一種新型離心式發(fā)動機油氣分離器的開發(fā)與設(shè)計

孫培峰

(浙江水利水電學院 機械與汽車工程學院，浙江 杭州 310018)

1 開發(fā)背景

隨著汽車普及率的提高，汽車的污染成為一個嚴重的問題，也引起了全社會的關(guān)注.汽車排放的污染物主要來自于三個方面：曲軸箱竄氣、燃油箱蒸發(fā)及油箱與油管接口的蒸發(fā)、汽車尾氣即一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化物及炭黑等固體顆粒的排放等.

盡管采取了很多措施，從結(jié)構(gòu)設(shè)計到制造工藝水平都在不斷提高，但發(fā)動機活塞環(huán)與活塞環(huán)槽之間的間隙以及活塞與汽缸體之間的間隙不可避免地存在.因此發(fā)動機在工作時，燃燒室內(nèi)的水蒸氣、二氧化碳等燃燒產(chǎn)物、一氧化碳等燃燒中間產(chǎn)物以及尚未燃燒的燃油等物質(zhì)，由于高壓和間隙的原因，或多或少會滲入到發(fā)動機曲軸箱內(nèi).某些車用發(fā)動機裝有增壓裝置，增壓器的軸承間隙及氣門導管間隙等位置也會導致壓力較高的竄氣滲入到曲軸箱內(nèi)，這些竄氣的進入使得發(fā)動機曲軸箱壓力升高，加大了油底殼內(nèi)機油的蒸發(fā)量.此外，發(fā)動機內(nèi)部采用飛濺潤滑的運動件在工作時，飛濺出來的油滴和油霧也導致了曲軸箱內(nèi)機油含量的增加[1].以上帶來的問題有兩個方面：(1)發(fā)動機機油儲量的減少，即所謂的“燒機油”；(2)滲入的機油油滴油霧要么被排入大氣產(chǎn)生污染，要么通過曲軸箱通風裝置重新被送入到發(fā)動機燃燒室內(nèi)進行燃燒，也同樣產(chǎn)生“燒機油”的問題.

為避免或減輕上述燒機油及污染大氣的問題，目前在車用發(fā)動機中均裝有曲軸箱通風裝置，用于過濾曲軸箱內(nèi)混合氣中的機油，并將機油回收利用.同時，曲軸箱通風裝置還能排出汽柴油中的二氧化硫等成分，避免發(fā)動機機體受到腐蝕.本文所研究的油氣分離器是曲軸箱通風系統(tǒng)的重要部件，它對于保證發(fā)動機機油儲量的穩(wěn)定，確保發(fā)動機正常運行，尤其對于減輕發(fā)動機污染物的排放具有重要意義.

2 現(xiàn)有油氣分離器存在的缺陷

在發(fā)動機曲軸箱竄氣中，機油油滴的平均直徑大概為0.9 μm，其中直徑最大的可以達到60 μm左右，直徑最小的約為0.08 μm左右，實際中能夠高效分離出這類油滴油霧的方法并不多[2].目前，根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理不同，車用發(fā)動機常用的油氣分離器可以分為濾網(wǎng)式、迷宮式、旋風式、彌散式以及靜電式等.

濾網(wǎng)式油氣分離器是將曲軸箱內(nèi)的混合氣通過金屬濾網(wǎng)進行過濾的方法來進行分離，這種方式比較常用，結(jié)構(gòu)和原理也都比較簡單，但是分離的效果不是很好，機油分離的不徹底導致仍然有不少的機油被導入到燃燒室內(nèi)燒掉.迷宮式油氣分離器即利用機械結(jié)構(gòu)上的迷宮，混合氣在迷宮內(nèi)流動時，速度會明顯減慢，從而導致重度較大的機油油滴慢慢沉積下來，達到油氣分離的目的.這種方式結(jié)構(gòu)簡單，但顆粒較小的油滴由于重度低等原因很容易被帶出分離器.旋風式油氣分離器需要在其內(nèi)部設(shè)置螺旋氣道，混合氣在氣道內(nèi)高速流動時，靠離心力的作用將顆粒較大的油滴甩到氣道壁上，分離的效果相對較好[3]，但分離效率受到氣道結(jié)構(gòu)和流速等的影響.彌散式分離器則利用過濾介質(zhì)和與機油油滴之間的相互作用，通過慣性效應(yīng)、攔截效應(yīng)和漫射效應(yīng)來進行油氣分離.但隨著時間的推移炭黑顆粒很容易粘附在濾芯表面造成阻塞，因此該類分離器需要進行定期維護.靜電式分離器是將機油油滴加上電荷，利用電場的作用來進行油氣分離.這類分離器需要高壓電源，還需要考慮絕緣和屏蔽，同時炭黑的存在會影響電極的工作，有可能導致整個系統(tǒng)失去作用，因此該類分離器同樣需要進行定期維護[2].

可見，由于分離效果等的原因，目前實際中常用的曲軸箱通風方法多多少少存在著燒機油等弊端，尤其是對于大功率的柴油機，這個問題尤為嚴重.如果不能將曲軸箱混合氣中的機油清除干凈，將會導致發(fā)動機的PM排放量升高，導致機油消耗增加、濾清器被堵塞等的不良后果[2].此外維護成本的提高也制約了部分油氣分離器的推廣與使用.

3 新型離心式油氣分離器的基本結(jié)構(gòu)與原理

隨著國家對車輛排放法規(guī)的要求越來越高，對油氣分離器分離效果的要求亦越來越高.油氣分離器的設(shè)計一要能夠?qū)崿F(xiàn)可燃混合氣的回收尤其是機油的高效回收和利用；二要能把回收的燃料(或燃燒中間產(chǎn)物)重新輸送到發(fā)動機進氣系統(tǒng)再次燃燒，以提高發(fā)動機對能源的利用率，同時可以減少汽車對大氣中碳氫化合物的排放；三要結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，成本低廉.目前，許多商用車發(fā)動機采用的是離心式油氣分離器，通過離心力的作用，使油滴從轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)片邊緣處甩出，匯集到曲軸箱壁上，然后慢慢地被收集到油底殼，而被凈化后的曲軸箱混合氣再通過一個單獨的出口重新進入到進氣系統(tǒng)進行燃燒(回收).

離心式油氣分離器是一種慣性式分離裝置，其分離效率直接受到工作轉(zhuǎn)速的影響.由于離心機的分離能力可以通過調(diào)整驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，其分離效率不會受到發(fā)動機工況的影響.但這類分離機存在的一個問題是工作時需要外界的動力作為驅(qū)動源，結(jié)構(gòu)上需要其它的配套機構(gòu)，如必須要考慮軸承的選用及密封的設(shè)計等諸多問題[2].因此這類分離器結(jié)構(gòu)復雜，成本也比較高.

本文所開發(fā)的新型離心式發(fā)動機油氣分離器，是在上述油氣分離器基礎(chǔ)上的進一步改進與優(yōu)化，目的是通過顯著提高油氣分離器的工作轉(zhuǎn)速，達到提高分離效果的目的.同時，該油氣分離器以發(fā)動機主油道內(nèi)壓力油作為驅(qū)動分離機構(gòu)的動力源，省去了電機等部件，結(jié)構(gòu)簡單，安全實用.該油氣分離器基本結(jié)構(gòu)(見圖1).

1.大齒輪 2.連接軸1 3.出油口 4.葉輪箱 5.葉輪 6.進油口 7.小齒輪 8.連接軸2 9.出氣口 10.濾網(wǎng) 11.轉(zhuǎn)子體 12.轉(zhuǎn)子密封圈 13.進氣口 14.回油口圖1 新型離心式發(fā)動機油氣分離器結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，該離心式發(fā)動機油氣分離裝置，其動力源取自發(fā)動機潤滑系統(tǒng)主油道，主體結(jié)構(gòu)主要分為驅(qū)動部分和分離部分.其基本工作原理為：

(1)驅(qū)動原理

汽車發(fā)動機在實際工作時，機油主油道的壓力迅速增大，可達0.25～0.50 MPa左右，柴油機的壓力相對更大，最高可以達到1MPa左右.本分離器考慮采用主油道的壓能和動能來進行分離裝置的驅(qū)動.如圖所示，來自主油道的壓力油從進油口6進入，在壓能和動能的作用下驅(qū)動葉輪5旋轉(zhuǎn).葉輪5帶動大齒輪1轉(zhuǎn)動，大齒輪1帶動小齒輪7轉(zhuǎn)動，大小齒輪的增速效應(yīng)使轉(zhuǎn)速進一步增大，顯著提高了分離機構(gòu)的工作轉(zhuǎn)速.

(2)分離原理

在小齒輪7的帶動下，轉(zhuǎn)子體11高速旋轉(zhuǎn)，此時曲軸箱內(nèi)的混合氣從進氣口13進入轉(zhuǎn)子體11內(nèi)，并隨著轉(zhuǎn)子體11及其內(nèi)部的濾網(wǎng)10高速旋轉(zhuǎn).此時，混合氣中機油油滴由于密度大，受到的離心力也較大.于是機油油滴被甩到轉(zhuǎn)子體11外圍內(nèi)壁附近，并通過回油口14流出至發(fā)動機油底殼，即機油被回收利用.與此同時，離心力較小的混合氣(已分離掉機油油滴)則在發(fā)動機進氣系統(tǒng)吸力作用下，沿轉(zhuǎn)子體11的中部上行，從出氣口9輸出.本裝置中轉(zhuǎn)子體11內(nèi)濾網(wǎng)10的存在亦進一步有利于混合氣中機油油滴的分離.

從出氣口9輸出的混合氣重新被導入汽車發(fā)動機的進氣系統(tǒng)參與燃燒，這樣從活塞環(huán)周邊漏入曲軸箱的燃油及其中間燃燒產(chǎn)物得以回收利用.

4 新型離心式油氣分離器的優(yōu)點

本文所研究開發(fā)的車用油氣分離器，與傳統(tǒng)的油氣分離器相比，具有以下優(yōu)點：

(1)增設(shè)了齒輪傳遞機構(gòu)，大幅度提高了油氣分離的效果.由于油氣分離的實際效果在相當程度上取決于轉(zhuǎn)子體轉(zhuǎn)速的高低，因此提高離心式分離器的工作轉(zhuǎn)速，是提高分離效果最直接最有效果的途徑.該分離裝置在傳統(tǒng)離心式分離器的基礎(chǔ)上，增設(shè)了齒輪傳遞機構(gòu)，顯著提高了分離轉(zhuǎn)速和分離效果，使機油的分離更加干凈徹底，改善了發(fā)動機的排放性能.

(2)該裝置使用發(fā)動機潤滑系統(tǒng)主油道作為動力源，方便實用、結(jié)構(gòu)簡單，并且不需要配套的軸承和密封裝置，故障率低，可靠性好.適用于大多數(shù)的車用發(fā)動機.

參考文獻：

[1] 黃 誠．柴油機油氣分離器開發(fā)[D]．長春：吉林大學，2012：1-4.

[2] 王 駿．曲軸箱通風系統(tǒng)構(gòu)成和發(fā)展趨勢[J]．柴油機設(shè)計與制造，2012，18(2)：57-64.

[3] 黃 闊，蔣升龍，袁兆成．車用發(fā)動機油氣分離器的設(shè)計匹配[J]．汽車技術(shù)，2012，13(3)：32-35.