罗富胜，罗剑坤，张春龙，李 忠，洪志宇

（江铃汽车股份有限公司，江西南昌 330200）

0 引言

发动机的润滑系统是发动机的内部系统，但与冷却系统不同，它不和外部件直接接触。最高油温小于120 ℃的发动机原则上不需要机油冷却器，而通过发动机自身的热容量吸热再通过缸体和缸盖把热量散给冷却水和环境。通常所称机油消耗，是指曲轴箱机油量在未到达换油周期时的减少。虽然习惯上称处于内部循环中的机油在循环过程中以某种方式脱离循环而没有返回油底壳为机油消耗，严格来讲油底壳机油减少可以分为损失和消耗两个途径。

机油消耗是指处于内部循环中的机油在循环过程中以某种方式进入气缸或发动机排气系统，最终通过排气系统排到环境中。机油消耗（Consumption）的两种方式，分别是缸内燃烧和排气道燃烧，测量和限制油耗的主要原因是延长车辆的换油间隔，避免客户需要在加油之间加油。另一个需要考虑的问题是，避免因油耗而导致后处理系统（中毒催化剂和堵塞的粒子过滤器）寿命缩短。

1 发动机机油消耗形成原因

发动机机油消耗量受到发动机使用过程中一些常见因素的影响，包括油温、曲轴箱压力、镗孔光洁度、镗孔几何形状、活塞环颤振以及涡轮增压器、活塞环、油分离器（PCV 系统）、气门杆等部件的密封[1]。

油底壳机油通过活塞和气缸间隙进入缸内是机油进入缸内的重要途径，俗称窜油（图1）。积累在第一环岸的机油在活塞运动换向时在惯性力作用下甩入气缸。当气缸压力下降到一定程度时，环槽的气体压力可能会大于环岸的气体压力，在这个压差的作用下部分机油流向气缸。活塞环的动力学特性由惯性力和气体压力的相对大小决定，活塞环的动态几何形状决定了缸筒和活塞的有效间隙大小。当环相对于环槽发生跳动（Flutter）时，其密封性减弱，窜气、窜油量均会增加。

图1 机油按箭头方向从活塞和缸孔间进入燃烧室

发动机在压缩冲程和排气冲程时活塞环向上运动时，油环将环槽内未排尽的机油泵向气缸。当做功冲程和吸气冲程时活塞向下运动时，油环将缸壁上的机油刮向油底壳，但刮油过程中会有机油残留在缸壁上，这部分机油会蒸发到燃烧室内，当燃烧室内混合气体燃烧时这部分机油会被烧掉（图2）。缸筒变形[2-3]会导致活塞环很难适应缸筒形状，从而环的密封性变差，窜气、窜油量均会增加（图3）。在任何温度下缸壁上油膜都可以蒸发，蒸发量受下列因素影响：缸内温度越高、机油被燃油的稀释程度越高，蒸发量越大。

图2 机油从缸壁蒸发

图3 缸孔变形

增压器轴承[4]漏油也会导致机油消耗（图4）：当压端活塞环前端（225 处）的压力小于压端活塞环前端（226 处）或涡端活塞环后端（210 处）压力小于涡端活塞环前端（211 处）时，都有可能导致机油从油封溢出。溢出的机油途径中冷前管、中冷器、中冷后管、节气门、进气歧管最后进入燃烧室烧掉，或直接走排气波纹管进入三元催化器（Three Waycatalyst Converter，TWC）、汽油机颗粒捕集器（Gasoline Particle Filter，GPF）、消音器。

图4 增压器轴承

曲轴箱通风（油气分离器）的功能是将曲轴箱窜气量（Blowby）内的机油分离出来，流回油底壳。考虑到分离阻力、曲轴箱压力等因素，油气分离器并不能将机油100%地分离：当发动机位于高负荷时，此时空滤后压力是负的，携带的润滑油也会进入空滤后管途径中冷前管、中冷器、中冷后管、节气门、进气歧管最后进入燃烧室烧掉；当发动机在低负荷运行时进气歧管由于节气门未全开处于负压（主要是汽油机），此时机油直接进入进气歧管，同空气等燃烧介质一起进入燃烧室烧掉。

通过对某发动机进行研究发现，机油消耗和转速、负荷有关系：在高转速时，活塞输运和蒸发的机油量在数量级上相同，这两项决定了机油消耗，Blowby 所占比例约为10%左右；以贡献比例计，低负荷时活塞输运为主；随负荷增加，活塞输运贡献减小，蒸发贡献增加。

2 典型机油消耗试验方法

机油消耗试验常用的方法有称重放油法、同位素示踪法、机油标尺页面标定法、质谱仪分析法、硫（Sulfur）元素追踪法等。目前最容易实施的是称重放油法，试验步骤见表1。

表1 称重放油法机油消耗步骤

3 机油消耗结果评判

和燃油消耗一样，机油消耗也是评估发动机经济性的一个指标，可以用机燃比法和单位里程机油消耗法进行评估。

（1）以机油/燃油相对油耗方式评估，如Caterpillar &Cummins 等（多见柴油机）。通过记录发动机运行过程中机油消耗量和燃油消耗量，将机油消耗量除以燃油消耗量。额定功率点机燃比不超过0.8‰；50%转速/30%负荷点机燃比不超过0.5‰。表2 为某1.5GTDI 发动机机油消耗结果，均在目标值范围内，满足要求。

表2 某1.5GTDI 发动机机油消耗结果

（2）以单位里程机油消耗法（多用于北美地区）也是一种典型的机油消耗结果评判方法。根据实验室/客户相关性，平均零售客户的最低油耗标准为10 000 MPQ（MPQ 即Mile/US gal，每加仑燃料能使汽车行驶的英里数）或0.059 L/1000 km（5000 MPQ 或0.118 L/1000 km 用于重型应用）。满足汽油后处理系统的要求。实际的车辆油耗指标必须考虑延长服务间隔的影响，对于柴油发动机来说，还要考虑微粒过滤器寿命的影响。