1． 簡介
截止2014年底我國城市天然氣發動機客車保有量已超過10萬輛以上[1]，其中約90%是以柴油機為本體的天然氣發動機原裝車。由於柴油機本體的局限性和客車運行工況的特殊性，這類天然氣發動機常常會面臨燒機油的問題。
當發現天然氣發動機潤滑油消耗過量，車輛排氣管冒藍煙，排氣管內側積碳變黑，基本可以確定發動機燒機油。天然氣發動機長期燒機油會造成火花塞積碳、氣門燒蝕、活塞環卡死、活塞和氣缸加速磨損、發動機拉缸、氧傳感器和催化器損壞等等，嚴重情況下會造成發動機報廢。
2、 機油耗試驗方法
對潤滑油消耗的研究是在某款天然氣發動機上進行的，其排量6.44L，最大扭矩點820N.m/1500rpm，標定點170kW/2300rpm。
2、1機油耗測量方法
潤滑油消耗量是按放油稱重法測量的。試驗前，發動機加入新機油至油標尺上限，起動後在額定工況運行1h，然後怠速2min停機；停機後，在1min以內勻速順轉曲軸一圈，再繼續順轉至第1缸上止點，在這1min終瞭時在油底殼放油塞處開始放油，放油時間為1h。稱量放出的機油、容器及漏鬥的總重W1，將油倒回發動機，再稱量未能倒凈的機油、容器及漏鬥的總重W2，兩次重量之差（W1-W2），即為加入的機油量Wi。起動發動機，迅速調到公交工況(公交工況最末程序為額定工況)，連續運行24h，怠速2min停機；按上述方法轉動曲軸、放油、稱重，得到試驗後放出的機油、容器及漏鬥的總重W3，W3與W2之差即為試驗後放出的機油量Wo。
機油總消耗量Go=Wi-Wo 、試驗中發動機所漏出的機油，用一定重量的幹棉紗及時擦凈，棉紗重量的變化即為漏油量Go1。 發動機的竄油量GoP=Go-Go1
放油稱重法的關鍵是試驗前後兩次放油時發動機狀態一致。一、機油溫度一致，可通過放油前都額定工況運行一段時間；二、曲軸位置一致，可通過調整1缸上止點；三，環境溫度一致，試驗室封閉。
2、2試驗工況
考慮到在額定工況機油消耗並不高，怠速和低速低負荷工況機油消耗較高，試驗需要模擬城市公交運行工況。由於近年城市車輛保有量急劇增加，但城市交通管理改善較少，可供參考的公交車城市工況文獻不多，因此分別對石傢莊和沈陽不同線路5輛公交車進行瞭跟蹤。
公交車城市運行工況，公交車運行怠速所占時間50%~70%，如右圖所示。
根據公交車城市運行工況，編寫瞭發動機臺架城市公交模擬工況。
根據試驗室臺架城市公交模擬工況所測量的機油耗數據與實際公交車城市運行時所測機油耗數據基本相符，誤差不超過5%。
3、 機油耗影響因素分析
研究發動機機油耗損耗，在排除外部機油泄露之後，機油損耗主要來源於燃燒室內機油燃燒。燃燒室內潤滑油的來源主要有: ( 1)下油， 潤滑油通過氣門導管和氣門桿之間的間隙進入燃燒室； ( 2) 上油，潤滑油通過活塞與氣缸、活塞環與環槽之間的間隙進入燃燒室。（3）增壓器軸承機油泄露，隨從壓氣機進氣進入燃燒室。
3、1下油影響因素
氣門桿與氣門導管之間的間隙越大，從中泄露的機油越多。在符合設計規范的范圍內，進氣門桿尺寸由Φ7±0.007改到Φ7.007±0.007（氣門導管尺寸Φ7.052±0.01），相當於間隙寬度減小0.007mm（進氣門配合間隙調整為0.028～0.062），經過試驗驗證，在目前設計間隙范圍內，減小間隙對機油耗影響很小。
氣門導管的同軸度、氣門座圈跳度等越大，氣門磨損越嚴重。缸蓋上氣門導管、氣門桿、氣門油封、氣門座圈處於同軸位置，所以氣門油封臺座和氣門導管的同軸度越小越好，同軸度過大會造成氣門桿偏磨和單側空隙太大，機油從間隙泄露嚴重。實驗驗證，同軸度在0.015~0.03mm時發動機燒機油明顯，排氣冒藍煙，但當同軸度達到一定標準(在0.015mm以下時)，機油耗可達到認可范圍，同軸度在0.01mm以下和0.015mm以下，機油耗變化不大。
氣門導管材料（粉末冶金），考慮氣門磨損因素。考慮到氣門桿磨損，對有獨立式氣門導管的發動機，采用粉末冶金氣門導管，減少由於氣門磨損對發動機機油耗的影響。目前未驗證這一措施。
氣門油封對機油的密封效果，在於其結構設計合理及材料耐久性。以下是單唇口和多唇口等不同氣門油封結構設計示意圖。 氣門油封作為控制機油的直接零件，既要保證氣門導管和氣門桿摩擦副的潤滑，又要控制進入摩擦副的機油盡量少，因為多餘的機油會進入燃燒室燃燒。經過對多個公司多種結構氣門油封方案進行實驗驗證，的確對發動機機油耗影響很大。
缸蓋上機油液面高於氣門油封，缸蓋上機油液面過高，使得氣門油封上部一直淹沒在機油中，隨著氣門上下運動時產生的抽吸作用，會增加機油消耗。試驗驗證，機油液面在合理范圍內，對發動機機油耗影響不大。
氣門旋轉，氣門鎖夾浮動槽結構，減少偏磨影響，目前未驗證這一措施。
發動機怠速時進氣管壓力相對於氣門油封上部空間為負壓，對氣門油封上部機油有抽吸的作用。點燃式發動機在怠速或者低負荷階段，進氣管內壓力小於缸蓋罩殼內壓力（相當於曲軸箱壓力），壓差最大可達到70kpa（怠速壓差為70kpa，倒拖時壓差為85kpa），導致缸蓋罩殼內機油被吸進進氣管，然後進入燃燒室燃燒。
2、2上油影響因素分析
缸套熱變形是影響機油進入發動機的重要因素之一。缸套在壓入機體、缸蓋螺栓緊固後缸套不圓度會加大，發動機投入大量生產後，對這種偏差也會有影響。當發動機在高溫高負荷狀態運行一段時間以後，缸套的不圓度有進一步增大的趨勢。
不圓度為15μ m 的缸孔中, 組合油環與整體油環的潤滑油消耗無明顯差別; 但在不圓度為30μm 的缸孔中，采用組合油環, 可使潤滑油消耗降低 [1]。針對市場上機油耗高的發動機，檢測缸套不圓度，根據上圖可以看出，1#發動機為市場運行約1萬公裡客車的發動機，缸套不圓度大部分測量值在25~35μ m，而1#發動機更換新缸套和生產線隨機抽檢新機的缸套不圓度測量值一般在5~15μ m。
考慮到缸套不圓度對油環密封的影響，天然氣發動機熱負荷相對柴油機較高，運行一段時間以後缸套變形量增大明顯，造成機油消耗增加，這和市場發現的機油耗增加現象是相符的。
備註：1#為市場運行約10000km的7HT發動機；1#新缸套為1#發動機僅更換新氣缸套狀態；2#為新7HT發動機；
油環過度磨損會造成機油大量進入燃燒室，油環材料是影響油環過度磨損的重要因素之一。SC7HT油環材料由合金鑄鐵鍍鉻改為不銹鋼YH62氮化，再次改為不銹鋼A681刮片外緣鍍鉻，磨損減少，發動機機油耗降低。
油環結構（普通油環、三片式）。可以認為缸套變形、油環磨損嚴重是機油耗增加的一個重要因素，因此才有三片式組合油環。常規柴油機油環材料和缸體材料均系合金鑄鐵, 摩擦情況不佳， 而三片式組合油環材料是鋼片, 是一對摩擦付, 比較合理。柴油機常規油環油路是通過活塞油孔經油環槽塊狀分佈，而三片式組合油環中間隔圈是波形星狀分佈, 潤清效果更好。常規油環剛度大，對缸孔適應性差，三片組合式油環采用剛性低的刮片，對缸孔適應性好。常規油環油環與環槽之間沒有密封機能( 側面密封) 所以發動機制動時刮油性能不強，三片組合式油環有側面密封機能, 所以當發動機制動時刮油性能良好。
備註：A為新發動機；B為市場運行大於10000km發動機
根據上圖可以看出，搭載整體式鑄鐵油環、整體式鋼油環和組合式油環的新機 (A 狀態)，搭載組合式油環時機油耗最低，但搭載整體式鑄鐵油環和整體式鋼油環的新機機油耗水平也比較低（24h公交工況機油耗<0.32kg ）。
搭載三種油環的發動機在市場上運行半年時間以後（B狀態），返回廠裡做機油耗試驗，搭載整體式鑄鐵環的發動機機油耗增加瞭約4倍，搭載整體式鋼環的發動機機油耗增加瞭約1倍多。搭載組合式油環的發動機機油耗變化不大，24h公交工況機油耗小於0.23kg。
這些數據和發動機在市場運行時測量的機油耗水平是相符的。
一般認為, 這是由於組合油環對缸孔的適應性好。因此, 在缸孔變形大時發揮瞭刮油性能好的優點
整體式鋼油環和組合式油環耐磨性比較：
經過耐久性測試，組合式油環磨損量較小，整體式鋼環磨損較大，（兩者材料都為不銹鋼，配方稍有不同），整體式鋼環剛性大，磨損較大，對密封性影響較大，因此建議使用組合式油環。
組合式油環的刮片外圓面磨損
安慶組合式油環500h熱沖擊耐久試驗。
安慶整體式鋼環13000km活塞環磨損量：單位mm
2、3潤滑油分析
天然氣發動機需要用專用潤滑油。天然氣專用機油主要是合成油，相比柴油機機油，有更少的硫酸鹽灰分，加強抗氧化性。
天然氣發動機其尾氣溫度比柴油發動機高100-200度左右，在這樣的操作溫度下，要求發動機油有很好的抗氧化性能及抗硝化性能。油品硝化的結果同氧化類似，即油泥及沉積物增加，機油濾清器阻塞，換油期縮短，嚴重的可能導致活塞環及氣缸套磨損加天然氣發動機油的灰分來自於兩部分，一是作為清凈劑的鈣鹽，一般不采用鎂鹽清凈劑，因為鎂鹽清凈劑燃燒以後沉積物的硬度較大，容易造成磨粒磨損［#］；另外一部分來自於作為抗磨劑的鋅鹽。在排氣門上積累的機油灰分燃燒後形成沉積物，這層沉積物呈藍灰色，可以起到減少氣門與氣門座之間磨損的作用。沉積物的積累需要一定時間，積累的速度與機油灰分高低、油耗、氣門與氣門座之間的角度等有關。發動機在正常運行中，氣門上沉積物積累過程是一個動態平衡，即在沉積物不斷損失的同時新的沉積物不斷地補充［#］。如果氣門上的沉積物太少，則導致磨損加劇和出現氣門嵌入的現象，見圖&［&］。特別是稀薄燃燒的天然氣發動機，由於尾氣中含氧量較高，從而使由於氧化而造成的磨損比平級燃燒的發動機更嚴重。如果氣門上沉積物太多，則將導致氣門上沉積物局部剝落形成高溫氣體竄氣通道，出現氣門熔損，見圖!［&］。另外，過多的沉積物也將導致提前點火，活塞沉積物增加導致磨損等問題，見圖0［!］。如上所述，機油的灰分與氣門上的沉積物
不同種機油：選取昆侖牌上柴天然氣發動機專用機油、某國外天然氣發動機專用機油、國內某天然氣發動機專用悍虎牌機油、國內某柴油機用機油，通過24h模擬城市公交工況測量機油耗，驗證發現不同品牌機油對發動機機油消耗水平的確有影響，實驗結果如下：
在此以前，很多LNG重卡的用戶無奈地選用瞭柴油機機油，由於天然氣發動機裡的油分子、燃燒溫度與柴油發動機有著巨大的差異，導致普通的柴油機油很難滿足CNG和LNG天然氣發動機的需要，很容易出現發動機氣門燒蝕、機件早期磨損和機油揮發變質的現象，給天然氣汽車帶來重大損害。
LNG發動機燃燒室溫度高、尾氣排放溫度高，要求油品具有更優異的耐高溫性能和積碳控制能力。天然氣是清潔能源，燃燒產物中無煙炱顆粒物，PM2.5排放量較低。但水蒸汽含量高，導致機油中水含量偏高，要求油品具有更好的抗乳化性能。
天然氣幹而無潤滑性，氣門及座圈更容易產生異常磨損和燒蝕，對活塞的沉積物沒有潤濕沖刷作用，因此要求油品燃燒後產生的灰分低。天然氣中不含硫，對機油的抗酸要求比較低。因此LNG發動機不能使用普通柴油機油，如果使用普通的柴油機油會有以下後果：發動機早燃，爆震火花塞積碳，點火不正常進排氣閥積碳，無法正常復位，閥門熔損活塞環粘結，缸套磨損發動機油過早衰敗，不能向發動機提供有效充分的保護潤滑性能差，氣門嵌入
4、與實車耐久性的比較
將組合油環裝在汽車上進行各種耐久性試驗。在試驗過程中, 因油環引起的問題( 潤滑油消耗增加、竄氣增多等) 一個也沒發生。臺架試驗所得到的結果, 在實車耐久性試驗中得到瞭證實。從實車耐久性試驗和臺架試驗得到以下結論
. 實車耐久性試驗和臺架試驗中的各部位磨損趨勢是相同的。
2 . 實車五千公裡試驗相當於臺架試驗190-290小時。從而可以認為, 對於柴油機轎車, 在臺架上最低限度的耐久性必須達到
