增壓直噴汽油機(jī)冷怠速機(jī)油稀釋試驗(yàn)研究

孫曉東 高尚志 潘建考 楊 陳 尹建東 王瑞平，2

（1-寧波吉利羅佑發(fā)動(dòng)機(jī)零部件有限公司 浙江 寧波 315000 2-浙江吉利動(dòng)力總成有限公司）

引言

機(jī)油稀釋包括燃油噴射稀釋和機(jī)油揮發(fā)稀釋，本文重點(diǎn)研究燃油噴射稀釋[1]。相對(duì)于進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)由于汽油直接噴入缸內(nèi)，油氣混合時(shí)間短，燃油貫穿距離大，更加容易造成燃油濕壁。隨著活塞的運(yùn)動(dòng)，燃油對(duì)機(jī)油造成的稀釋情況在增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)上表現(xiàn)尤為明顯。機(jī)油稀釋使機(jī)油粘度下降，導(dǎo)致機(jī)油提前失效甚至發(fā)動(dòng)機(jī)損壞[2]。

本文選取某款1.0L 排量增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，在冷機(jī)狀態(tài)下，通過不同試驗(yàn)邊界、不同工況下的燃油稀釋率對(duì)比，研究機(jī)油稀釋影響因素，同時(shí)監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及水溫等參數(shù)。

1 試驗(yàn)研究背景

1.1 問題來源

所選發(fā)動(dòng)機(jī)在進(jìn)行冷熱沖擊耐久試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)燃油稀釋問題明顯，在冷怠速工況機(jī)油稀釋更加明顯。為了探究引起這種問題的原因，對(duì)此進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)主要參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)使用的主要測(cè)試設(shè)備如表2 所示。

表2 試驗(yàn)主要設(shè)備

2 機(jī)油稀釋工況研究

2.1 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架上進(jìn)行機(jī)油稀釋的試驗(yàn)工況采用AVL 標(biāo)準(zhǔn)（如表3 所示）和FEV 標(biāo)準(zhǔn)（如表4 所示）的試驗(yàn)方法來驗(yàn)證機(jī)油稀釋。

表3 AVL 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)油稀釋驗(yàn)證工況

表4 FEV 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)油稀釋驗(yàn)證工況

按表3 運(yùn)行7 個(gè)循環(huán)，共計(jì)6h4min。

在FEV 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)油稀釋工況中，需要分別控制過量空氣系數(shù)為0.8、0.9、1 進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證不同空燃比的機(jī)油稀釋情況。

2.2 試驗(yàn)方法

AVL 標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)中，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速轉(zhuǎn)矩點(diǎn)、最大轉(zhuǎn)矩點(diǎn)及最大功率點(diǎn)循環(huán)進(jìn)行，并且在大負(fù)荷因空燃比加濃而更容易出現(xiàn)稀釋情況，考察方法比較充分。

FEV 試驗(yàn)中，運(yùn)行的機(jī)油稀釋工況點(diǎn)為固定工況點(diǎn)，出水溫度控制為50℃，在不同的空燃比下進(jìn)行長時(shí)間運(yùn)行，也更易于出現(xiàn)機(jī)油稀釋。

2 種方法各有利弊，試驗(yàn)中對(duì)2 種方法都進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)于機(jī)油稀釋的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)各有不同，一般以運(yùn)動(dòng)粘度變化率及機(jī)油稀釋率作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[3]，不同公司機(jī)油稀釋標(biāo)準(zhǔn)如表5 所示。

表5 機(jī)油稀釋評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) %

FEV 和AVL 機(jī)油稀釋結(jié)果如表6 和表7 所示。

表6 AVL 工況機(jī)油稀釋結(jié)果 %

表7 FEV 試驗(yàn)方法的機(jī)油稀釋結(jié)果 %

按照AVL 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況并且對(duì)每個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行了機(jī)油稀釋的驗(yàn)證，機(jī)油稀釋都在3.5%以內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果在限值之內(nèi)。

按照FEV 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況進(jìn)行，過量空氣系數(shù)分別控制為0.8、0.9、1 進(jìn)行試驗(yàn)，其機(jī)油稀釋的結(jié)果都在3%以內(nèi)，在該工況點(diǎn)空燃比對(duì)燃油稀釋影響不大，試驗(yàn)結(jié)果在限值之內(nèi)。

按標(biāo)準(zhǔn)工況進(jìn)行驗(yàn)證的結(jié)果在限值之內(nèi)，然而特殊的試驗(yàn)工況和實(shí)際駕駛習(xí)慣會(huì)較標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)工況差別很大。在冷熱沖擊試驗(yàn)中機(jī)油稀釋的結(jié)果就會(huì)有很大的差異。

3 冷工況下的機(jī)油稀釋

3.1 冷熱沖擊試驗(yàn)工況

冷熱沖擊試驗(yàn)主要是驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷零件（如活塞、連桿及曲軸等）的可靠性，以及軸承、活塞環(huán)及配氣機(jī)構(gòu)等零部件耐磨特性，是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行耐久考核項(xiàng)目中一個(gè)很重要的耐久考核方法。在進(jìn)行冷熱沖擊耐久試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)機(jī)油稀釋率很高，其冷熱沖擊的試驗(yàn)工況如表8 所示。

表8 冷熱沖擊試驗(yàn)工況

3.2 試驗(yàn)問題分析

通過表8 的試驗(yàn)工況可見，試驗(yàn)主要有2 個(gè)穩(wěn)態(tài)工況，額定功率工況及冷機(jī)怠速工況。其中額定功率工況，其空燃比加濃，但出水溫度較高，在表6 中，AVL 方法的試驗(yàn)結(jié)果顯示額定功率點(diǎn)的機(jī)油稀釋問題不會(huì)很大，冷怠速工況則出水溫度較低，機(jī)油稀釋的問題較大。試驗(yàn)分別對(duì)冷熱沖擊循環(huán)、額定功率點(diǎn)、冷怠速工況點(diǎn)的機(jī)油稀釋情況進(jìn)行分別測(cè)試，來確定冷熱沖擊試驗(yàn)中機(jī)油稀釋偏高的原因。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

冷熱沖擊循環(huán)工況及穩(wěn)態(tài)分解工況機(jī)油稀釋如表9 所示。

表9 冷熱沖擊中的機(jī)油稀釋 %

從表9 中結(jié)果可見，在冷熱沖擊循環(huán)工況中，機(jī)油稀釋的主要原因是冷怠速工況產(chǎn)生的，優(yōu)化冷怠速噴油控制是解決問題的關(guān)鍵。

4 優(yōu)化冷怠速機(jī)油稀釋

目前汽油直噴系統(tǒng)類型基本上為均質(zhì)直噴，噴油通常開始于進(jìn)氣沖程，因此提前噴油起始角SOI有利于減少濕壁問題[4]。

4.1 優(yōu)化方案

發(fā)動(dòng)機(jī)冷怠速下運(yùn)行，燃油壓力為9 MPa，噴油開始時(shí)刻SOI 為450°CA ATDC。

根據(jù)當(dāng)前燃油壓力和噴油時(shí)刻，燃油壓力在基礎(chǔ)值增大和減少3 MPa，噴油時(shí)刻在基礎(chǔ)值增大和減少30°CA。變量控制按圖1 的方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 油軌壓力和SOI 試驗(yàn)矩陣圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同燃油壓力和SOI 試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同燃油壓力和SOI 燃油稀釋

試驗(yàn)結(jié)果表明，在冷怠速時(shí)，機(jī)油稀釋與噴油時(shí)刻和燃油壓力有一定的關(guān)系，燃油稀釋隨著燃油壓力的變大而減小，隨著噴油開始時(shí)刻的變大而減小。但冷怠速標(biāo)定時(shí)要考慮催化器起燃控制，暖機(jī)功能控制，燃燒穩(wěn)定性及冷機(jī)排放等很多方面的因素，本次試驗(yàn)的結(jié)果只針對(duì)冷怠速機(jī)油稀釋進(jìn)行研究。

5 結(jié)論

1）標(biāo)準(zhǔn)機(jī)油稀釋試驗(yàn)結(jié)果不能覆蓋所有發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況。

2）在低溫冷怠速工況可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的機(jī)油稀釋現(xiàn)象。

3）冷機(jī)怠速的機(jī)油稀釋問題可以通過優(yōu)化標(biāo)定數(shù)據(jù)來解決，影響趨勢(shì)為在一定范圍內(nèi)，機(jī)油稀釋隨著燃油壓力的變大而減小，隨著噴油開始時(shí)刻的提前而減小。