迷宮式油氣分離器運行參數對分離性能影響的試驗研究

余俊波，莫春蘭，吳胡勝，汪章潔

（廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧530004）

油氣分離器是曲軸箱通風系統的重要部分[1]，其性能直接關系到發動機的污染物排放水平。為衡量迷宮式油氣分離器的分離性能，本文研究運行參數（竄氣量）對油氣分離性能的影響，進行了氣體機油氣分離器性能臺架試驗。

1 迷宮式油氣分離器結構

迷宮式分離器外部結構如圖1所示，主要由缸蓋罩箱體、進出氣口、入口擋板、粗濾和精濾蓋板、回油槽、粗濾和精濾回油管組成。粗精濾蓋板與回油槽為一體結構，用于收集分離的機油，其結構如圖2所示。曲軸箱竄氣從迷宮入口進入，入口擋板與進氣入口平面呈一定角度，可初步阻攔部分從搖臂、彈簧等處飛濺起來的大顆粒油滴。

圖1 油氣分離器外部結構

圖2 粗濾和精濾蓋板及回油槽的結構

圖3 為油氣分離器箱體的內部結構。箱體內不同側面設置有多道擋板，插入孔板與擋板相配合形成迷宮式結構。當曲軸箱竄氣從進氣口進入油氣分離器后，在內部擋板的引導下，呈蛇形曲線流動。通過孔板處氣流加速和擋板的阻攔，使得部分油滴撞擊到擋板上，從而實現油滴與氣體的分離。通過兩個粗濾孔板、1個精濾孔板與擋板的多次作用，多數大顆粒和部分小顆粒油滴即可與氣體實現分離。分離出的機油回流并聚集在粗濾和精濾蓋板上，在重力作用下沿回油槽斜面向回油管流動。回油管設計成U型，機油進入U型管道形成油封，可以防止曲軸箱氣體從回油孔流出，保證油氣分離器的密封性。分離器頂部布置溫度和壓力傳感器，分別監測油氣分離器內部不同位置（迷宮入口、粗濾板后、精濾板后）的溫度和壓力，位置如圖2所示。

圖3 油氣分離器內部結構

2 試驗方案

2.1 試驗臺架

試驗采用一臺六缸直列式壓縮天然氣發動機，缸徑120 mm，壓縮比為11，標定功率250 kW.采用閉式油氣分離通風系統進行試驗研究。閉式油氣分離通風系統實驗臺架如圖4所示。閉式通風系統的迷宮式油氣分離裝置的出氣口處接上油氣收集工裝后，還需將收集工裝的出口與膜式燃氣表進氣口相接，膜式燃氣表的出氣口接入壓力控制閥（PCV），再接到空氣濾清器后方的進氣管。PCV的作用是阻止發動機的回火，即避免引起曲軸箱爆炸[2]。PCV通過曲軸箱與進氣管之間的壓力差來調節竄氣流量，使曲軸箱壓力穩定在一個合適的范圍內。一般情況下，曲軸箱壓力必須保證在-2.5～1 kPa[3]。

圖4 試驗臺架示意圖

曲軸箱中的竄氣流經迷宮式油氣分離器，一部分竄氣中的機油液滴被分離器分離并由收集裝置2所收集，這部分機油的量稱為回油量。未被分離出來的機油液滴則被收集裝置1所收集，此部分機油的量稱為竄油量。收集裝置由外殼與濾芯組成，有入口與出口兩端，竄氣經工裝流過時，未被分離的機油便由濾芯吸收。分別測量油氣收集裝置1、2試驗前后的質量變化，即可得出竄油量、回油量。油氣分離效率即為回油量與總油量的比值，其中總油量為回油量與竄油量之和。

2.2 試驗方法

選擇全負荷、標定轉速（2 100 r/min）的運行工況研究竄氣量對油氣分離器性能的影響。為了實現不同的竄氣量，采用不同的活塞環，通過活塞環間隙的變化間接調節活塞竄氣量的大小。首先，采用活塞漏氣量儀AVL442測量發動機在此工況下的曲軸箱竄氣量，然后使用油氣收集裝置測量竄氣量不同時的回油量、竄油量，計算得到不同竄氣量下的油氣分離效率。試驗過程中，每隔10 min進行一次測量，共進行6次，最終測量值采用加權平均計算得到。溫度、壓力的分布則通過布置在油氣分離器上的溫度、壓力傳感器測量得到。

3 試驗結果與分析

3.1 竄氣量對溫度的影響

溫度是油氣分離器分離性能實驗中監測的重要指標之一。如果油氣分離器內部的溫度過低，水蒸氣容易凝結成液滴通過回油管回流到油底殼中，造成機油乳化變質，造成零部件之間磨損加劇，使用壽命降低。因此，控制好油氣分離器內部的溫度高于水蒸氣冷凝溫度很有必要。

由圖5可知，在不同的竄氣量條件下，迷宮式油氣分離器內部的溫度變化趨勢基本一致。總體上看，從迷宮入口到精濾孔板后呈下降趨勢，只是在經過粗濾孔板1后略有上升，只有1℃左右。其中，溫度降幅最大發生在粗濾孔板2之間，降幅達到了3～4℃左右。隨著竄氣量的增大，油氣分離器內部的溫度也越高：竄氣量為180 L/min時，粗濾孔板1、2后以及精濾孔板后的溫度都是最高的。原因在于隨著竄氣量的增大，隨氣體進入油氣分離器內部的熱量也越多，因而溫度也越高。

圖5 竄氣量對油氣分離器內部溫度的影響

3.2 竄氣量對壓力的影響

油氣分離器內部的壓力分布情況也是監測的重要指標，通常用壓力損失來衡量。如果油氣分離器內的壓力損失過大，說明氣流在流經迷宮時受到的阻力過大，曲軸箱內壓力可能超過許用壓力。同時，壓力損失也從側面衡量了氣流動能損失的程度。壓力損失過大，氣流動能損失過多，通過過濾孔板時速度太低，對分離效率顯然是不利的。此外，壓力損失過大，氣流流出分離器后無法有效地被壓力控制閥（PCV）吸入進氣管[4]。因此，應保證分離效率的同時盡可能減小壓力損失。

圖6、7為不同竄氣量下的油氣分離器內部的壓力變化和壓力損失情況。壓力損失為測量點處壓力與迷宮入口處的壓力之差。從圖中可知，粗濾孔板1、2前后壓力損失不大。當氣流流經粗濾孔板1后，竄氣量為180 L/min時無損失，100 L/min、120 L/min時也只損失了0.1～0.2 kPa；當氣流流經粗濾孔板2后，竄氣量為100 L/min、120 L/min時無損失，180 L/min時只損失了0.1 kPa.壓力損失較大的地方是在精濾孔板處：三種竄氣量下，壓力都發生了不同程度的下降。隨著竄氣流量的增大，壓力損失也隨之增大。180 L/min時，壓力損失達到了1 kPa.原因在于精濾孔板處孔徑較小，孔數也較少，總的流通面積較小，氣流流速較快，與孔壁的摩擦阻力增大，能量損耗增加，壓力損失也較大。從中可以看出，提高分離效率與降低壓力損失之間是矛盾的關系：經過通孔氣流的流速增加，使得液滴被擋板攔截的概率增加，一般會使分離效率提高；但同時又會使節流作用增強，增加與通孔的摩擦阻力，造成壓力損失增大。所以，如何尋求最優的結構組合，使得兩目標都達到可以接受的范圍，還需要進一步的研究。

圖6 竄氣量對油氣分離器壓力分布的影響

圖7 竄氣量對壓力損失的影響

3.3 竄氣量對分離效率的影響

分離效率是油氣分離器結構設計的關鍵目標，也是衡量油氣分離器性能最重要的指標。分離效率越高，經過油氣分離器分離后的竄氣中機油液滴越少，進入燃燒室參與燃燒的機油液滴則越少，排放性能改善。

圖7為不同竄氣量下竄油量、回油量及其所占百分比的變化。從圖中可以看出，隨著竄氣量的增大，竄油量和回油量均增加，且增加的幅度隨竄氣量的增大而明顯提升：竄氣量從100 L/min增加到120 L/min時，回油量只增加了3.7 g；從120 L/min增加到180 L/min時，回油量就增加了13.4 g，約為之前的3倍多。盡管竄油量也有所增加，但回油量的增加量明顯大于竄油量的增加量，使得回油量占總油量的比例上升更快。回油量占總油量的比例越高，則說明被竄氣中被分離出的機油液滴越多，分離效率也越高。圖9反映了比例變化的結果：隨著竄氣量的增大，分離效率不斷升高。當竄氣量從100 L/min增加到180 L/min時，分離效率提升了6.9%.

圖8 竄氣量對竄油量、回油量及其比重的影響

圖9 竄氣量對分離效率的影響

4 結論

（1）在不同的竄氣量條件下，迷宮式油氣分離器內部的溫度變化趨勢基本一致。隨著竄氣量的增大，油氣分離器內部的溫度越高，這與竄氣攜帶進入油氣分離器的熱量增加有關。總體上看，溫度從迷宮入口到精濾孔板后呈下降趨勢，粗濾孔板后略有上升1℃左右。溫度降幅最大發生在粗濾孔板2前后，3～4℃左右。

（2）不同的竄氣量條件下，粗濾孔板1、2前后壓力損失不大。壓力損失較大的地方是在精濾孔板處：三種竄氣量下，壓力都發生了不同程度的下降。隨著竄氣流量的增大，壓力損失也隨之增大。180 L/min時，壓力損失達到了1 kPa.

（3）隨著竄氣量的增大，竄油量和回油量均增加，且增加的幅度隨竄氣量的增大而明顯提升。回油量的增加量明顯大于竄油量的增加量，使得回油量占總油量的比例上升更快，因此分離效率隨竄氣量的增大而增大。當竄氣量從100 L/min增加到180 L/min時，分離效率提升了6.9%.