直噴汽油機(jī)機(jī)油稀釋的優(yōu)化研究

王　　斌　張建川　馬少康　侯曉東　田　　丹　李敏澤（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

直噴汽油機(jī)機(jī)油稀釋的優(yōu)化研究

王斌1，2張建川1，2馬少康1，2侯曉東1，2田丹1，2李敏澤1，2
（1-長城汽車股份有限公司技術(shù)中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術(shù)研究中心）

機(jī)油稀釋現(xiàn)象是汽油發(fā)動(dòng)機(jī)常見的質(zhì)量問題，隨著增壓直噴技術(shù)的引入，機(jī)油稀釋問題的趨勢更加嚴(yán)重。機(jī)油稀釋會(huì)導(dǎo)致機(jī)油運(yùn)動(dòng)粘度的明顯下降，破壞機(jī)油的使用性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)破壞運(yùn)動(dòng)部件的油膜建立，造成發(fā)動(dòng)機(jī)整體可靠性的降低。以一臺(tái)3.0L增壓直噴汽油機(jī)為例，在臺(tái)架試驗(yàn)過程中，通過對(duì)比分析計(jì)算油耗與實(shí)測油耗的關(guān)系，可以確定不同標(biāo)定策略下機(jī)油稀釋的整體趨勢，從而確定該工況下最優(yōu)的標(biāo)定策略，為優(yōu)化不同工況下機(jī)油稀釋問題找到了一條快速而準(zhǔn)確的途徑。

機(jī)油稀釋噴油策略油耗比

引言

在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)過程中，如果停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)有機(jī)油液位升高的現(xiàn)象，則可斷定出現(xiàn)了機(jī)油稀釋問題。所謂機(jī)油稀釋現(xiàn)象，即燃油、燃燒不完全產(chǎn)物、冷卻液、機(jī)油氧化物及摩擦產(chǎn)生的不溶物等物質(zhì)通過非正常渠道進(jìn)入機(jī)油，使機(jī)油粘度快速下降的現(xiàn)象。機(jī)油稀釋在試驗(yàn)中的具體表現(xiàn)除了有機(jī)油液位升高現(xiàn)象以外，通常會(huì)伴有機(jī)油壓力下降，曲軸箱竄油量增多等問題[1，2]。在傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)開發(fā)過程中，對(duì)于機(jī)油稀釋問題的評(píng)價(jià)主要依賴于試驗(yàn)結(jié)果的檢測分析，時(shí)間周期長，成本高。在臺(tái)架試驗(yàn)過程中，通過理論分析及實(shí)測過量空氣系數(shù)的關(guān)系，可以快速得到機(jī)油稀釋的趨勢，對(duì)標(biāo)定策略進(jìn)行評(píng)估并指明改進(jìn)方向，試驗(yàn)周期短，成本低，可以廣泛應(yīng)用到發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋問題的解決中。

1　機(jī)油稀釋評(píng)價(jià)準(zhǔn)則及試驗(yàn)表現(xiàn)

1.1機(jī)油稀釋評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

發(fā)動(dòng)機(jī)更換全新機(jī)油，在所需評(píng)價(jià)的發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)下運(yùn)行2 h后，機(jī)油壓力穩(wěn)定不變，此時(shí)可以認(rèn)為機(jī)油稀釋量和汽油的揮發(fā)量達(dá)到平衡，停機(jī)對(duì)機(jī)油進(jìn)行收集并檢測。國際知名石油公司對(duì)于機(jī)油稀釋的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各有不同，總體來說一般以運(yùn)動(dòng)粘度變化率（使用后機(jī)油與全新機(jī)油的運(yùn)動(dòng)粘度之比）及機(jī)油稀釋率（汽油含量）作為標(biāo)價(jià)準(zhǔn)則[3]，當(dāng)兩項(xiàng)參數(shù)超過一定限值后，就可以認(rèn)定產(chǎn)生了明顯的機(jī)油稀釋問題，檢測標(biāo)準(zhǔn)見表1。

作者簡介：王斌（1984—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾录夹g(shù)應(yīng)用及整機(jī)開發(fā)。

表1機(jī)油稀釋檢測標(biāo)準(zhǔn)

1.2機(jī)油稀釋試驗(yàn)表現(xiàn)

以某3.0LGDI發(fā)動(dòng)機(jī)為例，臺(tái)架試驗(yàn)使用SN 級(jí)5W-30機(jī)油，新油運(yùn)動(dòng)粘度≥10.1mm2/s，其它性能參數(shù)見表2。在試驗(yàn)過程中多次出現(xiàn)機(jī)油液位升高現(xiàn)象（升高幅度≥1cm，增加質(zhì)量≥450g）。經(jīng)過全工況驗(yàn)證，證實(shí)發(fā)生機(jī)油稀釋的工況集中在轉(zhuǎn)速2400r/min～5200r/min，負(fù)荷80%～100%區(qū)域，其中2400r/min～4000r/min、100%負(fù)荷區(qū)域機(jī)油稀釋問題嚴(yán)重。機(jī)油運(yùn)動(dòng)粘度及機(jī)油稀釋率檢測結(jié)果見圖1、圖2。

表2　 機(jī)油性能參數(shù)

圖1　運(yùn)動(dòng)粘度檢測結(jié)果

圖2　 機(jī)油稀釋率檢測結(jié)果

2　影響機(jī)油稀釋的因素

機(jī)油稀釋問題是多種因素共同作用的結(jié)果，長城汽車賈殿臣等人[4]已對(duì)機(jī)油選用牌號(hào)、噴油角度、機(jī)油溫度、活塞漏氣量等因素對(duì)機(jī)油稀釋的影響作出了詳細(xì)分析。本文以某3.0LGDI發(fā)動(dòng)機(jī)為例，主要對(duì)噴油器結(jié)構(gòu)布置及噴油策略導(dǎo)致的噴油濕壁進(jìn)行對(duì)比分析和研究。

2.1噴油器選型

在現(xiàn)有的汽油缸內(nèi)直噴技術(shù)發(fā)展下，噴油器普遍使用電磁驅(qū)動(dòng)式，噴孔數(shù)量為5～9孔，油軌壓力≤20MPa。根據(jù)不同燃燒系統(tǒng)的需要，噴油器布置形式分為側(cè)置式及中置式。本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)采用了中置式6孔噴油器，通過對(duì)比不同噴霧錐角的評(píng)價(jià)結(jié)果（見表3），最終選定噴霧錐角為82°，具體布置形式見圖3。

表3　噴霧錐角評(píng)價(jià)

圖3　 噴油器布置形式

2.2噴油策略

在已經(jīng)選定噴油器類型及布置形式的情況下，噴油策略對(duì)于機(jī)油稀釋的影響主要體現(xiàn)在改善燃油濕壁問題上，同時(shí)也是本文重點(diǎn)研究方向。主要的噴油策略參數(shù)包括噴油起始角SOI（Startof Injection）、噴油結(jié)束角EOI（End of Injection）及二次噴油比例SIP（Second Injection Proportion）。目前的汽油直噴系統(tǒng)類型基本上為均質(zhì)直噴，噴油通常開始于進(jìn)氣沖程，結(jié)束于壓縮沖程，因此提前噴油起始角SOI，推遲噴油結(jié)束角EOI有利于減少燃油濕壁問題[5]，后文會(huì)對(duì)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。

3　機(jī)油稀釋分析方法

由于機(jī)油稀釋的根本原因就是燃油進(jìn)入到機(jī)油中導(dǎo)致機(jī)油粘度下降，因此可以斷定，當(dāng)發(fā)生機(jī)油稀釋問題時(shí)，并不是所有燃油都參與燃燒，必定會(huì)有一部分未燃的燃油通過各部渠道最終進(jìn)入到機(jī)油中。通過分析未參與燃燒的燃油量與總?cè)加凸┙o量之間的關(guān)系，就可以確定特定工況下機(jī)油稀釋的嚴(yán)重程度。

將計(jì)算燃油消耗率與實(shí)測燃油消耗率之間的差異定義為DFR（Difference of FuelRate），則有：式中：Breal為臺(tái)架實(shí)測燃油消耗量，Bcal為計(jì)算燃油消耗量，由實(shí)測空氣消耗量Aa及實(shí)測空燃比α計(jì)算得到。當(dāng)出現(xiàn)機(jī)油稀釋問題時(shí)，DFR為正值，隨著機(jī)油稀釋問題趨勢更加嚴(yán)重，DFR的數(shù)值會(huì)變大，由此可以分析不同噴油策略對(duì)于機(jī)油稀釋問題的影響。

由于不同轉(zhuǎn)速及負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)差異很大，故此分析方法更適用于單個(gè)試驗(yàn)工況機(jī)油稀釋的優(yōu)化。

4　試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

在已知發(fā)生機(jī)油稀釋的工況范圍內(nèi)挑選具有典型意義的工況：轉(zhuǎn)速4000r/min、負(fù)荷100%，應(yīng)用DFR分析方法進(jìn)行優(yōu)化，該工況的原始噴油策略參數(shù)及機(jī)油檢測結(jié)果見表4。

表4原始噴油策略及檢測結(jié)果

4.1噴油起始角的影響

圖4　噴油起始角對(duì)機(jī)油稀釋及煙度的影響

由圖4可知，在其他標(biāo)定參數(shù)不變的情況下，DFR值隨噴油起始角SOI的提前呈下降趨勢。這是由于提前噴油加長了油滴霧化的準(zhǔn)備時(shí)間，對(duì)造成噴油濕壁的燃油蒸發(fā)起到了促進(jìn)作用，有助于均質(zhì)混合氣的形成，對(duì)機(jī)油稀釋的改善作用很明顯。但是，過大的SOI角導(dǎo)致大量的燃油在進(jìn)氣上止點(diǎn)附近直接噴到了活塞上，會(huì)造成煙度值的快速上升，最高達(dá)到1.1左右。綜合機(jī)油稀釋優(yōu)化及煙度排放，考慮將SOI暫定為345°CA左右。

4.2噴油結(jié)束角及二噴比例的影響

在采用二次噴射策略的情況下，噴油結(jié)束角EOI及二次噴油比例SIP之間存在直接聯(lián)系，在進(jìn)行機(jī)油稀釋優(yōu)化時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮兩者的影響。圖5為二次噴油比例0.3、噴油起始角345°CA情況下，僅調(diào)整噴油結(jié)束角情況下DFR與煙度的關(guān)系。推遲噴油結(jié)束角可以將更多比例的燃油噴到活塞頂面部分，減少因噴油濕壁造成的機(jī)油稀釋問題。但由于活塞已接近壓縮上止點(diǎn)，燃油霧化準(zhǔn)備的時(shí)間很短，煙度值變化更加劇烈，EOI=60°CA時(shí)煙度值高達(dá)2.0，當(dāng)EOI=70°CA時(shí)煙度迅速下降，實(shí)測值僅為0.85，可見推遲噴油結(jié)束角可改善機(jī)油稀釋，但其對(duì)煙度的影響更加敏感。

圖5　噴油結(jié)束角對(duì)機(jī)油稀釋及煙度的影響

當(dāng)使用不同二次噴油比例時(shí)，煙度的變化趨勢基本一致，但對(duì)于機(jī)油稀釋改善的影響則比較復(fù)雜。從圖6中可以看出，使用更大的二次噴油比例，在不同噴油結(jié)束角的情況下對(duì)機(jī)油稀釋均有不同程度的改善，在改善較為明顯的小噴油結(jié)束角區(qū)域中，采用二次噴油比例為0.3的噴油策略更為突出。綜合考慮，可確定優(yōu)化后的噴油參數(shù)為SOI=345°CA、EOI= 75°CA、SIP=0.3。

圖6　二次噴油比例對(duì)機(jī)油稀釋的影響

轉(zhuǎn)速4000r/min、負(fù)荷100%工況使用DFR方法優(yōu)化后，經(jīng)檢測機(jī)油運(yùn)動(dòng)粘度≥8.32mm2/s、機(jī)油稀釋率≤4.75，機(jī)油稀釋改善明顯，外特性下其他轉(zhuǎn)速工況優(yōu)化結(jié)果見圖7、圖8。

圖7　優(yōu)化后運(yùn)動(dòng)粘度檢測結(jié)果

圖8　優(yōu)化后機(jī)油稀釋率檢測結(jié)果

5　結(jié)論

1）使用DFR方法，通過分析計(jì)算油耗值及實(shí)測油耗值之間的關(guān)系，可以快速準(zhǔn)確地確定某工況下機(jī)油稀釋的趨勢，為噴油策略的調(diào)整提供可靠的參考，縮短了開發(fā)周期，節(jié)省了大量人力及臺(tái)架試驗(yàn)資源。

2）為優(yōu)化機(jī)油稀釋問題，可以在平衡其他邊界條件的情況下，嘗試提前噴油起始角、推遲噴油結(jié)束角、調(diào)整二次噴油比例，選取不同的組合使用DFR方法進(jìn)行分析對(duì)比，確定最優(yōu)的噴油策略。

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OilDilution Optim ization Research ofGDIEngine

W ang Bin1，2，Zhang Jianchuan1，2，M a Shaokang1，2，Hou Xiaodong1，2，Tian Dan1，2，LiM inze1，2
1-Technical Center,GreatWallMotor Company Limited（Baoding，Hebei，071000，China）

2-HebeiAutomobile Engineering Technology&Research Center

Oildilution isa common problem ofgasoline engine,thisphenomenon willgetworse alongwith the developing ofGDItechnology.Oildilution could lead to the decrease ofoil′sdynamic viscosity，which will break the oil film between moving parts.In this paper，a 3.0L TGDI engine has been investigated. During the engine test,the differencebetween the calculated fuel rate and the real fuel rate could show the trend of oil dilution when different calibration strategies are used.Thismethod will shorten the product developmentcycleand save the R&D cost.

Oildilution，Injection strategies，DFR

TK411+.9

A

2095-8234（2015）01-0017-04

（2014-12-25）