賈殿臣 王凱 劉佳慶 張士偉 吳宜兵 段景輝

（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）

探究增壓直噴機型機油稀釋的影響因素及解決方法

賈殿臣1，2王凱1，2劉佳慶1，2張士偉1，2吳宜兵1，2段景輝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）

機油稀釋現(xiàn)象是發(fā)動機常見的試驗表象之一，尤其是增壓缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機，機油稀釋較明顯。機油發(fā)生稀釋后會破壞機油使用性能，降低運動粘度，嚴重時還導致機油壓力下降，零部件功能喪失，發(fā)動機可靠性下降。主要分析一款1.8L GDI缸內(nèi)增壓直噴發(fā)動機產(chǎn)生機油稀釋的影響因素進而對機油牌號、機油溫度、水溫、SOI角度、曲軸箱通風系統(tǒng)、活塞漏氣量、噴油器布置方式進行Benchmark分析及優(yōu)化驗證，為改善增壓直噴發(fā)動機機油稀釋現(xiàn)象提供解決方法，機油稀釋包括燃油噴射稀釋和機油揮發(fā)稀釋，重點探究的方向是燃油噴射稀釋。

機油稀釋運動粘度機油壓力SOI

引言

發(fā)動機熱管理系統(tǒng)間接影響燃燒的穩(wěn)定性進而影響機油稀釋的嚴重程度，尤其是冷卻水溫度控制、機油溫度控制尤為關鍵；曲軸箱通風系統(tǒng)、活塞漏氣量、噴油器布置方式直接影響曲軸箱內(nèi)的汽油含量；SOI、EOI的噴油角度控制影響著缸內(nèi)混合氣的均勻性間接對機油稀釋的產(chǎn)生也有一定的影響[1～4]；選用機油的牌號即機油質(zhì)量等級和粘度等級直接影響著潤滑油的工作表現(xiàn)，也是產(chǎn)生機油稀釋現(xiàn)象的基礎因子。本文涉及的1.8GDI發(fā)動機最大功率及相應轉(zhuǎn)速144kW/（6000r/min）、最大扭矩及相應轉(zhuǎn)速288N·m/（1800～4000r/min），發(fā)動機強化程度達到升功率80kW/L、升/扭矩160N·m/L，較高的性能指標對發(fā)動機的使用性能提出了更高的設計要求。1.8GDI發(fā)動機在臺架試驗過程中出現(xiàn)機油稀釋現(xiàn)象尤其是在大負荷工況機油稀釋較嚴重。具體試驗表現(xiàn)為機油尺液位刻度上移，機油壓力下降，曲軸箱竄油量增多，個別工況點機油稀釋率和機油粘度下降程度超過標準值。經(jīng)Benchmark對比分析和試驗驗證發(fā)現(xiàn)提高水溫，調(diào)整SOI提前，提高油底殼機油溫度，噴油器中置，優(yōu)化曲軸箱通風系統(tǒng)，減少活塞漏氣量，選用SM級及以上級別潤滑油均能夠減少機油稀釋現(xiàn)象。

1 機油稀釋試驗表現(xiàn)

1.1 發(fā)動機臺架機油稀釋試驗

1.8 GDI發(fā)動機臺架標定試驗過程中，多次停機后發(fā)現(xiàn)機油液位升高，升幅高度一般在1cm以上（約500mL）。經(jīng)試驗測試工況點排查，證實發(fā)動機轉(zhuǎn)速在2000r/min～4000r/min大負荷工況運行2 h后，存在機油稀釋現(xiàn)象，個別工況點機油稀釋率超過10%（機油中汽油的質(zhì)量分數(shù)），機油粘度低于9mm2/s，機油增加量超過450g，具體試驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 機油稀釋試驗測試數(shù)據(jù)

1.2 整車機油稀釋驗證及對比分析

對1.8 GDI整車與其它廠家進行整車機油稀釋測試對比，測試工況包括1500km不同車速循環(huán)工況、1000km全速試驗工況、1000km勻速車速試驗，測試結(jié)果表明1.8GDI整車機油稀釋程度均大于美系整車、韓系整車、德系整車，綜合對比德系整車機油稀釋程度最輕，具體試驗數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表2 整車不同車速循環(huán)和整車全速試驗測試數(shù)據(jù)

表3 整車1000km勻速車速試驗測試數(shù)據(jù)

2 機油稀釋的影響因素

機油稀釋通常是多種因素綜合作用的結(jié)果而導致未燃燒的燃油泄漏到機油箱造成機油中汽油含量偏多和機油粘度下降，然而機油本身也會隨著溫度的提高而揮發(fā)，造成粘度下降。高性能增壓缸內(nèi)直噴汽油發(fā)動機因結(jié)構(gòu)緊湊和小型化更加劇了機油稀釋現(xiàn)象。本文主要從機油牌號、噴油策略、曲軸箱通風系統(tǒng)、機油溫度、水溫、活塞漏氣量、汽油濕壁等方面對機油稀釋的影響進行探究和分析。

2.1 機油選用牌號

選用較高的質(zhì)量等級機油和初始粘度能夠提高機油的綜合性能，為機油稀釋提供附加的粘度保護，如圖1所示。

2.2 噴油角度

圖1 機油綜合性能評價示意圖

最佳的噴油角度能夠促進燃油與空氣的充分混合，改善缸內(nèi)燃燒和減少未燃可燃混合氣的生成尤其是SOI角度對汽油稀釋的現(xiàn)象影響較大。

圖2 水溫、油溫與機油稀釋變化關系圖

2.3 水溫和機油溫度

相關研究表明水溫低于油溫20℃時，機油稀釋增加10倍，提高發(fā)動機冷卻水溫度和油底殼機油溫度能夠?qū)C油稀釋提供良好的保護屏障尤其是提高水溫對改善機油稀釋率有明顯的作用，如圖2所示。

2.4 汽油濕壁現(xiàn)象

汽油噴濺到氣缸壁會導致更多的汽油泄漏到曲軸箱造成機油稀釋，側(cè)置式噴油器與中置噴油器相比濕壁現(xiàn)象偏多，濕壁會加劇機油稀釋程度。

2.5 活塞漏氣量

在活塞上、下運行過程中尤其是在壓縮行程和作功行程中活塞漏氣量偏多，會泄露多余和未燃燒的混合氣進入油底殼造成機油稀釋現(xiàn)象。

3 機油稀釋的評價標準

1.8 GDI發(fā)動機以機油稀釋率＞5%或運動粘度＜9.375mm2/s作為機油稀釋的評價標準，1.8GDI發(fā)動機初始機油粘度最低為12.5mm2/s，要求粘度下降≥12.5×（100-25）%。國標與潤滑油公司一般以燃油稀釋和運動粘度變化率為汽油機油換油指標，如表4所示。

表4 汽油機油換油指標

4 機油稀釋解決方法及Benchmark對比分析

4.1 水溫調(diào)整

其它控制因素不變，選擇1.8GDI發(fā)動機工況在3200r/min、275N·m，水溫由88℃提高至98℃，機油中汽油的含量由原來452g減小至240g。試驗結(jié)果證明提高水溫能夠明顯改善機油稀釋的程度，如表5所示。

表5 水溫與機油稀釋的關系

4.2 噴油起始時刻調(diào)整

其它控制因素不變，選擇1.8GDI發(fā)動機工況在3200r/min、275N·m，噴油起始時刻SOI由95°CA調(diào)整為75°CA，機油中汽油含量減小不明顯，調(diào)整為50°CA時機油中汽油含量由452g減小至290g，噴油時刻SOI提前能能夠多對改善機油稀釋有顯著效果，如表6所示。

表6 噴油起始時刻與機油稀釋的關系

4.3 機油溫度Benchmark對比分析

根據(jù)Benchmark分析德系整車工作狀態(tài)下的油底殼機油溫度高于1.8GDI整車、韓系整車及美系整車，該德系整車在保證主油道工作溫度的前提下有意提高油底殼機油溫度來加快機油中汽油的揮發(fā)進而改善機油稀釋現(xiàn)象。該德系整車油底殼機油溫度明顯高于主油道機油溫度，如表7和圖3所示。

表7 油底殼機油溫度測試數(shù)據(jù)

圖3 德系整車油底殼機油溫度與主油道機油溫度對比示意圖

4.4 活塞漏氣量Benchmark對比分析

活塞漏氣量越大汽油泄漏到曲軸箱進入機油內(nèi)部的含量越高對機油稀釋的影響越嚴重，根據(jù)Benchmark整車實際狀態(tài)下最大活塞漏氣量對比，1.8GDI發(fā)動機活塞漏氣量高于德系整車、美系整車、韓系整車，如圖4所示。

4.5 機油牌號Benchmark對比分析

圖4 活塞漏氣量對比示意圖

高質(zhì)量等級的潤滑油能夠提高機油的抗高溫粘度特性和減少機油本身揮發(fā)，從一定程度上減小機油稀釋。綜合國內(nèi)外增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機機油選用牌號分析，SL級別潤滑油逐步淘汰，越來越多的廠商選用SM級別潤滑油，如表8所示。

4.6 噴油器布置方式Benchmark分析

中置噴油器布置優(yōu)于側(cè)置式噴油器布置可以減少缸內(nèi)燃油噴射濕壁現(xiàn)象，有利于減少機油稀釋現(xiàn)象。1.8GDI發(fā)動機為側(cè)置式噴油器，國內(nèi)外各廠家不同排量區(qū)間的增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機越來越多趨向于采用中置噴油器，如表9所示。

表8 機油質(zhì)量等級對比

表9 不同廠家中置噴油器應用情況

4.7 優(yōu)化曲軸箱通風系統(tǒng)

良好的曲軸箱通風系統(tǒng)能夠減少曲軸箱內(nèi)油氣含量，如增加油氣分離器回油高度、回油通道設置單向閥、縮短油氣分離后距離、兩級分離均能夠改善曲軸箱內(nèi)油氣含量，對改善機油稀釋現(xiàn)象能夠起到積極的效果，如表10所示。

表10 優(yōu)化曲軸箱通風系統(tǒng)的措施

5 結(jié)論

1）提高合適的水溫能夠增加燃燒室壁面溫度，促進缸內(nèi)汽油揮發(fā)，在改善燃燒同時減少未燃可燃混合氣的生成，對減小機油稀釋現(xiàn)象具有顯著效果。

2）調(diào)整噴油起始時刻可以改變噴油相對于活塞的位置以及油束與氣流間的相互作用，經(jīng)試驗工況驗證噴油起始角度SOI提前有助于改善機油稀釋現(xiàn)象。

3）通過對德系某款發(fā)動機機油溫度進行對比分析發(fā)現(xiàn)提高油底殼機油溫度有助于汽油的揮發(fā)，可以減少機油中汽油的含量，降低機油稀釋率。

4）根據(jù)不同廠家整車狀態(tài)下活塞漏氣量對比，減小活塞漏氣量可以減小汽油泄漏到曲軸箱進入機油內(nèi)部的含量，對改善機油稀釋有益。

5）經(jīng)過對增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動機機油牌號選用分析，質(zhì)量等級SM以下機油逐漸淘汰，選用高質(zhì)量等級牌號的機油可以改善機油的的黏溫特性和降低機油本身的揮發(fā)性，能夠從一定程度上減小機油稀釋的情況。

6）缸內(nèi)直噴發(fā)動機愈來愈趨向于采用噴油器中置的布置方式以減小汽油濕壁現(xiàn)象進而減小機油稀釋現(xiàn)象。

7）優(yōu)化曲軸箱通風系統(tǒng)尤其是提高油氣分析器的效率包括增加回油高度、回油通道設置單向閥、縮短油氣分離后距離、采用兩級分離均能夠減少曲軸箱內(nèi)的油氣含量，減緩汽油對機油的稀釋。

1趙青，鐘敏.內(nèi)燃機車機油稀釋原因分析及措施[J].鐵道運營技術(shù)，2002（3）：20～21

2吳清泉，馬巖，劉軍.內(nèi)燃機車的機油稀釋問題[J].內(nèi)燃機車，1992（2）：8～12

3吳清泉，孫靜波，馬巖，等.內(nèi)燃機車機油稀釋的分析[J].哈爾濱鐵道科技，1999（1）：40～41

4毛雄杰.GK1型機車機油稀釋的原因分析及解決措施[J].內(nèi)燃機車，2006（12）：36～38

Investigation on the Cause of Oil Dilution of TDI Engine and Methods to Solve the Oil Dilution Problem

Jia Dianchen1，2，Wang Kai1，2，Liu Jiaqing1，2，Zhang Shiwei1，2，Wu Yibing1，2，Duan Jinghui1，2
1-Technique Center of Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2-Research Center of Auto Technology Engineering of Hebei Provence

Oil dilution is one of the usual phenomena that happen during engine test，and for TDI gasoline engine that phenomenon is more obvious than that of NA engine.Oil dilution could disable oil from its normal functions and lower its dynamic viscosity;in worse cases that would cause decrease of oil pressure，failure of moving parts and drop of engine's reliability.In this paper factors having influence on oil dilution of one TDI engine with a displacement of 1.8L have been investigated，and in order to find out methods to solve that oil dilution phenomenon benchmark analysis and optimization variation have been done with oil type，oil temperature，coolant temperature，SOI angle，crankcase breath system，piston blow by and layout of fuel injector.Oil dilution includes both fuel injection dilution and oil evaporation dilution，in this paper fuel injection dilution has been investigated.

Oil dilution，Dynamic viscosity，Oil pressure，SOI

U461

A

2095-8234（2014）04-0024-05

2014-06-06）

賈殿臣（1986-），男，助理工程師，主要研究方向為發(fā)動機競品分析。