高強化柴油機迷宮式油氣分離器結構影響研究

蘇鑫朋,景國璽,孫秀秀,于會超,趙偉程,文洋

(1.河北工業大學機械工程學院,天津 300400;2.天津市新能源汽車動力傳動與安全技術重點實驗室,天津 300400;3.河北華北柴油機有限責任公司,河北 石家莊 050081;4.中國北方發動機研究所(天津),天津 300406)

2019年實施的《重型柴油車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)》對曲軸箱通風系統做出了更加嚴格的要求,開式曲軸箱通風系統污染物評價方法規定,要將曲軸箱排放與尾氣排放一起進行測試,曲軸箱通風系統面臨巨大的挑戰。

發動機運轉時,竄氣會從活塞環與氣缸壁間隙流入曲軸箱,竄氣主要由0.1～10 μm的油氣混合顆粒、灰塵和氣體等組成。活塞噴油冷卻、曲軸攪動機油等均會產生油氣混合顆粒。如果不能將竄氣及時排出,曲軸箱內的壓力會異常升高,進而影響發動機排放、機油消耗,甚至引起管路斷裂和冒機油現象[1-2]。開式曲軸箱通風系統的作用是將竄氣過濾,并將符合排放要求的氣體排入大氣中,而油氣分離器就是曲軸箱通風系統中過濾竄氣的關鍵部件,竄氣經過油氣分離器后,竄氣中的機油被分離出來返回油底殼中,相對干凈的氣體會從油氣分離器中排出。

常見的被動式油氣分離器主要有三種:第一種是依靠混合氣中空氣和油滴慣性不同進行撞擊分離的迷宮式(碰撞式)油氣分離器;第二種是依靠離心力將油滴從混合氣中分離出來的旋風式油氣分離器;第三種是依靠纖維、多孔介質等材料進行油氣分離的過濾式油氣分離器[3]。其中迷宮式油氣分離器具有壓力損失小、可靠性高、成本低的特點,適用于絕大多數柴油機的預分離,特別是在大功率、高竄氣量柴油機上,其壓力損失小的特點更能滿足發動機的預分離需求,預分離后的混合氣中通常僅含小粒徑油滴,而小粒徑油滴的分離則依靠精濾組件來完成。

針對迷宮式油氣分離器的結構,許多學者開展過相關研究。廣西大學的陸永卷等[4]對某迷宮式油氣分離器在不同竄氣量、不同溫度及不同出口背壓條件下各項結構參數對分離效率和壓力損失的影響進行了研究。楊德定等[5]通過仿真的方法對某氣缸罩迷宮式油氣分離器結構進行了優化,通過改變結構優化氣體運動路徑,提高了其在40 L/min竄氣量下的分離效率。北汽研究院的程霖等[6]針對某發動機缸體上的迷宮式油氣分離器在25 L/min竄氣量條件下進行了研究,通過整機試驗的方法,發現合理改變精濾和粗濾孔數量可以提升油氣分離器性能。Gerd Kissner等[7]研究了碰撞式油氣分離器中混合氣進氣流量與操作壓力對油氣分離器性能的影響。Murat Gokten和Goktan Kurnaz等[8]研究了某氣缸罩撞擊式油氣分離器結構,確定了其內部油霧濃度,并確定了在此濃度下油氣分離器最優結構。關于迷宮式油氣分離器結構的研究,絕大多數研究是針對中低竄氣量(<100 L/min)發動機開展的,在低竄氣量下混合氣的速度相對較慢,而在高竄氣量下,進氣速度變快時,針對迷宮式油氣分離器結構對性能產生何種影響以及影響程度的研究則相對匱乏。

本研究以某大功率柴油機迷宮式油氣分離器為對象,采用CFD仿真與整機試驗相結合的方法,對迷宮式油氣分離器三項主要結構參數對分離效率和壓力損失的影響進行研究,確定了主要影響因素及影響規律,研究結果對迷宮式油氣分離器優化設計具有一定的指導意義。

1 油氣分離器結構

本研究中的油氣分離器的結構見圖1,該油氣分離器主要由進氣口、出氣口、儲油槽、回油口和過濾孔板組成,該油氣分離器設置有3塊過濾孔板。在傳統的迷宮式油氣分離器中,分離單元一般為一塊孔板后設置一塊擋板[9-11],這種結構的迷宮式油氣分離器一般具有較大的空間尺寸。本研究的油氣分離器分離單元為3塊多孔板,通過在縱向方向上將3塊孔板上的孔交錯布置,使后一塊孔板的壁面充當了傳統迷宮分離器分離單元中擋板的作用,在縮減油氣分離器尺寸、減小制作成本的同時還能夠延長混合氣運動路徑和時間,增大混合氣撞擊壁面的概率。根據油氣分離器模型加工樣件,油氣分離器結構剖視圖見圖2,油氣分離器實物樣件見圖3。

圖2 油氣分離器結構剖視圖 圖3 油氣分離器實物樣件

2 油氣分離器仿真分析

2.1 仿真模型及網格

使用star-ccm+對油氣分離器進行仿真分析,仿真使用的是兩相流模型,第一相為連續相空氣,第二相為離散相油滴,連續相使用RNGk-ε湍流模型,離散相使用Lagrange模型,壁面條件選擇satoh模型[12]。油氣分離器所搭載的柴油機功率較大,根據實測發動機活塞竄氣量數據,設置入口竄氣量為150 L/min,出口壓力為101 kPa。油氣分離器入口流入的油滴可以視為材料顆粒,試驗測得的機油溫度為89 ℃,此溫度下油滴顆粒的密度為880 kg/m3。

對油氣分離器一些無關特征進行簡化,對過濾孔處以及其他尺寸較小的地方進行網格加密處理,采用多面體網格對油氣分離器進行網格劃分,網格基準尺寸為2 mm,壁面邊界層為4層。網格數量為57萬左右,不同結構油氣分離器網格數量大體相近,油氣分離器網格模型如圖4所示。多孔板處網格加密尺寸為0.5 mm,如圖4中放大部分所示。

圖4 油氣分離器網格

2.2 油氣分離器方案設計

影響迷宮式油氣分離器性能的結構參數主要有孔板間距、孔板過濾孔孔徑、孔板過濾孔數量,其中孔板間距主要由油氣分離器縱向尺寸決定,一般來說多孔板間間距在4～10 mm之間較為適宜[13-14],而過濾孔數量的改變會影響過濾孔排布方式,孔板上過濾孔的數量與過濾孔孔徑大小共同決定了一塊過濾孔板的流動面積。過濾孔板的流通面積與過濾孔板總面積之比稱為開孔率(ε),定義為

(1)

式中:Sh為過濾孔板總開孔面積;Sp為過濾孔板截面積。

為確保油氣混合氣進入油氣分離器后能充分撞擊壁面,同時不產生較大壓力損失,孔板開孔率需要合理設置,根據都躍良的研究[15]可以知道多孔板的阻力系數與開孔率存在如下關系:

(2)

式中:ξ為多孔板阻力系數;ε為多孔板開孔率。

根據阻力關系式,結合油氣分離器搭載發動機功率大、活塞竄氣量大的特點,允許油氣分離器壓力損失范圍大,本次油氣分離器阻力系數在100～300即可,因此可確定多孔板開孔率的范圍在5%～10%較為適宜。以此為基礎,根據本次油氣分離器竄氣量較大的特點,需要在各孔板上開較多數量的過濾孔,同時要保證竄氣在穿過孔板時速度既不小于撞壁分離臨界速度,又不帶來過大的壓力損失,因此孔徑要適宜。結合具體尺寸對過濾孔板上過濾孔數量和過濾孔孔徑進行了設計,具體仿真方案見表1:方案1、2、3用以研究孔徑對油氣分離器性能的影響;方案2、4、5用以研究孔板間距對油氣分離器性能的影響;方案2、6、7用以研究孔板孔數對油氣分離器性能的影響。

表1 油氣分離器仿真方案

2.3 油氣分離器仿真結果

通過對7種方案進行仿真分析,得到了不同油氣分離器結構的壓力損失和分離效率。壓力損失結果見圖5,從圖5可以看出,方案3的壓力損失最大,為555.8 Pa,而方案1的壓力損失最小,為438.1 Pa,兩者相差117.7 Pa,說明改變油氣分離器結構對壓力損失影響較大。對比方案1、2、3可以發現,過濾孔孔徑對油氣分離器壓力損失影響程度最大;對比方案2、4、5可以發現孔板間距對壓力損失的影響程度很小;對比方案2、6、7可以發現,孔板孔數對壓力損失影響程度一般。分離效率結果如圖6所示,不同方案的油氣分離器分離效率呈現明顯差異,方案3的分離效率最高,為73.5%,而方案7的分離效率最低,為47.1%,兩者相差26.4%,可見油氣分離器結構與分離效率之間存在較強關聯。對比方案1、2、3可以發現,方案2與方案3相差很小,而方案1則遠小于2、3;對比方案2、4、5可以發現,孔板間距對分離效率影響顯著,3種方案間分離效率變化規律明顯;對比方案2、6、7可以發現,方案6略小于方案2,而方案7則遠遠低于方案2,說明孔板孔數對分離效率同樣影響較大。

圖5 油氣分離器各方案壓力損失

圖6 油氣分離器各方案分離效率

不同方案間壓力損失與分離效率存在差異,究其原因,由于孔板結構參數的改變,竄氣在油氣分離器中的速度會不同,同時移動路徑也會不同,因此不同方案間壓力損失存在差異。而速度的不同和路徑的不同又會使得竄氣撞擊壁面的概率不同,從而影響分離效率。從圖中可以發現,油氣分離器壓力損失與分離效率基本呈現正相關關系,即壓力損失越大分離效率也越高,這是因為混合氣在迷宮中繞行穿過過濾孔時,氣體的壓力會轉換為動能,使混合氣加速撞擊壁面,進而提升分離效率。在油氣分離器的設計與優化過程中,應盡可能在保持更高分離效率的情況下降低壓力損失值,迷宮式油氣分離器作為預分離(粗分離)的主要部件,需要確保一定的分離效率,因此在油氣分離器評估設計時優先考慮分離效率,在分離效率相差不大的情況下,則考慮壓力損失情況。

2.4 過濾孔板孔徑影響研究

通過對比圖5和圖6中方案1、方案2和方案3的區別,可以看到隨著孔板孔徑的減小油氣分離器的壓力損失在逐漸增大,孔徑從6 mm減小到5 mm,壓力損失僅增加了28.8 Pa,而孔徑從5 mm減小到4 mm時,壓力損失增加了88.9 Pa。從分離效率的角度來看,孔徑從6 mm減小到5 mm后,分離效率提升了14.7%,而孔徑從5 mm減小到4 mm,分離效率僅提升了1%。圖7示出方案1、方案2、方案3的速度云圖。從圖7可以看到,方案1中混合氣穿過孔板時的速度要小于方案2和方案3,而方案2的速度小于方案3。在satoh壁面模型中,油滴能否被分離取決于撞壁時油滴與壁面截面的法向速度[16],由于方案1中混合氣撞擊下一塊孔板時的速度未達到使油滴能夠分離的最低速度,而方案2和方案3中均達到了此速度,因此方案1的分離效率要明顯小于方案2和方案3,而方案2和方案3則非常接近。同時由于混合氣穿過過濾孔時氣體壓力會轉化為動能,因此過濾孔越小,所產生的動能越大,壓力損失也越大,所以隨著孔徑的減小,壓力損失不斷增加。

圖7 不同孔徑方案速度云圖

2.5 過濾孔板間距影響研究

將方案2、方案4、方案5進行對比可以發現,3個方案的壓力損失非常接近,這主要是由于在迷宮式油氣分離器中,壓力損失的主要來源是混合氣穿過過濾孔板時壓力轉換為動能,而在迷宮中流動所產生的沿程壓力損失是非常小的,因此在過濾孔孔徑相同的前提下,過濾孔板間距的小幅增加或減少并不會使壓力損失產生較大波動。從分離效率的角度來看,方案2的分離效率為72.5%,大于方案4的60.6%和方案5的54.2%,可以看到隨著孔板間距的增加分離效率在不斷降低。圖8示出方案2、方案4、方案5的速度云圖,隨著孔板間距的增加,混合氣在穿過孔板后的運動距離增加,當混合氣在迷宮中繞行時,由于油滴粒子質量更大,慣性也更大,更不容易轉向,因此會撞擊壁面被分離,而孔板間距的增加給了油滴粒子更多的轉向時間與距離,因此更容易跟隨氣體運動,所以分離效率會降低?？偨Y來說,在孔板間距5～10 mm的范圍內,縮小孔板間距能夠提升分離效率。

圖8 不同孔板間距方案速度云圖

2.6 過濾孔板孔數影響研究

方案2中3塊孔板平均開孔數為37個,開孔率為6%左右;方案6中3塊孔板平均開孔數為32個,開孔率為5%左右;方案7中3塊孔板的平均開孔數為42個,平均開孔率為7%左右。對比方案2、方案6和方案7的壓力損失和分離效率值,可以看出,隨著開孔數的增加壓力損失在不斷降低,這主要是由于開孔數增加,混合氣穿過單個孔板上單個過濾孔的流量會下降,因此產生的壓力損失就會更小。從分離效率的角度來看,方案2的分離效率為72.5%,方案6的分離效率為65.9%,方案7的分離效率為47.1%,分離效率隨著開孔數的增加呈現先增大后減少的趨勢。圖9示出方案2、方案6和方案7的速度云圖。方案7中過濾孔較多,單個孔中通過流量變小,混合氣穿過孔板的速度要明顯小于方案2和方案6,因此方案7中混合氣撞擊壁面時,更多的油滴未達到分離所需最低速度,因此分離效率較低。圖10示出方案2和方案6粒子運動軌跡。從圖10可以看到,方案6在減少孔板孔數后,在流體域內產生了一些旋流,旋流導致粒子不能順利地撞擊壁面,而是在原地消耗動能,導致分離效率降低。因此過濾孔板孔數應合理設置,在高竄氣量下,過濾孔板開孔率推薦為6%左右。

圖9 不同孔數方案速度云圖

圖10 不同孔數方案粒子運動軌跡

3 油氣分離器試驗驗證

3.1 試驗設備

為了驗證上文所得結論的正確性,將在發動機試驗臺架上對油氣分離器進行試驗測試。對油氣分離器方案1至方案7進行樣件加工與整機試驗驗證,試驗過程僅更換不同孔板及調整間距。

試驗中使用的主要測量設備見表2。為了減小偶然誤差,進行多次試驗,結果取平均值。

表2 油氣分離器整機試驗測量設備

3.2 試驗結果及分析

試驗結果見表3。試驗結果中各方案油氣分離器壓力損失均大于仿真壓力損失,除方案1外,其他方案分離效率均低于仿真分離效率。其原因是仿真中是理想情況,壁面光滑,且混合氣含油量固定,而實際發動機工況則更加復雜。從試驗結果來看,得到的油氣分離器結構與性能變化規律基本一致,方案3壓力損失最大、分離效率最高,方案7壓力損失最小、分離效率最低。對比方案1、2、3可以發現,隨著孔徑減小,壓力損失與分離效率均在增加;對比方案2、4、5可以發現,隨著孔板間距的提升分離效率在下降,而壓力損失方案2要高于方案4、5,方案4、5非常接近;對比方案2、6、7可以發現,方案2分離效率最高,而方案7分離效率最低,方案6壓力損失最大,方案7壓力損失最小。綜上所述,試驗結果成功驗證了仿真所得結論的正確性。

表3 油氣分離器試驗與仿真結果對比

4 結論

a) 在高竄氣量條件下,迷宮式油氣分離器結構中對壓力損失影響最大的是過濾孔板上過濾孔孔徑,其次是過濾孔數量和過濾孔板間距,而對分離效率影響最大的是過濾孔數量,其次是過濾孔板間距和過濾孔孔徑;

b) 在高竄氣量下,油氣分離器壓力損失和分離效率均隨著過濾孔孔徑減少而增大;在5～10 mm范圍內孔板間距對壓力損失影響不大,分離效率隨著孔板間距的增加而減少;對于孔板孔數來說,孔板孔數越多,壓力損失越小,而分離效率則在孔數適中時最高,孔數的增加和減少均會使分離效率下降;確定該油氣分離器過濾孔孔徑為5 mm左右,孔板間距為5 mm左右,孔板開孔率在6%左右時最為適宜。