发动机烧机油的机理分析

方钰 于志清 李全

江苏大学 江苏省镇江市 212013

1 引言

为了满足日益严苛的环保法规，降低废气排放势在必行。机油消耗对发动机的颗粒物排放有着显著的影响，因此可以通过控制机油消耗的途径来降低颗粒物排放。另外，机油消耗还对发动机存在一定程度的影响。机油减少会造成油压过低，运动副润滑不良，磨损严重，影响发动机的工作性能，缩短其使用寿命。机油在燃烧室与高温气体接触，易氧化变质，使燃烧室内积碳严重，造成发动机怠速不稳，动力不足，油耗上升。根据国家标准，汽油机在全速满负荷工况下机油燃油消耗比应小于0.33%。然而现在很多涡轮增压汽车在保养时发现了机油消耗超标的问题，因此分析机油耗的原因成为了解决问题的关键。

2 气缸壁对机油消耗的影响

2.1 缸壁蒸发

由于活塞环的刮油和布油作用，润滑油会在气缸壁表面形成一层油膜。发动机正常工作时，缸内温度最高可达3000℃，油膜在高温作用下会部分蒸发，造成润滑油损耗。缸壁上的机油消耗是由于燃油混合气的紊流引起相变而产生的，当油膜暴露在高温燃气中时，机油被蒸发或在燃气中燃烧。其蒸发速率主要受缸壁温度，压力和燃气温度的影响。通过对发动机不同运行工况下机油消耗量的实验得出，缸壁蒸发量会随着功率的增大而增大[1]。

2.2 气缸套变形和气缸网纹的影响

2.2.1 气缸套变形的影响

G Shu等人研究了缸套变形对单缸自然吸气直喷柴油四冲程发动机活塞环运动特性和油耗的影响[2]。结果表明，随着缸套的变形，进入燃烧室的机油量会增加。因为随着气缸套与活塞环之间间隙的增大，环与气缸套的适应性变差，密封性减弱，留在缸壁上的油量较多，最后在缸壁上被蒸发或燃烧。

2.2.1 气缸网纹的影响

实验证明，随着网纹存油量的减少机油消耗亦降低，但网纹存油量降低到一定程度时，运行中反而造成机油消耗激剧上升[3]。气缸壁网纹存油量的减少，机油的蒸发和燃烧量减少。然而当网纹存油量较小时容易产生干摩擦，使气缸壁与活塞环间磨损加剧，间隙增大，造成机油窜入燃烧室。

3 活塞环组对机油消耗的影响

3.1 活塞环结构的影响

3.1.1 活塞环径向厚度的影响

活塞环径向厚度对机油消耗的影响主要体现在其对气缸套的适应性方面，活塞环对缸套的顺应性越好，气缸内的漏气量就越少，这样被缸内气体夹带进燃烧室的机油就会越少，机油消耗降低[4]。顺应性计算公式为：

式中：C气—气环顺应性，C油—油环顺应性，P—活塞环面压，E—弹性模量，T—环径向厚度，B—油环接触宽度，Ft—弹力，D—油环名义直径

从公式可以看出，气环和油环径向厚度的减少，有利于提高环的顺应性，从而减少机油消耗。

3.1.2 活塞环切口间隙的影响

研究表明，随着活塞环二环间隙的增加，机油消耗会降低；而随着一环和油环之间间隙的增加，机油消耗会呈增加趋势。因为二环切口间隙在变大后会有更多的处于二环上层空间的气体流向二环下层的空间，导致二环与一环间的空间内气体压力下降，二环与油环间压力升高，于是就延长了一环与油环同环槽脱离的时间。环与环槽贴合时间越长，进入燃烧室被消耗的机油就会越少[4]。因此在保证活塞环正常安装的前提下，应该尽量减小一环和三环的切口间隙，适当增大二环的切口间隙。

3.1.3 活塞环高度的影响

活塞环越高，环质量越大，在工作时其受到的惯性力越大，因此，跟随性较差，促进了活塞环的泵油作用，使窜入燃烧室的机油量增大。当活塞进行往复运动经过某行程点时，在惯性力作用下，活塞环会脱离环槽的端面，侧隙与背隙的机油会被挤压入燃烧室中，造成机油的消耗[5]。

3.1.4 活塞环切口位置的影响

韩国的Min Byung-soon等人利用了放射性同位素释放γ射线来标记活塞环切口位置的方法研究了发动机在运行时活塞环的切口位置的变化规律[6]。活塞环在发动机的运行过程中会发生转动，其转速随工况的不同为0.2r/min-0.6r/min，且各活塞环之间的转动互不影响。当各环的切口位置彼此靠近并接近一条直线时，机油消耗量会明显上升[7]。

3.1.5 油环被压影响

据统计，油环刮油量占活塞环总刮油量的80%-90%，而气环刮油量占比为10%-20%。因此，油环的刮油能力直接决定了机油的消耗量[8]。为了保证高速工况下的油环刮油能力，活塞环与气缸壁的接触压力要足够高。增加油环被压能够改善油环的刮油能力，有助于降低活塞环组的机油消耗。但是当油环的被压增加时，将会加速油环的磨损，当磨损达一定程度之后，机油消耗将会明显增加[9]。

3.2 活塞顶岸刮油及环岸结构的影响

3.2.1 活塞顶岸的刮油作用

当活塞横向运动或角摆动过大时由于活塞头部边缘与缸套间隙变小，从而引起顶岸边缘刮油，导致机油消耗增加[10]。

3.2.2 活塞环岸结构的影响

为了增大回油面积，活塞一环岸、二环岸可应用阶梯结构以及二环槽进行倒角处理。该结构还会减小活塞下行时一环槽与二环槽之间的压力差和上下密封间隙的压力差，缩短一环与油环停留在环槽端面的时间，从而减少机油消耗[11]。

4 涡轮增压对机油消耗的影响

4.1 压力平衡破坏造成泄露

涡轮增压器内部零件都处于同一压力系统中。若空气滤清器清理不及时，造成进气阻力增大，压气机进气负压升高，从而形成压迫性漏油。当增压器进口压力高于正常工作油压时，高压使涡轮密封装置两端产生压力差而使润滑油自密封装置处向涡轮室泄露[12]。

4.2 温度对机油消耗的影响

涡轮增压器长期在高速高温下运转，工作条件十分恶劣。过高的温度会使密封环变形，如果变形量太大，则会加速磨损，使机油泄漏量加大[13]。此外，涡轮增压发动机机油温度比非增压发动机的机油温度高很多，导致其机油蒸发速率也高于非增压发动机的机油蒸发速率[14]。

4.3 密封环失效造成机油消耗

目前车用涡轮增压器都采用密封环式密封结构，即将1～2个活塞环形的开口弹簧分别安装在涡轮端和压气机端的密封环支撑座内[15]。由于工作环境恶劣，两侧密封环需要承受高温、摩擦、振动和循环工作温度的冲击，因此活塞环易断裂失效造成漏油。

5 PCV阀堵塞和油气分离器对机油消耗的影响

5.1 PCV阀对机油消耗的影响

5.1.1 PCV阀堵塞对机油消耗的影响

在发动机正常工作时，气缸内会有一部分未燃烧的可燃混合气和燃烧废气进入到曲轴箱内。当PCV阀堵塞时，窜气不能及时被排除到曲轴箱外，从而造成曲轴箱温度升高，机油的蒸发量加大，进而造成机油消耗。

5.1.2 PCV阀安装位置对机油消耗的影响

试验证明，当气缸压缩的压力低于该机的标定值或窜气量超过该机的排量的12倍时，PCV阀安装位置对机油消耗影响最为明显。PCV阀的安装位置要避开机油飞溅以及机油蒸发厉害的区域，以防止机油被过多地吸入进气歧管中[16]。

5.2 油气分离器对机油消耗的影响

油气分离器是曲轴箱通风装置的重要组成部分，能对曲轴箱窜气中的机油进行高效的分离，从而防止机油跟随窜气进入燃烧室被消耗。但再精确的油气分离器也不能保证完全分离机油和窜气，使机油回流到油底壳。

挡板与多孔过滤板互相配合的结构在最大窜气流量工况下仍能够获得大于75%的分离效果，并且当分离效率达到50%以上时，油滴颗粒的直径会小于1.0 um，从而保证了对于不同直径的油滴颗粒均有稳定的分离性能[17]。

6 结语

（1）气缸壁变形和气缸壁网纹的存在会导致发动机烧机油；

（2）活塞环径向厚度过大，二环切口间隙过小，一道气环和油环切口间隙过大，活塞环环高过高，活塞环对口，油环背压升高会导致发动机烧机油；

（3）活塞顶岸刮油和活塞环岸的结构会影响机油的消耗量；

（4）涡轮增压器压力平衡被破坏，机油温度升高，密封环失效会造成发动机烧机油；

（5）PCV阀堵塞或安装位置不正确，油气分离器分离不彻底会造成发动机烧机油；

（6）对油环的PVD处理以及ORC涂层的应用，均能在一定程度上减少机油消耗。

除了上述的分析原因之外，驾驶员的驾驶习惯，使用机油的品质，整车的维护保养也是影响机油消耗的原因。