直噴發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋原因分析及優(yōu)化

梁稱邦 黃振華

上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

機(jī)油稀釋是指部分沒(méi)能夠參與燃燒的燃料沿著缸壁流入曲軸箱，從而使機(jī)油被燃油稀釋，使機(jī)油粘度非正常下降，導(dǎo)致機(jī)油提前報(bào)廢的現(xiàn)象。無(wú)論是進(jìn)氣道噴射發(fā)動(dòng)機(jī)還是直噴發(fā)動(dòng)機(jī)都會(huì)發(fā)生機(jī)油稀釋問(wèn)題，但直噴發(fā)動(dòng)機(jī)在低溫環(huán)境下的燃油稀釋會(huì)更為嚴(yán)重。隨著市場(chǎng)上缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)逐年增加，各汽車(chē)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)油稀釋現(xiàn)象有了更大投入。本文主要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋的原因、影響進(jìn)行闡述，并對(duì)在發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程遇到的機(jī)油稀釋問(wèn)題的解決進(jìn)行了歸納總結(jié)。

2 機(jī)油稀釋的產(chǎn)生機(jī)理

對(duì)于缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，燃油是直接噴入氣缸內(nèi)的，輛在極低溫環(huán)境下短途行駛，或者頻繁啟動(dòng)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)水溫?zé)o法升高，在這種噴油量大、負(fù)荷大工況下，燃油無(wú)法充分霧化，容易使燃油噴到氣缸壁上，形成“濕壁”（見(jiàn)圖1）。燃油在缸壁凝結(jié)，并經(jīng)過(guò)活塞與缸壁的結(jié)合處滲漏到油底殼，與機(jī)油混合，從而降低機(jī)油的百分含量，對(duì)機(jī)油進(jìn)行稀釋。

圖1 機(jī)油稀釋產(chǎn)生原理示意圖

機(jī)油被稀釋的主要表現(xiàn)有機(jī)油液面上升，曲軸箱串油量增加，機(jī)油壓力下降，發(fā)動(dòng)機(jī)性能不足，油耗增加等。

3 機(jī)油稀釋的危害

3.1 燃油經(jīng)濟(jì)性降低

機(jī)油稀釋造成發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑性能下降，摩擦損失增大，活塞環(huán)與氣缸間隙增大，燃油進(jìn)入曲軸箱，未能參與燃燒，燃油損耗增加造成經(jīng)濟(jì)性下降。

3.2 動(dòng)力性下降

缸內(nèi)燃油和混合氣的泄漏造成參與燃燒的燃料減少，空燃比降低，缸內(nèi)平均有效壓力下降，最終導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降。

3.3 機(jī)油變質(zhì)

機(jī)油被稀釋后，機(jī)油粘度大幅度下降，在高溫、高壓的條件下容易快速?gòu)倪\(yùn)動(dòng)副表面流失，無(wú)法形成足夠厚度的油膜，導(dǎo)致零部件異常磨損，磨損產(chǎn)生的屑料進(jìn)一步污染機(jī)油，降低機(jī)油壽命，頻發(fā)的更換機(jī)油，增加車(chē)輛使用成本。

3.4 可靠性和使用壽命下降

機(jī)油稀釋率越高，機(jī)油黏度越低，各摩擦零部件無(wú)法建立起穩(wěn)定的油膜，導(dǎo)致軸瓦、軸承等運(yùn)動(dòng)副磨損加劇，嚴(yán)重狀態(tài)下會(huì)導(dǎo)致拉缸、拉瓦等失效模式。

3.5 可變正時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)延遲

由于黏度降低，油壓建立時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致可變氣門(mén)正時(shí)系統(tǒng)的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)響應(yīng)遲鈍。

3.6 引發(fā)動(dòng)機(jī)爆震，早燃問(wèn)題

高壓油束噴射到缸套上，導(dǎo)致機(jī)油更容易進(jìn)入燃燒室內(nèi)，使得燃油燃點(diǎn)降低，進(jìn)而引發(fā)早燃，爆震等問(wèn)題。

4 直噴發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋優(yōu)化

根據(jù)機(jī)油稀釋的產(chǎn)生機(jī)理，針對(duì)性的調(diào)整直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的噴油器和噴油參數(shù)，經(jīng)仿真分析和噴油器測(cè)試發(fā)現(xiàn)：

（a）當(dāng)噴油器噴霧錐角過(guò)大、噴孔數(shù)量多時(shí)，噴霧在缸內(nèi)擴(kuò)散的區(qū)域更廣，更容易噴到缸壁。

（b）噴油器靜態(tài)流量偏大時(shí)，并且在保持空燃比一定的情況下，噴油脈寬增加、或者噴油次數(shù)減少，都將導(dǎo)致油束貫穿距增加，機(jī)油稀釋風(fēng)險(xiǎn)提升。

（c）噴油次數(shù)增加時(shí)，單次噴射貫穿距離小，機(jī)油稀釋降低。

（d）首噴角提前，更多的燃油噴射在活塞上，避免直噴射至缸壁，降低燃油在缸壁凝結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)。

因此，降低增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋，主要從噴油器硬件和標(biāo)定軟件兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 噴油器優(yōu)化

噴油器噴孔數(shù)量由6 孔改為5 孔，油壓為10MPa 時(shí)靜態(tài)流量由11 ml/s 改為9 ml/s（見(jiàn)表1）。

表1 噴油器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

噴油器為6 噴油孔時(shí)，油束更為發(fā)散，噴油張角較大，容易導(dǎo)致油束噴射至汽缸壁（見(jiàn)圖2），形成“濕壁”。

圖2 優(yōu)化前油束示意圖

噴油器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，噴油嘴用6 孔改為5 孔，噴射油束較為集中（見(jiàn)圖3），減少油霧撞壁。

圖3 優(yōu)化后油束示意圖

在噴油孔數(shù)量調(diào)整的同時(shí)，噴油嘴角度也進(jìn)行優(yōu)化，燃油束噴霧張角由70°調(diào)整為46°（見(jiàn)圖4），單次噴油量減少，減小貫穿距，避免了燃油噴射至缸壁。

圖4 優(yōu)化前后噴霧張角對(duì)比

4.2 標(biāo)定優(yōu)化

經(jīng)仿真計(jì)算當(dāng)噴油時(shí)刻從-270°CA提前到-300°CA 后，燃油噴射后缸內(nèi)形成的油膜量降低；這是由于隨著噴油時(shí)刻從-270°CA 提前到-300°CA，燃油撞壁量減少了（見(jiàn)圖5）；并且燃油提前噴射，增加了噴射到缸內(nèi)燃油的霧化時(shí)間，有利于粘附在缸壁上的油膜蒸發(fā)，從而降低了缸內(nèi)的油膜量。

圖5 不同噴油時(shí)刻噴霧撞壁量

在不同的噴油控制策略下，燃油噴射濕壁量均呈上升趨勢(shì)，在進(jìn)氣沖程上升，然后達(dá)到最大值，在壓縮沖程后期，逐漸呈下降趨勢(shì)。而采用二次噴射策略后，相對(duì)僅進(jìn)行一次噴射，濕壁量明顯減少（見(jiàn)圖6）。多次噴射可以改善燃燒過(guò)程，減少燃油殘余，噴油改為多次噴射，每次噴射的噴油量減少，降低濕壁量風(fēng)險(xiǎn)，有效的降低機(jī)油稀釋率。

圖6 不同噴策略的燃油濕壁量對(duì)比

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速至水溫50℃以上之后，機(jī)油粘溫度隨之升高，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷隨摩擦功減小、噴油量隨之減小，多次噴射模式下各次噴射量精確度降低、轉(zhuǎn)速出現(xiàn)波動(dòng)，此時(shí)已經(jīng)暖機(jī)，對(duì)機(jī)油稀釋影響不大，調(diào)整為單次噴射，在低溫暖機(jī)過(guò)程時(shí)，噴射模式由單次改為多次噴射。因此，主要調(diào)整低溫啟動(dòng)至水溫升至50℃的這一段工況的噴油模式，對(duì)油時(shí)刻、噴油次數(shù)、噴油量、噴油量分配進(jìn)行優(yōu)化。具體噴油模式定義如下：

HO1 噴油模式：進(jìn)氣沖程噴射一次，噴油起始角270CA～360CA。

HP2 噴油模式：進(jìn)氣沖程噴射一次，壓縮沖程噴射一次，兩次噴油量比例為5：5，噴油起始角330CA，噴油結(jié)束角80CA。

HP3 噴油模式：進(jìn)氣沖程噴射一次，壓縮沖程噴射兩次，三次噴油量比例為4：3：3，噴油起始角330CA，噴油結(jié)束角80CA。

在低溫運(yùn)行階段，不同負(fù)荷、不同轉(zhuǎn)速下，設(shè)置不同的噴油模式（見(jiàn)圖7）。

圖7 低溫啟動(dòng)噴油map圖

在圖6 中1.00 代表該工況為HO1 噴油模式，2.00 代表該工況為HP2 噴油模式，4.00代表該工況為HP3 噴油模式。

4.3 優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)多次噴油標(biāo)定調(diào)整，在低溫暖機(jī)工況下，不同的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷采用不同的噴油模式，在相同條件下進(jìn)行整車(chē)低溫艙機(jī)油稀釋試驗(yàn)28 循環(huán)，每次循環(huán)為冷啟動(dòng)至發(fā)動(dòng)機(jī)水溫50℃，每次試驗(yàn)后記錄機(jī)油液面上升刻度，液面上升趨勢(shì)存在明顯差異（見(jiàn)圖8）。試驗(yàn)完成后，經(jīng)檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，機(jī)油稀釋率從優(yōu)化前的15.83%降至6.07%，機(jī)油稀釋改善效果明顯。

圖8 機(jī)油液面上升曲線

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)噴油器優(yōu)化設(shè)計(jì)以及對(duì)低溫啟動(dòng)工況下進(jìn)行分次噴射驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò)優(yōu)化噴油器設(shè)計(jì)，減小噴油張角，減少單次噴射流量，縮短貫穿距，可以有效的降低燃油碰壁的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在的低溫環(huán)境啟動(dòng)車(chē)輛時(shí)，對(duì)不同工況下，通過(guò)采用分次噴射策略，可以有效容降低“濕壁”風(fēng)險(xiǎn)，從而改善發(fā)動(dòng)機(jī)油稀釋問(wèn)題。