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摘要：本文主要运用 CFD 技术对曲轴箱的油气分离模块进行了优化，研究了缸盖护罩中的窜气在油气分离模块的流动特性，分析全速全负荷工况点下油气分离过程的速度场、压力场和分离效率。研究结果表明：通过适当的减少孔板通孔直径、孔板与挡板的间隙以及增加孔板的宽度，可以大幅度的提高油气分离器的油气分离效率。
关键词：CFD；油气分离；曲轴箱通风；优化；缸盖护罩
前言
发动机曲轴箱窜气成份复杂，其中的燃油蒸气和水蒸气在曲轴箱中凝结会使机油变质，窜气没有及时排除会导致曲轴箱内压力过大，易产生各接合部漏气、漏油的现象。随着国家排放法规的升级，必须采用油气分离器对曲轴箱通风系统内的窜气进行油气分离处理，并不断优化。
本文对某汽油机的曲轴箱通风系统的优化运用了Fluent技术，通过对窜气流量及窜气中机油含量进行分析，改进了曲轴箱通风系统的油气分离结构，增加了窜气的油气分离效果，利用CFD分析软件Fluent对缸盖护罩的油气分离能力进行分析，并提出油气分离模块的优化方向。
1 曲轴箱通风系统及油气分离
1.1 曲轴箱通风系统
此次研究的发动机由进、排气两侧油气分离器及缸盖护罩本体组成。缸盖护罩进气侧油气分离器通过针阀式的PCV阀及软管与进气歧管稳压腔相连，缸盖护罩排气侧油气分离器通过呼吸器连接软管直接与空滤后相连。
该油气分离器采用了孔板和档板结构，当窜气进入两侧的油气分离器的孔板后，会有一个加速汇集流动过程，当撞击在撞击板上后，就会形成油滴被挡油板捕捉经回油孔重新流回油底壳。
1.2 某发动机基本窜气量参数
某发动机的窜气流量，在全速全负荷工况 (6000r/min、190N.m)下，发动机窜气流量达到了15L/min。根据发动机工况，选择窜气量15L/min作为研究对象。
1.3 油气分离模块及几何模型建立
曲轴箱油气分离装置主要由孔板、挡板组成，本文针对缸盖护罩的油气分离器模块，研究了孔板孔径、孔板厚度及挡板间距离对本发动机的油气分离效果的影响。建立几何和网络模型所用的软件为Gambit 2.3.16，计算所使用的软件是Fluent 6.3.26,以作为其求解器和后处理工具。本机型的油气分离模块的几何模型及油气流通区域。
由于发动机的曲轴箱窜气通过油气分离模块后与之前的油气成分会发生变化，故以一级窜气和二级窜气加以区分。
2 油气分离的控制方程及数值模拟
2.1 控制方程
流体在油气分离模块中的流动过程需要满足：湍流方程、质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
2.2 模型及算法选择
本次模拟计算采用分离式求解器和隐式方程，并采用标准的模型进行计算。对各物理量采用欠松弛因子算法，其中压力的欠松弛因子为0.3，密度因子为1.0，质量力因子为1.0，动量因子为0.7。
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边界条件的设置取全速全负荷工况点为计算依据，采用速度入口条件，由进气入口截面积可以计算出相应的入口速度为，并且定义入口处具有5%的湍流强度。采用压力出口条件。定义出口处真空度。
2.3 边界条件设置
在入口、出口处采用逃逸条件（escape），此时可以停止对颗粒的跟踪。在油气分离模块的撞击板及下底壁面上采用捕捉（trap）条件，即颗粒碰到壁面后，颗粒轨道终止。
通过对本机型的缸盖护罩进行机油收集试验。颗粒的扩散选用随机轨道模型。
3 数值模拟结果分析
3.1流场迹线
15L/min的工况下，两个方案流场的轨迹曲线的分布。当孔板直径由3.5减少到2.5时，由于轨迹重合强度增加，油气分离效率会相应提高。此外，流体从挡板处流出后形成的相应漩涡有助于油滴聚集。为提高油气分离装置的油气分离效率，整个缸盖护罩可以通过设置若干个油气分离模块串、并联以达到油气分离的效果。
3.2速度场
15L/min窜气流量时速度矢量在流场中的分布。最大流速均出现在出口处，油滴颗粒在切向气流的作用下被甩向外壁而分离。15L/min窜气流量时切向速度矢量在流场中的分布。优化后的方案减少了两板间隙，这会在一定程度上增加流动阻力，但油气分离效率也会显著提高。
3.3压力场
在保证足够的油气分离效率的情况下，分离器模块需尽量减少压力损失。需要通过合理的设置回油孔回油高度以满足优化后的油气分离模块布置。
3.4分离效率统计
当稳态速度场计算完毕，分别将直径为10 μm~45μm 的粒子引入两种方案油气分离器稳态流场中，待粒子在流场中稳定。
可以得到优化前、后油气分离效率的统计。由于小颗粒不仅所受的离心力较小，而且对气流的跟随性较好，所以容易被气流带出出口。在油滴颗粒直径小于20μm 时，不论优化前、后油气分离模块的油气分离效率均出现不同程度的降低。
在油气分离效率大颗粒的质量大时，所受离心力也较大，因此进入分离器后随气流流动的时间较短，能够较早地与壁面碰撞而被捕捉。15 L/min窜气流量时，优化后的油气分离模块油滴颗粒直径大于30μm ，分离效率可以达到90％以上，而优化前的油气分离模块油滴颗粒直径大于35μm ，油气分离效率才能达到90％以上。
通过优化前、后的线性线对比可知，在油滴颗粒直径大于30μm 时，油气分离器的分离效率在优化前、后差距缩小，即优化前后的油气分离模块均适用本款发动机型。而在油滴颗粒直径小于30 μm时，油气分离器的分离效率在优化前、后差距不断增大，即优化后的油气分离模块优势明显。
3 结论
1）试验研究表明：在6000 r/min、190N.m工况点下，发动机的窜气流量最大，达到15L/min。通过减小孔板直径及减小孔板与挡板之间的间隙及优化孔板厚度可以在油滴粒子直径小于30μm 时，大大提升油气分离效率。
2）优化后的油气分离模块比优化前的压降增加近3倍，这需要通过优化回油口高度以防止出现回油口倒吸窜气的现象，并且需要综合整个缸盖护罩的布置需求。
3）在油滴颗粒直径小于20μm 时，优化前、后的油气分离器的分离效率均不理想，整个缸盖护罩在布置油气分离器的时候，需要考虑布置二到三级油气分离模块。
4）由于分离器的油滴颗粒捕捉面为平面，面积有限，可以适当的在平滑壁面增加突起及凹槽以利于油滴聚集及回流。
参考文献
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作者简介
杨冰（1988 -）女，工程师，就职于江淮汽车技术中心发动机设计研究院，研究方向为内燃机方向。
论文作者:杨冰,倪成鑫
论文发表刊物:《防护工程》2018年第29期
论文发表时间:2019/1/2
标签：油气论文; 模块论文; 护罩论文; 颗粒论文; 效率论文; 直径论文; 发动机论文; 《防护工程》2018年第29期论文;