某款GDI汽油發(fā)動機(jī)燒機(jī)油現(xiàn)象的研究

賈殿臣 王國清 劉佳慶 王凱 孫富強(qiáng) 宋月興 孟飛

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

某款GDI汽油發(fā)動機(jī)燒機(jī)油現(xiàn)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(qiáng)1，2宋月興1，2孟飛1，2

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

燒機(jī)油是發(fā)動機(jī)常見的試驗(yàn)現(xiàn)象之一，尤其是增壓缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機(jī)，承受較高工作溫度和燃燒壓力，燒機(jī)油現(xiàn)象相對較普遍。機(jī)油的額外消耗會減少發(fā)動機(jī)正常換油里程，導(dǎo)致機(jī)燃比失調(diào)、加劇運(yùn)動副磨損，破壞零部件使用功能、影響排放及后處理系統(tǒng)，嚴(yán)重情況下還會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)發(fā)生爆燃，發(fā)動機(jī)動力下降甚至報(bào)廢。主要分析一款2.0L GDI增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機(jī)燒機(jī)油的影響因素，從一環(huán)環(huán)高、油環(huán)結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)回油結(jié)構(gòu)、增壓器機(jī)油損耗、氣門密封性及活塞環(huán)岸結(jié)構(gòu)、缸體網(wǎng)紋參數(shù)、配缸間隙、機(jī)油溫度穩(wěn)定性方面進(jìn)行試驗(yàn)分析和驗(yàn)證。結(jié)果表明，增加一環(huán)環(huán)高、改變油環(huán)結(jié)構(gòu)、改善回油不暢、優(yōu)化活塞環(huán)岸和環(huán)槽結(jié)構(gòu)、機(jī)油溫度穩(wěn)定控制、減小網(wǎng)紋參數(shù)Rvk均能夠改善GDI發(fā)動機(jī)燒機(jī)油現(xiàn)象。

燒機(jī)油燃燒壓力爆燃機(jī)燃比

引言

發(fā)動機(jī)正常機(jī)油消耗主要集中在氣缸內(nèi)壁、氣門導(dǎo)管、渦輪軸密封及曲軸箱通風(fēng)等，據(jù)文獻(xiàn)介紹氣缸內(nèi)壁機(jī)油消耗占總機(jī)油消耗的90%以上。當(dāng)活塞在發(fā)動機(jī)內(nèi)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(jī)油在潤滑進(jìn)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(jī)油。隨著發(fā)動機(jī)工作時間的增加，發(fā)動機(jī)機(jī)油由于高溫氧化通過曲軸箱通風(fēng)閥門吸到燃燒室燃燒，導(dǎo)致高度竄氣的因素也會造成較高的機(jī)油消耗。

因此活塞配缸間隙、油環(huán)及活塞環(huán)岸結(jié)構(gòu)、曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)等與機(jī)油消耗量有直接的關(guān)系。為減少發(fā)動機(jī)的機(jī)油消耗，提高整車換油里程，匹配適合該發(fā)動機(jī)的整車機(jī)燃比消耗標(biāo)準(zhǔn)，本文從發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)、整車高環(huán)工況、整車綜合工況進(jìn)行分析并與同類產(chǎn)品對比分析，解決發(fā)動機(jī)實(shí)際機(jī)油消耗量偏高及與國標(biāo)的沖突，

1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)

本文涉及的GDI發(fā)動機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

2 發(fā)動機(jī)燒機(jī)油試驗(yàn)表現(xiàn)

匹配該款GDI發(fā)動機(jī)的SUV在試驗(yàn)場進(jìn)行160～180 km/h高環(huán)試驗(yàn)中，持續(xù)出現(xiàn)機(jī)油消耗量大，通過對高環(huán)試驗(yàn)車機(jī)油耗進(jìn)行持續(xù)跟蹤測量，平均機(jī)油耗為0.5 L/1 000 km，平均機(jī)燃比為0.24%，如圖1所示。

圖1 整車高環(huán)機(jī)燃比測試結(jié)果

3 機(jī)油消耗高排查及原因分析

3.1 發(fā)動機(jī)24小時全速全負(fù)荷機(jī)油消耗排查

對4臺狀態(tài)一致的發(fā)動機(jī)進(jìn)行臺架測試，結(jié)果顯示發(fā)動機(jī)平均機(jī)燃比為0.28%，接近國標(biāo)上限0.3%，如表2所示。

表2 發(fā)動機(jī)機(jī)油消耗排查

3.2 整車綜合工況機(jī)油耗量對比

按照圖2所示測試工況進(jìn)行整車循環(huán)測試，通過整車2500 km測試結(jié)果表明，該款SUV行駛3662 km需要消耗1 L機(jī)油，對比同等排量德系和美系整車在消耗1 L機(jī)油的情況下均可正常行駛10000 km，如表3所示。該款SUV實(shí)際機(jī)油耗偏高影響整車換油里程，前期機(jī)燃比設(shè)計(jì)目標(biāo)按照國標(biāo)（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(jī)油消耗高原因分析

針對機(jī)油消耗高問題從氣門密封性、增壓器失效、發(fā)動機(jī)本體、活塞環(huán)與缸孔設(shè)計(jì)、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(jī)油消耗高的解決方法

4.1 改進(jìn)活塞環(huán)結(jié)構(gòu)

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

圖3 機(jī)油消耗原因分析

圖4 氣環(huán)油環(huán)結(jié)構(gòu)

結(jié)果表明：一環(huán)環(huán)高由1 mm增至1.2 mm，由組合式油環(huán)換成螺旋撐環(huán)油環(huán)，機(jī)油消耗從0.28%降至0.15%，改善程度見表4。

4.2 改善發(fā)動機(jī)后端回油不暢

經(jīng)油氣分離后機(jī)油回油不暢，會將機(jī)油帶入燃燒室，直接在燃燒室內(nèi)燃燒，造成燒機(jī)油現(xiàn)象，經(jīng)試驗(yàn)證明；在發(fā)動機(jī)后端外加回油管、增大上油底殼回油截面積，如圖5所示，機(jī)油耗從0.282%降低至0.179%。

表4 發(fā)動機(jī)24小時機(jī)油消耗驗(yàn)證

圖5 增加回油結(jié)構(gòu)

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(jī)油消耗無效果，通過檢驗(yàn)氣門密封性，不存在機(jī)油泄漏現(xiàn)象。

序號1與序號3試驗(yàn)結(jié)果對比，改善缸蓋回油使得機(jī)油消耗量降低；序號1與序號5試驗(yàn)結(jié)果對比，增大上油底殼回油截面積也可以改善機(jī)油消耗量；序號3與序號6、7試驗(yàn)結(jié)果對比，增加第一道氣環(huán)環(huán)高、采用螺旋撐環(huán)油環(huán)對機(jī)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(jìn)活塞環(huán)岸結(jié)構(gòu)

活塞一環(huán)岸、二環(huán)岸應(yīng)用階梯結(jié)構(gòu)和二環(huán)槽倒角，均能夠增大回油面積，減小活塞下行時一環(huán)槽、二環(huán)槽的壓力差和上下密封隙壓力差，緩解一環(huán)及油環(huán)停留在環(huán)槽端面的時間進(jìn)而優(yōu)化機(jī)油消耗，具體結(jié)構(gòu)在國外發(fā)動機(jī)上較常見，如圖6～8所示。具體試驗(yàn)效果有待驗(yàn)證。

圖6 一環(huán)岸結(jié)構(gòu)

圖7 二環(huán)槽倒角

圖8 二環(huán)岸結(jié)構(gòu)

4.5 機(jī)油溫度穩(wěn)定系統(tǒng)

維持穩(wěn)定的機(jī)油溫度能夠減少機(jī)油的揮發(fā)和過熱帶來的機(jī)油消耗，經(jīng)試驗(yàn)測試某款日系發(fā)動機(jī)在24 h全速全負(fù)荷機(jī)油消耗試驗(yàn)過程中，采用試驗(yàn)室冷卻系統(tǒng)水溫控制在88±1℃，使用發(fā)動機(jī)本體機(jī)油溫度冷卻系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)機(jī)油溫度始終穩(wěn)定在95±1℃，機(jī)燃比0.09%，如圖9、10所示。

圖9 機(jī)油溫度變化趨勢，24小時全速全負(fù)荷機(jī)油消耗

圖10 道達(dá)爾SL級10W-40機(jī)油粘溫曲線

4.6 缸體網(wǎng)紋參數(shù)和配缸間隙

隨著珩磨技術(shù)的不斷提高和試驗(yàn)探索，對珩磨網(wǎng)紋參數(shù)對耐磨的認(rèn)識越來越深入，網(wǎng)紋參數(shù)Rvk對機(jī)油消耗的影響較大。對比國內(nèi)外2.0 L排量發(fā)動機(jī)，網(wǎng)紋參數(shù)Rvk呈現(xiàn)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(fā)動機(jī)配缸間隙處于優(yōu)化范圍內(nèi)，如表5所示。

表5 網(wǎng)紋參數(shù)和配缸間隙

5 機(jī)油消耗改進(jìn)效果驗(yàn)證

5.1 發(fā)動機(jī)臺架24小時機(jī)油耗試驗(yàn)驗(yàn)證

通過增加一環(huán)環(huán)高、更換螺旋撐環(huán)油環(huán)、改善回油結(jié)構(gòu)、優(yōu)化活塞環(huán)岸結(jié)構(gòu)、調(diào)整網(wǎng)紋參數(shù)Rvk、保持機(jī)油溫度措施后，對6臺狀態(tài)一致發(fā)動機(jī)進(jìn)行24小時全速全負(fù)荷機(jī)油消耗試驗(yàn)驗(yàn)證，機(jī)燃比穩(wěn)定在0.13%～0.15%之間，如表6所示。

表624 h機(jī)油消耗驗(yàn)證g/%

5.2 北京高環(huán)和海南試車場驗(yàn)證

對匹配該款GDI發(fā)動機(jī)的SUV按照如上更改后進(jìn)行北京高環(huán)和海南五指山山路試驗(yàn)，結(jié)果表明，高環(huán)試驗(yàn)機(jī)燃比穩(wěn)定在0.10%～0.13%，山路試驗(yàn)機(jī)燃比為0.038%～0.053%，如表7所示。

表7 整車高環(huán)和山路試驗(yàn)驗(yàn)證

5.3 整車綜合工況試驗(yàn)驗(yàn)證

按照如上更改后進(jìn)行整車綜合工況測試，通過2500 km測試?yán)锍蹋瑱C(jī)燃比由0.15%降至0.056%；整車工況在消耗1 L機(jī)油后，可允許行駛里程從3662 km提升至9259 km，機(jī)油消耗有改善明顯，如表8所示。

表8 整車綜合工況驗(yàn)證

6 結(jié)論

1）增加氣環(huán)高度、采用螺旋撐環(huán)油環(huán)、增加缸蓋回油面積、優(yōu)化活塞環(huán)岸結(jié)構(gòu)、降低Rvk缸體網(wǎng)紋參數(shù)、實(shí)現(xiàn)機(jī)油溫度穩(wěn)定控制六項(xiàng)措施均能夠改善2.0L GDI發(fā)動機(jī)燒機(jī)油現(xiàn)象，對以上措施都應(yīng)給予足夠的重視；經(jīng)試驗(yàn)證明氣門密封性和增壓器不存在失效情況。

2）發(fā)動機(jī)24 h全速全負(fù)荷機(jī)油消耗量按照國標(biāo)機(jī)燃比≤0.3%進(jìn)行定義，機(jī)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(jīng)發(fā)動機(jī)臺架和整車工況測試，表明機(jī)燃比≤0.15%能夠滿足發(fā)動機(jī)和整車需求。

3）此外，機(jī)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(zhuǎn)速高負(fù)荷會消耗更多的機(jī)油，并且機(jī)油本身的粘度、揮發(fā)性、熱氧化穩(wěn)定性均對機(jī)油消耗產(chǎn)生影響，另外機(jī)油消耗還會受到機(jī)油稀釋的影響。

1聶永濤，李杰，樊少軍，等.發(fā)動機(jī)機(jī)油消耗量過大原因分析及其排除[J].輕型汽車技術(shù)，2011（Z1）：70~71

2舒作為，唐子鈺.發(fā)動機(jī)氣缸網(wǎng)紋深度與油環(huán)PVD處理對降低機(jī)油消耗的影響[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2012（9）：24～26

3宇秀明.降低機(jī)油耗的新產(chǎn)品-密封油環(huán)[J].內(nèi)燃機(jī)配件，2006（2）：17～18

4楊樹文.淺談活塞環(huán)對發(fā)動機(jī)油耗的影響[J].內(nèi)燃機(jī)，2003（5）：30～33

5蔣海勇.發(fā)動機(jī)機(jī)油消耗問題研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2013（11）：1～4

6周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)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?yàn)榘l(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)及競品分析。