分次喷射对GDI发动机中高速工况机油稀释影响的研究

杨雪培刘国军陈　东吴海甫周　硕（1-长城汽车股份有限公司技术中心　河北　保定　071000 2-河北省汽车工程技术研究中心）



分次喷射对GDI发动机中高速工况机油稀释影响的研究

杨雪培1，2刘国军1，2陈东1，2吴海甫1，2周硕1，2
（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北保定071000 2-河北省汽车工程技术研究中心）

摘要：通过对2.0T GDI发动机进行试验，主要研究了分次喷射策略对GDI发动机中高速机油稀释的影响。试验结果表明，通过采用合理的分次喷射策略，可以改善油束在喷射过程中的碰壁情况，减少融入油膜中的汽油量，从而改善机油稀释问题，但是随着机油稀释问题的改善，发动机的烟度会出现恶化。

关键词：分次喷射喷油时刻机油稀释缸内直喷稀释速率

引言

缸内汽油直喷（GDI，Gasoline Direct Injection）能大幅提高发动机的动力性和经济性[1-3]。因GDI技术具有良好的燃油经济性和瞬态响应特性，所以备受人们关注[4]。但随着GDI技术的应用，发动机的机油稀释问题却日渐突出。所谓机油稀释，即燃油、不完全燃烧的产物、机油氧化物及摩擦产生的不溶物等混入机油，使机油粘度造成非正常下降，导致机油早期报废的现象[5]。针对机油稀释目前国内外都尚无有效的解决方案，且问题研究方向多为发动机硬件结构调整或低速大负荷机油稀释问题改良，易导致成本增加或动力性损失。本文重点研究了分次喷射策略对GDI发动机中高速机油稀释的影响。

1试验样本

试验发动机样本是一台缸内直喷发动机，发动机基本配置信息参见表1。采用火花塞中央布置，喷油器侧向布置。

2试验方案

2.1机油稀释形成机理

图2介绍了机油稀释形成的机理，是燃油蒸汽

表1　样机配置

和油束碰壁后通过缸壁间隙进入曲轴箱融入到机油中。而在稳定状态条件下发动机运转后，机油稀释量趋于一致。这是因为掺入到机油中的燃油量与从机油中蒸发的燃油量达到一个平衡。理论依据如下所示[6]：

图2　机油稀释形成示意图

1）掺入到机油中的燃油量

稳态运行条件下掺入到机油中的燃油量不变，与长运行时间无关。因此掺入量表示如下：式中：t为时间。

2）从机油中挥发的燃油量

观察发现，引入新鲜空气后，从机油中挥发的燃油量与掺入到机油中的燃油量有关，因此挥发量的表示如下：式中：ω（t）为机油稀释量；B为常数。

3）机油稀释量

考虑到初始机油稀释和机油量两个因素，机油稀释量表示如下：式中：V为机油量，D为初始机油稀释。

方程两边微分：

结果显示，机油稀释随时间变化，如果时间趋于无穷时，机油稀释量是一个常数，且不受机油量的影响。

A和B实际上就是关于冷却液或机油温度、燃油性质、燃油消耗量和喷油时刻等因素的方程[6]。

结合上述分析及结论，本文主要针对喷油参数对机油稀释的影响进行验证

2.2模拟仿真

由于第一次喷射过早过晚都容易使喷雾直接撞击燃烧室凹坑底部或气缸侧壁；第二次喷射喷油过多会导致喷雾碰到活塞凹坑和缸壁[7-8]。因此针对分次喷射方案首先进行了仿真计算。计算方案如表2所示：

表2　试验对比方案

一喷起始时刻又称SOI（Start Of Injection），是指排气冲程上止点之后对应的曲轴转角；

二喷结束时刻又称EOI（End Of Injection），是指压缩冲程上止点之前对应的曲轴转角；

分次比例是指单缸每个循环内第一次喷射燃油量占总燃油量的百分比，下文统称P。

利用仿真软件FIRE模拟计算油束在缸内的喷射及碰壁情况。如图3所示，分别表示不同曲轴转角下，缸壁活塞顶面及气门背面的油膜质量分布情况。

图3　油膜质量分布

从结果可看出，V3方案的壁面油膜量最低，V2居中，V1油膜量最大。初步确定，采用分次喷射方案可以改善油束碰壁问题。但V3方案在活塞顶部形成的油膜要多于V2方案，可能会导致烟度出现恶化。

2.3分次喷射试验方案工况选择

通过计算分析，确认分次喷射方案对于降低壁面油膜量有益，结合计算结果对喷油参数进行试验方案策划及验证。具体如表3所示，其中燃油油轨压力保持一致，对点火角及空燃比进行调整，保证每种方案运行在最优控制状态。

表3　试验方案

3试验验证

3.1设备介绍

机油稀释结果采用D_LUBE设备在线检测，检测原理如下：在发动机机油中添加放射性元素“锗”作为示踪剂，通过“锗”元素在机油中放射性比度的变化来反映机油稀释速率（单位时间内机油稀释变化率，%/h）。如图4所示，通过试验点的测量利用软件拟合出机油的稀释速率。

图4　稀释速率计算软件界面

3.2结果对比

对试验方案进行正交扫点验证，随机选取两组单次喷射方案和六组分次喷射方案进行结果对比，如图5所示。从图中可看出发动机采用分次喷射后机油稀释速率得到明显改善，并且不同分次喷射方案对机油稀释速率的影响也存在差异。

图5　稀释速率试验结果对比

3.3数据分析

由内燃机动力学可知：

曲柄回转角速度：活塞位移的近似值：活塞运行速度近似值：

通过公式9可以推算出缸壁露出面积：

结合上述公式可算出本机型在4000 r/min时活塞位移、活塞运行速度与缸壁露出面积同曲轴转角的对应关系，如图6、7、8所示。

图6　活塞运行速度

图7　活塞位移

图8　缸壁露出面积

3.3.1 SOI对机油稀释的影响

试验过程中固化E0I = 120°CA、P = 0.8，不同SOI对机油稀释的影响如图9所示。

图9　 SOI对机油稀释影响

通过图9可看出，提前SOI可以降低发动机机油稀释速率。由图6我们可看出，活塞最大运行速度出现在上止点后75°CA和285°CA附近。分次比例为0.8时，一喷持续期为114°CA。当SOI = 20°CA时，在活塞最大运行速度两侧喷油持续期为55°CA 和59°CA，使喷油平均分布在活塞最大速度两侧。而SOI = 30°CA时，在活塞最大运行速度两侧喷油持续期分别为45°CA和69°CA。也就是说SOI为20°CA时更加充分地利用了活塞运行速度加速燃油雾化及混合气的形成。

由图8可知，随着SOI提前，缸壁露出面积逐渐减小，此时喷油会大幅度降低油束碰壁风险或者说是缩短了油束碰壁的时间，进而减少了壁面油膜量的形成，改善机油稀释问题。

SOI对烟度影响如图10所示。

图10　 SOI对烟度影响

通过图10可看出随着SOI的变化，发动机的烟度排放呈现出明显的恶化趋势。主要是因为SOI的提前使得喷雾碰到活塞，在紧贴壁面处形成一层过浓混合气，增加了碳烟排放[9]。结合图7可看出，当SOI提前时，活塞顶部越靠近上止点，此时喷油，必然导致活塞顶部油膜量增加，引起烟度排放恶化。

3.3.2 EOI对机油稀释的影响

固化SOI = 20°CA、P = 0.8，对比不同EOI对机油稀释的影响，结果如图11所示。

图11　 EOI对机油稀释影响

通过图11可看出，随着EOI的滞后，机油稀释速率得到明显降低。利用SOI的分析理论，其实不难发现，由于活塞第二次最大运行速度位置在75°CA（为了便于对比，将进气上止点后285°CA转化成压缩上止点前角度，同EOI定义相同）曲轴转角附近。也就是说在进气下止点之后，随着EOI的推迟，活塞运行速度逐渐加快，而二次喷射持续期只有30°CA，所以整个喷射过程都随着EOI的滞后而落在更快的活塞运动速度区间，充分利用了活塞运动速度对燃油进行雾化。同理在缸壁露出面积上，由图8可知，随着EOI滞后，缸壁露出面积也是越来越小，有助于降低燃油碰壁的风险，促进机油稀释的改善。

在烟度的影响上，通过图7可看出，随着EOI滞后，活塞顶部逐渐靠近压缩上止点，此时喷油，必然会引起活塞顶部油膜量增多，并且喷油完成后基本只有90°CA曲轴转角的时间供燃油挥发，短时间内燃油不能充分挥发，导致烟度排放恶化，如图12所示。

图12　 EOI及分次比例对烟度影响

3.3.3分次比例对机油稀释的影响

分次喷射比例只是改变了一次喷射和二次喷射的持续期，在一喷起始及二喷结束时刻固定的条件下，减小喷射比例可以一方面缩短了第一次喷射持续期，降低湿壁的风险，另一方面由于二次喷射所占比例小，喷油时刻也没有特别迟，喷雾动量、射程及燃油碰壁量都较小[9]。两方面共同作用促使机油稀释得到改善。如图13所示，表示了不同分次喷射比例下机油稀释的变化趋势。

图13　分次比例对机油稀释影响

由于第二次喷射较晚，增加喷油量会使得混合气混合质量变差，造成碳烟排放增加[9]。具体如图12所示，随着二喷油量的增加，烟度排放恶化越来越严重，如SOI = 20°CA、EOI = 90°CA，分次比例为0.6时相对于0.8烟度排放提高了7.5倍左右。

由于分次喷射方案对烟度排放有直接影响，所以选择适当的喷油相位和喷油比例可以降低发动机烟度[10]。

所以通过调整标定参数对机油稀释问题进行整改过程中，不能仅关注机油稀释的改善水平，还需结合烟度的变化情况综合考虑。

4　结论

通过对GDI发动机中高转速的外特性区域进行分次喷射验证，得出如下结论：

1）通过采用分次喷射策略，可以有效改善发动机中高速外特性区域的机油稀释问题。

2）发动机机油稀释风险随着SOI提前、EOI滞后以及分次喷射比例的降低逐渐降低，反之则会使机油稀释恶化。

3）发动机的烟度排放同机油稀释是相互制约的，单个问题优化必然会导致另一个问题的恶化。分次喷射最优方案的确定需要结合机油稀释与烟度进行折中考虑。

参考文献

1 Christoph D，Kyung M，Ulrich S，et al. Investigations on pre-ignition in highly supercharged SI engines[C]. SAE Paper 2010-01-0355

2 Henning K，Dean T，Oliver L，et al. Future potential and development methods for high output turbo-charged direct injected gasoline engines[C]. SAE Paper 2006-01-0046

3 Jurgen W，Marc D，Emanuela M. Limits on downsizing in spark ignition engines due to pre-ignition[J]. MTZ，2009，70（5）：56-61

4蒋德明.内燃机燃烧与排放学[M].西安：西安交通大学出版社，2001

5吴清泉，马岩，刘军.内燃机车的机油稀释问题[J].内燃机车，1999（2）：8-12

6 Takumaru Sagawa，Hiroya Fujimoto, Kiyotaka Nakamura. Study of fuel dilution in direct-injection and multipoint injection gasoline engines[C]. SAE Paper 2002-001-1647

7王燕军，王建昕，帅石金.两段喷射直喷式汽油机燃烧系统的混合气形成规律[J].清华大学学报（自然科学版），2005，45（8）：1149-1152

8王燕军.基于两次喷射的汽油缸内直喷式燃烧系统的研究[D].北京：清华大学，2005

9黄伟.进气与燃油喷射策略对小型化高压缩比增压直喷汽油机性能影响的研究[D].上海：上海交通大学，2013

10张健，虞坚，滕勤.利用二次喷射抑制增压直喷汽油机超级爆震的试验研究[J].车用发动机，2013（4）：56-59

Research on Twice Injection Influence of GDI Engine
on Oil Dilution at Mid-High Speed

Yang Xuepei1，2，Liu Guojun1，2，Chen Dong1，2，Wu Haifu1，2，Zhou Shuo1，2
1- Technical Center，Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，071000，China）
2- Hebei Automobile Engineering Technology & Research Center

Abstract：With the test on 2.0T GDI engine, this paper mainly studies the effect of twice injection strategy of the oil dilution on GDI engine at mid-high speed. The test results show that by adopting reasonable twice injection strategy，the wall wetting can be improved in the injection process，and the amount of gasoline in the oil film also reduced，so as to improve oil dilution. But with the improvement of oil dilution, the soot will be deteriorated.

Keywords：Twice injection strategy，Injection timing，Oil dilution，Direct injection，Dilution rate

收稿日期：（2015-02-09）

文章编号：2095-8234（2015）03-0033-05

文献标识码：A

中图分类号：TK414.1+1

作者简介：杨雪培（1986-），女，助理工程师，主要研究方向为发动机设计。