某款GDI汽油发动机烧机油现象的研究

贾殿臣 王国清 刘佳庆 王凯 孙富强 宋月兴 孟飞

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

某款GDI汽油发动机烧机油现象的研究

贾殿臣1，2王国清1，2刘佳庆1，2王凯1，2孙富强1，2宋月兴1，2孟飞1，2

（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）

烧机油是发动机常见的试验现象之一，尤其是增压缸内直喷汽油发动机，承受较高工作温度和燃烧压力，烧机油现象相对较普遍。机油的额外消耗会减少发动机正常换油里程，导致机燃比失调、加剧运动副磨损，破坏零部件使用功能、影响排放及后处理系统，严重情况下还会导致发动机发生爆燃，发动机动力下降甚至报废。主要分析一款2.0L GDI增压缸内直喷发动机烧机油的影响因素，从一环环高、油环结构、发动机回油结构、增压器机油损耗、气门密封性及活塞环岸结构、缸体网纹参数、配缸间隙、机油温度稳定性方面进行试验分析和验证。结果表明，增加一环环高、改变油环结构、改善回油不畅、优化活塞环岸和环槽结构、机油温度稳定控制、减小网纹参数Rvk均能够改善GDI发动机烧机油现象。

烧机油燃烧压力爆燃机燃比

引言

发动机正常机油消耗主要集中在气缸内壁、气门导管、涡轮轴密封及曲轴箱通风等，据文献介绍气缸内壁机油消耗占总机油消耗的90%以上。当活塞在发动机内壁上有一层油膜，在混合气燃烧过程中部分油膜会被高温的燃烧气体烧掉。机油在润滑进气门杆时，也会被吸入燃烧室，高温的废气同样会消耗用于润滑排气门的机油。随着发动机工作时间的增加，发动机机油由于高温氧化通过曲轴箱通风阀门吸到燃烧室燃烧，导致高度窜气的因素也会造成较高的机油消耗。

因此活塞配缸间隙、油环及活塞环岸结构、曲轴箱通风系统等与机油消耗量有直接的关系。为减少发动机的机油消耗，提高整车换油里程，匹配适合该发动机的整车机燃比消耗标准，本文从发动机台架试验、整车高环工况、整车综合工况进行分析并与同类产品对比分析，解决发动机实际机油消耗量偏高及与国标的冲突，

1 试验发动机

本文涉及的GDI发动机相关参数如表1所示。

表1 试验发动机主要参数

2 发动机烧机油试验表现

匹配该款GDI发动机的SUV在试验场进行160～180 km/h高环试验中，持续出现机油消耗量大，通过对高环试验车机油耗进行持续跟踪测量，平均机油耗为0.5 L/1 000 km，平均机燃比为0.24%，如图1所示。

图1 整车高环机燃比测试结果

3 机油消耗高排查及原因分析

3.1 发动机24小时全速全负荷机油消耗排查

对4台状态一致的发动机进行台架测试，结果显示发动机平均机燃比为0.28%，接近国标上限0.3%，如表2所示。

表2 发动机机油消耗排查

3.2 整车综合工况机油耗量对比

按照图2所示测试工况进行整车循环测试，通过整车2500 km测试结果表明，该款SUV行驶3662 km需要消耗1 L机油，对比同等排量德系和美系整车在消耗1 L机油的情况下均可正常行驶10000 km，如表3所示。该款SUV实际机油耗偏高影响整车换油里程，前期机燃比设计目标按照国标（0.3%）太过宽松。

图2 整车综合测试工况

表3 整车综合工况对比

3.3 机油消耗高原因分析

针对机油消耗高问题从气门密封性、增压器失效、发动机本体、活塞环与缸孔设计、油气分离效果等方面展开原因分析和影响因素排查，如图3所示。

4 机油消耗高的解决方法

4.1 改进活塞环结构

增加一环环高，能够提高气环的抗颤振性，螺旋撑簧具有良好的耐磨性、刮油能力强，油膜分布均匀，消除了环口的泄漏，有助于减少机油消耗，如图4所示。

图3 机油消耗原因分析

图4 气环油环结构

结果表明：一环环高由1 mm增至1.2 mm，由组合式油环换成螺旋撑环油环，机油消耗从0.28%降至0.15%，改善程度见表4。

4.2 改善发动机后端回油不畅

经油气分离后机油回油不畅，会将机油带入燃烧室，直接在燃烧室内燃烧，造成烧机油现象，经试验证明；在发动机后端外加回油管、增大上油底壳回油截面积，如图5所示，机油耗从0.282%降低至0.179%。

表4 发动机24小时机油消耗验证

图5 增加回油结构

4.3 增压器、气门密封、PCV阀的影响分析

序号2和序号4与序号3对比，说明增压器、PCV阀对改善机油消耗无效果，通过检验气门密封性，不存在机油泄漏现象。

序号1与序号3试验结果对比，改善缸盖回油使得机油消耗量降低；序号1与序号5试验结果对比，增大上油底壳回油截面积也可以改善机油消耗量；序号3与序号6、7试验结果对比，增加第一道气环环高、采用螺旋撑环油环对机油消耗量有明显改善。

各种措施的影响如表4所示。

4.4 改进活塞环岸结构

活塞一环岸、二环岸应用阶梯结构和二环槽倒角，均能够增大回油面积，减小活塞下行时一环槽、二环槽的压力差和上下密封隙压力差，缓解一环及油环停留在环槽端面的时间进而优化机油消耗，具体结构在国外发动机上较常见，如图6～8所示。具体试验效果有待验证。

图6 一环岸结构

图7 二环槽倒角

图8 二环岸结构

4.5 机油温度稳定系统

维持稳定的机油温度能够减少机油的挥发和过热带来的机油消耗，经试验测试某款日系发动机在24 h全速全负荷机油消耗试验过程中，采用试验室冷却系统水温控制在88±1℃，使用发动机本体机油温度冷却系统，发动机机油温度始终稳定在95±1℃，机燃比0.09%，如图9、10所示。

图9 机油温度变化趋势，24小时全速全负荷机油消耗

图10 道达尔SL级10W-40机油粘温曲线

4.6 缸体网纹参数和配缸间隙

随着珩磨技术的不断提高和试验探索，对珩磨网纹参数对耐磨的认识越来越深入，网纹参数Rvk对机油消耗的影响较大。对比国内外2.0 L排量发动机，网纹参数Rvk呈现减小的趋势，最小值控制在0.16～0.25；对比配缸间隙2.0L GDI发动机配缸间隙处于优化范围内，如表5所示。

表5 网纹参数和配缸间隙

5 机油消耗改进效果验证

5.1 发动机台架24小时机油耗试验验证

通过增加一环环高、更换螺旋撑环油环、改善回油结构、优化活塞环岸结构、调整网纹参数Rvk、保持机油温度措施后，对6台状态一致发动机进行24小时全速全负荷机油消耗试验验证，机燃比稳定在0.13%～0.15%之间，如表6所示。

表624 h机油消耗验证g/%

5.2 北京高环和海南试车场验证

对匹配该款GDI发动机的SUV按照如上更改后进行北京高环和海南五指山山路试验，结果表明，高环试验机燃比稳定在0.10%～0.13%，山路试验机燃比为0.038%～0.053%，如表7所示。

表7 整车高环和山路试验验证

5.3 整车综合工况试验验证

按照如上更改后进行整车综合工况测试，通过2500 km测试里程，机燃比由0.15%降至0.056%；整车工况在消耗1 L机油后，可允许行驶里程从3662 km提升至9259 km，机油消耗有改善明显，如表8所示。

表8 整车综合工况验证

6 结论

1）增加气环高度、采用螺旋撑环油环、增加缸盖回油面积、优化活塞环岸结构、降低Rvk缸体网纹参数、实现机油温度稳定控制六项措施均能够改善2.0L GDI发动机烧机油现象，对以上措施都应给予足够的重视；经试验证明气门密封性和增压器不存在失效情况。

2）发动机24 h全速全负荷机油消耗量按照国标机燃比≤0.3%进行定义，机燃比限制过于宽松且整车换油里程偏低，与同等排量整车存在差距；经发动机台架和整车工况测试，表明机燃比≤0.15%能够满足发动机和整车需求。

3）此外，机油消耗还受到驾驶模式、高温天气的影响，如频繁的短途行驶、过分的怠速时间、活塞窜气量大、高转速高负荷会消耗更多的机油，并且机油本身的粘度、挥发性、热氧化稳定性均对机油消耗产生影响，另外机油消耗还会受到机油稀释的影响。

1聂永涛，李杰，樊少军，等.发动机机油消耗量过大原因分析及其排除[J].轻型汽车技术，2011（Z1）：70~71

2舒作为，唐子钰.发动机气缸网纹深度与油环PVD处理对降低机油消耗的影响[J].内燃机与配件，2012（9）：24～26

3宇秀明.降低机油耗的新产品-密封油环[J].内燃机配件，2006（2）：17～18

4杨树文.浅谈活塞环对发动机油耗的影响[J].内燃机，2003（5）：30～33

5蒋海勇.发动机机油消耗问题研究[J].内燃机与配件，2013（11）：1～4

6周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2005

Study on Oil Burning of a Certain GDI Engine

Jia Dianchen1，2，Wang Guoqing1，2，Liu Jiaqing1，2，Wang Kai1，2，Sun Fuqiang1，2，Song Yuexing1，2，Meng Fei1，2
1-Technique Center of Grate Wall Motor Company Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Research Center of Auto Technology Engineering of Hebei Provence

Oil burning is one of the common phenomenons during engine test，especially for turbocharged GDI engine，oil burning is rather common with high operating temperature and pressure.Additional oil consumption will reduce engine oil regular change mileage，lead to oil fuel ratio imbalance，increase kinematic pair wear，damage component using function，influence the emission and after-treatment system，even cause engine deflagration，thus engine power down even scrapped.This paper mainly analyzes the influencing factors of oil burning for a 2.0 L GDI turbocharged GDI engine，including piston ring height，oil ring structure，oil return layout，turbocharger oil loss，valve sealing，piston ring land，cylinder overlapping curve parameters，cylinder clearance and oil temperature stability.With the test analysis and verification，the result indicates that the oil burning of GDI can be improved by increasing piston ring height，changing oil ring structure，improving oil return，optimizing the structures of piston ring land and groove,controlling the oil temperature,and reducing overlapping curve parameter Rvk.

Oil burning,Combustion pressure,deflagration,oil fuel ratio

TK418.9

A

2095-8234（2014）06-0034-05

2014-10-13）

贾殿臣（1986-），男，助理工程师，主要研究方向为发动机设计及竞品分析。