汽車發(fā)動機漏氣量分析及限值研究

鄧君 王延亮 李偉軍

漏氣量是發(fā)動機的主要性能參數之一，對發(fā)動機性能、排放、還有零部件可靠性有著重要影響。無論是增壓還是自然吸氣發(fā)動機，來自燃燒室經由缸體、活塞、活塞環(huán)間隙的竄氣是發(fā)動機漏氣量的主要組成部分。分析了增壓和非增壓發(fā)動機漏氣量的構成及影響因素。對于增壓發(fā)動機，來自增壓器進入曲軸箱的竄氣量占比較大，不可以忽視。在對比了3種發(fā)動機漏氣量限值定義方法后，綜合分析并推薦1種定義合理漏氣量限值的方法，即應滿足國家標準《汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》（GB/T 19055—2003）的限值要求，同時參考內燃機研發(fā)咨詢公司的推薦值，進行橫向對標，最終制定1個合理限值。在不影響發(fā)動機性能、燃油耗和排放的情況下，允許耐久試驗過程后的漏氣量適當上升。

發(fā)動機;漏氣量;性能;燃油耗;限值

0 前言

現(xiàn)代汽車發(fā)動機的發(fā)展應滿足高性能、高熱效率、低油耗、低排放等指標。漏氣量作為發(fā)動機關鍵性能指標參數之一，越來越受到業(yè)內研發(fā)人員的關注。

發(fā)動機漏氣量對發(fā)動機性能和排放、還有零部件可靠性均有重要影響。過多的漏氣量會導致發(fā)動機缸內燃燒壓力降低，影響發(fā)動機性能，增加燃油消耗;破壞活塞、活塞環(huán)與缸孔間的潤滑油膜，導致活塞環(huán)、缸孔間的摩擦磨損加劇;過量高溫燃燒混合氣還容易造成機油老化，縮短機油使用壽命;過量竄氣會使得曲軸箱壓力升高，過量油氣甚至機油進入油氣分離器后，容易導致油氣分離器分離效率降低，增加污染物排放;曲軸箱壓力升高還可能導致曲軸前后油封、密封面結合處發(fā)生機油滲漏等不良后果[1-4]。因此，控制發(fā)動機漏氣量十分重要。

減少漏氣量雖然對發(fā)動機有益，但如果過于追求非常低的漏氣量，則需要通過增大氣環(huán)彈力，增加缸孔壁厚，增強缸孔剛性等措施來實現(xiàn)，導致發(fā)動機摩擦功增大，燃油耗增加，熱效率降低。所以，定義合理的發(fā)動機漏氣量限值，成為業(yè)內研發(fā)人員重點研究的課題。

1 發(fā)動機漏氣量構成

發(fā)動機漏氣量一般指的是曲軸箱竄氣量。由于檢測發(fā)動機漏氣量都是從油氣分離器接流量計進行測量，而油氣分離器分離的油氣主要來自曲軸箱竄氣。

圖1為發(fā)動機漏氣量的構成占比。對增壓機型而言，發(fā)動機漏氣量主要由3部分構成：（1）來自燃燒室并經由缸體、活塞、活塞環(huán)間隙（通道1）的竄氣;（2）來自燃燒室經由氣門、氣門座圈間隙（通道2）的竄氣;（3）來自增壓器壓氣機端或渦輪端的氣體通過增壓器密封環(huán)（通道3）進入曲軸箱的竄氣。

來自燃燒室并經由缸體、活塞、活塞環(huán)間隙的竄氣是發(fā)動機漏氣的主要組成部分，占了總漏氣量的60%～70%。這個通道的漏氣原理如圖2所示。影響這一通道漏氣量的主要因素有：活塞環(huán)的結構（尤其是氣環(huán)的外圓面造型、閉口間隙、外口倒角，以及外圓面耐磨鍍層），活塞環(huán)的切向彈力，活塞環(huán)跟活塞環(huán)槽的配合間隙（側隙、背隙），還有缸孔的變形（主要是4階變形），活塞的結構等[4-5]。

燃燒室經由氣門、氣門座圈間隙的竄氣量一般比較少，大約占總漏氣量的5%。這個通道的漏氣量可以通過觀察氣門跟氣門座圈的貼合程度，或者對缸蓋總成進行氣密性試驗來判斷漏氣是否正常。

來自增壓器壓氣機端或渦輪端的氣體通過增壓器密封環(huán)進入曲軸箱，這部分竄氣容易被忽略。但實際上，通過增壓器這一通道（通道3）進入曲軸箱的竄氣量并不少，大約可以占到總漏氣量的20%～30%。圖3為增壓器竄氣的原理圖。某2.0T柴油機發(fā)動機有低功率和高功率2個版本。低功率版發(fā)動機配置單級增壓器，高功率版發(fā)動機配置雙級增壓器。低功率版發(fā)動機的漏氣量限值為60.0 L/min，高功率版發(fā)動機的漏氣量限值為80.0 L/min。通過斷開發(fā)動機和增壓器連接的進油管路，改為外接增壓器潤滑油路，可以測得單級增壓器的漏氣量為15.2 L/min，雙級增壓器的漏氣量為22.5 L/min，漏氣量占比分別為25.3%和28.1%[6]。

對自然吸氣發(fā)動機而言，因為沒有增壓器，漏氣量主要由前兩部分構成（通道1和通道2）。其中，來自燃燒室經由缸體、活塞、活塞環(huán)間隙（通道1）的竄氣漏氣量占比高達95%。

在發(fā)動機開發(fā)過程中，難免會出現(xiàn)漏氣量超標的問題。雖然缸體、活塞、活塞環(huán)之間的竄氣量較大。但在研發(fā)過程中，研發(fā)人員應當將相關因素都排查清楚后再進行開發(fā)。

2 發(fā)動機漏氣量限值研究

漏氣量是發(fā)動機的主要性能參數之一，對發(fā)動機性能和排放有著重要影響，在發(fā)動機定性試驗及質量評測中都要對其進行考核。在進行發(fā)動機開發(fā)時，對于合理漏氣量限值的定義十分重要。關于漏氣量限值的定義，綜合來看主要有下面幾個方面。

2.1 “12倍排量”規(guī)定

在《汽車發(fā)動機定型試驗規(guī)程》（JBN3745-1984）? 6.7.12中規(guī)定，“在臺架可靠性試驗中，對全速全負荷試驗時的活塞最大漏氣量進行評定（4行程發(fā)動機每分鐘不超過排量的12倍” ）[7-9]。這個標準簡稱為“12倍排量”標準[8]。該規(guī)定僅考慮了排量這個唯一影響因素，顯然不夠完善[7]。“12倍排量”規(guī)定發(fā)布于1984年，與當時國內內燃機行業(yè)的實際水平相符[7-8]。當時，轉速在3 500 r/min以下的國產自然吸氣車用柴油機是主流設計，最大漏氣量都能滿足“12倍排量”規(guī)定，實際最大漏氣量在10倍排量左右;而轉速大于3 500 r/min的車用柴油機及增壓柴油機在國內則很少，因而在當時是合適的。隨著內燃機技術的快速發(fā)展，高性能、高轉速、小排量、高增壓發(fā)動機得到了廣泛應用，“12倍排量”這一規(guī)定很難達到，于是后來被廢止了[7-8]。

2.2 現(xiàn)行法規(guī)漏氣量限值要求

隨著《汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》（GB/T 19055—2003）法規(guī)的發(fā)布，國家標準重新定義了發(fā)動機漏氣量的限值，即4行程發(fā)動機在全負荷時的最大發(fā)動機漏氣量不得超過規(guī)定限值[10]。此限值與額定轉速全負荷進氣量（標準狀態(tài)下的理論吸氣量）相關聯(lián)，規(guī)定最大漏氣量不能超過全負荷進氣量的0.6%。全負荷進氣量與發(fā)動機排量、額定轉速、額定轉速全負荷時的增壓壓比成正比，與進氣歧管內進氣溫度成反比。具體計算公式詳見該標準的附錄A.4部分[10]。該標準適用于所有的行程發(fā)動機，與燃燒方式（點燃或壓燃）、燃料類別（汽油、柴油、天然氣、液化石油氣、醇類燃料等）、增壓或非增壓（即自然吸氣）方式均無關。

2.3 推薦限值

某內燃機研發(fā)咨詢公司推薦的發(fā)動機漏氣量限值與全負荷進氣量相關聯(lián)，區(qū)別在于系數不同。其定義如下：（1）增壓發(fā)動機定義額定工況全負荷進氣量的0.9%為發(fā)動機漏氣量限值;（2）自然吸氣發(fā)動機定義額定工況全負荷進氣量的0.7%為發(fā)動機漏氣量限值。

同時，考慮到油氣分離器的分離效率和發(fā)動機的使用壽命，該公司建議將標準漏氣量限值的1.5倍作為判定發(fā)動機漏氣量是否合格的標準。

2.4 發(fā)動機漏氣量限值比較

表1為4款不同排量、不同性能參數的發(fā)動機根據國家標準《汽車發(fā)動機可靠性試驗方法》（GB/T 19055—2003）和上述內燃機研發(fā)咨詢公司的限值定義計算的限值數據。圖4為4款發(fā)動機漏氣量與限值的比較。從圖4可以看出，這4款高性能、高爆壓發(fā)動機的漏氣量限值隨著排量的降低而降低，但并非線性關系。其次，國家標準GB/T 19055—2003的限值總體而言比該公司的限值略嚴格。排量較大的發(fā)動機，兩者差距較大;排量較小的發(fā)動機，兩者一致性較好。

一般來說，耐久試驗后的發(fā)動機漏氣量有不同程度的上升，可能存在個別發(fā)動機復試漏氣量會超過國家標準限值的情況。但是，如果在整個試驗過程中燃油耗沒有發(fā)生異常，發(fā)動機性能復測滿足要求，這種情況應該可以被接受。經過長時間的耐久試驗，發(fā)動機零部件將不可避免會產生磨損、變形等問題，漏氣量小幅上升是必然現(xiàn)象。

3 結論

漏氣量是發(fā)動機的主要性能參數之一，對發(fā)動機性能、排放、還有零部件可靠性有著重要影響。無論是增壓發(fā)動機還是自然吸氣發(fā)動機，來自燃燒室經由缸體、活塞、活塞環(huán)間隙的竄氣是發(fā)動機漏氣量的主要組成部分。對于增壓發(fā)動機，來自增壓器進入曲軸箱的竄氣量占比較大，不可以被忽略。

為了滿足現(xiàn)代發(fā)動機高性能、高熱效率、低油耗、低排放的目標要求，發(fā)動機開發(fā)之初應定義1個合理的漏氣量限值。發(fā)動機漏氣量限值首先應滿足國家標準GB/T 19055—2003的限值要求，參考咨詢公司的推薦值，進行橫向對標，從而制定合理的漏氣量限值。

由于零部件的制造偏差始終存在，發(fā)動機個體的漏氣量具有差異。同時，發(fā)動機在全生命周期內零部件的磨損、變形等因素也會導致漏氣量上升。在不影響發(fā)動機性能、燃油耗和排放的情況下，可以適當允許耐久試驗過程后的漏氣量上升。

通過大量的試驗驗證，研發(fā)人員在油氣分離器設計時，可以按照漏氣量限值的1.2～1.5倍作為設計輸入。該設計可以覆蓋因零部件個體差異導致的發(fā)動機個體的漏氣量差異，以及長時間耐久試驗后漏氣量會小幅上升等變量因素，確保油氣分離效率，滿足排放要求。

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