CN109083713A - 降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，包括以下步骤：（1）液态汽油来源控制：优化缸内直喷汽油机的燃烧系统的结构和喷油控制策略；（2）气态汽油来源控制：优化活塞气环和气缸孔的配合结构；（3）气态汽油强化析出控制：优化机油冷却器的冷却强度；（4）气态汽油强化回收控制：优化曲轴箱通风系统和加强油气分离器的分离效果。本发明能够在发动机工作的所有转速和负荷工况点对机油稀释水平进行有效控制，消除了发动机润滑不良甚至损坏的风险。

Description

降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法

技术领域

本发明属于汽车部件，具体涉及一种降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法。

背景技术

汽油缸内直喷技术及其与废气涡轮增压技术的组合已经成为当前国内外汽车行业广泛应用，并大幅提升发动机动力性，降低油耗和排放的主流技术。但应用缸内直喷技术后，直接喷入汽油机气缸内的液态汽油容易在与气缸壁面发生碰撞后，粘附在气缸壁面上，在汽油机工作过程中，与气缸壁面起润滑作用的机油一起，随活塞油环的刮油作用进入油底壳，造成汽油对机油的稀释。机油被汽油稀释后，使粘度下降，对发动机各运动副的润滑作用降低，严重时可导致运动副失效，发动机损坏。

当前对缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制主要通过缸内直喷汽油机燃烧系统机械结构设计优化和喷油策略电子控制优化两个方面对液态汽油的来源进行控制。在燃烧系统机械结构设计时，对缸内直喷喷油器的安装布置和关键喷雾参数与气道结构、活塞顶面燃烧室结构进行匹配优化，从结构设计上尽量减少发动机工作时撞到气缸壁面上的液态汽油的质量。在缸内直喷汽油机工作时，通过喷油策略电子控制的方法，对喷射汽油的喷油压力、喷射次数和喷油质量进行优化控制，从喷雾运动动态控制角度尽量减少撞到气缸壁面的液态汽油的质量。现有的机油稀释控制方法存在明显的缺点。首先，通过结构优化确定的燃烧系统机械结构，由于汽油机运行的转速和负荷范围非常宽广，导致不同工况点每个工作循环的喷油质量变化范围也非常大，不能同时使汽油机每个运行工况点都具有最低的撞壁燃油量，中高转速和中高负荷工况点的机油稀释水平仍然较高；其次，对于喷油策略电子控制优化方法，随着汽油机运行时转速和负荷的增加(发动机每个工作循环的绝对时间缩短，喷油量大幅增加,缸内气流运动方向和强度发生大幅变化)，其对喷雾运动的动态优化潜力会大幅降低，汽油机在这些工况点仍存在较高的机油稀释水平，需要进一步优化。

因此，有必要开发一种新的降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，能在发动机工作的所有转速和负荷工况点对机油稀释水平进行有效控制，以消除发动机润滑不良甚至损坏的风险。

本发明所述的降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，包括以下步骤：

(1)液态汽油来源控制：优化缸内直喷汽油机的燃烧系统的结构和喷油控制策略；

(2)气态汽油来源控制：优化活塞气环和气缸孔的配合结构；

(3)气态汽油强化析出控制：优化机油冷却器的冷却强度；

(4)气态汽油强化回收控制：优化曲轴箱通风系统和加强油气分离器的分离效果。

进一步，优化缸内直喷汽油机的燃烧系统的结构，包括：

通过可视化光学发动机试验测试和三维流体运动仿真计算分析方法，对发动机燃烧系统中缸内直喷喷油器在缸盖上的安装位置，喷油器油束的喷雾贯穿距和喷雾夹角，进气歧管结构，燃烧室结构及活塞顶面形状进行匹配优化，减少设计的燃烧系统在发动机运行MAP区域中液态油束撞击到发动机缸壁上，降低机油稀释。

进一步，优化喷油控制策略，具体为：

在发动机稳态运行的转速和负荷工况点内，通过发动机控制单元提高缸内直喷喷油器的喷油压力，优化喷射次数，每次喷射的喷油时刻和喷油质量比例的喷油策略，实现对液态汽油的来源进行控制。

进一步，优化活塞气环和气缸孔的配合结构，具体为：

优化匹配气环张力、降低缸孔变形量及其表面粗糙度，使发动机在运行过程中具备较低的活塞漏气量，减少气态汽油进入曲轴箱，降低油底壳中液态机油上方气体中气态汽油的浓度，实现对气态汽油来源的控制。

进一步，优化机油冷却器的冷却强度，具体为：

通过润滑仿真及台架润滑试验测试，在保证发动机各部件润滑良好的情况下，匹配优化机油冷却器功率，使油底壳内机油的温度保持在较高水平，使液态汽油从机油中蒸发出来，实现气态汽油的强化析出，降低机油稀释量。

进一步，优化曲轴箱通风系统和加强油气分离器的分离效果，具体为：

优化曲轴箱通风系统的机械结构，以增加曲轴箱通风气体的流动顺畅性，曲轴箱通风气体中汽油蒸汽和其他气体成分的分离效率以及汽油蒸汽的再回收利用效率；

溶解于机油中的汽油通过气态汽油强化析出控制后，从油底壳中分离出汽油，经由曲轴箱通风系统和油气分离器，再回收进入燃烧室进行燃烧，实现气态汽油强化回收控制。

进一步，通过一维与三维耦合仿真，以摩擦及活塞漏气量为约束条件，计算分析得到合适的活塞气环张力，以实现摩擦及活塞漏气量最优。

进一步，采用模拟缸盖工艺技术，在缸孔机加工时安装模拟缸盖，在此状态下进行气缸孔加工，加工后的缸孔圆度、圆柱度能最大程度减少发动机装配过程中的实际尺寸和图纸设计尺寸的差异，降低气缸孔变形量，减少活塞漏气量，从而减少气态汽油进入曲轴箱。

进一步，采用缸孔平顶珩磨技术，在缸套的初始表面上复加一层精细表面的珩磨工艺，以降低缸套表面粗糙度，优化活塞环与缸孔工作表面配合度，降低缸内气态汽油进入曲轴箱。

本发明具有以下优点：与现有机油稀释水平控制方法相比，除控制液态汽油的来源来降低机油稀释水平外，还从提升机油中已溶解液态汽油的蒸发、析出速度以及快速回收利用汽油三方面对机油稀释水平进行控制，弥补了现有液态汽油来源控制法的不足，能够在发动机工作的所有转速和负荷工况点对机油稀释水平进行有效控制，消除了发动机润滑不良甚至损坏的风险。

附图说明

图1是现有技术液态汽油来源控制方法示意图；

图2是本发明中喷油压力及喷射比例优化示意图；

图3是本发明中喷油时刻优化示意图；

图4是本发明中喷油策略优化前后整车暖机过程机油稀释对比；

图5至图7是本发明中气态汽油来源控制方法示意图；

图8是本发明中气态汽油强化析出方法示意图；

图9是本发明中气态汽油强化回收方法示意图：

图10是本发明中气态汽油强化回收控制效果图；

图中，1-喷油器、2-油束、3-喷雾贯穿距、4-喷雾夹角、5-进气歧管、6-燃烧室、7-活塞凹坑、8-缸壁、9-活塞、10-喷油策略、11发动机控制单元、12-曲通管、13-气环、14-PCV阀、15-油气分离器、16-缸套、17-缸孔、18-油底壳、19-机油、20-集滤器、21-机油泵、22-机油冷却器、23-机油滤清器、24-主油道；

图9中，粗实线箭头表示活塞漏气，细实线箭头表示活塞漏气中分离的气体物，虚线箭头表示活塞漏气中分离的机油。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，在液态汽油来源控制的基础上，还增加了气态汽油来源控制、气态汽油强化析出控制和气态汽油强化回收控制；其控制方法包括以下步骤：

(1)液态汽油来源控制：优化缸内直喷汽油机的燃烧系统的结构和喷油控制策略。

在发动机处于进气和压缩行程，结合燃烧系统优化设计的机械结构，通过优化后的喷油控制策略，对喷入发动机气缸内并撞击到气缸壁面的液态汽油量进行控制，达到降低机油稀释水平的目的。

(2)气态汽油来源控制：优化活塞气环和气缸孔的配合结构。

在发动机处于压缩行程，且火花塞点火前，通过优化设计的活塞气环和气缸孔机械配合结构，减少活塞漏气量(活塞顶面燃烧室内的燃油/空气混合气通过活塞气环和气缸孔间的间隙，进入曲轴箱内,形成活塞漏气)，进而减少了活塞漏气中包含的气态汽油的质量。通过减少气态汽油进入曲轴箱的量，降低了油底壳中液态机油上方气体中气态汽油的浓度，在发动机工作过程中较高的机油温度作用下，更多的已进入机油中的液态汽油将以气态的形式析出，达到降低机油稀释水平的目的。

(3)气态汽油强化析出控制：优化机油冷却器的冷却强度。

在整个发动机工作过程中，通过优化机油冷却器的冷却强度，在满足发动机润滑功能的前提下，提升发动机工作过程中的机油温度，使更多的液态汽油从机油中蒸发出来，达到降低机油稀释水平的目的。

(4)气态汽油强化回收控制：优化曲轴箱通风系统和加强油气分离器的分离效果。

在整个发动机工作过程中，通过优化曲轴箱通风系统的机械结构，增加曲轴箱通风气体的流动顺畅性、曲轴箱通风气体中汽油蒸汽和其他气体成分的分离效率以及汽油蒸汽的再回收利用效率。在步骤(2)的基础上，达到提升液态机油上方气体循环速度、降低油底壳中液态机油上方气体中的气态汽油浓度，降低机油稀释水平的目的。

如图1所示，本实施例中，优化缸内直喷汽油机的燃烧系统的结构，具体为：

1、通过可视化光学发动机试验测试和三维流体运动仿真计算分析方法，对发动机燃烧系统中缸内直喷喷油器1在缸盖上的安装位置、喷油器油束2的喷雾贯穿距3、喷雾夹角4关键参数，以及进气歧管结构5、燃烧室结构6及活塞顶面形状7进行匹配优化(以某增压直喷发动机为例，喷雾夹角为42°，喷雾贯穿距为64mm)，减少设计的燃烧系统在发动机运行MAP区域中液态油束撞击到发动机缸壁8上，降低机油稀释。

2、优化喷油控制策略，具体为：

在发动机稳态运行的转速和负荷工况点内(比如：转速800-6000r/min，负荷：0-19bar)，通过发动机控制单元11提高缸内直喷喷油器的喷油压力(由9MPa提升至14MPa)，参见图2；优化喷射次数(一次喷射和两次喷射，参见图2和3，其中：图2中的A所指区域为二次喷射区域：数值表示第一次喷射比例，第二次喷射比例＝(1-该数值)，其他空白区域表示单次喷射；B区域所指表示等高线：高压油轨压力(Mpa)；燃油雾化要求，喷油压力随转速、负荷增加而提高。图3中的C所指示区域表示兼顾机油稀释和低速早然采用两次喷射的区域：第一次喷油开始时刻和第二次喷油结束时刻，D所指示区域表示兼顾机油稀释、颗粒物排放与最低油耗的单次喷油开始时刻，E所指示区域表示兼顾机油稀释、排温加浓与油耗的单次喷油开始时刻)、每次喷射的喷油时刻和喷油质量比例的喷油策略10(低转速高负荷区域容易发生低速早燃，兼顾机油稀释，采用第二次喷射比例为30％-40％的两次喷油策略，参见图2和图3)，降低发动机机油稀释比例50％，整车暖机工况机油稀释降低68％，如表1及如图4所示，从而实现对液态汽油的来源进行控制。

表1喷油策略优化前后发动机机油稀释对比

如图5至图7所示，优化匹配气环13张力、降低缸孔17变形量及其表面粗糙度三个方面，具体为：

(1)活塞气环除了将活塞顶部吸收的热量传递给气缸壁，还需要与活塞9头部一起实现气缸的密封。活塞气环张力太小，气环和缸套的配合间隙较大，容易使缸内气态汽油进入曲轴箱，造成机油稀释；活塞气环张力过大，在活塞高速往复运动过程中，摩擦较大，不利于提高发动机热效率。本发明通过一维与三维耦合仿真，以摩擦及活塞漏气量为约束条件，计算分析得到合适的活塞气环张力，以实现摩擦及活塞漏气量最优。

(2)一般发动机气缸体加工完成后，气缸孔能达到较好的圆度和圆柱度要求，但是在组装完发动机产品缸盖后，由于缸盖螺栓的旋紧力作用在气缸体缸孔周围，使得缸孔发生失圆变形。发动机运行时，活塞环无法完全拟合缸孔变形而使密封不严，造成发动机活塞漏气量大，机油稀释偏高。本发明采用模拟缸盖工艺技术，在缸孔机加工时安装模拟缸盖，在此状态下进行气缸孔加工，加工后的缸孔圆度、圆柱度可以最大程度减少发动机装配过程中的实际尺寸和图纸设计尺寸的差异，降低气缸孔变形量，减少活塞漏气量，从而减少气态汽油进入曲轴箱。

(3)缸套16表面粗糙度(以某缸套为例，其缸套表面粗糙度要求标准参见表2)直接影响活塞环与缸孔的配合间隙，本发明采用缸孔平顶珩磨技术，在初始表面上复加一层精细表面的珩磨工艺，以降低缸套表面粗糙度，优化活塞环与缸孔工作表面配合度，降低缸内气态汽油进入曲轴箱。

表2粗糙度要求标准

参数	要求
		核心粗糙度	0.3～1.0
消减的波谷高度	≤0.3
		核心粗糙度Rk最高处的支承率	≤7％
核心粗糙度Rk最低处的支承率	70％～85％

通过以上三点，本发明使发动机在运行过程中具备较低的活塞漏气量，从而减少气态汽油进入曲轴箱，降低油底壳中18液态机油上方气体中气态汽油的浓度，实现对气态汽油来源的控制。

如图8所示，本实施例中，气态汽油强化析出控制，具体为：

通过优化机油冷却器22的功率得以实现。机油冷却器的作用是使高温润滑油得以冷却降温，向发动机各部位供给适当温度的润滑油，来防止滑动部位的磨损和烧结。但是机油冷却器功率过大，会导致机油温度偏低，不利于已经进入机油中的汽油挥发。油底壳中的机油，通过机油泵21泵吸，经由集滤器20进入机油冷却器冷却，通过机油滤清器23过滤机油中杂质后，进入发动机主油道24，分配至各润滑需求部件。本发明通过润滑仿真及台架润滑试验测试，在保证发动机各部件润滑良好的情况下，匹配优化机油冷却器功率，使油底壳18内机油19的温度保持在较高水平，从而使液态汽油从机油中蒸发出来，实现气态汽油的强化析出，降低机油稀释量。

如图9所示，本实施例中，气态汽油强化回收控制，具体为：

通过优化曲轴箱23通风系统和加强油气分离器15的分离效率实现。在发动机运转时，缸内燃气会不可避免的通过活塞环窜入到曲轴箱中，这不仅会加快机油老化，还会导致曲轴箱内压力过大，可能引起机油泄漏。为此在气缸体上设置曲轴箱强制通风系统，以排出窜气，吸进新气；同时由于在曲轴箱强制通风系统中，导入的窜气含有大量的机油油滴，这部分机油如果不加以处理直接进入燃烧系统会导致燃烧及排放恶化，必须将窜气中的机油油滴进行分离，因此在缸体上安装了油气分离器，分离后的机油通过回油管路(虚线箭头)返回到油底壳中，气体则经过PCV阀14和曲通管12进入燃烧室进行燃烧。溶解于机油中的汽油通过如图8所示的气态汽油强化析出控制后，从油底壳分离出汽油，经由曲轴箱通风系统和油气分离器，再回收进入燃烧室进行燃烧，实现气态汽油强化回收控制，气态汽油强化回收控制效果，参见图10。

Claims (9)

1.一种降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）液态汽油来源控制：优化缸内直喷汽油机的燃烧系统的结构和喷油控制策略；

（2）气态汽油来源控制：优化活塞气环和气缸孔的配合结构；

（3）气态汽油强化析出控制：优化机油冷却器的冷却强度；

（4）气态汽油强化回收控制：优化曲轴箱通风系统和加强油气分离器的分离效果。

2.根据权利要求1所述的降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，其特征在于：优化缸内直喷汽油机的燃烧系统的结构，包括：

通过可视化光学发动机试验测试和三维流体运动仿真计算分析方法，对发动机燃烧系统中缸内直喷喷油器（1）在缸盖上的安装位置，喷油器油束（2）的喷雾贯穿距（3）和喷雾夹角（4），进气歧管结构（5），燃烧室结构（6）及活塞顶面形状（7）进行匹配优化，减少设计的燃烧系统在发动机运行MAP区域中液态油束撞击到发动机缸壁（8）上，降低机油稀释。

3.根据权利要求1或2所述的降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，其特征在于：优化喷油控制策略，具体为：

在发动机稳态运行的转速和负荷工况点内，通过发动机控制单元（11）提高缸内直喷喷油器的喷油压力，优化喷射次数，每次喷射的喷油时刻和喷油质量比例的喷油策略（10），实现对液态汽油的来源进行控制。

4.根据权利要求3所述的降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，其特征在于：优化活塞气环和气缸孔的配合结构，具体为：

优化匹配气环（13）张力、降低缸孔（17）变形量及其表面粗糙度，使发动机在运行过程中具备较低的活塞漏气量，减少气态汽油进入曲轴箱，降低油底壳中液态机油上方气体中气态汽油的浓度，实现对气态汽油来源的控制。

5.根据权利要求1或2或4所述的降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，其特征在于：优化机油冷却器的冷却强度，具体为：

通过润滑仿真及台架润滑试验测试，在保证发动机各部件润滑良好的情况下，匹配优化机油冷却器功率，使油底壳（18）内机油（19）的温度保持在较高水平，使液态汽油从机油中蒸发出来，实现气态汽油的强化析出，降低机油稀释量。

6.根据权利要求5所述的降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，其特征在于：优化曲轴箱通风系统和加强油气分离器的分离效果，具体为：

优化曲轴箱通风系统的机械结构，以增加曲轴箱通风气体的流动顺畅性，曲轴箱通风气体中汽油蒸汽和其他气体成分的分离效率以及汽油蒸汽的再回收利用效率；

溶解于机油中的汽油通过气态汽油强化析出控制后，从油底壳中分离出汽油，经由曲轴箱通风系统和油气分离器，再回收进入燃烧室进行燃烧，实现气态汽油强化回收控制。

7.根据权利要求4所述的降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，其特征在于：

通过一维与三维耦合仿真，以摩擦及活塞漏气量为约束条件，计算分析得到合适的活塞气环张力，以实现摩擦及活塞漏气量最优。

8.根据权利要求4或7所述的降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，其特征在于：采用模拟缸盖工艺技术，在缸孔机加工时安装模拟缸盖，在此状态下进行气缸孔加工，加工后的缸孔圆度、圆柱度能最大程度减少发动机装配过程中的实际尺寸和图纸设计尺寸的差异，降低气缸孔变形量，减少活塞漏气量，从而减少气态汽油进入曲轴箱。

9.根据权利要求8所述的降低缸内直喷汽油机机油稀释水平的控制方法，其特征在于：

采用缸孔平顶珩磨技术，在缸套的初始表面上复加一层精细表面的珩磨工艺，以降低缸套表面粗糙度，优化活塞环与缸孔工作表面配合度，降低缸内气态汽油进入曲轴箱。