汽車發動機漏氣量分析及限值研究

鄧君 王延亮 李偉軍

漏氣量是發動機的主要性能參數之一，對發動機性能、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動機，來自燃燒室經由缸體、活塞、活塞環間隙的竄氣是發動機漏氣量的主要組成部分。分析了增壓和非增壓發動機漏氣量的構成及影響因素。對于增壓發動機，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。

發動機;漏氣量;性能;燃油耗;限值

0 前言

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

發動機漏氣量對發動機性能和排放、還有零部件可靠性均有重要影響。過多的漏氣量會導致發動機缸內燃燒壓力降低，影響發動機性能，增加燃油消耗;破壞活塞、活塞環與缸孔間的潤滑油膜，導致活塞環、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、密封面結合處發生機油滲漏等不良后果[1-4]。因此，控制發動機漏氣量十分重要。

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

1 發動機漏氣量構成

發動機漏氣量一般指的是曲軸箱竄氣量。由于檢測發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為發動機漏氣量的構成占比。對增壓機型而言，發動機漏氣量主要由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（通道3）進入曲軸箱的竄氣。

來自燃燒室并經由缸體、活塞、活塞環間隙的竄氣是發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：活塞環的結構（尤其是氣環的外圓面造型、閉口間隙、外口倒角，以及外圓面耐磨鍍層），活塞環的切向彈力，活塞環跟活塞環槽的配合間隙（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柴油機發動機有低功率和高功率2個版本。低功率版發動機配置單級增壓器，高功率版發動機配置雙級增壓器。低功率版發動機的漏氣量限值為60.0 L/min，高功率版發動機的漏氣量限值為80.0 L/min。通過斷開發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、活塞環間隙（通道1）的竄氣漏氣量占比高達95%。

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

2 發動機漏氣量限值研究

漏氣量是發動機的主要性能參數之一，對發動機性能和排放有著重要影響，在發動機定性試驗及質量評測中都要對其進行考核。在進行發動機開發時，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”規定

在《汽車發動機定型試驗規程》（JBN3745-1984）? 6.7.12中規定，“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”規定發布于1984年，與當時國內內燃機行業的實際水平相符[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展，高性能、高轉速、小排量、高增壓發動機得到了廣泛應用，“12倍排量”這一規定很難達到，于是后來被廢止了[7-8]。

2.2 現行法規漏氣量限值要求

隨著《汽車發動機可靠性試驗方法》（GB/T 19055—2003）法規的發布，國家標準重新定義了發動機漏氣量的限值，即4行程發動機在全負荷時的最大發動機漏氣量不得超過規定限值[10]。此限值與額定轉速全負荷進氣量（標準狀態下的理論吸氣量）相關聯，規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

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

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

2.4 發動機漏氣量限值比較

表1為4款不同排量、不同性能參數的發動機根據國家標準《汽車發動機可靠性試驗方法》（GB/T 19055—2003）和上述內燃機研發咨詢公司的限值定義計算的限值數據。圖4為4款發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。排量較大的發動機，兩者差距較大;排量較小的發動機，兩者一致性較好。

一般來說，耐久試驗后的發動機漏氣量有不同程度的上升，可能存在個別發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生異常，發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象。

3 結論

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

為了滿足現代發動機高性能、高熱效率、低油耗、低排放的目標要求，發動機開發之初應定義1個合理的漏氣量限值。發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，發動機個體的漏氣量具有差異。同時，發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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