后喷对柴油机机油稀释的影响

孙振宇，刘加超，胡晓艳，路庆振，于淼淼

1.内燃机可靠性国家重点实验室，山东 潍坊 261061；2.潍柴动力股份有限公司，山东 潍坊 261061

0 引言

颗粒物(particulate matter,PM)是柴油机的主要污染物之一，对人体健康造成巨大危害[1-2]。柴油机颗粒捕集器(diesel particulate filter,DPF)可以有效降低PM排放，但DPF再生是制约其发展的关键因素[3-4]。DPF再生方法分为被动再生和主动再生。被动再生方法是利用贵金属的催化作用降低微粒的起燃温度[5]，进行连续的氧化再生，被动再生存在再生速度慢、再生效率低等缺点；DPF主动再生方法通常采用缸内后喷或排气管喷油的方式增加排气中未燃碳氢化合物的含量，进而使其在柴油机氧化催化器(diesel oxidation catalyst,DOC)内氧化放热，达到DPF再生温度600 ℃，从而实现DPF再生。缸内后喷利用发动机原有的燃油喷射系统，在远离上止点后的时刻喷入燃油，不需要额外的辅助设备[5]；但是，远离上止点喷油时部分燃油会直接撞击气缸，留在缸壁上，并沿缸壁进入油底壳，稀释机油，导致柴油机发生拉缸等故障[6-7]。

利用后喷技术进行DPF再生，同时降低机油稀释率已成为研究的热点。随着仿真技术的发展，三维仿真软件Fire不仅可以模拟缸内的流动、喷雾及燃烧过程[8-9]，还可以模拟后喷对机油稀释的影响。本文中利用Fire软件建立远后喷机油稀释模型，仿真分析不同后喷策略对机油稀释的影响。

1 三维模型建立

仿真机型为小型高速柴油机，其主要技术参数如表1所示。

表1 柴油机主要技术参数

选取行车再生常用工况即发动机转矩为175 N·m、转速为1800 r/min进行计算，计算从进气门关闭时刻开始，到排气冲程下止点后曲轴转角为40°时结束。模型未带气门和气道，不考虑排气过程气流运动对后喷燃油的影响，计算中曲轴转角为720°作为模型的压缩上止点。为了模拟缸套机油油膜，在模型中需要添加Feeder布油网格，模拟活塞环的布油过程，计算网格及Feeder的位置如图1所示。

图1 计算网格

计算采用K-z-f模型模拟缸内湍流，Coherent Flame Model模型模拟燃烧；喷雾模型为离散液滴(discrete droplet model,DDM)模型，采用的子模型包括WAVE破碎模型、多组分蒸发模型和Drag law模型；Wall Film模型模拟柴油油束撞击机油油膜的沉积、破碎过程，以及壁面燃油的蒸发及夹带过程。

2 后喷对机油稀释的影响分析

2.1 后喷次数

保持主喷提前角和喷油量不变，将远后喷由1次喷射调整为2次喷射，每次喷油量为1次喷射的一半，通过计算不同远后喷次数下机油中的燃油量，观察远后喷次数对机油稀释的影响，结果如表2所示。

表2 不同远后喷次数的喷油参数及机油中的燃油量

由表2可知：与1次喷射相比，2次喷射的机油中燃油质量由0.061 mg降低为0.034 mg，降幅为44.3%。

远后喷由1次喷射调整为2次喷射，油束贯穿距离变化如图2所示。由图2可知：2次喷射时的贯穿距离比1次喷射时小。减少油束贯穿距离，可以减弱燃油束对壁面油膜的撞击，降低机油稀释率。

图2 不同远后喷时的油束贯穿距离

2.2 近后喷

在2次远后喷的基础上，增加1次近后喷，近后喷时刻对机油稀释的影响如表3所示。由表3可知：无近后喷时，机油中燃油质量为0.034 mg，在曲轴转角为740°增加1次近后喷，机油中燃油质量下降为0.023 mg；随着近后喷时刻推迟，机油中燃油质量先减小后增加，近后喷开启对应的曲轴转角为760°～780°时，机油中燃油质量较小。

表3 有、无近后喷及1、2次远后喷射的喷油参数及机油中的燃油量

不同近后喷时刻机油中的燃油质量随曲轴转角的变化曲线如图3所示，曲轴转角为860°时缸内温度场如图4所示。

图3 不同近后喷时刻机油中燃油质量变化

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

由图3可知：主喷(曲轴转角为740°以前)结束后，附壁燃油质量为0，主喷并未造成燃油附壁；曲轴转角为820°时，4种不同喷射策略的近后喷都已经结束，近后喷造成缸内燃油附壁；其中，曲轴转角为800°时近后喷策略的附壁燃油质量最大。随着活塞下行，在曲轴转角为860°开启第1次远后喷，附壁燃油质量增加；在曲轴转角为869°开启第2次远后喷，附壁燃油质量继续增加；所有的后喷都结束之后，附壁燃油质量趋于稳定。随着活塞上行，附壁燃油将被活塞环刮入机油中，造成机油中燃油量增加。

由图4可知：近后喷能够提升缸套附近燃烧温度，近后喷时刻越晚，远后喷开启时刻(曲轴转角为860°)缸套附近温度越高。缸套附近温度提升，有利于远后喷燃油的雾化与蒸发，减少机油中燃油量。但近后喷也能直接喷到缸套表面，造成机油稀释，随着近后喷的推迟，缸内温度下降，不利于近后喷燃油的蒸发与雾化，由近后喷造成的机油中燃油量增加。

近后喷次数由1次调整为2次，近后喷次数对机油稀释的影响和缸内温度的影响如表4和图5所示。由表4可知：近后喷次数由1次增加为2次，机油中燃油质量由0.023 mg下降为0.015 mg，下降幅度为35%。

表4 不同近后喷次数下不同远后喷次数的喷油参数及机油中的燃油量

图5 缸内平均温度

由图5可知：增加近后喷次数有利于提高燃烧后期缸内平均温度，曲轴转角为860°时2次近后喷的缸内平均温度比1次近后喷高157 ℃，比没有近后喷高279 ℃，有利于远后喷燃油的雾化及蒸发[10]，因此机油中燃油质量降低。

2.3 喷油压力

喷油压力对机油稀释的影响受喷雾雾化和油束贯穿距离的共同作用。不同喷油压力下近后喷和不同远后喷次数的喷油参数及机油中的燃油量。

由表5可知：喷油压力由52 MPa提高至68 MPa，远后喷燃油雾化起到主导作用，油滴索特平均直径减少[11-13]，燃油快速蒸发，减少了油束与机油膜的撞击量，机油中燃油质量减少，机油稀释得到有效改善；喷油压力继续提高至90 MPa，油束贯穿距离增加起主导作用[14-16]，加剧油束撞击机油膜，因此机油稀释并未随着喷油压力的进一步提高而改善。

表5 不同压力下近后喷和不同远后喷次数的喷油参数及机油中的燃油量

3 结论

1)将1次远后喷调整为2次远后喷能有效降低机油稀释率。

2)在上止点后增加1次近后喷，近后喷时刻推迟，机油中的燃油先减小后增大，在上止点后曲轴转角为40°～60°时增加1次近后喷效果较好；2次近后喷好于1次近后喷，机油中燃油质量下降35%，1次近后喷好于没有近后喷。

3)适当提高喷油压力，有利于降低机油稀释率。