要搞清楚這個問題,我們先從發動機的原理來看一看。
附圖是一張豐田2.5L發動機的機油原理圖,很容易看的出來,機油參與了大部分發動機的摩擦副運動,因為有摩擦的地方就需要機油的高效潤滑。在發動機最重要的運動機構活塞連桿機構中,還會設計專門的噴油器向其噴射,其表面的機油最小油膜厚度都是非常重要的考核因素。
相比而言,汽油進入發動機內就相對比較簡單,對於主流的直噴發動機,通過噴油器噴進發動機燃燒室,在燃燒結束通過排氣門進入排氣歧管,帶增壓發動機,廢氣還被炸一把能量,再進入排氣管排出。
附圖是缸內直噴的油束
咋一看,兩者是沒有混合接觸過程的,那麼為何會有汽油進去機油中?
從工程師的角度,我們來分析分析
基本可以肯定汽油是在燃燒室進入油底殼中,那麼會有以下幾個疑問。
1、 燃燒過程後不應該有未燃盡的汽油
2、 未燃燒的汽油不應該進入機油中
3、 混入機油中的汽油不應該長時間存在
我們再分開闡述這幾個問題
燃燒過程後不應該有未燃盡的汽油在早期的氣道噴射發動機中,噴射的汽油相對低壓,噴射過程發生在進氣道,混合後再進入燃燒室,並沒有過多的汽油殘留。而現在的直噴甚至採用雙噴射系統的發動機,油泵大多采用高壓200Bar甚至350Bar(噴射壓力越大霧化效果越好),同時為了輸出更高的效能指標,有時會採用加濃的策略,即多噴油。那麼當你的霧化蒸發時間沒有控制好,容易在活塞壁面和氣缸壁面產生油膜,在工程上稱之為燃油溼壁現象。
附圖可以看得到,溼壁主要產生在氣缸壁面和活塞壁面。
一般來講會有哪些因素會導致溼壁現象
1、發動機水溫過低
發動機啟動過程中水溫過低,汽缸壁過冷卻,缸壁溫度低,附著的汽油不易蒸發,行成油膜。在零下30度的北方,這個問題就顯得尤為嚴重。
2、油軌壓力不足,噴射霧化不佳
在燃油的高壓噴射中,有個索特平均直徑(SMD)來評價燃油的霧化效果,其物理意義是油滴群總體積與總表面積的比值。這個值越小代表霧化效果更佳。可以從上圖中簡單看出在燃油噴射初期,SMD較大,隨後迅速見效。相對來講,燃油噴射壓力越高,SMD更小,霧化效果更好。
3、噴油量、噴油時刻的選擇
雖然高壓噴射系統的霧化效果更好,但是並不代表產生溼壁的情況會更少。下圖我們列出了保持其他引數不變的情況,僅更改噴射壓力的情況。
從上方的圖片可以看出來,高壓噴射反倒容易在活塞和氣缸壁上產生更多的油膜,即燃油溼壁現象。主要原因來自於高壓噴射系統自身的特點,更高的壓力油束噴的更遠,容易打到壁面上,導致沒被燃燒掉。不過針對這個問題,工程師們早就有解決方案,即通過控制噴油器的在一次燃燒過程中多次噴射,同時控制每次噴射量的不同,能夠有效解決溼壁現象。
如圖通過CFD模擬可以看出來,二次噴射可以有效改善溼壁現象。
由於燃燒過程的複雜及其特殊性,對噴油策略的選擇顯的尤為重要。噴油的時刻、噴油壓力、噴油量的選擇配合燃燒室內不同的溫度、缸內氣流的方向對改善燃油溼壁現象起到最主要的作用。
當燃油在氣缸壁上形成溼壁後,活塞環還可以作為一道屏障,使其無法直接進入機油中。對於現在的主流發動機來講,活塞均採用三道活塞環。
其中活塞頂部的那兩道是氣環,又叫壓縮環。它的作用是密封氣缸,防止氣缸漏氣,它還有一個作用就是把活塞頂部傳來的熱量傳到氣缸套,由冷卻水帶走熱量。這兩道環可以擋住一部分的燃油;
在活塞銷孔上面的那一道叫做油環,它的作用是儲存少量的機油潤滑氣缸套,並颳去多餘的機油。要知道,早幾年大家還都停留在某些美德系發動機燒機油的概念中,活塞環刮油效果的優良很大程度上影響著機油的消耗量。
三道活塞環像三道大門一樣,是能夠擋住部分燃油的,但如果溼壁量過大,其隔斷能力還是有限的,要知道活塞環在發動機開發過程中還沒有專門針對進去機油的燃油進行隔擋測試,因為這種概率相對還是較小的。
混入機油中的汽油不應該長時間存在即便是進入機油的汽油也應該很快蒸發掉而不是和機油產生混合進而造成機油稀釋現象。
眾所周知,汽油更容易蒸發,機油起到了冷卻和潤滑的作用,因而在高速行駛的過程中,整個油底殼內的機油溫度也有70-90度,此時混入機油的內的汽油也應該很快會被蒸發掉,進去曲軸箱通風系統,並混入進氣歧管再次燃燒掉。
如何改善機油稀釋現象從現階段的策略來看,主要有幾個方面可以:
1、快速提高發動機水溫、機油溫度
在暖機過程中更快的提高發動機的水溫和機油溫度,更高的環境溫度,有助於改善其燃燒過程,同時加快燃油的蒸發,使得燃油溼壁量減少,減少機油稀釋現象。
2、提高噴油壓力,採用多次噴射,控制單次噴油量
如前文所言,提高了噴油壓力,同時採用兩次甚至多次噴射,同時控制單次噴射量來控制油束的貫穿距(不打到壁面),能夠使得燃油的霧化效果更好,整個燃燒過程更加充分。
3、 改善噴油角度、噴油時刻
噴油角度和噴油時候對燃燒室形成溼壁現象改善效果明顯,這個基本通過模擬分析可以判斷。
4、 優化活塞環設計
控制活塞環的鬆緊,優化活塞環的設計,尤其是第一道氣環,保證其密封性的同時,不至於使其摩擦係數過高,影響其本身的活塞運動。
主流的控制策略基本上就是這些,對於發動機開發來講,設計、模擬都是理論概念,這些內容都是需要通過試驗來驗證的,任何考核都不能脫離發動機嚴苛的應用環境,完整的考核內容是能夠cover不同的環境溫度、工作特性和範圍的。所以驗證機油增多的方案是否合理,很簡單,多拉幾臺車子到零下三十度的黑河,跑一輪耐久、低溫冷啟動等等,如果發動機在嚴苛工況下跑個1000小時都沒問題,那你在放到市場也不會有問題。
以上。