截止2014年底我国城市天然气发动机客车保有量已超过10万辆以上[1]，其中约90%是以柴油机为本体的天然气发动机原装车。由于柴油机本体的局限性和客车运行工况的特殊性，这类天然气发动机常常会面临烧机油的问题。

  当发现天然气发动机润滑油消耗过量，车辆排气管冒蓝烟，排气管内侧积碳变黑，基本能确定发动机烧机油。天然气发动机长期烧机油会造成火花塞积碳、气门烧蚀、活塞环卡死、活塞和气缸加速磨损、发动机拉缸、氧传感器和催化器损坏等等，严重情况下会造成发动机报废。

  对润滑油消耗的研究是在某款天然气发动机上进行的，其排量6.44L，最大扭矩点820N.m/1500rpm，标定点170kW/2300rpm。

  润滑油消耗量是按放油称重法测量的。试验前，发动机加入新机油至油标尺上限，起动后在额定工况运行1h，然后怠速2min停机；停机后，在1min以内匀速顺转曲轴一圈，再继续顺转至第1缸上止点，在这1min终了时在油底壳放油塞处开始放油，放油时间为1h。称量放出的机油、容器及漏斗的总重W1，将油倒回发动机，再称量未能倒净的机油、容器及漏斗的总重W2，两次重量之差（W1-W2），即为加入的机油量Wi。起动发动机，迅速调到公交工况(公交工况最末程序为额定工况)，连续运行24h，怠速2min停机；按上述方法转动曲轴、放油、称重，得到试验后放出的机油、容器及漏斗的总重W3，W3与W2之差即为试验后放出的机油量Wo。

  机油总消耗量Go=Wi-Wo 、试验中发动机所漏出的机油，用一定重量的干棉纱及时擦净，棉纱重量的变化即为漏油量Go1。 发动机的窜油量GoP=Go-Go1

  放油称重法的关键是试验前后两次放油时发动机状态一致。一、机油温度一致，可通过放油前都额定工况运行一段时间；二、曲轴位置一致，可通过调整1缸上止点；三，环境和温度一致，试验室封闭。

  考虑到在额定工况机油消耗并不高，怠速和低速低负荷工况机油消耗较高，试验需要模拟城市公交运行工况。由于近年城市车辆保有量飞速增加，但城市交通管理改善较少，可供参考的公交车城市工况文献不多，因此分别对石家庄和沈阳不同线辆公交车进行了跟踪。

  根据试验室台架城市公交模拟工况所测量的机油耗数据与实际公交车城市运行时所测机油耗数据基本相符，误差不超过5%。

  研究发动机机油耗损耗，在排除外部机油泄露之后，机油损耗主要来自于燃烧室内机油燃烧。燃烧室内润滑油的来源主要有: ( 1)下油， 润滑油通过气门导管和气门杆之间的间隙进入燃烧室； ( 2) 上油，润滑油通过活塞与气缸、活塞环与环槽之间的间隙进入燃烧室。（3）增压器轴承机油泄露，随从压气机进气进入燃烧室。

  气门杆与气门导管之间的间隙越大，从中泄露的机油越多。在契合设计规范的范围内，进气门杆尺寸由Φ7±0.007改到Φ7.007±0.007（气门导管尺寸Φ7.052±0.01），相当于间隙宽度减小0.007mm（进气门配合间隙调整为0.028～0.062），经过试验验证，在目前设计间隙范围内，减小间隙对机油耗影响很小。

  气门导管的同轴度、气门座圈跳度等越大，气门磨损越严重。缸盖上气门导管、气门杆、气门油封、气门座圈处于同轴位置，所以气门油封台座和气门导管的同轴度越小越好，同轴度过大会造成气门杆偏磨和单侧空隙太大，机油从间隙泄露严重。实验验证，同轴度在0.015~0.03mm时发动机烧机油明显，排气冒蓝烟，但当同轴度达到一定标准(在0.015mm以下时)，机油耗可达到认可范围，同轴度在0.01mm以下和0.015mm以下，机油耗变化不大。

  气门导管材料（粉末冶金），考虑气门磨损因素。考虑到气门杆磨损，对有独立式气门导管的发动机，采用粉末冶金气门导管，减少由于气门磨损对发动机机油耗的影响。目前未验证这一措施。

  气门油封对机油的密封效果，在于其结构设计合理及材料耐久性。以下是单唇口和多唇口等不同气门油封结构设计示意图。 气门油封作为控制机油的直接零件，既要保证气门导管和气门杆摩擦副的润滑，又要控制进入摩擦副的机油尽量少，因为多余的机油会进入燃烧室燃烧。经过对多个公司多种结构气门油封方案进行实验验证，的确对发动机机油耗影响很大。

  缸盖上机油液面高于气门油封，缸盖上机油液面过高，使得气门油封上部一直淹没在机油中，随着气门上下运动时产生的抽吸作用，会增加机油消耗。试验验证，机油液面在合理范围内，对发动机机油耗影响不大。

  发动机怠速时进气管压力相对于气门油封上部空间为负压，对气门油封上部机油有抽吸的作用。点燃式发动机在怠速或者低负荷阶段，进气管内压力小于缸盖罩壳内压力（相当于曲轴箱压力），压差最大可达到70kpa（怠速压差为70kpa，倒拖时压差为85kpa），导致缸盖罩壳内机油被吸进进气管，然后进入燃烧室燃烧。

  缸套热变形是影响机油进入发动机的主要的因素之一。缸套在压入机体、缸盖螺栓紧固后缸套不圆度会加大，发动机投入大量生产后，对这种偏差也会有影响。当发动机在高温高负荷状态运行一段时间以后，缸套的不圆度有进一步增大的趋势。

  不圆度为15μ m 的缸孔中, 组合油环与整体油环的润滑油消耗无明显差别; 但在不圆度为30μm 的缸孔中，采用组合油环, 可使润滑油消耗降低 [1]。针对市场上机油耗高的发动机，检测缸套不圆度，根据上图能够准确的看出，1#发动机为市场运行约1万公里客车的发动机，缸套不圆度大部分测量值在25~35μ m，而1#发动机更换新缸套和生产线随机抽检新机的缸套不圆度测量值一般在5~15μ m。

  考虑到缸套不圆度对油环密封的影响，天然气发动机热负荷相对柴油机较高，运行一段时间以后缸套变形量增大明显，造成机油消耗增加，这和市场发现的机油耗增加现象是相符的。

  备注：1#为市场运行约10000km的7HT发动机；1#新缸套为1#发动机仅更换新气缸套状态；2#为新7HT发动机；

  油环过度磨损会造成机油大量进入燃烧室，油环材料是影响油环过度磨损的主要的因素之一。SC7HT油环材料由合金铸铁镀铬改为不锈钢YH62氮化，再次改为不锈钢A681刮片外缘镀铬，磨损减少，发动机机油耗降低。

  油环结构（普通油环、三片式）。可以认为缸套变形、油环磨损严重是机油耗增加的一个主要的因素，因此才有三片式组合油环。常规柴油机油环材料和缸体材料均系合金铸铁, 摩擦情况不佳， 而三片式组合油环材料是钢片, 是一对摩擦付, 是合理的。柴油机常规油环油路是通过活塞油孔经油环槽块状分布，而三片式组合油环中间隔圈是波形星状分布, 润清效果更好。常规油环刚度大，对缸孔适应性差，三片组合式油环采用刚性低的刮片，对缸孔适应性好。常规油环油环与环槽之间没有密封机能( 侧面密封) 所以发动机制动时刮油性能不强，三片组合式油环有侧面密封机能, 所以当发动机制动时刮油性能良好。

  根据上图能够准确的看出，搭载整体式铸铁油环、整体式钢油环和组合式油环的新机 (A 状态)，搭载组合式油环时机油耗最低，但搭载整体式铸铁油环和整体式钢油环的新机机油耗水平也比较低（24h公交工况机油耗0.32kg ）。

  搭载三种油环的发动机在市场上运行半年时间以后（B状态），返回厂里做机油耗试验，搭载整体式铸铁环的发动机机油耗增加了约4倍，搭载整体式钢环的发动机机油耗增加了约1倍多。搭载组合式油环的发动机机油耗变化不大，24h公交工况机油耗小于0.23kg。

  一般认为, 这是由于组合油环对缸孔的适应性好。因此, 在缸孔变形大时发挥了刮油性能好的优点

  经过耐久性测试，组合式油环磨损量较小，整体式钢环磨损较大，（两者材料都为不锈钢，配方稍有不同），整体式钢环刚性大，磨损较大，对密封性影响较大，因此建议使用组合式油环。

  天然气发动机需要用专用润滑油。天然气专用机油主要是合成油，相比柴油机机油，有更少的硫酸盐灰分，加强抗氧化性。

  天然气发动机其尾气温度比柴油发动机高100-200度左右，在这样的操作温度下，要求发动机油有很好的抗氧化性能及抗硝化性能。油品硝化的结果同氧化类似，即油泥及沉积物增加，机油滤清器阻塞，换油期缩短，严重的可能导致活塞环及气缸套磨损加天然气发动机油的灰分来自于两部分，一是作为清净剂的钙盐，一般不采用镁盐清净剂，因为镁盐清净剂燃烧以后沉积物的硬度较大，易引起磨粒磨损［#］；另外一部分来自于作为抗磨剂的锌盐。在排气门上积累的机油灰分燃烧后形成沉积物，这层沉积物呈蓝灰色，能够更好的起到减少气门与气门座之间磨损的作用。沉积物的积累需要一段时间，积累的速度与机油灰分高低、油耗、气门与气门座之间的角度等有关。发动机在正常运行中，气门上沉积物积累过程是一个动态平衡，即在沉积物不断损失的同时新的沉积物不断地补充［#］。如果气门上的沉积物太少，则导致磨损加剧和出现气门嵌入的现象，见图&［&］。特别是稀薄燃烧的天然气发动机，由于尾气中含氧量较高，从而使由于氧化而造成的磨损比平级燃烧的发动机更严重。如果气门上沉积物太多，则将导致气门上沉积物局部剥落形成高温气体窜气通道，出现气门熔损，见图!［&］。另外，过多的沉积物也将导致提前点火，活塞沉积物增加导致磨损等问题，见图0［!］。如上所述，机油的灰分与气门上的沉积物

  不同种机油：选取昆仑牌上柴天然气发动机专用机油、某国外天然气发动机专用机油、国内某天然气发动机专用悍虎牌机油、国内某柴油机用机油，通过24h模拟城市公交工况测量机油耗，验证发现不一样的品牌机油对发动机机油消耗水平的确有影响，实验结果如下：

  在此以前，很多LNG重卡的用户无奈地选用了柴油机机油，由于天然气发动机里的油分子、燃烧温度与柴油发动机有着非常大的差异，导致普通的柴油机油很难满足CNG和LNG天然气发动机的需要，很容易出现发动机气门烧蚀、机件早期磨损和机油挥发变质的现象，给天然气汽车带来重大损害。

  LNG发动机燃烧室温度高、尾气排放温度高，要求油品具有更优异的耐高温性能和积碳控制能力。天然气是清洁能源，燃烧产物中无烟炱颗粒物，PM2.5排放量较低。但水蒸汽含量高，导致机油中水含量偏高，要求油品具有更加好的抗乳化性能。

  天然气干而无润滑性，气门及座圈更容易产生异常磨损和烧蚀，对活塞的沉积物没有润湿冲刷作用，因此要求油品燃烧后产生的灰分低。天然气中不含硫，对机油的抗酸要求比较低。因此LNG发动机不可以使用普通柴油机油，若使用普通的柴油机油会有以下后果：发动机早燃，爆震火花塞积碳，点火不正常进排气阀积碳，无法正常复位，阀门熔损活塞环粘结，缸套磨损发动机油过早衰败，不能向发动机提供有效充分的保护润滑性能差，气门嵌入

  将组合油环装在汽车上进行各种耐久性试验。在试验过程中, 因油环引起的问题( 润滑油消耗增加、窜气增多等) 一个也没发生。台架试验所得到的结果, 在实车耐久性试验中得到了证实。从实车耐久性试验和台架试验得到以下结论

  2 . 实车五千公里试验相当于台架试验190-290小时。从而能够认为, 对于柴油机轿车, 在台架上最低限度的耐久性一定要达到