高強(qiáng)化柴油機(jī)迷宮式油氣分離器結(jié)構(gòu)影響研究

蘇鑫朋,景國(guó)璽,孫秀秀,于會(huì)超,趙偉程,文洋

(1.河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300400;2.天津市新能源汽車動(dòng)力傳動(dòng)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300400;3.河北華北柴油機(jī)有限責(zé)任公司,河北 石家莊 050081;4.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津),天津 300406)

2019年實(shí)施的《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第六階段)》對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)做出了更加嚴(yán)格的要求,開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)污染物評(píng)價(jià)方法規(guī)定,要將曲軸箱排放與尾氣排放一起進(jìn)行測(cè)試,曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)面臨巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),竄氣會(huì)從活塞環(huán)與氣缸壁間隙流入曲軸箱,竄氣主要由0.1～10 μm的油氣混合顆粒、灰塵和氣體等組成。活塞噴油冷卻、曲軸攪動(dòng)機(jī)油等均會(huì)產(chǎn)生油氣混合顆粒。如果不能將竄氣及時(shí)排出,曲軸箱內(nèi)的壓力會(huì)異常升高,進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放、機(jī)油消耗,甚至引起管路斷裂和冒機(jī)油現(xiàn)象[1-2]。開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的作用是將竄氣過(guò)濾,并將符合排放要求的氣體排入大氣中,而油氣分離器就是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中過(guò)濾竄氣的關(guān)鍵部件,竄氣經(jīng)過(guò)油氣分離器后,竄氣中的機(jī)油被分離出來(lái)返回油底殼中,相對(duì)干凈的氣體會(huì)從油氣分離器中排出。

常見的被動(dòng)式油氣分離器主要有三種:第一種是依靠混合氣中空氣和油滴慣性不同進(jìn)行撞擊分離的迷宮式(碰撞式)油氣分離器;第二種是依靠離心力將油滴從混合氣中分離出來(lái)的旋風(fēng)式油氣分離器;第三種是依靠纖維、多孔介質(zhì)等材料進(jìn)行油氣分離的過(guò)濾式油氣分離器[3]。其中迷宮式油氣分離器具有壓力損失小、可靠性高、成本低的特點(diǎn),適用于絕大多數(shù)柴油機(jī)的預(yù)分離,特別是在大功率、高竄氣量柴油機(jī)上,其壓力損失小的特點(diǎn)更能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)分離需求,預(yù)分離后的混合氣中通常僅含小粒徑油滴,而小粒徑油滴的分離則依靠精濾組件來(lái)完成。

針對(duì)迷宮式油氣分離器的結(jié)構(gòu),許多學(xué)者開展過(guò)相關(guān)研究。廣西大學(xué)的陸永卷等[4]對(duì)某迷宮式油氣分離器在不同竄氣量、不同溫度及不同出口背壓條件下各項(xiàng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率和壓力損失的影響進(jìn)行了研究。楊德定等[5]通過(guò)仿真的方法對(duì)某氣缸罩迷宮式油氣分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化,通過(guò)改變結(jié)構(gòu)優(yōu)化氣體運(yùn)動(dòng)路徑,提高了其在40 L/min竄氣量下的分離效率。北汽研究院的程霖等[6]針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上的迷宮式油氣分離器在25 L/min竄氣量條件下進(jìn)行了研究,通過(guò)整機(jī)試驗(yàn)的方法,發(fā)現(xiàn)合理改變精濾和粗濾孔數(shù)量可以提升油氣分離器性能。Gerd Kissner等[7]研究了碰撞式油氣分離器中混合氣進(jìn)氣流量與操作壓力對(duì)油氣分離器性能的影響。Murat Gokten和Goktan Kurnaz等[8]研究了某氣缸罩撞擊式油氣分離器結(jié)構(gòu),確定了其內(nèi)部油霧濃度,并確定了在此濃度下油氣分離器最優(yōu)結(jié)構(gòu)。關(guān)于迷宮式油氣分離器結(jié)構(gòu)的研究,絕大多數(shù)研究是針對(duì)中低竄氣量(<100 L/min)發(fā)動(dòng)機(jī)開展的,在低竄氣量下混合氣的速度相對(duì)較慢,而在高竄氣量下,進(jìn)氣速度變快時(shí),針對(duì)迷宮式油氣分離器結(jié)構(gòu)對(duì)性能產(chǎn)生何種影響以及影響程度的研究則相對(duì)匱乏。

本研究以某大功率柴油機(jī)迷宮式油氣分離器為對(duì)象,采用CFD仿真與整機(jī)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)迷宮式油氣分離器三項(xiàng)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率和壓力損失的影響進(jìn)行研究,確定了主要影響因素及影響規(guī)律,研究結(jié)果對(duì)迷宮式油氣分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 油氣分離器結(jié)構(gòu)

本研究中的油氣分離器的結(jié)構(gòu)見圖1,該油氣分離器主要由進(jìn)氣口、出氣口、儲(chǔ)油槽、回油口和過(guò)濾孔板組成,該油氣分離器設(shè)置有3塊過(guò)濾孔板。在傳統(tǒng)的迷宮式油氣分離器中,分離單元一般為一塊孔板后設(shè)置一塊擋板[9-11],這種結(jié)構(gòu)的迷宮式油氣分離器一般具有較大的空間尺寸。本研究的油氣分離器分離單元為3塊多孔板,通過(guò)在縱向方向上將3塊孔板上的孔交錯(cuò)布置,使后一塊孔板的壁面充當(dāng)了傳統(tǒng)迷宮分離器分離單元中擋板的作用,在縮減油氣分離器尺寸、減小制作成本的同時(shí)還能夠延長(zhǎng)混合氣運(yùn)動(dòng)路徑和時(shí)間,增大混合氣撞擊壁面的概率。根據(jù)油氣分離器模型加工樣件,油氣分離器結(jié)構(gòu)剖視圖見圖2,油氣分離器實(shí)物樣件見圖3。

圖2 油氣分離器結(jié)構(gòu)剖視圖 圖3 油氣分離器實(shí)物樣件

2 油氣分離器仿真分析

2.1 仿真模型及網(wǎng)格

使用star-ccm+對(duì)油氣分離器進(jìn)行仿真分析,仿真使用的是兩相流模型,第一相為連續(xù)相空氣,第二相為離散相油滴,連續(xù)相使用RNGk-ε湍流模型,離散相使用Lagrange模型,壁面條件選擇satoh模型[12]。油氣分離器所搭載的柴油機(jī)功率較大,根據(jù)實(shí)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞竄氣量數(shù)據(jù),設(shè)置入口竄氣量為150 L/min,出口壓力為101 kPa。油氣分離器入口流入的油滴可以視為材料顆粒,試驗(yàn)測(cè)得的機(jī)油溫度為89 ℃,此溫度下油滴顆粒的密度為880 kg/m3。

對(duì)油氣分離器一些無(wú)關(guān)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化,對(duì)過(guò)濾孔處以及其他尺寸較小的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密處理,采用多面體網(wǎng)格對(duì)油氣分離器進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格基準(zhǔn)尺寸為2 mm,壁面邊界層為4層。網(wǎng)格數(shù)量為57萬(wàn)左右,不同結(jié)構(gòu)油氣分離器網(wǎng)格數(shù)量大體相近,油氣分離器網(wǎng)格模型如圖4所示。多孔板處網(wǎng)格加密尺寸為0.5 mm,如圖4中放大部分所示。

圖4 油氣分離器網(wǎng)格

2.2 油氣分離器方案設(shè)計(jì)

影響迷宮式油氣分離器性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有孔板間距、孔板過(guò)濾孔孔徑、孔板過(guò)濾孔數(shù)量,其中孔板間距主要由油氣分離器縱向尺寸決定,一般來(lái)說(shuō)多孔板間間距在4～10 mm之間較為適宜[13-14],而過(guò)濾孔數(shù)量的改變會(huì)影響過(guò)濾孔排布方式,孔板上過(guò)濾孔的數(shù)量與過(guò)濾孔孔徑大小共同決定了一塊過(guò)濾孔板的流動(dòng)面積。過(guò)濾孔板的流通面積與過(guò)濾孔板總面積之比稱為開孔率(ε),定義為

(1)

式中:Sh為過(guò)濾孔板總開孔面積;Sp為過(guò)濾孔板截面積。

為確保油氣混合氣進(jìn)入油氣分離器后能充分撞擊壁面,同時(shí)不產(chǎn)生較大壓力損失,孔板開孔率需要合理設(shè)置,根據(jù)都躍良的研究[15]可以知道多孔板的阻力系數(shù)與開孔率存在如下關(guān)系:

(2)

式中:ξ為多孔板阻力系數(shù);ε為多孔板開孔率。

根據(jù)阻力關(guān)系式,結(jié)合油氣分離器搭載發(fā)動(dòng)機(jī)功率大、活塞竄氣量大的特點(diǎn),允許油氣分離器壓力損失范圍大,本次油氣分離器阻力系數(shù)在100～300即可,因此可確定多孔板開孔率的范圍在5%～10%較為適宜。以此為基礎(chǔ),根據(jù)本次油氣分離器竄氣量較大的特點(diǎn),需要在各孔板上開較多數(shù)量的過(guò)濾孔,同時(shí)要保證竄氣在穿過(guò)孔板時(shí)速度既不小于撞壁分離臨界速度,又不帶來(lái)過(guò)大的壓力損失,因此孔徑要適宜。結(jié)合具體尺寸對(duì)過(guò)濾孔板上過(guò)濾孔數(shù)量和過(guò)濾孔孔徑進(jìn)行了設(shè)計(jì),具體仿真方案見表1:方案1、2、3用以研究孔徑對(duì)油氣分離器性能的影響;方案2、4、5用以研究孔板間距對(duì)油氣分離器性能的影響;方案2、6、7用以研究孔板孔數(shù)對(duì)油氣分離器性能的影響。

表1 油氣分離器仿真方案

2.3 油氣分離器仿真結(jié)果

通過(guò)對(duì)7種方案進(jìn)行仿真分析,得到了不同油氣分離器結(jié)構(gòu)的壓力損失和分離效率。壓力損失結(jié)果見圖5,從圖5可以看出,方案3的壓力損失最大,為555.8 Pa,而方案1的壓力損失最小,為438.1 Pa,兩者相差117.7 Pa,說(shuō)明改變油氣分離器結(jié)構(gòu)對(duì)壓力損失影響較大。對(duì)比方案1、2、3可以發(fā)現(xiàn),過(guò)濾孔孔徑對(duì)油氣分離器壓力損失影響程度最大;對(duì)比方案2、4、5可以發(fā)現(xiàn)孔板間距對(duì)壓力損失的影響程度很小;對(duì)比方案2、6、7可以發(fā)現(xiàn),孔板孔數(shù)對(duì)壓力損失影響程度一般。分離效率結(jié)果如圖6所示,不同方案的油氣分離器分離效率呈現(xiàn)明顯差異,方案3的分離效率最高,為73.5%,而方案7的分離效率最低,為47.1%,兩者相差26.4%,可見油氣分離器結(jié)構(gòu)與分離效率之間存在較強(qiáng)關(guān)聯(lián)。對(duì)比方案1、2、3可以發(fā)現(xiàn),方案2與方案3相差很小,而方案1則遠(yuǎn)小于2、3;對(duì)比方案2、4、5可以發(fā)現(xiàn),孔板間距對(duì)分離效率影響顯著,3種方案間分離效率變化規(guī)律明顯;對(duì)比方案2、6、7可以發(fā)現(xiàn),方案6略小于方案2,而方案7則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于方案2,說(shuō)明孔板孔數(shù)對(duì)分離效率同樣影響較大。

圖5 油氣分離器各方案壓力損失

圖6 油氣分離器各方案分離效率

不同方案間壓力損失與分離效率存在差異,究其原因,由于孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變,竄氣在油氣分離器中的速度會(huì)不同,同時(shí)移動(dòng)路徑也會(huì)不同,因此不同方案間壓力損失存在差異。而速度的不同和路徑的不同又會(huì)使得竄氣撞擊壁面的概率不同,從而影響分離效率。從圖中可以發(fā)現(xiàn),油氣分離器壓力損失與分離效率基本呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,即壓力損失越大分離效率也越高,這是因?yàn)榛旌蠚庠诿詫m中繞行穿過(guò)過(guò)濾孔時(shí),氣體的壓力會(huì)轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,使混合氣加速撞擊壁面,進(jìn)而提升分離效率。在油氣分離器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程中,應(yīng)盡可能在保持更高分離效率的情況下降低壓力損失值,迷宮式油氣分離器作為預(yù)分離(粗分離)的主要部件,需要確保一定的分離效率,因此在油氣分離器評(píng)估設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮分離效率,在分離效率相差不大的情況下,則考慮壓力損失情況。

2.4 過(guò)濾孔板孔徑影響研究

通過(guò)對(duì)比圖5和圖6中方案1、方案2和方案3的區(qū)別,可以看到隨著孔板孔徑的減小油氣分離器的壓力損失在逐漸增大,孔徑從6 mm減小到5 mm,壓力損失僅增加了28.8 Pa,而孔徑從5 mm減小到4 mm時(shí),壓力損失增加了88.9 Pa。從分離效率的角度來(lái)看,孔徑從6 mm減小到5 mm后,分離效率提升了14.7%,而孔徑從5 mm減小到4 mm,分離效率僅提升了1%。圖7示出方案1、方案2、方案3的速度云圖。從圖7可以看到,方案1中混合氣穿過(guò)孔板時(shí)的速度要小于方案2和方案3,而方案2的速度小于方案3。在satoh壁面模型中,油滴能否被分離取決于撞壁時(shí)油滴與壁面截面的法向速度[16],由于方案1中混合氣撞擊下一塊孔板時(shí)的速度未達(dá)到使油滴能夠分離的最低速度,而方案2和方案3中均達(dá)到了此速度,因此方案1的分離效率要明顯小于方案2和方案3,而方案2和方案3則非常接近。同時(shí)由于混合氣穿過(guò)過(guò)濾孔時(shí)氣體壓力會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,因此過(guò)濾孔越小,所產(chǎn)生的動(dòng)能越大,壓力損失也越大,所以隨著孔徑的減小,壓力損失不斷增加。

圖7 不同孔徑方案速度云圖

2.5 過(guò)濾孔板間距影響研究

將方案2、方案4、方案5進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),3個(gè)方案的壓力損失非常接近,這主要是由于在迷宮式油氣分離器中,壓力損失的主要來(lái)源是混合氣穿過(guò)過(guò)濾孔板時(shí)壓力轉(zhuǎn)換為動(dòng)能,而在迷宮中流動(dòng)所產(chǎn)生的沿程壓力損失是非常小的,因此在過(guò)濾孔孔徑相同的前提下,過(guò)濾孔板間距的小幅增加或減少并不會(huì)使壓力損失產(chǎn)生較大波動(dòng)。從分離效率的角度來(lái)看,方案2的分離效率為72.5%,大于方案4的60.6%和方案5的54.2%,可以看到隨著孔板間距的增加分離效率在不斷降低。圖8示出方案2、方案4、方案5的速度云圖,隨著孔板間距的增加,混合氣在穿過(guò)孔板后的運(yùn)動(dòng)距離增加,當(dāng)混合氣在迷宮中繞行時(shí),由于油滴粒子質(zhì)量更大,慣性也更大,更不容易轉(zhuǎn)向,因此會(huì)撞擊壁面被分離,而孔板間距的增加給了油滴粒子更多的轉(zhuǎn)向時(shí)間與距離,因此更容易跟隨氣體運(yùn)動(dòng),所以分離效率會(huì)降低。總結(jié)來(lái)說(shuō),在孔板間距5～10 mm的范圍內(nèi),縮小孔板間距能夠提升分離效率。

圖8 不同孔板間距方案速度云圖

2.6 過(guò)濾孔板孔數(shù)影響研究

方案2中3塊孔板平均開孔數(shù)為37個(gè),開孔率為6%左右;方案6中3塊孔板平均開孔數(shù)為32個(gè),開孔率為5%左右;方案7中3塊孔板的平均開孔數(shù)為42個(gè),平均開孔率為7%左右。對(duì)比方案2、方案6和方案7的壓力損失和分離效率值,可以看出,隨著開孔數(shù)的增加壓力損失在不斷降低,這主要是由于開孔數(shù)增加,混合氣穿過(guò)單個(gè)孔板上單個(gè)過(guò)濾孔的流量會(huì)下降,因此產(chǎn)生的壓力損失就會(huì)更小。從分離效率的角度來(lái)看,方案2的分離效率為72.5%,方案6的分離效率為65.9%,方案7的分離效率為47.1%,分離效率隨著開孔數(shù)的增加呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢(shì)。圖9示出方案2、方案6和方案7的速度云圖。方案7中過(guò)濾孔較多,單個(gè)孔中通過(guò)流量變小,混合氣穿過(guò)孔板的速度要明顯小于方案2和方案6,因此方案7中混合氣撞擊壁面時(shí),更多的油滴未達(dá)到分離所需最低速度,因此分離效率較低。圖10示出方案2和方案6粒子運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖10可以看到,方案6在減少孔板孔數(shù)后,在流體域內(nèi)產(chǎn)生了一些旋流,旋流導(dǎo)致粒子不能順利地撞擊壁面,而是在原地消耗動(dòng)能,導(dǎo)致分離效率降低。因此過(guò)濾孔板孔數(shù)應(yīng)合理設(shè)置,在高竄氣量下,過(guò)濾孔板開孔率推薦為6%左右。

圖9 不同孔數(shù)方案速度云圖

圖10 不同孔數(shù)方案粒子運(yùn)動(dòng)軌跡

3 油氣分離器試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

為了驗(yàn)證上文所得結(jié)論的正確性,將在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上對(duì)油氣分離器進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。對(duì)油氣分離器方案1至方案7進(jìn)行樣件加工與整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)過(guò)程僅更換不同孔板及調(diào)整間距。

試驗(yàn)中使用的主要測(cè)量設(shè)備見表2。為了減小偶然誤差,進(jìn)行多次試驗(yàn),結(jié)果取平均值。

表2 油氣分離器整機(jī)試驗(yàn)測(cè)量設(shè)備

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)結(jié)果中各方案油氣分離器壓力損失均大于仿真壓力損失,除方案1外,其他方案分離效率均低于仿真分離效率。其原因是仿真中是理想情況,壁面光滑,且混合氣含油量固定,而實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)工況則更加復(fù)雜。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,得到的油氣分離器結(jié)構(gòu)與性能變化規(guī)律基本一致,方案3壓力損失最大、分離效率最高,方案7壓力損失最小、分離效率最低。對(duì)比方案1、2、3可以發(fā)現(xiàn),隨著孔徑減小,壓力損失與分離效率均在增加;對(duì)比方案2、4、5可以發(fā)現(xiàn),隨著孔板間距的提升分離效率在下降,而壓力損失方案2要高于方案4、5,方案4、5非常接近;對(duì)比方案2、6、7可以發(fā)現(xiàn),方案2分離效率最高,而方案7分離效率最低,方案6壓力損失最大,方案7壓力損失最小。綜上所述,試驗(yàn)結(jié)果成功驗(yàn)證了仿真所得結(jié)論的正確性。

表3 油氣分離器試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

a) 在高竄氣量條件下,迷宮式油氣分離器結(jié)構(gòu)中對(duì)壓力損失影響最大的是過(guò)濾孔板上過(guò)濾孔孔徑,其次是過(guò)濾孔數(shù)量和過(guò)濾孔板間距,而對(duì)分離效率影響最大的是過(guò)濾孔數(shù)量,其次是過(guò)濾孔板間距和過(guò)濾孔孔徑;

b) 在高竄氣量下,油氣分離器壓力損失和分離效率均隨著過(guò)濾孔孔徑減少而增大;在5～10 mm范圍內(nèi)孔板間距對(duì)壓力損失影響不大,分離效率隨著孔板間距的增加而減少;對(duì)于孔板孔數(shù)來(lái)說(shuō),孔板孔數(shù)越多,壓力損失越小,而分離效率則在孔數(shù)適中時(shí)最高,孔數(shù)的增加和減少均會(huì)使分離效率下降;確定該油氣分離器過(guò)濾孔孔徑為5 mm左右,孔板間距為5 mm左右,孔板開孔率在6%左右時(shí)最為適宜。