柴油机曲轴箱内机油－空气相互作用机理的研究

当前柴油机曲轴箱内机油行为成为国际上新研究前沿，涉及液体的机械击溅破裂（完全不同于已深入研究的压力破碎和气动破碎），充气，泡沫化，两相流等复杂的物理过程。本项目建立可视化曲轴箱综合试验台，研究不同驱动力（曲轴对机油的击溅作用，机油喷嘴的喷溅作用，连杆大头勺形片对机油的舀起飞溅作用）下的机油破碎机理；重力、离心力、空气阻力或气流裹挟综合作用下破碎机油运动轨迹；机油油滴（包括单个油滴和油滴群）和油底壳机油面的相互作用； 油底壳机油面波动；机油泡沫化产生和消失；具有2个动边界、3维复合空气运动；导流盘的作用；曲轴箱气溶胶粒径分布；运转参数和控制参数对机油－空气相互作用的影响规律。该研究有助于曲轴箱、油气分离器、润滑系统的设计改进和控制柴油机非燃烧排放；有助于机油泡沫抑制剂选用，抑制机油充气和泡沫化，减缓机油老化, 保障摩擦表面供油充足、曲轴箱及整机安全，使柴油机高效清洁可靠运行。

随排放标准的加严，内燃机排气管排放物明显降低，曲轴箱排放相应地占总排放的比例日趋上升。本文采用试验结合数值模拟的方法研究电控共轨柴油机曲轴箱内机油-空气相互作用，气体/颗粒排放及其形成。.采用CFD数值模拟了柴油机不同工况下的曲轴箱气体运动，分析了其压力、速度、迹线和湍动能等的分布及变化。结果表明：不同转速下每个曲轴转角时的压力分布、迹线分布和湍动能分布近似一致；随转速提高，曲轴箱内压力波动变大，最大速度和最大湍动能随转速成倍增加。.建立了曲轴箱可视化试验台，采用高速摄影技术研究曲轴箱内机油破碎现象及柴油机转速的影响。研究表明：随转速提高，机油弧条数增加；机油弧长随时间呈现正比例上升，油弧扫略面积随时间先缓增后急增；机油弧圆心基本在一条与X轴成45°角的直线上，随转速增加，机油弧圆心分布逐渐分散，背离曲轴旋转轴心的倾向增加，机油运动的循环变动也变大；随时间发展，机油质点集平均速度波动变大，分离趋向明显，高转速下，机油弧逐渐变成机油滴。.采用树状自适应网格和实时追踪两相界面的VOF方法数值模拟了机油-气体相互作用，并温度补偿式体积法试验研究机油充气率。发现：机油滴在下落过程中被压缩成近椭圆形；机油滴撞击机油面会出现三种现象：机油滴机油面融合、融合飞溅过渡和机油滴飞溅；带有温度补偿的评价方法非常有必要；机油瞬时机油充气率和机油温度随时间迅速降低并接近于零和环境温度；机油充气率对油气混合物影响机油破碎过程的参数有一定影响。.建立电控共轨柴油机燃烧和性能试验台，研究了柴油机曲轴箱颗粒的数量/质量排放、挥发和氧化特性及多环芳烃排放。结果表明：曲轴箱粒径分布在小负荷下呈单峰，大负荷下双峰，且负荷增大降低了核模态颗粒数量，增加了积聚态颗粒数量；颗粒数量随转速提高而降低；随喷油推迟，核模态颗粒数量降低而积聚态颗粒先降后升；曲轴箱颗粒样品中挥发性有机物占比超过95%，且随转速和负荷几乎不变；曲轴箱和排气管颗粒中PAHs比排放率均随负荷减小，其中，3环和4环芳烃所占比例最大；曲轴箱与排气管颗粒排放的当量毒性相当。