發(fā)動機(jī)油氣分離器回油功能優(yōu)化

于貴芙，宮曉娥，梁立，孫洪嶺

(華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處，遼寧沈陽 110141)

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發(fā)動機(jī)油氣分離器回油功能優(yōu)化

于貴芙，宮曉娥，梁立，孫洪嶺

(華晨汽車工程研究院動力總成設(shè)計處，遼寧沈陽 110141)

針對某款增壓發(fā)動機(jī)油氣分離器初始方案在5 500 r/min滿負(fù)荷工況下功能失效，曲軸箱竄氣攜帶可視機(jī)油流的問題，通過對原結(jié)構(gòu)失效原因的排查分析，提出針對每個失效點的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計方案，并在損失一定分離效率的前提下，解決了原油氣分離器方案失效問題，達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)要求。

發(fā)動機(jī)； 油氣分離器；回油結(jié)構(gòu)

0 引言

如圖1所示,曲軸箱竄氣是發(fā)動機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中燃燒室氣體通過氣門導(dǎo)管、活塞及活塞環(huán)與缸體之間間隙進(jìn)入發(fā)動機(jī)曲軸箱而產(chǎn)生的；廢氣渦輪增壓發(fā)動機(jī)有一小部分曲軸箱竄氣是燃燒室廢氣通過渦輪增壓器回油結(jié)構(gòu)進(jìn)入發(fā)動機(jī)曲軸箱產(chǎn)生。

圖1曲軸箱竄氣產(chǎn)生原理圖

依據(jù)目前排放要求，發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)竄氣最終將進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)參與燃燒。但曲軸箱竄氣攜帶了大量機(jī)油顆粒，其中既包括以竄氣形式將機(jī)油吹過間隙形成的小顆粒機(jī)油和以蒸發(fā)形式存在的小顆粒機(jī)油，也包括以壁面油膜形式和飛濺形成的大顆粒機(jī)油[1]。這些機(jī)油顆粒如全部直接進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒室參與燃燒將引起發(fā)動機(jī)排放物不達(dá)標(biāo)，為避免該問題則需要在曲軸箱通風(fēng)管路中串入油氣分離器，將竄氣攜帶機(jī)油顆粒進(jìn)行分離并回收[2]。伴隨排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，對油氣分離器的分離效率要求也越來越高，但前提是分離器能否有效將分離出的機(jī)油回收并返回發(fā)動機(jī)油底殼。

1 油氣分離器分離原始方案

某款直噴增壓發(fā)動機(jī)概念樣機(jī)階段油氣分離器設(shè)計方案(見圖2)為布置在氣門室罩進(jìn)氣凸輪軸上方，曲軸箱竄氣經(jīng)由發(fā)動機(jī)內(nèi)部曲軸箱通道進(jìn)入油氣分離器竄氣入口。攜帶機(jī)油顆粒的曲軸箱竄氣在進(jìn)入油氣分離器后將先進(jìn)入擋板迷宮粗分離結(jié)構(gòu)，部分機(jī)油顆粒在慣性力作用下分離到擋板上。分離后竄氣沿切線方向高速進(jìn)入旋風(fēng)分離結(jié)構(gòu)利用離心力進(jìn)一步分離，從旋風(fēng)分離器內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣體中甩出的機(jī)油顆粒將分離到旋風(fēng)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面[3]。所有從曲軸箱竄氣中分離出的機(jī)油沿壁面依靠重力回收，并返回發(fā)動機(jī)油底殼。

圖2 概念樣機(jī)階段油氣分離器方案原理圖

如表1所示，概念樣機(jī)階段油氣分離器方案分離效率非常高，在設(shè)計最大竄氣量45 L/min條件下模擬壓損結(jié)果為513 Pa。原概念樣機(jī)階段方案樣件搭載標(biāo)定樣機(jī)時綜合工況6 h油氣分離器后竄氣攜帶機(jī)油26.9 g，約4.5 g/h，5 500 r/min滿負(fù)荷工況、原機(jī)油上限、發(fā)動機(jī)2 h后機(jī)油壓力報警，機(jī)油低于下限。由于之前油氣分離器CFD計算結(jié)果分離效率應(yīng)滿足設(shè)計要求，初步推斷原概念樣機(jī)階段油氣分離器樣件回油功能失效，導(dǎo)致機(jī)油消耗異常。

表1 概念樣機(jī)階段油氣分離器CFD計算分離效率結(jié)果

2 失效原因分析

對油氣分離器粗分離回油結(jié)構(gòu)使用CFD計算軟件分析油氣分離器在最大竄氣量時(45 L/min)流場如圖3所示[4]，圓圈位置為油氣分離器第一個回油點。根據(jù)流場分析結(jié)果，在該回油點位置流速約為8 m/s，遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，原本設(shè)計在該點返回曲軸箱內(nèi)部的機(jī)油會被竄氣以液體形態(tài)攜帶至下一個結(jié)構(gòu)(精分離入口)，無法返回油底殼。

圖3 粗分離結(jié)構(gòu)回油點流場分析

粗分離結(jié)構(gòu)后為旋風(fēng)結(jié)構(gòu)入口，由于最初方案考慮提高旋風(fēng)分離結(jié)構(gòu)分離效率，在旋風(fēng)結(jié)構(gòu)前設(shè)計了逐漸縮窄的擠氣入口結(jié)構(gòu)，如圖4所示擠氣結(jié)構(gòu)空間內(nèi)竄氣速度逐漸增高，并最終提至20 m/s。在前一個粗分離結(jié)構(gòu)未能返回曲軸箱內(nèi)的機(jī)油將通過該擠氣結(jié)構(gòu)進(jìn)入旋風(fēng)精分離內(nèi)。

圖4 旋風(fēng)結(jié)構(gòu)入口流場分析

精分離結(jié)構(gòu)為旋風(fēng)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)底部回油點與曲軸箱內(nèi)部由于竄氣流動而形成一定的壓力差，分離出的機(jī)油需依靠自身重力克服回油點的壓力差才能返回曲軸箱內(nèi)。一般回油結(jié)構(gòu)會設(shè)計一定高度的回油管，回油管內(nèi)液位高度決定了該點可以克服的壓力差值。圖5所示為120 ℃時不同回油液位高度可以克服的最大壓力差[5]，根據(jù)之前流場計算結(jié)果油氣分離器旋風(fēng)結(jié)構(gòu)與曲軸箱壓力差值為513 Pa，故最初設(shè)計了約60 mm高的回油管。但實際試驗過程中發(fā)現(xiàn)油氣分離器樣件入口出口壓力差在800 Pa以上，即至少需要100 mm以上的回油管結(jié)構(gòu)才能滿足回油高度要求。

圖5 回油液位高度與克服壓力差的關(guān)系

通過以上分析，初始油氣分離器設(shè)計方案在回油點的布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計上均存在優(yōu)化空間。

3 改進(jìn)優(yōu)化

針對前文油氣分離器回油失效原因的分析結(jié)果，設(shè)計改進(jìn)優(yōu)化方案如圖6所示，在原粗分離結(jié)構(gòu)前增加一個回油收集點，來分散每個回油點的回油量壓力。通過為回油點增加下沉的回油池來收集分離后機(jī)油，其下沉結(jié)構(gòu)可以避開竄氣流通區(qū)域，提高每個回油點實際工作效果。取消原旋風(fēng)分離結(jié)構(gòu)前的擠氣結(jié)構(gòu)，改為穩(wěn)壓區(qū)域，如圖7所示，原擠氣結(jié)構(gòu)使用一個小的導(dǎo)向板替代，新增的穩(wěn)壓區(qū)域可以減小之前方案機(jī)油被逐漸增快的竄氣攜帶入旋風(fēng)結(jié)構(gòu)的風(fēng)險。

圖6 改進(jìn)優(yōu)化方案油氣分離器原理圖

圖7 優(yōu)化后旋風(fēng)結(jié)構(gòu)入口穩(wěn)壓區(qū)

為保證旋風(fēng)結(jié)構(gòu)的回油能力，通過減小該點與曲軸箱壓力差值重新優(yōu)化設(shè)計各細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后3個方案CFD計算壓損見圖8，通過優(yōu)化設(shè)計后油氣分離器壓差明顯降低，考慮到原始方案CFD計算結(jié)果和實物相差1倍以上，因此優(yōu)化后油氣分離器設(shè)計目標(biāo)值盡可能小，避免回油管高度不足。但油氣分離器壓損的降低帶來的是分離效率的明顯下降，計算分離效率如圖9所示，優(yōu)化后方案對5 μm以下油滴顆粒的分離能力明顯下降，同比可發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案三相對分離效率較高。

圖8 各方案壓差

圖9 各方案分離效率

4 方案優(yōu)化結(jié)果

制作方案三快速樣件并進(jìn)行實物進(jìn)出口壓力降測量，在30 L/min流量下油氣分離器樣件壓降值169 Pa，在50 L/min流量下油氣分離器樣件壓降值403 Pa。優(yōu)化后方案旋風(fēng)回油管高度滿足油氣分離器實物壓差。在發(fā)動機(jī)上進(jìn)行臺架試驗，優(yōu)化后方案在5 500 r/min滿負(fù)荷工況下油氣分離器出口曲軸箱竄氣已無可視油流，其攜帶機(jī)油量經(jīng)檢測為0.8 g/h，綜合工況油氣分離器出口曲軸箱竄氣攜帶機(jī)油量由優(yōu)化前的4.5 g/h減少至0.5 g/h以內(nèi)。雖然優(yōu)化后油氣分離器設(shè)計分離效率降低，但實際分離回油效果明顯改善，也達(dá)到了分離器出口曲軸箱竄氣攜帶機(jī)油量小于2 g/h的目標(biāo)值[6]。

5 結(jié)束語

通過對存在問題的油氣分離器初版方案進(jìn)行回油點流場、結(jié)構(gòu)、布置及油氣分離器壓力降的優(yōu)化折中設(shè)計，在損失一定分離效率的前提下解決了油氣分離器回油失效問題。

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【4】CDAJ CHINA.STAR-CCM+基礎(chǔ)培訓(xùn)教程[OL].

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【6】肖姍姍,韓廣華,韓玉偉,等.某增壓直噴汽油發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)失效的分析和解決[J].小型內(nèi)燃機(jī)與車輛技術(shù),2015,44(3):52-55. XIAO S S,HAN G H,HAN Y W,et al.Failure Analysis and Solution of Crankcase Ventilation System for Boost Pressure in TGDI Engine[J].Small Internal Combustion Engine and Motorcycle,2015,44(3):52-55.

Optimization of Oil Return Function of Engine Oil Separator

YU Guifu,GONG Xiaoe, LIANG Li, SUN Hongling

(Power Train Design Section, Brilliance Auto R & D Center, Shenyang Liaoning 110141,China)

For oil separator function failed that crankcase gas carried visible oil flow in 5 500 r/min, through failure reason investigation and analysis for the original structure, optimization scheme was proposed for each failure point. In the premise of losing certain separation efficiency, the oil separator problem was solved, the design target was reached.

Engine; Oil separator; Oil return structure

2016-08-10

于貴芙(1983—)，男，碩士，目前從事發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)件及曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計工作。E-mail：guifu.yu@brilliance-auto.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.009

U464

A

1674-1986(2016)11-040-03