寒区缸内直喷发动机机油液面异常增高问题研究

张付军， 张禄兴， 邬平， 武浩

(1. 北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081； 2.北京理工大学 深圳研究院，广东，深圳 518057)

近些年来，由于能源问题的不断加剧和环保法规的不断升级，各国研究者均积极致力于各种新型发动机技术的研究与开发[1]. 其中，缸内直喷技术是一种受到广泛关注的提高汽油机排放性和经济性的新型技术[2-3]. 与传统发动机相比，缸内直喷发动机的HC排放量可减少30%，燃油经济可以提高15%左右[4]. 目前，缸内直喷技术已在新型发动机上广泛应用，但是在寒冷地区缸内直喷发动机仍存在机油液面异常升高问题. 机油液位的异常升高会造成机油稀释，降低机油使用性能，影响发动机的正常工作[5].

发动机的机油液面增高问题最初主要出现在柴油机中. 吴清泉等[6]对柴油机机油稀释的原因和控制措施进行了比较细致的研究. 缸内直喷汽油机采用了和柴油机类似的喷油方式，因此也出现了机油液面升高的现象. 针对这一问题，贾殿臣等[7]利用发动机台架实验对缸内直喷发动机机油稀释影响因素和解决方法进行了研究. 但是实验过程中并没有考虑寒区工况，且没有进行实车实验，实验结论与实车实验存在差异.

本文中通过分析寒冷地区车辆发动机的工作状态，结合相关研究[8-10]，发现喷油方式与发动机温升速度是造成寒区机油液位升高问题产生的主要原因. 选择3个厂家中出现机油液位升高问题的车型，在黑河地区对整改前与整改后车辆进行户外实车实验. 通过对不同循环实验数据的统计分析，分别对喷油方式与发动机温度升高速度对机油液面升高问题的影响进行研究. 对比各车辆的实验结果，分析各厂家整改措施在解决机油液位异常升高问题的效果.

1 寒区户外实车实验

1.1 实验车型选择

为保证实验的客观性和全面性，选取国内3个厂家中出现机油液位异常升高问题的车辆进行实验. 测试车型需一辆为整改前技术状态，一辆为整改后技术状态. 为方便标识，三厂家车辆分别用A车、B车、C车代表. 三厂家车辆技术整改措施如表1所示.

表1 各厂家车辆整改措施Tab.1 The solutions from manufacturers

1.2 实验过程及数据记录

根据各厂家用户反馈与相关调查，机油液面异常升高现象主要出现在气温较低的寒冷地区，车辆运行状态多为短时间行驶. 因此选择冬季在黑河开展实验，并设计了适用于本实验测试的循环运行工况. 实验循环工况时长为115 s，怠速时间为265 s.

为观察机油液位变化趋势，实验进行30次循环. 实验过程中，前15循环时，空调在冷却水温度达到50 ℃开启;后15循环时，采用汽车启动后立即开启空调策略，增强环境温度对发动机温升速度影响. 实验中，测试人员记录每实验循环的环境温度和机油液位变化. 每循环车辆冷却液温度、机油温度变化通过车辆状态数据记录仪进行自动采集.

2 机油液位变化数据处理

将实验中记录的每循环机油液位值分别减去原始机油液位值，得到每循环机油液位的增长值. 利用每循环机油液位的增长值做出机油液位的升高曲线. 为消除随机误差对试验结果影响，对机油液面增长曲线进行拟合处理.

图1为各厂家车辆机油液位变化曲线. 由图1(a)可知，A厂家整改前车辆机油液位呈直线增长，20循环后增速趋缓，但未达到平衡. 整改后车辆机油液位增长缓慢，20循环左右液面达到平衡. 对比可发现，整改后机油液位增长比整改前减少79.8%. 由图1(b)知，在循环实验初期，B厂家整改后车辆机油液位低于整改前车辆. B厂家整改前车辆机油液位在第27循环达到平衡，整改后车辆在第22循环达到平衡. 与整改前车辆相比，整改后车辆机油液面增长减少51%. 由图1(c)知，在前6循环，C厂家整改前后车辆机油液位增长基本相同. 在第6循环后，整改前车辆机油液位一直处于较快增长，整改后车辆在10～14循环机油液位接近平衡，在15循环之后机油液面再次出现快速增长情况. 30循环结束时，整改后车辆机油液面增长比整改前减小33%.

3 机油液位影响因素分析

在循环试验中，各循环机油液位的净增长值反映机油液位的增长状况，机油液位升高曲线在个循环点处导数反映机油液位增长速度. 因此，选择这两个参数作为机油液位影响因素分析的评价参数.

3.1 喷油方式对机油液位升高的影响

测试车辆在循环开始时更换了新机油，因此初期循环机油内汽油蒸发较少，喷油方式引起的“湿壁”现象是机油液位升高的主要原因. 选择A、C厂家前6循环数据进行分析，研究喷油方式对机油液位升高影响. 两厂家机油液位升高速度数据如图2所示.

由图2可知，在前6循环，A厂家整改后车辆机油液位增长缓慢，远小于整改前车辆. C厂家整改前车辆机油液位增长速度较快，整改后车辆增长速度虽然存在下降趋势，但是速度仍然较快. 结合图1中机油液位升高曲线可发现，前6循环结束时，A厂家整改措施显著改善机油液位升高，C厂家整改措施效果不明显. 由此证明，喷油方式对机油液位升高存在影响.

结合A厂家整改措施可知，通过增加喷油次数，减小喷油贯穿距的策略可以有效减少喷油过程中的“湿壁”现象，减小发动机机油液位升高量. C厂家整改措施中也对喷射次数进行了调整，表2为试验过程中C厂家车辆各次喷射比例. 由表2可知，在实验循环工况下，C厂家整改后车辆喷射次数改变不大，大部分喷射仍为单次喷射. 因此整改后C车机油液位升高现象并未有明显改善.

表2 C厂家车辆喷油次数分布情况

3.2 发动机温升速度对机油液位升高影响

3.2.1发动机温度升高速度分析

实验过程中，由于循环工况具有一致性，因而环境温度是影响不同循环发动机温升速度的主要因素. 为更好观察发动机温升速度变化，选择机油温度和冷却水温度达到50 ℃的时间作为评价指标，做出发动机温升速度的概率分布曲线，对数据进行统计分析.

对数据采用shapiro-wilk正态检测方法进行正态分布检测，检测结果如表3所示.

表3 Shapiro-wilk正态分布检验结果

由表3中数据可知，在显著性水平p值为0.05的情况下，B车整改前冷却水温度与机油温度升高至50 ℃时间，C车整改前后冷却水温度升高至50 ℃时间均未通过正态性检测，不符合正态分布.

将符合正态分布的数据拟合为正态分布曲线，不满足正态性的数据利用kernel smooth方法拟合出概率分布曲线. 各厂家车辆温度升高速度概率分布曲线如图3所示.

由图3(a)中A厂家冷却水温度达到50 ℃时间的分布曲线可知，整改前车辆数据期望为462 s，标准差为76；整改后车辆数据期望为427 s，标准差为46. 对比可发现，整改后车辆冷却水温度达到50 ℃时间提前35 s左右. 整改后数据标准差较小，数据更加集中，冷却水升温时间受环境温度影响较小. 由图3(b)中A厂家机油温度达到50 ℃时间的分布曲线可知，整改前车辆数据期望为817 s，标准差为101；整改后车辆数据期望为795 s，标准差为51. 对比可发现，整改后车辆机油温度升高时间有了20 s左右的提高，机油升温时间受环境温度等因素影响减小. 同理对B厂家分析可发现，整改后车辆冷却水和机油温度升高速度都有较大提升，且受环境温度变化影响较小. 整改前车辆分布曲线存在双峰现象，温升速度受环境温度影响较大. 对C厂家分布曲线分析可发现，整改前后车辆冷却水温升时间变化不大，分布曲线均存在双峰现象. 整改后车辆机油温升速度有一定的提升.

结合各厂家整改措施可知，A厂家利用温控阀关闭低温暖通散热的措施对提高发动机温升速度有一定的效果；整改后车辆发动机温升速度和稳定性均有提高. B厂家适当提高暖机过程发动机转速的措施可有效提高暖机速度，低温时切断通向暖通与CVT热交换器的冷却水路的措施可降低发动机温升速度随环境温度波动；整改后车辆温升速度和稳定性均有较大提高. C厂家采取的减小暖通进水管管径措施对发动机冷却水温升速度改进效果甚微. 不过，其机油温度升高速度有一定的提升.

3.2.2冷却水温升速度对机油液位升高影响

在第15循环后，实验循环中空调开启策略改变，环境温度对冷却水温升速度影响增加. 结合发动机温度升高速度分析结果，选择B、C厂家10～19循环机油液位数据验证冷却水温升速度对发动机机油液位升高的影响. 图4中数据为10～19循环机油液位升高速度参数.

由图4中C厂家数据可发现，15循环之前，整改后车辆机油液位已接近平衡，但是在15循环后，机油液位升高速度再次升高. 由发动机温

升速度分析可知，C厂家整改后车辆冷却水温度升高曲线存在双峰现象，第15循环空调开启策略改变后，冷却水温升速度显著降低. 由于冷却水温升速度降低，暖机过程增长，暖机过程进入曲轴箱的汽油量增加. 因此，C厂家整改后车辆在第15循环后出现继续增长情况. 由此可知，冷却水温度升高速度是影响机油液位升高的重要因素.

由图4中B厂家数据可知，B厂家整改前车辆机油液位升高速度有在15循环后有明显的增长情况，整改后车辆机油液位增长速度有所下降. 由发动机温升速度的分析可知，B厂家整改前车辆冷却水温升速度分布曲线存在双峰现象，受环境温度影响较大，而整改后车辆冷却水温升速度受环境影响较小，温升速度较快. 由此进一步证明冷却水温升速度对发动机机油液位升高速度有较大影响. 通过提高冷却水温升速度可降低机油液位升高速度.

3.2.3机油温度温升速度对机油液位升高影响

机油温度温升速度通过机油内汽油蒸发量改变影响机油液位变化. 实验循环过程中汽油的蒸发量不仅与机油温度有关，还与机油内汽油含量相关. 为研究机油温升速度对机油液位升高的影响，选择进入曲轴箱内机油量相同的试验数据进行分析. 根据之前分析，选择C厂家前14循环数据进行研究. 图5为前14循环C厂家车辆机油液位增长速度变化曲线. 因机油液位平衡后仍存在一定的波动，为更好判断达到平衡时间，以机油液位增长速度小于0.1作为机油液位达到平衡的标志.

由图5可知，C厂家整改前车辆前15循环机油液位一直处于较快的增长速度，整改后车辆经过初期循环的较快增长后，在8～14循环，机油液位增长接近平衡. 由机油液位变化曲线可知，C厂家整改前后每循环进入曲轴箱内汽油量相同. 由此可知，整改后车辆汽油蒸发量高于整改前车辆，因此整改后车辆更早达到机油液位平衡. 在发动机温度升高速度分析中发现，C厂家整改后车辆机油温升速度有一定的提升. 因此可证明机油温升速度是影响机油液位变化的重要因素. 各厂家通过相关措施提高机油温度升高速度可以提高机油内汽油蒸发量，减小机油液位达到平衡所需时间，改善机油液位异常增高问题.

4 结 论

针对寒冷地区缸内直喷汽油机车辆出现的机油液面异常增高问题进行了实验研究. 通过寒区实车试验和试验循环数据分析，研究了机油液位异常升高的影响因素，验证了各厂家整改措施的有效性. 研究得到的主要结论如下：

① 通过对各厂家机油液位变化曲线分析可发现，A厂家整改措施效果最好，整改后车辆机油液位增长值减少79.8%；B厂家整改措施也取得较好效果，整改后车辆机油液位增幅减少51%；C厂家整改措施效果较差，整改后车辆机油液位增长值减小33%.

② 发动机喷油方式对发动机机油液位升高有较大影响. 通过调整喷油策略减少“湿壁”现象可显著减少机油液位升高. A厂家增加燃油喷射次数和调整喷油时刻的措施有效减少进入曲轴箱内汽油量，显著改善发动机机油液位增高现象.

③ 发动机温升速度受环境温度影响较大. 通过切断暖机过程中暖通与CVT散热器水路可有效提高发动机温升速度，减小发动机温升速度随环境温度变化. 减小暖通入水口管径的措施不能有效提高发动机温度升高速度.

④ 发动机温度升高速度对机油液位升高有较大影响. 发动机温升速度从冷却水温升速度和机油温升速度两方面对机油液位变化产生影响. 发动机冷却水温升速度升高可减少每实验循环进入曲轴箱内汽油量，降低机油液位升高速度. 发动机机油温度升高速度可提高机油内汽油蒸发量，使机油液位更早达到平衡，降低机油液位升高量.