迷宮式油氣分離器的改進(jìn)及分離廢氣處理

尹佳雯，董曉威，于麗娟，王嘉，劉銳，張旭

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

迷宮式油氣分離器的改進(jìn)及分離廢氣處理

尹佳雯，董曉威，于麗娟，王嘉，劉銳，張旭

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，大慶 163319）

就現(xiàn)有迷宮式油氣分離器發(fā)展?fàn)顩r，為提高迷宮式油氣分離器油氣分離效率，在分離器中采用冷卻液回流方式對(duì)流經(jīng)分離器的竄氣進(jìn)行冷卻，使機(jī)油液化，提升機(jī)油分離量。同時(shí)對(duì)經(jīng)過(guò)分離后的混合氣再次分離，將混合氣中的不可燃燒廢氣分離出來(lái)，并直接通到排氣排放出去；剩余的可燃燒氣體直接引回燃燒室參與二次燃燒。

迷宮式油氣分離器；回流冷卻；廢氣分離；翼型裝置

當(dāng)往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，由于活塞環(huán)并不具備完全氣密的性質(zhì)，所以導(dǎo)致少量的工作氣體從氣缸壁與活塞環(huán)以及活塞環(huán)與活塞之間的間隙進(jìn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱[1]。為了避免柴油機(jī)的竄氣廢氣直接排向大氣，在柴油機(jī)排放升級(jí)開發(fā)過(guò)程中必須考慮閉式強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)[2]。目前，通過(guò)閉式系統(tǒng)即曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)來(lái)解決曲軸箱排氣，即將含有雜質(zhì)的旁通氣體導(dǎo)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣濾清器與增壓器進(jìn)氣管之間的接管中[3]。此項(xiàng)措施仍存著問(wèn)題：采用曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)之后，系統(tǒng)將發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣送回到進(jìn)氣管并與新鮮混合氣一起進(jìn)入氣缸進(jìn)行燃燒。由于竄氣里含有大量的機(jī)油油滴，機(jī)油是不能夠完全燃燒的，對(duì)排放產(chǎn)生了負(fù)面影響。此外，機(jī)油不能有效的被分離出來(lái)并由回油管流回油底殼，也造成了機(jī)油的流失[4]。為了解決這類問(wèn)題，在曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)里必須采用一個(gè)高效的油氣分離器，以分離竄氣里的機(jī)油油滴。同時(shí)對(duì)分離后的氣體進(jìn)行再次分離，提高二次燃燒利用率并減輕排放負(fù)擔(dān)。

1 迷宮式油氣分離器優(yōu)化

1.1 迷宮式油氣分離器改進(jìn)方案

迷宮式油氣分離器原理在于：利用油滴的慣性和分離器內(nèi)多重迷宮擋板進(jìn)行撞擊來(lái)實(shí)現(xiàn)分離[5]。當(dāng)油氣混合器進(jìn)入迷宮式分離器后，由于油氣和氣體密度不同，在流動(dòng)中由于慣性作用，較大的油滴會(huì)被吸附在分離器的內(nèi)表面及擋板上，較小的油滴則隨氣流一起被帶出分離器。被捕捉到的油滴則通過(guò)回油管道流回油底殼。

然而，迷宮式油氣分離器的效率相對(duì)較低，經(jīng)處理后的油霧不夠徹底，剩余氣體還需通過(guò)管道導(dǎo)入外部的油氣分離器進(jìn)一步分離。為提高迷宮式油氣分離器的油氣分離率，在此，我們提出了改進(jìn)方案：在迷宮式油氣分離器原有基礎(chǔ)上，增加冷卻裝置，對(duì)分離器內(nèi)表面及擋板進(jìn)行降溫制冷，使通入裝置內(nèi)的氣態(tài)油液能夠有效地液化，以此達(dá)到高效率油氣分離的目的。同時(shí)對(duì)此改進(jìn)后的分離器的效率進(jìn)行檢驗(yàn)測(cè)量，在試驗(yàn)所得具體數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在油氣分離效率方面將改進(jìn)后的方案與原方案進(jìn)行對(duì)比，將對(duì)比結(jié)果進(jìn)行理論分析，設(shè)計(jì)新型的迷宮式油氣分離器[6，9]，圖1為迷宮式油氣分離器的幾何模型。

圖1 迷宮式油氣分離器幾何模型Fig.1The geometrical model of mazy oil-gas separator

1.2 冷卻裝置結(jié)構(gòu)布置

為將機(jī)油更好的回收利用，我們采用在迷宮式分離器內(nèi)增加冷卻液回流管路裝置，根據(jù)水蒸氣、柴油蒸汽、機(jī)油蒸汽間的凝點(diǎn)不同，通過(guò)節(jié)溫器及冷卻液回流作用，使油氣分離器內(nèi)的混合氣的溫度冷卻至100～150℃之間，使機(jī)油能夠高效率的液化成油滴，之后經(jīng)過(guò)回油系統(tǒng)流回油底殼中。

在迷宮式油氣分離器氣體管道外增加一層管道（如圖2所示），使之與原來(lái)通氣管道形成環(huán)套式雙層管道，內(nèi)管道通入竄氣，外管道內(nèi)注入冷卻液，外管道冷卻系統(tǒng)與整車?yán)鋮s系統(tǒng)相連接，形成回流。燃燒后的氣體從氣缸排出后，溫度達(dá)到400～800℃，在冷卻液和節(jié)溫器作用下，使廢氣溫度降低，加速機(jī)油液化，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)油與其他氣體的高效分離。

圖2 冷卻裝置布置形式結(jié)構(gòu)圖Fig.2The structure chart of cooling unit

在分離過(guò)程中，只把機(jī)油分離了出來(lái)，并沒(méi)有將燃油蒸汽和水蒸氣分離開，是因?yàn)樵谖恼耓7]中，對(duì)燃油乳化做了詳盡敘述，經(jīng)過(guò)乳化的燃油的燃燒率顯著提高，并一定程度上減少了燃燒過(guò)程中燃油的消耗量，說(shuō)明水是有助燃的作用，因此無(wú)需將然油蒸汽與水蒸氣分離。

1.3 試驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇在專業(yè)的交通運(yùn)輸汽車構(gòu)造與檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，我們首先對(duì)研究機(jī)型（發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)：495Q）進(jìn)行竄氣流量進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)按照閉式連接方式將活塞漏氣量?jī)x（型號(hào)：AVL442）串接到曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中。實(shí)測(cè)，在2 050 r·min-1、115 N·m工況點(diǎn)下，由于進(jìn)氣管真空度最大，發(fā)動(dòng)機(jī)的竄氣流量達(dá)致最大，為14.8 L·min-1。

表1 選用實(shí)驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)Table 1The essential data of experimental engine

在確定了最大竄氣量后，進(jìn)行油氣分離效率的測(cè)定。在試驗(yàn)中應(yīng)用氣相色譜儀（型號(hào)：GC102AF）來(lái)分別測(cè)定竄氣經(jīng)油氣分離器前后時(shí)不同直徑油滴的含量。為確保實(shí)驗(yàn)條件的全面性，分別選擇在竄氣量14 L·min-1和7 L·min-1的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)定并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)開始前應(yīng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置是否存在泄漏，確保實(shí)驗(yàn)對(duì)象密封良好[8]。

油霧直徑較大的油霧，自身質(zhì)量較大，在進(jìn)入分離器后隨混合氣流流動(dòng)的時(shí)間長(zhǎng)，容易隨氣流帶出分離器的出口。油霧直徑較小的油霧，自身質(zhì)量較輕，在進(jìn)入分離器后隨混合氣流流動(dòng)的時(shí)間短，與壁面碰撞后，能夠較早的被捕捉到。圖3、圖4為原方案與新方案下測(cè)定的油氣分離率。

14 L·min-1的竄氣流量時(shí)：原方案中，油霧顆粒直徑為7 μm，分離率為60%；油霧顆粒直徑為2 μm時(shí)，分離率只達(dá)到27%；在新方案中：油霧顆粒直徑為7 μm時(shí)的分離率高達(dá)80%，油霧顆粒直徑為2 μm時(shí)的分離率高達(dá)43%。

圖3 原方案油氣分離效率Fig.3The separating efficiency of original project

圖4 改進(jìn)方案油氣分離效率Fig.4The separating effciency of alter project

在7 L·min-1的竄氣流量時(shí)：原方案中，油霧顆粒直徑為7 μm，分離率為40%；油霧顆粒直徑為2 μm時(shí)，分離率只達(dá)到20%；在新方案中：油霧顆粒直徑為7 μm時(shí)的分離率高達(dá)66%，油霧顆粒直徑為2 μm時(shí)的分離率高達(dá)38%。

試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的油氣分離器對(duì)各直徑大小的油污蒸汽的分離效率有了顯著的提高，對(duì)油霧直徑大于10 μm的油滴顆粒達(dá)到了近100%的分離。在14 L·min-1的竄氣流量工況下比7 L·min-1的竄氣流量工況點(diǎn)的分離效率平均高10%，能夠總體獲得85%以上的分離效果；照比原方案，油氣分離的效率提升了15%。因此，該改進(jìn)方案對(duì)于提高油氣分離的效率效果明顯，起到了優(yōu)化的作用。

2 廢氣分離

竄氣經(jīng)過(guò)油氣分離器后，機(jī)油被分離出去，剩下的混合氣中成分為汽油蒸汽、CH、CO、CO2等可燃?xì)怏w和燃燒廢氣。在現(xiàn)有技術(shù)條件下[8]，經(jīng)油氣分離器分離后的混合氣體會(huì)混合新鮮空氣后，被送回燃燒室參與二次燃燒。然而，混合其中的CO2等不可燃燒成分參與燃燒在很大程度上稀釋了燃燒混合氣的濃度，降低發(fā)動(dòng)機(jī)效率，因此，我們?cè)谟蜌夥蛛x器裝置后，新增了廢氣分離裝置來(lái)分離混合其中的可燃?xì)怏w和不可燃?xì)怏w，廢氣分離裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下圖所示。圖5為廢氣處理裝置橫、縱截面圖。

圖5 廢氣處理裝置橫、縱截面圖Fig.5The structure chart of flue gas separator on crossing wise and lengthways

廢氣分離結(jié)構(gòu)是在原有管路基礎(chǔ)上，逐漸減小管道直徑，并在管道中布置3～4個(gè)翼型裝置。翼型裝置的作用是使不同分子質(zhì)量的氣體進(jìn)行分層，并使其達(dá)到穩(wěn)流，便于將氣體分層分離?？扇?xì)怏w的分子質(zhì)量較小，燃燒廢氣質(zhì)量較大。經(jīng)分層后，可燃?xì)怏w位于上側(cè)，燃燒廢氣位于下側(cè)。根據(jù)可燃?xì)怏w與燃燒廢氣間分子質(zhì)量差異，將經(jīng)過(guò)油氣分離器分離出的混合氣體在翼型裝置的作用下，產(chǎn)生分層，后經(jīng)不同管道分別將分離出的可燃、不可燃?xì)怏w送入燃燒室及排放管。

在縱截面示意圖中，翼型裝置1、2之間布置的稍近些，這樣有利于混合氣達(dá)到穩(wěn)流狀態(tài)便于分層；翼型裝置2、3間可布置稍遠(yuǎn)些，這樣便于混合氣徹底分層，分管排出，使可燃混合氣返回燃燒室參與二次燃燒，廢氣直接由排氣管排放出去。

圖6 油氣分離裝置及廢氣處理裝置流程Fig.6The flow chart of oil-gas separator and waste air treatment

圖6為整個(gè)油氣分離裝置及廢氣處理裝置布置圖。在結(jié)構(gòu)布置中，同時(shí)在氣缸后新增了一個(gè)空氣濾清器，是為了除去從燃燒室排放出的燃燒氣體中的碳粒及部分水蒸氣，避免積碳影響后續(xù)裝置工作效率和壽命。

3 結(jié)論

針對(duì)迷宮式油氣分離率低的問(wèn)題，我們?cè)诜蛛x器的結(jié)構(gòu)上增設(shè)了冷卻回流裝置，該裝置可以對(duì)進(jìn)入油氣分離器的混合氣進(jìn)行降溫，使機(jī)油蒸汽冷卻液化，從而提高機(jī)油的分離量。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)改進(jìn)后的油氣分離率明顯提高，該改進(jìn)方案有效解決了“跑機(jī)油”的問(wèn)題。同時(shí)，我們對(duì)從油氣分離器排出的氣體進(jìn)行了二次分離，明確地將可燃?xì)怏w和燃燒廢氣進(jìn)行分離，避免了原布置形式中，直接將油氣分離器排出的氣體導(dǎo)入燃燒室，使可燃混合氣濃度降低，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒效率。

［1］吳建華.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

［2］蔡小偉.柴油機(jī)曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究與開發(fā)［J］.柴油機(jī)，2011（3）：5-10.

［3］石鑫龍.基于改進(jìn)模糊綜合評(píng)價(jià)模型的野戰(zhàn)給養(yǎng)器材人機(jī)工程設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)［J］.長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（6）：660-665.

［4］宗雋杰，倪計(jì)民.曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)油氣分離器的性能研究［J］.內(nèi)燃機(jī)工程，2010，31（2）：2-5.

［5］陳家瑞.汽車構(gòu)造［M］.北京：人民交通出版社，2002.

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［7］張忠良，翟淑敏.燃油乳化與節(jié)能［J］.中國(guó)能源，1996 （8）：2-6.

［8］席桂清，黃操軍，譚峰.基于顯控觸屏和MCU的汽車空調(diào)冷媒回收加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，27（2）：87-91.

［9］倪計(jì)民.汽車內(nèi)燃機(jī)原理［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1977.

Perfection of the Mazy Oil Gas and Settle Flue Gas

Yin Jiawen，Dong Xiaowei，Yu Lijuan，Wang Jia，Liu Rui，Zhang Xu
（Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

As the present stage of mazy oil gas separator，for improving the efficiency on oil-gas separation，the refrigeration reflux unit was used to cold the mixed liquor，which flowed in the separator.It could make the machine oil liquefied and enhance the quantity of separation.At the same time，by disposing the gas again to isolate the unburnable gas from the mixed-gas and let it out from the vent-pipe directly.The burnable gas would return the combustor with fresh air takes part in the burn again.

mazy oil gas separator；reflux coling unit；flue gas separator；airfoil profile element

TH13

A

1002-2090（2017）03-0086-03

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.03.019

2016-12-05

黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（20151023029）。

尹佳雯（1995-），女，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院交通運(yùn)輸專業(yè)2013級(jí)本科生。

董曉威，男，副教授，E-mail：dxwai@sohu.com。