發動機機油結冰問題分析與改進

田身軍，張欣林，李加旺，項大偉，李德銀，姜維

蕪湖埃科泰克動力總成有限公司研發中心，安徽 蕪湖 241009

0 引言

直噴增壓發動機容易出現機油增多的問題，嚴重時機油液位超出機油標尺上限，部分機油進入燃燒室參與燃燒，導致燒機油現象。燒機油會引起三效催化轉化器失效、加速車輛氧傳感器損壞、燃燒室積碳增加、發動機怠速不穩、加速無力、油耗升高、尾氣排放超標等不良影響[1-2]。機油增多的主要原因有2種：1)燃油從活塞環與缸孔的間隙中竄出流入機油中，稀釋機油造成機油液面增高、機油變質、潤滑能力下降、油耗增加、排放不合格等問題[3-4]；2)燃油燃燒后產生CO2、H2O、CO等排放物，大部分經過尾氣后處理系統排入大氣，少量廢氣通過氣缸壁與活塞之間的間隙進入曲軸箱，通過曲軸箱強制通風裝置返回發動機，在發動機低壓油腔區域的冷壁面發生液化或凝華，沿壁面流入油底殼，造成機油含水量增加，引起機油液面升高、機油乳化、機油潤滑性能下降，影響摩擦副之間的潤滑，降低發動機使用壽命。

在極寒地區，如果發動機經常在起動后水溫未高于0 ℃時停車熄火，可引起機油含水量快速增加，油底殼內容易形成冰沙和冰塊堵塞機油集濾器，導致機油壓力消失，影響發動機潤滑，造成發動機損壞。很多研究深入闡述了燃油稀釋造成的機油增多問題[5-7]，而關于機油含水量增加造成機油增多的研究較少。本文中模擬冬季路試循環工況，對不同車輛的機油含水量、油溫升高速度、水溫升高速度進行分析，從主動、被動2個方面提出有效改進措施，降低機油含水量，減少機油結冰現象。

1 問題描述

在市場上選取4臺采用渦輪增壓、缸內燃油直噴技術，排量均為1.5 L發動機的車輛，記為車輛A、B、C、D，在漠河地區進行冬季路試循環工況測試，測量發動機低溫短里程特殊工況下機油中水的質量分數。冬季路試循環工況指環境溫度為-25 ℃、車速穩定在25 km/h，連續行駛2 km后停機2 h，重復完成20個循環。路試循環工況結束后采集機油樣品進行理化分析，發現4臺車輛機油中水的質量分數都有所升高，機油中水的質量分數分別為1.2%、2.0%、0.3%、3.6%。可知低溫環境下，4臺車輛中，車輛D機油中水的質量分數最大，更容易發生機油結冰，故本文中以車輛D為研究對象進行試驗和分析。

2 試驗方案及改進措施

2.1 試驗方案

在恒定低溫的發動機臺架實驗室，控制車輛D的發動機轉速，模擬冬季路試循環工況，測量機油壓力。試驗過程中，當模擬冬季路試循環工況進行到第18個循環時，車輛D機油壓力從開始的600 kPa降為0；拆開油底殼，發現油底殼機油已經乳化成冰砂狀態，并伴有冰塊；對機油進行理化分析，此時機油中水的質量分數為3.8%。分析原因，主要是機油中水的質量分數較大，低溫環境下結冰后堵塞機油集濾器，機油泵無法抽油，機油壓力消失。

2.2 改進措施

針對以上原因，從主動和被動2方面，提出改進措施。主動改進措施指改進發動機結構和設計，以減少曲軸箱內水的產生，降低機油中水的質量分數，本文中主要從改進曲軸箱強制通風裝置、提高冷卻系統效果和優化零部件設計3個方面改進；被動改進措施指在機油中水分客觀存在的情況下，對量產后的發動機進行優化改進，避免或延緩發動機機油結冰，本文中主要從優化機油集濾器結構和改善客戶用車習慣2個方面改進。

2.2.1 主動改進措施

根據有、無補氣通道及小負荷油氣分離裝置的進氣口在曲軸箱上的位置，曲軸箱強制通風裝置分為無呼吸、淺呼吸、深呼吸3種[8]，3種曲軸箱強制通風裝置示意如圖1所示。

a)無呼吸 b) 淺呼吸 c) 深呼吸圖1 3種曲軸箱強制通風裝置示意圖

由圖1a)可知，無呼吸曲軸箱強制通風裝置無補氣通道，新鮮空氣無法與曲軸箱氣體進行稀釋和交換；由圖1b)可知，淺呼吸曲軸箱強制通風裝置中發動機大、小負荷油氣分離裝置的進氣口和補氣通道都在氣門室罩蓋內，新鮮空氣和氣門室罩蓋內的曲軸箱氣體在氣門室罩蓋內部稀釋和交換，對曲軸箱內的廢氣稀釋有一定的改善效果；由圖1c)可知，深呼吸曲軸箱強制通風裝置大負荷油氣分離裝置進氣口和補氣通道布置在氣門室罩蓋上，中小負荷油氣分離裝置的進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行充分的稀釋和交換，減少了曲軸箱內廢氣液化。

對車輛D的發動機分別裝配以上3種曲軸箱強制通風裝置，模擬冬季路試循環工況試驗，試驗結束后，測量無呼吸、淺呼吸、深呼吸3種曲軸箱強制通風裝置發動機機油中水的質量分數分別為6.2%、5.2%、3.6%，裝配深呼吸曲軸箱強制通風裝置，機油中水的質量分數最低，為最佳曲軸箱強制通風裝置設計方案。

冬季路試循環工況試驗中，車輛A、B、C、D的發動機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。結合車輛C、D機油中水的質量分數分別為0.3%和3.6%，分析車輛C、D冷卻系統結構，發現車輛C在暖風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。溫控閥可使發動機在冷機狀態下以最快速度升溫，相對于普通缸蓋，IEM缸蓋可使發動機出水溫度達到工作水溫80 ℃的時間提前8 min，實現快速暖機[9]。設計冷卻系統時可采用暖風回路中加裝溫控閥、IEM缸蓋技術進行優化。

圖2 車輛發動機水溫、油溫升溫試驗結果

曲軸箱廢氣與發動機低壓油腔壁面接觸發生液化或凝華，是機油中水的質量分數增加的主要原因。減小低壓油腔壁面表面積，可有效降低機油中水的質量分數[10]。以氣門室罩蓋為例，將氣門室罩蓋內腔的加強筋移到氣門室罩蓋外表面，優化前、后氣門室罩蓋結構如圖3所示。曲軸箱廢氣與內腔表面接觸面積可減少20%，試驗對比發現，機油中水的質量分數對于優化前可降低大約10%。

a)內部 b) 外部圖3 氣門室罩蓋結構優化

2.2.2 被動改進措施

為提高網孔面積和篩分面積百分率，優化機油集濾器結構[11]，將機油集濾器濾網面積由2000 mm2增大至2500 mm2，濾網圓孔的直徑由0.6 mm增大為0.8 mm。模擬冬季路試循環工況試驗，在相同的試驗條件下，失去機油壓力時，優化后車輛比優化前可多完成7個循環，說明優化機油集濾器可有效延緩發生機油結冰的時間。

車輛D在1次車速大于60 km/h,連續行駛30 min的市郊行駛工況后，機油中水的質量分數降低為1.18%，主要原因是發動機充分熱機后可將機油中的水分蒸發，水蒸氣通過曲軸箱強制通風裝置返回發動機，發動機低壓油腔區域溫度升高，避免水蒸氣發生液化或凝華，降低機油中水的質量分數，減少結冰現象發生。建議反復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，連續行駛30 min的高速工況行駛。

3 結語

針對增壓直噴汽油機冬季嚴寒地區運行時油底殼結冰故障，進行試驗方案設計，為降低機油中水的質量分數提出改進措施。

1)采用深呼吸的曲軸箱強制通風裝置使廢氣與新鮮空氣充分交換；暖風回路中加裝溫控閥及IEM缸蓋技術可提高發動機冷機升溫速度，實現發動機快速暖機；采用減少曲軸箱表面積的結構設計，以上措施有效減少廢氣發生液化，降低機油中水的質量分數。

2)增大機油集濾器濾網面積及圓孔直徑可延緩發生機油結冰的時間；定期增加市郊或高速工況行駛，可使水分蒸發，排出發動機體，降低機油中水的質量分數。。