張付軍， 張祿興， 鄔平， 武浩

(1. 北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081； 2.北京理工大學 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，各國研究者均積極致力于各種新型發(fā)動機技術的研究與開發(fā)[1]. 其中，缸內直噴技術是一種受到廣泛關注的提高汽油機排放性和經濟性的新型技術[2-3]. 與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，缸內直噴發(fā)動機的HC排放量可減少30%，燃油經濟可以提高15%左右[4]. 目前，缸內直噴技術已在新型發(fā)動機上廣泛應用，但是在寒冷地區(qū)缸內直噴發(fā)動機仍存在機油液面異常升高問題. 機油液位的異常升高會造成機油稀釋，降低機油使用性能，影響發(fā)動機的正常工作[5].

發(fā)動機的機油液面增高問題最初主要出現(xiàn)在柴油機中. 吳清泉等[6]對柴油機機油稀釋的原因和控制措施進行了比較細致的研究. 缸內直噴汽油機采用了和柴油機類似的噴油方式，因此也出現(xiàn)了機油液面升高的現(xiàn)象. 針對這一問題，賈殿臣等[7]利用發(fā)動機臺架實驗對缸內直噴發(fā)動機機油稀釋影響因素和解決方法進行了研究. 但是實驗過程中并沒有考慮寒區(qū)工況，且沒有進行實車實驗，實驗結論與實車實驗存在差異.

本文中通過分析寒冷地區(qū)車輛發(fā)動機的工作狀態(tài)，結合相關研究[8-10]，發(fā)現(xiàn)噴油方式與發(fā)動機溫升速度是造成寒區(qū)機油液位升高問題產生的主要原因. 選擇3個廠家中出現(xiàn)機油液位升高問題的車型，在黑河地區(qū)對整改前與整改后車輛進行戶外實車實驗. 通過對不同循環(huán)實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，分別對噴油方式與發(fā)動機溫度升高速度對機油液面升高問題的影響進行研究. 對比各車輛的實驗結果，分析各廠家整改措施在解決機油液位異常升高問題的效果.

1 寒區(qū)戶外實車實驗

1.1 實驗車型選擇

為保證實驗的客觀性和全面性，選取國內3個廠家中出現(xiàn)機油液位異常升高問題的車輛進行實驗. 測試車型需一輛為整改前技術狀態(tài)，一輛為整改后技術狀態(tài). 為方便標識，三廠家車輛分別用A車、B車、C車代表. 三廠家車輛技術整改措施如表1所示.

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

1.2 實驗過程及數(shù)據(jù)記錄

根據(jù)各廠家用戶反饋與相關調查，機油液面異常升高現(xiàn)象主要出現(xiàn)在氣溫較低的寒冷地區(qū)，車輛運行狀態(tài)多為短時間行駛. 因此選擇冬季在黑河開展實驗，并設計了適用于本實驗測試的循環(huán)運行工況. 實驗循環(huán)工況時長為115 s，怠速時間為265 s.

為觀察機油液位變化趨勢，實驗進行30次循環(huán). 實驗過程中，前15循環(huán)時，空調在冷卻水溫度達到50 ℃開啟;后15循環(huán)時，采用汽車啟動后立即開啟空調策略，增強環(huán)境溫度對發(fā)動機溫升速度影響. 實驗中，測試人員記錄每實驗循環(huán)的環(huán)境溫度和機油液位變化. 每循環(huán)車輛冷卻液溫度、機油溫度變化通過車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄儀進行自動采集.

2 機油液位變化數(shù)據(jù)處理

將實驗中記錄的每循環(huán)機油液位值分別減去原始機油液位值，得到每循環(huán)機油液位的增長值. 利用每循環(huán)機油液位的增長值做出機油液位的升高曲線. 為消除隨機誤差對試驗結果影響，對機油液面增長曲線進行擬合處理.

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

3 機油液位影響因素分析

在循環(huán)試驗中，各循環(huán)機油液位的凈增長值反映機油液位的增長狀況，機油液位升高曲線在個循環(huán)點處導數(shù)反映機油液位增長速度. 因此，選擇這兩個參數(shù)作為機油液位影響因素分析的評價參數(shù).

3.1 噴油方式對機油液位升高的影響

測試車輛在循環(huán)開始時更換了新機油，因此初期循環(huán)機油內汽油蒸發(fā)較少，噴油方式引起的“濕壁”現(xiàn)象是機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)進行分析，研究噴油方式對機油液位升高影響. 兩廠家機油液位升高速度數(shù)據(jù)如圖2所示.

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

結合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)動機機油液位升高量. C廠家整改措施中也對噴射次數(shù)進行了調整，表2為試驗過程中C廠家車輛各次噴射比例. 由表2可知，在實驗循環(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)動機溫升速度對機油液位升高影響

3.2.1發(fā)動機溫度升高速度分析

實驗過程中，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)動機溫升速度的主要因素. 為更好觀察發(fā)動機溫升速度變化，選擇機油溫度和冷卻水溫度達到50 ℃的時間作為評價指標，做出發(fā)動機溫升速度的概率分布曲線，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析.

對數(shù)據(jù)采用shapiro-wilk正態(tài)檢測方法進行正態(tài)分布檢測，檢測結果如表3所示.

表3 Shapiro-wilk正態(tài)分布檢驗結果

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油溫度升高至50 ℃時間，C車整改前后冷卻水溫度升高至50 ℃時間均未通過正態(tài)性檢測，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廠家冷卻水溫度達到50 ℃時間的分布曲線可知，整改前車輛數(shù)據(jù)期望為462 s，標準差為76；整改后車輛數(shù)據(jù)期望為427 s，標準差為46. 對比可發(fā)現(xiàn)，整改后車輛冷卻水溫度達到50 ℃時間提前35 s左右. 整改后數(shù)據(jù)標準差較小，數(shù)據(jù)更加集中，冷卻水升溫時間受環(huán)境溫度影響較小. 由圖3(b)中A廠家機油溫度達到50 ℃時間的分布曲線可知，整改前車輛數(shù)據(jù)期望為817 s，標準差為101；整改后車輛數(shù)據(jù)期望為795 s，標準差為51. 對比可發(fā)現(xiàn)，整改后車輛機油溫度升高時間有了20 s左右的提高，機油升溫時間受環(huán)境溫度等因素影響減小. 同理對B廠家分析可發(fā)現(xiàn)，整改后車輛冷卻水和機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間變化不大，分布曲線均存在雙峰現(xiàn)象. 整改后車輛機油溫升速度有一定的提升.

結合各廠家整改措施可知，A廠家利用溫控閥關閉低溫暖通散熱的措施對提高發(fā)動機溫升速度有一定的效果；整改后車輛發(fā)動機溫升速度和穩(wěn)定性均有提高. B廠家適當提高暖機過程發(fā)動機轉速的措施可有效提高暖機速度，低溫時切斷通向暖通與CVT熱交換器的冷卻水路的措施可降低發(fā)動機溫升速度隨環(huán)境溫度波動；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水管管徑措施對發(fā)動機冷卻水溫升速度改進效果甚微. 不過，其機油溫度升高速度有一定的提升.

3.2.2冷卻水溫升速度對機油液位升高影響

在第15循環(huán)后，實驗循環(huán)中空調開啟策略改變，環(huán)境溫度對冷卻水溫升速度影響增加. 結合發(fā)動機溫度升高速度分析結果，選擇B、C廠家10～19循環(huán)機油液位數(shù)據(jù)驗證冷卻水溫升速度對發(fā)動機機油液位升高的影響. 圖4中數(shù)據(jù)為10～19循環(huán)機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，整改后車輛機油液位已接近平衡，但是在15循環(huán)后，機油液位升高速度再次升高. 由發(fā)動機溫

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，暖機過程增長，暖機過程進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)增長情況. 由此可知，冷卻水溫度升高速度是影響機油液位升高的重要因素.

由圖4中B廠家數(shù)據(jù)可知，B廠家整改前車輛機油液位升高速度有在15循環(huán)后有明顯的增長情況，整改后車輛機油液位增長速度有所下降. 由發(fā)動機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. 由此進一步證明冷卻水溫升速度對發(fā)動機機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油液位升高速度.

3.2.3機油溫度溫升速度對機油液位升高影響

機油溫度溫升速度通過機油內汽油蒸發(fā)量改變影響機油液位變化. 實驗循環(huán)過程中汽油的蒸發(fā)量不僅與機油溫度有關，還與機油內汽油含量相關. 為研究機油溫升速度對機油液位升高的影響，選擇進入曲軸箱內機油量相同的試驗數(shù)據(jù)進行分析. 根據(jù)之前分析，選擇C廠家前14循環(huán)數(shù)據(jù)進行研究. 圖5為前14循環(huán)C廠家車輛機油液位增長速度變化曲線. 因機油液位平衡后仍存在一定的波動，為更好判斷達到平衡時間，以機油液位增長速度小于0.1作為機油液位達到平衡的標志.

由圖5可知，C廠家整改前車輛前15循環(huán)機油液位一直處于較快的增長速度，整改后車輛經過初期循環(huán)的較快增長后，在8～14循環(huán)，機油液位增長接近平衡. 由機油液位變化曲線可知，C廠家整改前后每循環(huán)進入曲軸箱內汽油量相同. 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到機油液位平衡. 在發(fā)動機溫度升高速度分析中發(fā)現(xiàn)，C廠家整改后車輛機油溫升速度有一定的提升. 因此可證明機油溫升速度是影響機油液位變化的重要因素. 各廠家通過相關措施提高機油溫度升高速度可以提高機油內汽油蒸發(fā)量，減小機油液位達到平衡所需時間，改善機油液位異常增高問題.

4 結 論

針對寒冷地區(qū)缸內直噴汽油機車輛出現(xiàn)的機油液面異常增高問題進行了實驗研究. 通過寒區(qū)實車試驗和試驗循環(huán)數(shù)據(jù)分析，研究了機油液位異常升高的影響因素，驗證了各廠家整改措施的有效性. 研究得到的主要結論如下：

① 通過對各廠家機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，整改后車輛機油液位增長值減少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，整改后車輛機油液位增長值減小33%.

② 發(fā)動機噴油方式對發(fā)動機機油液位升高有較大影響. 通過調整噴油策略減少“濕壁”現(xiàn)象可顯著減少機油液位升高. A廠家增加燃油噴射次數(shù)和調整噴油時刻的措施有效減少進入曲軸箱內汽油量，顯著改善發(fā)動機機油液位增高現(xiàn)象.

③ 發(fā)動機溫升速度受環(huán)境溫度影響較大. 通過切斷暖機過程中暖通與CVT散熱器水路可有效提高發(fā)動機溫升速度，減小發(fā)動機溫升速度隨環(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)動機溫度升高速度.

④ 發(fā)動機溫度升高速度對機油液位升高有較大影響. 發(fā)動機溫升速度從冷卻水溫升速度和機油溫升速度兩方面對機油液位變化產生影響. 發(fā)動機冷卻水溫升速度升高可減少每實驗循環(huán)進入曲軸箱內汽油量，降低機油液位升高速度. 發(fā)動機機油溫度升高速度可提高機油內汽油蒸發(fā)量，使機油液位更早達到平衡，降低機油液位升高量.