車用國(guó)六柴油機(jī)油氣分離器設(shè)計(jì)研究*

孫 非 杜建秋 朱 康 白 楊

（天津內(nèi)燃機(jī)研究所 天津 300072）

引言

重型柴油機(jī)排放法規(guī)升級(jí)為國(guó)六（GB 17691）后，對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)控制要求加嚴(yán)，對(duì)于開(kāi)放式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，要求將曲軸箱排放與尾氣排放一起進(jìn)行測(cè)試，加大了排放通過(guò)難度。目前正在開(kāi)發(fā)或者開(kāi)發(fā)完成的國(guó)六柴油機(jī)多采用閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)。但對(duì)于閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，油氣會(huì)對(duì)增壓器、進(jìn)氣系統(tǒng)等造成污染，影響整機(jī)可靠性。開(kāi)放式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)在可靠性、成本方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此目前有一部分機(jī)型仍選擇開(kāi)放式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，但為了滿足排放要求，需要嚴(yán)格控制曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)油攜出量，對(duì)于油氣分離器的設(shè)計(jì)是巨大挑戰(zhàn)[1-5]。

1 油氣分離器

國(guó)五階段重型柴油機(jī)曲軸箱排放并不計(jì)入整機(jī)排放中，絕大多數(shù)柴油機(jī)采用的都是開(kāi)放式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，對(duì)于油氣分離器的設(shè)計(jì)要求很低，最大機(jī)油攜出量＜5 g/h就能夠滿足設(shè)計(jì)要求。到國(guó)六以后曲軸箱排放要求加嚴(yán)，對(duì)于采用閉式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的柴油機(jī)，要求最大機(jī)油攜出量要控制在0.5 g/h以內(nèi)；對(duì)于采用開(kāi)放式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的柴油機(jī)，要求最終最大機(jī)油攜出量要控制在1.0 g/h以內(nèi)。

本文研究對(duì)象2.8L重型車用柴油機(jī)采用開(kāi)放式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，油氣分離采用“預(yù)分離+主分離”的分離方案。主分離采用免維護(hù)式外掛主分離器，分離效率大約為50%～70%；這樣就要求預(yù)分離需要將最大機(jī)油攜出量控制在2 g/h以內(nèi)，才能滿足設(shè)計(jì)要求，保證最終最大機(jī)油攜出量控制在1.0 g/h以內(nèi)。2.8L柴油機(jī)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 2.8L柴油機(jī)性能參數(shù)

1.1 原機(jī)方案

原機(jī)預(yù)分離采用的是“迷宮式”結(jié)構(gòu)，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得預(yù)分離后最大機(jī)油攜出量在9.0 g/h左右，距離2.0 g/h的目標(biāo)值差距較大。原機(jī)預(yù)分離方案示意圖如圖1所示。

圖1 原機(jī)預(yù)分離方案示意圖

1.2 優(yōu)化方案

經(jīng)過(guò)分析決定，將油氣預(yù)分離器改為“孔板撞擊式”結(jié)構(gòu)。孔板撞擊式油氣分離器主要利用油滴的慣性和撞擊實(shí)現(xiàn)分離，當(dāng)油氣經(jīng)過(guò)孔板時(shí)，油氣流動(dòng)速度加快，較大的油滴通過(guò)慣性作用撞擊在擋板上被吸附下來(lái)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，孔板撞擊式油氣預(yù)分離器的整體壓損要求控制在0.5 kPa以內(nèi)；入口位置選擇在油氣比較穩(wěn)定的位置，盡量避免與凸輪軸、搖臂等運(yùn)動(dòng)件正對(duì)；入口流速要求小于2 m/s。

根據(jù)孔板式油氣分離器的設(shè)計(jì)要求，以及2.8L柴油機(jī)的邊界限制，采用Pro E繪圖軟件對(duì)其進(jìn)行三維模型的建立。優(yōu)化后預(yù)分離方案示意圖如圖2所示。油氣從最左端進(jìn)入；經(jīng)由三組孔板結(jié)構(gòu)進(jìn)行油氣分離；最后油氣從最右側(cè)出口排出，排出的油氣將進(jìn)入外掛主分離器。本文對(duì)外掛主分離器不做研究，因此對(duì)外掛主分離器不做介紹。

圖2 優(yōu)化后預(yù)分離方案示意圖

2 CFD模擬仿真分析

曲軸箱氣體中包括氣體和液體成份，其中液態(tài)粒子組成相當(dāng)復(fù)雜，且各款發(fā)動(dòng)機(jī)差別較大，在無(wú)法獲得其目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱混合氣中液態(tài)粒子狀態(tài)的情況下，離散相油滴粒子流動(dòng)計(jì)算對(duì)于油氣分離器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義不大。針對(duì)本文研究對(duì)象，我們僅進(jìn)行連續(xù)相氣態(tài)流動(dòng)模擬計(jì)算，作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)，最終分離效果采用試驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 計(jì)算原理

連續(xù)相流動(dòng)控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程，湍動(dòng)能方程和湍動(dòng)能耗散率方程。這些控制方程的通用格式為：

式中：φ為通用變量，可以代表3個(gè)速度分量u、v、w，溫度T，湍動(dòng)能k或湍流耗散率ε等求解變量，Г為廣義擴(kuò)散系數(shù)，S為廣義源項(xiàng)[3]。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型只適用于湍流充分發(fā)展的高雷諾數(shù)湍流流動(dòng)，對(duì)于低雷諾數(shù)的近壁區(qū)域，必須采用特殊的處理方式。文中采用了標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法來(lái)求解近壁區(qū)內(nèi)流動(dòng)問(wèn)題。

2.2 邊界條件設(shè)定

試驗(yàn)用2.8L國(guó)六柴油機(jī)額定點(diǎn)活塞漏氣量為35 L/min，該發(fā)動(dòng)機(jī)尚未進(jìn)行耐久試驗(yàn)，為保證在全壽命狀態(tài)下油氣預(yù)分離器處理能力都能滿足設(shè)計(jì)要求，在CFD計(jì)算過(guò)程中將活塞漏氣量設(shè)定為60 L/min，預(yù)留足夠裕度，防止由于一致性或者長(zhǎng)時(shí)間使用損耗而造成活塞漏氣量增加的情況下，造成油氣分離器分離效果惡化。邊界條件設(shè)定如表2所示。

表2 邊界條件設(shè)定

2.3 油氣分離器網(wǎng)格模型

在進(jìn)行CFD計(jì)算前需要對(duì)模型進(jìn)行處理，將油氣分離器內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域抽殼出來(lái)，然后將抽殼出來(lái)的三維模型導(dǎo)入Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。網(wǎng)格的質(zhì)量影響著計(jì)算的收斂性，質(zhì)量越好，收斂性越好、計(jì)算精度越高。本項(xiàng)目采用多面體體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，網(wǎng)格數(shù)量控制在100×104左右為宜，既保證計(jì)算精度，又能保證計(jì)算速度不會(huì)過(guò)慢。最終網(wǎng)格數(shù)量為1 012 487個(gè)。網(wǎng)格模型如圖3所示。

2.4 仿真計(jì)算結(jié)果

圖3 網(wǎng)格模型

將處理好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Star ccm+軟件內(nèi)，進(jìn)行CFD仿真計(jì)算。通過(guò)計(jì)算得到油氣分離器內(nèi)的整體流速、壓力分布以及進(jìn)出口壓損。

圖4為油氣分離器內(nèi)部壓力分布情況，從分析結(jié)果來(lái)看，壓力損失主要集中在孔板的位置，其他位置有一定壓損，但相對(duì)較小。入口到出口的整體壓損為195 Pa，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5為油氣分離器內(nèi)部空氣流速分布情況，從分析結(jié)果來(lái)看，入口流速0.5 m/s左右，孔板位置流速3～4 m/s左右，其他位置流速基本都在1.0 m/s以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 壓力分布

圖5 流速分布

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化方案確定后，采用3D打印的方法進(jìn)行樣件試制，材料選擇PA6-GF30，加工精度±0.1 mm，材料耐溫150℃，可以滿足試驗(yàn)要求。

3.1 測(cè)試設(shè)備及其原理

傳統(tǒng)機(jī)油攜出量測(cè)試方法，采用集油瓶方式對(duì)機(jī)油攜出量進(jìn)行測(cè)量，誤差較大。本文采用絕對(duì)濾芯測(cè)量法，通過(guò)絕對(duì)濾芯對(duì)廢氣內(nèi)的機(jī)油及其他成份進(jìn)行過(guò)濾，過(guò)濾效率高達(dá)99%，這其中也包括水分。過(guò)濾完成后將濾芯取出，放入專業(yè)烘干爐內(nèi)烘干24小時(shí)，將其中的水分蒸發(fā)掉，最終測(cè)得濾芯的增重質(zhì)量，即為預(yù)分離后油氣中的機(jī)油攜出量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

在對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行試驗(yàn)前，首先對(duì)原機(jī)方案進(jìn)行測(cè)量，確認(rèn)發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)的穩(wěn)定性。試驗(yàn)測(cè)得原機(jī)方案預(yù)分離后機(jī)油攜出量為9.124 g/h，證明發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)穩(wěn)定，可進(jìn)行優(yōu)化方案測(cè)試。對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行測(cè)量，工況為漏氣量最大的標(biāo)定點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定后持續(xù)測(cè)量30 min，烘干后濾芯增重0.931 g，折算后結(jié)果為1.862 g/h，滿足設(shè)計(jì)要求。原機(jī)方案與優(yōu)化方案結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

1）重型柴油機(jī)排放法規(guī)升級(jí)到國(guó)六后，油氣分離器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度進(jìn)一步加大，可靠性、排放、成本等問(wèn)題難以平衡。在能夠滿足排放要求的前提下，開(kāi)放式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)在成本、可靠性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2）根據(jù)作者長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，“預(yù)分離+主分離”是解決開(kāi)放式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)排放問(wèn)題比較理想的方案，但傳統(tǒng)“迷宮式預(yù)分離”方案已經(jīng)無(wú)法滿足要求，新型“孔板撞擊式”預(yù)分離結(jié)構(gòu)能夠較好地解決預(yù)分離問(wèn)題。