PFI增壓汽油機機油稀釋試驗研究

郄彥麗， 董喬， 張梓龍， 李克俊， 唐旭， 喬海波， 周建材

(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， 河北 保定 071000)

PFI增壓汽油機機油稀釋試驗研究

郄彥麗1,2， 董喬1,2， 張梓龍1,2， 李克俊1,2， 唐旭1,2， 喬海波1,2， 周建材1,2

(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， 河北 保定 071000)

在一款1.0 L氣道噴射增壓汽油機上研究了機油稀釋的分布區域及其產生機理，發現機油稀釋嚴重的區域主要集中在高速大負荷工況。通過對噴油器噴孔直徑、噴油相位、VVT動作角、空燃比、水泵流量、機油冷卻器散熱量、曲軸箱強制通風系統PCV閥補氣量等相關特性參數的調整驗證，發現噴油相位靠后、空燃比過濃是機油稀釋嚴重的主要原因，水泵流量、PCV閥補氣量、VVT動作角、機油冷卻器散熱量對機油稀釋也有一定的影響，噴油器噴孔直徑的變化對機油稀釋無影響。最終在該款發動機上綜合采用優化噴油相位、水泵流量、PCV閥補氣量、機油冷卻器散熱量的措施，最大機油稀釋水平控制在5%以下。

增壓汽油機； 機油； 稀釋

隨著油耗、排放法規的日益嚴格，小排量增壓發動機成為內燃機發展的主流。而隨著性能指標的大幅提高，汽油機機油稀釋問題變得越發嚴重。機油稀釋程度的惡化導致機油運動黏度及其他性能指標劣化，進而導致發動機各摩擦副產生異常磨損，嚴重時發動機損壞，車輛無法行駛。

TGDI(Turbocharged Gasoline Direct Injection,即直噴渦輪增壓)發動機的燃油直接噴入氣缸，燃油有可能直接噴至氣缸壁，造成燃油濕壁問題，壁面燃油流入曲軸箱，會對機油進行稀釋。鑒于機油稀釋產生的嚴重后果，國內各主機廠對TGDI發動機機油稀釋現象及其改善進行了大量驗證研究[1]。而PFI(Port Fuel Injection,即氣道燃油噴射)發動機的進氣管相當于預蒸發室，能夠增加燃油蒸發的時間[2]，因此燃油進入機油的概率小，機油稀釋現象不明顯。但隨著現代汽油機向小型化和高增壓方向的發展，噴油策略及其他條件發生變化，導致PFI發動機機油稀釋現象也日益突出，而行業內卻缺乏此方面的相關研究。

本研究在一款1.0 L PFI渦輪增壓汽油機上對機油稀釋的工況分布區域進行了試驗研究，并通過對噴油器噴孔直徑、噴油相位、VVT(Variable Valve Timing，即可變氣門正時)動作角、空燃比、水泵流量、機油冷卻器散熱量、PCV(Positive Crankcase Ventilation,即曲軸箱通風)閥補氣量等相關特性參數的調整驗證,分析得出了不同特性參數對機油稀釋的影響程度。最終采取優化噴油相位、水泵流量、PCV閥補氣量、機油冷卻器散熱量的措施，使得各工況機油稀釋控制在一個較合理的水平。

1 機油稀釋工況分布及原因分析

在一款1.0 L PFI渦輪增壓汽油機上開展了試驗研究。發動機參數見表1。

表1 發動機主要技術參數

機油壓力的高低與機油稀釋程度相關，即機油稀釋程度越高，機油壓力值越低。數據統計顯示，新機油在某工況持續運轉2 h之后機油壓力基本趨于穩定(見圖1)。

圖1 各工況下機油壓力變化

本研究對機油稀釋的評價方法：新機油在某工況持續運轉2 h后，采用專用設備從油底殼1/2液位處吸取油樣，采用ASTM D3525—04(2010)《用于汽油機油中燃油稀釋的標準測試方法(氣相色譜法)》對油樣進行檢測，以測定的燃油含量作為機油稀釋程度的評價依據；同時根據GB/T 8028—2010《汽油機油換油指標》，以燃油質量分數是否大于5%作為合格與否的評價標準，即機油中燃油質量分數大于5%時判定為不合格，小于等于5%時判定為合格。

為保證各個工況點測試的準確性，完成某個工況點測試后，需先放凈舊機油，然后加入適量新機油，在50%標定轉速、50%最大扭矩工況下持續運轉10 min，完成之后再放凈機油，同時更換新機油濾清器，然后再加入適量新油，開始進行下一工況的測試試驗。

按上述機油稀釋評價方法，對2 800～5 500 r/min，70%～100%負荷范圍內NEDC常用的6個工況區域進行機油稀釋驗證試驗，結果見圖2?？梢钥闯?，在3 000～5 500 r/min，75%～100%負荷工況區域內機油稀釋不合格， 5 000 r/min，100%負荷下機油稀釋最嚴重，機油中的燃油質量分數達到8.65%。

圖2 機油稀釋分布

將所有工況點以機油稀釋程度從小到大的順序排列，同時比照試驗過程中所記錄的其他參數，發現過量空氣系數(φa)越大機油稀釋程度越低[3-4](見圖3)。

對于PFI發動機，機油稀釋主要有兩個方面原因：一是進氣壓力大導致噴油脈寬過長，部分工況點會有燃油直接噴入氣缸；二是發動機溫度低，進入機油中的燃油解析效率低，導致機油稀釋現象嚴重。

2 機油稀釋問題的解決措施

此款發動機的燃燒系統與另一款滿足機油稀釋國標要求發動機的燃燒系統相同，因此暫不考慮發動機燃燒系統設計問題，主要進行標定參數修正及其他零部件優化等驗證試驗。

2.1 VVT角的調整

本研究所用發動機采用了進氣可變氣門正時技術，此技術影響氣門開啟時刻，間接影響缸內氣體運動和燃油霧化效果，最終影響機油稀釋程度。氣門正時調整必然會導致發動機動力性發生變化，因此須綜合權衡。選取3 000 r/min全負荷工況作為驗證工況，氣門正時每調整10°曲軸轉角作為一個驗證工況，試驗結果見圖4。由圖4可知，3 000 r/min全負荷工況下，氣門開啟角推遲10°可使機油中的燃油含量降低1.42%，且結果滿足國標要求，但機油稀釋改善的同時扭矩降低3%。

圖4 VVT角調整對機油稀釋的影響

2.2 噴油相位的調整

對于PFI發動機，燃油和空氣在氣道內混合后再進入缸內，若噴油相位設置不合理燃油會直接噴入氣缸內，造成燃油霧化不良，從而導致機油稀釋嚴重[5]。

為避免燃油直接噴入氣缸內，可將噴油開始、結束時刻提前，在進氣門開啟前完成噴油。為驗證噴油相位調整對機油稀釋的改善效果，選取3 000 r/min全負荷工況進行驗證，噴油相位每調整60°作為一個驗證工況，結果見圖5。由結果可以看出，噴油開始時刻提前60°，120°時機油稀釋均有明顯改善，且扭矩、油耗及排放與未調整之前基本保持一致，由此可見噴油時刻提前對解決機油稀釋問題是有效的。

圖5 噴油相位調整對機油稀釋的影響

3 000 r/min，全負荷工況下，噴油時刻提前對機油稀釋改善效果驗證了燃油直接噴入缸內會加重機油稀釋程度的結論。通過此方法可解決95%機油稀釋不達標工況的機油稀釋問題。

2.3 系統及零部件優化

2.3.1 噴油器優化

噴油器的作用是接受ECU的噴油脈沖信號，將燃油精準地噴入發動機。其特性參數直接影響發動機的燃油霧化[6]，從而影響發動機動力性、經濟性及排放性能，噴孔直徑是其中一個重要參數。根據式(1)Ricardo經驗公式可知，噴孔直徑越小，相應SMD粒子直徑越小，燃油霧化效果也就越好，混合氣充分燃燒，從而改善機油稀釋程度。

(1)

式中：Dsmd為噴射燃油破碎后的粒子直徑；dc為噴油器噴孔直徑；Δp為燃油噴射前后壓力差。

原機采用6孔噴油器，噴孔直徑0.27 mm。為改善燃油霧化效果，并保證噴油器流量特性、噴油壓力等其他特性參數不變，將噴孔直徑減小至0.2 mm，噴孔數量由6個增加至10個。根據Ricardo經驗公式計算可得，優化后SMD粒子直徑減小11.7%[7]。

圖6示出了10孔噴油器與6孔噴油器機油稀釋情況對比。試驗結果表明，10孔噴油器對機油稀釋改善未達到預期效果，與6孔噴油器相當。

圖6 10孔與6孔噴油器機油稀釋對比

2.3.2 冷卻系統的優化

發動機運轉時與高溫燃氣相接觸的零件受到強烈的加熱，如不適當冷卻會導致燃燒異常、機油變質、零部件磨損加劇，發動機動力性、經濟性和可靠性受到影響。但是如果冷卻過度，帶走熱量過多，會造成混合氣形成不良，機油被燃油稀釋，加劇零部件磨損。冷卻系統對機油稀釋的影響驗證[8]見圖7。驗證結果表明：水溫對機油稀釋影響較大。

圖7 水溫對機油稀釋的影響

根據發動機冷卻水循環量[9]經驗公式，可知發動機功率與冷卻液循環量成正比：

(2)

(3)

式中：Vω為冷卻系統冷卻水循環量；Qc為冷卻系散出的熱量；Δtω為冷卻水在內燃機中循環時允許的溫升，對于現代閉式強制冷卻系，取6～12 ℃；γω為冷卻液密度，近似取1.025 g/cm3；cω為冷卻液比熱容，近似取3.6 kJ/(kg·℃)；A為傳給冷卻系的熱量占燃料熱能的百分數，汽油機為0.2～0.27；ge為內燃機的燃油消耗率；Ne為內燃機標定功率；hu為燃料低熱值。

原發動機使用160 L/min循環水量水泵，通過計算可知循環水量應為150 L/min，發動機存在冷卻系統過冷情況。因此，需要驗證150 L/min循環水量水泵對機油稀釋的影響。

通過驗證結果可知，相比160 L/min循環水量水泵，使用150 L/min循環水量水泵后燃油含量降低0.99%～3.19%。

更換水泵后對整車冷卻系統進行計算，水泵滿足整車冷卻要求，計算結果見表2。

表2 水泵優化后整車冷卻系統溫度計算

2.3.3 機油冷卻系統的優化

機油溫度會影響曲軸箱燃油揮發。該發動機采用機油冷卻器對機油進行冷卻，為了提高機油溫度，對機油冷卻器進行優化，降低其對機油的冷卻能力[10]。

驗證試驗中采用了2個機油冷卻器優化方案，相比原發動機機油冷卻器，散熱量分別減小1 kW和2 kW。使用散熱量減小1 kW和減小2 kW的機油冷卻器后，汽油質量分數分別降低0.15%～0.31%和0.41%～0.74%。

考慮到機油溫度小于等于125 ℃要求，采用散熱量減小2 kW的機油冷卻器對機油冷卻效果進行驗證。出水溫度與機油冷卻器進油溫度關系見圖8。當出水溫度為106 ℃時機油冷卻器進油溫度為118 ℃，可推斷出水溫度達到最高限值115 ℃時機油冷卻器進油溫度為127 ℃，超出機油溫度小于等于125 ℃的限值要求。為保留一定安全余量，選用散熱量減小1 kW的機油冷卻器。

圖8 散熱量減小2 kW的機油冷卻器機油溫度驗證

2.3.4 曲軸箱強制通風系統的優化

發動機工作時會有部分可燃混合氣經過活塞環由氣缸漏入曲軸箱中，發動機溫度低時可能會有液態燃油進入曲軸箱中，如果曲軸箱的燃油蒸氣不及時排出會加重機油稀釋程度[3]。改變PCV閥補氣量驗證曲軸箱強制通風系統對機油稀釋的影響，驗證結果見圖9。試驗結果表明，PCV閥補氣量存在相對較優的值，小于或大于此值對機油稀釋都會產生不利影響。

圖9 PCV閥補氣量對機稀釋影響

此款發動機最終采用“優化噴油相位+適當減小水泵流量+適當減小機油冷卻器散熱量+優化PCV閥補氣量”措施后，最大機油稀釋程度降低至5%以下。

3 結論

a) 調整VVT角使進氣門開啟角推后,調整噴油相位使噴油時刻提前,二者均對機油稀釋有改善作用，且以調整噴油相位效果最佳；

b) 水泵流量減小可提高發動機水溫，進而提高機油中燃油的解析率，改善機油稀釋程度，但水溫過高會導致發動機過熱，因此，水泵流量調整需進行整車冷卻系統匹配計算；

c) 機油冷卻器散熱量大造成機油溫度低，阻礙機油中燃油的解析，導致機油稀釋嚴重，減小機油冷卻器散熱量可改善機油稀釋，但散熱量過小會造成潤滑系統溫度過高，機油功能失效，機油冷卻器散熱量需合理匹配；

d) PCV閥補氣量存在相對最優的值使油稀釋程度最低，但PCV閥補氣量的取值需綜合考慮其對發動機機油稀釋、機油耗及曲軸箱壓力的影響。

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[編輯： 姜曉博]

Experimental Research on Lube Oil Dilution for PFI Supercharged Gasoline Engine

QIE Yanli1,2， DONG Qiao1,2， ZHANG Zilong1,2， LI Kejun1,2， TANG Xu1,2， QIAO Haibo1,2， ZHOU Jiancai1,2

(1. R&D Center of Great Wall Motor Company, Baoding 071000， China; 2. Automotive Engineering Technical Center of Hebei, Baoding 071000， China)

The distribution region and its mechanism of oil dilution were studied on a 1.0 L PFI turbocharged gasoline engine. It was found that there was a serious oil dilution in high speed and heavy-load conditions. By analyzing the influences of injection nozzle diameter, injection timing, VVT action angle, air-fuel ratio, flow of water pump, heat dissipation of oil cooler and flow of PCV compensating valve of positive crankcase ventilation system on oil dilution, the lagging injection phase and the low air-fuel ratio were thought to be the main reasons. However, the flow of water pump, flow of PCV valve, VVT action angle and heat dissipation of oil cooler also had certain effect and the injector nozzle diameter had no effect. Accordingly, the injection phase, flow of pump, flow of PCV valve and heat dissipation of oil cooler were optimized on the engine and the highest level of oil dilution was lower than 5%.

supercharged gasoline engine; lube oil; dilution

2016-05-23；

2016-10-12

郄彥麗(1986—)，女，助理工程師，主要研究方向為發動機性能提升與優化；engine@gwm.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.008

TK411.9

B

1001-2222(2016)06-0041-05