曲轴箱油雾中油雾浓度、油膜检测方案(在线自动监测系统)

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曲轴箱通风油雾在线测量技术 北京多普勒环保科技有限公司涂扬赓Topas GmbH JAN MULLER -、背景 曲轴箱中油雾废气主要以气溶胶形式存在，这些油雾废气不仅影响发动机的寿命，而且还污染了进气，从而增加了汽车污染物排放。实验研究表明这些油雾气溶胶粒径在1微米左右。 【1，2】油雾气溶胶主要从活塞处产生，旋转的曲轴和润滑油路也是其来源之一。对于增压发动机而言，增压器处也产生部分气溶胶进入曲轴箱。在曲轴箱中油雾气溶胶粒径会受到颗粒聚合、分解、碰撞壁面、沉积作用的影响。即使使用了油雾分离器，闭式曲轴箱通风系统仍与往复式发动机的总机油消耗量相关。由于闭式曲轴箱系统的强制通风，污染物会进入阀门和冷却器，从而缩短阀门奉命，降低冷却器的效率。同样这些油雾气溶胶夹杂着未燃尽污染物，影响颗粒捕集器}(DPF， GPF)，和催化剂。随着国六排放标准的实施，降低曲轴箱通风油雾排放，提高油雾分离器分离效率变的越来越重要。 二、曲轴箱油雾气溶胶粒分布 测量方法可分为两种，撞击器和激光粒径谱图。下图是典型的曲轴箱中油雾气溶胶的粒径分布。可以看出油滴粒径主要集中在1微米附近。 三、改进的重量法 目前在国内测量曲轴箱通风系统中油雾浓度都基于计重法，流程如下图。在发动机试验台架上测量稳定工况下全流油雾气溶胶，通过测量试验前后过滤器的重量差，计算出油雾浓度。根据不同的发动机和曲轴箱通风量，需要选取的过滤器的材料和尺寸也会有所不不。通常推荐玻纤，因为这种材料具有极高的过滤效率。在试验前后需要对过滤器进行充分干燥，减少水分对实验结果造成影响。未充分干燥会使最终油雾质量浓度误差达到 50%-100%。这种重量测试的实验手段，几乎不可能探寻不同负载和不同发动机转速对机油消耗量的影响规律。同时得到曲轴箱通风油雾气溶胶排放的谱图需要大量的时间。 绝对过滤器流量计 风机 发动机 油雾分离器 这种重量法有如下几点不足。一、过滤器没有保温。因为油雾气溶胶中不可避免的的含杂有水蒸气和少量未燃尽的汽油，如遇冷，水蒸气和汽油会凝结，从而影响测量结果。二没有旁路。发动机在达到稳定工况之前需要一段时间，没有旁路作为调节，过滤器上收集的就不全是稳定工况的油雾气溶胶。三、实验终止条件不确定。不同发动机，甚至同一发动机在不同负载和转速条件下油雾排放浓度差异很大，无法事先确定，进而无法确定实验终止时间。对于过高的浓度，会出现过滤器收集油量过载的风险。而过低的浓度，会出现天平精度无法有效测量重量差，从而影响实验测试结果准确性。四、影响发动机工作。随着实验进行，机油加载，过滤器压力损失增加，会对发动机的运行造成影响。 为此，改进的重量法如下图所示。 通过加热管道和过滤器外围的保温装置，曲轴箱通风中的污染物不会凝。过滤器上收集的油滴样品可以在实验室进一步的检测。除了称量样品的质量，还可以得到样品的成分信息。设置旁路，在发动机达到实验工况后，切换到测量路，保证实验严谨准确。过滤器的上下游安装压差传感器，用于监测过滤器捕集油滴的实时重量，无论各种发动机或者不同的实验工 况，均能找到一个合理的测试时间。监测重量测试系统的各位置的温度和压力，通过连续调节采样泵，补偿过滤器加载的压力损失。通过上述的实验方法，，可以方便的进行曲轴箱通风系统改进，活塞尺寸的优化，检测增压器机油雾化情况。 实时光学测量方法 在实际测试中，重量法耗时较长，，女如果得到一张完整谱图，大概需要14-30个工作日。这对于发动机测试而言，成本很高。实时测量曲轴箱油雾排放能够极快提速测试，缩短开发周期，1，节约成本。测量原理如下： 针对曲轴箱通风中油雾浓度特性，选取了两种光度计，一种特别针对高浓度及喷油及油膜检测。光度计测量油雾浓度的原理基于贝尔定律。在特定长度内，消光程度与油雾的浓度成正比。光度计PAP610 选取了两个波段的激光(蓝光470nm， 红外光875nm)，分别测量两个激光器的消光系数，结合米氏散射原理(Mie theory)，计算出油雾气溶胶的等效直径。通过计算消光系数和折射率， 可以估算出油雾气溶胶在0.1-1.5微米之间的粒径分布。光度计 PAP612 在 PAP610的基础上增加了径向方向的传感器，这样通过比较两个垂直方向激光的散射的变化，可以检测喷油现象及油膜的形成。PAP612 结构紧凑，不仅可以在实验室使用，还可以单独在实验台架上使用。 将 PAP610 和 PAP612 布置在油雾分离器的上下游，便可以实时测量和评价油雾分离器的实际使用效率。消光系数与油雾质量浓度呈现线性关系，如下图所示： 结合重量法，只需要简单几个点的数据就可以标定光度计。其它的工况点通过光度计的标定拟合直线，通过插值计算出来。光度标定后，即可实时测量曲轴箱通风系统中油雾气溶胶的质量浓度。测试过程中，结合流量，即可以计算出实时油雾排放量，极大缩短的测试时间。 结论 下图是某新款增压汽油发动机的曲轴箱油雾排放图。数据做了无量纲化处理，百分比代表了实际值与最大值的比值。原始数据记录的光度计软件中，整个测试过程全程自动操作并耗时5小时。 不同负载和转速下的油雾排放 从图上可以看出在高负载下，油雾排放浓度迅速增加，并且负载比转速对油雾排放浓度的影响更大。有了这些信息，进一步的测试或者改进会更有效率。 同样柴油机的油雾排放谱图也可以按照同样的方法测试。如图所示： 上图是两款相同的柴油机不同活塞配置的油雾排放谱图。两者的最大区别在于活塞的冷却。在实际过程中活塞的冷却温度被设置为一个常数。图中可以看出其中一个活塞配置和另一个比较，油雾气溶胶浓度有显著降低。结果表明发动机活塞的冷却设置对曲轴箱通风系统中的油雾排放有非常显著的影响。这个对需要满足国六排放标准的发动机而言，是一个值得关注的优化方向。 除了活塞以外，对于增压发动机而言，增压器产生的气溶胶也会进入曲轴箱通风系统。和活塞产生的油雾气溶胶比较，增压器处产生的油雾流量较小，但是浓度很高。 下图是某款小型增压机在某几点工况下的油雾气溶胶浓度，等效粒径，和消光系数。表明增压发动机和普通发动机比较，其排放的油雾拥有更大的颗粒粒径，更高的浓度和较低的体积流量。 总结 和传统的重量法比较，本文中的光学在线测量方法在测量曲轴箱油雾排放方面具有极大优势。在发动机试验台架上，光学方法测量发动机闭式曲轴箱通风系统油雾浓度排放谱图(机油消耗量)，能够显著缩短试验时长。根据测试结果，可以进一步优化活塞、增压器，通过设置油雾分离器上下游测量点，可以分析油雾分离器的实际工作效率。 曲轴箱通风油雾在线测量技术北京多普勒环保科技有限公司  涂扬赓Topas GmbH   JAN MÜLLER一、背景曲轴箱中油雾废气主要以气溶胶形式存在，这些油雾废气不仅影响发动机的寿命，而且还污染了进气，从而增加了汽车污染物排放。实验研究表明这些油雾气溶胶粒径在1微米左右。【1，2】油雾气溶胶主要从活塞处产生，旋转的曲轴和润滑油路也是其来源之一。对于增压发动机而言，增压器处也产生部分气溶胶进入曲轴箱。在曲轴箱中油雾气溶胶粒径会受到颗粒聚合、分解、碰撞壁面、沉积作用的影响。即使使用了油雾分离器，闭式曲轴箱通风系统仍与往复式发动机的总机油消耗量相关。由于闭式曲轴箱系统的强制通风，污染物会进入阀门和冷却器，从而缩短阀门奉命，降低冷却器的效率。同样这些油雾气溶胶夹杂着未燃尽污染物，影响颗粒捕集器（DPF，GPF），和催化剂。随着国六排放标准的实施，降低曲轴箱通风油雾排放，提高油雾分离器分离效率变的越来越重要。