機(jī)油稀釋對(duì)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315336 2-浙江吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司）

引言

機(jī)油消耗是傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)普遍存在的一種現(xiàn)象，特指機(jī)油通過(guò)缸筒活塞環(huán)、曲通系統(tǒng)（曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)）及氣門(mén)油封進(jìn)入氣缸，在燃燒沖程中被燒掉，從而引起油底殼機(jī)油液面下降的現(xiàn)象。如果機(jī)油消耗異常，在客戶的保養(yǎng)周期就低于機(jī)油尺下限，甚至引起油壓低報(bào)警。另外，機(jī)油燃燒時(shí)會(huì)排放出大量有害氣體，造成排放超標(biāo)，甚至排氣管會(huì)冒藍(lán)煙，非常影響客戶對(duì)產(chǎn)品的滿意度，基于該問(wèn)題，各大主機(jī)廠在產(chǎn)品上市前會(huì)進(jìn)行機(jī)油消耗試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)整機(jī)系統(tǒng)的機(jī)油消耗水平[1]。

影響機(jī)油消耗的主要方面有以下4個(gè)：

1）缸套和活塞環(huán)配合，如果缸筒變形嚴(yán)重或者活塞環(huán)對(duì)口，將會(huì)引起機(jī)油消耗大幅升高，這種情況屬于嚴(yán)重的設(shè)計(jì)缺陷；

2）氣門(mén)油封密封不嚴(yán)，這種情況在耐久后容易發(fā)生，汽車(chē)“燒機(jī)油”現(xiàn)象也主要是這個(gè)方面的原因造成；

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

4）增壓器等外圍件消耗機(jī)油異常。

隨著技術(shù)的發(fā)展，第2）～4）引起的問(wèn)題基本可以在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段通過(guò)試驗(yàn)手段發(fā)現(xiàn)并解決，第1）條原因是最難被發(fā)現(xiàn)也是最難解決，因?yàn)殡S著技術(shù)的發(fā)展，提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和降低發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗成為主要的技術(shù)目的。提高動(dòng)力性一般方法是依靠高增壓，高增壓會(huì)造成缸內(nèi)的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷劇烈升高，從而打破傳統(tǒng)的機(jī)油潤(rùn)滑理念，缸內(nèi)機(jī)油油膜面臨更為嚴(yán)苛的溫度和壓力條件，從而造成機(jī)油消耗發(fā)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(jī)油，如從5W40變成0W20,低粘度的機(jī)油更容易進(jìn)入缸內(nèi)參與燃燒，造成機(jī)油消耗的升高[2]。

2 機(jī)油消耗的試驗(yàn)方法

機(jī)油消耗主要產(chǎn)生于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)，主要的試驗(yàn)評(píng)價(jià)是基于臺(tái)架試驗(yàn)。國(guó)標(biāo)GB18297-2001規(guī)定，機(jī)油消耗試驗(yàn)的工況為額定轉(zhuǎn)速100%負(fù)荷和額定轉(zhuǎn)速30%負(fù)荷，運(yùn)行時(shí)間為24 h，如表1所示。

表1 機(jī)油消耗量試驗(yàn)工況

整車(chē)機(jī)油消耗試驗(yàn)沒(méi)有專門(mén)的機(jī)油消耗試驗(yàn)工況，凡是道路試驗(yàn)都可以在保養(yǎng)周期統(tǒng)計(jì)機(jī)油消耗來(lái)做為評(píng)估，整車(chē)的評(píng)價(jià)一般是在保養(yǎng)周期內(nèi)（例如10 000 km），機(jī)油液位不低于下限。

整車(chē)和臺(tái)架的機(jī)油消耗工況及評(píng)價(jià)基本沒(méi)有關(guān)系，所以會(huì)存在臺(tái)架機(jī)油消耗滿足要求，但整車(chē)機(jī)油消耗超出限值的情況。

機(jī)油消耗試驗(yàn)工況目前常用的有2個(gè)：全速全負(fù)荷工況和全速30%負(fù)荷，這2個(gè)工況分別用來(lái)評(píng)價(jià)缸體活塞環(huán)配合和油氣分離器對(duì)機(jī)油和汽油的分離水平。試驗(yàn)前稱出加入機(jī)油的總質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)束后，稱出放出機(jī)油的總質(zhì)量，通過(guò)二者的差來(lái)得出試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗，再通過(guò)該段過(guò)程中消耗的燃油量算出機(jī)燃比，國(guó)標(biāo)規(guī)定機(jī)燃比小于0.15%，認(rèn)為機(jī)油消耗合格[3]。

2 新技術(shù)對(duì)機(jī)油耗的影響

隨著技術(shù)的發(fā)展，汽油機(jī)增壓直噴已經(jīng)成為主流，增壓直噴難免會(huì)造成機(jī)油稀釋現(xiàn)象，機(jī)油稀釋是指在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，由于汽油濕壁后被活塞環(huán)刮入油底殼，造成機(jī)油里面進(jìn)入汽油的現(xiàn)象。該現(xiàn)象在直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中非常常見(jiàn)，如果噴油器選擇不合理或者噴油時(shí)刻不合理，很容易造成嚴(yán)重的機(jī)油稀釋現(xiàn)象。

眾所周知，全速全負(fù)荷一般處于發(fā)動(dòng)機(jī)萬(wàn)有特性的加濃最濃區(qū)，所以這個(gè)工況的噴油量非常大，如果升功率高，該問(wèn)題就更加突出和難以避免，再加上小排量小缸徑的因素，機(jī)油消耗工況的機(jī)油稀釋率一般較大。

機(jī)油稀釋后對(duì)傳統(tǒng)機(jī)油耗的方法及評(píng)價(jià)是否存在沖擊，機(jī)油耗試驗(yàn)方法是否應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)隨技術(shù)發(fā)展而更新，是本文的討論主要內(nèi)容。

3 機(jī)油稀釋對(duì)機(jī)油耗的影響

3.1 機(jī)油稀釋對(duì)機(jī)油耗的影響一

機(jī)油稀釋主要發(fā)生的區(qū)域有低溫低速小負(fù)荷和高溫高速大負(fù)荷，這2個(gè)區(qū)域一個(gè)是因?yàn)榈蜏仄瓦M(jìn)入機(jī)油后不容易揮發(fā)，另一個(gè)是因?yàn)閲娪土看?，濕壁風(fēng)險(xiǎn)高，稀釋進(jìn)去的多。如圖1所示。

圖1 機(jī)油稀釋發(fā)生的主要區(qū)域

機(jī)油稀釋后，由于汽油進(jìn)入了油底殼，造成油底殼的液體的質(zhì)量有額外的提升，如果此時(shí)機(jī)油消耗量非常小，例如在低溫小負(fù)荷區(qū)域，持續(xù)的機(jī)油稀釋會(huì)導(dǎo)致機(jī)油液位上升（如本田機(jī)油門(mén)）。從這個(gè)角度講，機(jī)油稀釋后會(huì)導(dǎo)致表面機(jī)油消耗變小，因?yàn)橛胁糠謾C(jī)油消耗被燃油稀釋給抵消，甚至在某些情況下，機(jī)油消耗會(huì)出現(xiàn)負(fù)值（“機(jī)油增多”）。這個(gè)原理和原因比較簡(jiǎn)單，本文不再贅述。

機(jī)油稀釋后的另一個(gè)影響因素就是降低機(jī)油粘度，同時(shí)會(huì)造成機(jī)油油膜變化，蒸發(fā)性變化，從而改變機(jī)油消耗。本文重點(diǎn)介紹在高速大負(fù)荷區(qū)機(jī)油稀釋后，發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油耗變化。

為了研究機(jī)油消耗和機(jī)油稀釋的關(guān)系，本文選取了多種不同工況進(jìn)行機(jī)油消耗和機(jī)油稀釋研究。機(jī)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(guò)的干凈濾芯，記錄滴入濾芯的質(zhì)量，將帶有油樣的濾芯靜置在120℃的烤箱約6 h，將機(jī)油中混入的汽油成分完全蒸發(fā)和烤干，稱出剩余的油樣質(zhì)量，從而算出混入的汽油量（經(jīng)檢測(cè)油樣中混入的水分非常少，可忽略不計(jì)）。

不同工況機(jī)油稀釋對(duì)比，為了研究整車(chē)各種工況對(duì)機(jī)油稀釋和機(jī)油消耗的影響，將整車(chē)綜合耐久工況進(jìn)行拆分，并對(duì)上述工況進(jìn)行臺(tái)架模擬，如圖2所示。

圖2 整車(chē)工況和臺(tái)架模擬工況對(duì)比

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同工況的機(jī)油稀釋率不同，對(duì)應(yīng)的機(jī)油消耗也不同。二者有近似的線性關(guān)系，具體如表2所示。

圖3為機(jī)油稀釋和機(jī)油消耗的線性擬合曲線圖。圖3上不同點(diǎn)代表不同工況24 h試驗(yàn)后的稀釋率和對(duì)應(yīng)工況的機(jī)油消耗，對(duì)于我們研究的發(fā)動(dòng)機(jī)，9個(gè)點(diǎn)的線性度非常高，R2高達(dá)0.99。

圖3 機(jī)油稀釋和機(jī)油消耗的線性擬合

3.2 機(jī)油稀釋對(duì)機(jī)油消耗的影響二

機(jī)油耗和機(jī)油稀釋存在一定的線性關(guān)系，采用降低工況機(jī)油稀釋水平來(lái)達(dá)到降低機(jī)油消耗的目的是否可行？為此，安排了通過(guò)更改標(biāo)定數(shù)據(jù)降低機(jī)油稀釋的方案。

降低機(jī)油稀釋的主要手段是改變噴油時(shí)刻（SOI），選取機(jī)油稀釋和機(jī)油消耗均最高的高速大負(fù)荷穩(wěn)態(tài)工況，調(diào)整該工況的SOI，研究機(jī)油稀釋和機(jī)油消耗的變化關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果如圖4顯示：推遲了SOI后，發(fā)動(dòng)機(jī)在該工況的機(jī)油稀釋和機(jī)油消耗都有26%左右的下降，證明降低機(jī)油稀釋后對(duì)機(jī)油消耗有明顯的改善效果[4]。

圖4 SOI改變后機(jī)油稀釋和機(jī)油消耗變化

3.3 機(jī)油稀釋對(duì)機(jī)油消耗的影響三

研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)油稀釋高和機(jī)油消耗高的工況都集中在高速大負(fù)荷，針對(duì)機(jī)油消耗高的工況進(jìn)行了24 h機(jī)油消耗時(shí)間分解，分解結(jié)果如圖5所示。

圖5 機(jī)油消耗和機(jī)油稀釋隨時(shí)間變化關(guān)系

圖5中液體消耗代表稱重算出的液體變化量（包含機(jī)油消耗和機(jī)油稀釋），機(jī)油消耗則是通過(guò)液體消耗和機(jī)油稀釋率反算出的真實(shí)機(jī)油消耗，汽油量代表稀釋進(jìn)去的汽油質(zhì)量，機(jī)油稀釋代表當(dāng)時(shí)剩余液體里的汽油質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。通過(guò)分解研究發(fā)現(xiàn)，在高速大負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程中，油底殼的液體是先增加后減小的過(guò)程，在3 h左右的時(shí)候，液體量增加到最大值，隨后開(kāi)始呈線性關(guān)系減少。機(jī)油稀釋前期稀釋速度非?？?，3 h后稀釋速度變慢并趨于平穩(wěn)。汽油量前期稀釋速度大于揮發(fā)速度，汽油量迅速升高，后期稀釋和揮發(fā)接近動(dòng)態(tài)平衡，液體中的汽油量幾乎不增不減。事實(shí)證明，如果機(jī)油耗試驗(yàn)只持續(xù)6 h，所得機(jī)油耗結(jié)果不能代表真實(shí)機(jī)油消耗結(jié)果，因?yàn)檫@個(gè)過(guò)程中機(jī)油稀釋還沒(méi)有達(dá)到平衡，真實(shí)的機(jī)油消耗被機(jī)油稀釋所掩蓋，造成實(shí)測(cè)機(jī)油消耗偏低。為了得到更為真實(shí)的機(jī)油消耗，建議采用24 h機(jī)油消耗或者舊機(jī)油做機(jī)油消耗，6 h后機(jī)油稀釋接近飽和，此時(shí)開(kāi)始計(jì)算機(jī)油耗的質(zhì)量更為接近實(shí)際結(jié)果，為此，試驗(yàn)對(duì)比了新舊機(jī)油6 h機(jī)油消耗的結(jié)果（如圖6所示）。

圖6 新舊機(jī)油6 h機(jī)油消耗結(jié)果對(duì)比

由圖6可見(jiàn)，新舊機(jī)油6h機(jī)油消耗的結(jié)果差異性非常大，舊機(jī)油6 h的結(jié)果更能反映整車(chē)的機(jī)油消耗結(jié)果。為此，針對(duì)增壓直噴的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用新型的機(jī)油消耗方法可以更有效合理地反映出發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油消耗水平[5]。

4 結(jié)論

1）直噴發(fā)動(dòng)機(jī)普遍存在機(jī)油稀釋的現(xiàn)象，機(jī)油稀釋后，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在低溫低速小負(fù)荷區(qū)域時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)油消耗為負(fù)值，表現(xiàn)為機(jī)油液面上升。

2）機(jī)油稀釋后導(dǎo)致機(jī)油粘度下降，從而引起機(jī)油消耗特性發(fā)生改變，針對(duì)本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)油稀釋會(huì)導(dǎo)致機(jī)油消耗明顯惡化，通過(guò)改變噴油時(shí)刻來(lái)降低機(jī)油稀釋后，機(jī)油消耗也隨之改善。

3）由于機(jī)油稀釋在機(jī)油消耗工況會(huì)導(dǎo)致在短期內(nèi)機(jī)油消耗速度低于機(jī)油稀釋速度，表現(xiàn)為機(jī)油消耗為負(fù)，從而掩蓋真實(shí)機(jī)油消耗，隨著試驗(yàn)時(shí)間的加長(zhǎng)或者采用機(jī)油稀釋飽和的機(jī)油進(jìn)行試驗(yàn)，可以有效真實(shí)地評(píng)價(jià)出發(fā)動(dòng)機(jī)的真實(shí)機(jī)油消耗。