后噴對柴油機機油稀釋的影響

孫振宇，劉加超，胡曉艷，路慶振，于淼淼

1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061

0 引言

顆粒物(particulate matter,PM)是柴油機的主要污染物之一，對人體健康造成巨大危害[1-2]。柴油機顆粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)可以有效降低PM排放，但DPF再生是制約其發展的關鍵因素[3-4]。DPF再生方法分為被動再生和主動再生。被動再生方法是利用貴金屬的催化作用降低微粒的起燃溫度[5]，進行連續的氧化再生，被動再生存在再生速度慢、再生效率低等缺點；DPF主動再生方法通常采用缸內后噴或排氣管噴油的方式增加排氣中未燃碳氫化合物的含量，進而使其在柴油機氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)內氧化放熱，達到DPF再生溫度600 ℃，從而實現DPF再生。缸內后噴利用發動機原有的燃油噴射系統，在遠離上止點后的時刻噴入燃油，不需要額外的輔助設備[5]；但是，遠離上止點噴油時部分燃油會直接撞擊氣缸，留在缸壁上，并沿缸壁進入油底殼，稀釋機油，導致柴油機發生拉缸等故障[6-7]。

利用后噴技術進行DPF再生，同時降低機油稀釋率已成為研究的熱點。隨著仿真技術的發展，三維仿真軟件Fire不僅可以模擬缸內的流動、噴霧及燃燒過程[8-9]，還可以模擬后噴對機油稀釋的影響。本文中利用Fire軟件建立遠后噴機油稀釋模型，仿真分析不同后噴策略對機油稀釋的影響。

1 三維模型建立

仿真機型為小型高速柴油機，其主要技術參數如表1所示。

表1 柴油機主要技術參數

選取行車再生常用工況即發動機轉矩為175 N·m、轉速為1800 r/min進行計算，計算從進氣門關閉時刻開始，到排氣沖程下止點后曲軸轉角為40°時結束。模型未帶氣門和氣道，不考慮排氣過程氣流運動對后噴燃油的影響，計算中曲軸轉角為720°作為模型的壓縮上止點。為了模擬缸套機油油膜，在模型中需要添加Feeder布油網格，模擬活塞環的布油過程，計算網格及Feeder的位置如圖1所示。

圖1 計算網格

計算采用K-z-f模型模擬缸內湍流，Coherent Flame Model模型模擬燃燒；噴霧模型為離散液滴(discrete droplet model,DDM)模型，采用的子模型包括WAVE破碎模型、多組分蒸發模型和Drag law模型；Wall Film模型模擬柴油油束撞擊機油油膜的沉積、破碎過程，以及壁面燃油的蒸發及夾帶過程。

2 后噴對機油稀釋的影響分析

2.1 后噴次數

保持主噴提前角和噴油量不變，將遠后噴由1次噴射調整為2次噴射，每次噴油量為1次噴射的一半，通過計算不同遠后噴次數下機油中的燃油量，觀察遠后噴次數對機油稀釋的影響，結果如表2所示。

表2 不同遠后噴次數的噴油參數及機油中的燃油量

由表2可知：與1次噴射相比，2次噴射的機油中燃油質量由0.061 mg降低為0.034 mg，降幅為44.3%。

遠后噴由1次噴射調整為2次噴射，油束貫穿距離變化如圖2所示。由圖2可知：2次噴射時的貫穿距離比1次噴射時小。減少油束貫穿距離，可以減弱燃油束對壁面油膜的撞擊，降低機油稀釋率。

圖2 不同遠后噴時的油束貫穿距離

2.2 近后噴

在2次遠后噴的基礎上，增加1次近后噴，近后噴時刻對機油稀釋的影響如表3所示。由表3可知：無近后噴時，機油中燃油質量為0.034 mg，在曲軸轉角為740°增加1次近后噴，機油中燃油質量下降為0.023 mg；隨著近后噴時刻推遲，機油中燃油質量先減小后增加，近后噴開啟對應的曲軸轉角為760°～780°時，機油中燃油質量較小。

表3 有、無近后噴及1、2次遠后噴射的噴油參數及機油中的燃油量

不同近后噴時刻機油中的燃油質量隨曲軸轉角的變化曲線如圖3所示，曲軸轉角為860°時缸內溫度場如圖4所示。

圖3 不同近后噴時刻機油中燃油質量變化

a)740°近后噴 b)760°近后噴 c)780°近后噴 d)800°近后噴

由圖3可知：主噴(曲軸轉角為740°以前)結束后，附壁燃油質量為0，主噴并未造成燃油附壁；曲軸轉角為820°時，4種不同噴射策略的近后噴都已經結束，近后噴造成缸內燃油附壁；其中，曲軸轉角為800°時近后噴策略的附壁燃油質量最大。隨著活塞下行，在曲軸轉角為860°開啟第1次遠后噴，附壁燃油質量增加；在曲軸轉角為869°開啟第2次遠后噴，附壁燃油質量繼續增加；所有的后噴都結束之后，附壁燃油質量趨于穩定。隨著活塞上行，附壁燃油將被活塞環刮入機油中，造成機油中燃油量增加。

由圖4可知：近后噴能夠提升缸套附近燃燒溫度，近后噴時刻越晚，遠后噴開啟時刻(曲軸轉角為860°)缸套附近溫度越高。缸套附近溫度提升，有利于遠后噴燃油的霧化與蒸發，減少機油中燃油量。但近后噴也能直接噴到缸套表面，造成機油稀釋，隨著近后噴的推遲，缸內溫度下降，不利于近后噴燃油的蒸發與霧化，由近后噴造成的機油中燃油量增加。

近后噴次數由1次調整為2次，近后噴次數對機油稀釋的影響和缸內溫度的影響如表4和圖5所示。由表4可知：近后噴次數由1次增加為2次，機油中燃油質量由0.023 mg下降為0.015 mg，下降幅度為35%。

表4 不同近后噴次數下不同遠后噴次數的噴油參數及機油中的燃油量

圖5 缸內平均溫度

由圖5可知：增加近后噴次數有利于提高燃燒后期缸內平均溫度，曲軸轉角為860°時2次近后噴的缸內平均溫度比1次近后噴高157 ℃，比沒有近后噴高279 ℃，有利于遠后噴燃油的霧化及蒸發[10]，因此機油中燃油質量降低。

2.3 噴油壓力

噴油壓力對機油稀釋的影響受噴霧霧化和油束貫穿距離的共同作用。不同噴油壓力下近后噴和不同遠后噴次數的噴油參數及機油中的燃油量。

由表5可知：噴油壓力由52 MPa提高至68 MPa，遠后噴燃油霧化起到主導作用，油滴索特平均直徑減少[11-13]，燃油快速蒸發，減少了油束與機油膜的撞擊量，機油中燃油質量減少，機油稀釋得到有效改善；噴油壓力繼續提高至90 MPa，油束貫穿距離增加起主導作用[14-16]，加劇油束撞擊機油膜，因此機油稀釋并未隨著噴油壓力的進一步提高而改善。

表5 不同壓力下近后噴和不同遠后噴次數的噴油參數及機油中的燃油量

3 結論

1)將1次遠后噴調整為2次遠后噴能有效降低機油稀釋率。

2)在上止點后增加1次近后噴，近后噴時刻推遲，機油中的燃油先減小后增大，在上止點后曲軸轉角為40°～60°時增加1次近后噴效果較好；2次近后噴好于1次近后噴，機油中燃油質量下降35%，1次近后噴好于沒有近后噴。

3)適當提高噴油壓力，有利于降低機油稀釋率。