發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗原因及試驗(yàn)評(píng)估

羅富勝，羅劍坤，張春龍，李 忠，洪志宇

（江鈴汽車股份有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部系統(tǒng)，但與冷卻系統(tǒng)不同，它不和外部件直接接觸。最高油溫小于120 ℃的發(fā)動(dòng)機(jī)原則上不需要機(jī)油冷卻器，而通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)自身的熱容量吸熱再通過(guò)缸體和缸蓋把熱量散給冷卻水和環(huán)境。通常所稱機(jī)油消耗，是指曲軸箱機(jī)油量在未到達(dá)換油周期時(shí)的減少。雖然習(xí)慣上稱處于內(nèi)部循環(huán)中的機(jī)油在循環(huán)過(guò)程中以某種方式脫離循環(huán)而沒(méi)有返回油底殼為機(jī)油消耗，嚴(yán)格來(lái)講油底殼機(jī)油減少可以分為損失和消耗兩個(gè)途徑。

機(jī)油消耗是指處于內(nèi)部循環(huán)中的機(jī)油在循環(huán)過(guò)程中以某種方式進(jìn)入氣缸或發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)，最終通過(guò)排氣系統(tǒng)排到環(huán)境中。機(jī)油消耗（Consumption）的兩種方式，分別是缸內(nèi)燃燒和排氣道燃燒，測(cè)量和限制油耗的主要原因是延長(zhǎng)車輛的換油間隔，避免客戶需要在加油之間加油。另一個(gè)需要考慮的問(wèn)題是，避免因油耗而導(dǎo)致后處理系統(tǒng)（中毒催化劑和堵塞的粒子過(guò)濾器）壽命縮短。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗形成原因

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗量受到發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)程中一些常見(jiàn)因素的影響，包括油溫、曲軸箱壓力、鏜孔光潔度、鏜孔幾何形狀、活塞環(huán)顫振以及渦輪增壓器、活塞環(huán)、油分離器（PCV 系統(tǒng)）、氣門(mén)桿等部件的密封[1]。

油底殼機(jī)油通過(guò)活塞和氣缸間隙進(jìn)入缸內(nèi)是機(jī)油進(jìn)入缸內(nèi)的重要途徑，俗稱竄油（圖1）。積累在第一環(huán)岸的機(jī)油在活塞運(yùn)動(dòng)換向時(shí)在慣性力作用下甩入氣缸。當(dāng)氣缸壓力下降到一定程度時(shí)，環(huán)槽的氣體壓力可能會(huì)大于環(huán)岸的氣體壓力，在這個(gè)壓差的作用下部分機(jī)油流向氣缸?；钊h(huán)的動(dòng)力學(xué)特性由慣性力和氣體壓力的相對(duì)大小決定，活塞環(huán)的動(dòng)態(tài)幾何形狀決定了缸筒和活塞的有效間隙大小。當(dāng)環(huán)相對(duì)于環(huán)槽發(fā)生跳動(dòng)（Flutter）時(shí)，其密封性減弱，竄氣、竄油量均會(huì)增加。

圖1 機(jī)油按箭頭方向從活塞和缸孔間進(jìn)入燃燒室

發(fā)動(dòng)機(jī)在壓縮沖程和排氣沖程時(shí)活塞環(huán)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，油環(huán)將環(huán)槽內(nèi)未排盡的機(jī)油泵向氣缸。當(dāng)做功沖程和吸氣沖程時(shí)活塞向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，油環(huán)將缸壁上的機(jī)油刮向油底殼，但刮油過(guò)程中會(huì)有機(jī)油殘留在缸壁上，這部分機(jī)油會(huì)蒸發(fā)到燃燒室內(nèi)，當(dāng)燃燒室內(nèi)混合氣體燃燒時(shí)這部分機(jī)油會(huì)被燒掉（圖2）。缸筒變形[2-3]會(huì)導(dǎo)致活塞環(huán)很難適應(yīng)缸筒形狀，從而環(huán)的密封性變差，竄氣、竄油量均會(huì)增加（圖3）。在任何溫度下缸壁上油膜都可以蒸發(fā)，蒸發(fā)量受下列因素影響：缸內(nèi)溫度越高、機(jī)油被燃油的稀釋程度越高，蒸發(fā)量越大。

圖2 機(jī)油從缸壁蒸發(fā)

圖3 缸孔變形

增壓器軸承[4]漏油也會(huì)導(dǎo)致機(jī)油消耗（圖4）：當(dāng)壓端活塞環(huán)前端（225 處）的壓力小于壓端活塞環(huán)前端（226 處）或渦端活塞環(huán)后端（210 處）壓力小于渦端活塞環(huán)前端（211 處）時(shí)，都有可能導(dǎo)致機(jī)油從油封溢出。溢出的機(jī)油途徑中冷前管、中冷器、中冷后管、節(jié)氣門(mén)、進(jìn)氣歧管最后進(jìn)入燃燒室燒掉，或直接走排氣波紋管進(jìn)入三元催化器（Three Waycatalyst Converter，TWC）、汽油機(jī)顆粒捕集器（Gasoline Particle Filter，GPF）、消音器。

圖4 增壓器軸承

曲軸箱通風(fēng)（油氣分離器）的功能是將曲軸箱竄氣量（Blowby）內(nèi)的機(jī)油分離出來(lái)，流回油底殼?？紤]到分離阻力、曲軸箱壓力等因素，油氣分離器并不能將機(jī)油100%地分離：當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)位于高負(fù)荷時(shí)，此時(shí)空濾后壓力是負(fù)的，攜帶的潤(rùn)滑油也會(huì)進(jìn)入空濾后管途徑中冷前管、中冷器、中冷后管、節(jié)氣門(mén)、進(jìn)氣歧管最后進(jìn)入燃燒室燒掉；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)進(jìn)氣歧管由于節(jié)氣門(mén)未全開(kāi)處于負(fù)壓（主要是汽油機(jī)），此時(shí)機(jī)油直接進(jìn)入進(jìn)氣歧管，同空氣等燃燒介質(zhì)一起進(jìn)入燃燒室燒掉。

通過(guò)對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)油消耗和轉(zhuǎn)速、負(fù)荷有關(guān)系：在高轉(zhuǎn)速時(shí)，活塞輸運(yùn)和蒸發(fā)的機(jī)油量在數(shù)量級(jí)上相同，這兩項(xiàng)決定了機(jī)油消耗，Blowby 所占比例約為10%左右；以貢獻(xiàn)比例計(jì)，低負(fù)荷時(shí)活塞輸運(yùn)為主；隨負(fù)荷增加，活塞輸運(yùn)貢獻(xiàn)減小，蒸發(fā)貢獻(xiàn)增加。

2 典型機(jī)油消耗試驗(yàn)方法

機(jī)油消耗試驗(yàn)常用的方法有稱重放油法、同位素示蹤法、機(jī)油標(biāo)尺頁(yè)面標(biāo)定法、質(zhì)譜儀分析法、硫（Sulfur）元素追蹤法等。目前最容易實(shí)施的是稱重放油法，試驗(yàn)步驟見(jiàn)表1。

表1 稱重放油法機(jī)油消耗步驟

3 機(jī)油消耗結(jié)果評(píng)判

和燃油消耗一樣，機(jī)油消耗也是評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)指標(biāo)，可以用機(jī)燃比法和單位里程機(jī)油消耗法進(jìn)行評(píng)估。

（1）以機(jī)油/燃油相對(duì)油耗方式評(píng)估，如Caterpillar &Cummins 等（多見(jiàn)柴油機(jī)）。通過(guò)記錄發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中機(jī)油消耗量和燃油消耗量，將機(jī)油消耗量除以燃油消耗量。額定功率點(diǎn)機(jī)燃比不超過(guò)0.8‰；50%轉(zhuǎn)速/30%負(fù)荷點(diǎn)機(jī)燃比不超過(guò)0.5‰。表2 為某1.5GTDI 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗結(jié)果，均在目標(biāo)值范圍內(nèi)，滿足要求。

表2 某1.5GTDI 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油消耗結(jié)果

（2）以單位里程機(jī)油消耗法（多用于北美地區(qū)）也是一種典型的機(jī)油消耗結(jié)果評(píng)判方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室/客戶相關(guān)性，平均零售客戶的最低油耗標(biāo)準(zhǔn)為10 000 MPQ（MPQ 即Mile/US gal，每加侖燃料能使汽車行駛的英里數(shù)）或0.059 L/1000 km（5000 MPQ 或0.118 L/1000 km 用于重型應(yīng)用）。滿足汽油后處理系統(tǒng)的要求。實(shí)際的車輛油耗指標(biāo)必須考慮延長(zhǎng)服務(wù)間隔的影響，對(duì)于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，還要考慮微粒過(guò)濾器壽命的影響。