汽车发动机漏气量分析及限值研究

2021-09-10邓君王延亮李伟军

汽车与新动力 2021年4期

邓君王延亮李伟军

漏气量是发动机的主要性能参数之一，对发动机性能、排放、还有零部件可靠性有着重要影响。无论是增压还是自然吸气发动机，来自燃烧室经由缸体、活塞、活塞环间隙的窜气是发动机漏气量的主要组成部分。分析了增压和非增压发动机漏气量的构成及影响因素。对于增压发动机，来自增压器进入曲轴箱的窜气量占比较大，不可以忽视。在对比了3种发动机漏气量限值定义方法后，综合分析并推荐1种定义合理漏气量限值的方法，即应满足国家标准《汽车发动机可靠性试验方法》（GB/T 19055—2003）的限值要求，同时参考内燃机研发咨询公司的推荐值，进行横向对标，最终制定1个合理限值。在不影响发动机性能、燃油耗和排放的情况下，允许耐久试验过程后的漏气量适当上升。

发动机;漏气量;性能;燃油耗;限值

0 前言

现代汽车发动机的发展应满足高性能、高热效率、低油耗、低排放等指标。漏气量作为发动机关键性能指标参数之一，越来越受到业内研发人员的关注。

发动机漏气量对发动机性能和排放、还有零部件可靠性均有重要影响。过多的漏气量会导致发动机缸内燃烧压力降低，影响发动机性能，增加燃油消耗;破坏活塞、活塞环与缸孔间的润滑油膜，导致活塞环、缸孔间的摩擦磨损加剧;过量高温燃烧混合气还容易造成机油老化，缩短机油使用寿命;过量窜气会使得曲轴箱压力升高，过量油气甚至机油进入油气分离器后，容易导致油气分离器分离效率降低，增加污染物排放;曲轴箱压力升高还可能导致曲轴前后油封、密封面结合处发生机油渗漏等不良后果[1-4]。因此，控制发动机漏气量十分重要。

减少漏气量虽然对发动机有益，但如果过于追求非常低的漏气量，则需要通过增大气环弹力，增加缸孔壁厚，增强缸孔刚性等措施来实现，导致发动机摩擦功增大，燃油耗增加，热效率降低。所以，定义合理的发动机漏气量限值，成为业内研发人员重点研究的课题。

1 发动机漏气量构成

发动机漏气量一般指的是曲轴箱窜气量。由于检测发动机漏气量都是從油气分离器接流量计进行测量，而油气分离器分离的油气主要来自曲轴箱窜气。

图1为发动机漏气量的构成占比。对增压机型而言，发动机漏气量主要由3部分构成：（1）来自燃烧室并经由缸体、活塞、活塞环间隙（通道1）的窜气;（2）来自燃烧室经由气门、气门座圈间隙（通道2）的窜气;（3）来自增压器压气机端或涡轮端的气体通过增压器密封环（通道3）进入曲轴箱的窜气。

来自燃烧室并经由缸体、活塞、活塞环间隙的窜气是发动机漏气的主要组成部分，占了总漏气量的60%～70%。这个通道的漏气原理如图2所示。影响这一通道漏气量的主要因素有：活塞环的结构（尤其是气环的外圆面造型、闭口间隙、外口倒角，以及外圆面耐磨镀层），活塞环的切向弹力，活塞环跟活塞环槽的配合间隙（侧隙、背隙），还有缸孔的变形（主要是4阶变形），活塞的结构等[4-5]。

燃烧室经由气门、气门座圈间隙的窜气量一般比较少，大约占总漏气量的5%。这个通道的漏气量可以通过观察气门跟气门座圈的贴合程度，或者对缸盖总成进行气密性试验来判断漏气是否正常。

来自增压器压气机端或涡轮端的气体通过增压器密封环进入曲轴箱，这部分窜气容易被忽略。但实际上，通过增压器这一通道（通道3）进入曲轴箱的窜气量并不少，大约可以占到总漏气量的20%～30%。图3为增压器窜气的原理图。某2.0T柴油机发动机有低功率和高功率2个版本。低功率版发动机配置单级增压器，高功率版发动机配置双级增压器。低功率版发动机的漏气量限值为60.0 L/min，高功率版发动机的漏气量限值为80.0 L/min。通过断开发动机和增压器连接的进油管路，改为外接增压器润滑油路，可以测得单级增压器的漏气量为15.2 L/min，双级增压器的漏气量为22.5 L/min，漏气量占比分别为25.3%和28.1%[6]。

对自然吸气发动机而言，因为没有增压器，漏气量主要由前两部分构成（通道1和通道2）。其中，来自燃烧室经由缸体、活塞、活塞环间隙（通道1）的窜气漏气量占比高达95%。

在发动机开发过程中，难免会出现漏气量超标的问题。虽然缸体、活塞、活塞环之间的窜气量较大。但在研发过程中，研发人员应当将相关因素都排查清楚后再进行开发。

2 发动机漏气量限值研究

漏气量是发动机的主要性能参数之一，对发动机性能和排放有着重要影响，在发动机定性试验及质量评测中都要对其进行考核。在进行发动机开发时，对于合理漏气量限值的定义十分重要。关于漏气量限值的定义，综合来看主要有下面几个方面。

2.1 “12倍排量”规定

在《汽车发动机定型试验规程》（JBN3745-1984） 6.7.12中规定，“在台架可靠性试验中，对全速全负荷试验时的活塞最大漏气量进行评定（4行程发动机每分钟不超过排量的12倍” ）[7-9]。这个标准简称为“12倍排量”标准[8]。该规定仅考虑了排量这个唯一影响因素，显然不够完善[7]。“12倍排量”规定发布于1984年，与当时国内内燃机行业的实际水平相符[7-8]。当时，转速在3 500 r/min以下的国产自然吸气车用柴油机是主流设计，最大漏气量都能满足“12倍排量”规定，实际最大漏气量在10倍排量左右;而转速大于3 500 r/min的车用柴油机及增压柴油机在国内则很少，因而在当时是合适的。随着内燃机技术的快速发展，高性能、高转速、小排量、高增压发动机得到了广泛应用，“12倍排量”这一规定很难达到，于是后来被废止了[7-8]。

2.2 现行法规漏气量限值要求

随着《汽车发动机可靠性试验方法》（GB/T 19055—2003）法规的发布，国家标准重新定义了发动机漏气量的限值，即4行程发动机在全负荷时的最大发动机漏气量不得超过规定限值[10]。此限值与额定转速全负荷进气量（标准状态下的理论吸气量）相关联，规定最大漏气量不能超过全负荷进气量的0.6%。全负荷进气量与发动机排量、额定转速、额定转速全负荷时的增压压比成正比，与进气歧管内进气温度成反比。具体计算公式详见该标准的附录A.4部分[10]。该标准适用于所有的行程发动机，与燃烧方式（点燃或压燃）、燃料类别（汽油、柴油、天然气、液化石油气、醇类燃料等）、增压或非增压（即自然吸气）方式均无关。

2.3 推荐限值

某内燃机研发咨询公司推荐的发动机漏气量限值与全负荷进气量相关联，区别在于系数不同。其定义如下：（1）增压发动机定义额定工况全负荷进气量的0.9%为发动机漏气量限值;（2）自然吸气发动机定义额定工况全负荷进气量的0.7%为发动机漏气量限值。

同时，考虑到油气分离器的分离效率和发动机的使用寿命，该公司建议将标准漏气量限值的1.5倍作为判定发动机漏气量是否合格的标准。

2.4 发动机漏气量限值比较

表1为4款不同排量、不同性能参数的发动机根据国家标准《汽车发动机可靠性试验方法》（GB/T 19055—2003）和上述內燃机研发咨询公司的限值定义计算的限值数据。图4为4款发动机漏气量与限值的比较。从图4可以看出，这4款高性能、高爆压发动机的漏气量限值随着排量的降低而降低，但并非线性关系。其次，国家标准GB/T 19055—2003的限值总体而言比该公司的限值略严格。排量较大的发动机，两者差距较大;排量较小的发动机，两者一致性较好。

一般来说，耐久试验后的发动机漏气量有不同程度的上升，可能存在个别发动机复试漏气量会超过国家标准限值的情况。但是，如果在整个试验过程中燃油耗没有发生异常，发动机性能复测满足要求，这种情况应该可以被接受。经过长时间的耐久试验，发动机零部件将不可避免会产生磨损、变形等问题，漏气量小幅上升是必然现象。

3 结论

漏气量是发动机的主要性能参数之一，对发动机性能、排放、还有零部件可靠性有着重要影响。无论是增压发动机还是自然吸气发动机，来自燃烧室经由缸体、活塞、活塞环间隙的窜气是发动机漏气量的主要组成部分。对于增压发动机，来自增压器进入曲轴箱的窜气量占比较大，不可以被忽略。

为了满足现代发动机高性能、高热效率、低油耗、低排放的目标要求，发动机开发之初应定义1个合理的漏气量限值。发动机漏气量限值首先应满足国家标准GB/T 19055—2003的限值要求，参考咨询公司的推荐值，进行横向对标，从而制定合理的漏气量限值。

由于零部件的制造偏差始终存在，发动机个体的漏气量具有差异。同时，发动机在全生命周期内零部件的磨损、变形等因素也会导致漏气量上升。在不影响发动机性能、燃油耗和排放的情况下，可以适当允许耐久试验过程后的漏气量上升。

通过大量的试验验证，研发人员在油气分离器设计时，可以按照漏气量限值的1.2～1.5倍作为设计输入。该设计可以覆盖因零部件个体差异导致的发动机个体的漏气量差异，以及长时间耐久试验后漏气量会小幅上升等变量因素，确保油气分离效率，满足排放要求。

[1]程勉宏，龚鹏，等.减少发动机活塞漏气量的试验研究[J]. 汽车实用技术，2019，302（23）：153-155.

[2]李超，董朵，等.缸孔变形的分析及设计改进[J]. 内燃机与动力装置， 2019（2）.

[3]熊培友，高渤，刘涛，等. 基于EXCITE软件模拟的发动机漏气量改进研究[J]. 内燃机与动力装置， 2015（03）：25-28.

[4]高尉尉，王奇峰，等. 活塞结构参数对汽油机漏气量的影响[J]. 内燃机与动力装置， 2020， 37（4）：5.

[5]胡九见，王星. 浅析发动机漏气量影响因素[J]. 内燃机与配件， 2014 （010）：42-43.

[6]李继德. 某柴油机涡轮增压器窜气量的研究[J]. 汽车与新动力， 2018， 1（05）：88-91.