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【摘要】本文阐述了柴油机机油消耗的影响因素，并提出了一定的改进措施，这对提高车辆的使用寿命，降低消耗，提高车辆的动力性与经济性有重大意义。
【关键词】柴油机；机油消耗；影响因素
【中图分类号】TH 【文献标识码】A
【文章编号】1007-4309（2013）07-0047-2
机油消耗率是发动机的一项重要性能指标，机油消耗的高低直接关系到发动机的经济性能等指标。在世界众多的发动机中，我国的150系列发动机机油消耗率大，尤其以6V150发动机最大。机油消耗率大，不仅耗油多，经济性差，而且增加维护、保养的次数，因此，如何降低通过该处的机油消耗量，找出发动机耗油高的原因，提出具体的改进措施，对车辆的发展与改进具有重大意义。
一、柴油机机油消耗部位及途经分析
机油消耗的途径较多，影响因素错综复杂，主要出现在发动机缸内（活塞-汽缸套之间），气门导杆处，曲轴箱（强制换气）以及涡轮增压器叶轮轴颈处（机油积炭及泄露）等几个位置。据资料统计表明，发动机缸内机油消耗量占机油消耗量的90%以上。
由于机油成分，发动机机体、缸套、活塞组件结构与材料设计以及发动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。为弄清缸内机油消耗的机理，作者认为主要存在着发动机缸内机油油膜蒸发和机油上窜等模型。增压柴油发动机缸内机油消耗的主要途径是，因顶环运动，在惯性力的作用下机油被抛入燃烧室；粘附于缸壁上的油膜，在高温下蒸发、燃损；活塞环的“泵油”作用，使机油上窜到燃烧室烧损；由于活塞的往复运动，使机油通过环开口间隙及缸壁间隙窜到燃烧室；缸内窜气带走部分机油。
二、发动机机油消耗的影响因素分析
影响机油消耗的因素主要有气门导杆与气门导管间隙、缸套变形、活塞、活塞环厚度、活塞环开口大小及位置、发动机运行工况以及机油压力和机油品质等。其中活塞、活塞环及缸套的设计参数（影响汽缸套的变形、活塞运动、活塞环运动等）对机油消耗的影响尤为重要。
（一）气门杆与气门导管间隙对机油消耗的影响
气门杆和气门导管的工作温度高，润滑条件恶劣。按设计要求，每小时用0.2-1.0ml左右的机油来润滑，从经济角度着眼，气门杆与导管间隙要小，避免因间隙过大，进气冲程缸内负压的抽吸作用将机油吸入燃烧室消耗掉。但间隙过小，由于气门与高压、高温燃气直接接触，气门与导管膨胀增大，会产生卡死现象。从润滑角度讲，要求间隙偏大一些。但间隙大，气门在进、排气凸轮侧压力的作用下，摆动量大，导致气门与导管的偏磨损，使导向作用变差。因此在设计中，导管与气门之间的间隙及材料的选择及处理都有特别严格的要求。
产生机油消耗率过高有两个原因：一是安装间隙过大。据试验，机油的消耗量有1/3-1/2是从气门杆与导管的间隙进入燃烧室烧掉的。由于安装间隙过大，在凸轮侧压力的推动作用下，气门杆与导管经常发生碰撞，磨损加剧，使间隙进一步增大。二是采用材料不适当。150系列发动机气门导管多是铝青铜制成的。排气门采用耐高温、强度高、耐腐蚀的4Cr10SI2Mo耐热钢。进气门工作温度低，采用20CrNi4Va制成。经对多台发动机修理分解得知，大多数发动机的气门杆与导管，都发生粘着磨损。发生粘着磨损后，气门不能灵活开启、关闭。由此可见，这些材料在性能方面还存在一些问题。
（二）缸套变形对机油消耗的影响
气缸尺寸、形状与表面粗糙度对于保持气缸筒内圆、活塞环的密封性能起到决定作用，特别对磨损影响很大。活塞对不圆气缸的适应性是有限的，容易造成不均匀的壁面压力，使密封环磨损不均，导致拉缸、串气和过量的机油消耗。
12150ZLC发动机采用的汽缸套是由高效合金钢42MnCr52制成的，而6V150发动机采用湿式薄壁钢质缸套，用强度和氮化性很高的38CrMoAlA合金钢制造。内表面用精加工网纹研磨处理，有利于油膜的形成。但该汽缸壁太薄，按湿式气缸因穴蚀的影响，设计要求壁厚不得少于缸径的7%。6V150缸径为150mm，而壁厚才9mm，由于缸壁薄，刚度差，气缸筒受热后易产生椭圆变形。因此，致使活塞环难以保证气缸的良好密封，导致窜油量增加，机油消耗量增大。
（三）活塞对机油消耗的影响
12150L发动机活塞采用LD8锻铝合金材料，该材料耐高温，强度好，有较高的导热率和延伸性，锻造性好。但缺点是热膨胀系数大，为防止因间隙过小造成活塞卡死或拉缸，设计时必须增大配缸间隙。由于配缸间隙大，窜入燃烧室的机油增加，机油消耗量就高。
（四）活塞环对机油消耗的影响
落后的五环组合，锥形油环易磨损，刮油能力下降，致使泵油量增大。活塞环对机油量的控制主要依靠油环的刮油能力，油环不能刮下气缸筒内表面多余的润滑油时，则机油的消耗量会明显增多。12150L油环为6°锥角的锥形环，刚开始刮油效果很好，但由于这种油环在单位压力很大时易磨损，随着使用时期的增长，造成单位压力下降，导致刮油能力下降。随着锥面的磨损，环与环槽的间隙也就越来越大，储油量增加，泵油现象也越来越大。因此，锥形环的刮油能力下降过快也是机油消耗量过大的一个原因。
（五）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，发动机转速和负荷越高，单位时间的机油消耗量也越大。如果发动机的燃烧压力和汽缸壁温度相当，其机油消耗也几乎相等。由此可见，缸内机油消耗是发动机总体机油消耗的主要部分。
此外，发动机的瞬态变工况也会造成较大的机油消耗。美国西南研究院的Susumu Ariga等人根据美国联邦瞬态测试法测量发现，发动机转速降低时的瞬态机油消耗量明显大于其转速升高和负荷升高时的瞬态机油消耗量，这可能是因为发动机工况动态变化时部件的运动状态不稳定引起的。另外，他们还发现，当发动机速度和负荷变化时，机油消耗会有几分钟的周期波动，Susumu Ariga等人将这一现象归因于活塞环的转动影响所致。 （六）机油品质对机油消耗的影响
根据12150L发动机使用规范，其工作油温为70—90℃，回油温度允许到90-110℃，短时间内（不超过10分钟）允许到110℃。在5℃以上时，都是用16号机油做润滑系机油。16号机油温度在100℃时期运动粘度为1.65-1.7mm/s2。当回油温度在90-100℃时其粘度太低，当发动机转速稍有下降时，润滑油压力将会明显下降，有时甚至会降到零。这表示通过间隙溜走的机油比机油泵供给的多。根据目前使用单位反馈的信息，发动机在使用过程中油压偏低就是这个原因。当油温超过100℃时，机油粘度小，油膜薄；当转速低、负荷大时，油膜很容易破裂，加速了环与汽缸壁，环与槽之间的磨损。使配缸间隙、环的开口间隙增大，导致机油消耗率过高。
机油在高温下易氧化，油膜越薄，转速越高，温度越高，氧化越快。温度每升高10℃氧化速度增加约一倍，通常在50-60℃时氧化速度明显增大，发动机工作时，在环与缸套之间的温度可达150-250℃，甚至更高。16号机油在80-100℃氧化较明显，氧化生成的含氧化合物，如醇、醛、酚类，在高温下从机油再挥发出去，导致润滑油的损失，还有的低分子氧化物进一步缩合成高分子化合物而生成胶质。另外，机油在贮存、运输、使用过程中，进水或吸收空气中的水分，使机油在高温下乳化。试验表明，16号润滑脂长期处于100℃温度中，乳化速度成倍增加。无论是氧化还是乳化，都会缩短机油的使用期，造成机油的消耗率过高。
（七）机油压力对机油消耗的影响
在机油温度一定的条件下，内燃机的机油消耗与机油压力几乎成线性关系，油压越高，机油消耗也就越大。产生这一现象的原因是，发动机机油压力对机油流量的影响很大，在活塞环、气门杆与气门导管间隙等处，机油压力越高，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。
三、减小机油消耗率的改进措施
（一）将气门导管材料铝青铜进行铁基粉末处理，排气门4Cr10Si2Mo耐热钢进行软化渗氮处理，并减小气门与导管间的间隙。
铝青铜具有一定的耐磨性。但在高温下期强度下降，耐磨性下降。将铝青铜进行铁基粉末处理后，其表面硬度增加，耐磨性也增加，更主要的是铁基粉末处理后的铝青铜，对润滑油的粘附能力增强，有利于油膜的形成，防止气门润滑恶劣发生粘着磨损。
排气门4Cr10Si2Mo耐热钢是一种马氏体钢，这种钢在650℃以下温度上可以满足其强度与耐热耐磨性，但6V150等发动机气门温度高达700℃以上，也容易发生粘着，因此将4Cr10Si2Mo钢进行表面渗氮处理后，其硬度由原来的HB255-302提高到HB388-698，表面深度>0.07mm的氮化层，具有良好的抗粘着磨损性能。将两种材料热处理后，同时将进气门安装间隙由原来的0.056-0.092mm减至0.003-0.007mm，排气门安装间隙由原来的0.076-0.112mm减至0.005-0.010mm，便能减少机油的消耗量。
（二）将汽缸壁厚度增加5-7mm，以提高气缸筒的刚度，减少其椭圆变形量。
目前，大多数高温、高压、高速柴油机在气缸筒结构上，均增加了气缸筒的厚度。因此，有必要将发动机气缸厚度增加5-7mm，以提高气缸筒的刚度，减少了变形，利于活塞环的密封，减少机油消耗量。
（三）将锻铝活塞改为共晶铝合金材料，以减少配缸间隙。
12150L与6V150发动机活塞是锻铝活塞，该材料膨胀系数较大，因此配缸间隙大，第一环容易磨损。为了改善这一状况，我国已成功的在12150ZLC发动机上采用共晶铝活塞材料，该材料膨胀系数小，高温强度高，活塞型面采用先进和变截面椭圆形设计，顶部阳极化处理，增强了隔热能力，侧面采用喷涂石墨，并在第一槽嵌有铸铁环槽，以改善早期磨合和第一环的工作环境。鼓形活塞受热变形均匀，可使配缸间隙大幅度减至0.25-0.32mm，使机油消耗率降至2g/kw·h，并延长机油更换期。
（四）将五环组改为三环组，提高油环的刮油能力。
12150L与6V150发动机采用的是五环组。西方发达国家高速内燃机上早已采用了三环组合，根据目前三环组合发动机来看：第一环为气环。基本采用矩形环或梯形环，矩形环气体密封好。而梯形环则利用于高温发动机。因为高温发动机工作中，机油易氧化产生积炭或胶质，造成活塞环卡死。由于梯形环的形状有利于排除积炭，可有效防止活塞环卡死。第二环也为气环，基本上采用锥形环。锥形环一般用于中间环，因为锥形环具有较好的磨合能力，兼有密封和向下刮油作用。第三道环为组合钢片油环。柴油发动机一般油环压力为0.007-0.23Mpa，而组合钢片油环可达0.09-0.11Mpa。实践证明，采用组合钢片油环后，润滑油的消耗率从原来的10.2g/kw·h降至1.73g/kw·h。组合钢片油环由几片钢片组成，挠性大，对气缸的适应性强，弹力大而均匀。除了钢片式组合环外，弹簧胀圈式组合环也能获得这样良好的效果。因此，将五环组改为三环组合，有利于发动机的燃烧室的密封，能够降低机油消耗量。
【参考文献】
车用发动机，147.
【作者简介】李辉：装甲兵技术学院。 王洪彦：装甲兵技术学院。
【关键词】柴油机；机油消耗；影响因素
【中图分类号】TH 【文献标识码】A
【文章编号】1007-4309（2013）07-0047-2
机油消耗率是发动机的一项重要性能指标，机油消耗的高低直接关系到发动机的经济性能等指标。在世界众多的发动机中，我国的150系列发动机机油消耗率大，尤其以6V150发动机最大。机油消耗率大，不仅耗油多，经济性差，而且增加维护、保养的次数，因此，如何降低通过该处的机油消耗量，找出发动机耗油高的原因，提出具体的改进措施，对车辆的发展与改进具有重大意义。
一、柴油机机油消耗部位及途经分析
机油消耗的途径较多，影响因素错综复杂，主要出现在发动机缸内（活塞-汽缸套之间），气门导杆处，曲轴箱（强制换气）以及涡轮增压器叶轮轴颈处（机油积炭及泄露）等几个位置。据资料统计表明，发动机缸内机油消耗量占机油消耗量的90%以上。
由于机油成分，发动机机体、缸套、活塞组件结构与材料设计以及发动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。为弄清缸内机油消耗的机理，作者认为主要存在着发动机缸内机油油膜蒸发和机油上窜等模型。增压柴油发动机缸内机油消耗的主要途径是，因顶环运动，在惯性力的作用下机油被抛入燃烧室；粘附于缸壁上的油膜，在高温下蒸发、燃损；活塞环的“泵油”作用，使机油上窜到燃烧室烧损；由于活塞的往复运动，使机油通过环开口间隙及缸壁间隙窜到燃烧室；缸内窜气带走部分机油。
二、发动机机油消耗的影响因素分析
影响机油消耗的因素主要有气门导杆与气门导管间隙、缸套变形、活塞、活塞环厚度、活塞环开口大小及位置、发动机运行工况以及机油压力和机油品质等。其中活塞、活塞环及缸套的设计参数（影响汽缸套的变形、活塞运动、活塞环运动等）对机油消耗的影响尤为重要。
（一）气门杆与气门导管间隙对机油消耗的影响
气门杆和气门导管的工作温度高，润滑条件恶劣。按设计要求，每小时用0.2-1.0ml左右的机油来润滑，从经济角度着眼，气门杆与导管间隙要小，避免因间隙过大，进气冲程缸内负压的抽吸作用将机油吸入燃烧室消耗掉。但间隙过小，由于气门与高压、高温燃气直接接触，气门与导管膨胀增大，会产生卡死现象。从润滑角度讲，要求间隙偏大一些。但间隙大，气门在进、排气凸轮侧压力的作用下，摆动量大，导致气门与导管的偏磨损，使导向作用变差。因此在设计中，导管与气门之间的间隙及材料的选择及处理都有特别严格的要求。
产生机油消耗率过高有两个原因：一是安装间隙过大。据试验，机油的消耗量有1/3-1/2是从气门杆与导管的间隙进入燃烧室烧掉的。由于安装间隙过大，在凸轮侧压力的推动作用下，气门杆与导管经常发生碰撞，磨损加剧，使间隙进一步增大。二是采用材料不适当。150系列发动机气门导管多是铝青铜制成的。排气门采用耐高温、强度高、耐腐蚀的4Cr10SI2Mo耐热钢。进气门工作温度低，采用20CrNi4Va制成。经对多台发动机修理分解得知，大多数发动机的气门杆与导管，都发生粘着磨损。发生粘着磨损后，气门不能灵活开启、关闭。由此可见，这些材料在性能方面还存在一些问题。
（二）缸套变形对机油消耗的影响
气缸尺寸、形状与表面粗糙度对于保持气缸筒内圆、活塞环的密封性能起到决定作用，特别对磨损影响很大。活塞对不圆气缸的适应性是有限的，容易造成不均匀的壁面压力，使密封环磨损不均，导致拉缸、串气和过量的机油消耗。
12150ZLC发动机采用的汽缸套是由高效合金钢42MnCr52制成的，而6V150发动机采用湿式薄壁钢质缸套，用强度和氮化性很高的38CrMoAlA合金钢制造。内表面用精加工网纹研磨处理，有利于油膜的形成。但该汽缸壁太薄，按湿式气缸因穴蚀的影响，设计要求壁厚不得少于缸径的7%。6V150缸径为150mm，而壁厚才9mm，由于缸壁薄，刚度差，气缸筒受热后易产生椭圆变形。因此，致使活塞环难以保证气缸的良好密封，导致窜油量增加，机油消耗量增大。
（三）活塞对机油消耗的影响
12150L发动机活塞采用LD8锻铝合金材料，该材料耐高温，强度好，有较高的导热率和延伸性，锻造性好。但缺点是热膨胀系数大，为防止因间隙过小造成活塞卡死或拉缸，设计时必须增大配缸间隙。由于配缸间隙大，窜入燃烧室的机油增加，机油消耗量就高。
（四）活塞环对机油消耗的影响
落后的五环组合，锥形油环易磨损，刮油能力下降，致使泵油量增大。活塞环对机油量的控制主要依靠油环的刮油能力，油环不能刮下气缸筒内表面多余的润滑油时，则机油的消耗量会明显增多。12150L油环为6°锥角的锥形环，刚开始刮油效果很好，但由于这种油环在单位压力很大时易磨损，随着使用时期的增长，造成单位压力下降，导致刮油能力下降。随着锥面的磨损，环与环槽的间隙也就越来越大，储油量增加，泵油现象也越来越大。因此，锥形环的刮油能力下降过快也是机油消耗量过大的一个原因。
（五）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，发动机转速和负荷越高，单位时间的机油消耗量也越大。如果发动机的燃烧压力和汽缸壁温度相当，其机油消耗也几乎相等。由此可见，缸内机油消耗是发动机总体机油消耗的主要部分。
此外，发动机的瞬态变工况也会造成较大的机油消耗。美国西南研究院的Susumu Ariga等人根据美国联邦瞬态测试法测量发现，发动机转速降低时的瞬态机油消耗量明显大于其转速升高和负荷升高时的瞬态机油消耗量，这可能是因为发动机工况动态变化时部件的运动状态不稳定引起的。另外，他们还发现，当发动机速度和负荷变化时，机油消耗会有几分钟的周期波动，Susumu Ariga等人将这一现象归因于活塞环的转动影响所致。 （六）机油品质对机油消耗的影响
根据12150L发动机使用规范，其工作油温为70—90℃，回油温度允许到90-110℃，短时间内（不超过10分钟）允许到110℃。在5℃以上时，都是用16号机油做润滑系机油。16号机油温度在100℃时期运动粘度为1.65-1.7mm/s2。当回油温度在90-100℃时其粘度太低，当发动机转速稍有下降时，润滑油压力将会明显下降，有时甚至会降到零。这表示通过间隙溜走的机油比机油泵供给的多。根据目前使用单位反馈的信息，发动机在使用过程中油压偏低就是这个原因。当油温超过100℃时，机油粘度小，油膜薄；当转速低、负荷大时，油膜很容易破裂，加速了环与汽缸壁，环与槽之间的磨损。使配缸间隙、环的开口间隙增大，导致机油消耗率过高。
机油在高温下易氧化，油膜越薄，转速越高，温度越高，氧化越快。温度每升高10℃氧化速度增加约一倍，通常在50-60℃时氧化速度明显增大，发动机工作时，在环与缸套之间的温度可达150-250℃，甚至更高。16号机油在80-100℃氧化较明显，氧化生成的含氧化合物，如醇、醛、酚类，在高温下从机油再挥发出去，导致润滑油的损失，还有的低分子氧化物进一步缩合成高分子化合物而生成胶质。另外，机油在贮存、运输、使用过程中，进水或吸收空气中的水分，使机油在高温下乳化。试验表明，16号润滑脂长期处于100℃温度中，乳化速度成倍增加。无论是氧化还是乳化，都会缩短机油的使用期，造成机油的消耗率过高。
（七）机油压力对机油消耗的影响
在机油温度一定的条件下，内燃机的机油消耗与机油压力几乎成线性关系，油压越高，机油消耗也就越大。产生这一现象的原因是，发动机机油压力对机油流量的影响很大，在活塞环、气门杆与气门导管间隙等处，机油压力越高，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。
三、减小机油消耗率的改进措施
（一）将气门导管材料铝青铜进行铁基粉末处理，排气门4Cr10Si2Mo耐热钢进行软化渗氮处理，并减小气门与导管间的间隙。
铝青铜具有一定的耐磨性。但在高温下期强度下降，耐磨性下降。将铝青铜进行铁基粉末处理后，其表面硬度增加，耐磨性也增加，更主要的是铁基粉末处理后的铝青铜，对润滑油的粘附能力增强，有利于油膜的形成，防止气门润滑恶劣发生粘着磨损。
排气门4Cr10Si2Mo耐热钢是一种马氏体钢，这种钢在650℃以下温度上可以满足其强度与耐热耐磨性，但6V150等发动机气门温度高达700℃以上，也容易发生粘着，因此将4Cr10Si2Mo钢进行表面渗氮处理后，其硬度由原来的HB255-302提高到HB388-698，表面深度>0.07mm的氮化层，具有良好的抗粘着磨损性能。将两种材料热处理后，同时将进气门安装间隙由原来的0.056-0.092mm减至0.003-0.007mm，排气门安装间隙由原来的0.076-0.112mm减至0.005-0.010mm，便能减少机油的消耗量。
（二）将汽缸壁厚度增加5-7mm，以提高气缸筒的刚度，减少其椭圆变形量。
目前，大多数高温、高压、高速柴油机在气缸筒结构上，均增加了气缸筒的厚度。因此，有必要将发动机气缸厚度增加5-7mm，以提高气缸筒的刚度，减少了变形，利于活塞环的密封，减少机油消耗量。
（三）将锻铝活塞改为共晶铝合金材料，以减少配缸间隙。
12150L与6V150发动机活塞是锻铝活塞，该材料膨胀系数较大，因此配缸间隙大，第一环容易磨损。为了改善这一状况，我国已成功的在12150ZLC发动机上采用共晶铝活塞材料，该材料膨胀系数小，高温强度高，活塞型面采用先进和变截面椭圆形设计，顶部阳极化处理，增强了隔热能力，侧面采用喷涂石墨，并在第一槽嵌有铸铁环槽，以改善早期磨合和第一环的工作环境。鼓形活塞受热变形均匀，可使配缸间隙大幅度减至0.25-0.32mm，使机油消耗率降至2g/kw·h，并延长机油更换期。
（四）将五环组改为三环组，提高油环的刮油能力。
12150L与6V150发动机采用的是五环组。西方发达国家高速内燃机上早已采用了三环组合，根据目前三环组合发动机来看：第一环为气环。基本采用矩形环或梯形环，矩形环气体密封好。而梯形环则利用于高温发动机。因为高温发动机工作中，机油易氧化产生积炭或胶质，造成活塞环卡死。由于梯形环的形状有利于排除积炭，可有效防止活塞环卡死。第二环也为气环，基本上采用锥形环。锥形环一般用于中间环，因为锥形环具有较好的磨合能力，兼有密封和向下刮油作用。第三道环为组合钢片油环。柴油发动机一般油环压力为0.007-0.23Mpa，而组合钢片油环可达0.09-0.11Mpa。实践证明，采用组合钢片油环后，润滑油的消耗率从原来的10.2g/kw·h降至1.73g/kw·h。组合钢片油环由几片钢片组成，挠性大，对气缸的适应性强，弹力大而均匀。除了钢片式组合环外，弹簧胀圈式组合环也能获得这样良好的效果。因此，将五环组改为三环组合，有利于发动机的燃烧室的密封，能够降低机油消耗量。
【参考文献】
车用发动机，147.
【作者简介】李辉：装甲兵技术学院。 王洪彦：装甲兵技术学院。