直噴發動機機油稀釋原因分析及優化

梁稱邦 黃振華

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

機油稀釋是指部分沒能夠參與燃燒的燃料沿著缸壁流入曲軸箱，從而使機油被燃油稀釋，使機油粘度非正常下降，導致機油提前報廢的現象。無論是進氣道噴射發動機還是直噴發動機都會發生機油稀釋問題，但直噴發動機在低溫環境下的燃油稀釋會更為嚴重。隨著市場上缸內直噴發動機逐年增加，各汽車企業及研究機構對機油稀釋現象有了更大投入。本文主要對發動機機油稀釋的原因、影響進行闡述，并對在發動機開發過程遇到的機油稀釋問題的解決進行了歸納總結。

2 機油稀釋的產生機理

對于缸內直噴發動機，燃油是直接噴入氣缸內的，輛在極低溫環境下短途行駛，或者頻繁啟動時，發動機水溫無法升高，在這種噴油量大、負荷大工況下，燃油無法充分霧化，容易使燃油噴到氣缸壁上，形成“濕壁”（見圖1）。燃油在缸壁凝結，并經過活塞與缸壁的結合處滲漏到油底殼，與機油混合，從而降低機油的百分含量，對機油進行稀釋。

圖1 機油稀釋產生原理示意圖

機油被稀釋的主要表現有機油液面上升，曲軸箱串油量增加，機油壓力下降，發動機性能不足，油耗增加等。

3 機油稀釋的危害

3.1 燃油經濟性降低

機油稀釋造成發動機潤滑性能下降，摩擦損失增大，活塞環與氣缸間隙增大，燃油進入曲軸箱，未能參與燃燒，燃油損耗增加造成經濟性下降。

3.2 動力性下降

缸內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，缸內平均有效壓力下降，最終導致發動機動力性下降。

3.3 機油變質

機油被稀釋后，機油粘度大幅度下降，在高溫、高壓的條件下容易快速從運動副表面流失，無法形成足夠厚度的油膜，導致零部件異常磨損，磨損產生的屑料進一步污染機油，降低機油壽命，頻發的更換機油，增加車輛使用成本。

3.4 可靠性和使用壽命下降

機油稀釋率越高，機油黏度越低，各摩擦零部件無法建立起穩定的油膜，導致軸瓦、軸承等運動副磨損加劇，嚴重狀態下會導致拉缸、拉瓦等失效模式。

3.5 可變正時系統響應延遲

由于黏度降低，油壓建立時間變長，導致可變氣門正時系統的液壓執行機構響應遲鈍。

3.6 引發動機爆震，早燃問題

高壓油束噴射到缸套上，導致機油更容易進入燃燒室內，使得燃油燃點降低，進而引發早燃，爆震等問題。

4 直噴發動機機油稀釋優化

根據機油稀釋的產生機理，針對性的調整直噴發動機的噴油器和噴油參數，經仿真分析和噴油器測試發現：

（a）當噴油器噴霧錐角過大、噴孔數量多時，噴霧在缸內擴散的區域更廣，更容易噴到缸壁。

（b）噴油器靜態流量偏大時，并且在保持空燃比一定的情況下，噴油脈寬增加、或者噴油次數減少，都將導致油束貫穿距增加，機油稀釋風險提升。

（c）噴油次數增加時，單次噴射貫穿距離小，機油稀釋降低。

（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的風險。

因此，降低增壓直噴發動機機油稀釋，主要從噴油器硬件和標定軟件兩個方面進行優化。

4.1 噴油器優化

噴油器噴孔數量由6 孔改為5 孔，油壓為10MPa 時靜態流量由11 ml/s 改為9 ml/s（見表1）。

表1 噴油器參數優化設計

噴油器為6 噴油孔時，油束更為發散，噴油張角較大，容易導致油束噴射至汽缸壁（見圖2），形成“濕壁”。

圖2 優化前油束示意圖

噴油器進行優化設計后，噴油嘴用6 孔改為5 孔，噴射油束較為集中（見圖3），減少油霧撞壁。

圖3 優化后油束示意圖

在噴油孔數量調整的同時，噴油嘴角度也進行優化，燃油束噴霧張角由70°調整為46°（見圖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 優化前后噴霧張角對比

4.2 標定優化

經仿真計算當噴油時刻從-270°CA提前到-300°CA 后，燃油噴射后缸內形成的油膜量降低；這是由于隨著噴油時刻從-270°CA 提前到-300°CA，燃油撞壁量減少了（見圖5）；并且燃油提前噴射，增加了噴射到缸內燃油的霧化時間，有利于粘附在缸壁上的油膜蒸發，從而降低了缸內的油膜量。

圖5 不同噴油時刻噴霧撞壁量

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

圖6 不同噴策略的燃油濕壁量對比

當發動機怠速至水溫50℃以上之后，機油粘溫度隨之升高，發動機負荷隨摩擦功減小、噴油量隨之減小，多次噴射模式下各次噴射量精確度降低、轉速出現波動，此時已經暖機，對機油稀釋影響不大，調整為單次噴射，在低溫暖機過程時，噴射模式由單次改為多次噴射。因此，主要調整低溫啟動至水溫升至50℃的這一段工況的噴油模式，對油時刻、噴油次數、噴油量、噴油量分配進行優化。具體噴油模式定義如下：

HO1 噴油模式：進氣沖程噴射一次，噴油起始角270CA～360CA。

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

HP3 噴油模式：進氣沖程噴射一次，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，噴油結束角80CA。

在低溫運行階段，不同負荷、不同轉速下，設置不同的噴油模式（見圖7）。

圖7 低溫啟動噴油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 優化后試驗結果

經多次噴油標定調整，在低溫暖機工況下，不同的轉速和負荷采用不同的噴油模式，在相同條件下進行整車低溫艙機油稀釋試驗28 循環，每次循環為冷啟動至發動機水溫50℃，每次試驗后記錄機油液面上升刻度，液面上升趨勢存在明顯差異（見圖8）。試驗完成后，經檢測結果對比，機油稀釋率從優化前的15.83%降至6.07%，機油稀釋改善效果明顯。

圖8 機油液面上升曲線

5 結語

通過對缸內直噴發動機噴油器優化設計以及對低溫啟動工況下進行分次噴射驗證，得出如下結論：

（1）通過優化噴油器設計，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險。

（2）在的低溫環境啟動車輛時，對不同工況下，通過采用分次噴射策略，可以有效容降低“濕壁”風險，從而改善發動機油稀釋問題。