某款GDI汽油發動機燒機油現象的研究

賈殿臣 王國清 劉佳慶 王凱 孫富強 宋月興 孟飛

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

某款GDI汽油發動機燒機油現象的研究

賈殿臣1，2王國清1，2劉佳慶1，2王凱1，2孫富強1，2宋月興1，2孟飛1，2

（1-長城汽車股份有限公司技術中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

燒機油是發動機常見的試驗現象之一，尤其是增壓缸內直噴汽油發動機，承受較高工作溫度和燃燒壓力，燒機油現象相對較普遍。機油的額外消耗會減少發動機正常換油里程，導致機燃比失調、加劇運動副磨損，破壞零部件使用功能、影響排放及后處理系統，嚴重情況下還會導致發動機發生爆燃，發動機動力下降甚至報廢。主要分析一款2.0L GDI增壓缸內直噴發動機燒機油的影響因素，從一環環高、油環結構、發動機回油結構、增壓器機油損耗、氣門密封性及活塞環岸結構、缸體網紋參數、配缸間隙、機油溫度穩定性方面進行試驗分析和驗證。結果表明，增加一環環高、改變油環結構、改善回油不暢、優化活塞環岸和環槽結構、機油溫度穩定控制、減小網紋參數Rvk均能夠改善GDI發動機燒機油現象。

燒機油燃燒壓力爆燃機燃比

引言

發動機正常機油消耗主要集中在氣缸內壁、氣門導管、渦輪軸密封及曲軸箱通風等，據文獻介紹氣缸內壁機油消耗占總機油消耗的90%以上。當活塞在發動機內壁上有一層油膜，在混合氣燃燒過程中部分油膜會被高溫的燃燒氣體燒掉。機油在潤滑進氣門桿時，也會被吸入燃燒室，高溫的廢氣同樣會消耗用于潤滑排氣門的機油。隨著發動機工作時間的增加，發動機機油由于高溫氧化通過曲軸箱通風閥門吸到燃燒室燃燒，導致高度竄氣的因素也會造成較高的機油消耗。

因此活塞配缸間隙、油環及活塞環岸結構、曲軸箱通風系統等與機油消耗量有直接的關系。為減少發動機的機油消耗，提高整車換油里程，匹配適合該發動機的整車機燃比消耗標準，本文從發動機臺架試驗、整車高環工況、整車綜合工況進行分析并與同類產品對比分析，解決發動機實際機油消耗量偏高及與國標的沖突，

1 試驗發動機

本文涉及的GDI發動機相關參數如表1所示。

表1 試驗發動機主要參數

2 發動機燒機油試驗表現

匹配該款GDI發動機的SUV在試驗場進行160～180 km/h高環試驗中，持續出現機油消耗量大，通過對高環試驗車機油耗進行持續跟蹤測量，平均機油耗為0.5 L/1 000 km，平均機燃比為0.24%，如圖1所示。

圖1 整車高環機燃比測試結果

3 機油消耗高排查及原因分析

3.1 發動機24小時全速全負荷機油消耗排查

對4臺狀態一致的發動機進行臺架測試，結果顯示發動機平均機燃比為0.28%，接近國標上限0.3%，如表2所示。

表2 發動機機油消耗排查

3.2 整車綜合工況機油耗量對比

按照圖2所示測試工況進行整車循環測試，通過整車2500 km測試結果表明，該款SUV行駛3662 km需要消耗1 L機油，對比同等排量德系和美系整車在消耗1 L機油的情況下均可正常行駛10000 km，如表3所示。該款SUV實際機油耗偏高影響整車換油里程，前期機燃比設計目標按照國標（0.3%）太過寬松。

圖2 整車綜合測試工況

表3 整車綜合工況對比

3.3 機油消耗高原因分析

針對機油消耗高問題從氣門密封性、增壓器失效、發動機本體、活塞環與缸孔設計、油氣分離效果等方面展開原因分析和影響因素排查，如圖3所示。

4 機油消耗高的解決方法

4.1 改進活塞環結構

增加一環環高，能夠提高氣環的抗顫振性，螺旋撐簧具有良好的耐磨性、刮油能力強，油膜分布均勻，消除了環口的泄漏，有助于減少機油消耗，如圖4所示。

圖3 機油消耗原因分析

圖4 氣環油環結構

結果表明：一環環高由1 mm增至1.2 mm，由組合式油環換成螺旋撐環油環，機油消耗從0.28%降至0.15%，改善程度見表4。

4.2 改善發動機后端回油不暢

經油氣分離后機油回油不暢，會將機油帶入燃燒室，直接在燃燒室內燃燒，造成燒機油現象，經試驗證明；在發動機后端外加回油管、增大上油底殼回油截面積，如圖5所示，機油耗從0.282%降低至0.179%。

表4 發動機24小時機油消耗驗證

圖5 增加回油結構

4.3 增壓器、氣門密封、PCV閥的影響分析

序號2和序號4與序號3對比，說明增壓器、PCV閥對改善機油消耗無效果，通過檢驗氣門密封性，不存在機油泄漏現象。

序號1與序號3試驗結果對比，改善缸蓋回油使得機油消耗量降低；序號1與序號5試驗結果對比，增大上油底殼回油截面積也可以改善機油消耗量；序號3與序號6、7試驗結果對比，增加第一道氣環環高、采用螺旋撐環油環對機油消耗量有明顯改善。

各種措施的影響如表4所示。

4.4 改進活塞環岸結構

活塞一環岸、二環岸應用階梯結構和二環槽倒角，均能夠增大回油面積，減小活塞下行時一環槽、二環槽的壓力差和上下密封隙壓力差，緩解一環及油環停留在環槽端面的時間進而優化機油消耗，具體結構在國外發動機上較常見，如圖6～8所示。具體試驗效果有待驗證。

圖6 一環岸結構

圖7 二環槽倒角

圖8 二環岸結構

4.5 機油溫度穩定系統

維持穩定的機油溫度能夠減少機油的揮發和過熱帶來的機油消耗，經試驗測試某款日系發動機在24 h全速全負荷機油消耗試驗過程中，采用試驗室冷卻系統水溫控制在88±1℃，使用發動機本體機油溫度冷卻系統，發動機機油溫度始終穩定在95±1℃，機燃比0.09%，如圖9、10所示。

圖9 機油溫度變化趨勢，24小時全速全負荷機油消耗

圖10 道達爾SL級10W-40機油粘溫曲線

4.6 缸體網紋參數和配缸間隙

隨著珩磨技術的不斷提高和試驗探索，對珩磨網紋參數對耐磨的認識越來越深入，網紋參數Rvk對機油消耗的影響較大。對比國內外2.0 L排量發動機，網紋參數Rvk呈現減小的趨勢，最小值控制在0.16～0.25；對比配缸間隙2.0L GDI發動機配缸間隙處于優化范圍內，如表5所示。

表5 網紋參數和配缸間隙

5 機油消耗改進效果驗證

5.1 發動機臺架24小時機油耗試驗驗證

通過增加一環環高、更換螺旋撐環油環、改善回油結構、優化活塞環岸結構、調整網紋參數Rvk、保持機油溫度措施后，對6臺狀態一致發動機進行24小時全速全負荷機油消耗試驗驗證，機燃比穩定在0.13%～0.15%之間，如表6所示。

表624 h機油消耗驗證g/%

5.2 北京高環和海南試車場驗證

對匹配該款GDI發動機的SUV按照如上更改后進行北京高環和海南五指山山路試驗，結果表明，高環試驗機燃比穩定在0.10%～0.13%，山路試驗機燃比為0.038%～0.053%，如表7所示。

表7 整車高環和山路試驗驗證

5.3 整車綜合工況試驗驗證

按照如上更改后進行整車綜合工況測試，通過2500 km測試里程，機燃比由0.15%降至0.056%；整車工況在消耗1 L機油后，可允許行駛里程從3662 km提升至9259 km，機油消耗有改善明顯，如表8所示。

表8 整車綜合工況驗證

6 結論

1）增加氣環高度、采用螺旋撐環油環、增加缸蓋回油面積、優化活塞環岸結構、降低Rvk缸體網紋參數、實現機油溫度穩定控制六項措施均能夠改善2.0L GDI發動機燒機油現象，對以上措施都應給予足夠的重視；經試驗證明氣門密封性和增壓器不存在失效情況。

2）發動機24 h全速全負荷機油消耗量按照國標機燃比≤0.3%進行定義，機燃比限制過于寬松且整車換油里程偏低，與同等排量整車存在差距；經發動機臺架和整車工況測試，表明機燃比≤0.15%能夠滿足發動機和整車需求。

3）此外，機油消耗還受到駕駛模式、高溫天氣的影響，如頻繁的短途行駛、過分的怠速時間、活塞竄氣量大、高轉速高負荷會消耗更多的機油，并且機油本身的粘度、揮發性、熱氧化穩定性均對機油消耗產生影響，另外機油消耗還會受到機油稀釋的影響。

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6周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業出版社，2005

Study on Oil Burning of a Certain GDI Engine

Jia Dianchen1，2，Wang Guoqing1，2，Liu Jiaqing1，2，Wang Kai1，2，Sun Fuqiang1，2，Song Yuexing1，2，Meng Fei1，2
1-Technique Center of Grate Wall Motor Company Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Research Center of Auto Technology Engineering of Hebei Provence

Oil burning is one of the common phenomenons during engine test，especially for turbocharged GDI engine，oil burning is rather common with high operating temperature and pressure.Additional oil consumption will reduce engine oil regular change mileage，lead to oil fuel ratio imbalance，increase kinematic pair wear，damage component using function，influence the emission and after-treatment system，even cause engine deflagration，thus engine power down even scrapped.This paper mainly analyzes the influencing factors of oil burning for a 2.0 L GDI turbocharged GDI engine，including piston ring height，oil ring structure，oil return layout，turbocharger oil loss，valve sealing，piston ring land，cylinder overlapping curve parameters，cylinder clearance and oil temperature stability.With the test analysis and verification，the result indicates that the oil burning of GDI can be improved by increasing piston ring height，changing oil ring structure，improving oil return，optimizing the structures of piston ring land and groove,controlling the oil temperature,and reducing overlapping curve parameter Rvk.

Oil burning,Combustion pressure,deflagration,oil fuel ratio

TK418.9

A

2095-8234（2014）06-0034-05

2014-10-13）

賈殿臣（1986-），男，助理工程師，主要研究方向為發動機設計及競品分析。