发动机机油结冰问题分析与改进

田身军，张欣林，李加旺，项大伟，李德银，姜维

芜湖埃科泰克动力总成有限公司研发中心，安徽 芜湖 241009

0 引言

直喷增压发动机容易出现机油增多的问题，严重时机油液位超出机油标尺上限，部分机油进入燃烧室参与燃烧，导致烧机油现象。烧机油会引起三效催化转化器失效、加速车辆氧传感器损坏、燃烧室积碳增加、发动机怠速不稳、加速无力、油耗升高、尾气排放超标等不良影响[1-2]。机油增多的主要原因有2种：1)燃油从活塞环与缸孔的间隙中窜出流入机油中，稀释机油造成机油液面增高、机油变质、润滑能力下降、油耗增加、排放不合格等问题[3-4]；2)燃油燃烧后产生CO2、H2O、CO等排放物，大部分经过尾气后处理系统排入大气，少量废气通过气缸壁与活塞之间的间隙进入曲轴箱，通过曲轴箱强制通风装置返回发动机，在发动机低压油腔区域的冷壁面发生液化或凝华，沿壁面流入油底壳，造成机油含水量增加，引起机油液面升高、机油乳化、机油润滑性能下降，影响摩擦副之间的润滑，降低发动机使用寿命。

在极寒地区，如果发动机经常在起动后水温未高于0 ℃时停车熄火，可引起机油含水量快速增加，油底壳内容易形成冰沙和冰块堵塞机油集滤器，导致机油压力消失，影响发动机润滑，造成发动机损坏。很多研究深入阐述了燃油稀释造成的机油增多问题[5-7]，而关于机油含水量增加造成机油增多的研究较少。本文中模拟冬季路试循环工况，对不同车辆的机油含水量、油温升高速度、水温升高速度进行分析，从主动、被动2个方面提出有效改进措施，降低机油含水量，减少机油结冰现象。

1 问题描述

在市场上选取4台采用涡轮增压、缸内燃油直喷技术，排量均为1.5 L发动机的车辆，记为车辆A、B、C、D，在漠河地区进行冬季路试循环工况测试，测量发动机低温短里程特殊工况下机油中水的质量分数。冬季路试循环工况指环境温度为-25 ℃、车速稳定在25 km/h，连续行驶2 km后停机2 h，重复完成20个循环。路试循环工况结束后采集机油样品进行理化分析，发现4台车辆机油中水的质量分数都有所升高，机油中水的质量分数分别为1.2%、2.0%、0.3%、3.6%。可知低温环境下，4台车辆中，车辆D机油中水的质量分数最大，更容易发生机油结冰，故本文中以车辆D为研究对象进行试验和分析。

2 试验方案及改进措施

2.1 试验方案

在恒定低温的发动机台架实验室，控制车辆D的发动机转速，模拟冬季路试循环工况，测量机油压力。试验过程中，当模拟冬季路试循环工况进行到第18个循环时，车辆D机油压力从开始的600 kPa降为0；拆开油底壳，发现油底壳机油已经乳化成冰砂状态，并伴有冰块；对机油进行理化分析，此时机油中水的质量分数为3.8%。分析原因，主要是机油中水的质量分数较大，低温环境下结冰后堵塞机油集滤器，机油泵无法抽油，机油压力消失。

2.2 改进措施

针对以上原因，从主动和被动2方面，提出改进措施。主动改进措施指改进发动机结构和设计，以减少曲轴箱内水的产生，降低机油中水的质量分数，本文中主要从改进曲轴箱强制通风装置、提高冷却系统效果和优化零部件设计3个方面改进；被动改进措施指在机油中水分客观存在的情况下，对量产后的发动机进行优化改进，避免或延缓发动机机油结冰，本文中主要从优化机油集滤器结构和改善客户用车习惯2个方面改进。

2.2.1 主动改进措施

根据有、无补气通道及小负荷油气分离装置的进气口在曲轴箱上的位置，曲轴箱强制通风装置分为无呼吸、浅呼吸、深呼吸3种[8]，3种曲轴箱强制通风装置示意如图1所示。

a)无呼吸 b) 浅呼吸 c) 深呼吸图1 3种曲轴箱强制通风装置示意图

由图1a)可知，无呼吸曲轴箱强制通风装置无补气通道，新鲜空气无法与曲轴箱气体进行稀释和交换；由图1b)可知，浅呼吸曲轴箱强制通风装置中发动机大、小负荷油气分离装置的进气口和补气通道都在气门室罩盖内，新鲜空气和气门室罩盖内的曲轴箱气体在气门室罩盖内部稀释和交换，对曲轴箱内的废气稀释有一定的改善效果；由图1c)可知，深呼吸曲轴箱强制通风装置大负荷油气分离装置进气口和补气通道布置在气门室罩盖上，中小负荷油气分离装置的进气口布置在曲轴箱缸体上，以最短的路径排出曲轴箱废气，并将新鲜空气与从活塞下部窜出的曲轴箱废气进行充分的稀释和交换，减少了曲轴箱内废气液化。

对车辆D的发动机分别装配以上3种曲轴箱强制通风装置，模拟冬季路试循环工况试验，试验结束后，测量无呼吸、浅呼吸、深呼吸3种曲轴箱强制通风装置发动机机油中水的质量分数分别为6.2%、5.2%、3.6%，装配深呼吸曲轴箱强制通风装置，机油中水的质量分数最低，为最佳曲轴箱强制通风装置设计方案。

冬季路试循环工况试验中，车辆A、B、C、D的发动机水温和油温升温速度如图2所示。由图2可知，车辆D油温上升最慢，车辆C水温和油温升温速度较快。结合车辆C、D机油中水的质量分数分别为0.3%和3.6%，分析车辆C、D冷却系统结构，发现车辆C在暖风回路中加装了温控阀，并采用集成排气歧管(integrated exhaust manifold，IEM)缸盖技术。温控阀可使发动机在冷机状态下以最快速度升温，相对于普通缸盖，IEM缸盖可使发动机出水温度达到工作水温80 ℃的时间提前8 min，实现快速暖机[9]。设计冷却系统时可采用暖风回路中加装温控阀、IEM缸盖技术进行优化。

图2 车辆发动机水温、油温升温试验结果

曲轴箱废气与发动机低压油腔壁面接触发生液化或凝华，是机油中水的质量分数增加的主要原因。减小低压油腔壁面表面积，可有效降低机油中水的质量分数[10]。以气门室罩盖为例，将气门室罩盖内腔的加强筋移到气门室罩盖外表面，优化前、后气门室罩盖结构如图3所示。曲轴箱废气与内腔表面接触面积可减少20%，试验对比发现，机油中水的质量分数对于优化前可降低大约10%。

a)内部 b) 外部图3 气门室罩盖结构优化

2.2.2 被动改进措施

为提高网孔面积和筛分面积百分率，优化机油集滤器结构[11]，将机油集滤器滤网面积由2000 mm2增大至2500 mm2，滤网圆孔的直径由0.6 mm增大为0.8 mm。模拟冬季路试循环工况试验，在相同的试验条件下，失去机油压力时，优化后车辆比优化前可多完成7个循环，说明优化机油集滤器可有效延缓发生机油结冰的时间。

车辆D在1次车速大于60 km/h,连续行驶30 min的市郊行驶工况后，机油中水的质量分数降低为1.18%，主要原因是发动机充分热机后可将机油中的水分蒸发，水蒸气通过曲轴箱强制通风装置返回发动机，发动机低压油腔区域温度升高，避免水蒸气发生液化或凝华，降低机油中水的质量分数，减少结冰现象发生。建议反复低温短里程工况行驶的车辆，每周增加1次市郊或车速大于120 km/h，连续行驶30 min的高速工况行驶。

3 结语

针对增压直喷汽油机冬季严寒地区运行时油底壳结冰故障，进行试验方案设计，为降低机油中水的质量分数提出改进措施。

1)采用深呼吸的曲轴箱强制通风装置使废气与新鲜空气充分交换；暖风回路中加装温控阀及IEM缸盖技术可提高发动机冷机升温速度，实现发动机快速暖机；采用减少曲轴箱表面积的结构设计，以上措施有效减少废气发生液化，降低机油中水的质量分数。

2)增大机油集滤器滤网面积及圆孔直径可延缓发生机油结冰的时间；定期增加市郊或高速工况行驶，可使水分蒸发，排出发动机体，降低机油中水的质量分数。。