发动机机油消耗机理及其影响因素综析

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发动机机油消耗机理及其影响因素综析                     汽车图片
  大气污染问题是当今全世界广泛关注的热点问题之一，它不但严重影响人类自身的生理健康，同时还危及人类赖以生存的生态环境，成为制约人类可持续发展的重要因素。经研究发现，车用发动机的有害排放物是造成大气污染的一个主要来源。据有关报道[1]，大城市大气中87%的碳氢化合物（HC），55%的氮氧化物（NOX）来自汽车排放。而发动机排放的颗粒物，对人类健康也造成很大影响。1994年，国际健康组织估计全世界每年有五十万人死于颗粒物污染引发的支气管炎、哮喘、呼吸道疾病及与肺有关的其它疾病。颗粒物不仅损害人类健康，而且还对大气、水文等产生不可预计的深远影响，众所周知的二十世纪五十年代的伦敦雾就是由它引起的。
国外学者研究还发现发动机机油的消耗对颗粒排放有着较大的影响,并相继展开了实验验证等工作[2]。奥地利AVL研究所的Wolfgang P.Cartellieri等人曾在一台四冲程直列6缸增压中冷柴油机（D×S:123×155mm,标定工况：253kW/2100rpm）上以EPA规定进行14点工况试验，分析显示约40％的颗粒排放是由机油引起的【3】；美国西南研究院的Susumu Ariga等人认为，对于一台设计良好、排放较低的柴油机，大约20％的颗粒物是由机油引起的【4】。英国LEEDS大学的Paul T. Williams在单缸直喷式柴油机上的试验结果表明，柴油机在高速高负荷时，由机油引起的颗粒排放占总量的40％左右【5】；GM公司的William J. Mayer在有涡流室柴油机上稳态试验的结果显示，机油引起的颗粒排放占总量的7％－14％【6】；上海交通大学对上海柴油机股份有限公司D系列柴油机进行了降低有害排放的研究，采用降低缸内机油消耗等技术措施后，该机的颗粒排放指标明显得到了改善，由原机的0.42g/kW.h降至0.34g/kW.h【7】。另有研究显示，由机油导致的PM占总体PM排放的比重，在某些型号发动机的高速低负荷工况时可占到70％【3】。
尽管上述资料给出的数据差异很大，但发动机的机油消耗对颗粒排放有着显著影响这一结论是勿庸置疑的。通过控制机油消耗来降低颗粒物排放的措施已经成为迎合越来越严的颗粒物排放法规的有力手段。鉴于以上分析，为了方便国内同行对控制发动机机油耗的研究，本文则对发动机机油消耗途径及影响因素给以综合分析。
2 发动机机油消耗途径分析
发动机机油消耗形成的途径较多，影响因素错综复杂。机油消耗按位置分主要出现在发动机缸内（活塞-气缸套之间）、气门导杆处、曲轴箱（强制换气）、涡轮增压器叶轮轴径处（机油积炭及泄漏）等几个位置（见图1）。但对颗粒排放造成影响的还是缸内机油消耗起主要作用。据统计资料表明，发动机缸内机油消耗量占总机油消耗量的绝大部分，高达90％以上。
发动机机油消耗途径
由于机油成分、发动机机体、缸套活塞组件结构以及柴油机运行工况等对缸内机油消耗都有较大影响，故缸内机油消耗机理非常复杂，这给研究机油耗损与颗粒排放的关系带来一定难度。国外对该项的研究也尚停留在现象学试验分析阶段。为了研究机油消耗与颗粒排放之间的耦合关系，弄清缸内机油消耗的机理，作者认为主要存在着发动机缸壁机油膜蒸发和机油上窜等模型。就增压柴油机而言，缸内机油消耗的主要途径是：（1）因顶环运动，在惯性力作用下机油被抛入燃烧室；（2）粘附于缸壁上的油膜，在高温下蒸发、燃损；（3）活塞环的“泵油”作用，使机油上窜到燃烧室烧损；（4）缸内窜气带走部分机油。

2.1 因顶环刮油对机油的消耗
柴油机缸壁机油油膜的分布状态在不同的活塞行程是不一样的。通常活塞上升行程的油膜比下降行程的油膜厚度值小，造成顶环刮油现象。在环往复运动过程中，润滑油因为惯性力的作用而流入燃烧室消耗掉。
顶环润滑油膜厚度分布




分别用M1、M2、M3和M4代表四冲程柴油机在吸气、压缩、燃烧膨胀和排气冲程中缸壁面机油分布的油量，则有：
      n=1,2,3,4
式中，di、di＋1：对应曲轴转角为θi和θi＋1时机油膜的厚度，
li: 对应曲轴转角Δθi时的冲程长度，  Lg: 活塞环开口宽度
Mg,oil: 通过活塞环开口的机油流量
这样，根据缸壁顶环机油膜分布厚度的数值模拟，可以求得环压缩行程和排气行程造成的顶环刮油量Mcomp和Mex：    Mcomp=M1-M2             Mex=M3-M4
依照上述模型，上海交大内燃所尹琪副教授利用Matlab仿真软件进行了模拟计算[8]。
选取六缸机结构参数：D×S: 114×135mm     标定转速：2200rpm      压缩比： 17.3
缸壁温度： 根据文献[9]选定，其中燃气侧取为120oC，水套侧为100oC。
润滑油物性参数：  滑油型号：15W/40CD级   滑油导热系数：0.11kcal/m.h.oC   
滑油比热容：0.6kcal/Kg.oC
在标定工况下，根据缸壁油膜厚度分布的数值模拟结果，估算出发动机压缩行程中顶环刮油量为105.6mm3/cyc.cyl,排气行程中刮油量为25.5mm3/cyc.cyl。
2.2 因缸壁滑油膜蒸发对机油的消耗
缸壁油膜的消耗是指柴油机缸壁残留机油在高温下蒸发到燃烧室内被燃烧悼的过程。而缸壁油膜的蒸发量则与缸壁温度、缸内温度及油膜厚度有关。此部分滑油耗是在活塞下行的行程中，活塞边运行油膜边蒸发的过程，而非以往的最小油膜厚度模型。
从研究柴油机缸内机油消耗角度出发，环－缸壁机油膜模型可以采用富油润滑模型。该模型建立在下列假设基础上：（1）沿着环周向方向，油膜压力梯度为零；（2）沿着环周向方向，活塞环径向压力均匀分布；（3）沿着环周向方向，润滑油粘度相同，沿气缸轴向方向，粘度则随着温度、压力变化而变化；（4）忽略活塞环与环槽间摩擦力的存在，活塞环只随着活塞作上下往复运动，无扭曲、倾斜和回转等移动；（5）润滑油密度不变，活塞环系充分润滑。
顶环润滑模型




设x位置处，机油油压为Pc,oil,轴向x、径向y方向速度分别为u、v，此处油膜厚度为hc，则得到适用于本模型的Reynolds方程：

对上式进行积分，得出压力梯度公式：
活塞向上行程时，边界条件为： x=0: Pc,oil=P1;  x=He: Pc,oil=P3
活塞向下行程时，边界条件为： x=0: Pc,oil=P3; x=He: Pc,oil=P1
所以，活塞环缸壁机油膜厚度变化率为:
美国麻省理工大学的Ertan Yilmaz等研究认为缸壁油膜蒸发是机油消耗的一个主要途径[10]，其蒸发量的多少因缸壁温度和机油的粘度的不同而不同，并且缸壁温度是主要影响因素。
2.3 因活塞环“泵油”对机油的消耗
     活塞环“泵油”模型
柴油机工作时，活塞环承受的力主要有气体压力、与缸壁和环槽的摩擦力、活塞侧推力、缸壁润滑油膜动压力、环槽油膜支反力、环自身弹力以及随活塞运动的往复惯性力。由于这些力的共同作用，使得活塞环的运动非常复杂。活塞环不仅随活塞作上下往复运动，同时将产生相对环槽的轴向、回转、扭曲和径向等不规则运动。而这些运动中，活塞环轴向运动状态对柴油机机油消耗量有着较大的影响。

活塞环轴向运动的结果将导致“泵油”现象（见图4）。当活塞减速上行时，环因惯性力作用而浮起，机油即从环下端面流入环槽。这一过程维持到活塞减速下行时活塞环落座而结束。接着，当活塞上行再次减速时，因为惯性，环槽内的机油开始流入活塞环上端面，并继而通过顶环进入燃烧室。
根据流体理论力学分析，活塞环端面的“泵油”量计算式[11]为:
式中，hs为活塞环相对环槽位置。
3 发动机缸内机油消耗的影响因素分析
发动机的大部分机油消耗是在气缸内形成的，而影响缸内机油消耗的因素主要有：缸套变形、活塞环厚度、发动机运行工况以及机油压力和机油本身的品质等。
活塞环“泵油”模型
  
3.1 缸套变形对机油消耗的影响

缸套变形是造成发动机缸内机油消耗的一个主要原因。缸套变形会影响发动机润滑状况，影响活塞环与气缸套之间的贴合，因而直接影响到发动机的机油消耗。
由缸套变形引起的气缸适应性恶化和在不适应区段中的油膜情形
麻省理工学院的Hideshi Hitosugi 等人研究发现[12]：在发动机运转中气缸套变形使活塞环对气缸套适应性等方面造成许多问题，因而使机油消耗量增加。如图5所示，若活塞环和气缸套的适应性较好，则在气缸套的凸壁上（A区段）活塞环与缸套之间的油膜厚度较薄，留在气缸套上的油量较少；若活塞环和气缸套的适应性较差，则在气缸套的凹壁上（B区段）的油量较多。由于活塞的上行过程中惯性力的作用，流到第一道环周围的部分机油会被散布到燃烧室周围或粘附于活塞顶和气缸壁上。一旦机油粘附于活塞顶或第一道环以上的气缸壁上，这些机油就不能回到气缸套的下面部分，最后它将因蒸发、燃烧等原因而被消耗掉。

3.2 活塞环厚度对机油消耗的影响
通过减小活塞环的厚度，可以更好地使活塞环和缸套贴合，从而减少摩擦损失和机油消耗[12]。活塞环的厚度对机油消耗量的影响是由活塞环与气缸套之间的适应性引起的。如果气缸套有变形，则活塞环会因为本身张力的原因而适应气缸套的变形，但这种适应是有一定限度的。当活塞环厚度比较大时，适应性就差，活塞环和气缸套变形凸峰之间的间隙就大，因此引起机油消耗的量也较大。
机油消耗量与发动机工况的2小时图谱
3.3 运行工况对机油消耗的影响

发动机运行工况是机油消耗的一个重要的影响因素。研究发现[13]，发动机转速、负荷越高，则单位时间的机油消耗量也越大(如图6)。如果发动机的燃烧压力和气缸壁温度相当，则其机油消耗也几乎相等[10]。从这方面可以看出，缸内机油消耗是发动机总体机油消耗的主要部分。
3.4 机油粘度对机油消耗的影响
粘度是机油的重要指标。发动机运行时，机油的粘性越小，机油消耗越大(如表1)。这可以通过两方面解释，一方面是因为低粘度机油挥发成分多、密封性差，会造成大量挥发、窜油及泄漏；另一方面是因为机油粘度低时，机油通过活塞环间隙窜入燃烧室变得容易，进入燃烧室的机油量增加，导致机油耗上升。
                                               粘度与机油消耗的关系

机油粘度υ98.9℃mm2/s 6 8 10 12 14
机 油 消 耗L/1000km 1.55 1.10 0.80 0.65 0.50

3.5 机油压力对机油消耗的影响
油压与机油消耗
在一定机油温度条件下，内燃机的机油消耗量几乎与机油压力成线性关系，从图7可以看出，油压越高，机油消耗也越大。产生这一现象的原因是：发动机中，机油压力对机油流量的影响很大。在活塞环、气门杆-气门导管间隙等处，机油压力越高，则流入燃烧室的机油也就越多；在曲轴箱中，因为机油流量的增加，促使机油挥发加快。

4 结束语
(1) 本文分析研究了发动机机油消耗形成的途径及其影响因素。其中发动机缸内机油主要通过：活塞环“泵油”、机油因往复运动惯性力作用被抛入气缸和缸壁油膜蒸发损耗等途径消耗。
(2) 综上所述，影响发动机缸内机油消耗的影响因素主要有缸套活塞环组件的设计和变形、发动机的运行工况、机油品质和机油压力等。其中缸套变形、活塞环厚度起主导作用。
(3) 机油耗是发动机排放的主要来源之一，故很重要。但又由于发动机机油消耗量的比例大约为燃油的百分之一，所以大家对其重视不够，导致有关机油耗方面的研究很少。作者希望随着环保法规的越来越严，国内同行对发动机机油耗的研究由重要转为重视。


[url=http://qchjl.dd.topzj.com/thread-45129-1-5.html车身钢板振动研究[/url]

ljunhui5647

很好的文章！