直噴汽油機機油稀釋的優化研究

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中心　河北　保定　071000　2-河北省汽車工程技術研究中心）

直噴汽油機機油稀釋的優化研究

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中心河北保定0710002-河北省汽車工程技術研究中心）

機油稀釋現象是汽油發動機常見的質量問題，隨著增壓直噴技術的引入，機油稀釋問題的趨勢更加嚴重。機油稀釋會導致機油運動粘度的明顯下降，破壞機油的使用性能，嚴重時會破壞運動部件的油膜建立，造成發動機整體可靠性的降低。以一臺3.0L增壓直噴汽油機為例，在臺架試驗過程中，通過對比分析計算油耗與實測油耗的關系，可以確定不同標定策略下機油稀釋的整體趨勢，從而確定該工況下最優的標定策略，為優化不同工況下機油稀釋問題找到了一條快速而準確的途徑。

機油稀釋噴油策略油耗比

引言

在發動機試驗過程中，如果停機檢查發現有機油液位升高的現象，則可斷定出現了機油稀釋問題。所謂機油稀釋現象，即燃油、燃燒不完全產物、冷卻液、機油氧化物及摩擦產生的不溶物等物質通過非正常渠道進入機油，使機油粘度快速下降的現象。機油稀釋在試驗中的具體表現除了有機油液位升高現象以外，通常會伴有機油壓力下降，曲軸箱竄油量增多等問題[1，2]。在傳統發動機開發過程中，對于機油稀釋問題的評價主要依賴于試驗結果的檢測分析，時間周期長，成本高。在臺架試驗過程中，通過理論分析及實測過量空氣系數的關系，可以快速得到機油稀釋的趨勢，對標定策略進行評估并指明改進方向，試驗周期短，成本低，可以廣泛應用到發動機機油稀釋問題的解決中。

1　機油稀釋評價準則及試驗表現

1.1機油稀釋評價準則

發動機更換全新機油，在所需評價的發動機工況點下運行2 h后，機油壓力穩定不變，此時可以認為機油稀釋量和汽油的揮發量達到平衡，停機對機油進行收集并檢測。國際知名石油公司對于機油稀釋的評價標準各有不同，總體來說一般以運動粘度變化率（使用后機油與全新機油的運動粘度之比）及機油稀釋率（汽油含量）作為標價準則[3]，當兩項參數超過一定限值后，就可以認定產生了明顯的機油稀釋問題，檢測標準見表1。

作者簡介：王斌（1984—），男，碩士研究生，主要研究方向為新技術應用及整機開發。

表1機油稀釋檢測標準

1.2機油稀釋試驗表現

以某3.0LGDI發動機為例，臺架試驗使用SN 級5W-30機油，新油運動粘度≥10.1mm2/s，其它性能參數見表2。在試驗過程中多次出現機油液位升高現象（升高幅度≥1cm，增加質量≥450g）。經過全工況驗證，證實發生機油稀釋的工況集中在轉速2400r/min～5200r/min，負荷80%～100%區域，其中2400r/min～4000r/min、100%負荷區域機油稀釋問題嚴重。機油運動粘度及機油稀釋率檢測結果見圖1、圖2。

表2　 機油性能參數

圖1　運動粘度檢測結果

圖2　 機油稀釋率檢測結果

2　影響機油稀釋的因素

機油稀釋問題是多種因素共同作用的結果，長城汽車賈殿臣等人[4]已對機油選用牌號、噴油角度、機油溫度、活塞漏氣量等因素對機油稀釋的影響作出了詳細分析。本文以某3.0LGDI發動機為例，主要對噴油器結構布置及噴油策略導致的噴油濕壁進行對比分析和研究。

2.1噴油器選型

在現有的汽油缸內直噴技術發展下，噴油器普遍使用電磁驅動式，噴孔數量為5～9孔，油軌壓力≤20MPa。根據不同燃燒系統的需要，噴油器布置形式分為側置式及中置式。本文研究的發動機采用了中置式6孔噴油器，通過對比不同噴霧錐角的評價結果（見表3），最終選定噴霧錐角為82°，具體布置形式見圖3。

表3　噴霧錐角評價

圖3　 噴油器布置形式

2.2噴油策略

在已經選定噴油器類型及布置形式的情況下，噴油策略對于機油稀釋的影響主要體現在改善燃油濕壁問題上，同時也是本文重點研究方向。主要的噴油策略參數包括噴油起始角SOI（Startof Injection）、噴油結束角EOI（End of Injection）及二次噴油比例SIP（Second Injection Proportion）。目前的汽油直噴系統類型基本上為均質直噴，噴油通常開始于進氣沖程，結束于壓縮沖程，因此提前噴油起始角SOI，推遲噴油結束角EOI有利于減少燃油濕壁問題[5]，后文會對相關試驗結果進行詳細分析。

3　機油稀釋分析方法

由于機油稀釋的根本原因就是燃油進入到機油中導致機油粘度下降，因此可以斷定，當發生機油稀釋問題時，并不是所有燃油都參與燃燒，必定會有一部分未燃的燃油通過各部渠道最終進入到機油中。通過分析未參與燃燒的燃油量與總燃油供給量之間的關系，就可以確定特定工況下機油稀釋的嚴重程度。

將計算燃油消耗率與實測燃油消耗率之間的差異定義為DFR（Difference of FuelRate），則有：式中：Breal為臺架實測燃油消耗量，Bcal為計算燃油消耗量，由實測空氣消耗量Aa及實測空燃比α計算得到。當出現機油稀釋問題時，DFR為正值，隨著機油稀釋問題趨勢更加嚴重，DFR的數值會變大，由此可以分析不同噴油策略對于機油稀釋問題的影響。

由于不同轉速及負荷下發動機的運轉狀態差異很大，故此分析方法更適用于單個試驗工況機油稀釋的優化。

4　試驗結果及數據分析

在已知發生機油稀釋的工況范圍內挑選具有典型意義的工況：轉速4000r/min、負荷100%，應用DFR分析方法進行優化，該工況的原始噴油策略參數及機油檢測結果見表4。

表4原始噴油策略及檢測結果

4.1噴油起始角的影響

圖4　噴油起始角對機油稀釋及煙度的影響

由圖4可知，在其他標定參數不變的情況下，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備時間，對造成噴油濕壁的燃油蒸發起到了促進作用，有助于均質混合氣的形成，對機油稀釋的改善作用很明顯。但是，過大的SOI角導致大量的燃油在進氣上止點附近直接噴到了活塞上，會造成煙度值的快速上升，最高達到1.1左右。綜合機油稀釋優化及煙度排放，考慮將SOI暫定為345°CA左右。

4.2噴油結束角及二噴比例的影響

在采用二次噴射策略的情況下，噴油結束角EOI及二次噴油比例SIP之間存在直接聯系，在進行機油稀釋優化時應同時考慮兩者的影響。圖5為二次噴油比例0.3、噴油起始角345°CA情況下，僅調整噴油結束角情況下DFR與煙度的關系。推遲噴油結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油稀釋問題。但由于活塞已接近壓縮上止點，燃油霧化準備的時間很短，煙度值變化更加劇烈，EOI=60°CA時煙度值高達2.0，當EOI=70°CA時煙度迅速下降，實測值僅為0.85，可見推遲噴油結束角可改善機油稀釋，但其對煙度的影響更加敏感。

圖5　噴油結束角對機油稀釋及煙度的影響

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

圖6　二次噴油比例對機油稀釋的影響

轉速4000r/min、負荷100%工況使用DFR方法優化后，經檢測機油運動粘度≥8.32mm2/s、機油稀釋率≤4.75，機油稀釋改善明顯，外特性下其他轉速工況優化結果見圖7、圖8。

圖7　優化后運動粘度檢測結果

圖8　優化后機油稀釋率檢測結果

5　結論

1）使用DFR方法，通過分析計算油耗值及實測油耗值之間的關系，可以快速準確地確定某工況下機油稀釋的趨勢，為噴油策略的調整提供可靠的參考，縮短了開發周期，節省了大量人力及臺架試驗資源。

2）為優化機油稀釋問題，可以在平衡其他邊界條件的情況下，嘗試提前噴油起始角、推遲噴油結束角、調整二次噴油比例，選取不同的組合使用DFR方法進行分析對比，確定最優的噴油策略。

1趙青，鐘敏.內燃機車機油稀釋原因分析及措施[J].鐵道運營技術，2002（3）：20～21

2張元東，劉勝利，沈源，等.發動機機油稀釋原因及預防措施[J].內燃機，2012（4）：57～60

3Md.Ehsan，Md.Mahmudur Rahman，Md.Hasan Saadi. Effect of fuel adulteration on engine crankcase dilution[J]. Mechanical Engineering，2010（10）：114～120

4賈殿臣，王凱，劉佳慶，等.探究增壓直噴機型機油稀釋的影響因素及解決方法[J].小型內燃機與車輛技術，2014，43（4）：24～28

5李相超，張玉銀，許敏，等.直噴汽油機缸內噴霧濕壁問題研究[J].內燃機工程，2012（5）：17～23

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）