探究增压直喷机型机油稀释的影响因素及解决方法.docx

探究增压直喷机型机油稀释的影响因素及解决方法贾殿臣 1，2凯 1，2刘佳庆 1，2张士伟 1，2吴宜兵 1，2段景辉 1，2王（1-长城汽车股份有限公司技术中心河北 保定0710002-河北省汽车工程技术研究中心）摘 要：机油稀释现象是发动机常见的试验表象之一，尤其是增压缸内直喷汽油发动机，机油稀释较明显。机油发生稀释后会破坏机油使用性能，降低运动粘度，严重时还导致机油压力下降，零部件 功能丧失，发动机可靠性下降。主要分析一款 1.8L GDI 缸内增压直喷发动机产生机油稀释的影响因 素进而对机油牌号、机油温度、水温、SOI 角度、曲轴箱通风系统、活塞漏气量、喷油器布置方式进行 Benchmark 分析及优化验证，为改善增压直喷发动机机油稀释现象提供解决方法，机油稀释包括燃 油喷射稀释和机油挥发稀释，重点探究的方向是燃油喷射稀释。关键词：机油稀释 运动粘度 机油压力 SOI中图分类号：U461文献标识码：A文章编号：2095-8234（2014）04-0024-05Investigation on the Cause of Oil Dilution of TDI Engineand Methods to Solve the Oil Dilution ProblemJia Dianchen1，2，Wang Kai1，2，Liu Jiaqing1，2，Zhang Shiwei1，2，Wu Yibing1，2，Duan Jinghui1，21- Technique Center of Great Wall Motor Co.，Ltd.（Baoding，Hebei，071000，China）2- Research Center of Auto Technology Engineering of Hebei ProvenceAbstract：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 nor mal functions and lower its dynamic viscosity; in worse cases that would cause decrease of oil pressure， failure of moving parts and drop of engines reliability. In this paper factors having influence on oil dilutionof 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 lay out of fuel injector. Oil dilution includes both fuel injection dilution and oil evaporation dilution，in this pa per fuel injection dilution has been investigated.Keywords：Oil dilution，Dynamic viscosity，Oil pressure，SOI性间接对机油稀释的产生也有一定的影响14；选用机油的牌号即机油质量等级和粘度等级直接影响着 润滑油的工作表现，也是产生机油稀释现象的基础因子。本文涉及的 1.8GDI 发动机最大功率及相应 转 速 144kW（/ 6000r/min）、 最 大 扭 矩 及 相 应 转 速288Nm（/ 18004000r/min），发动机强化程度达到升功 率80kW/L、升/扭矩 160Nm/L，较高的性能指标对发引言发动机热管理系统间接影响燃烧的稳定性进而 影响机油稀释的严重程度，尤其是冷却水温度控制、 机油温度控制尤为关键；曲轴箱通风系统、活塞漏气 量、喷油器布置方式直接影响曲轴箱内的汽油含量； SOI、EOI 的喷油角度控制影响着缸内混合气的均匀作者简介：贾殿臣（1986-），男，助理工程师，主要研究方向为发动机竞品分析。第 4 期贾殿臣等：探究增压直喷机型机油稀释的影响因素及解决方法25动机的使用性能提出了更高的设计要求。1.8GDI 发动机在台架试验过程中出现机油稀释现象尤其是 在大负荷工况机油稀释较严重。具体试验表现为机油尺液位刻度上移，机油压力下降，曲轴箱窜油量增多，个别工况点机油稀释率和机油粘度下降程度 超过标准值。经 Benchmark 对比分析和试验验证发现提高水温，调整 SOI 提前，提高油底壳机油温度，喷油器中置，优化曲轴箱通风系统，减少活塞漏气 量，选用 SM 级及以上级别润滑油均能够减少机油 稀释现象。11.1机油稀释试验表现发动机台架机油稀释试验1.8GDI 发动机台架标定试验过程中，多次停机后发现机油液位升高，升幅高度一般在 1cm 以上（约500mL）。经试验测试工况点排查，证实发动机转速在2000r/min4000r/min 大负荷工况运行 2 h 后，存在机 油稀释现象，个别工况点机油稀释率超过 10%（机油中汽油的质量分数），机油粘度低于 9mm2/s，机油增 加量超过 450g，具体试验测试数据如表 1 所示。表 1 机油稀释试验测试数据1.2整车机油稀释验证及对比分析对 1.8 GDI 整车与其它厂家进行整车机油稀释 测试对比，测试工况包括 1500km 不同车速循环工况、1000km 全速试验工况、1000km 匀速车速试验，测 试 结 果 表 明 1.8GDI 整车机油稀释程 度 均 大 于美 系 整 车 、韩 系 整 车 、德系整车 ，综合对比德系整 车机油稀释程度最轻，具体试验数据如表 2 和表 3所示。表 2 整车不同车速循环和整车全速试验测试数据表 3 整车 1000km 匀速车速试验测试数据车速（km/h）406080100120140160180美系整车机油粘度（/ mm2 s-1）12.212.212.211.610.810.510.510.2机油稀释率/%1.82.02.53.55.15.65.65.8德系整车机油粘度（/ mm2 s-1）13.513.213.013.012.813.012.812.5机油稀释率/%0.60.50.90.91.71.42.02.31.8GDI 整车机油粘度（/ mm2s-1）11.711.810.59.28.88.58.17.9稀释率/%1.92.14.55.96.77.68.28.5-整车 1500km 不同车速循环整车 1000km 全速试验对比车型机油粘度（/ mm2 s-1）机油稀释率/%机油粘度（/ mm2s-1）机油稀释率/%韩系整车11.23.611.03.9美系整车10.85.510.25.7德系整车13.01.012.62.21.8GDI 整车8.97.48.58.3转速/（rmin-1）扭矩/（Nm）机油稀释 率/%机油粘度/（mm2 s-1）SOI/（CA）EOI/（CA）二次喷 射比例轨压/ MPa水温/运行时间/h机油增 加量/g16002282.19.8551600.8108827320002585.69.2551400.71388219724002628.98.6951400.713882253280026810.57.8951400.713882426320027512.37.2951400.71388245236002659.68.43514011488238340002606.18.83014011488228944002431.29.7251401148824555002381.79.52514011488265小型内燃机与车辆技术第 43 卷26氧化增稠2机油稀释的影响因素机油稀释通常是多种因素综合作用的结果而导磨损防护涡轮增压器保护SN SM SL SJ致未燃烧的燃油泄漏到机油箱造成机油中汽油含量偏多和机油粘度下降，然而机油本身也会随着温度 的提高而挥发，造成粘度下降。高性能增压缸内直喷汽油发动机因结构紧凑和小型化更加剧了机油稀释 现象。本文主要从机油牌号、喷油策略、曲轴箱通风系统、机油温度、水温、活塞漏气量、汽油湿壁等方面 对机油稀释的影响进行探究和分析。2.1机油选用牌号选用较高的质量等级机油和初始粘度能够提高 机油的综合性能，为机油稀释提供附加的粘度保护， 如图 1 所示。2.2喷油角度最佳的喷油角度能够促进燃油与空气的充分混排放系统 耐久性活塞清净性防止油泥生成密封适应性防腐蚀性能挥发性图 1 机油综合性能评价示意图合，改善缸内燃烧和减少未燃可燃混合气的生成尤 其是 SOI 角度对汽油稀释的现象影响较大。2.3水温和机油温度相关研究表明水温低于油温 20时，机油稀释 增加 10 倍，提高发动机冷却水温度和油底壳机油温度能够对机油稀释提供良好的保护屏障尤其是提高水温对改善机油稀释率有明显的作用，如图 2所示。机油稀释率油温2000，WOT76543210-11102000，WOT4000，34Nm（Tw:50，Toil:70） （Tw:90）（Tw:70，Toil:90） 1009080706050403025.5 26.5 27.5斜率 =0.1%/h斜率 =1.0%/h20.521.5 22.5 23.524.5T/s图 2水温、油温与机油稀释变化关系图2.4汽油湿壁现象汽油喷溅到气缸壁会导致更多的汽油泄漏到曲 轴箱造成机油稀释，侧置式喷油器与中置喷油器相比湿壁现象偏多，湿壁会加剧机油稀释程度。2.5活塞漏气量在活塞上、下运行过程中尤其是在压缩行程和 作功行程中活塞漏气量偏多，会泄露多余和未燃烧的混合气进入油底壳造成机油稀释现象。表 4 汽油机油换油指标4机油稀释解决方法及 Benchmark 对比分析3机油稀释的评价标准1.8GDI 发动机以机油稀释率5%或运动粘度9.375mm2/s 作为机油稀释的评价标准，1.8GDI 发动机初始机油粘度最低为 12.5mm2/s，要求粘度下降12.5（100-25）%。国标与润滑油公司一般以燃油稀 释和运动粘度变化率为汽油机油换油指标，如表 4所示。水温调整其它控制因素不变，选择 1.8GDI 发动机工况在3200r/min、275Nm，水温由 88 提高至 98，机油 中汽油的含量由原来 452g 减小至 240g。试验结果证明提高水温能够明显改善机油稀释的程度，如表 54.1机油稀释率 /%机油温度 /GB/T8028-2010汽油机油指标中规定 SJ、SL 中换油指标：运动 粘度变化率（100）20%汽油机油指标中规定 SJ、SL 中换油指标：燃油 稀释5%道达尔机油监测指标中规定换油指标：运动粘度相对 原值变化率（100或 40）为25%美孚燃油稀释5%试验条件2000r/min 外特性点 Tw:50Toil:702000r/min 外特性点 Tw:70Toil:90机油稀释率/%1.0（1h）2.0（2h）3.0（3h）0.1（1h）0.2（2h）第 4 期贾殿臣等：探究增压直喷机型机油稀释的影响因素及解决方法27所示。表 6 喷油起始时刻与机油稀释的关系表 5 水温与机油稀释的关系4.2 喷油起始时刻调整其它控制因素不变，选择 1.8GDI 发动机工况在3200r/min、275Nm，喷油起始时刻 SOI 由 95CA 调 整为 75CA，机油中汽油含量减小不明显，调整为50CA 时机油中汽油含量由 452g 减小至 290g，喷油 时刻 SOI 提前能能够多对改善机油稀释有显著效 果，如表 6 所示。4.3 机油温度 Benchmark 对比分析根据 Benchmark 分析德系整车工作状态下的油 底壳机油温度高于 1.8GDI 整车、韩系整车及美系整 车，该德系整车在保证主油道工作温度的前提下有意提高油底壳机油温度来加快机油中汽油的挥发进 而改善机油稀释现象。该德系整车油底壳机油温度 明显高于主油道机油温度，如表 7 和图 3 所示。表 7油底壳机油温度测试数据70605040302010160140120100806040200油底壳温度主油道温度020 40 60 80100 120 140 160 180德系整车 韩系整车 美系整车 1.8GDI 整车车速（/ kmh-1）图 4 活塞漏气量对比示意图图 3 德系整车油底壳机油温度与主油道机油温度对比示意图4.4活塞漏气量 Benchmark 对比分析活塞漏气量越大汽油泄漏到曲轴箱进入机油 内部的含量越高对机油稀释的影响越严重，根据Benchmark 整车实际状态下最大活塞漏气量对比，1.8GDI 发动机活塞漏气量高于德系整车、美系整车、韩系整车，如图 4 所示。4.5机油牌号 Benchmark 对比分析高质量等级的润滑油能够提高机油的抗高温粘 度特性和减少机油本身挥发，从一定程度上减小机油稀释。综合国内外增压缸内直喷发动机机油选用牌号分析，SL 级别润滑油逐步淘汰，越来越多的厂 商选用 SM 级别润滑油，如表 8 所示。4.6喷油器布置方式 Benchmark 分析中置喷油器布置优于侧置式喷油器布置可以减 少缸内燃油喷射湿壁现象，有利于减少机油稀释现象。1.8GDI 发动机为侧置式喷油器，国内外各厂家不同排量区间的增压缸内直喷发动机越来越多趋向 于采用中置喷油器，如表 9 所示。温度/最大活塞漏气量（/ L/min）瞬态稳态6052504849364241韩系整车美系整车德系整车1.8GDI 整车车速（/ kmh-1）机油温度/车速（/ kmh-1）机油温度/车速（/ kmh-1）机油温度/车速（/ kmh-1）机油温度/1801211801071801411801201601131601001601411601151401031409814014014011212098120941201391201081009510092100138100106809380928013180103609060916013060101喷油起始时 刻（/ CA）二次喷 射比例轨压/MPa出水温 度/运行时 间/h机油增 加量/g950.713882452950.713982240喷油起始时 刻（/ CA）二次喷 射比例轨压/MPa出水温 度/运行时 间/h机油增 加量/g950.713882452750.713882439500.713882290小型内燃机与车辆技术第 43 卷28表 8 机油质量等级对比2）调整喷油起始时刻可以改变喷油相对于活塞的位置以及油束与气流间的相互作用，经试验工况 验证喷油起始角度 SOI 提前有助于改善机油稀释现象。3）通过对德系某款发动机机油温度进行对比分 析发现提高油底壳机油温度有助于汽油的挥发，可以减少机油中汽油的含量，降低机油稀释率。4） 根据不同厂家整车状态下活塞漏气量对比， 减小活塞漏气量可以减小汽油泄漏到曲轴箱进入机 油内部的含量，对改善机油稀释有益。5）经过对增压缸内直喷发动机机油牌号选用分 析，质量等级 SM 以下机油逐渐淘汰，选用高质量等 级牌号的机油可以改善机油的的黏温特性和降低机油本身的挥发性，能够从一定程度上减小机油稀释 的情况。6）缸内直喷发动机愈来愈趋向于采用喷油器中置的布置方式以减小汽油湿壁现象进而减小机油稀 释现象。7）优化曲轴箱通风系统尤其是提高油气分析器的效率包括增加回油高度、回油通道设置单向阀、缩 短油气分离后距离、采用两级分离均能够减少曲轴 箱内的油气含量，减缓汽油对机油的稀释。表 9 不同厂家中置喷油器应用情况4.7优化曲轴箱通风系统良好的曲轴箱通风系统能够减少曲轴箱内油气 含量，如增加油气分离器