某GDI發動機燃油濕壁問題優化的研究

楊俊超　尹億光　趙景廣　冀曉棟　蘇正杲　周武明

（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）

某GDI發動機燃油濕壁問題優化的研究

楊俊超1，2尹億光1，2趙景廣1，2冀曉棟1，2蘇正杲1，2周武明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）

直噴發動機的濕壁問題會導致機油稀釋，從而導致機油更換周期縮短，摩擦副嚴重磨損，部分功能件失效等問題。本文主要通過對某缸內直噴汽油發動機3 200 r/min時導致燃油濕壁的原因進行分析，特別通過仿真軟件從噴油時刻及噴油角度兩方面進行分析論證，確定導致發動機燃油濕壁的根本原因，并制定優化措施。

GDI噴霧 燃油濕壁 仿真分析

引言

隨著汽油發動機技術日新月異的更新，汽油缸內直噴技術廣泛應用于家用轎車、皮卡和SUV等車輛的發動機上，缸內直噴技術在改善發動機性能的同時，也帶來業界公認的技術難題：燃油濕壁導致的機油稀釋問題。

所謂燃油濕壁，就是不完全燃燒的或未燃燒的燃油附著在缸壁上，形成燃油油膜［1］。燃油濕壁問題將導致機油粘度迅速下降，機油壓力降低，從而導致摩擦副磨損加劇，功能件失效，發動機性能下降，壽命降低［2］；燃油濕壁也會導致發動機非常規氣體排放增加，發動機燃油經濟性下降等問題。

通過對燃油濕壁原因進行分析，并針對噴油角度及噴油時刻對油膜形成的影響進行仿真分析，制定改善方案并經臺架進行驗證，此缸內直噴汽油發動機燃油濕壁情況改善明顯。

1　燃油濕壁帶來的影響

1.1縮短換油周期

機油粘度是機油理化特性中重要指標之一，它決定機油的潤滑能力和油膜承載能力［3］。燃油濕壁后燃油將通過曲軸箱混入機油中導致機油稀釋，機油粘度急速下降，從而導致機油潤滑能力和承載能力下降。當機油粘度超過使用限值時，需要更換機油。造成未到保養周期就更換機油，縮短換油周期。

1.2摩擦副非正常磨損

發動機所有運動副（包括曲軸、凸輪軸、連桿和活塞環等）都需要機油進行潤滑，機油稀釋導致機油壓力降低，潤滑能力和油膜承載能力降低，加劇運動副之間的干摩擦，造成運動副之間不正常磨損，嚴重時會導致活塞拉缸和曲軸抱瓦等現象。

1.3零部件異常工作

燃油濕壁嚴重時直接引起發動機機油稀釋，進而導致機油壓力偏低。機油壓力過低時，VVT、液壓張緊器以及噴油嘴工作不正常。VVT工作異常，將直接導致發動機性能下降；液壓張緊器失效，將會出現正時鏈條跳齒，相位錯亂，發動機無法正常工作；活塞冷卻噴嘴異常工作，將導致活塞過熱，嚴重時發生活塞熔頂等惡性故障。

2　原因分析

針對該發動機燃油濕壁情況，展開頭腦風暴，燃油濕壁根本原因是由于燃油不完全燃燒，在燃燒室和缸壁上形成油膜導致，本文針對油膜形成的各種因素進行分析，特別對噴霧情況進行仿真分析。

2.1發動機水溫

水溫過低，氣缸壁過冷卻，缸壁溫度低，附著在缸壁上的汽油不易揮發，形成油膜，導致燃油濕壁。

2.2油軌壓力

油軌壓力偏低，燃油霧化不良引起燃油不完全燃燒，容易導致燃油濕壁。提高燃油壓力，噴霧貫穿度和噴霧錐角也隨之增加，燃油揮發快，霧化程度高，油滴噴射距離有限，穿透度變小，可減少機油沾濕活塞和缸套表面。

2.3噴油時刻和噴油角度

應用仿真軟件對發動機噴霧模型進行分析，剖析噴油時刻和噴油角度對燃油油膜形成的原因。

2.3.1噴油時刻對油膜的影響

圖1為滾流比瞬態變化示意圖，圖2為缸內溫度變化圖，50%負荷噴油截止時刻是449°CA，此刻缸內滾流強度接近峰值，有利于燃油混合和減少油滴碰壁量；全負荷噴油截止時刻是517°CA，但是滾流比在470°CA之后開始下降，并且燃油蒸發造成的缸內溫度降低更加明顯，燃油在破碎過程中蒸發量減少，油滴質量較大，氣流的導向作用變得更弱，造成濕壁傾向嚴重。

圖2　缸內溫度變化

在噴油初期，活塞上首先形成了油膜，隨著噴油的進行，噴油開始后80°CA（480°CA）缸壁上出現比較明顯的油膜分布，此時對于50%負荷噴油已經結束，但在500°CA左右壁面油膜出現了峰值；對于100%負荷，油膜峰值出現在下止點附近，同樣滯后于噴油結束時刻，說明缸內氣流運動對油膜的形成和蒸發至關重要。50%負荷油膜形成量遠小于全負荷，而且活塞上行過程中壁面幾乎無可觀察到的油膜。

如圖3所示兩種負荷下油膜產生的位置基本相似：噴油器對面的缸壁幾乎無油膜形成，這是由于滾流在整個過程中作用這一區域；最容易出現油膜的位置為與滾流面垂直的氣缸兩側，因為滾流形成的流場在這一區域形成了“空白”，即此區域的流動速度遠小于滾流面流場速度，沒有對油滴形成有效的“包裹”效應。

2.3.2噴油角度對油膜的影響

在對缸套上油膜位置分析時發現缸內流場分布情況對缸壁油膜的產生有很大影響。為了更清楚地說明缸內流場與油膜產生位置的關系，我們對缸內速度場進行分析，在圖中可以明顯看出，燃油噴霧隨滾流偏向進氣側運動，但在局部速度較低，流場作用力下降，導致缸壁產生大量油膜。

從圖4可以明顯看出，油膜產生位置均為速度場的低速區和死區，這些區域的速度較長時間保持在10 m/s以下，而這些區域也是油滴容易到達的區域，油滴到達這些區域之后由于沒有足夠強的氣流作用，撞壁的概率增大。

圖3　油膜產生位置

圖4　油膜分布

2.3.3分析結論

發動機在3 200 r/min全負荷工況的濕壁情況嚴重，油膜出現的位置為與滾流面垂直的氣缸兩側。油膜形成發生在低速區和流動死區，由于沒有足夠強的氣流作用，油滴在該區域撞壁的概率增大。改進油束的落點對降低油膜形成有一定作用，但相比增加滾流強度和減小加濃處于次要地位。通過仿真分析標定策略中有兩個原因導致燃油濕壁。

1）噴油時刻過晚，噴油位于滾流比強度較低時刻會導致燃油霧化不良，燃油在缸內不能完全燃燒，導致濕壁嚴重。

2）噴油器角度設計不合理，油霧直接噴射到缸壁上，缸壁油膜厚度增加，導致燃油濕壁，進而引起機油稀釋。

3　改善對策

針對燃油濕壁形成的原因，制定如下改善對策。

3.1提高發動機水溫

發動機出水溫度的提高可以改善機油稀釋情況，且效果明顯。水溫的提高帶來氣缸壁面溫度的升高，在促進燃油蒸發的同時減少油膜生成量，從而減小機油稀釋。但是提高水溫會提高發動機爆震的可能性，為平衡機油稀釋和爆震相互矛盾點，水溫由88℃提高至98℃。單純提高水溫，燃油濕壁程度下降約47.8%，水溫成為減輕機油稀釋的重要因素。圖5為發動機運行2 h改變水溫前后機油增加量對比。

圖5　提高水溫后試驗結果

3.2提高燃油導軌壓力

提高燃油導軌壓力，燃油霧化效果好，能夠改善濕壁情況，降低機油稀釋；而減小軌壓增加噴油脈寬所帶來的負面效應使得機油稀釋更加惡化。在系統允許下，適當提高軌壓能夠為降低機油稀釋起到一定的貢獻。目前油軌壓力為15 MPa，根據現有技術水平以及發動機結構，調整至20 MPa，燃油濕壁下降11%左右。

3.3調整噴油角度和噴油時刻

3.3.1調整噴油時刻

調整SOI（噴油開始時刻）可以改變噴油相對于活塞的位置以及油束與氣流間的相互作用，仿真計算報告在3 200 r/min WOT工況下，缸內滾流比達到峰值時刻比噴油時刻早，噴油截止時刻正處于滾流比峰值，將噴油時刻由90°CA提前至50°CA，燃油霧化效果好，對燃油濕壁有明顯改善。單因素調整噴油時刻，燃油濕壁程度下降約36%。圖6為發動機運行2 h調整噴油時刻前后機油增加量對比。

3.3.2改變噴油器角度

噴油器的安裝角度直接決定了油霧的噴射位置及貫穿距離等，噴油器角度選取不當燃油直接噴射到缸壁上，由于缸壁溫度較低，油霧在缸壁上形成油滴導致濕壁，下面主要通過仿真計算噴油器角度在22.2°～25°之間缸壁上油膜量，選取最佳噴油器安裝角度。如表1所示，噴油器安裝角度為25°時單機循環燃油濕壁量最低，噴油器角度為24°單機循環燃油濕壁量最大。噴油器安裝角度選取25°時霧化效果最好，油束不會噴射到缸壁上，燃油濕壁下降15%。

圖6　調整噴油時刻試驗結果

表1　

如圖7所示為噴油器角度為24°時計算結果，圖8為噴油器角度為25°時計算結果。

圖7　噴油角為24°油膜量

圖8　噴油角為25°油膜量

4　試驗驗證

針對上述3個整改對策，在發動機上進行試驗驗證，為保證數據的準確性，主要進行6臺發動機試驗，3臺未做任何修改的發動機和3臺改善后的發動機。試驗過程如下：

1）3臺未做整改的發動機在臺架進行2 h機油稀釋試驗，運行工況為3 200 r/min全負荷工況，完成試驗后記錄機油稀釋數據。

2）針對改善對策進行更改發動機數據和結構進行試驗，噴油角度采用24°，噴油時刻提前40°CA（噴霧結束時處于最大滾流比），發動機水溫提高至98℃，噴油壓力由15 MPa提高至20 MPa。整改后3臺發動機在臺架進行2 h機油稀釋試驗。

試驗結果如圖9所示：

圖9　改善后試驗結果

原始發動機通過2 h機油稀釋試驗后，機油稀釋量為410 g左右，存在燃油濕壁情況嚴重。通過更改噴油時刻、噴油角度、油軌壓力以及水溫等4項措施，試驗后機油不存在稀釋情況，3臺發動機均消耗機油100 g左右，解決燃油濕壁問題效果明顯。

5　結論

本文主要闡述燃油濕壁對發動機造成的后果以及影響濕壁的因素，分析燃油濕壁的原因，其中特別通過仿真軟件分析噴霧模型，最終制定改善燃油濕壁的方案。經過試驗驗證，通過改變發動機水溫，優化標定數據，提高油軌壓力和優化噴油器安裝角度能夠解決燃油濕壁問題，解決了增壓直噴發動機因燃油濕壁帶來的機油稀釋、機油老化等問題，延長了發動機的使用壽命。

1陳佳瑞主編.汽車構造（第二版）［M］.北京：機械工業出版社，2008

2楊連生主編.內燃機設計［M］.北京：機械工業出版社，2008

3吳清泉，馬巖，劉軍.內燃機車的機油稀釋問題［J］.內燃機車，1999（2）：8-12

The Optimization Study on Wall Wetting of a GDI Engine

Yang Junchao1，2，Yin Yiguang1，2，Zhao Jingguang1，2，Ji Xiaodong1，2，Su Zhenggao1，2，Zhou Wuming1，2
1-Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）
2-Hebei Automobile Engineering Technology&Research Center

Spray impingement on piston and cylinder walls in gasoline direct injection（GDI）engine results in lubricant dilution，which can lead problems such as shorten the engine oil change cycle，wear down friction pair seriously，lose efficacy for some function parts，etc.This article mainlyanalyse the caused reason of oil wall wetting in gasoline direct injection engine at 3200rpm，especially make analysis and verification on injection timing and injection angle through simulation software to find out the key reason causing engine oil wall wetting problem，deciding the refine strategy.

GDI，Spray，Wall wetting，Simulation analysis

TK411+.9

A

2095-8234（2016）01-0037-06

楊俊超（1989-），男，本科，主要研究方向為發動機開發。

2015-09-17）