機油稀釋對機油消耗的影響研究

馬俊杰 成海元 潘建考 沈 源 尹建東 王瑞平,2

（1-寧波吉利羅佑發動機零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發動機有限公司）

引言

機油消耗是傳統內燃機普遍存在的一種現象，特指機油通過缸筒活塞環、曲通系統（曲軸箱通風系統）及氣門油封進入氣缸，在燃燒沖程中被燒掉，從而引起油底殼機油液面下降的現象。如果機油消耗異常，在客戶的保養周期就低于機油尺下限，甚至引起油壓低報警。另外，機油燃燒時會排放出大量有害氣體，造成排放超標，甚至排氣管會冒藍煙，非常影響客戶對產品的滿意度，基于該問題，各大主機廠在產品上市前會進行機油消耗試驗來評價整機系統的機油消耗水平[1]。

影響機油消耗的主要方面有以下4個：

1）缸套和活塞環配合，如果缸筒變形嚴重或者活塞環對口，將會引起機油消耗大幅升高，這種情況屬于嚴重的設計缺陷；

2）氣門油封密封不嚴，這種情況在耐久后容易發生，汽車“燒機油”現象也主要是這個方面的原因造成；

3）油氣分離器分離效果差，機油不能被分離回油底殼，而是隨汽油進入燃燒室，會造成機油消耗異常偏高；

4）增壓器等外圍件消耗機油異常。

隨著技術的發展，第2）～4）引起的問題基本可以在產品開發階段通過試驗手段發現并解決，第1）條原因是最難被發現也是最難解決，因為隨著技術的發展，提高發動機的動力性和降低發動機燃油消耗成為主要的技術目的。提高動力性一般方法是依靠高增壓，高增壓會造成缸內的機械負荷和熱負荷劇烈升高，從而打破傳統的機油潤滑理念，缸內機油油膜面臨更為嚴苛的溫度和壓力條件，從而造成機油消耗發生變化；另外，由于低油耗的要求，目前采用的幾乎都是低粘度機油，如從5W40變成0W20,低粘度的機油更容易進入缸內參與燃燒，造成機油消耗的升高[2]。

2 機油消耗的試驗方法

機油消耗主要產生于發動機整機，主要的試驗評價是基于臺架試驗。國標GB18297-2001規定，機油消耗試驗的工況為額定轉速100%負荷和額定轉速30%負荷，運行時間為24 h，如表1所示。

表1 機油消耗量試驗工況

整車機油消耗試驗沒有專門的機油消耗試驗工況，凡是道路試驗都可以在保養周期統計機油消耗來做為評估，整車的評價一般是在保養周期內（例如10 000 km），機油液位不低于下限。

整車和臺架的機油消耗工況及評價基本沒有關系，所以會存在臺架機油消耗滿足要求，但整車機油消耗超出限值的情況。

機油消耗試驗工況目前常用的有2個：全速全負荷工況和全速30%負荷，這2個工況分別用來評價缸體活塞環配合和油氣分離器對機油和汽油的分離水平。試驗前稱出加入機油的總質量，試驗結束后，稱出放出機油的總質量，通過二者的差來得出試驗過程中發動機的機油消耗，再通過該段過程中消耗的燃油量算出機燃比，國標規定機燃比小于0.15%，認為機油消耗合格[3]。

2 新技術對機油耗的影響

隨著技術的發展，汽油機增壓直噴已經成為主流，增壓直噴難免會造成機油稀釋現象，機油稀釋是指在發動機運行過程中，由于汽油濕壁后被活塞環刮入油底殼，造成機油里面進入汽油的現象。該現象在直噴發動機中非常常見，如果噴油器選擇不合理或者噴油時刻不合理，很容易造成嚴重的機油稀釋現象。

眾所周知，全速全負荷一般處于發動機萬有特性的加濃最濃區，所以這個工況的噴油量非常大，如果升功率高，該問題就更加突出和難以避免，再加上小排量小缸徑的因素，機油消耗工況的機油稀釋率一般較大。

機油稀釋后對傳統機油耗的方法及評價是否存在沖擊，機油耗試驗方法是否應該與時俱進隨技術發展而更新，是本文的討論主要內容。

3 機油稀釋對機油耗的影響

3.1 機油稀釋對機油耗的影響一

機油稀釋主要發生的區域有低溫低速小負荷和高溫高速大負荷，這2個區域一個是因為低溫汽油進入機油后不容易揮發，另一個是因為噴油量大，濕壁風險高，稀釋進去的多。如圖1所示。

圖1 機油稀釋發生的主要區域

機油稀釋后，由于汽油進入了油底殼，造成油底殼的液體的質量有額外的提升，如果此時機油消耗量非常小，例如在低溫小負荷區域，持續的機油稀釋會導致機油液位上升（如本田機油門）。從這個角度講，機油稀釋后會導致表面機油消耗變小，因為有部分機油消耗被燃油稀釋給抵消，甚至在某些情況下，機油消耗會出現負值（“機油增多”）。這個原理和原因比較簡單，本文不再贅述。

機油稀釋后的另一個影響因素就是降低機油粘度，同時會造成機油油膜變化，蒸發性變化，從而改變機油消耗。本文重點介紹在高速大負荷區機油稀釋后，發動機的機油耗變化。

為了研究機油消耗和機油稀釋的關系，本文選取了多種不同工況進行機油消耗和機油稀釋研究。機油稀釋采用烘干法。烘干法如下：選取部分油樣均勻滴入烘烤過的干凈濾芯，記錄滴入濾芯的質量，將帶有油樣的濾芯靜置在120℃的烤箱約6 h，將機油中混入的汽油成分完全蒸發和烤干，稱出剩余的油樣質量，從而算出混入的汽油量（經檢測油樣中混入的水分非常少，可忽略不計）。

不同工況機油稀釋對比，為了研究整車各種工況對機油稀釋和機油消耗的影響，將整車綜合耐久工況進行拆分，并對上述工況進行臺架模擬，如圖2所示。

圖2 整車工況和臺架模擬工況對比

試驗研究發現，不同工況的機油稀釋率不同，對應的機油消耗也不同。二者有近似的線性關系，具體如表2所示。

圖3為機油稀釋和機油消耗的線性擬合曲線圖。圖3上不同點代表不同工況24 h試驗后的稀釋率和對應工況的機油消耗，對于我們研究的發動機，9個點的線性度非常高，R2高達0.99。

圖3 機油稀釋和機油消耗的線性擬合

3.2 機油稀釋對機油消耗的影響二

機油耗和機油稀釋存在一定的線性關系，采用降低工況機油稀釋水平來達到降低機油消耗的目的是否可行？為此，安排了通過更改標定數據降低機油稀釋的方案。

降低機油稀釋的主要手段是改變噴油時刻（SOI），選取機油稀釋和機油消耗均最高的高速大負荷穩態工況，調整該工況的SOI，研究機油稀釋和機油消耗的變化關系。試驗結果如圖4顯示：推遲了SOI后，發動機在該工況的機油稀釋和機油消耗都有26%左右的下降，證明降低機油稀釋后對機油消耗有明顯的改善效果[4]。

圖4 SOI改變后機油稀釋和機油消耗變化

3.3 機油稀釋對機油消耗的影響三

研究發現，機油稀釋高和機油消耗高的工況都集中在高速大負荷，針對機油消耗高的工況進行了24 h機油消耗時間分解，分解結果如圖5所示。

圖5 機油消耗和機油稀釋隨時間變化關系

圖5中液體消耗代表稱重算出的液體變化量（包含機油消耗和機油稀釋），機油消耗則是通過液體消耗和機油稀釋率反算出的真實機油消耗，汽油量代表稀釋進去的汽油質量，機油稀釋代表當時剩余液體里的汽油質量占總質量的百分比。通過分解研究發現，在高速大負荷試驗過程中，油底殼的液體是先增加后減小的過程，在3 h左右的時候，液體量增加到最大值，隨后開始呈線性關系減少。機油稀釋前期稀釋速度非常快，3 h后稀釋速度變慢并趨于平穩。汽油量前期稀釋速度大于揮發速度，汽油量迅速升高，后期稀釋和揮發接近動態平衡，液體中的汽油量幾乎不增不減。事實證明，如果機油耗試驗只持續6 h，所得機油耗結果不能代表真實機油消耗結果，因為這個過程中機油稀釋還沒有達到平衡，真實的機油消耗被機油稀釋所掩蓋，造成實測機油消耗偏低。為了得到更為真實的機油消耗，建議采用24 h機油消耗或者舊機油做機油消耗，6 h后機油稀釋接近飽和，此時開始計算機油耗的質量更為接近實際結果，為此，試驗對比了新舊機油6 h機油消耗的結果（如圖6所示）。

圖6 新舊機油6 h機油消耗結果對比

由圖6可見，新舊機油6h機油消耗的結果差異性非常大，舊機油6 h的結果更能反映整車的機油消耗結果。為此，針對增壓直噴的發動機，采用新型的機油消耗方法可以更有效合理地反映出發動機的機油消耗水平[5]。

4 結論

1）直噴發動機普遍存在機油稀釋的現象，機油稀釋后，發動機運行在低溫低速小負荷區域時，會導致機油消耗為負值，表現為機油液面上升。

2）機油稀釋后導致機油粘度下降，從而引起機油消耗特性發生改變，針對本文研究的發動機，機油稀釋會導致機油消耗明顯惡化，通過改變噴油時刻來降低機油稀釋后，機油消耗也隨之改善。

3）由于機油稀釋在機油消耗工況會導致在短期內機油消耗速度低于機油稀釋速度，表現為機油消耗為負，從而掩蓋真實機油消耗，隨著試驗時間的加長或者采用機油稀釋飽和的機油進行試驗，可以有效真實地評價出發動機的真實機油消耗。