运行参数对燃油稀释机油影响的研究

2022-04-13牛贝妮孔峻青解方喜

内燃机工程 2022年2期

段伟，牛贝妮，孔峻青，解方喜，洪伟

（1.吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336；2.菲亚特克莱斯勒动力科技研发（上海）有限公司，上海 201807；3.吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130025；4.上海宏景智驾信息科技有限公司，上海 201804）

0 概述

随着轻型汽车污染物排放法规（国六）［1］及更加严格的油耗法规［2］的实施，内燃机产业面临严峻挑战。由于汽油缸内直喷（gasoline direct injection，GDI）具有节能与减排的优势，成为乘用车市场的主流技术。但与进气道喷射（port fuel injection，PFI）相比，GDI 发动机机油稀释率较高，而采用混合动力技术的车辆较传统汽油机车辆会带来更高的燃油稀释机油水平。机油稀释是破坏机油理化性质的主要原因之一，会降低运动黏度，导致机油压力降低，严重时使发动机关键零部件润滑不足，降低发动机工作可靠性和使用寿命，且文献［3-4］的研究结果表明，机油稀释与颗粒物排放及早燃有一定的关联。因此，在发动机开发阶段监测与优化机油稀释水平具有重要意义。

目前，发动机机油稀释测试一般包括离线测试和在线测试两种方式，离线测试法主要有气相色谱仪测试法［5］、机油理化性质检测法［6］和热解重测试法［7］，离线测试法一般需要进行特定的机油稀释试验，试验结束后采集机油样品进行分析，时间周期较长。在线测试法中使用较广泛的有示踪元素法［8-9］、激光诱导荧光谱分析法［10］和热解吸燃油测试法［11］，可以实时监测关键控制参数对机油稀释的影响，但一般设备较昂贵。

文献［12］中通过数值模拟的方法研究了喷油策略对增压直喷汽油机燃油湿壁与机油稀释的影响。文献［13］中探究了增压直喷汽油机机油稀释的影响因素与优化方向。文献［14］中研究了增压直喷汽油机冷机怠速工况下，控制参数对机油稀释的影响。文献［15］中提出了一种基于神经网络预测发动机缸壁上燃油与机油稀释模型的液相扩散系数。文献［16］中研究了燃油特性对柴油机燃油稀释机油的影响。本文中基于某混合动力车型，在发动机台架和整车转鼓上，分别研究了发动机关键控制参数、车辆运行循环和电池荷电状态（state of charge，SOC）对燃油稀释机油的影响，根据研究结果建立了一种机油稀释的监控模型并在真实道路验证了其准确性。采用优化的发动机控制参数和机油监控模型的混合动力车型，能够改善燃油稀释机油水平，特别在较低的环境温度和车辆短距离行驶时，并为车辆提供了一种除固定公里数和时间以外的更加灵活的保养方式。

1 发动机技术参数与测试循环

1.1 发动机技术特点

该混合动力车型匹配的是缸内直喷增压汽油机，其中喷油器侧置于进气岐管上方，采用多孔式喷油器，通过喷雾和气流运动在缸内形成均匀混合气，实现均质燃烧，应用凸轮驱动式电液系统实现气门灵活控制，并采用排气歧管集成于缸体内及电子节温器技术形成高效热管理系统。

1.2 试验方法

在发动机台架和整车转鼓上研究运行参数对燃油稀释机油的影响。采用GDI 发动机在低速低负荷工况下进行台架试验，在稳态工况下研究冷却液温度（或机油温度）和喷油起始相位θSOI对燃油稀释机油的影响，试验中边界条件为：大气压力为100.3 kPa，环境温度为25 ℃，进气中冷温度控制在35 ℃。试验工况参数如表1所示。每次调整冷却液温度或θSOI后稳定1 min，记录发动机运行的台架参数，包括冷却液温度、喷油正时、进气质量、比油耗、发动机气体排放及颗粒物的排放等数据。本文中喷油起始相位的参考始点与点火角相同，都为发动机压缩上止点，从参考始点到喷油开始的角度定义为喷油起始相位θSOI，正数表示上止点前，如285°曲轴转角为上止点前285°曲轴转角。

表1 发动机工况及边界条件

为了模拟终端客户冷氛围下驾驶车辆在不同驾驶循环下（城市短距离驾驶工况、郊区道路、高速公路）和不同电池SOC 下发动机起停工况对燃油稀释机油的影响。选取全球统一轻型车测试循环（worldwide harmonized light-duty vehicles test cycle，

WLTC）为燃油稀释机油试验的基础测试循环，并分别截取不同的时间区域来定义不同的测试循环工况。图1为不同测试循环的速度—时间曲线。图1中，测试循环1、2、3 分别对应城市短距离驾驶工况、郊区道路工况及综合道路工况。在整车转鼓环境舱内进行不同循环对燃油稀释机油影响的试验，表2为整车转鼓试验中的边界条件。

图1 不同试验循环的速度—时间曲线

表2 测试循环边界条件

在特定燃油稀释机油试验结束后（包括台架试验和整车转鼓试验），应用岛津公司GC—2010 Pro 气相色谱仪对试验结束后采集机油样品进行成分检测分析，用机油中燃油的质量与机油质量的比来定义燃油稀释机油水平。

2 机油稀释现象与结果分析

2.1 机油稀释现象

燃油稀释机油现象多出现在高压共轨直喷柴油机上，随着增压和直喷技术在汽油机上的应用，汽油机也面对机油稀释问题。燃油稀释机油现象是由于未燃烧燃油或喷油碰壁后，经过缸壁间隙被活塞往复运动带入曲轴箱到达机油中。在发动机一定运转工况和时间下，机油稀释率会呈现一种动态平衡［17］，也就是溶入机油的燃油量和从机油中挥发出燃油量达到一个相对稳定的状态。

2.2 冷却液温度对机油稀释的影响

在发动机台架上，控制发动机运行在表1所示工况条件下，研究不同冷却液温度对燃油稀释机油的影响。图2为不同冷却液温度下发动机运行时间对燃油稀释机油的影响。机油相对稀释率定义为当前的机油稀释率与初始的机油稀释率之差。在冷却液温度较低时（小于70 ℃），随着发动机运行时间的增加，机油相对稀释率增长较快；在冷却液温度较高时（大于80 ℃），机油相对稀释率随着运行时间累积而增加，只是运行时间较短时，机油相对稀释率增加较多，运行时间较长时，机油相对稀释率增加较慢较平缓。整体上，冷却液温度较低，机油相对稀释率较高。这是因为冷却液温度较低时，需增加喷油量来改善缸内燃烧状况，但缸内冷环境不利于燃油雾化形成可燃混合气，未蒸发的燃油油滴可能顺着活塞间隙被带入油底壳稀释机油，较低的机油温度不利于燃油蒸发，会增加燃油稀释机油水平。冷却液温度较高时，缸内较热的进气充量有利于燃油蒸发，较少的燃油滴进入机油中，较高的机油温度提高了机油中燃油的蒸发量，有利于降低燃油稀释机油率。

图2 不同冷却液温度下运行时间对机油稀释的影响

2.3 θSOI 对机油稀释的影响

在发动机台架上，控制发动机运行在表1所示工况条件下，研究在冷却液温度50 ℃和90 ℃下喷油起始相位θSOI对燃油稀释机油的影响。图3为不同θSOI对燃油稀释机油的影响。由图3可知，随着θSOI的减小，机油稀释率呈现上升趋势，可能的原因：随着θSOI的减小，燃油雾化时间变短，易形成过浓或者过稀的混合气，未燃混合气或者未蒸发的燃油，有可能在缸壁形成油膜，随着活塞的往复运动带入油底壳，进而稀释燃油。当适当增大θSOI时，燃油稀释机油的水平会降低，但当θSOI接近排气上止点时，燃油喷射撞击到活塞表面或者缸壁的机会增加，易形成较多油膜，不利于燃油雾化，增加了燃油稀释机油的机会，当θSOI约为325°时，燃油稀释机油水平最低。比较图3（a）和图3（b）可以得出，不同冷却液温度下，θSOI对燃油稀释机油影响的变化规律一样。随着θSOI的增大，机油稀释率先减小后增大，但当冷却液温度较高时燃油稀释机油的整体水平较低。这是由于较高的冷却液温度可以提高缸内环境温度，利于燃油蒸发形成较多可燃混合气，降低燃油稀释机油的风险，较高的机油温度可提高机油中燃油的挥发水平，进一步降低了燃油稀释机油的水平。

图3 不同喷油起始相位对机油稀释的影响

2.4 不同测试循环对机油稀释的影响

在整车转鼓上，研究在不同环境温度下不同测试循环对燃油稀释机油的影响，整个测试循环车辆都运行在混合动力模式下，并且试验前动力电池SOC 保持约为15%。图4为不同环境温度下不同测试循环对燃油稀释机油的影响。由图4可知，测试工况1 为燃油稀释机油最恶劣的测试循环，在此循环下，机油稀释率随着车辆里程增长较快，燃油稀释机油水平较低的测试循环为测试工况4。在相同环境温度下，测试工况1 的运行里程最短，发动机运行负荷较低，发动机始终处于暖机状态，运行最高冷却液温度约为40 ℃，不利于机油中燃油的挥发，在冷起动阶段混合气加浓，进一步增加了燃油稀释机油的机会。而测试工况4 的运行里程较长，发动机运行负荷较高，较高的机油温度（约85 ℃）提高了机油中燃油的蒸发量，较长的里程又增加了燃油的挥发时间，有利于降低燃油稀释机油的水平。

图4 不同测试循环对机油稀释的影响

在同样的环境温度下（-20 ℃），车辆运行里程越多，燃油稀释机油水平越低。这是由于运行里程较长时，机油中燃油挥发时间较长，燃油蒸发量较多，较高的机油温度提高了机油中燃油的挥发水平，降低了机油稀释率。在相同测试循环下（工况1 和工况2），环境温度越低，燃油稀释机油的机会越高，这是因为环境温度越低，发动机起动时冷却液温度越低，起动时要求混合气较浓，缸内喷油量较多。较高的喷油压力下，喷油碰到活塞表面和缸壁的机会较大，缸内的进气充量温度较低，不利于燃油蒸发与空气形成较多可燃混合气，进而增加了机油稀释率。表3为不同测试循环下累计里程对机油稀释的影响。冷氛围下短距离驾驶车辆，机油稀释增长率为0.256%/km。综合可知，较低的环境温度和较短的驾驶里程会加重燃油稀释机油。

表3 不同测试循环下累计里程对机油稀释的影响

2.5 发动机起停工况对机油稀释的影响

在整车转鼓上，环境温度为0 ℃，采用试验循环3研究在不同电池SOC 下起停工况对燃油稀释机油的影响，试验前电池初始SOC 分别为15%、24% 和37%，系统控制目标电池SOC 为24%，环境温度为-10 ℃以下，整车一直运行在混合动力模式。

图5为不同电池SOC 下发动机起停工况对燃油稀释机油的影响。由图5可知，SOC 为37%而累计里程为15 km 时，机油稀释率最高（1.23%）；SOC 为5%而累计里程为15 km 时，机油稀释率最低（0.71%）。这是因为SOC 为15% 时，低于电池目标SOC，发动机运转时间较长，冷却液温持续升高，提高了机油中燃油挥发量，降低了机油稀释率。当发动机运行时间约为1 000 s 而SOC 为24.5% 时，车辆运转模式进入SOC 保持模式，系统根据目标电池SOC 平衡电量，允许发动机停机或起动，当SOC 为37% 时车辆运行在纯电模式下。当发动机运行时间为1 230 s 而SOC 为23.5% 时，车辆进入混合动力模式，发动机第一次起动，冷却液温度较低，期望混合气较浓，发动机运转时间较短，冷却液温度较低，不利于机油中燃油挥发，机油稀释率较高。累计里程为30 km 和45 km时，也就是第2、3 个测试循环时，电池SOC 都在24%左右，车辆运行在电池平衡状态，发动机运行时间基本相同，冷却液温度相差不大，机油稀释率变化约为0.06%/km。图6为不同电池SOC 下，在第1 个测试循环时发动机的起停状态。SOC 为37% 时，发动机运行时间最短（约为220 s）；SOC 为15% 时，发动机运行时间较长，发动机起停不频繁。

图5 不同SOC 下起停工况对机油稀释的影响

图6 不同电池SOC 下发动机运行状态

3 机油质量预估模型及验证

3.1 预估模型

机油质量模型通常是基于机油压力传感器设定机油最小失效压力阈值来监控机油品质，其缺点是不能准确地监控机油质量，尤其是燃油稀释机油水平。由于机油压力信号波动，往往标定的最小机油压力阈值较低，不能及时判断机油品质好坏，应提醒终端客户填充或者更换机油。提出一种基于发动机运行时间和冷却液温度来预估燃油稀释机油水平的方法，与设定的不同程度的机油稀释率阈值比较（当预估机油稀释率大于10% 且小于15% 时，关闭发动机起停功能；当预估机油稀释率大于15% 时，仪表显示机油报警信息）来决定车辆运行模式及仪表显示机油报警信息。图7为机油稀释监控逻辑示意图。机油稀释率主要为冷却液温度和发动机运行时间的函数。图7中，为上一循环机油稀释率积分值，t为发动机运行时间，t0为发动机某一运行时刻，t1为t0+500 ms 后的发动机运行时刻。

图7 机油稀释监控逻辑示意图

3.2 机油稀释变化率

试验研究发现，影响燃油稀释机油水平的主要因素为冷却液温度（或机油温度）和发动机运行时间（或者车辆运行里程），次要因素为喷油策略。机油稀释变化率主要根据冷却液温度对机油稀释率影响的试验结果计算获得，并根据实际道路机油稀释率测试结果进行优化。

图8为冷却液温度对机油稀释平均变化率的影响。在冷却液温度低于60 ℃时燃油稀释机油水平较高，尤其是0 ℃以下机油质量较快速恶化。当冷却液温度大于70 ℃时能降低燃油稀释机油水平，尤其在110 ℃以上燃油稀释机油水平大幅度降低，改善机油品质。

图8 不同冷却液温度下机油稀释变化率

3.3 模型验证

图9为整车转鼓上不同测试循环下机油质量预估模型预估的机油稀释率与实测机油稀释率的对比。由图9可以看到，预估结果与试验结果相差在2%之内。

图9 机油稀释率实测与预估对比

如图9所示，预估的初始值都偏低。图9（a）中，工况1 的冷却液温度较低，行驶里程较短，预估值增长率较快；图9（b）中，工况4 的冷却液温度较高、行驶里程较长，实际值比预估值增长快。在两种测试工况下，机油质量预估模型都可以较准确地反映机油品质和稀释率。

图10为车辆在实际道路行驶下机油稀释率实测值与预估值比较。机油质量模型验证采用的实际道路工况如表4所示。由图10可知，车辆在实际道路行驶过程中，预估的机油稀释率与实测值相差较小，变化规律相同，与图9（a）类似，冷却液温度较低时预估机油稀释变化率比实测快，冷却液温度较高或者较长行驶里程时预估稀释率较快回落到0%。