直喷发动机机油稀释原因分析及优化

梁称邦 黄振华

上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 545007

1 引言

机油稀释是指部分没能够参与燃烧的燃料沿着缸壁流入曲轴箱，从而使机油被燃油稀释，使机油粘度非正常下降，导致机油提前报废的现象。无论是进气道喷射发动机还是直喷发动机都会发生机油稀释问题，但直喷发动机在低温环境下的燃油稀释会更为严重。随着市场上缸内直喷发动机逐年增加，各汽车企业及研究机构对机油稀释现象有了更大投入。本文主要对发动机机油稀释的原因、影响进行阐述，并对在发动机开发过程遇到的机油稀释问题的解决进行了归纳总结。

2 机油稀释的产生机理

对于缸内直喷发动机，燃油是直接喷入气缸内的，辆在极低温环境下短途行驶，或者频繁启动时，发动机水温无法升高，在这种喷油量大、负荷大工况下，燃油无法充分雾化，容易使燃油喷到气缸壁上，形成“湿壁”（见图1）。燃油在缸壁凝结，并经过活塞与缸壁的结合处渗漏到油底壳，与机油混合，从而降低机油的百分含量，对机油进行稀释。

图1 机油稀释产生原理示意图

机油被稀释的主要表现有机油液面上升，曲轴箱串油量增加，机油压力下降，发动机性能不足，油耗增加等。

3 机油稀释的危害

3.1 燃油经济性降低

机油稀释造成发动机润滑性能下降，摩擦损失增大，活塞环与气缸间隙增大，燃油进入曲轴箱，未能参与燃烧，燃油损耗增加造成经济性下降。

3.2 动力性下降

缸内燃油和混合气的泄漏造成参与燃烧的燃料减少，空燃比降低，缸内平均有效压力下降，最终导致发动机动力性下降。

3.3 机油变质

机油被稀释后，机油粘度大幅度下降，在高温、高压的条件下容易快速从运动副表面流失，无法形成足够厚度的油膜，导致零部件异常磨损，磨损产生的屑料进一步污染机油，降低机油寿命，频发的更换机油，增加车辆使用成本。

3.4 可靠性和使用寿命下降

机油稀释率越高，机油黏度越低，各摩擦零部件无法建立起稳定的油膜，导致轴瓦、轴承等运动副磨损加剧，严重状态下会导致拉缸、拉瓦等失效模式。

3.5 可变正时系统响应延迟

由于黏度降低，油压建立时间变长，导致可变气门正时系统的液压执行机构响应迟钝。

3.6 引发动机爆震，早燃问题

高压油束喷射到缸套上，导致机油更容易进入燃烧室内，使得燃油燃点降低，进而引发早燃，爆震等问题。

4 直喷发动机机油稀释优化

根据机油稀释的产生机理，针对性的调整直喷发动机的喷油器和喷油参数，经仿真分析和喷油器测试发现：

（a）当喷油器喷雾锥角过大、喷孔数量多时，喷雾在缸内扩散的区域更广，更容易喷到缸壁。

（b）喷油器静态流量偏大时，并且在保持空燃比一定的情况下，喷油脉宽增加、或者喷油次数减少，都将导致油束贯穿距增加，机油稀释风险提升。

（c）喷油次数增加时，单次喷射贯穿距离小，机油稀释降低。

（d）首喷角提前，更多的燃油喷射在活塞上，避免直喷射至缸壁，降低燃油在缸壁凝结的风险。

因此，降低增压直喷发动机机油稀释，主要从喷油器硬件和标定软件两个方面进行优化。

4.1 喷油器优化

喷油器喷孔数量由6 孔改为5 孔，油压为10MPa 时静态流量由11 ml/s 改为9 ml/s（见表1）。

表1 喷油器参数优化设计

喷油器为6 喷油孔时，油束更为发散，喷油张角较大，容易导致油束喷射至汽缸壁（见图2），形成“湿壁”。

图2 优化前油束示意图

喷油器进行优化设计后，喷油嘴用6 孔改为5 孔，喷射油束较为集中（见图3），减少油雾撞壁。

图3 优化后油束示意图

在喷油孔数量调整的同时，喷油嘴角度也进行优化，燃油束喷雾张角由70°调整为46°（见图4），单次喷油量减少，减小贯穿距，避免了燃油喷射至缸壁。

图4 优化前后喷雾张角对比

4.2 标定优化

经仿真计算当喷油时刻从-270°CA提前到-300°CA 后，燃油喷射后缸内形成的油膜量降低；这是由于随着喷油时刻从-270°CA 提前到-300°CA，燃油撞壁量减少了（见图5）；并且燃油提前喷射，增加了喷射到缸内燃油的雾化时间，有利于粘附在缸壁上的油膜蒸发，从而降低了缸内的油膜量。

图5 不同喷油时刻喷雾撞壁量

在不同的喷油控制策略下，燃油喷射湿壁量均呈上升趋势，在进气冲程上升，然后达到最大值，在压缩冲程后期，逐渐呈下降趋势。而采用二次喷射策略后，相对仅进行一次喷射，湿壁量明显减少（见图6）。多次喷射可以改善燃烧过程，减少燃油残余，喷油改为多次喷射，每次喷射的喷油量减少，降低湿壁量风险，有效的降低机油稀释率。

图6 不同喷策略的燃油湿壁量对比

当发动机怠速至水温50℃以上之后，机油粘温度随之升高，发动机负荷随摩擦功减小、喷油量随之减小，多次喷射模式下各次喷射量精确度降低、转速出现波动，此时已经暖机，对机油稀释影响不大，调整为单次喷射，在低温暖机过程时，喷射模式由单次改为多次喷射。因此，主要调整低温启动至水温升至50℃的这一段工况的喷油模式，对油时刻、喷油次数、喷油量、喷油量分配进行优化。具体喷油模式定义如下：

HO1 喷油模式：进气冲程喷射一次，喷油起始角270CA～360CA。

HP2 喷油模式：进气冲程喷射一次，压缩冲程喷射一次，两次喷油量比例为5：5，喷油起始角330CA，喷油结束角80CA。

HP3 喷油模式：进气冲程喷射一次，压缩冲程喷射两次，三次喷油量比例为4：3：3，喷油起始角330CA，喷油结束角80CA。

在低温运行阶段，不同负荷、不同转速下，设置不同的喷油模式（见图7）。

图7 低温启动喷油map图

在图6 中1.00 代表该工况为HO1 喷油模式，2.00 代表该工况为HP2 喷油模式，4.00代表该工况为HP3 喷油模式。

4.3 优化后试验结果

经多次喷油标定调整，在低温暖机工况下，不同的转速和负荷采用不同的喷油模式，在相同条件下进行整车低温舱机油稀释试验28 循环，每次循环为冷启动至发动机水温50℃，每次试验后记录机油液面上升刻度，液面上升趋势存在明显差异（见图8）。试验完成后，经检测结果对比，机油稀释率从优化前的15.83%降至6.07%，机油稀释改善效果明显。

图8 机油液面上升曲线

5 结语

通过对缸内直喷发动机喷油器优化设计以及对低温启动工况下进行分次喷射验证，得出如下结论：

（1）通过优化喷油器设计，减小喷油张角，减少单次喷射流量，缩短贯穿距，可以有效的降低燃油碰壁的风险。

（2）在的低温环境启动车辆时，对不同工况下，通过采用分次喷射策略，可以有效容降低“湿壁”风险，从而改善发动机油稀释问题。