汽油直喷发动机

1、什么是润滑油？对于装配有内燃机的车辆、建筑机械、船舶、飞机等器械设备而言，发动机润滑油在润滑、冷却、清洁和防锈过程中起到十分重要的作用。如润滑油变质，则会导致润滑性能下降、发动机内部出现磨损，进而缩短发动机使用寿命并引发故障。 出于物理因素、高温加热、金属磨损颗粒及燃料污染物等影响，机油成分及其添加剂会分解或产生化学变化，从而导致润滑油变质。因此，建议使用不同类型的分析仪对润滑油变质实施分析，确定更换机油时机及应实施何种发动机维护工作。 图1 发动机润滑油变质常见原因 美国ASTM国际标准指定一种通过可变参数来评价润滑剂变质程度的方法。本文中，我们根据ASTM标准中所指定的分析方法，对润滑油变质、污染物、磨损和添加剂实施了分析与评估，其间使用了傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）、气相色谱仪（GC）和电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES）等设备。 表1 FT-IR、GC和ICP-AES的润滑油分析项目示例2、使用紧凑型FT-IR实施润滑油变质分析红外光谱法所提供的数据（光谱）可反映出物质结构。在FT-IR润滑油分析中，可采集由于磺化、硝化等组成物变化所引起的变质信息，还可以获取由于氧化引起的羰基增量信息。分析同样可提供烟炱和其他物质污染物的相关信息，并可获取由于水分污染而引发的羟基增量信息。此外，如润滑油包含抗氧化剂或抗磨组分，那么可通过特有峰值来确定是否由于润滑油变质而导致添加剂减量。 此项研究中，我们使用紧凑型、高性能FT-IR和易用液体分析单元对润滑油变质实施评价。图2 结合使用IRSpirit和Pearl液体池 2-1丨方法 结合使用IRSpirit与Pearl 0.1 mm光程液体池，对样品A和样品B的废旧机油与新机油实施分析。样品A和样品B的详细信息如下： 表2 样品详细信息 2-2丨结果图3 样品A和样品B的光谱 根据FT-IR分析结果，样品A中确认存在水污染及由于氧化和硝化而引起的变质。样品B中，抗氧化剂量减少，但并未观察到由于氧化变质引起的光谱变化。因此可假定使用抗氧化剂有效防止了机油氧化。 使用FT-IR，无需实施样品预处理即可实施润滑油分析，Pearl液体池在每次分析后，能够简单、快捷地实现池体单元清洁工作。此外，由于能够以高精度保持光程长度，因此所获数据在符合ASTM E2412要求的同时，还可以确保高可重现度。 然而，由于FT-IR方法灵敏度不高，因此很难区分低浓度污染物（如：燃料和冷却剂）。GC和ICP-AES方法适用于此类详细分析。 3、利用GC快速分析发动机润滑油中的燃油稀释率发动机润滑油中如果混入汽油或柴油等燃料油，那么会导致润滑油粘度降低、无法发挥其润滑性能。因此，燃油稀释率（含量）通常作为判断机油是否需要更换的一个关键指标。测定发动机润滑油中的燃油稀释率，一般采用配备氢火焰离子化检测器（FID）的GC法，该方法是最为准确检测方法之一。 但是，当分析高沸点化合物样品时，该方法存在的弊端是分析时间较长，分析效率低。ASTM D7593将反吹技术引入气相色谱法，可实现燃油稀释率的快速分析。该系统可应用于发动机润滑油中汽油、柴油和生物柴油分析。 在此项研究中，使用了配备反吹系统的气相色谱法和利用氮气作为载气进行分析，从而节约分析成本。图4 岛津反吹系统 3-1丨方法使用配备有反吹系统的Nexis GC-2030气相色谱仪对发动机润滑油中的燃油稀释率进行分析。根据汽油n-C12和柴油n-C20的停留时间，设置反吹起始时间。 表3 分析条件3-2丨结果图5 发动机润滑油中稀释汽油分析色谱图图6 混入柴油的基油样品的长期连续分析 表4 稀释汽油分析的重现性（％，n = 10）表5 稀释柴油的重复性（％，n = 10）使用配备反吹系统的气相色谱仪实现了测定时间小于2分钟的高效率汽油稀释率测定和小于4分钟的高效率柴油稀释率测定。仅需将样品放置于小瓶中即可进行分析，无需任何预处理操作（如：溶剂稀释）。此外，Nexis GC-2030可同时使用两套反吹系统流路让生产率提高一倍。 该系统具有良好的重现性，并在使用廉价氮气载气的同时，满足ASTM D7593中的要求。在 600次分析中，所得稀释率的重现性 ％ RSD为2.3％，每实施200次分析对耗材（如：隔垫） 进行一次维护，此处显示出其出色的长期稳定性。特别是对于质量控制部门而言，由于需要进行大量样品的常规分析，因此对于低成本、快速分析的需求十分迫切。本应用中，我们介绍了一种使用配备有反吹系统的Nexis GC-2030气相色谱仪对发动机润滑油的燃油稀释率进行经济高效、快速的分析方法。 4、使用ICP-AES分析废旧润滑油中的添加剂元素、磨损金属和污染物分析润滑油中的金属磨损可为评估润滑油变质和发动机状态提供有用信息。同时，在润滑油中添加富含各类有机金属物质的多种添加剂可增强其润滑性能。为保证润滑油质量（实现质量控制），控制添加剂浓度十分重要。根据ASTM D5185和D4951，指定使用有机溶剂稀释的ICP-AES测定废旧润滑油中所含有的添加剂元素、磨损金属和污染物。 本研究中，我们使用岛津ICPE-9820发射光谱仪，根据ASTM D5185中针对废旧润滑油样品所指定的22种元素（包括ASTM D4951中所述的9种元素）实施分析，并同样对未经使用的润滑油样品实施分析以作参考，样品均使用有机溶剂进行稀释。ICPE-9820采用垂直方向的炬管设计，可有效防止积碳，并在无需加氧的条件下，为有机溶剂样品进行稳定的分析。 4-1丨方法 使用岛津ICPE-9820进行测定。测定条件见表6。常规ICP仪器进行有机溶剂样品分析时，通常须将氧气导入等离子体中，以防炬管管口上形成碳沉积。然而，岛津ICPE-9820采用了可抑制碳沉积的炬管，几乎可完全消除由样品和有机溶剂形成的积碳。因此，即使在分析煤油、二甲苯和MIBK等品类的有机溶剂样品时，ICPE-9820依然无需导入氧气来抑制碳沉积。此外，由于岛津ICPE-9820采用真空光室，因此在分析类似硫等波长处于真空紫外区域元素时，无需使用消耗昂贵、高纯度气体的吹扫光室，可节约分析成本。 表6 分析条件废旧汽车润滑油（行驶里程约4000公里）与仅用于分析样品的新润滑油。样品预处理包括：各样品称约10 g，然后用100 mL的煤油进行稀释。使用煤油准确稀释SPEX油基21元素混合标准溶液（500μg/g）、SPEX油基单元素标准溶液（5000μg/g）与重油硫含量标准样品（重量的1.05％）制备标准溶液。 此外，用煤油稀释油基Y（钇）单元素标准溶液（5000μg/g），并作为内标元素添加至所有样品中，从而使所有样品保持固定浓度。 为了验证测定值，将上述标准溶液添加至废旧润滑油中，制备5 mg/L溶液，用作低浓度元素加标回收测试样品。此外，对于高浓度元素，使用煤油将废旧润滑油稀释50倍以制备稀释测试样品。 4-2丨结果表7给出分析结果。针对废旧润滑油，高浓度元素稀释测试和低浓度元素的加标回收测试均获得了接近100％的优异结果。此外，同样列出针对新润滑油实施分析所获的分析结果，以供参考。使用ICPE-9820，可以稳定地分析废旧润滑油中的溶解元素，而无需导入氧气。 表7 润滑油的分析结果峰值回收率（％）=（C1-C2）/B×100（C1：加标样品定量值；C2：非加标样品定量值；B：加标浓度）稀释测试（％）= I/S×100（I：稀释前样品的定量值；S：5倍稀释样品的定量值×5）检测极限：DL = 3×σBL×κ（σBL：背景强度的标准偏差；κ：浓度/强度）：小于检测极限 5、结论• 使用FT-IR、GC和ICP-AES可获得关于润滑油变质分析的有用信息。 • 紧凑型IRSpirit和Pearl可轻松获取符合ASTM E2412要求的数据。 • 使用GC-2030反吹系统可对润滑油燃料稀释品实施经济有效的分析。 • 使用ICPE-9820，无需导入氧气即可稳定分析润滑油中的溶解元素。 文章参考：ASTM E2412-10、ASTM D7593-14、ASTM D5185-18、ASTM D4951-14

据美国科学促进会11月22日(北京时间)报道，核磁共振成像(MRI)这种医学成像技术如今却将在提高喷气发动机效率方面发挥重要作用。在近日举行的美国物理协会流体动力学部年会上，斯坦福大学机械工程博士科勒奈尔迈克尔本森介绍了他们的发明。 　　本森称，利用MRI能在几个小时内收集大量的三维数据，而传统方法需要两年甚至更久才能完成相关检测。这种技术能大大节省喷气发动机的设计和测试时间，使改良后的发动机不仅效率提高，还可节约能源。 　　作为首批利用MRI技术收集流体数据的研究人员之一，本森利用MRI技术来分析涡轮喷气发动机中热燃烧和制冷气体之间的混合情况，希望以此来优化设计，减少制冷剂用量，同时提高发动机性能和燃烧效率。 　　本森说，此前分析冷热混合情况时都依靠荧光染料微粒或油滴，通过激光照射使其发光，然后用高速照相机拍摄它们的位置，再利用计算机分析画面计算出这些微粒的位置和速度。由于照相机拍摄的照片覆盖面很小，需要将多张局部小照片拼在一起才能形成一幅完整图像，而为了达到三维立体视觉效果，还要拍摄更多不同角度图像，这一过程非常耗时。“有个博士生收集这些数据就花了3年时间。”本森说，而用MRI来拍摄同样数量的数据，却只要4小时到8小时。因为MRI技术本身就是设计用来拍摄三维物体的，它能利用电磁脉冲有组织地震荡氢分子中的质子，当其在磁场中重新排列时迅速测出它们的位置。 　　研究小组在实验中使用了水和硫酸铜的混合溶液来成像，硫酸铜不仅成本低，而且也能对电磁脉冲快速作出响应，相比之下，如果利用医学上通常使用的流质钆作为造影剂，连续几个小时的扫描消耗，所需成本过于昂贵。 　　本森目前仍在分析发动机扇叶尾缘设计，并已经取得了一些进展。“表面制冷效率已经提高了10%，这相当于将扇叶的温度降低了100华氏度(约38摄氏度)到150华氏度(约66摄氏度)。”

环境污染一直都是大家关注的焦点问题，为了缓解机动车排放带来的大气污染，近年来世界各国都在争相发展新能源汽车。虽然新能源汽车都得到了长足的发展，但是现阶段以汽油、柴油为燃料的内燃机的应用仍然占据主导地位。怎样有效地控制汽车污染，仍然是全球关注且亟待解决的问题。　　为了给环境保驾护航，全球范围内各项环保法规和标准相继出台。对我国而言，环境保护部、国家质检总局等相关部门也针对发动机排放检测制定了标准，确定了排放限值和检测方法，同时也对相关的仪器技术提出了新的需求。鉴于此，各大仪器厂商在设备开发方面也躬身入局，为行业发展贡献自己的力量。特别是针对中国科学仪器的市场现状，一批国产仪器厂商在不断突破，致力于提升仪器和核心关键部件水平，实现高端国产替代。本文将分析我国发动机排放检测相关法规及仪器设备、市场现状，并以四方光电为例分享国产仪器公司在仪器深耕方面所开展的工作和成果。环保政策严控，发动机排放检测越发严格　　环保法规和标准是控制机动车排放污染的主要手段。目前，世界各国制定的汽车排放标准主要分为欧洲排放法规、美国排放法规和日本排放法规三大体系。欧洲标准是由欧洲经济委员会(ECE)的汽车废气排放法规和欧盟(EU)的汽车废气排放指令共同加以实现的 美国的汽车排放法规可分为联邦排放法规即环境保护局(EPA)排放法规和加利福尼亚大气资源局(CARB)排放法规，并且其他各州可根据自身需要，选择使用加州法规或者使用联邦法规 日本法规开始实施是在20世纪80年代末期 2005年，日本开始实施新的车辆排放标准，排放限值相较之前严格很多。　　我国环境保护部、国家质检总局制定、发布、实施了一系列控制机动车排放污染的环保法规和标准，排放法规日趋严格。2019年5月1日起开始实施GB 18285-2018《汽油车污染物排放限值及测量方法(双怠速法及简易工况法)》和GB 3847-2018《柴油车污染物排放限值及测量方法(自由加速法及加载减速法)》 2019年7月1日起实施GB 17691-2018《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》 2020年7月1日起实施GB18352.6-2016《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》 并将于2022年底全面实施HJ 1014-2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》，以防治非道路柴油移动机械排气污染物对环境的污染，进一步改善环境空气质量。这些法规和标准的实施，对中国排放检测领域的相关企业带来了更大的机遇和挑战。　　进口仪器设备垄断市场，中小型发动机企业不堪重负　　汽车新产品的开发和新的排放控制技术的研究都离不开汽车排放检测系统。正确检测汽车有害排放物的含量是研究汽车有害排放物的形成及其控制技术和装置的重要前提。随着各国汽车排放标准的日趋严格,相关排放检测技术也不断地完善。　　在汽车排放检测控制领域中，根据应用可以分为三类：(A)发动机、汽车排放研究和型式认证用排放检测设备，简称定容采样系统(CVS)或直采排放分析系统以及便携式排放检测系统(PEMS) (B)发动机燃烧和污染物检测控制用传感器，主要是高温型的O2、NOx以及 SOOT 传感器 (C)检测和维修后市场I/M站用排放检测设备。除C类排放检测设备近年来通过采用进口和国产化的尾气平台结合测功机等基本实现了国产化以外，A类排放检测设备以及B类大批量、高价格的排放检测控制传感器(O2传感器年需求近亿只、NOx以及SOOT传感器价格每只接近1000元)，几乎都依靠进口。　　用于排放研究和认证的高端汽车排放检测设备不同于一般的分析仪器，它包括了红外气体检测、化学发光或者紫外气体检测、加热型FID甚至在线色谱气体检测、重量法或者光学法颗粒物数量PN和质量PM 检测、CVS排气流量检测或者高湿瞬态尾气流量检测等核心模块。目前，国内分析仪器行业很少有企业同时具备气体分析领域的多种传感器技术平台以及发动机排放检测的专业知识，因此实现这种既需要高技术，又需要高度集成的高端汽车排放检测设备具有较高的难度。　　发动机燃烧和污染物检测控制用O2及NOx传感器是汽油车及柴油车的燃烧控制以及尾气后处理系统的重要部件，高温陶瓷芯片原材料的极限温差考验、HTCC芯片的制作以及封装工艺，传感器的软件测控等对企业的技术研发能力要求非常高。目前国内市场多由国外厂商垄断，国内企业用户采购成本高昂。　　各个击破，推动发动机排放检测设备全产业国产化进程　　针对现状，各大国产仪器公司也在全力以赴，用实际行动推动发动机排放测试设备全产业国产化进程。特别值得一提的是，科创版上市公司四方光电(股票代码688665)针对国产发动机排放检测设备现状及相应的市场需求，自主完成实验室排放检测系统和道路测试用便携式排放检测系统(PEMS)的研发和生产，形成了从发动机实验室排放检测系统、便携式排放检测设备、I/M站检测设备，到终端用户汽车发动机尾气后处理系统用O2及NOx传感器的发动机排放检测的完整解决方案。发动机实验室排放检测系统：实现排气污染物循环试验　　根据国五、国六标准，新型发动机应在测功机台架上进行排气污染物的循环试验。发动机实验室排放检测系统可以按照法规和标准规定的流程，实现对发动机排气进入大气情况的近似模拟，并完成排放气体取样和检测。该检测系统需要连续测量CO、CO2、NMHC(非甲烷总烃)、NOx等气态污染物及粉尘的浓度和排气质量流量，并记录到计算机系统中，需要集成多种气体传感技术。　　四方光电基于核心气体传感技术平台的组合优势，自主研发发动机排放全流稀释定容采样系统(CVS)作为传感器的高端增值应用，其稳定性好，系统误差小于2%。与发动机直采系统Gasboard-9801配套使用，可以满足轻型汽油车排放法规GB 18352-2016、重型商用车排放法规GB 17691-2018以及摩托车相关排放的要求。　　图：四方光电发动机排放检测系统Gasboard-9801图：四方光电发动机排放全流稀释定容采样系统(CVS) Gasboard-9802PEMS便携式排放检测系统：测量车辆实际行驶过程中污染物排放量　　在国六标准以前，新型发动机或新车型在型式认证阶段，主要是基于实验室数据验证尾气排放是否达标，但发动机在实验室中的运行状态与实际道路行驶状态存在较大差异，实验室数据可能并未真实反映发动机的实际排放情况。为解决上述问题，我国重型车国六标准均增加发动机便携排放检测系统(PEMS)测试，即将发动机便携排放检测系统安装在实际道路行驶的整车上，测量得到车辆在实际行驶过程中的污染物排放量。国六标准要求所有需进行型式检验的发动机及汽车进行前述检测，且只有通过检测的新车才能生产、进口、销售和投入使用或注册登记。　　2020年12月28日发布的HJ 1014-2020《非道路柴油移动机械污染物排放控制技术要求》要求，从2022年12月1日起，所有生产、进口和销售的560KW(含560KW)的非道路移动机械及装用的柴油机，必须符合本标准。该标准是对2014年颁布的GB 20891-2014《非道路移动机械用柴油机排气污染物排放限值及测量方法(中国第三、四阶段)》第四阶段内容的补充。该标准的发布，为国内非道路机械主机厂设定了闹钟，国四产品的准备正式步入倒计时阶段。相较于原标准，其中很重要的一项是增加了车载法检验的限值及检测规程，并对车载便携式排放检测系统(PEMS)的相关技术要求进行了规定。　　针对国内急需的便携式排放检测系统(PEMS)需求，四方光电快速组织研发技术团队攻关，实现了便携式排放检测系统(PEMS)的国产化。Gasboard-9805系列是四方光电基于自主研发的核心气体分析技术专门开发的一款便携式排放检测系统(PEMS)，用于非道路、道路(轻型车及重型柴油车)，产品可实现CO、CO2、NO、NO2、THC排放物浓度测量，以及颗粒物、排气流量、GPS数据、环境温湿度、大气压力的测量，并具备测试过程引导、自动计算排放总量、导出测试报告等功能。此外，产品采用模块化设计，便携电池支持6小时以上续航，满足在用车车载排放检测要求。　　　　图：四方光电便携式排放检测系统(PEMS)Gasboard-9805车载O2/NOx传感器：发动机燃烧和污染物检测控制　　燃油发动机运行会释放NOx，这类气体形成的硝酸盐是造成空气污染的重要原因之一，NOx近年来已成为大气污染治理的重点关注对象。SCR作为NOx氮氧化物的主要控制技术，在国六柴油机上全面普及。氮氧传感器参与喷氨系统的闭环控制，是发动机排放系统的核心传感器。　　针对汽油车排气污染物的主流净化方法是使用三元催化器，将CO、NOx、HC等有害气体转化为无害气体和水，其净化效率的高低取决于混合气浓度是否保持在理论空燃比附近。由于空燃比的变化会引起排气中氧浓度相应的变化，通过在排气管中设置O2传感器，可实现O2传感器对氧浓度的检测，并向汽车的电子控制单元反馈信号。电子控制单元根据反馈信号及时调整喷油量，使得混合气的空燃比保持在理论值附近。　　随着“国六”标准的颁布及逐渐实施，O2及NOx传感器前装及后装市场持续扩容，仅前装市场年需求量就达百亿元规模。但目前主要市场份额由境外厂商占据，国内需求严重依赖进口。现在为降低对境外厂商的依赖程度，国内企业必须自主研发发动机燃烧和污染物检测控制用的O2、NOx以及SOOT传感器。　　四方光电凭借多年在智能气体传感器领域的技术创新、精益生产、质量管控等硬实力，基于高温共烧陶瓷(HTCC)、高温传感器封装等自有技术平台，已经实现传感器所需核心元器件芯片的自制，建成传感器所需的元器件芯片、封装及传感器生产线，并实现批量生产。四方光电通过上下游供应链整合，核心关键零部件自主生产，为客户提供最优化的发动机配套O2、NOx及颗粒物传感器产品解决方案，实现进口替代。　　图：四方光电O2/NOx/SOOT传感器　　四方光电的创业团队来自于华中科技大学。副总经理董鹏举毕业于华中科技大学内燃机专业，在汽车和发动机行业拥有丰富的工作经验。董鹏举告诉记者，作为科创版上市公司，四方光电的发展战略一直围绕服务国家重点行业以及重要需求。未来，四方光电将继续加大发动机排放检测设备和车用核心气体传感器的研发及产业化力度。一方面，公司将继续完善发动机实验室定容采样CVS和直采系统、PEMS便携检测系统、以及I/M站排放检测设备的国产化替代方案 另一方面，四方光电将为售后市场提供更高可靠性能的O2、NOx和SOOT传感器产品，打赢发动机排放检测设备“突围战”。文章来源：仪器信息网