發動機缸孔珩磨加工與機油消耗研究

陳俊儒，段克威

摘要：缸體是發動機運轉的核心部件，其缸孔的質量與機油消耗密切相關。通過分析發動機機油消耗的方式及影響因素，確定缸孔變形是機油消耗的重要原因。缸孔變形的重要指標涉及到缸孔圓度、圓柱度和直線度等，進一步分析缸孔圓度的四階變換，找到缸蓋螺栓擰緊是四階變形的主要影響因素。為了使缸體加工后的圓度與實際運轉工況相匹配，在缸孔珩磨過程增加工藝缸蓋，使其模擬缸體裝配后的擰緊狀態，有效改善了缸孔珩磨的圓度，最終降低缸孔形變對機油消耗的影響。

關鍵詞：缸體；機油消耗；圓度；傅里葉變形；工藝缸蓋

汽車發動機運轉過程中，曲軸連桿活塞機構在發動機缸孔內部往復運動，機油經過高壓油道，從冷卻噴嘴噴出，對活塞和缸壁進行冷卻潤滑，然后回流到油底殼。在發動機循環流動過程中，機油在缸壁和活塞摩擦運動的表面形成油膜，實現了液體潤滑，減輕缸壁的磨損，最終通過機油的循環，實現對發動機冷卻、潤滑、清潔及密封等功能。發動機一旦正常工作，必然帶動內部各種運動摩擦副高速運轉，在該過程中機油會逐漸減少，出現機油的正常消耗。發動機缸體是機油循環的重要部件，本文旨在研究發動機缸體珩磨加工與機油消耗的關系。

機油消耗及影響因素

在發動機運轉過程中，如果在保養周期內，發動機由于制造缺陷等原因導致機油快速減少，并加劇氣缸磨損，引發故障報警，這就是通常所說的“燒機油”。而正常的機油消耗，在發動機的運轉過程是必須的，這主要由發動機的原理和內部結構所決定的。

1.機油消耗的方式

發動機運轉過程，常見的機油消耗主要有以下幾種方式。

（1）缸套和活塞潤滑? 活塞在缸孔內運轉，活塞環及缸套之間具有密封高溫燃氣和傳遞發動機燃燒功的功能，因此必須具備良好的潤滑。曲軸將機油飛濺到發動機的缸壁內，活塞環上下往復運動將附著在缸套上的機油刮下，但部分機油會附在缸孔內壁珩磨溝槽中，參與缸內的燃燒而被消耗，這就是發動機機油消耗最大的原因。據統計，由氣缸內壁導致的機油消耗大約占90%左右。

（2）氣門和氣門導管? 氣門和氣門導管是發動機重要的配氣機構，發動機的每個做功環節都要上下運動4次，所以這部分結構也需要良好的潤滑。在氣門導管部分，雖然有氣門油封的存在，但是在氣門導管上下運動過程中，也會有部分機油進入燃燒室，或在油封下部高溫蒸發參與燃燒或排氣，這就造成了發動機機油的消耗。

（3）曲軸箱通風? 發動機的活塞在做功沖程，氣缸內部的壓力非常高，少部分的油氣會通過活塞密封環泄漏到曲軸箱，長時間活塞的往復運動，使得泄漏的氣體在曲軸箱內產生高壓。為了不影響發動機的運轉，因此在曲軸箱內增加了曲軸通風管。隨著發動機高速運轉，部分氣化的液態機油，在曲軸箱通風管的“呼吸”作用下，就會排出發動機，造成機油的消耗。

（4）其他機油消耗方式? 此外，目前的發動機大多采用渦輪增壓技術，渦輪增壓的浮動軸承也需要良好的機油潤滑。在渦輪高速高壓的工作過程中，少量的機油消耗無可避免。

2.影響機油消耗的主要因素

發動機的工況、機油的黏度等都是影響機油消耗的重要因素，但氣缸壁上的機油消耗是主要途徑。主要由以下的因素導致：活塞環處的幾何外形、活塞環的表面形狀、張力等，而氣缸的變形會導致活塞環與缸壁的間隙增大，影響缸壁上油膜的厚度分布。本文基于發動機缸體的缸孔進行分析，從而尋找與機油消耗的強相關因素，并予以改善控制。

缸孔變形分析

1.缸孔變形的評價指標

缸孔變形是導致機油異常消耗的最重要的原因，在缸孔珩磨后的形狀評價中，主要考察的評價指標有缸孔的圓度、圓柱度和直線度 [2]。

圓度誤差：回轉體在某一截面上實際被測輪廓相對理想圓的變動量，圓度誤差的定義如下（見圖1）

Roundness=max（Ri）－min（Ri）? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中? Ri——各被測點到最佳圓心的距離，i=1，2，…，n。

發動機缸孔形狀測量采用專用圓度儀Mahr測量儀，每個缸孔測量9個截面評價圓度，主要的測量評價圖形如圖2～圖4所示。

2.缸孔變形與機油消耗

缸孔變形對發動機的機油消耗有極大的影響，缸孔變形大的發動機，由于活塞環不能很好密封，機油容易竄入燃燒室熱解裂化產生顆粒，機油的消耗量急劇上升，產生“燒機油”的現象，最終導致其顆粒排放不達標。

對某缸孔變形的發動機進行了研究，重點分析其活塞間隙的變化及其油膜厚度，如圖5所示。

變形缸孔中的活塞環位置變化及油膜厚度周向分布，其失圓缸套輪廓為C（θ），活塞的原始M位置為R0（θ），兩者的圓心同為O，此時半徑可分別表示為R和R0，同時R0也是缸套的設計半徑。

缸套徑向變形的數據

ΔR=R－R0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

在本身彈性張緊力的作用下，活塞環在失圓缸套輪廓內重新調整到新的初始平衡位置，活塞環圓心位置由原來的位置O移動到新的位置O′，此時的活塞環與缸套輪廓的位置確定了缸套與活塞環之間油膜厚度周向分布的初始計算值

Δδ（θ）=C（θ）－r（θ）? ? ? ? ? ? ?（3）

隨后在活塞環本身張緊力、氣體壓力和油膜壓力產生的支反力共同作用下，活塞環發生變形，最終達到平衡位置r′（θ），此時活塞環的變形表述為：

Δr（θ）=r′（θ）－r（θ）? ? ? ? ? ? ? （4）

經分析計算，其變形缸孔中的活塞環開口間隙如圖6所示。在變形的缸孔中，當活塞上行壓縮氣體及膨脹做功，活塞被氣體推動下行時，缸壁上的機油在活塞環的剮蹭下，重新回流到曲軸箱體，但是由于缸孔的形變導致缸壁上部分機油無法完全刮擦掉，殘留在燃燒室內部參與了燃燒，最終導致機油消耗異常。

3.缸孔變形的傅里葉分析

由上述分析，得出缸孔變形是引起機油異常消耗的主要原因，下面結合傅里葉級數對缸孔變形進行展開分析 [3]。

缸孔在受到外界載荷作用后，在圓周方向形成了一個不規則的圓， 以360°為周期的周期函數，這樣就可以將它展開為傅里葉級數，總體變形是由傅里葉展開后不同階次下變形疊加的結果。傅里葉展開后，得到了第零階同心圓變形，第一階整體偏心變形，第二階橢圓變形，第三階三個花瓣的變形等，從第二階開始可以將第n階看作是由n個花瓣構成的變形，同時發現除第一階為整體的偏心變形外，其余都在原來圓心基礎上作同心變形。缸孔圓度傅里葉變換的物理（幾何）概念如圖7所示。經過進一步分析，發現缸孔變形階數主要和以下因素相關。

1）變形階數0、1：由制造公差和裝配公差引起。

2）變形階數2：由于安裝變形和燃燒膨脹的影響，導致缸孔形狀呈橢圓形。

3）變形階數3：由加工過程不理想導致。

4）變形階數4：缸蓋螺栓擰緊力矩過大導致。

缸孔珩磨加工

1.普通珩磨加工

現代發動機缸孔的加工通常采用珩磨工藝。珩磨是用不同等級顆粒的珩磨條（油石）加工缸孔的一種金屬切削方法。工作時，安裝于珩磨頭圓周上的一條或多條珩磨條，由漲開機構（有旋轉式和推進式兩種）將珩磨條沿徑向漲開，使其壓向缸孔孔壁，以便產生一定的面接觸，同時珩磨頭作旋轉和往復運動，缸體不動，對缸孔表面材料進行切削，去除材料從而滿足缸孔表面的質量要求。

2.帶工藝缸蓋珩磨加工

筆者研究的缸體珩磨加工，之前是利用珩磨刀具直接對缸孔進行珩磨，成形后的缸孔接近理想的圓形，但是在后期的裝配過程中，由于缸蓋螺栓的擰緊，導致缸孔的變形特別大，活塞在變形的缸孔內往復運動，活塞與缸孔配合間隙超過了設計值，因此容易導致機油進入燃燒室參與燃燒，造成機油消耗異常 [4]。

為此，通過改進缸體珩磨加工的工藝，在加工過程使用工藝缸蓋進行珩磨加工，從而模擬缸體在發動機擰緊后的工況，確保珩磨后的缸孔圓度接近發動機運轉時的狀態，如圖8所示。

3.珩磨加工的四階評價

缸孔加工后，可以通過Mahr專用圓度儀對缸孔進行圓度測量，并對缸孔的4階變形進行分析。選取帶工藝缸蓋和不帶工藝缸蓋的缸體進行加工，分別對珩磨后的缸孔進行圓度測量，并進行數據統計對比，如圖9和圖10所示。

通過對比發現，帶工藝缸蓋的四階圓度變形均＜4μm，不帶工藝缸蓋的四階圓度變形達到18μm。

珩磨加工過程引入工藝缸蓋，可以明顯改善缸孔的變形量，最終使缸孔的四階圓度明顯變小，從而有效降低發動機運轉過程的機油消耗。

結語

本文通過分析發動機機油消耗的途徑，進而研究發動機缸孔的變形對機油消耗的影響。從理論上分析缸孔圓度傅里葉變換后各階次的影響因素，通過優化改進珩磨加工方式，改善缸孔的最終質量，以此來降低發動機運轉過程的機油消耗。

參考文獻：

[1] Hitossugi H，王兆煖.因氣缸孔變形而使潤滑油耗增加的機理研究[J]。柴油設計與制造，1998（2）：30-39.

[2] 楊劍.氣缸孔變形及其對發動機的影響研究[D].上海線：上海交通大學，2008.

[3] 侯域.發動機缸孔變形實驗及數據分析[J].合肥工業大學學報，2007（30）：1-3.

[4] 李慶.加裝模擬缸蓋珩磨的缸體對缸孔變形量的影響[J].理論與創新，2020（17）：1-3.