一種復(fù)合式油氣分離結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)開發(fā)與試驗(yàn)驗(yàn)證

李保儒， 馬靖巖， 吳貞明， 孫思峰

（青島華濤汽車模具有限公司，山東 青島 266000）

0 前言

發(fā)動機(jī)閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為一種趨勢，由于曲軸箱通風(fēng)（竄氣）攜帶的機(jī)油油霧和顆粒物（PM）等污染物會對發(fā)動機(jī)零部件造成污染［1］，因此需要設(shè)計(jì)油氣分離結(jié)構(gòu)來降低這種影響。發(fā)動機(jī)閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)工作原理

油氣分離結(jié)構(gòu)的具體作用是將竄氣中的機(jī)油油霧分離出來，回收到油底殼［2］，使其重新起潤滑作用；將竄氣中碳?xì)浠衔铮℉C）等污染物引入進(jìn)氣系統(tǒng)中，與新鮮氣體混合后進(jìn)入燃燒室參與燃燒，起到避免燒機(jī)油、降低污染物排放、提高燃燒效率的目的。

隨著我國汽車排放法規(guī)越來越嚴(yán)格，對油氣分離結(jié)構(gòu)分離效率的要求也越來越高，單一油氣分離結(jié)構(gòu)很難滿足要求，因此需要借助其他更高效的結(jié)構(gòu)或者材料來提升油氣分離效果。

本文以某型直列4缸柴油機(jī)為例，借助油氣分離計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）仿真分析方法和德國先進(jìn)Topas油氣分離試驗(yàn)臺試驗(yàn)分析手段，設(shè)計(jì)完成了一款集成在缸蓋罩蓋上的高效油氣分離結(jié)構(gòu)，以滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 油氣分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 常見油氣分離結(jié)構(gòu)

根據(jù)油氣分離結(jié)構(gòu)機(jī)理的不同，車用油氣分離器常見的結(jié)構(gòu)主要分為3類。第1類是根據(jù)機(jī)油和混合氣密度不同，通過改變氣流速度和方向的方式，利用慣性原理將機(jī)油從混合氣中分離出來，例如沉降式、迷宮式、旋風(fēng)式、離心式等；第2類是利用油滴和某些材料的親和性，通過吸附或過濾的方法將機(jī)油從混合氣中分離出來，例如吸附式濾棉和過濾纖維等；第3類是通過給油滴加電荷的方法，將機(jī)油吸附在電荷板上，例如靜電式［3］。

1.2 設(shè)計(jì)方案

迷宮擋板和孔板等慣性原理的分離結(jié)構(gòu)，一般只對大顆粒油滴的分離效果較好［4］，對小顆粒油滴的分離效果一般；而濾棉材料可以對小顆粒油滴有較好的吸附效果。

為了達(dá)到預(yù)期的分離效果，結(jié)合慣性分離結(jié)構(gòu)和選用吸附式濾棉的方式，根據(jù)發(fā)動機(jī)邊界，設(shè)計(jì)一款預(yù)分離+粗分離+二級精分離單元的多級復(fù)合式油氣分離結(jié)構(gòu)。通過先分離大顆粒油滴、后分離小顆粒油滴，逐級提升分離效果，實(shí)現(xiàn)高效率油氣分離。

多級復(fù)合式油氣分離結(jié)構(gòu)的整體布置方案如圖2所示。曲軸箱竄氣從格柵入口處進(jìn)入，經(jīng)預(yù)分離結(jié)構(gòu)和粗分離結(jié)構(gòu)完成較大油滴顆粒的分離；然后通過設(shè)置吸附式濾棉的兩級精分離單元完成小油滴顆粒的吸附，混合氣最終經(jīng)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)（PCV）閥接入進(jìn)氣系統(tǒng)參與燃燒；而被分離的油霧顆粒凝結(jié)成油滴后，經(jīng)專門的流道匯集［5］，經(jīng)單向回油閥滴落到油底殼，重新參與潤滑工作。

圖2 多級復(fù)合式油氣分離結(jié)構(gòu)布置

2 油氣分離仿真分析

油氣分離CFD仿真分析技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于油氣分離結(jié)構(gòu)的開發(fā)過程，通過仿真分析可以得到油氣分離結(jié)構(gòu)的壓力損失、氣流速度和油氣分離效率等，可以為油氣分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化提供參考。

2.1 CFD仿真分析算法

本文采用氣液兩相流算法［6-7］，CFD 仿真分析流程如圖3所示。首先，對油氣分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算，得到氣體流動結(jié)果，包括壓力分布和速度分布等；其次，分別引入不同直徑的油滴粒子，計(jì)算得到不同直徑油滴粒子的運(yùn)動軌跡和分離效率。

圖3 CFD仿真分析流程

2.2 濾棉仿真設(shè)置

濾棉材料主要有過濾和吸附2種形式：過濾式濾棉材料受使用壽命限制，一般應(yīng)用于外掛式結(jié)構(gòu)，以便于更換；吸附式濾棉材料耐久性好，免維護(hù)，可以隨油氣分離結(jié)構(gòu)焊接集成在缸蓋罩蓋上。因此本文選用吸附式濾棉材料。

當(dāng)前無法有效檢測濾棉的性能和材料屬性，各材料的耐久性和分離效果也大不相同。因此在選用吸附式濾棉時需要具備一定的甄別和驗(yàn)證手段。

在CFD分析時，一般將濾棉簡化設(shè)置為多孔介質(zhì)，但準(zhǔn)確度較難把握。本文將濾棉設(shè)置為普通擋板，設(shè)置簡單、計(jì)算速度快。這樣設(shè)置雖然分析結(jié)果偏差相對較大，尤其是小顆粒油滴；但可根據(jù)后文試驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行修正，通過分析結(jié)果加權(quán)方式提升準(zhǔn)確性。

CFD分析時將濾棉設(shè)置為擋板，對于分析結(jié)果肯定是不準(zhǔn)確的。但是在快速樣件測試時，可以獲得較準(zhǔn)確的結(jié)果，這樣可以對CFD分析結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)加權(quán)，以此將濾棉提升部分加權(quán)考慮進(jìn)去，可以提高CFD對于濾棉結(jié)構(gòu)分析準(zhǔn)確性。

2.3 仿真分析結(jié)果

竄氣體積流量設(shè)置為70 L/min，空氣和機(jī)油屬性按照其在100 ℃時的屬性設(shè)置。經(jīng)CFD分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定了產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到的壓力損失云圖、氣流速度云圖、油滴壓力流線圖和油氣分離效率曲線，如圖4～圖7所示。

圖4 壓力損失云圖

由圖4 可以看出：最大壓力損失為944.15 Pa（客戶設(shè)計(jì)指標(biāo)小于1 000 Pa），其中，經(jīng)過精分離單元的壓力損失較大，約300 Pa。由圖5可以看出：在精分離單元，混合氣經(jīng)孔板加速后，氣流速度在8～10 m/s。由圖6 可以看出：油滴整體壓力分布較均勻。由圖7可以看出：直徑為0.5 μm以內(nèi)的油滴小顆粒，其油滴分離效率不到40%，效果一般；直徑在2 μm以上的油滴顆粒，分離效果較好，分離效率可達(dá)60%以上。

圖5 氣流速度云圖

圖6 油滴壓力流線圖

圖7 油氣分離效率

3 Topas油氣分離試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

引進(jìn)德國Topas油氣分離試驗(yàn)臺，如圖8所示。該試驗(yàn)臺測試部分為油霧分離器測試臺SPT-140，可模擬曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，用于測試混合氣流經(jīng)油氣分離結(jié)構(gòu)的壓力損失，不同粒徑油滴顆粒在分離前后的油滴分布情況和分離效果，以及出氣含油量等。

圖8 德國Topas試驗(yàn)臺

3.2 快速樣件制作及試驗(yàn)

結(jié)合發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)情況，合理標(biāo)定了該試驗(yàn)臺的試驗(yàn)方法，并規(guī)范了試驗(yàn)流程，提升了試驗(yàn)檢測的可靠性。這樣大大減少了對主機(jī)廠臺架試驗(yàn)資源的依賴，提高了設(shè)計(jì)開發(fā)能力。

制作了罩蓋總成快速樣件和試驗(yàn)工裝，在Topas試驗(yàn)臺上完成了壓力損失試驗(yàn)和不同粒徑油滴分離效率測試。油氣分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為可拆卸結(jié)構(gòu)，如圖9所示。如果試驗(yàn)效果不理想，可單獨(dú)調(diào)整某部分結(jié)構(gòu)，制作快速樣件，局部更換后重新進(jìn)行測試驗(yàn)證，減少了試驗(yàn)周期和成本。

圖9 可拆卸式油氣分離結(jié)構(gòu)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

快速樣件濾棉前的孔徑為3 mm（與CFD分析模型相同），通過更換不同規(guī)格的孔板（孔板直徑分別為2.5 mm和3.5 mm）來調(diào)節(jié)濾棉前加速孔的直徑，進(jìn)而調(diào)整氣流速度，研究氣流速度和濾棉吸附效果的關(guān)系。

圖10為0～96 L/min竄氣體積流量下，不同加速孔的直徑下的壓力損失情況。由圖10可以看出：3種孔徑下，壓力損失的整體變化趨勢相近，孔徑與壓力損失成負(fù)相關(guān)，即孔徑較小時，壓力損失較大，孔徑增大時，壓力損失減小；在竄氣體積流量為70 L/min時，壓力損失均<1 000 Pa，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

圖10 0～96 L/min竄氣體積流量下壓力損失變化曲線

圖11為CFD分析結(jié)果和Topas油氣分離試驗(yàn)臺試驗(yàn)結(jié)果對比。

圖11 油氣分離效率對比

由圖11 可以看出：試驗(yàn)臺試驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于CFD分析結(jié)果，這是因?yàn)镃FD分析將濾棉設(shè)置為擋板，沒有考慮其吸附性能。孔徑為2.5 mm時，油氣分離效果相對最好，但是對于粒徑為0.32 μm以內(nèi)的油滴顆粒，分離效果相對較差。這是因?yàn)榭讖捷^小時，氣流速度較快，而小顆粒油滴跟隨性較好，容易隨氣流從出口逃逸，不能被有效吸附。對比3.0 mm孔徑試驗(yàn)結(jié)果與CFD仿真結(jié)果可知，小顆粒油滴分離效果明顯提升，對于粒徑為0.50 μm以內(nèi)的小顆粒油滴，分離效率可提升約25百分點(diǎn)，大顆粒油滴分離效率可提升約10百分點(diǎn)。

綜合考慮壓力損失和分離效果，孔徑為3.0 mm時，整體表現(xiàn)更均衡，因此選定該快速樣件送主機(jī)廠進(jìn)行臺架試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 臺架試驗(yàn)驗(yàn)證

將缸蓋罩蓋樣件安裝在發(fā)動機(jī)臺架上進(jìn)行臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果見表1。

表1 發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可以看出：在竄氣體積流量為71 L/min、轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的條件下，曲軸箱壓力為-1 400～1 000 Pa，出氣含油質(zhì)量流量為0.48 g/h，均滿足客戶設(shè)計(jì)要求（曲軸箱壓力為-2 000～1 000 Pa，出氣含機(jī)油質(zhì)量流量<1 g/h），臺架試驗(yàn)合格。

5 結(jié)語

采用吸附式濾棉材料能明顯提升油氣分離效果，特別是對直徑為0.5 μm以內(nèi)的小顆粒油滴，提升效果明顯。增加濾棉前的氣流沖擊速度，可以提升整體分離效果，但由于小顆粒油滴跟隨性較好，容易隨氣流從出口逃逸，不能被有效吸附，從而導(dǎo)致部分小顆粒油滴分離效果變差。

油氣分離效率曲線整體呈上升趨勢，且直徑為0.5 μm 的油滴顆粒分離效率>60%時，整體分離效率基本可以滿足國六排放標(biāo)準(zhǔn)。Topas油氣分離試驗(yàn)臺可以測試不同粒徑油滴顆粒的分離效率，對于油氣分離結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究具有重要參考作用。該設(shè)計(jì)研究方法不但有助于提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平，還可以減少對主機(jī)廠試驗(yàn)臺架的依賴，縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期。