發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油結(jié)冰問(wèn)題分析與改進(jìn)

田身軍，張欣林，李加旺，項(xiàng)大偉，李德銀，姜維

蕪湖?？铺┛藙?dòng)力總成有限公司研發(fā)中心，安徽 蕪湖 241009

0 引言

直噴增壓發(fā)動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)機(jī)油增多的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)機(jī)油液位超出機(jī)油標(biāo)尺上限，部分機(jī)油進(jìn)入燃燒室參與燃燒，導(dǎo)致燒機(jī)油現(xiàn)象。燒機(jī)油會(huì)引起三效催化轉(zhuǎn)化器失效、加速車輛氧傳感器損壞、燃燒室積碳增加、發(fā)動(dòng)機(jī)怠速不穩(wěn)、加速無(wú)力、油耗升高、尾氣排放超標(biāo)等不良影響[1-2]。機(jī)油增多的主要原因有2種：1)燃油從活塞環(huán)與缸孔的間隙中竄出流入機(jī)油中，稀釋機(jī)油造成機(jī)油液面增高、機(jī)油變質(zhì)、潤(rùn)滑能力下降、油耗增加、排放不合格等問(wèn)題[3-4]；2)燃油燃燒后產(chǎn)生CO2、H2O、CO等排放物，大部分經(jīng)過(guò)尾氣后處理系統(tǒng)排入大氣，少量廢氣通過(guò)氣缸壁與活塞之間的間隙進(jìn)入曲軸箱，通過(guò)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置返回發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)低壓油腔區(qū)域的冷壁面發(fā)生液化或凝華，沿壁面流入油底殼，造成機(jī)油含水量增加，引起機(jī)油液面升高、機(jī)油乳化、機(jī)油潤(rùn)滑性能下降，影響摩擦副之間的潤(rùn)滑，降低發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命。

在極寒地區(qū)，如果發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)常在起動(dòng)后水溫未高于0 ℃時(shí)停車熄火，可引起機(jī)油含水量快速增加，油底殼內(nèi)容易形成冰沙和冰塊堵塞機(jī)油集濾器，導(dǎo)致機(jī)油壓力消失，影響發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑，造成發(fā)動(dòng)機(jī)損壞。很多研究深入闡述了燃油稀釋造成的機(jī)油增多問(wèn)題[5-7]，而關(guān)于機(jī)油含水量增加造成機(jī)油增多的研究較少。本文中模擬冬季路試循環(huán)工況，對(duì)不同車輛的機(jī)油含水量、油溫升高速度、水溫升高速度進(jìn)行分析，從主動(dòng)、被動(dòng)2個(gè)方面提出有效改進(jìn)措施，降低機(jī)油含水量，減少機(jī)油結(jié)冰現(xiàn)象。

1 問(wèn)題描述

在市場(chǎng)上選取4臺(tái)采用渦輪增壓、缸內(nèi)燃油直噴技術(shù)，排量均為1.5 L發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛，記為車輛A、B、C、D，在漠河地區(qū)進(jìn)行冬季路試循環(huán)工況測(cè)試，測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)低溫短里程特殊工況下機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。冬季路試循環(huán)工況指環(huán)境溫度為-25 ℃、車速穩(wěn)定在25 km/h，連續(xù)行駛2 km后停機(jī)2 h，重復(fù)完成20個(gè)循環(huán)。路試循環(huán)工況結(jié)束后采集機(jī)油樣品進(jìn)行理化分析，發(fā)現(xiàn)4臺(tái)車輛機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)都有所升高，機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.2%、2.0%、0.3%、3.6%。可知低溫環(huán)境下，4臺(tái)車輛中，車輛D機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，更容易發(fā)生機(jī)油結(jié)冰，故本文中以車輛D為研究對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)和分析。

2 試驗(yàn)方案及改進(jìn)措施

2.1 試驗(yàn)方案

在恒定低溫的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)室，控制車輛D的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，模擬冬季路試循環(huán)工況，測(cè)量機(jī)油壓力。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)模擬冬季路試循環(huán)工況進(jìn)行到第18個(gè)循環(huán)時(shí)，車輛D機(jī)油壓力從開(kāi)始的600 kPa降為0；拆開(kāi)油底殼，發(fā)現(xiàn)油底殼機(jī)油已經(jīng)乳化成冰砂狀態(tài)，并伴有冰塊；對(duì)機(jī)油進(jìn)行理化分析，此時(shí)機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.8%。分析原因，主要是機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大，低溫環(huán)境下結(jié)冰后堵塞機(jī)油集濾器，機(jī)油泵無(wú)法抽油，機(jī)油壓力消失。

2.2 改進(jìn)措施

針對(duì)以上原因，從主動(dòng)和被動(dòng)2方面，提出改進(jìn)措施。主動(dòng)改進(jìn)措施指改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，以減少曲軸箱內(nèi)水的產(chǎn)生，降低機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文中主要從改進(jìn)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置、提高冷卻系統(tǒng)效果和優(yōu)化零部件設(shè)計(jì)3個(gè)方面改進(jìn)；被動(dòng)改進(jìn)措施指在機(jī)油中水分客觀存在的情況下，對(duì)量產(chǎn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，避免或延緩發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油結(jié)冰，本文中主要從優(yōu)化機(jī)油集濾器結(jié)構(gòu)和改善客戶用車習(xí)慣2個(gè)方面改進(jìn)。

2.2.1 主動(dòng)改進(jìn)措施

根據(jù)有、無(wú)補(bǔ)氣通道及小負(fù)荷油氣分離裝置的進(jìn)氣口在曲軸箱上的位置，曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置分為無(wú)呼吸、淺呼吸、深呼吸3種[8]，3種曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置示意如圖1所示。

a)無(wú)呼吸 b) 淺呼吸 c) 深呼吸圖1 3種曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置示意圖

由圖1a)可知，無(wú)呼吸曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置無(wú)補(bǔ)氣通道，新鮮空氣無(wú)法與曲軸箱氣體進(jìn)行稀釋和交換；由圖1b)可知，淺呼吸曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置中發(fā)動(dòng)機(jī)大、小負(fù)荷油氣分離裝置的進(jìn)氣口和補(bǔ)氣通道都在氣門室罩蓋內(nèi)，新鮮空氣和氣門室罩蓋內(nèi)的曲軸箱氣體在氣門室罩蓋內(nèi)部稀釋和交換，對(duì)曲軸箱內(nèi)的廢氣稀釋有一定的改善效果；由圖1c)可知，深呼吸曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置大負(fù)荷油氣分離裝置進(jìn)氣口和補(bǔ)氣通道布置在氣門室罩蓋上，中小負(fù)荷油氣分離裝置的進(jìn)氣口布置在曲軸箱缸體上，以最短的路徑排出曲軸箱廢氣，并將新鮮空氣與從活塞下部竄出的曲軸箱廢氣進(jìn)行充分的稀釋和交換，減少了曲軸箱內(nèi)廢氣液化。

對(duì)車輛D的發(fā)動(dòng)機(jī)分別裝配以上3種曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置，模擬冬季路試循環(huán)工況試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)量無(wú)呼吸、淺呼吸、深呼吸3種曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為6.2%、5.2%、3.6%，裝配深呼吸曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置，機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，為最佳曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置設(shè)計(jì)方案。

冬季路試循環(huán)工況試驗(yàn)中，車輛A、B、C、D的發(fā)動(dòng)機(jī)水溫和油溫升溫速度如圖2所示。由圖2可知，車輛D油溫上升最慢，車輛C水溫和油溫升溫速度較快。結(jié)合車輛C、D機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.3%和3.6%，分析車輛C、D冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)車輛C在暖風(fēng)回路中加裝了溫控閥，并采用集成排氣歧管(integrated exhaust manifold，IEM)缸蓋技術(shù)。溫控閥可使發(fā)動(dòng)機(jī)在冷機(jī)狀態(tài)下以最快速度升溫，相對(duì)于普通缸蓋，IEM缸蓋可使發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度達(dá)到工作水溫80 ℃的時(shí)間提前8 min，實(shí)現(xiàn)快速暖機(jī)[9]。設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí)可采用暖風(fēng)回路中加裝溫控閥、IEM缸蓋技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 車輛發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、油溫升溫試驗(yàn)結(jié)果

曲軸箱廢氣與發(fā)動(dòng)機(jī)低壓油腔壁面接觸發(fā)生液化或凝華，是機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加的主要原因。減小低壓油腔壁面表面積，可有效降低機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[10]。以氣門室罩蓋為例，將氣門室罩蓋內(nèi)腔的加強(qiáng)筋移到氣門室罩蓋外表面，優(yōu)化前、后氣門室罩蓋結(jié)構(gòu)如圖3所示。曲軸箱廢氣與內(nèi)腔表面接觸面積可減少20%，試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)于優(yōu)化前可降低大約10%。

a)內(nèi)部 b) 外部圖3 氣門室罩蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.2.2 被動(dòng)改進(jìn)措施

為提高網(wǎng)孔面積和篩分面積百分率，優(yōu)化機(jī)油集濾器結(jié)構(gòu)[11]，將機(jī)油集濾器濾網(wǎng)面積由2000 mm2增大至2500 mm2，濾網(wǎng)圓孔的直徑由0.6 mm增大為0.8 mm。模擬冬季路試循環(huán)工況試驗(yàn)，在相同的試驗(yàn)條件下，失去機(jī)油壓力時(shí)，優(yōu)化后車輛比優(yōu)化前可多完成7個(gè)循環(huán)，說(shuō)明優(yōu)化機(jī)油集濾器可有效延緩發(fā)生機(jī)油結(jié)冰的時(shí)間。

車輛D在1次車速大于60 km/h,連續(xù)行駛30 min的市郊行駛工況后，機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低為1.18%，主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)充分熱機(jī)后可將機(jī)油中的水分蒸發(fā)，水蒸氣通過(guò)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置返回發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)低壓油腔區(qū)域溫度升高，避免水蒸氣發(fā)生液化或凝華，降低機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，減少結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生。建議反復(fù)低溫短里程工況行駛的車輛，每周增加1次市郊或車速大于120 km/h，連續(xù)行駛30 min的高速工況行駛。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)增壓直噴汽油機(jī)冬季嚴(yán)寒地區(qū)運(yùn)行時(shí)油底殼結(jié)冰故障，進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，為降低機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)提出改進(jìn)措施。

1)采用深呼吸的曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)裝置使廢氣與新鮮空氣充分交換；暖風(fēng)回路中加裝溫控閥及IEM缸蓋技術(shù)可提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷機(jī)升溫速度，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)快速暖機(jī)；采用減少曲軸箱表面積的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以上措施有效減少?gòu)U氣發(fā)生液化，降低機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

2)增大機(jī)油集濾器濾網(wǎng)面積及圓孔直徑可延緩發(fā)生機(jī)油結(jié)冰的時(shí)間；定期增加市郊或高速工況行駛，可使水分蒸發(fā)，排出發(fā)動(dòng)機(jī)體，降低機(jī)油中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。。