寒區(qū)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油液面異常增高問題研究

張付軍， 張祿興， 鄔平， 武浩

(1. 北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081； 2.北京理工大學(xué) 深圳研究院，廣東，深圳 518057)

近些年來，由于能源問題的不斷加劇和環(huán)保法規(guī)的不斷升級(jí)，各國(guó)研究者均積極致力于各種新型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的研究與開發(fā)[1]. 其中，缸內(nèi)直噴技術(shù)是一種受到廣泛關(guān)注的提高汽油機(jī)排放性和經(jīng)濟(jì)性的新型技術(shù)[2-3]. 與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)相比，缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)的HC排放量可減少30%，燃油經(jīng)濟(jì)可以提高15%左右[4]. 目前，缸內(nèi)直噴技術(shù)已在新型發(fā)動(dòng)機(jī)上廣泛應(yīng)用，但是在寒冷地區(qū)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)仍存在機(jī)油液面異常升高問題. 機(jī)油液位的異常升高會(huì)造成機(jī)油稀釋，降低機(jī)油使用性能，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作[5].

發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油液面增高問題最初主要出現(xiàn)在柴油機(jī)中. 吳清泉等[6]對(duì)柴油機(jī)機(jī)油稀釋的原因和控制措施進(jìn)行了比較細(xì)致的研究. 缸內(nèi)直噴汽油機(jī)采用了和柴油機(jī)類似的噴油方式，因此也出現(xiàn)了機(jī)油液面升高的現(xiàn)象. 針對(duì)這一問題，賈殿臣等[7]利用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)驗(yàn)對(duì)缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油稀釋影響因素和解決方法進(jìn)行了研究. 但是實(shí)驗(yàn)過程中并沒有考慮寒區(qū)工況，且沒有進(jìn)行實(shí)車實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)論與實(shí)車實(shí)驗(yàn)存在差異.

本文中通過分析寒冷地區(qū)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，結(jié)合相關(guān)研究[8-10]，發(fā)現(xiàn)噴油方式與發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度是造成寒區(qū)機(jī)油液位升高問題產(chǎn)生的主要原因. 選擇3個(gè)廠家中出現(xiàn)機(jī)油液位升高問題的車型，在黑河地區(qū)對(duì)整改前與整改后車輛進(jìn)行戶外實(shí)車實(shí)驗(yàn). 通過對(duì)不同循環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，分別對(duì)噴油方式與發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高速度對(duì)機(jī)油液面升高問題的影響進(jìn)行研究. 對(duì)比各車輛的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析各廠家整改措施在解決機(jī)油液位異常升高問題的效果.

1 寒區(qū)戶外實(shí)車實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)車型選擇

為保證實(shí)驗(yàn)的客觀性和全面性，選取國(guó)內(nèi)3個(gè)廠家中出現(xiàn)機(jī)油液位異常升高問題的車輛進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 測(cè)試車型需一輛為整改前技術(shù)狀態(tài)，一輛為整改后技術(shù)狀態(tài). 為方便標(biāo)識(shí)，三廠家車輛分別用A車、B車、C車代表. 三廠家車輛技術(shù)整改措施如表1所示.

表1 各廠家車輛整改措施Tab.1 The solutions from manufacturers

1.2 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)各廠家用戶反饋與相關(guān)調(diào)查，機(jī)油液面異常升高現(xiàn)象主要出現(xiàn)在氣溫較低的寒冷地區(qū)，車輛運(yùn)行狀態(tài)多為短時(shí)間行駛. 因此選擇冬季在黑河開展實(shí)驗(yàn)，并設(shè)計(jì)了適用于本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的循環(huán)運(yùn)行工況. 實(shí)驗(yàn)循環(huán)工況時(shí)長(zhǎng)為115 s，怠速時(shí)間為265 s.

為觀察機(jī)油液位變化趨勢(shì)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行30次循環(huán). 實(shí)驗(yàn)過程中，前15循環(huán)時(shí)，空調(diào)在冷卻水溫度達(dá)到50 ℃開啟;后15循環(huán)時(shí)，采用汽車啟動(dòng)后立即開啟空調(diào)策略，增強(qiáng)環(huán)境溫度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度影響. 實(shí)驗(yàn)中，測(cè)試人員記錄每實(shí)驗(yàn)循環(huán)的環(huán)境溫度和機(jī)油液位變化. 每循環(huán)車輛冷卻液溫度、機(jī)油溫度變化通過車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行自動(dòng)采集.

2 機(jī)油液位變化數(shù)據(jù)處理

將實(shí)驗(yàn)中記錄的每循環(huán)機(jī)油液位值分別減去原始機(jī)油液位值，得到每循環(huán)機(jī)油液位的增長(zhǎng)值. 利用每循環(huán)機(jī)油液位的增長(zhǎng)值做出機(jī)油液位的升高曲線. 為消除隨機(jī)誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響，對(duì)機(jī)油液面增長(zhǎng)曲線進(jìn)行擬合處理.

圖1為各廠家車輛機(jī)油液位變化曲線. 由圖1(a)可知，A廠家整改前車輛機(jī)油液位呈直線增長(zhǎng)，20循環(huán)后增速趨緩，但未達(dá)到平衡. 整改后車輛機(jī)油液位增長(zhǎng)緩慢，20循環(huán)左右液面達(dá)到平衡. 對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，整改后機(jī)油液位增長(zhǎng)比整改前減少79.8%. 由圖1(b)知，在循環(huán)實(shí)驗(yàn)初期，B廠家整改后車輛機(jī)油液位低于整改前車輛. B廠家整改前車輛機(jī)油液位在第27循環(huán)達(dá)到平衡，整改后車輛在第22循環(huán)達(dá)到平衡. 與整改前車輛相比，整改后車輛機(jī)油液面增長(zhǎng)減少51%. 由圖1(c)知，在前6循環(huán)，C廠家整改前后車輛機(jī)油液位增長(zhǎng)基本相同. 在第6循環(huán)后，整改前車輛機(jī)油液位一直處于較快增長(zhǎng)，整改后車輛在10～14循環(huán)機(jī)油液位接近平衡，在15循環(huán)之后機(jī)油液面再次出現(xiàn)快速增長(zhǎng)情況. 30循環(huán)結(jié)束時(shí)，整改后車輛機(jī)油液面增長(zhǎng)比整改前減小33%.

3 機(jī)油液位影響因素分析

在循環(huán)試驗(yàn)中，各循環(huán)機(jī)油液位的凈增長(zhǎng)值反映機(jī)油液位的增長(zhǎng)狀況，機(jī)油液位升高曲線在個(gè)循環(huán)點(diǎn)處導(dǎo)數(shù)反映機(jī)油液位增長(zhǎng)速度. 因此，選擇這兩個(gè)參數(shù)作為機(jī)油液位影響因素分析的評(píng)價(jià)參數(shù).

3.1 噴油方式對(duì)機(jī)油液位升高的影響

測(cè)試車輛在循環(huán)開始時(shí)更換了新機(jī)油，因此初期循環(huán)機(jī)油內(nèi)汽油蒸發(fā)較少，噴油方式引起的“濕壁”現(xiàn)象是機(jī)油液位升高的主要原因. 選擇A、C廠家前6循環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究噴油方式對(duì)機(jī)油液位升高影響. 兩廠家機(jī)油液位升高速度數(shù)據(jù)如圖2所示.

由圖2可知，在前6循環(huán)，A廠家整改后車輛機(jī)油液位增長(zhǎng)緩慢，遠(yuǎn)小于整改前車輛. C廠家整改前車輛機(jī)油液位增長(zhǎng)速度較快，整改后車輛增長(zhǎng)速度雖然存在下降趨勢(shì)，但是速度仍然較快. 結(jié)合圖1中機(jī)油液位升高曲線可發(fā)現(xiàn)，前6循環(huán)結(jié)束時(shí)，A廠家整改措施顯著改善機(jī)油液位升高，C廠家整改措施效果不明顯. 由此證明，噴油方式對(duì)機(jī)油液位升高存在影響.

結(jié)合A廠家整改措施可知，通過增加噴油次數(shù)，減小噴油貫穿距的策略可以有效減少噴油過程中的“濕壁”現(xiàn)象，減小發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油液位升高量. C廠家整改措施中也對(duì)噴射次數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，表2為試驗(yàn)過程中C廠家車輛各次噴射比例. 由表2可知，在實(shí)驗(yàn)循環(huán)工況下，C廠家整改后車輛噴射次數(shù)改變不大，大部分噴射仍為單次噴射. 因此整改后C車機(jī)油液位升高現(xiàn)象并未有明顯改善.

表2 C廠家車輛噴油次數(shù)分布情況

3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度對(duì)機(jī)油液位升高影響

3.2.1發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高速度分析

實(shí)驗(yàn)過程中，由于循環(huán)工況具有一致性，因而環(huán)境溫度是影響不同循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度的主要因素. 為更好觀察發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度變化，選擇機(jī)油溫度和冷卻水溫度達(dá)到50 ℃的時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，做出發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度的概率分布曲線，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.

對(duì)數(shù)據(jù)采用shapiro-wilk正態(tài)檢測(cè)方法進(jìn)行正態(tài)分布檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示.

表3 Shapiro-wilk正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果

由表3中數(shù)據(jù)可知，在顯著性水平p值為0.05的情況下，B車整改前冷卻水溫度與機(jī)油溫度升高至50 ℃時(shí)間，C車整改前后冷卻水溫度升高至50 ℃時(shí)間均未通過正態(tài)性檢測(cè)，不符合正態(tài)分布.

將符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)擬合為正態(tài)分布曲線，不滿足正態(tài)性的數(shù)據(jù)利用kernel smooth方法擬合出概率分布曲線. 各廠家車輛溫度升高速度概率分布曲線如圖3所示.

由圖3(a)中A廠家冷卻水溫度達(dá)到50 ℃時(shí)間的分布曲線可知，整改前車輛數(shù)據(jù)期望為462 s，標(biāo)準(zhǔn)差為76；整改后車輛數(shù)據(jù)期望為427 s，標(biāo)準(zhǔn)差為46. 對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，整改后車輛冷卻水溫度達(dá)到50 ℃時(shí)間提前35 s左右. 整改后數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差較小，數(shù)據(jù)更加集中，冷卻水升溫時(shí)間受環(huán)境溫度影響較小. 由圖3(b)中A廠家機(jī)油溫度達(dá)到50 ℃時(shí)間的分布曲線可知，整改前車輛數(shù)據(jù)期望為817 s，標(biāo)準(zhǔn)差為101；整改后車輛數(shù)據(jù)期望為795 s，標(biāo)準(zhǔn)差為51. 對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，整改后車輛機(jī)油溫度升高時(shí)間有了20 s左右的提高，機(jī)油升溫時(shí)間受環(huán)境溫度等因素影響減小. 同理對(duì)B廠家分析可發(fā)現(xiàn)，整改后車輛冷卻水和機(jī)油溫度升高速度都有較大提升，且受環(huán)境溫度變化影響較小. 整改前車輛分布曲線存在雙峰現(xiàn)象，溫升速度受環(huán)境溫度影響較大. 對(duì)C廠家分布曲線分析可發(fā)現(xiàn)，整改前后車輛冷卻水溫升時(shí)間變化不大，分布曲線均存在雙峰現(xiàn)象. 整改后車輛機(jī)油溫升速度有一定的提升.

結(jié)合各廠家整改措施可知，A廠家利用溫控閥關(guān)閉低溫暖通散熱的措施對(duì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度有一定的效果；整改后車輛發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度和穩(wěn)定性均有提高. B廠家適當(dāng)提高暖機(jī)過程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的措施可有效提高暖機(jī)速度，低溫時(shí)切斷通向暖通與CVT熱交換器的冷卻水路的措施可降低發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度隨環(huán)境溫度波動(dòng)；整改后車輛溫升速度和穩(wěn)定性均有較大提高. C廠家采取的減小暖通進(jìn)水管管徑措施對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫升速度改進(jìn)效果甚微. 不過，其機(jī)油溫度升高速度有一定的提升.

3.2.2冷卻水溫升速度對(duì)機(jī)油液位升高影響

在第15循環(huán)后，實(shí)驗(yàn)循環(huán)中空調(diào)開啟策略改變，環(huán)境溫度對(duì)冷卻水溫升速度影響增加. 結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高速度分析結(jié)果，選擇B、C廠家10～19循環(huán)機(jī)油液位數(shù)據(jù)驗(yàn)證冷卻水溫升速度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油液位升高的影響. 圖4中數(shù)據(jù)為10～19循環(huán)機(jī)油液位升高速度參數(shù).

由圖4中C廠家數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，15循環(huán)之前，整改后車輛機(jī)油液位已接近平衡，但是在15循環(huán)后，機(jī)油液位升高速度再次升高. 由發(fā)動(dòng)機(jī)溫

升速度分析可知，C廠家整改后車輛冷卻水溫度升高曲線存在雙峰現(xiàn)象，第15循環(huán)空調(diào)開啟策略改變后，冷卻水溫升速度顯著降低. 由于冷卻水溫升速度降低，暖機(jī)過程增長(zhǎng)，暖機(jī)過程進(jìn)入曲軸箱的汽油量增加. 因此，C廠家整改后車輛在第15循環(huán)后出現(xiàn)繼續(xù)增長(zhǎng)情況. 由此可知，冷卻水溫度升高速度是影響機(jī)油液位升高的重要因素.

由圖4中B廠家數(shù)據(jù)可知，B廠家整改前車輛機(jī)油液位升高速度有在15循環(huán)后有明顯的增長(zhǎng)情況，整改后車輛機(jī)油液位增長(zhǎng)速度有所下降. 由發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度的分析可知，B廠家整改前車輛冷卻水溫升速度分布曲線存在雙峰現(xiàn)象，受環(huán)境溫度影響較大，而整改后車輛冷卻水溫升速度受環(huán)境影響較小，溫升速度較快. 由此進(jìn)一步證明冷卻水溫升速度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油液位升高速度有較大影響. 通過提高冷卻水溫升速度可降低機(jī)油液位升高速度.

3.2.3機(jī)油溫度溫升速度對(duì)機(jī)油液位升高影響

機(jī)油溫度溫升速度通過機(jī)油內(nèi)汽油蒸發(fā)量改變影響機(jī)油液位變化. 實(shí)驗(yàn)循環(huán)過程中汽油的蒸發(fā)量不僅與機(jī)油溫度有關(guān)，還與機(jī)油內(nèi)汽油含量相關(guān). 為研究機(jī)油溫升速度對(duì)機(jī)油液位升高的影響，選擇進(jìn)入曲軸箱內(nèi)機(jī)油量相同的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析. 根據(jù)之前分析，選擇C廠家前14循環(huán)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究. 圖5為前14循環(huán)C廠家車輛機(jī)油液位增長(zhǎng)速度變化曲線. 因機(jī)油液位平衡后仍存在一定的波動(dòng)，為更好判斷達(dá)到平衡時(shí)間，以機(jī)油液位增長(zhǎng)速度小于0.1作為機(jī)油液位達(dá)到平衡的標(biāo)志.

由圖5可知，C廠家整改前車輛前15循環(huán)機(jī)油液位一直處于較快的增長(zhǎng)速度，整改后車輛經(jīng)過初期循環(huán)的較快增長(zhǎng)后，在8～14循環(huán)，機(jī)油液位增長(zhǎng)接近平衡. 由機(jī)油液位變化曲線可知，C廠家整改前后每循環(huán)進(jìn)入曲軸箱內(nèi)汽油量相同. 由此可知，整改后車輛汽油蒸發(fā)量高于整改前車輛，因此整改后車輛更早達(dá)到機(jī)油液位平衡. 在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高速度分析中發(fā)現(xiàn)，C廠家整改后車輛機(jī)油溫升速度有一定的提升. 因此可證明機(jī)油溫升速度是影響機(jī)油液位變化的重要因素. 各廠家通過相關(guān)措施提高機(jī)油溫度升高速度可以提高機(jī)油內(nèi)汽油蒸發(fā)量，減小機(jī)油液位達(dá)到平衡所需時(shí)間，改善機(jī)油液位異常增高問題.

4 結(jié) 論

針對(duì)寒冷地區(qū)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)車輛出現(xiàn)的機(jī)油液面異常增高問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究. 通過寒區(qū)實(shí)車試驗(yàn)和試驗(yàn)循環(huán)數(shù)據(jù)分析，研究了機(jī)油液位異常升高的影響因素，驗(yàn)證了各廠家整改措施的有效性. 研究得到的主要結(jié)論如下：

① 通過對(duì)各廠家機(jī)油液位變化曲線分析可發(fā)現(xiàn)，A廠家整改措施效果最好，整改后車輛機(jī)油液位增長(zhǎng)值減少79.8%；B廠家整改措施也取得較好效果，整改后車輛機(jī)油液位增幅減少51%；C廠家整改措施效果較差，整改后車輛機(jī)油液位增長(zhǎng)值減小33%.

② 發(fā)動(dòng)機(jī)噴油方式對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油液位升高有較大影響. 通過調(diào)整噴油策略減少“濕壁”現(xiàn)象可顯著減少機(jī)油液位升高. A廠家增加燃油噴射次數(shù)和調(diào)整噴油時(shí)刻的措施有效減少進(jìn)入曲軸箱內(nèi)汽油量，顯著改善發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油液位增高現(xiàn)象.

③ 發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度受環(huán)境溫度影響較大. 通過切斷暖機(jī)過程中暖通與CVT散熱器水路可有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度，減小發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度隨環(huán)境溫度變化. 減小暖通入水口管徑的措施不能有效提高發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高速度.

④ 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度升高速度對(duì)機(jī)油液位升高有較大影響. 發(fā)動(dòng)機(jī)溫升速度從冷卻水溫升速度和機(jī)油溫升速度兩方面對(duì)機(jī)油液位變化產(chǎn)生影響. 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫升速度升高可減少每實(shí)驗(yàn)循環(huán)進(jìn)入曲軸箱內(nèi)汽油量，降低機(jī)油液位升高速度. 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度升高速度可提高機(jī)油內(nèi)汽油蒸發(fā)量，使機(jī)油液位更早達(dá)到平衡，降低機(jī)油液位升高量.