發(fā)動機(jī)燒機(jī)油的機(jī)理分析

方鈺 于志清 李全

江蘇大學(xué) 江蘇省鎮(zhèn)江市 212013

1 引言

為了滿足日益嚴(yán)苛的環(huán)保法規(guī)，降低廢氣排放勢在必行。機(jī)油消耗對發(fā)動機(jī)的顆粒物排放有著顯著的影響，因此可以通過控制機(jī)油消耗的途徑來降低顆粒物排放。另外，機(jī)油消耗還對發(fā)動機(jī)存在一定程度的影響。機(jī)油減少會造成油壓過低，運(yùn)動副潤滑不良，磨損嚴(yán)重，影響發(fā)動機(jī)的工作性能，縮短其使用壽命。機(jī)油在燃燒室與高溫氣體接觸，易氧化變質(zhì)，使燃燒室內(nèi)積碳嚴(yán)重，造成發(fā)動機(jī)怠速不穩(wěn)，動力不足，油耗上升。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，汽油機(jī)在全速滿負(fù)荷工況下機(jī)油燃油消耗比應(yīng)小于0.33%。然而現(xiàn)在很多渦輪增壓汽車在保養(yǎng)時發(fā)現(xiàn)了機(jī)油消耗超標(biāo)的問題，因此分析機(jī)油耗的原因成為了解決問題的關(guān)鍵。

2 氣缸壁對機(jī)油消耗的影響

2.1 缸壁蒸發(fā)

由于活塞環(huán)的刮油和布油作用，潤滑油會在氣缸壁表面形成一層油膜。發(fā)動機(jī)正常工作時，缸內(nèi)溫度最高可達(dá)3000℃，油膜在高溫作用下會部分蒸發(fā)，造成潤滑油損耗。缸壁上的機(jī)油消耗是由于燃油混合氣的紊流引起相變而產(chǎn)生的，當(dāng)油膜暴露在高溫燃?xì)庵袝r，機(jī)油被蒸發(fā)或在燃?xì)庵腥紵?。其蒸發(fā)速率主要受缸壁溫度，壓力和燃?xì)鉁囟鹊挠绊?。通過對發(fā)動機(jī)不同運(yùn)行工況下機(jī)油消耗量的實驗得出，缸壁蒸發(fā)量會隨著功率的增大而增大[1]。

2.2 氣缸套變形和氣缸網(wǎng)紋的影響

2.2.1 氣缸套變形的影響

G Shu等人研究了缸套變形對單缸自然吸氣直噴柴油四沖程發(fā)動機(jī)活塞環(huán)運(yùn)動特性和油耗的影響[2]。結(jié)果表明，隨著缸套的變形，進(jìn)入燃燒室的機(jī)油量會增加。因為隨著氣缸套與活塞環(huán)之間間隙的增大，環(huán)與氣缸套的適應(yīng)性變差，密封性減弱，留在缸壁上的油量較多，最后在缸壁上被蒸發(fā)或燃燒。

2.2.1 氣缸網(wǎng)紋的影響

實驗證明，隨著網(wǎng)紋存油量的減少機(jī)油消耗亦降低，但網(wǎng)紋存油量降低到一定程度時，運(yùn)行中反而造成機(jī)油消耗激劇上升[3]。氣缸壁網(wǎng)紋存油量的減少，機(jī)油的蒸發(fā)和燃燒量減少。然而當(dāng)網(wǎng)紋存油量較小時容易產(chǎn)生干摩擦，使氣缸壁與活塞環(huán)間磨損加劇，間隙增大，造成機(jī)油竄入燃燒室。

3 活塞環(huán)組對機(jī)油消耗的影響

3.1 活塞環(huán)結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 活塞環(huán)徑向厚度的影響

活塞環(huán)徑向厚度對機(jī)油消耗的影響主要體現(xiàn)在其對氣缸套的適應(yīng)性方面，活塞環(huán)對缸套的順應(yīng)性越好，氣缸內(nèi)的漏氣量就越少，這樣被缸內(nèi)氣體夾帶進(jìn)燃燒室的機(jī)油就會越少，機(jī)油消耗降低[4]。順應(yīng)性計算公式為：

式中：C氣—?dú)猸h(huán)順應(yīng)性，C油—油環(huán)順應(yīng)性，P—活塞環(huán)面壓，E—彈性模量，T—環(huán)徑向厚度，B—油環(huán)接觸寬度，F(xiàn)t—彈力，D—油環(huán)名義直徑

從公式可以看出，氣環(huán)和油環(huán)徑向厚度的減少，有利于提高環(huán)的順應(yīng)性，從而減少機(jī)油消耗。

3.1.2 活塞環(huán)切口間隙的影響

研究表明，隨著活塞環(huán)二環(huán)間隙的增加，機(jī)油消耗會降低；而隨著一環(huán)和油環(huán)之間間隙的增加，機(jī)油消耗會呈增加趨勢。因為二環(huán)切口間隙在變大后會有更多的處于二環(huán)上層空間的氣體流向二環(huán)下層的空間，導(dǎo)致二環(huán)與一環(huán)間的空間內(nèi)氣體壓力下降，二環(huán)與油環(huán)間壓力升高，于是就延長了一環(huán)與油環(huán)同環(huán)槽脫離的時間。環(huán)與環(huán)槽貼合時間越長，進(jìn)入燃燒室被消耗的機(jī)油就會越少[4]。因此在保證活塞環(huán)正常安裝的前提下，應(yīng)該盡量減小一環(huán)和三環(huán)的切口間隙，適當(dāng)增大二環(huán)的切口間隙。

3.1.3 活塞環(huán)高度的影響

活塞環(huán)越高，環(huán)質(zhì)量越大，在工作時其受到的慣性力越大，因此，跟隨性較差，促進(jìn)了活塞環(huán)的泵油作用，使竄入燃燒室的機(jī)油量增大。當(dāng)活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動經(jīng)過某行程點(diǎn)時，在慣性力作用下，活塞環(huán)會脫離環(huán)槽的端面，側(cè)隙與背隙的機(jī)油會被擠壓入燃燒室中，造成機(jī)油的消耗[5]。

3.1.4 活塞環(huán)切口位置的影響

韓國的Min Byung-soon等人利用了放射性同位素釋放γ射線來標(biāo)記活塞環(huán)切口位置的方法研究了發(fā)動機(jī)在運(yùn)行時活塞環(huán)的切口位置的變化規(guī)律[6]?；钊h(huán)在發(fā)動機(jī)的運(yùn)行過程中會發(fā)生轉(zhuǎn)動，其轉(zhuǎn)速隨工況的不同為0.2r/min-0.6r/min，且各活塞環(huán)之間的轉(zhuǎn)動互不影響。當(dāng)各環(huán)的切口位置彼此靠近并接近一條直線時，機(jī)油消耗量會明顯上升[7]。

3.1.5 油環(huán)被壓影響

據(jù)統(tǒng)計，油環(huán)刮油量占活塞環(huán)總刮油量的80%-90%，而氣環(huán)刮油量占比為10%-20%。因此，油環(huán)的刮油能力直接決定了機(jī)油的消耗量[8]。為了保證高速工況下的油環(huán)刮油能力，活塞環(huán)與氣缸壁的接觸壓力要足夠高。增加油環(huán)被壓能夠改善油環(huán)的刮油能力，有助于降低活塞環(huán)組的機(jī)油消耗。但是當(dāng)油環(huán)的被壓增加時，將會加速油環(huán)的磨損，當(dāng)磨損達(dá)一定程度之后，機(jī)油消耗將會明顯增加[9]。

3.2 活塞頂岸刮油及環(huán)岸結(jié)構(gòu)的影響

3.2.1 活塞頂岸的刮油作用

當(dāng)活塞橫向運(yùn)動或角擺動過大時由于活塞頭部邊緣與缸套間隙變小，從而引起頂岸邊緣刮油，導(dǎo)致機(jī)油消耗增加[10]。

3.2.2 活塞環(huán)岸結(jié)構(gòu)的影響

為了增大回油面積，活塞一環(huán)岸、二環(huán)岸可應(yīng)用階梯結(jié)構(gòu)以及二環(huán)槽進(jìn)行倒角處理。該結(jié)構(gòu)還會減小活塞下行時一環(huán)槽與二環(huán)槽之間的壓力差和上下密封間隙的壓力差，縮短一環(huán)與油環(huán)停留在環(huán)槽端面的時間，從而減少機(jī)油消耗[11]。

4 渦輪增壓對機(jī)油消耗的影響

4.1 壓力平衡破壞造成泄露

渦輪增壓器內(nèi)部零件都處于同一壓力系統(tǒng)中。若空氣濾清器清理不及時，造成進(jìn)氣阻力增大，壓氣機(jī)進(jìn)氣負(fù)壓升高，從而形成壓迫性漏油。當(dāng)增壓器進(jìn)口壓力高于正常工作油壓時，高壓使渦輪密封裝置兩端產(chǎn)生壓力差而使?jié)櫥妥悦芊庋b置處向渦輪室泄露[12]。

4.2 溫度對機(jī)油消耗的影響

渦輪增壓器長期在高速高溫下運(yùn)轉(zhuǎn)，工作條件十分惡劣。過高的溫度會使密封環(huán)變形，如果變形量太大，則會加速磨損，使機(jī)油泄漏量加大[13]。此外，渦輪增壓發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度比非增壓發(fā)動機(jī)的機(jī)油溫度高很多，導(dǎo)致其機(jī)油蒸發(fā)速率也高于非增壓發(fā)動機(jī)的機(jī)油蒸發(fā)速率[14]。

4.3 密封環(huán)失效造成機(jī)油消耗

目前車用渦輪增壓器都采用密封環(huán)式密封結(jié)構(gòu)，即將1～2個活塞環(huán)形的開口彈簧分別安裝在渦輪端和壓氣機(jī)端的密封環(huán)支撐座內(nèi)[15]。由于工作環(huán)境惡劣，兩側(cè)密封環(huán)需要承受高溫、摩擦、振動和循環(huán)工作溫度的沖擊，因此活塞環(huán)易斷裂失效造成漏油。

5 PCV閥堵塞和油氣分離器對機(jī)油消耗的影響

5.1 PCV閥對機(jī)油消耗的影響

5.1.1 PCV閥堵塞對機(jī)油消耗的影響

在發(fā)動機(jī)正常工作時，氣缸內(nèi)會有一部分未燃燒的可燃混合氣和燃燒廢氣進(jìn)入到曲軸箱內(nèi)。當(dāng)PCV閥堵塞時，竄氣不能及時被排除到曲軸箱外，從而造成曲軸箱溫度升高，機(jī)油的蒸發(fā)量加大，進(jìn)而造成機(jī)油消耗。

5.1.2 PCV閥安裝位置對機(jī)油消耗的影響

試驗證明，當(dāng)氣缸壓縮的壓力低于該機(jī)的標(biāo)定值或竄氣量超過該機(jī)的排量的12倍時，PCV閥安裝位置對機(jī)油消耗影響最為明顯。PCV閥的安裝位置要避開機(jī)油飛濺以及機(jī)油蒸發(fā)厲害的區(qū)域，以防止機(jī)油被過多地吸入進(jìn)氣歧管中[16]。

5.2 油氣分離器對機(jī)油消耗的影響

油氣分離器是曲軸箱通風(fēng)裝置的重要組成部分，能對曲軸箱竄氣中的機(jī)油進(jìn)行高效的分離，從而防止機(jī)油跟隨竄氣進(jìn)入燃燒室被消耗。但再精確的油氣分離器也不能保證完全分離機(jī)油和竄氣，使機(jī)油回流到油底殼。

擋板與多孔過濾板互相配合的結(jié)構(gòu)在最大竄氣流量工況下仍能夠獲得大于75%的分離效果，并且當(dāng)分離效率達(dá)到50%以上時，油滴顆粒的直徑會小于1.0 um，從而保證了對于不同直徑的油滴顆粒均有穩(wěn)定的分離性能[17]。

6 結(jié)語

（1）氣缸壁變形和氣缸壁網(wǎng)紋的存在會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燒機(jī)油；

（2）活塞環(huán)徑向厚度過大，二環(huán)切口間隙過小，一道氣環(huán)和油環(huán)切口間隙過大，活塞環(huán)環(huán)高過高，活塞環(huán)對口，油環(huán)背壓升高會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)燒機(jī)油；

（3）活塞頂岸刮油和活塞環(huán)岸的結(jié)構(gòu)會影響機(jī)油的消耗量；

（4）渦輪增壓器壓力平衡被破壞，機(jī)油溫度升高，密封環(huán)失效會造成發(fā)動機(jī)燒機(jī)油；

（5）PCV閥堵塞或安裝位置不正確，油氣分離器分離不徹底會造成發(fā)動機(jī)燒機(jī)油；

（6）對油環(huán)的PVD處理以及ORC涂層的應(yīng)用，均能在一定程度上減少機(jī)油消耗。

除了上述的分析原因之外，駕駛員的駕駛習(xí)慣，使用機(jī)油的品質(zhì)，整車的維護(hù)保養(yǎng)也是影響機(jī)油消耗的原因。