鄧君 王延亮 李偉軍

漏氣量是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)之一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、排放、還有零部件可靠性有著重要影響。無(wú)論是增壓還是自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，來(lái)自燃燒室經(jīng)由缸體、活塞、活塞環(huán)間隙的竄氣是發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量的主要組成部分。分析了增壓和非增壓發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量的構(gòu)成及影響因素。對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，來(lái)自增壓器進(jìn)入曲軸箱的竄氣量占比較大，不可以忽視。在對(duì)比了3種發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量限值定義方法后，綜合分析并推薦1種定義合理漏氣量限值的方法，即應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》（GB/T 19055—2003）的限值要求，同時(shí)參考內(nèi)燃機(jī)研發(fā)咨詢公司的推薦值，進(jìn)行橫向?qū)?biāo)，最終制定1個(gè)合理限值。在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能、燃油耗和排放的情況下，允許耐久試驗(yàn)過(guò)程后的漏氣量適當(dāng)上升。

發(fā)動(dòng)機(jī);漏氣量;性能;燃油耗;限值

0 前言

現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展應(yīng)滿足高性能、高熱效率、低油耗、低排放等指標(biāo)。漏氣量作為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵性能指標(biāo)參數(shù)之一，越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)研發(fā)人員的關(guān)注。

發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放、還有零部件可靠性均有重要影響。過(guò)多的漏氣量會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒壓力降低，影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能，增加燃油消耗;破壞活塞、活塞環(huán)與缸孔間的潤(rùn)滑油膜，導(dǎo)致活塞環(huán)、缸孔間的摩擦磨損加劇;過(guò)量高溫燃燒混合氣還容易造成機(jī)油老化，縮短機(jī)油使用壽命;過(guò)量竄氣會(huì)使得曲軸箱壓力升高，過(guò)量油氣甚至機(jī)油進(jìn)入油氣分離器后，容易導(dǎo)致油氣分離器分離效率降低，增加污染物排放;曲軸箱壓力升高還可能導(dǎo)致曲軸前后油封、密封面結(jié)合處發(fā)生機(jī)油滲漏等不良后果[1-4]。因此，控制發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量十分重要。

減少漏氣量雖然對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有益，但如果過(guò)于追求非常低的漏氣量，則需要通過(guò)增大氣環(huán)彈力，增加缸孔壁厚，增強(qiáng)缸孔剛性等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦功增大，燃油耗增加，熱效率降低。所以，定義合理的發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量限值，成為業(yè)內(nèi)研發(fā)人員重點(diǎn)研究的課題。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量構(gòu)成

發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量一般指的是曲軸箱竄氣量。由于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量都是從油氣分離器接流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，而油氣分離器分離的油氣主要來(lái)自曲軸箱竄氣。

圖1為發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量的構(gòu)成占比。對(duì)增壓機(jī)型而言，發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量主要由3部分構(gòu)成：（1）來(lái)自燃燒室并經(jīng)由缸體、活塞、活塞環(huán)間隙（通道1）的竄氣;（2）來(lái)自燃燒室經(jīng)由氣門、氣門座圈間隙（通道2）的竄氣;（3）來(lái)自增壓器壓氣機(jī)端或渦輪端的氣體通過(guò)增壓器密封環(huán)（通道3）進(jìn)入曲軸箱的竄氣。

來(lái)自燃燒室并經(jīng)由缸體、活塞、活塞環(huán)間隙的竄氣是發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣的主要組成部分，占了總漏氣量的60%～70%。這個(gè)通道的漏氣原理如圖2所示。影響這一通道漏氣量的主要因素有：活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)（尤其是氣環(huán)的外圓面造型、閉口間隙、外口倒角，以及外圓面耐磨鍍層），活塞環(huán)的切向彈力，活塞環(huán)跟活塞環(huán)槽的配合間隙（側(cè)隙、背隙），還有缸孔的變形（主要是4階變形），活塞的結(jié)構(gòu)等[4-5]。

燃燒室經(jīng)由氣門、氣門座圈間隙的竄氣量一般比較少，大約占總漏氣量的5%。這個(gè)通道的漏氣量可以通過(guò)觀察氣門跟氣門座圈的貼合程度，或者對(duì)缸蓋總成進(jìn)行氣密性試驗(yàn)來(lái)判斷漏氣是否正常。

來(lái)自增壓器壓氣機(jī)端或渦輪端的氣體通過(guò)增壓器密封環(huán)進(jìn)入曲軸箱，這部分竄氣容易被忽略。但實(shí)際上，通過(guò)增壓器這一通道（通道3）進(jìn)入曲軸箱的竄氣量并不少，大約可以占到總漏氣量的20%～30%。圖3為增壓器竄氣的原理圖。某2.0T柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)有低功率和高功率2個(gè)版本。低功率版發(fā)動(dòng)機(jī)配置單級(jí)增壓器，高功率版發(fā)動(dòng)機(jī)配置雙級(jí)增壓器。低功率版發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量限值為60.0 L/min，高功率版發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量限值為80.0 L/min。通過(guò)斷開發(fā)動(dòng)機(jī)和增壓器連接的進(jìn)油管路，改為外接增壓器潤(rùn)滑油路，可以測(cè)得單級(jí)增壓器的漏氣量為15.2 L/min，雙級(jí)增壓器的漏氣量為22.5 L/min，漏氣量占比分別為25.3%和28.1%[6]。

對(duì)自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，因?yàn)闆]有增壓器，漏氣量主要由前兩部分構(gòu)成（通道1和通道2）。其中，來(lái)自燃燒室經(jīng)由缸體、活塞、活塞環(huán)間隙（通道1）的竄氣漏氣量占比高達(dá)95%。

在發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過(guò)程中，難免會(huì)出現(xiàn)漏氣量超標(biāo)的問(wèn)題。雖然缸體、活塞、活塞環(huán)之間的竄氣量較大。但在研發(fā)過(guò)程中，研發(fā)人員應(yīng)當(dāng)將相關(guān)因素都排查清楚后再進(jìn)行開發(fā)。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量限值研究

漏氣量是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)之一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放有著重要影響，在發(fā)動(dòng)機(jī)定性試驗(yàn)及質(zhì)量評(píng)測(cè)中都要對(duì)其進(jìn)行考核。在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)時(shí)，對(duì)于合理漏氣量限值的定義十分重要。關(guān)于漏氣量限值的定義，綜合來(lái)看主要有下面幾個(gè)方面。

2.1 “12倍排量”規(guī)定

在《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)定型試驗(yàn)規(guī)程》（JBN3745-1984）? 6.7.12中規(guī)定，“在臺(tái)架可靠性試驗(yàn)中，對(duì)全速全負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)的活塞最大漏氣量進(jìn)行評(píng)定（4行程發(fā)動(dòng)機(jī)每分鐘不超過(guò)排量的12倍” ）[7-9]。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)稱為“12倍排量”標(biāo)準(zhǔn)[8]。該規(guī)定僅考慮了排量這個(gè)唯一影響因素，顯然不夠完善[7]?！?2倍排量”規(guī)定發(fā)布于1984年，與當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的實(shí)際水平相符[7-8]。當(dāng)時(shí)，轉(zhuǎn)速在3 500 r/min以下的國(guó)產(chǎn)自然吸氣車用柴油機(jī)是主流設(shè)計(jì)，最大漏氣量都能滿足“12倍排量”規(guī)定，實(shí)際最大漏氣量在10倍排量左右;而轉(zhuǎn)速大于3 500 r/min的車用柴油機(jī)及增壓柴油機(jī)在國(guó)內(nèi)則很少，因而在當(dāng)時(shí)是合適的。隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，高性能、高轉(zhuǎn)速、小排量、高增壓發(fā)動(dòng)機(jī)得到了廣泛應(yīng)用，“12倍排量”這一規(guī)定很難達(dá)到，于是后來(lái)被廢止了[7-8]。

2.2 現(xiàn)行法規(guī)漏氣量限值要求

隨著《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》（GB/T 19055—2003）法規(guī)的發(fā)布，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)重新定義了發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量的限值，即4行程發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷時(shí)的最大發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量不得超過(guò)規(guī)定限值[10]。此限值與額定轉(zhuǎn)速全負(fù)荷進(jìn)氣量（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的理論吸氣量）相關(guān)聯(lián)，規(guī)定最大漏氣量不能超過(guò)全負(fù)荷進(jìn)氣量的0.6%。全負(fù)荷進(jìn)氣量與發(fā)動(dòng)機(jī)排量、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速全負(fù)荷時(shí)的增壓壓比成正比，與進(jìn)氣歧管內(nèi)進(jìn)氣溫度成反比。具體計(jì)算公式詳見該標(biāo)準(zhǔn)的附錄A.4部分[10]。該標(biāo)準(zhǔn)適用于所有的行程發(fā)動(dòng)機(jī)，與燃燒方式（點(diǎn)燃或壓燃）、燃料類別（汽油、柴油、天然氣、液化石油氣、醇類燃料等）、增壓或非增壓（即自然吸氣）方式均無(wú)關(guān)。

2.3 推薦限值

某內(nèi)燃機(jī)研發(fā)咨詢公司推薦的發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量限值與全負(fù)荷進(jìn)氣量相關(guān)聯(lián)，區(qū)別在于系數(shù)不同。其定義如下：（1）增壓發(fā)動(dòng)機(jī)定義額定工況全負(fù)荷進(jìn)氣量的0.9%為發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量限值;（2）自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)定義額定工況全負(fù)荷進(jìn)氣量的0.7%為發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量限值。

同時(shí)，考慮到油氣分離器的分離效率和發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，該公司建議將標(biāo)準(zhǔn)漏氣量限值的1.5倍作為判定發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量是否合格的標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量限值比較

表1為4款不同排量、不同性能參數(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《汽車發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性試驗(yàn)方法》（GB/T 19055—2003）和上述內(nèi)燃機(jī)研發(fā)咨詢公司的限值定義計(jì)算的限值數(shù)據(jù)。圖4為4款發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量與限值的比較。從圖4可以看出，這4款高性能、高爆壓發(fā)動(dòng)機(jī)的漏氣量限值隨著排量的降低而降低，但并非線性關(guān)系。其次，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19055—2003的限值總體而言比該公司的限值略嚴(yán)格。排量較大的發(fā)動(dòng)機(jī)，兩者差距較大;排量較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，兩者一致性較好。

一般來(lái)說(shuō)，耐久試驗(yàn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量有不同程度的上升，可能存在個(gè)別發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)試漏氣量會(huì)超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值的情況。但是，如果在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中燃油耗沒有發(fā)生異常，發(fā)動(dòng)機(jī)性能復(fù)測(cè)滿足要求，這種情況應(yīng)該可以被接受。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的耐久試驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件將不可避免會(huì)產(chǎn)生磨損、變形等問(wèn)題，漏氣量小幅上升是必然現(xiàn)象。

3 結(jié)論

漏氣量是發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能參數(shù)之一，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、排放、還有零部件可靠性有著重要影響。無(wú)論是增壓發(fā)動(dòng)機(jī)還是自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，來(lái)自燃燒室經(jīng)由缸體、活塞、活塞環(huán)間隙的竄氣是發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量的主要組成部分。對(duì)于增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，來(lái)自增壓器進(jìn)入曲軸箱的竄氣量占比較大，不可以被忽略。

為了滿足現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)高性能、高熱效率、低油耗、低排放的目標(biāo)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)之初應(yīng)定義1個(gè)合理的漏氣量限值。發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量限值首先應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19055—2003的限值要求，參考咨詢公司的推薦值，進(jìn)行橫向?qū)?biāo)，從而制定合理的漏氣量限值。

由于零部件的制造偏差始終存在，發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)體的漏氣量具有差異。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在全生命周期內(nèi)零部件的磨損、變形等因素也會(huì)導(dǎo)致漏氣量上升。在不影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能、燃油耗和排放的情況下，可以適當(dāng)允許耐久試驗(yàn)過(guò)程后的漏氣量上升。

通過(guò)大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，研發(fā)人員在油氣分離器設(shè)計(jì)時(shí)，可以按照漏氣量限值的1.2～1.5倍作為設(shè)計(jì)輸入。該設(shè)計(jì)可以覆蓋因零部件個(gè)體差異導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)體的漏氣量差異，以及長(zhǎng)時(shí)間耐久試驗(yàn)后漏氣量會(huì)小幅上升等變量因素，確保油氣分離效率，滿足排放要求。

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