机油在发动机内是怎样流动的 ?机油在发动机中起什么作用(图解)

02-20

大家都知道机油是用来润滑发动机的,每隔一段时间就要给发动机换机油。但是你知道机油在发动机中是如何流动的吗?机油是如何被送到各个摩擦表面的?今天我们就来详细的说一说发动机润滑系统是如何工作的,机油在发动机中循环流动的过程及路线是怎样的。


首先来给大家说一说发动机为什么需要润滑。

大家都知道发动机必须加机油,机油的主要作用就是润滑,没有机油发动机就会损坏,但是为什么会损坏,大家可能就语焉不详了。汽车发动机是一个复杂的能量转换机器,它可以将燃料的化学能转化为机械能对外输出。在能量转化过程中,有大量的零部件以一定的轨迹运动,在运动过程中零部件以一定的力作用在另一个零部件上,并且有高速的相对运动,这就是所谓的摩擦副。在汽车发动机中有多达数十个摩擦副,各摩擦副之间的配合间隙也有所不同,从几微米到零点几毫米不等。

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任何零部件表面都不是绝对光滑的,都有一定程度的表面粗糙度,即使我们看起来光洁无比的零部件,在显微镜下观察它的表面也是凸凹不平的。因此,在这些摩擦副的表面必然会发生摩擦和磨损。摩擦就会产生阻力,阻碍零部件的运动,消耗汽车的动力。实验表明,发动机的摩擦阻力大约会消耗发动机25%的功率。

我们还可以更形象的来看看这个摩擦阻力的大小:我们把车停放在一个30%的坡路上,挂入一档,松开刹车、手刹车和离合器,汽车可以稳定的停放在原地不动,这主要就是发动机内部摩擦阻力的作用。

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此外,摩擦副之间相对运动还会摩擦生热,使零部件升温,在没有润滑的情况下两块金属高速摩擦,产生的热量甚至可以将金属熔化,使二者烧结在一起。所谓的发动机“拉缸”“化瓦”就是这种情况,摩擦副由于缺少润滑散热而烧结在一起了,属于最严重的发动机机械故障了。


汽车发动机摩擦的类型可以分为滑动摩擦和滚动摩擦两大类。

滚动摩擦阻力较小,所以汽车上尽可能的采用滚动摩擦,比如各种轴承就是典型的滚动摩擦;而滑动摩擦阻力相对比大,比如活塞环与气缸壁之间、曲轴与气缸体、连杆之间,都属于滑动摩擦。此外,根据摩擦副之间的摩擦介质还可以分为干摩擦、边界摩擦、混合摩擦和液体摩擦,在汽车上这几种摩擦是同时存在的,在发动机中绝大多数部位都是液体摩擦,比如曲轴与气缸体、连杆之间、凸轮轴与气门之间,等等;而气缸壁与活塞环之间是边界摩擦。

机油在发动机内是怎样流动的 ?机油在发动机中起什么作用(图解)

为了降低由于摩擦导致的发动机功率消耗和零部件磨损,必须对零件的摩擦表面进行润滑,即在两零件的工作表面之间加入一层润滑油使其形成油膜,将零件完全隔开,处于完全的液体摩擦状态。

在汽车发动机中,能完成这项工作的装置就是润滑系统,它可以在发动机工作时连续不断地把数量足够、温度适当的洁净机油输送到传动件的摩擦表面,并在摩擦表面之间形成油膜,实现液体摩擦,从而达到减小摩擦阻力、降低功率消耗、减轻机件磨损、提高发动机工作可靠性和耐久性的目的。

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发动机润滑系统主要由机油、集滤器、机油泵、机油滤清器、机油冷却器、机油管道、机油压力传感器、机油压力表、机油压力警报灯、机油温度表、限压阀、止回阀、旁通阀等组成。


其中机油是润滑系统的工作介质,具有润滑、清洗、冷却、密封、防锈、缓冲减振等作用,同时还是液压气门挺杆、可变气门正时机构、正时链条张紧器等装置的工作介质,是发动机中最重要的液体,被称为“发动机的血液”。关于它的知识点非常多,在之前的多篇文章中有非常详细的论述,在此不再赘述。

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机油泵是润滑系统中的动力装置,润滑系统的压力就是由机油泵建立起来的,一般由曲轴正时齿轮驱动。它的作用是保证机油在润滑系统内循环流动,并在发动机任何转速下都能以足够高的压力向润滑部位输送足够数量的机油。机油泵按结构形式可分为齿轮式和转子式两类,其中的齿轮式又分内接齿轮式和外接齿轮式。


齿轮式机油泵的优点是效率高、功率损失小、工作可靠,转子式机油泵的优点是结构紧凑、供油量大、供油均匀、噪声小、吸油真空度较高。一般在轿车使用的汽油发动机上使用转子式机油泵,在卡车使用的柴油发动机上使用齿轮式机油泵。此外,由于发动机在各个不同的转速下对润滑的要求也不同,越来越多的发动机开始使用变排量机油泵,它可以在不同在转速下输出不同压力、不同流量的机油,以满足发动机在各个转速下的润滑需求。

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集滤器安装在机油泵的前面,用来吸取油底壳中的机油,它是具有金属滤网的过滤器,可以防止较大的机械杂质进入机油泵,事实上属于机油过滤系统的一部分。它的结构非常简单,就是由罩、滤网和吸油管组成。当发动机工作时,机油机油从罩与滤网间的狭缝被吸入,较大的杂质被过滤掉,干净的机油被吸入机油泵。当滤网被堵塞时,由于机油泵吸油形成的真空,迫使滤网向上,使滤网的圆孔离开罩,此时机油便直接进入吸油管,以避免机油供应中断。

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机油滤清器大家都很熟悉,俗称“机油滤芯”,每次更换机油的时候都必须把它同时更换掉。机油滤清器安装在机油泵之后、主油道之前,它的作用是过滤机油中的金属磨屑、积碳、胶质等杂质,保待机油的清洁,使循环流动的机油在送往运动零件表面之前得到净化处理,保证摩擦表面的良好润滑,延长其使用寿命。

现在发动机上使用最广泛的是纸质滤芯,它是由一种特制的微孔滤纸折叠而成的,可以过滤掉机油中直径为0.05~0.1mm之间杂质。

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根据机油的滤清方式,润滑系统可以分为两类:全流式和分流式。

全流式机油滤清器串联于机油泵和主油道之间,因此全部机油都经过它滤清,目前在轿车上普遍采用全流式机油滤清器,在卡车上应用得也日益广泛;分流式是指有一部分机油从机油泵出来后进入了细滤器,经过更细致的过滤后回到油底壳,细滤器一般是离心式的,可以清除机油中直径在0.001mm以上的细小杂质,它一般不需要更换,在保养时清理一下就可以了。这种分流式过滤 一般应用在大型柴油机上,不过为了保证机油的供给,一般只有10%的机油通过细滤器过滤,另外90%的机油都是通过粗滤器过滤的。此外为了保证主油道的压力,当机油压力过低时会关闭细滤器过滤通道。

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对于机油滤清器我想多说几句。它是汽车上的消耗性材料,有些人对它不是很重视,经常是使用非常昂贵的机油,但是却只使用廉价的机油滤芯。事实上它的作用是非常重要的,如果把机油比作发动机的血液的话,机油滤清器可以称为“发动机之肾”,可见它的重要性。机油滤芯有一个非常重要的指标是容污量,它是指机油滤清器能够过滤、容纳机油中杂质的能力。它与机油滤清器中滤纸的用量有直接关系,一般滤清器越大,滤纸越多,容污量也就越大,可以使用的时间就越长。


此外,机油滤芯中还有两个重要的阀——止回阀和旁通阀,可以防止机油回流和在机油滤芯堵塞时避免机油供应中断。在很多假的机油滤芯中,这几个部位都是不合格的,会影响机油的过滤效果和机油的供应,所以我们一定要选择优质的正品机油滤清器。

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机油冷却器一般应用在大负荷、高强化、高增压的发动机上,普通的自然吸气发动机较少使用,也叫做机油散热器。

它的作用是把机油的热量散发到周围的空气中,防止机油温度过高。它串联在润滑油道中,一般分为风冷式和水冷式两类,在民用车上水冷式应用较多。它是把机油冷却器安装在冷却水道中,依靠冷却液循环流动来给机油降温,这种布置方式外形尺寸小,布置方便,且不会使机油冷却过度,机油温度稳定。由于机油的压力高于冷却液的压力,所以如果在水中发现机油时,基本就可以判断为机油冷却器损坏了。

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机油压力传感器、机油温度传感器、机油压力表、机油压力警报灯、机油温度表,这几个装置属于润滑系统的信号与警示装置,可以将润滑系统的工作状态显示在仪表盘上,提醒驾驶员注意。机油压力传感器一般有两个,一个安装在主油道上,监测润滑系统的总压力;另一个安装在缸盖上,监测气缸盖部位的机油压力。一般主油道机油压力低时,机油压力警报灯会点亮并长鸣,而气缸盖部位机油压力低时,机油压力警报灯会闪烁并间歇鸣叫。而机油的温度一般略高于水温,在100~110°C之间,超过一定阈值时也会报警。不过在普通的家用车上一般是没有机油温度显示的。

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接下来我们就来看看机油在发动机中是如何循环流动的。在此之前,我们首先来看看发动机的润滑方式。由于发动机传动件的工作条件不尽相同,因此,对负荷及相对运动速度不同的传动件采用不同的润滑方式,主要有压力润滑、飞溅润滑和润滑脂润滑这三种。


压力润滑是指把机油以一定的压力供入摩擦表面的润滑方式,它一般用于主轴承、连杆轴承及凸轮轴承等负荷较大的摩擦表面的润滑;飞溅润滑是利用发动机工作时运动件溅泼起来的油滴或油雾润滑摩擦表面的润滑方式,该方式主要用来润滑负荷较轻的气缸壁面和配气机构的凸轮、挺柱、气门杆以及摇臂等零件的工作表面;润滑脂润滑是指通过润滑脂嘴定期加注润滑脂来润滑零件的工作表面,如水泵及发电机轴承等,这种方式现在已经很少见了。

机油在发动机内是怎样流动的 ?机油在发动机中起什么作用(图解)

现在我们来看看机油在发动机中的循环路线。发动机的机油储存在油底壳中,当发动机开始运转时,带动机油泵转动,由于机油泵具有自吸作用,可以把机油通过集滤器从油底壳中吸上来,并建立一定的压力,送入机油滤清器。为了防止在冷车启动、机油粘度过大、发动机高速运转时机油压力过高,在机油泵上通常安装有限压阀,当机油压力超过一定值时(一般是0.8MPa),限压阀打开,将多余的机油直接泄入到油底壳中。机油泵的流量一般在10~40升/分钟之间,对于绝大多数的发动机来说,机油在30秒之内就可以在发动机中循环一次。

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具有一定压力的机油从机油泵中出来后,如果是全流式滤清,机油会全部进入机油滤清器;如果是分流式滤清,会有10%左右的机油进入机油细滤器。为了保证主油道的机油压力正常,防止在机油压力过低的情况下机油被分流,在机油细滤器之前设置了一个进油限压阀,只有在机油压力超过0.1MPa的情况下,机油才能顶开限压阀进入机油细滤器。具有一定压力的机油进入机油细滤器后,会从两个细小的喷嘴中喷出,由此产生的反向作用力推动细滤器高速旋转(转速可达10000转/分钟),带动机油高速旋转,产生的离心力将机油中的杂质抛向细滤器壳体内壁上并沉淀,过滤后的清洁机油从出油口直接流回油底壳。为了防止机油细滤器堵塞导致机油压力异常,还设置了一个旁通阀,压力超过0.6MPa时打开,机油直接从旁通阀流回油底壳。机油细滤器在工作时有一种轻微的“嗡嗡”声,在发动机熄火后也会持续几秒钟,这也是判断它是否正常工作的方法之一。

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对于大部分汽车发动机来说,都采用的是全流式滤清方式。

具有一定压力的机油从机油泵中出来后,机油会全部进入机油滤清器,从滤芯的四周小孔进入,经过滤纸过滤后,杂质和胶质等留在滤纸表面,清洁的机油进入滤芯中间并从出油口流出,进入主油道。在机油滤清器中有两个非常重要的阀:旁通阀和止回阀。当机油滤芯堵塞时,旁通阀打开,机油不经过滤纸过滤直接进入主油道;止回阀是防止机油在发动机熄火后流回油底壳,保证发动机在启动后直接形成油压,尽可能的减少发动机干摩擦的时间。这两个阀的开启压力是经过精确计算的,如果使用劣质的机油滤清器,这两个阀件质量不佳,再加上滤纸过滤效果差,会严重影响机油的过滤效果。

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如果设置有水冷式机油散热器,机油从滤清器里出来后会直接进入机油散热器,经过发动机冷却液的冷却后流入主油道。为了避免机油散热器堵塞导致机油供应不足,同时避免过高的机油压力损坏机油散热器,在机油散热器上设置有旁通阀,当机油压力高于0.4MPa时,旁通阀打开,机油直接进入主油道。


进入主油道的机油,都具有一定的压力,这就是所谓的“机油压力”,一般在0.2~0.5Mpa之间,机油压力传感器就安装在这里,将机油压力值转换成电信号传输到仪表盘上,供驾驶员参考。一般在卡车或工程机械上,都采用机油压力表来显示机油的压力;而在乘用车上更多的采用机油压力警告灯。如果发动机机油压力过低,会造成润滑不良,加剧零件的磨损;如果机油压力过高,会导致发动机密封困难,油封漏油,机油消耗量增大等。

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在主油道中,机油会根据发动机结构的不同,分别流向不同的方向,比如曲轴主轴承、连杆轴承、活塞机油喷嘴、凸轮轴、气门摇臂、液压气门挺杆、正时齿轮、正时链条、增压器、气泵、喷油泵、可变气门正时机构、正时链条张紧器等,下面分别来说说。

1、主油道→曲轴主轴承、连杆轴承:机油从主油道上的分支进入曲轴主轴承,一般曲轴有几道支撑,就有几个分支油道,比如四缸发动机一般有五个分支油道,六缸发动机一般有七个分支油道。在曲轴主轴承上有对应的孔,机油从这里进入到主轴承与曲轴之间,以润滑摩擦副,多余的机油从主轴承与曲轴之间的缝隙流出,直接返回油底壳。还有一部分机油从曲轴主轴承通过曲轴内部的油道流入连杆轴承,以润滑连杆轴承与连杆轴颈,多余的机油也是从二者之间的缝隙流出返回油底壳。对于下置式凸轮轴,还有一部分机油从曲轴主轴承流入到凸轮轴轴承,以润滑凸轮轴与缸体之间的摩擦副,多余的机油从凸轮轴轴颈上的溢流孔流出,在重力作用下回到油底壳。这几个部位都属于压力润滑的范畴,发动机中大部分机油都应用在这些部位,当这几个部位摩擦副间隙增大时,会导致机油泄漏量增大,发动机机油压力降低,这种情况一般就需要大修了。

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2、主油道→活塞机油喷嘴:现在很多高强化的发动机燃烧室温度较高,活塞的温度也较高,因此需要专门的装置给活塞冷却,这个工作就由活塞机油喷嘴来完成。在每一个气缸对应的主油道位置安装一个机油喷嘴,当主油道压力超过0.1MPa时,机油喷嘴上的阀门打开,一定压力的机油直接喷向活塞底部,给活塞散热降温,溅落的机油一小部分用来润滑活塞销和气缸壁,其余的落回油底壳。

3、主油道→顶置凸轮轴、气门摇臂、气门等:机油从主油道向上分出一个分支,直接到达气缸盖,然后进入凸轮轴轴颈与气缸盖之间、气门摇臂与摇臂轴之间,压力润滑这些部位,多余的机油从这些摩擦副的缝隙流出,被高速旋转的凸轮轴带动四处飞溅,以润滑气门摇臂与气门杆、气门弹簧等,最后这些机油都从气缸盖上的油道流回油底壳。为了避免发动机熄火后机油回流,在油道口位置有一个止回阀,可以让气缸盖部分保持一定的机油压力。

机油在发动机内是怎样流动的 ?机油在发动机中起什么作用(图解)

4、主油道→正时齿轮、正时链条、增压器、气泵、喷油泵等:这几个部位都需要特殊的润滑,所以一般都单独设置专门的润滑油道或机油喷嘴来导入机油,润滑后的机油在重力作用下流回油底壳。这里特别重要的是增压器润滑,由于增压器转子转速非常高、工作温度非常高,所以需要的机油流量大、压力足,相应的机油管路也比较粗。

5、主油道→液压气门挺杆、可变气门正时机构、正时链条张紧器:这几个装置属于发动机的液压伺服机构,机油在其内部会维持一定的压力,经常是封闭运行,与润滑系统循环交流较少。在调节内部压力时,多余的机油直接流出,顺着固定的油道返回油底壳。

机油在发动机内是怎样流动的 ?机油在发动机中起什么作用(图解)

以上就是发动机润滑系统主要零部件的结构、工作原理以及机油在润滑系统中循环流动的路径。可以看出,几乎所有部位的机油润滑后都是直接流入油底壳的,然后重新被吸入机油泵参与下一次循环,一般机油在发动机中每半分钟就会循环流动一次,应该说是非常高效的。

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