机油稀释对机油消耗的影响研究

马俊杰 成海元 潘建考 沈 源 尹建东 王瑞平,2

（1-宁波吉利罗佑发动机零部件有限公司 浙江 宁波 315336 2-浙江吉利罗佑发动机有限公司）

引言

机油消耗是传统内燃机普遍存在的一种现象，特指机油通过缸筒活塞环、曲通系统（曲轴箱通风系统）及气门油封进入气缸，在燃烧冲程中被烧掉，从而引起油底壳机油液面下降的现象。如果机油消耗异常，在客户的保养周期就低于机油尺下限，甚至引起油压低报警。另外，机油燃烧时会排放出大量有害气体，造成排放超标，甚至排气管会冒蓝烟，非常影响客户对产品的满意度，基于该问题，各大主机厂在产品上市前会进行机油消耗试验来评价整机系统的机油消耗水平[1]。

影响机油消耗的主要方面有以下4个：

1）缸套和活塞环配合，如果缸筒变形严重或者活塞环对口，将会引起机油消耗大幅升高，这种情况属于严重的设计缺陷；

2）气门油封密封不严，这种情况在耐久后容易发生，汽车“烧机油”现象也主要是这个方面的原因造成；

3）油气分离器分离效果差，机油不能被分离回油底壳，而是随汽油进入燃烧室，会造成机油消耗异常偏高；

4）增压器等外围件消耗机油异常。

随着技术的发展，第2）～4）引起的问题基本可以在产品开发阶段通过试验手段发现并解决，第1）条原因是最难被发现也是最难解决，因为随着技术的发展，提高发动机的动力性和降低发动机燃油消耗成为主要的技术目的。提高动力性一般方法是依靠高增压，高增压会造成缸内的机械负荷和热负荷剧烈升高，从而打破传统的机油润滑理念，缸内机油油膜面临更为严苛的温度和压力条件，从而造成机油消耗发生变化；另外，由于低油耗的要求，目前采用的几乎都是低粘度机油，如从5W40变成0W20,低粘度的机油更容易进入缸内参与燃烧，造成机油消耗的升高[2]。

2 机油消耗的试验方法

机油消耗主要产生于发动机整机，主要的试验评价是基于台架试验。国标GB18297-2001规定，机油消耗试验的工况为额定转速100%负荷和额定转速30%负荷，运行时间为24 h，如表1所示。

表1 机油消耗量试验工况

整车机油消耗试验没有专门的机油消耗试验工况，凡是道路试验都可以在保养周期统计机油消耗来做为评估，整车的评价一般是在保养周期内（例如10 000 km），机油液位不低于下限。

整车和台架的机油消耗工况及评价基本没有关系，所以会存在台架机油消耗满足要求，但整车机油消耗超出限值的情况。

机油消耗试验工况目前常用的有2个：全速全负荷工况和全速30%负荷，这2个工况分别用来评价缸体活塞环配合和油气分离器对机油和汽油的分离水平。试验前称出加入机油的总质量，试验结束后，称出放出机油的总质量，通过二者的差来得出试验过程中发动机的机油消耗，再通过该段过程中消耗的燃油量算出机燃比，国标规定机燃比小于0.15%，认为机油消耗合格[3]。

2 新技术对机油耗的影响

随着技术的发展，汽油机增压直喷已经成为主流，增压直喷难免会造成机油稀释现象，机油稀释是指在发动机运行过程中，由于汽油湿壁后被活塞环刮入油底壳，造成机油里面进入汽油的现象。该现象在直喷发动机中非常常见，如果喷油器选择不合理或者喷油时刻不合理，很容易造成严重的机油稀释现象。

众所周知，全速全负荷一般处于发动机万有特性的加浓最浓区，所以这个工况的喷油量非常大，如果升功率高，该问题就更加突出和难以避免，再加上小排量小缸径的因素，机油消耗工况的机油稀释率一般较大。

机油稀释后对传统机油耗的方法及评价是否存在冲击，机油耗试验方法是否应该与时俱进随技术发展而更新，是本文的讨论主要内容。

3 机油稀释对机油耗的影响

3.1 机油稀释对机油耗的影响一

机油稀释主要发生的区域有低温低速小负荷和高温高速大负荷，这2个区域一个是因为低温汽油进入机油后不容易挥发，另一个是因为喷油量大，湿壁风险高，稀释进去的多。如图1所示。

图1 机油稀释发生的主要区域

机油稀释后，由于汽油进入了油底壳，造成油底壳的液体的质量有额外的提升，如果此时机油消耗量非常小，例如在低温小负荷区域，持续的机油稀释会导致机油液位上升（如本田机油门）。从这个角度讲，机油稀释后会导致表面机油消耗变小，因为有部分机油消耗被燃油稀释给抵消，甚至在某些情况下，机油消耗会出现负值（“机油增多”）。这个原理和原因比较简单，本文不再赘述。

机油稀释后的另一个影响因素就是降低机油粘度，同时会造成机油油膜变化，蒸发性变化，从而改变机油消耗。本文重点介绍在高速大负荷区机油稀释后，发动机的机油耗变化。

为了研究机油消耗和机油稀释的关系，本文选取了多种不同工况进行机油消耗和机油稀释研究。机油稀释采用烘干法。烘干法如下：选取部分油样均匀滴入烘烤过的干净滤芯，记录滴入滤芯的质量，将带有油样的滤芯静置在120℃的烤箱约6 h，将机油中混入的汽油成分完全蒸发和烤干，称出剩余的油样质量，从而算出混入的汽油量（经检测油样中混入的水分非常少，可忽略不计）。

不同工况机油稀释对比，为了研究整车各种工况对机油稀释和机油消耗的影响，将整车综合耐久工况进行拆分，并对上述工况进行台架模拟，如图2所示。

图2 整车工况和台架模拟工况对比

试验研究发现，不同工况的机油稀释率不同，对应的机油消耗也不同。二者有近似的线性关系，具体如表2所示。

图3为机油稀释和机油消耗的线性拟合曲线图。图3上不同点代表不同工况24 h试验后的稀释率和对应工况的机油消耗，对于我们研究的发动机，9个点的线性度非常高，R2高达0.99。

图3 机油稀释和机油消耗的线性拟合

3.2 机油稀释对机油消耗的影响二

机油耗和机油稀释存在一定的线性关系，采用降低工况机油稀释水平来达到降低机油消耗的目的是否可行？为此，安排了通过更改标定数据降低机油稀释的方案。

降低机油稀释的主要手段是改变喷油时刻（SOI），选取机油稀释和机油消耗均最高的高速大负荷稳态工况，调整该工况的SOI，研究机油稀释和机油消耗的变化关系。试验结果如图4显示：推迟了SOI后，发动机在该工况的机油稀释和机油消耗都有26%左右的下降，证明降低机油稀释后对机油消耗有明显的改善效果[4]。

图4 SOI改变后机油稀释和机油消耗变化

3.3 机油稀释对机油消耗的影响三

研究发现，机油稀释高和机油消耗高的工况都集中在高速大负荷，针对机油消耗高的工况进行了24 h机油消耗时间分解，分解结果如图5所示。

图5 机油消耗和机油稀释随时间变化关系

图5中液体消耗代表称重算出的液体变化量（包含机油消耗和机油稀释），机油消耗则是通过液体消耗和机油稀释率反算出的真实机油消耗，汽油量代表稀释进去的汽油质量，机油稀释代表当时剩余液体里的汽油质量占总质量的百分比。通过分解研究发现，在高速大负荷试验过程中，油底壳的液体是先增加后减小的过程，在3 h左右的时候，液体量增加到最大值，随后开始呈线性关系减少。机油稀释前期稀释速度非常快，3 h后稀释速度变慢并趋于平稳。汽油量前期稀释速度大于挥发速度，汽油量迅速升高，后期稀释和挥发接近动态平衡，液体中的汽油量几乎不增不减。事实证明，如果机油耗试验只持续6 h，所得机油耗结果不能代表真实机油消耗结果，因为这个过程中机油稀释还没有达到平衡，真实的机油消耗被机油稀释所掩盖，造成实测机油消耗偏低。为了得到更为真实的机油消耗，建议采用24 h机油消耗或者旧机油做机油消耗，6 h后机油稀释接近饱和，此时开始计算机油耗的质量更为接近实际结果，为此，试验对比了新旧机油6 h机油消耗的结果（如图6所示）。

图6 新旧机油6 h机油消耗结果对比

由图6可见，新旧机油6h机油消耗的结果差异性非常大，旧机油6 h的结果更能反映整车的机油消耗结果。为此，针对增压直喷的发动机，采用新型的机油消耗方法可以更有效合理地反映出发动机的机油消耗水平[5]。

4 结论

1）直喷发动机普遍存在机油稀释的现象，机油稀释后，发动机运行在低温低速小负荷区域时，会导致机油消耗为负值，表现为机油液面上升。

2）机油稀释后导致机油粘度下降，从而引起机油消耗特性发生改变，针对本文研究的发动机，机油稀释会导致机油消耗明显恶化，通过改变喷油时刻来降低机油稀释后，机油消耗也随之改善。

3）由于机油稀释在机油消耗工况会导致在短期内机油消耗速度低于机油稀释速度，表现为机油消耗为负，从而掩盖真实机油消耗，随着试验时间的加长或者采用机油稀释饱和的机油进行试验，可以有效真实地评价出发动机的真实机油消耗。