迷宮式油氣分離器運行參數(shù)對分離性能影響的試驗研究

余俊波，莫春蘭，吳胡勝，汪章潔

（廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

油氣分離器是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的重要部分[1]，其性能直接關(guān)系到發(fā)動機的污染物排放水平。為衡量迷宮式油氣分離器的分離性能，本文研究運行參數(shù)（竄氣量）對油氣分離性能的影響，進行了氣體機油氣分離器性能臺架試驗。

1 迷宮式油氣分離器結(jié)構(gòu)

迷宮式分離器外部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由缸蓋罩箱體、進出氣口、入口擋板、粗濾和精濾蓋板、回油槽、粗濾和精濾回油管組成。粗精濾蓋板與回油槽為一體結(jié)構(gòu)，用于收集分離的機油，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。曲軸箱竄氣從迷宮入口進入，入口擋板與進氣入口平面呈一定角度，可初步阻攔部分從搖臂、彈簧等處飛濺起來的大顆粒油滴。

圖1 油氣分離器外部結(jié)構(gòu)

圖2 粗濾和精濾蓋板及回油槽的結(jié)構(gòu)

圖3 為油氣分離器箱體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。箱體內(nèi)不同側(cè)面設(shè)置有多道擋板，插入孔板與擋板相配合形成迷宮式結(jié)構(gòu)。當(dāng)曲軸箱竄氣從進氣口進入油氣分離器后，在內(nèi)部擋板的引導(dǎo)下，呈蛇形曲線流動。通過孔板處氣流加速和擋板的阻攔，使得部分油滴撞擊到擋板上，從而實現(xiàn)油滴與氣體的分離。通過兩個粗濾孔板、1個精濾孔板與擋板的多次作用，多數(shù)大顆粒和部分小顆粒油滴即可與氣體實現(xiàn)分離。分離出的機油回流并聚集在粗濾和精濾蓋板上，在重力作用下沿回油槽斜面向回油管流動。回油管設(shè)計成U型，機油進入U型管道形成油封，可以防止曲軸箱氣體從回油孔流出，保證油氣分離器的密封性。分離器頂部布置溫度和壓力傳感器，分別監(jiān)測油氣分離器內(nèi)部不同位置（迷宮入口、粗濾板后、精濾板后）的溫度和壓力，位置如圖2所示。

圖3 油氣分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 試驗方案

2.1 試驗臺架

試驗采用一臺六缸直列式壓縮天然氣發(fā)動機，缸徑120 mm，壓縮比為11，標定功率250 kW.采用閉式油氣分離通風(fēng)系統(tǒng)進行試驗研究。閉式油氣分離通風(fēng)系統(tǒng)實驗臺架如圖4所示。閉式通風(fēng)系統(tǒng)的迷宮式油氣分離裝置的出氣口處接上油氣收集工裝后，還需將收集工裝的出口與膜式燃氣表進氣口相接，膜式燃氣表的出氣口接入壓力控制閥（PCV），再接到空氣濾清器后方的進氣管。PCV的作用是阻止發(fā)動機的回火，即避免引起曲軸箱爆炸[2]。PCV通過曲軸箱與進氣管之間的壓力差來調(diào)節(jié)竄氣流量，使曲軸箱壓力穩(wěn)定在一個合適的范圍內(nèi)。一般情況下，曲軸箱壓力必須保證在-2.5～1 kPa[3]。

圖4 試驗臺架示意圖

曲軸箱中的竄氣流經(jīng)迷宮式油氣分離器，一部分竄氣中的機油液滴被分離器分離并由收集裝置2所收集，這部分機油的量稱為回油量。未被分離出來的機油液滴則被收集裝置1所收集，此部分機油的量稱為竄油量。收集裝置由外殼與濾芯組成，有入口與出口兩端，竄氣經(jīng)工裝流過時，未被分離的機油便由濾芯吸收。分別測量油氣收集裝置1、2試驗前后的質(zhì)量變化，即可得出竄油量、回油量。油氣分離效率即為回油量與總油量的比值，其中總油量為回油量與竄油量之和。

2.2 試驗方法

選擇全負荷、標定轉(zhuǎn)速（2 100 r/min）的運行工況研究竄氣量對油氣分離器性能的影響。為了實現(xiàn)不同的竄氣量，采用不同的活塞環(huán)，通過活塞環(huán)間隙的變化間接調(diào)節(jié)活塞竄氣量的大小。首先，采用活塞漏氣量儀AVL442測量發(fā)動機在此工況下的曲軸箱竄氣量，然后使用油氣收集裝置測量竄氣量不同時的回油量、竄油量，計算得到不同竄氣量下的油氣分離效率。試驗過程中，每隔10 min進行一次測量，共進行6次，最終測量值采用加權(quán)平均計算得到。溫度、壓力的分布則通過布置在油氣分離器上的溫度、壓力傳感器測量得到。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 竄氣量對溫度的影響

溫度是油氣分離器分離性能實驗中監(jiān)測的重要指標之一。如果油氣分離器內(nèi)部的溫度過低，水蒸氣容易凝結(jié)成液滴通過回油管回流到油底殼中，造成機油乳化變質(zhì)，造成零部件之間磨損加劇，使用壽命降低。因此，控制好油氣分離器內(nèi)部的溫度高于水蒸氣冷凝溫度很有必要。

由圖5可知，在不同的竄氣量條件下，迷宮式油氣分離器內(nèi)部的溫度變化趨勢基本一致。總體上看，從迷宮入口到精濾孔板后呈下降趨勢，只是在經(jīng)過粗濾孔板1后略有上升，只有1℃左右。其中，溫度降幅最大發(fā)生在粗濾孔板2之間，降幅達到了3～4℃左右。隨著竄氣量的增大，油氣分離器內(nèi)部的溫度也越高：竄氣量為180 L/min時，粗濾孔板1、2后以及精濾孔板后的溫度都是最高的。原因在于隨著竄氣量的增大，隨氣體進入油氣分離器內(nèi)部的熱量也越多，因而溫度也越高。

圖5 竄氣量對油氣分離器內(nèi)部溫度的影響

3.2 竄氣量對壓力的影響

油氣分離器內(nèi)部的壓力分布情況也是監(jiān)測的重要指標，通常用壓力損失來衡量。如果油氣分離器內(nèi)的壓力損失過大，說明氣流在流經(jīng)迷宮時受到的阻力過大，曲軸箱內(nèi)壓力可能超過許用壓力。同時，壓力損失也從側(cè)面衡量了氣流動能損失的程度。壓力損失過大，氣流動能損失過多，通過過濾孔板時速度太低，對分離效率顯然是不利的。此外，壓力損失過大，氣流流出分離器后無法有效地被壓力控制閥（PCV）吸入進氣管[4]。因此，應(yīng)保證分離效率的同時盡可能減小壓力損失。

圖6、7為不同竄氣量下的油氣分離器內(nèi)部的壓力變化和壓力損失情況。壓力損失為測量點處壓力與迷宮入口處的壓力之差。從圖中可知，粗濾孔板1、2前后壓力損失不大。當(dāng)氣流流經(jīng)粗濾孔板1后，竄氣量為180 L/min時無損失，100 L/min、120 L/min時也只損失了0.1～0.2 kPa；當(dāng)氣流流經(jīng)粗濾孔板2后，竄氣量為100 L/min、120 L/min時無損失，180 L/min時只損失了0.1 kPa.壓力損失較大的地方是在精濾孔板處：三種竄氣量下，壓力都發(fā)生了不同程度的下降。隨著竄氣流量的增大，壓力損失也隨之增大。180 L/min時，壓力損失達到了1 kPa.原因在于精濾孔板處孔徑較小，孔數(shù)也較少，總的流通面積較小，氣流流速較快，與孔壁的摩擦阻力增大，能量損耗增加，壓力損失也較大。從中可以看出，提高分離效率與降低壓力損失之間是矛盾的關(guān)系：經(jīng)過通孔氣流的流速增加，使得液滴被擋板攔截的概率增加，一般會使分離效率提高；但同時又會使節(jié)流作用增強，增加與通孔的摩擦阻力，造成壓力損失增大。所以，如何尋求最優(yōu)的結(jié)構(gòu)組合，使得兩目標都達到可以接受的范圍，還需要進一步的研究。

圖6 竄氣量對油氣分離器壓力分布的影響

圖7 竄氣量對壓力損失的影響

3.3 竄氣量對分離效率的影響

分離效率是油氣分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵目標，也是衡量油氣分離器性能最重要的指標。分離效率越高，經(jīng)過油氣分離器分離后的竄氣中機油液滴越少，進入燃燒室參與燃燒的機油液滴則越少，排放性能改善。

圖7為不同竄氣量下竄油量、回油量及其所占百分比的變化。從圖中可以看出，隨著竄氣量的增大，竄油量和回油量均增加，且增加的幅度隨竄氣量的增大而明顯提升：竄氣量從100 L/min增加到120 L/min時，回油量只增加了3.7 g；從120 L/min增加到180 L/min時，回油量就增加了13.4 g，約為之前的3倍多。盡管竄油量也有所增加，但回油量的增加量明顯大于竄油量的增加量，使得回油量占總油量的比例上升更快。回油量占總油量的比例越高，則說明被竄氣中被分離出的機油液滴越多，分離效率也越高。圖9反映了比例變化的結(jié)果：隨著竄氣量的增大，分離效率不斷升高。當(dāng)竄氣量從100 L/min增加到180 L/min時，分離效率提升了6.9%.

圖8 竄氣量對竄油量、回油量及其比重的影響

圖9 竄氣量對分離效率的影響

4 結(jié)論

（1）在不同的竄氣量條件下，迷宮式油氣分離器內(nèi)部的溫度變化趨勢基本一致。隨著竄氣量的增大，油氣分離器內(nèi)部的溫度越高，這與竄氣攜帶進入油氣分離器的熱量增加有關(guān)。總體上看，溫度從迷宮入口到精濾孔板后呈下降趨勢，粗濾孔板后略有上升1℃左右。溫度降幅最大發(fā)生在粗濾孔板2前后，3～4℃左右。

（2）不同的竄氣量條件下，粗濾孔板1、2前后壓力損失不大。壓力損失較大的地方是在精濾孔板處：三種竄氣量下，壓力都發(fā)生了不同程度的下降。隨著竄氣流量的增大，壓力損失也隨之增大。180 L/min時，壓力損失達到了1 kPa.

（3）隨著竄氣量的增大，竄油量和回油量均增加，且增加的幅度隨竄氣量的增大而明顯提升。回油量的增加量明顯大于竄油量的增加量，使得回油量占總油量的比例上升更快，因此分離效率隨竄氣量的增大而增大。當(dāng)竄氣量從100 L/min增加到180 L/min時，分離效率提升了6.9%.