PFI增壓汽油機(jī)機(jī)油稀釋試驗(yàn)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(shù)中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽車工程技術(shù)研究中心， 河北 保定 071000)

PFI增壓汽油機(jī)機(jī)油稀釋試驗(yàn)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(shù)中心， 河北 保定 071000； 2. 河北省汽車工程技術(shù)研究中心， 河北 保定 071000)

在一款1.0 L氣道噴射增壓汽油機(jī)上研究了機(jī)油稀釋的分布區(qū)域及其產(chǎn)生機(jī)理，發(fā)現(xiàn)機(jī)油稀釋嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在高速大負(fù)荷工況。通過對(duì)噴油器噴孔直徑、噴油相位、VVT動(dòng)作角、空燃比、水泵流量、機(jī)油冷卻器散熱量、曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)PCV閥補(bǔ)氣量等相關(guān)特性參數(shù)的調(diào)整驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)噴油相位靠后、空燃比過濃是機(jī)油稀釋嚴(yán)重的主要原因，水泵流量、PCV閥補(bǔ)氣量、VVT動(dòng)作角、機(jī)油冷卻器散熱量對(duì)機(jī)油稀釋也有一定的影響，噴油器噴孔直徑的變化對(duì)機(jī)油稀釋無影響。最終在該款發(fā)動(dòng)機(jī)上綜合采用優(yōu)化噴油相位、水泵流量、PCV閥補(bǔ)氣量、機(jī)油冷卻器散熱量的措施，最大機(jī)油稀釋水平控制在5%以下。

增壓汽油機(jī)； 機(jī)油； 稀釋

隨著油耗、排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，小排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)成為內(nèi)燃機(jī)發(fā)展的主流。而隨著性能指標(biāo)的大幅提高，汽油機(jī)機(jī)油稀釋問題變得越發(fā)嚴(yán)重。機(jī)油稀釋程度的惡化導(dǎo)致機(jī)油運(yùn)動(dòng)黏度及其他性能指標(biāo)劣化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)各摩擦副產(chǎn)生異常磨損，嚴(yán)重時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)損壞，車輛無法行駛。

TGDI(Turbocharged Gasoline Direct Injection,即直噴渦輪增壓)發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)對(duì)機(jī)油進(jìn)行稀釋。鑒于機(jī)油稀釋產(chǎn)生的嚴(yán)重后果，國內(nèi)各主機(jī)廠對(duì)TGDI發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋現(xiàn)象及其改善進(jìn)行了大量驗(yàn)證研究[1]。而PFI(Port Fuel Injection,即氣道燃油噴射)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣管相當(dāng)于預(yù)蒸發(fā)室，能夠增加燃油蒸發(fā)的時(shí)間[2]，因此燃油進(jìn)入機(jī)油的概率小，機(jī)油稀釋現(xiàn)象不明顯。但隨著現(xiàn)代汽油機(jī)向小型化和高增壓方向的發(fā)展，噴油策略及其他條件發(fā)生變化，導(dǎo)致PFI發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋現(xiàn)象也日益突出，而行業(yè)內(nèi)卻缺乏此方面的相關(guān)研究。

本研究在一款1.0 L PFI渦輪增壓汽油機(jī)上對(duì)機(jī)油稀釋的工況分布區(qū)域進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并通過對(duì)噴油器噴孔直徑、噴油相位、VVT(Variable Valve Timing，即可變氣門正時(shí))動(dòng)作角、空燃比、水泵流量、機(jī)油冷卻器散熱量、PCV(Positive Crankcase Ventilation,即曲軸箱通風(fēng))閥補(bǔ)氣量等相關(guān)特性參數(shù)的調(diào)整驗(yàn)證,分析得出了不同特性參數(shù)對(duì)機(jī)油稀釋的影響程度。最終采取優(yōu)化噴油相位、水泵流量、PCV閥補(bǔ)氣量、機(jī)油冷卻器散熱量的措施，使得各工況機(jī)油稀釋控制在一個(gè)較合理的水平。

1 機(jī)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(jī)上開展了試驗(yàn)研究。發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)油壓力的高低與機(jī)油稀釋程度相關(guān)，即機(jī)油稀釋程度越高，機(jī)油壓力值越低。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，新機(jī)油在某工況持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2 h之后機(jī)油壓力基本趨于穩(wěn)定(見圖1)。

圖1 各工況下機(jī)油壓力變化

本研究對(duì)機(jī)油稀釋的評(píng)價(jià)方法：新機(jī)油在某工況持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2 h后，采用專用設(shè)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(jī)油中燃油稀釋的標(biāo)準(zhǔn)測試方法(氣相色譜法)》對(duì)油樣進(jìn)行檢測，以測定的燃油含量作為機(jī)油稀釋程度的評(píng)價(jià)依據(jù)；同時(shí)根據(jù)GB/T 8028—2010《汽油機(jī)油換油指標(biāo)》，以燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)是否大于5%作為合格與否的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即機(jī)油中燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于5%時(shí)判定為不合格，小于等于5%時(shí)判定為合格。

為保證各個(gè)工況點(diǎn)測試的準(zhǔn)確性，完成某個(gè)工況點(diǎn)測試后，需先放凈舊機(jī)油，然后加入適量新機(jī)油，在50%標(biāo)定轉(zhuǎn)速、50%最大扭矩工況下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)10 min，完成之后再放凈機(jī)油，同時(shí)更換新機(jī)油濾清器，然后再加入適量新油，開始進(jìn)行下一工況的測試試驗(yàn)。

按上述機(jī)油稀釋評(píng)價(jià)方法，對(duì)2 800～5 500 r/min，70%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)NEDC常用的6個(gè)工況區(qū)域進(jìn)行機(jī)油稀釋驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見圖2?？梢钥闯?，在3 000～5 500 r/min，75%～100%負(fù)荷工況區(qū)域內(nèi)機(jī)油稀釋不合格， 5 000 r/min，100%負(fù)荷下機(jī)油稀釋最嚴(yán)重，機(jī)油中的燃油質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到8.65%。

圖2 機(jī)油稀釋分布

將所有工況點(diǎn)以機(jī)油稀釋程度從小到大的順序排列，同時(shí)比照試驗(yàn)過程中所記錄的其他參數(shù)，發(fā)現(xiàn)過量空氣系數(shù)(φa)越大機(jī)油稀釋程度越低[3-4](見圖3)。

對(duì)于PFI發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)油稀釋主要有兩個(gè)方面原因：一是進(jìn)氣壓力大導(dǎo)致噴油脈寬過長，部分工況點(diǎn)會(huì)有燃油直接噴入氣缸；二是發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低，進(jìn)入機(jī)油中的燃油解析效率低，導(dǎo)致機(jī)油稀釋現(xiàn)象嚴(yán)重。

2 機(jī)油稀釋問題的解決措施

此款發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)與另一款滿足機(jī)油稀釋國標(biāo)要求發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒系統(tǒng)相同，因此暫不考慮發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，主要進(jìn)行標(biāo)定參數(shù)修正及其他零部件優(yōu)化等驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1 VVT角的調(diào)整

本研究所用發(fā)動(dòng)機(jī)采用了進(jìn)氣可變氣門正時(shí)技術(shù)，此技術(shù)影響氣門開啟時(shí)刻，間接影響缸內(nèi)氣體運(yùn)動(dòng)和燃油霧化效果，最終影響機(jī)油稀釋程度。氣門正時(shí)調(diào)整必然會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性發(fā)生變化，因此須綜合權(quán)衡。選取3 000 r/min全負(fù)荷工況作為驗(yàn)證工況，氣門正時(shí)每調(diào)整10°曲軸轉(zhuǎn)角作為一個(gè)驗(yàn)證工況，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。由圖4可知，3 000 r/min全負(fù)荷工況下，氣門開啟角推遲10°可使機(jī)油中的燃油含量降低1.42%，且結(jié)果滿足國標(biāo)要求，但機(jī)油稀釋改善的同時(shí)扭矩降低3%。

圖4 VVT角調(diào)整對(duì)機(jī)油稀釋的影響

2.2 噴油相位的調(diào)整

對(duì)于PFI發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油和空氣在氣道內(nèi)混合后再進(jìn)入缸內(nèi)，若噴油相位設(shè)置不合理燃油會(huì)直接噴入氣缸內(nèi)，造成燃油霧化不良，從而導(dǎo)致機(jī)油稀釋嚴(yán)重[5]。

為避免燃油直接噴入氣缸內(nèi)，可將噴油開始、結(jié)束時(shí)刻提前，在進(jìn)氣門開啟前完成噴油。為驗(yàn)證噴油相位調(diào)整對(duì)機(jī)油稀釋的改善效果，選取3 000 r/min全負(fù)荷工況進(jìn)行驗(yàn)證，噴油相位每調(diào)整60°作為一個(gè)驗(yàn)證工況，結(jié)果見圖5。由結(jié)果可以看出，噴油開始時(shí)刻提前60°，120°時(shí)機(jī)油稀釋均有明顯改善，且扭矩、油耗及排放與未調(diào)整之前基本保持一致，由此可見噴油時(shí)刻提前對(duì)解決機(jī)油稀釋問題是有效的。

圖5 噴油相位調(diào)整對(duì)機(jī)油稀釋的影響

3 000 r/min，全負(fù)荷工況下，噴油時(shí)刻提前對(duì)機(jī)油稀釋改善效果驗(yàn)證了燃油直接噴入缸內(nèi)會(huì)加重機(jī)油稀釋程度的結(jié)論。通過此方法可解決95%機(jī)油稀釋不達(dá)標(biāo)工況的機(jī)油稀釋問題。

2.3 系統(tǒng)及零部件優(yōu)化

2.3.1 噴油器優(yōu)化

噴油器的作用是接受ECU的噴油脈沖信號(hào)，將燃油精準(zhǔn)地噴入發(fā)動(dòng)機(jī)。其特性參數(shù)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油霧化[6]，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及排放性能，噴孔直徑是其中一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)式(1)Ricardo經(jīng)驗(yàn)公式可知，噴孔直徑越小，相應(yīng)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(jī)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(jī)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(shù)不變，將噴孔直徑減小至0.2 mm，噴孔數(shù)量由6個(gè)增加至10個(gè)。根據(jù)Ricardo經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算可得，優(yōu)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(jī)油稀釋情況對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果表明，10孔噴油器對(duì)機(jī)油稀釋改善未達(dá)到預(yù)期效果，與6孔噴油器相當(dāng)。

圖6 10孔與6孔噴油器機(jī)油稀釋對(duì)比

2.3.2 冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)與高溫燃?xì)庀嘟佑|的零件受到強(qiáng)烈的加熱，如不適當(dāng)冷卻會(huì)導(dǎo)致燃燒異常、機(jī)油變質(zhì)、零部件磨損加劇，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性受到影響。但是如果冷卻過度，帶走熱量過多，會(huì)造成混合氣形成不良，機(jī)油被燃油稀釋，加劇零部件磨損。冷卻系統(tǒng)對(duì)機(jī)油稀釋的影響驗(yàn)證[8]見圖7。驗(yàn)證結(jié)果表明：水溫對(duì)機(jī)油稀釋影響較大。

圖7 水溫對(duì)機(jī)油稀釋的影響

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水循環(huán)量[9]經(jīng)驗(yàn)公式，可知發(fā)動(dòng)機(jī)功率與冷卻液循環(huán)量成正比：

(2)

(3)

式中：Vω為冷卻系統(tǒng)冷卻水循環(huán)量；Qc為冷卻系散出的熱量；Δtω為冷卻水在內(nèi)燃機(jī)中循環(huán)時(shí)允許的溫升，對(duì)于現(xiàn)代閉式強(qiáng)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?jǐn)?shù)，汽油機(jī)為0.2～0.27；ge為內(nèi)燃機(jī)的燃油消耗率；Ne為內(nèi)燃機(jī)標(biāo)定功率；hu為燃料低熱值。

原發(fā)動(dòng)機(jī)使用160 L/min循環(huán)水量水泵，通過計(jì)算可知循環(huán)水量應(yīng)為150 L/min，發(fā)動(dòng)機(jī)存在冷卻系統(tǒng)過冷情況。因此，需要驗(yàn)證150 L/min循環(huán)水量水泵對(duì)機(jī)油稀釋的影響。

通過驗(yàn)證結(jié)果可知，相比160 L/min循環(huán)水量水泵，使用150 L/min循環(huán)水量水泵后燃油含量降低0.99%～3.19%。

更換水泵后對(duì)整車?yán)鋮s系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，水泵滿足整車?yán)鋮s要求，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 水泵優(yōu)化后整車?yán)鋮s系統(tǒng)溫度計(jì)算

2.3.3 機(jī)油冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化

機(jī)油溫度會(huì)影響曲軸箱燃油揮發(fā)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用機(jī)油冷卻器對(duì)機(jī)油進(jìn)行冷卻，為了提高機(jī)油溫度，對(duì)機(jī)油冷卻器進(jìn)行優(yōu)化，降低其對(duì)機(jī)油的冷卻能力[10]。

驗(yàn)證試驗(yàn)中采用了2個(gè)機(jī)油冷卻器優(yōu)化方案，相比原發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)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(jī)油冷卻器后，汽油質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別降低0.15%～0.31%和0.41%～0.74%。

考慮到機(jī)油溫度小于等于125 ℃要求，采用散熱量減小2 kW的機(jī)油冷卻器對(duì)機(jī)油冷卻效果進(jìn)行驗(yàn)證。出水溫度與機(jī)油冷卻器進(jìn)油溫度關(guān)系見圖8。當(dāng)出水溫度為106 ℃時(shí)機(jī)油冷卻器進(jìn)油溫度為118 ℃，可推斷出水溫度達(dá)到最高限值115 ℃時(shí)機(jī)油冷卻器進(jìn)油溫度為127 ℃，超出機(jī)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(jī)油冷卻器。

圖8 散熱量減小2 kW的機(jī)油冷卻器機(jī)油溫度驗(yàn)證

2.3.4 曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)有部分可燃混合氣經(jīng)過活塞環(huán)由氣缸漏入曲軸箱中，發(fā)動(dòng)機(jī)溫度低時(shí)可能會(huì)有液態(tài)燃油進(jìn)入曲軸箱中，如果曲軸箱的燃油蒸氣不及時(shí)排出會(huì)加重機(jī)油稀釋程度[3]。改變PCV閥補(bǔ)氣量驗(yàn)證曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)油稀釋的影響，驗(yàn)證結(jié)果見圖9。試驗(yàn)結(jié)果表明，PCV閥補(bǔ)氣量存在相對(duì)較優(yōu)的值，小于或大于此值對(duì)機(jī)油稀釋都會(huì)產(chǎn)生不利影響。

圖9 PCV閥補(bǔ)氣量對(duì)機(jī)稀釋影響

此款發(fā)動(dòng)機(jī)最終采用“優(yōu)化噴油相位+適當(dāng)減小水泵流量+適當(dāng)減小機(jī)油冷卻器散熱量+優(yōu)化PCV閥補(bǔ)氣量”措施后，最大機(jī)油稀釋程度降低至5%以下。

3 結(jié)論

a) 調(diào)整VVT角使進(jìn)氣門開啟角推后,調(diào)整噴油相位使噴油時(shí)刻提前,二者均對(duì)機(jī)油稀釋有改善作用，且以調(diào)整噴油相位效果最佳；

b) 水泵流量減小可提高發(fā)動(dòng)機(jī)水溫，進(jìn)而提高機(jī)油中燃油的解析率，改善機(jī)油稀釋程度，但水溫過高會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，因此，水泵流量調(diào)整需進(jìn)行整車?yán)鋮s系統(tǒng)匹配計(jì)算；

c) 機(jī)油冷卻器散熱量大造成機(jī)油溫度低，阻礙機(jī)油中燃油的解析，導(dǎo)致機(jī)油稀釋嚴(yán)重，減小機(jī)油冷卻器散熱量可改善機(jī)油稀釋，但散熱量過小會(huì)造成潤滑系統(tǒng)溫度過高，機(jī)油功能失效，機(jī)油冷卻器散熱量需合理匹配；

d) PCV閥補(bǔ)氣量存在相對(duì)最優(yōu)的值使油稀釋程度最低，但PCV閥補(bǔ)氣量的取值需綜合考慮其對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋、機(jī)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?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)性能提升與優(yōu)化；engine@gwm.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.06.008

TK411.9

B

1001-2222(2016)06-0041-05