發動機機油消耗原因及試驗評估

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

發動機的潤滑系統是發動機的內部系統，但與冷卻系統不同，它不和外部件直接接觸。最高油溫小于120 ℃的發動機原則上不需要機油冷卻器，而通過發動機自身的熱容量吸熱再通過缸體和缸蓋把熱量散給冷卻水和環境。通常所稱機油消耗，是指曲軸箱機油量在未到達換油周期時的減少。雖然習慣上稱處于內部循環中的機油在循環過程中以某種方式脫離循環而沒有返回油底殼為機油消耗，嚴格來講油底殼機油減少可以分為損失和消耗兩個途徑。

機油消耗是指處于內部循環中的機油在循環過程中以某種方式進入氣缸或發動機排氣系統，最終通過排氣系統排到環境中。機油消耗（Consumption）的兩種方式，分別是缸內燃燒和排氣道燃燒，測量和限制油耗的主要原因是延長車輛的換油間隔，避免客戶需要在加油之間加油。另一個需要考慮的問題是，避免因油耗而導致后處理系統（中毒催化劑和堵塞的粒子過濾器）壽命縮短。

1 發動機機油消耗形成原因

發動機機油消耗量受到發動機使用過程中一些常見因素的影響，包括油溫、曲軸箱壓力、鏜孔光潔度、鏜孔幾何形狀、活塞環顫振以及渦輪增壓器、活塞環、油分離器（PCV 系統）、氣門桿等部件的密封[1]。

油底殼機油通過活塞和氣缸間隙進入缸內是機油進入缸內的重要途徑，俗稱竄油（圖1）。積累在第一環岸的機油在活塞運動換向時在慣性力作用下甩入氣缸。當氣缸壓力下降到一定程度時，環槽的氣體壓力可能會大于環岸的氣體壓力，在這個壓差的作用下部分機油流向氣缸。活塞環的動力學特性由慣性力和氣體壓力的相對大小決定，活塞環的動態幾何形狀決定了缸筒和活塞的有效間隙大小。當環相對于環槽發生跳動（Flutter）時，其密封性減弱，竄氣、竄油量均會增加。

圖1 機油按箭頭方向從活塞和缸孔間進入燃燒室

發動機在壓縮沖程和排氣沖程時活塞環向上運動時，油環將環槽內未排盡的機油泵向氣缸。當做功沖程和吸氣沖程時活塞向下運動時，油環將缸壁上的機油刮向油底殼，但刮油過程中會有機油殘留在缸壁上，這部分機油會蒸發到燃燒室內，當燃燒室內混合氣體燃燒時這部分機油會被燒掉（圖2）。缸筒變形[2-3]會導致活塞環很難適應缸筒形狀，從而環的密封性變差，竄氣、竄油量均會增加（圖3）。在任何溫度下缸壁上油膜都可以蒸發，蒸發量受下列因素影響：缸內溫度越高、機油被燃油的稀釋程度越高，蒸發量越大。

圖2 機油從缸壁蒸發

圖3 缸孔變形

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

圖4 增壓器軸承

曲軸箱通風（油氣分離器）的功能是將曲軸箱竄氣量（Blowby）內的機油分離出來，流回油底殼。考慮到分離阻力、曲軸箱壓力等因素，油氣分離器并不能將機油100%地分離：當發動機位于高負荷時，此時空濾后壓力是負的，攜帶的潤滑油也會進入空濾后管途徑中冷前管、中冷器、中冷后管、節氣門、進氣歧管最后進入燃燒室燒掉；當發動機在低負荷運行時進氣歧管由于節氣門未全開處于負壓（主要是汽油機），此時機油直接進入進氣歧管，同空氣等燃燒介質一起進入燃燒室燒掉。

通過對某發動機進行研究發現，機油消耗和轉速、負荷有關系：在高轉速時，活塞輸運和蒸發的機油量在數量級上相同，這兩項決定了機油消耗，Blowby 所占比例約為10%左右；以貢獻比例計，低負荷時活塞輸運為主；隨負荷增加，活塞輸運貢獻減小，蒸發貢獻增加。

2 典型機油消耗試驗方法

機油消耗試驗常用的方法有稱重放油法、同位素示蹤法、機油標尺頁面標定法、質譜儀分析法、硫（Sulfur）元素追蹤法等。目前最容易實施的是稱重放油法，試驗步驟見表1。

表1 稱重放油法機油消耗步驟

3 機油消耗結果評判

和燃油消耗一樣，機油消耗也是評估發動機經濟性的一個指標，可以用機燃比法和單位里程機油消耗法進行評估。

（1）以機油/燃油相對油耗方式評估，如Caterpillar &Cummins 等（多見柴油機）。通過記錄發動機運行過程中機油消耗量和燃油消耗量，將機油消耗量除以燃油消耗量。額定功率點機燃比不超過0.8‰；50%轉速/30%負荷點機燃比不超過0.5‰。表2 為某1.5GTDI 發動機機油消耗結果，均在目標值范圍內，滿足要求。

表2 某1.5GTDI 發動機機油消耗結果

（2）以單位里程機油消耗法（多用于北美地區）也是一種典型的機油消耗結果評判方法。根據實驗室/客戶相關性，平均零售客戶的最低油耗標準為10 000 MPQ（MPQ 即Mile/US gal，每加侖燃料能使汽車行駛的英里數）或0.059 L/1000 km（5000 MPQ 或0.118 L/1000 km 用于重型應用）。滿足汽油后處理系統的要求。實際的車輛油耗指標必須考慮延長服務間隔的影響，對于柴油發動機來說，還要考慮微粒過濾器壽命的影響。