对某发动机高机油耗问题的分析与研究

庄浩

（上海大众动力总成有限公司，上海201807）

0 引言

随着科技的进步，人们已不再满足于拥有一辆能开的车，而将眼光转向了汽车的经济性，如燃油消耗、机油耗等。某款发动机一直被诟病机油耗高，而且前段时间本田CRV事件导致该款发动机机油耗问题再一次被推到了风口浪尖之上。本文对某型号发动机在道路耐久试验中出现3辆车辆机油耗过高问题进行分析，找出问题所在，并提出解决方案。

1 机油耗标准

国家对于机油耗率并没有具体的要求，仅给出机油与燃油消耗之比要求。根据目前的国家标准GB／T19055-2003《汽车发动机性能试验方法》规定，发动机额定工况时的机油与燃油消耗比值不得超过0.3%。公司内部标准为：开发阶段，发动机道路试验的机油耗≤85 g／1000 km （或≤0.1 L／1000 km）；发动机台架试验，额定工况试验10 h，机油耗≤40 g／h。

2 问题描述

某型号发动机搭载某几种车型进行道路耐久试验。共有10台发动机参加道路试验，均为1.6 L四缸自然吸气发动机，试验里程为10万公里。试验过程中，有3台车辆同时出现了机油耗过高的情况，具体机油耗情况如表1所示。

3＃车由于机油耗一直高于标准，故停车进行分析。由表1可见，3台车的平均机油耗超过了阈值 （85 g／1000 km），为此展开了一系列的分析工作。

表1 3台车辆机油耗情况

3 问题分析

车辆机油耗高是一个很复杂的问题，本文通过鱼骨图 （见图1），从人、机、料、法、环几个角度来明确分析方向，并逐一进行分析和讨论。

图1 机油耗高鱼骨图分析

根据故障原因分析的一般原则：由简到烦，由外到里，首先对道路试验中的车辆保养工作进行检查。据了解，本次道路试验中，车辆的保养工作（共8次）都在整车厂统一按要求进行，每7500 km都会对机油、机油滤清等需保养的零件进行更换，因此可以排除机油质量、机油加注过多或由机油滤清器故障导致的各种问题。

3.1 机油外部渗漏

如果有机油外部渗漏，最直观的结果就是机油耗增加，最简单的原因查寻方法就是检查发动机表面是否有机油渗漏痕迹。主要检查以下几个地方：1）加油口盖及油尺处是否有油迹；2）曲轴前后油封是否漏油；3）油底壳放油螺塞处及油底壳与机体结合处是否漏油；4）其余密封处是否渗油。以上4处是最常见的漏油地方，一般用肉眼即可发现。其他地方泄漏而不可见，可以在发动机机油中加入荧光剂并配合紫外线灯一起使用。如有机油渗漏，会显示出黄绿色。经检查，3台问题车辆发动机 （以下简称问题发动机）没有机油外部渗漏问题。

3.2 机油耗台架试验

确认发动机无外部泄漏后，可以上发动机试验台架进行机油耗试验，检查发动机内部是否有渗漏。该分析必须待外部泄露检查后进行，因为如果发动机有外部泄漏情况，会污染发动机台架，且有一定的危险性。

发动机的气缸、活塞和活塞环之间布满了机油。如果气缸、活塞、活塞环配合出现了问题，在发动机运行过程中，三者间隙内的机油就会窜入燃烧室，导致窜油，而一旦出现窜油现象，随着工作时间的增加，发动机气缸磨损一定会加速，很可能造成发动机机油耗量过大［1］。

将3台问题发动机分别上发动机试验台架进行满负荷试验，连续运行10 h后，测量机油耗，测量结果如表2所示。由表2可见，与标准值比较，3台发动机中有2台超出40 g／h，但超出不多，无明显的窜油现象，无法说明道路耐久试验过程中出现如此高的机油耗情况，而且对于道路耐久试验后的发动机复测并没有一个具体的标准进行评价。所以对于这些发动机，还需要做进一步的分析。

表2 满负荷机油耗测试结果

3.3 相关零部件分析

3.3.1 缸体珩磨

缸体珩磨在加工缸体时是重要的一环，珩磨的作用是形成油路，使发动机运转时，活塞组件和缸套之间能存有机油进行润滑。

通过观察发现，由于气缸壁珩磨纹理很深（见图2），说明气缸壁面内留存机油。该型号发动机活塞采用圆孔式油环。为了减小环与气缸壁的接触面积，增大接触压力，在环的外圆面上加工出环形集油槽，形成上下2道刮油唇；在集油槽底加工有回油孔，活塞下行时由上下刮油唇刮下来的机油经槽底回油孔和活塞上的回油孔流回油底壳。油环的内圆面上没有气体力作用，刮油能力靠油环自身弹力。由于气缸孔表面珩纹较深，活塞上行时油环布油多，活塞下行时油环刮油不净，最终导致部分机油进入燃烧室内，产生烧机油［2］，这说明油环的弹力偏低。

珩磨加工工序大致分为4步：粗珩、精珩、高压射流和抛光珩。粗珩产生足够的切削力，保证在短时间内形成基本的珩磨纹路；精珩使得气缸表面的纹路清晰；高压射流通过喷嘴上下往复及旋转运动，将气缸表面的毛刺被吹走或者直立，以便于抛光珩去除毛刺；抛光珩去除前几道工序产生的毛刺，使气缸表面洁净。

图2 缸体珩磨纹

对于珩磨质量的评价，一般会使用Nano Focus和REM（扫描电镜）对气缸孔进行拍照，再通过软件合成照片进行评价 （见图3）。

图3 气缸孔评价示意

如图3所示，将气缸孔分成3部分，每层按照0°， 90°， 180°和270°拍摄 4 张珩磨纹的照片， 再由评价员根据每张照片给出评价。最后通过15mm，45mm，90mm三个气缸孔深度的评价分数给出气缸孔的总体评价。需要注意的是，为了使结论更有说服力，图片数量必须足够，每层4张为最低限度。

但是，由于发动机在运作过程中，活塞的运动会导致工作区的珩磨纹被破坏，所以在评价经过道路试验的或者完成台架试验的气缸孔状态时，只能评价非工作区的状态，即图3中标出的110mm。需要注意的是，由于机油有一定的腐蚀性，且在珩磨纹中会储存小部分的机油，这些都会导致对该区域评价的准确性不如试验前的状态。

对问题发动机的气缸孔进行检测，发现气缸孔的珩磨纹依然比较清晰，并没有明显的缺陷 （见图4），可以排除气缸孔珩磨质量问题。

3.3.2 气缸孔变形

除珩磨纹外，气缸孔变形也会造成机油耗高问题。气缸孔变形会导致活塞和活塞环与气缸配合不佳，进而影响密封，冷却活塞用的机油窜入燃烧室，导致机油耗增加，同时还会影响排放。气缸变形无法用肉眼分辨，必须借助圆度仪进行检测。检测前必须清洁气缸，否则会损坏圆度仪，并导致测量结果不正确。气缸孔变形评价指标采用气缸孔的圆度和波纹度。图5和图6分别是某一问题发动机的气缸孔圆度和波纹度。经测量，3台问题发动机的气缸孔圆度和波纹度均符合要求。

图4 问题发动机气缸孔珩磨情况 （×50）

图5 气缸孔圆度随气缸孔深度变化情况

图6 气缸孔波纹度随气缸孔深度变化情况

用三坐标测量仪测量气缸孔可直观显示气缸孔的变形情况。试验前后气缸孔变形情况如图7所示。试验前因加装了缸盖有轻微变形，而试验后的气缸孔出现了明显的变形，呈椭圆状且有不规则的变形。这时候的密封就需要依靠活塞和活塞环组件的配合了。经测量，3台问题发动机的气缸孔变形在允许范围。可以排除气缸孔变形是导致机油耗高的主要原因。

图7 试验前后的气缸孔变形 （三坐标测量）

3.3.3 活塞与活塞环组件

气缸和活塞活塞环组件是相互配合的，所以即使气缸工作正常而活塞及活塞环出现问题的话，也会导致机油耗高。

3.3.3.1 活塞

对于活塞本体，主要分析其试验后的尺寸。由活塞尺寸引起的问题有很多，比如气缸和活塞的间隙。间隙过大，发动机功率下降，耗油增加，曲轴箱中的机油会通过活塞与气缸孔之间过大的间隙进入活塞顶部燃烧，即所谓 “烧机油”。活塞顶上的燃油也会沿间隙流入曲轴箱，冲稀机油。间隙过小，发动机易过热，活塞膨胀，使活塞与气缸壁卡死， 即所谓 “粘缸”［3］。

3.3.3.2 活塞环

气环的主要作用是密封和传热，同时还兼起刮油和布油的作用；油环的主要作用是润滑，同时也兼起密封作用［4］。对于德国品牌的发动机，珩磨纹的作用就是储存机油，形成油膜，增强润滑，使气缸和活塞环的磨损尽可能减少，提高使用寿命。但同时由于储油的原因，会有一部分机油随着活塞的运动，被活塞环送至燃烧室燃烧。这也可以解释为什么日本品牌的发动机机油耗普遍比德国品牌的低。

对于活塞环的检测，主要是对它的尺寸和弹力进行测试。活塞环的弹力是保证发动机气缸密封性的必要条件。活塞环的弹力过小，密封性变差，润滑油消耗增加，活塞环积碳严重，发动机动力性下降、经济性变差；活塞环的弹力过大，加剧环与气缸的磨损。对问题发动机的活塞环弹力进行测试，并与技术要求比较。表3列出3台中弹力最小的。由表3可见，经过道路耐久试验后，2道气环 （第1和第2环）的弹力表现尚可，但是油环弹力虽然还在正常范围内，但是已经接近下限了。

未使用过的油环 （新油环），其弹力都要高于试验后零件。测量同批次新油环弹力，结果如表4所示；并对同批次新油环进行发动机台架试验，满负荷运行10 h后的机油耗大致为27 g／h，说明同批次的产品是合格。本次道路试验中完成10万km试验后机油耗正常的油环，其弹力的测量结果（任选一台）如表5所示。

表3 问题发动机各活塞环弹力测量结果

表4 新活塞油环弹力测量结果

表5 机油耗正常发动机活塞油环弹力测量结果

对比表3和表5可以发现，机油耗较高的发动机，其活塞油环弹力会略微低一些，但是差别并不大。不过，这是一个潜在的风险点。如果由珩磨质量下限的气缸孔与弹力接近下限的活塞油环配合，就有可能导致部分机油窜进燃烧室。

尽管气缸孔使用珩磨技术来减少磨损，活塞环的磨损依然是不可避免的，运行过后的活塞环，其顶部涂层被磨损。当涂层完全被磨损后，就会发生机油耗升高的情况。对问题发动机的活塞环表面涂层进行检查，发现已出现明显的涂层磨损 （见图8），但这不是导致机油耗过高的主要原因。

图8 显微镜下观察活塞环涂层磨损情况

3.3.4 曲轴通风系统

如果活塞、活塞环与气缸孔配合不好，会导致曲轴箱漏气量增大，导致油气分离器无法及时进行分离，油气会随着空气一起通过进气管进入燃烧室被燃烧，从而导致机油耗升高。

对问题发动机进行曲轴箱漏气量 （blowby）测试，结果如图9所示。图9中上虚线表示当前工况（当前转速）blowby测得的最大值，下虚线表示测得的下限。一般要求blowby不能超过61 L／min，超过此值，说明曲轴箱气体流量过大；但由于发动机起动后曲轴箱一定会有气体，所以并没有下限规定。由图9可见，问题发动机的blowby值在正常范围内，进一步说明了问题发动机的活塞、活塞环与气缸配合在正常范围内。

图9 曲轴箱漏气量测量结果

此外，油气分离器分离效果不佳，也会导致机油耗升高。但是，由于发动机的油气分离器使用了硅胶固定在缸体上，如果强行拆下会引起变形，无法检测，故采用检查进气管中残余油量的方法进行检查。若油气分离器工作不正常，进气管会存在较多机油。这是因为油气在传输过程中，会被冷却成液态，残留在进气管中。经检查，进气管中残留的机油在正常范围内，说明油气分离器工作正常。

3.3.5 气门杆油封

气门杆油封隔绝了从缸盖下来的机油。一旦气门杆油封出现问题，机油就会从问题处流进燃烧室。气门杆油封出现问题比较容易发现，发动机拆解后，通过观察油封是否有切边，积碳是否严重等情况就可判断。对问题发动机的气门杆油封进行检查，未发现上述问题，故可排除气门杆油封是机油耗高的原因。

3.4 零件互换试验

前面对与机油耗高问题相关的零部件进行检查，未找到3台发动机机油耗高的主要原因，为此采用零件互换试验 （ABA试验）进行分析。ABA试验是分析和确认零件失效的一种方法。具体操作如下：零件在试验中被怀疑失效，换装其新件进行相同测试，如果失效情况消失，再换回原零件重新测试，失效情况又出现，可以确认原零件确实有问题。因为试验中会有各种意外情况发生，使用ABA试验可以大大降低误判的几率，也减少了很多不必要的测试，在提高分析效率的同时，可以降低分析成本。在本次分析过程中，针对弹力接近下限的活塞油环和气缸孔表现不佳的缸体进行了ABA试验。在3台问题发动机中，选择2台气缸孔变形比较大的发动机进行ABA试验。满负荷试验，连续运行10 h后，测量机油耗，测试结果见表6。表6中试验后活塞油环来自机油耗正常发动机。由表6可见，换装缸体后机油耗并没有出现明显改变，进一步佐证气缸孔变形并不是主要的原因；换装新活塞油环后，机油耗明显下降。这是因为新活塞油环有完好的涂层，且弹力比较大，刮油效果好。

表6 ABA试验机油耗测量结果

3.5 路试情况

3.5.1 车辆速度

不同的人有不同的驾驶习惯，一些不良的驾驶习惯，如起步的时候油门踩到底、半离合换挡（手动换挡）等都会增加发动机的机油耗。据了解，此次道路试验的驾驶员并非固定一人，一直轮换，所以可以排除驾驶因素。

根据分析，车辆怠速时机油耗比较高。当发动机怠速占比30% ～50%时，1 h会消耗约3 g机油。

此次道路试验中，第1段车辆道路试验的怠速占比分布如图10所示。车辆行驶共10 h，行程共363 km，怠速占比超过了50%。发动机转速 ＜1000r／min，节气门开度＜10%时定为怠速。第2段车辆道路试验中的怠速占比分布如图11所示。车辆行驶共28.5 h，行程共1 391 km，怠速占比超过了30%。经换算，有13.7 h车辆处于怠速。通过经验值计算，辆车怠速每1000 km机油耗比正常行驶高出约41.1 g。由此可见，怠速对整车机油耗影响巨大。这就是开车族经常会碰到在城市路况下感觉机油耗会比较高的原因。据了解，此次道路试验中怠速比例高，原因是驾驶员经常在休息或者吃饭时让车子继续发动而不是熄火。虽然怠速比例高，但是10辆车的怠速比例基本一致，因此可以判断怠速比例高不是机油耗高的主要原因。不过，综合看怠速比例高是这10台车的通病，降低怠速比例能明显降低机油耗。

图10 第1阶段车辆道路试验怠速占比情况

图11 第2阶段车辆道路试验怠速占比情况

3.5.2 车辆质量

车辆质量也是不可忽视的一个原因。汽车质量越大，在相同速度和档位的情况下，齿轮箱速比会越高，意味着车辆的负载越高，会导致燃油耗和机油耗的增加。本次道路试验中，共10辆车进行了试验，其中3辆问题车辆质量较其余机油耗正常的车辆 （其质量符合标准）超出较多。这也说明了为什么在发动机相同的情况下，只有此3辆车辆的机油耗特别高。

为了进一步验证车辆质量和速比对机油耗的影响，将发动机装于其他几种质量符合标准的车型上进行相同的试验，试验条件与本次道路试验一样。试验结果表明机油耗明显降低，都低于85 g／h的阈值。

4 后续措施

经过一系列的分析，找到此次机油耗高的原因，并提出相应措施。

（1）问题车辆的质量较大，且变速箱速比较高，导致发动机在相同情况下，负荷比其他车型高，这是导致机油耗高的主要的原因。这一问题仅针对该车型的。目前为保险起见，对该车型采用保养时增加机油添加量的临时措施，后续准备通过优化变速箱来降低机油耗。

（2）道路试验过程中怠速过多，也导致机油耗增加。需要改善驾驶员的驾驶习惯，降低无意义的怠速占比。

（3）优化活塞油环弹力。目前未使用过的活塞油环的弹力也处于中游水平，道路试验后已经接近下限，有进一步低于下限的风险。需要加强对道路试验后发动机的分析，以及对活塞环供应商产品质量的监控，并考虑改进涂层，以降低活塞环涂层磨损量。

（4）进一步优化气缸孔珩磨。目前气缸孔珩磨质量虽然在合格范围内，但已接近下限。由于气缸孔珩磨的优化涉及缸体毛坯材料、刀具精度和寿命、加工成本等问题，现阶段进行优化较为困难，只能在现有基础上进行调整。

5 结论

本次因处理道路试验中出现机油耗过高问题而对发动机缸体、缸盖、活塞组件进行机油耗的分析，经历了台架试验、零部件测试、ABA试验等，发现了一些问题所在，并发掘潜在的优化点，为进一步降低发动机机油耗提供了依据。同时也证明了机油耗高并不一定完全是发动机的问题，其涉及变速箱和整车，需要进行总体分析。在汽车排放越来越严格的今天，如何增加发动机热效率的同时进一步降低其排放是一个非常重要的课题。在优化发动机的同时，变速箱等部件也需要进行分析和优化，使机油、燃油耗进一步降低，来满足国六甚至更严格的排放标准。