運行參數(shù)對燃油稀釋機油影響的研究

段 偉，牛貝妮，孔峻青，解方喜，洪 偉

（1.吉利汽車研究院（寧波）有限公司，寧波 315336；2.菲亞特克萊斯勒動力科技研發(fā)（上海）有限公司，上海 201807；3.吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130025；4.上海宏景智駕信息科技有限公司，上海 201804）

0 概述

隨著輕型汽車污染物排放法規(guī)（國六）［1］及更加嚴格的油耗法規(guī)［2］的實施，內(nèi)燃機產(chǎn)業(yè)面臨嚴峻挑戰(zhàn)。由于汽油缸內(nèi)直噴（gasoline direct injection，GDI）具有節(jié)能與減排的優(yōu)勢，成為乘用車市場的主流技術(shù)。但與進氣道噴射（port fuel injection，PFI）相比，GDI 發(fā)動機機油稀釋率較高，而采用混合動力技術(shù)的車輛較傳統(tǒng)汽油機車輛會帶來更高的燃油稀釋機油水平。機油稀釋是破壞機油理化性質(zhì)的主要原因之一，會降低運動黏度，導(dǎo)致機油壓力降低，嚴重時使發(fā)動機關(guān)鍵零部件潤滑不足，降低發(fā)動機工作可靠性和使用壽命，且文獻［3-4］的研究結(jié)果表明，機油稀釋與顆粒物排放及早燃有一定的關(guān)聯(lián)。因此，在發(fā)動機開發(fā)階段監(jiān)測與優(yōu)化機油稀釋水平具有重要意義。

目前，發(fā)動機機油稀釋測試一般包括離線測試和在線測試兩種方式，離線測試法主要有氣相色譜儀測試法［5］、機油理化性質(zhì)檢測法［6］和熱解重測試法［7］，離線測試法一般需要進行特定的機油稀釋試驗，試驗結(jié)束后采集機油樣品進行分析，時間周期較長。在線測試法中使用較廣泛的有示蹤元素法［8-9］、激光誘導(dǎo)熒光譜分析法［10］和熱解吸燃油測試法［11］，可以實時監(jiān)測關(guān)鍵控制參數(shù)對機油稀釋的影響，但一般設(shè)備較昂貴。

文獻［12］中通過數(shù)值模擬的方法研究了噴油策略對增壓直噴汽油機燃油濕壁與機油稀釋的影響。文獻［13］中探究了增壓直噴汽油機機油稀釋的影響因素與優(yōu)化方向。文獻［14］中研究了增壓直噴汽油機冷機怠速工況下，控制參數(shù)對機油稀釋的影響。文獻［15］中提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測發(fā)動機缸壁上燃油與機油稀釋模型的液相擴散系數(shù)。文獻［16］中研究了燃油特性對柴油機燃油稀釋機油的影響。本文中基于某混合動力車型，在發(fā)動機臺架和整車轉(zhuǎn)鼓上，分別研究了發(fā)動機關(guān)鍵控制參數(shù)、車輛運行循環(huán)和電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）對燃油稀釋機油的影響，根據(jù)研究結(jié)果建立了一種機油稀釋的監(jiān)控模型并在真實道路驗證了其準確性。采用優(yōu)化的發(fā)動機控制參數(shù)和機油監(jiān)控模型的混合動力車型，能夠改善燃油稀釋機油水平，特別在較低的環(huán)境溫度和車輛短距離行駛時，并為車輛提供了一種除固定公里數(shù)和時間以外的更加靈活的保養(yǎng)方式。

1 發(fā)動機技術(shù)參數(shù)與測試循環(huán)

1.1 發(fā)動機技術(shù)特點

該混合動力車型匹配的是缸內(nèi)直噴增壓汽油機，其中噴油器側(cè)置于進氣岐管上方，采用多孔式噴油器，通過噴霧和氣流運動在缸內(nèi)形成均勻混合氣，實現(xiàn)均質(zhì)燃燒，應(yīng)用凸輪驅(qū)動式電液系統(tǒng)實現(xiàn)氣門靈活控制，并采用排氣歧管集成于缸體內(nèi)及電子節(jié)溫器技術(shù)形成高效熱管理系統(tǒng)。

1.2 試驗方法

在發(fā)動機臺架和整車轉(zhuǎn)鼓上研究運行參數(shù)對燃油稀釋機油的影響。采用GDI 發(fā)動機在低速低負荷工況下進行臺架試驗，在穩(wěn)態(tài)工況下研究冷卻液溫度（或機油溫度）和噴油起始相位θSOI對燃油稀釋機油的影響，試驗中邊界條件為：大氣壓力為100.3 kPa，環(huán)境溫度為25 ℃，進氣中冷溫度控制在35 ℃。試驗工況參數(shù)如表1所示。每次調(diào)整冷卻液溫度或θSOI后穩(wěn)定1 min，記錄發(fā)動機運行的臺架參數(shù)，包括冷卻液溫度、噴油正時、進氣質(zhì)量、比油耗、發(fā)動機氣體排放及顆粒物的排放等數(shù)據(jù)。本文中噴油起始相位的參考始點與點火角相同，都為發(fā)動機壓縮上止點，從參考始點到噴油開始的角度定義為噴油起始相位θSOI，正數(shù)表示上止點前，如285°曲軸轉(zhuǎn)角為上止點前285°曲軸轉(zhuǎn)角。

表1 發(fā)動機工況及邊界條件

為了模擬終端客戶冷氛圍下駕駛車輛在不同駕駛循環(huán)下（城市短距離駕駛工況、郊區(qū)道路、高速公路）和不同電池SOC 下發(fā)動機起停工況對燃油稀釋機油的影響。選取全球統(tǒng)一輕型車測試循環(huán)（worldwide harmonized light-duty vehicles test cycle，

WLTC）為燃油稀釋機油試驗的基礎(chǔ)測試循環(huán)，并分別截取不同的時間區(qū)域來定義不同的測試循環(huán)工況。圖1為不同測試循環(huán)的速度—時間曲線。圖1中，測試循環(huán)1、2、3 分別對應(yīng)城市短距離駕駛工況、郊區(qū)道路工況及綜合道路工況。在整車轉(zhuǎn)鼓環(huán)境艙內(nèi)進行不同循環(huán)對燃油稀釋機油影響的試驗，表2為整車轉(zhuǎn)鼓試驗中的邊界條件。

圖1 不同試驗循環(huán)的速度—時間曲線

表2 測試循環(huán)邊界條件

在特定燃油稀釋機油試驗結(jié)束后（包括臺架試驗和整車轉(zhuǎn)鼓試驗），應(yīng)用島津公司GC—2010 Pro 氣相色譜儀對試驗結(jié)束后采集機油樣品進行成分檢測分析，用機油中燃油的質(zhì)量與機油質(zhì)量的比來定義燃油稀釋機油水平。

2 機油稀釋現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1 機油稀釋現(xiàn)象

燃油稀釋機油現(xiàn)象多出現(xiàn)在高壓共軌直噴柴油機上，隨著增壓和直噴技術(shù)在汽油機上的應(yīng)用，汽油機也面對機油稀釋問題。燃油稀釋機油現(xiàn)象是由于未燃燒燃油或噴油碰壁后，經(jīng)過缸壁間隙被活塞往復(fù)運動帶入曲軸箱到達機油中。在發(fā)動機一定運轉(zhuǎn)工況和時間下，機油稀釋率會呈現(xiàn)一種動態(tài)平衡［17］，也就是溶入機油的燃油量和從機油中揮發(fā)出燃油量達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

2.2 冷卻液溫度對機油稀釋的影響

在發(fā)動機臺架上，控制發(fā)動機運行在表1所示工況條件下，研究不同冷卻液溫度對燃油稀釋機油的影響。圖2為不同冷卻液溫度下發(fā)動機運行時間對燃油稀釋機油的影響。機油相對稀釋率定義為當前的機油稀釋率與初始的機油稀釋率之差。在冷卻液溫度較低時（小于70 ℃），隨著發(fā)動機運行時間的增加，機油相對稀釋率增長較快；在冷卻液溫度較高時（大于80 ℃），機油相對稀釋率隨著運行時間累積而增加，只是運行時間較短時，機油相對稀釋率增加較多，運行時間較長時，機油相對稀釋率增加較慢較平緩。整體上，冷卻液溫度較低，機油相對稀釋率較高。這是因為冷卻液溫度較低時，需增加噴油量來改善缸內(nèi)燃燒狀況，但缸內(nèi)冷環(huán)境不利于燃油霧化形成可燃混合氣，未蒸發(fā)的燃油油滴可能順著活塞間隙被帶入油底殼稀釋機油，較低的機油溫度不利于燃油蒸發(fā)，會增加燃油稀釋機油水平。冷卻液溫度較高時，缸內(nèi)較熱的進氣充量有利于燃油蒸發(fā)，較少的燃油滴進入機油中，較高的機油溫度提高了機油中燃油的蒸發(fā)量，有利于降低燃油稀釋機油率。

圖2 不同冷卻液溫度下運行時間對機油稀釋的影響

2.3 θSOI 對機油稀釋的影響

在發(fā)動機臺架上，控制發(fā)動機運行在表1所示工況條件下，研究在冷卻液溫度50 ℃和90 ℃下噴油起始相位θSOI對燃油稀釋機油的影響。圖3為不同θSOI對燃油稀釋機油的影響。由圖3可知，隨著θSOI的減小，機油稀釋率呈現(xiàn)上升趨勢，可能的原因：隨著θSOI的減小，燃油霧化時間變短，易形成過濃或者過稀的混合氣，未燃混合氣或者未蒸發(fā)的燃油，有可能在缸壁形成油膜，隨著活塞的往復(fù)運動帶入油底殼，進而稀釋燃油。當適當增大θSOI時，燃油稀釋機油的水平會降低，但當θSOI接近排氣上止點時，燃油噴射撞擊到活塞表面或者缸壁的機會增加，易形成較多油膜，不利于燃油霧化，增加了燃油稀釋機油的機會，當θSOI約為325°時，燃油稀釋機油水平最低。比較圖3（a）和圖3（b）可以得出，不同冷卻液溫度下，θSOI對燃油稀釋機油影響的變化規(guī)律一樣。隨著θSOI的增大，機油稀釋率先減小后增大，但當冷卻液溫度較高時燃油稀釋機油的整體水平較低。這是由于較高的冷卻液溫度可以提高缸內(nèi)環(huán)境溫度，利于燃油蒸發(fā)形成較多可燃混合氣，降低燃油稀釋機油的風險，較高的機油溫度可提高機油中燃油的揮發(fā)水平，進一步降低了燃油稀釋機油的水平。

圖3 不同噴油起始相位對機油稀釋的影響

2.4 不同測試循環(huán)對機油稀釋的影響

在整車轉(zhuǎn)鼓上，研究在不同環(huán)境溫度下不同測試循環(huán)對燃油稀釋機油的影響，整個測試循環(huán)車輛都運行在混合動力模式下，并且試驗前動力電池SOC 保持約為15%。圖4為不同環(huán)境溫度下不同測試循環(huán)對燃油稀釋機油的影響。由圖4可知，測試工況1 為燃油稀釋機油最惡劣的測試循環(huán)，在此循環(huán)下，機油稀釋率隨著車輛里程增長較快，燃油稀釋機油水平較低的測試循環(huán)為測試工況4。在相同環(huán)境溫度下，測試工況1 的運行里程最短，發(fā)動機運行負荷較低，發(fā)動機始終處于暖機狀態(tài)，運行最高冷卻液溫度約為40 ℃，不利于機油中燃油的揮發(fā)，在冷起動階段混合氣加濃，進一步增加了燃油稀釋機油的機會。而測試工況4 的運行里程較長，發(fā)動機運行負荷較高，較高的機油溫度（約85 ℃）提高了機油中燃油的蒸發(fā)量，較長的里程又增加了燃油的揮發(fā)時間，有利于降低燃油稀釋機油的水平。

圖4 不同測試循環(huán)對機油稀釋的影響

在同樣的環(huán)境溫度下（-20 ℃），車輛運行里程越多，燃油稀釋機油水平越低。這是由于運行里程較長時，機油中燃油揮發(fā)時間較長，燃油蒸發(fā)量較多，較高的機油溫度提高了機油中燃油的揮發(fā)水平，降低了機油稀釋率。在相同測試循環(huán)下（工況1 和工況2），環(huán)境溫度越低，燃油稀釋機油的機會越高，這是因為環(huán)境溫度越低，發(fā)動機起動時冷卻液溫度越低，起動時要求混合氣較濃，缸內(nèi)噴油量較多。較高的噴油壓力下，噴油碰到活塞表面和缸壁的機會較大，缸內(nèi)的進氣充量溫度較低，不利于燃油蒸發(fā)與空氣形成較多可燃混合氣，進而增加了機油稀釋率。表3為不同測試循環(huán)下累計里程對機油稀釋的影響。冷氛圍下短距離駕駛車輛，機油稀釋增長率為0.256%/km。綜合可知，較低的環(huán)境溫度和較短的駕駛里程會加重燃油稀釋機油。

表3 不同測試循環(huán)下累計里程對機油稀釋的影響

2.5 發(fā)動機起停工況對機油稀釋的影響

在整車轉(zhuǎn)鼓上，環(huán)境溫度為0 ℃，采用試驗循環(huán)3研究在不同電池SOC 下起停工況對燃油稀釋機油的影響，試驗前電池初始SOC 分別為15%、24% 和37%，系統(tǒng)控制目標電池SOC 為24%，環(huán)境溫度為-10 ℃以下，整車一直運行在混合動力模式。

圖5為不同電池SOC 下發(fā)動機起停工況對燃油稀釋機油的影響。由圖5可知，SOC 為37%而累計里程為15 km 時，機油稀釋率最高（1.23%）；SOC 為5%而累計里程為15 km 時，機油稀釋率最低（0.71%）。這是因為SOC 為15% 時，低于電池目標SOC，發(fā)動機運轉(zhuǎn)時間較長，冷卻液溫持續(xù)升高，提高了機油中燃油揮發(fā)量，降低了機油稀釋率。當發(fā)動機運行時間約為1 000 s 而SOC 為24.5% 時，車輛運轉(zhuǎn)模式進入SOC 保持模式，系統(tǒng)根據(jù)目標電池SOC 平衡電量，允許發(fā)動機停機或起動，當SOC 為37% 時車輛運行在純電模式下。當發(fā)動機運行時間為1 230 s 而SOC 為23.5% 時，車輛進入混合動力模式，發(fā)動機第一次起動，冷卻液溫度較低，期望混合氣較濃，發(fā)動機運轉(zhuǎn)時間較短，冷卻液溫度較低，不利于機油中燃油揮發(fā)，機油稀釋率較高。累計里程為30 km 和45 km時，也就是第2、3 個測試循環(huán)時，電池SOC 都在24%左右，車輛運行在電池平衡狀態(tài)，發(fā)動機運行時間基本相同，冷卻液溫度相差不大，機油稀釋率變化約為0.06%/km。圖6為不同電池SOC 下，在第1 個測試循環(huán)時發(fā)動機的起停狀態(tài)。SOC 為37% 時，發(fā)動機運行時間最短（約為220 s）；SOC 為15% 時，發(fā)動機運行時間較長，發(fā)動機起停不頻繁。

圖5 不同SOC 下起停工況對機油稀釋的影響

圖6 不同電池SOC 下發(fā)動機運行狀態(tài)

3 機油質(zhì)量預(yù)估模型及驗證

3.1 預(yù)估模型

機油質(zhì)量模型通常是基于機油壓力傳感器設(shè)定機油最小失效壓力閾值來監(jiān)控機油品質(zhì)，其缺點是不能準確地監(jiān)控機油質(zhì)量，尤其是燃油稀釋機油水平。由于機油壓力信號波動，往往標定的最小機油壓力閾值較低，不能及時判斷機油品質(zhì)好壞，應(yīng)提醒終端客戶填充或者更換機油。提出一種基于發(fā)動機運行時間和冷卻液溫度來預(yù)估燃油稀釋機油水平的方法，與設(shè)定的不同程度的機油稀釋率閾值比較（當預(yù)估機油稀釋率大于10% 且小于15% 時，關(guān)閉發(fā)動機起停功能；當預(yù)估機油稀釋率大于15% 時，儀表顯示機油報警信息）來決定車輛運行模式及儀表顯示機油報警信息。圖7為機油稀釋監(jiān)控邏輯示意圖。機油稀釋率主要為冷卻液溫度和發(fā)動機運行時間的函數(shù)。圖7中，為上一循環(huán)機油稀釋率積分值，t為發(fā)動機運行時間，t0為發(fā)動機某一運行時刻，t1為t0+500 ms 后的發(fā)動機運行時刻。

圖7 機油稀釋監(jiān)控邏輯示意圖

3.2 機油稀釋變化率

試驗研究發(fā)現(xiàn)，影響燃油稀釋機油水平的主要因素為冷卻液溫度（或機油溫度）和發(fā)動機運行時間（或者車輛運行里程），次要因素為噴油策略。機油稀釋變化率主要根據(jù)冷卻液溫度對機油稀釋率影響的試驗結(jié)果計算獲得，并根據(jù)實際道路機油稀釋率測試結(jié)果進行優(yōu)化。

圖8為冷卻液溫度對機油稀釋平均變化率的影響。在冷卻液溫度低于60 ℃時燃油稀釋機油水平較高，尤其是0 ℃以下機油質(zhì)量較快速惡化。當冷卻液溫度大于70 ℃時能降低燃油稀釋機油水平，尤其在110 ℃以上燃油稀釋機油水平大幅度降低，改善機油品質(zhì)。

圖8 不同冷卻液溫度下機油稀釋變化率

3.3 模型驗證

圖9為整車轉(zhuǎn)鼓上不同測試循環(huán)下機油質(zhì)量預(yù)估模型預(yù)估的機油稀釋率與實測機油稀釋率的對比。由圖9可以看到，預(yù)估結(jié)果與試驗結(jié)果相差在2%之內(nèi)。

圖9 機油稀釋率實測與預(yù)估對比

如圖9所示，預(yù)估的初始值都偏低。圖9（a）中，工況1 的冷卻液溫度較低，行駛里程較短，預(yù)估值增長率較快；圖9（b）中，工況4 的冷卻液溫度較高、行駛里程較長，實際值比預(yù)估值增長快。在兩種測試工況下，機油質(zhì)量預(yù)估模型都可以較準確地反映機油品質(zhì)和稀釋率。

圖10為車輛在實際道路行駛下機油稀釋率實測值與預(yù)估值比較。機油質(zhì)量模型驗證采用的實際道路工況如表4所示。由圖10可知，車輛在實際道路行駛過程中，預(yù)估的機油稀釋率與實測值相差較小，變化規(guī)律相同，與圖9（a）類似，冷卻液溫度較低時預(yù)估機油稀釋變化率比實測快，冷卻液溫度較高或者較長行駛里程時預(yù)估稀釋率較快回落到0%。

圖10 實際道路行駛過程實測機油稀釋率與模型預(yù)估值

表4 機油質(zhì)量模型驗證采用的實際道路工況

4 結(jié)論

（1）冷卻水溫度或者機油溫度為影響燃油稀釋機油水平的主要因素，噴油起始相位為次要因素。冷卻液溫度越低，機油稀釋率越高，噴油相位提前或者推后都有可能惡化機油稀釋率，其中噴油相位越推后，機油稀釋越嚴重。

（2）在環(huán)境溫度低于0 ℃時，較短的發(fā)動機單次運行時間或者單次短距離車輛行駛有可能會惡化燃油稀釋機油水平，其中電池SOC 約為37% 時機油稀釋率較高，電池SOC 約為15% 時機油稀釋率較低。

（3）經(jīng)過車輛轉(zhuǎn)鼓和實際道路驗證，基于發(fā)動機運行時間和冷卻液溫度來預(yù)估燃油稀釋機油水平的模型可以較準確地反映機油品質(zhì)和稀釋率。