括气相色谱法，热重法等。近些年的研究表明，红外光谱和表面声波技术也可用于汽油稀释的测定[11-12]。针对试验后发动机油的汽油稀释测定，气相色谱法是最主要的检测手段。气相色谱法通过分割汽油组分峰与润滑油组分峰积分时间，得出机油中的汽油稀释[13]。该方法测试准确性高，但测试设备昂贵，导致测试费用高，只有少数实验室有经验准确测定，且设备无法携带，不能满足发动机和整车试验中大量的、快速的汽油稀释测定要求。热重法是目前试验中高频次监测汽油稀释的主要手段。热重法利用汽油易挥发的特性，将旧机油在烘箱中加热到一定温度，测定汽油挥发后的机油重量，和原重量对比，计算汽油稀释率。该方法测试设备简单，但误差大，合适的温度和时间很难选择，难以保证只有汽油挥发，也难以保证汽油能充分挥发，同时该方法操作相对复杂，有一定的危险性。为满足发动机和整车试验中大量的、快速的汽油稀释测定要求，需要一种新型的测定方法。本文所研究介绍的是以低成本、快速、简便和有效地测定试验后发动机油的汽油稀释的方法。

2 试验原理及测试方法

2.1 试验原理

由于油品的黏度取决于流体分子的性质以及分子间的相互作用，混有汽油的发动机油属于一种复杂的混合物，所以通常的混合规则并不适用于计算其黏度。1887年，Arrhenius基于理想溶液提出了对数混合规则，该模型由于计算稠油和轻质油混合黏度较好，所以被推荐用于计算混合油品黏度[14]。

根据Arrhenius公式，在温度一定的情况下，可以推导出两种混合液体动力黏度与混合比例间存在如下近似关系：

(1)

其中:x1、x2——两种液体的体积比例；

η——混合液体的动力黏度；

η1、η2——两种混合液体的动力黏度。

在一定温度下，式1中的η1和η2是常量，x1与x2之和为100%。因此，lnη与x1呈线性关系。同时，混合液体密度一定，体积和质量存在线性换算关系。为了汽油稀释的计算方便，体积比可看做质量比，即可推导出下式：

wt%=(alnη+b)×100%

(2)

其中:wt%——汽油稀释率；

η——混合液体的动力黏度；

a、b——常数。

根据不同机油自身的黏度特性，以及机油对汽油稀释的黏度保持性能，a、b会有不同值。从式2中可以看出，只要确定某款机油的a、b值，就可以快速地通过机油黏度测定的结果计算出汽油在旧机油中的质量百分比，即汽油稀释。

2.2 测试方法

在某一恒定的温度下，测定一定体积的液体在重力下流过一个标定好的玻璃毛细管黏度计的时间，黏度计的毛细管常数与流动时间的乘积，即为该温度下测定液体的运动黏度。发动机油的100 ℃运动黏度是其黏度级别分类的重要指标，是机油检测的常用参数，但由于式2中的黏度参数为动力黏度，为了测试的便利性，也需要对比分析使用100 ℃运动黏度替代动力黏度的可行性。

鉴于旧机油本身存在的客观误差，在推导常数a、b时，先采用新机油与汽油混合，得到黏度与混合比之间的曲线关系，通过数据拟合，得到a、b值。旧机油所造成的计算测试误差，由于极度的复杂性，影响比例也不大，采用历史数据拟合的方法，予以消除。

3 测试结果及误差分析

3.1 测试结果

在应用于某款新型汽油直喷发动机A的新机油中混入不高于20%的汽油，制备汽油与发动机油的混合液体。众所周知，一定温度下，润滑油的动力黏度是运动黏度与密度的乘积[15]。通过100 ℃运动黏度的测定和密度测定，可绘出汽油含量和混合液体100 ℃动力黏度的关系曲线(见图1)，通过自然对数拟合，得到a、b值。为方便计算，假设运动黏度和汽油稀释间也有这样的对数关系，拟合出另一条曲线(见图1)，运动黏度和汽油稀释间的关系如下：

wt%=(A1lnV+B1)×100%

(3)

其中:wt%——汽油稀释率;

V——混合液体的运动黏度;

A1、B1——常数。

图1 发动机A机油黏度与汽油稀释率的关系

考虑到发动机油一般测定100 ℃运动黏度而非动力黏度，因此，需要研究采用式3代替式2的可行性。

如图2所示，混合液体的密度和汽油含量之间也存在线性关系，所以，可以将动力黏度用运动黏度和汽油含量的关系式表示：

η=(-0.0014×wt+0.8033)×V

(4)

其中:wt——汽油稀释率；

η——混合液体的动力黏度；

V——混合液体的运动黏度。

图2 混合液体密度与汽油稀释率的关系

采用式3拟合混合液体在不同运动黏度下的汽油稀释率，通过式4计算相应的动力黏度，再将这一系列的动力黏度代入式2计算汽油稀释率。比较该计算方法下混合液体的汽油稀释率与直接采用图1中动力黏度拟合的汽油稀释率，两者差值如图3所示。结果表明，采用式3计算的汽油稀释率比式2计算的汽油稀释率仅相差不到0.07%。同时，式3拟合曲线的R2值达到0.9961。因此，采用式3计算汽油稀释率是可行的。

图3 不同黏度下式3与式2计算汽油稀释率差值

使用后的旧机油与新机油间存在一定的差异，由于机油本身在使用过程中会发生黏度的变化，其中的部分黏指剂在使用过程中被剪切变成小分子，使得机油黏度减小，而使用一段时间后，自身发生氧化，使得机油黏度上升。为减少该误差，总结了过去两年内该新型汽油直喷发动机A耐久试验汽油稀释和黏度间的关系，将实测的汽油稀释数据分别代入式3，得到100 ℃运动黏度的计算值。比较计算值和实测值，结果表明绝大部分实测黏度结果要大于预估的结果。由于耐久试验控制换油周期，没有油样发生急剧氧化导致黏度急剧上升的情况，在规定的换油期内，无论换油时间长短变化，黏度的氧化增长并没有明显的趋势，而是在一个范围内，因此两者的差异可以作为修正误差，若对这些差值进行算术平均，可得到修正误差△V，使用该经验值修正式3，得到下式：

wt%=(A1ln(V-△V1)+B1)×100%

(5)

通过测定机油样品的100 ℃运动黏度并将值代入式5，即可测得该发动机油样的汽油稀释值。

为了验证该方法的普适性，将此方法运用到另一规格的机油上，同样得到应用于另一款新型汽油直喷发动机B的新机油100 ℃运动黏度与汽油稀释间的关系(见图4)，并通过数据修正，得到下式：

wt%=(A2ln(V-△V2)+B2)×100%

(6)

图4 发动机B机油黏度与汽油稀释率的关系

通过测定机油样品的100 ℃运动黏度并将值代入式6，即可测得该新型汽油直喷发动机B机油样品的汽油稀释值。

当然，该方法也适用于其他直喷汽油发动机和发动机油，但相应的公式需要使用新油推导。

3.2 误差分析

以气相色谱法测定的历史汽油稀释数据为基准，比较黏度变化法的测试准确度。

图5和图6统计了发动机A和发动机B分别在气相色谱法和黏度变化法所测得的汽油稀释的差值。其中，正值代表黏度变化法所测得汽油稀释值大于气相色谱法，负值则反之，单位为质量百分比。从统计学上分析来看，两种发动机的历史汽油稀释数据P值大于0.06，可以认为都是正态分布的。

图5 发动机A的历史数据差值

图6 发动机B的历史数据差值

图7和图8利用统计学手段进一步分析了发动机A的历史汽油稀释数据差值。相比于气相色谱法，历史数据通过黏度变化法测定汽油稀释，差值均能达到±2%以内。通过统计学方法分析，±1%差值时Cpk为0.37，即约75%的测试误差能达到±1%以内。±2%差值时Cpk为0.74，即约97.4%的测试误差能达到±2%以内。

图7 发动机A的历史数据差值分析(设定误差范围为±1%)

图8 发动机A的历史数据差值分析(设定误差范围为±2%)

图9和图10利用统计学手段进一步分析了发动机B的历史汽油稀释数据差值。相比于气相色谱法，历史数据通过黏度变化法测定汽油稀释，差值均能达到±1.5%以内。通过统计学方法分析，±1%差值时Cpk为0.52，即约88.1%的测试误差能达到±1%以内。±2%差值时Cpk为1.06，即约99.9%的测试误差能达到±2%以内。

图9 发动机B的历史数据差值分析(设定误差范围为±1%)

图10 发动机B的历史数据差值分析(设定误差范围为±2%)

两种发动机的误差率均能兼顾测试效率和快速检测所需要的误差范围，误差率是可以接受的。

4 结语

本文试验研究中，在两款新型直喷汽油发动机A、B上采用两款发动机油，利用发动机油油样100 ℃运动黏度测定结果，结合推导出的汽油稀释和100 ℃运动黏度间的关系，计算得到该油样的汽油稀释率。也就是说，通过100 ℃运动黏度，即可同时得到机油的汽油稀释。其他直喷汽油发动机及对应的发动机油需要使用该推导方法重新推导出汽油稀释和100 ℃运动黏度间的关系，同样可以得到油样的汽油稀释率。

该汽油稀释的测定方法，有效解决了发动机和整车试验中大量的、快速的汽油稀释测定需求，降低检测成本。由于采用了100 ℃运动黏度换算的方式，而100 ℃运动黏度也是机油监控的指标，100 ℃运动黏度的测定方法简单、易操作，使得该方法一举两得，非常便利。同时，测定结果误差小，使用该方法与气相色谱法相比，通过统计学方法得出，运用该方法的得到的汽油稀释结果是有效的。