車用國六柴油機油氣分離器設計研究*

孫 非 杜建秋 朱 康 白 楊

（天津內燃機研究所 天津 300072）

引言

重型柴油機排放法規升級為國六（GB 17691）后，對曲軸箱通風系統控制要求加嚴，對于開放式曲軸箱通風系統，要求將曲軸箱排放與尾氣排放一起進行測試，加大了排放通過難度。目前正在開發或者開發完成的國六柴油機多采用閉式曲軸箱通風系統。但對于閉式曲軸箱通風系統，油氣會對增壓器、進氣系統等造成污染，影響整機可靠性。開放式曲軸箱通風系統在可靠性、成本方面具有明顯優勢，因此目前有一部分機型仍選擇開放式曲軸箱通風系統，但為了滿足排放要求，需要嚴格控制曲軸箱通風系統機油攜出量，對于油氣分離器的設計是巨大挑戰[1-5]。

1 油氣分離器

國五階段重型柴油機曲軸箱排放并不計入整機排放中，絕大多數柴油機采用的都是開放式曲軸箱通風系統，對于油氣分離器的設計要求很低，最大機油攜出量＜5 g/h就能夠滿足設計要求。到國六以后曲軸箱排放要求加嚴，對于采用閉式曲軸箱通風系統的柴油機，要求最大機油攜出量要控制在0.5 g/h以內；對于采用開放式曲軸箱通風系統的柴油機，要求最終最大機油攜出量要控制在1.0 g/h以內。

本文研究對象2.8L重型車用柴油機采用開放式曲軸箱通風系統，油氣分離采用“預分離+主分離”的分離方案。主分離采用免維護式外掛主分離器，分離效率大約為50%～70%；這樣就要求預分離需要將最大機油攜出量控制在2 g/h以內，才能滿足設計要求，保證最終最大機油攜出量控制在1.0 g/h以內。2.8L柴油機各項技術參數如表1所示。

表1 2.8L柴油機性能參數

1.1 原機方案

原機預分離采用的是“迷宮式”結構，通過試驗測得預分離后最大機油攜出量在9.0 g/h左右，距離2.0 g/h的目標值差距較大。原機預分離方案示意圖如圖1所示。

圖1 原機預分離方案示意圖

1.2 優化方案

經過分析決定，將油氣預分離器改為“孔板撞擊式”結構。孔板撞擊式油氣分離器主要利用油滴的慣性和撞擊實現分離，當油氣經過孔板時，油氣流動速度加快，較大的油滴通過慣性作用撞擊在擋板上被吸附下來。根據設計經驗，孔板撞擊式油氣預分離器的整體壓損要求控制在0.5 kPa以內；入口位置選擇在油氣比較穩定的位置，盡量避免與凸輪軸、搖臂等運動件正對；入口流速要求小于2 m/s。

根據孔板式油氣分離器的設計要求，以及2.8L柴油機的邊界限制，采用Pro E繪圖軟件對其進行三維模型的建立。優化后預分離方案示意圖如圖2所示。油氣從最左端進入；經由三組孔板結構進行油氣分離；最后油氣從最右側出口排出，排出的油氣將進入外掛主分離器。本文對外掛主分離器不做研究，因此對外掛主分離器不做介紹。

圖2 優化后預分離方案示意圖

2 CFD模擬仿真分析

曲軸箱氣體中包括氣體和液體成份，其中液態粒子組成相當復雜，且各款發動機差別較大，在無法獲得其目標發動機曲軸箱混合氣中液態粒子狀態的情況下，離散相油滴粒子流動計算對于油氣分離器的設計指導意義不大。針對本文研究對象，我們僅進行連續相氣態流動模擬計算，作為設計指導，最終分離效果采用試驗方法進行驗證。

2.1 計算原理

連續相流動控制方程包括連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程，湍動能方程和湍動能耗散率方程。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個速度分量u、v、w，溫度T，湍動能k或湍流耗散率ε等求解變量，Г為廣義擴散系數，S為廣義源項[3]。

標準k-ε模型只適用于湍流充分發展的高雷諾數湍流流動，對于低雷諾數的近壁區域，必須采用特殊的處理方式。文中采用了標準壁面函數法來求解近壁區內流動問題。

2.2 邊界條件設定

試驗用2.8L國六柴油機額定點活塞漏氣量為35 L/min，該發動機尚未進行耐久試驗，為保證在全壽命狀態下油氣預分離器處理能力都能滿足設計要求，在CFD計算過程中將活塞漏氣量設定為60 L/min，預留足夠裕度，防止由于一致性或者長時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。邊界條件設定如表2所示。

表2 邊界條件設定

2.3 油氣分離器網格模型

在進行CFD計算前需要對模型進行處理，將油氣分離器內部流場區域抽殼出來，然后將抽殼出來的三維模型導入Hypermesh軟件進行網格的劃分。網格的質量影響著計算的收斂性，質量越好，收斂性越好、計算精度越高。本項目采用多面體體網格進行網格劃分，根據經驗，網格數量控制在100×104左右為宜，既保證計算精度，又能保證計算速度不會過慢。最終網格數量為1 012 487個。網格模型如圖3所示。

2.4 仿真計算結果

圖3 網格模型

將處理好的網格模型導入Star ccm+軟件內，進行CFD仿真計算。通過計算得到油氣分離器內的整體流速、壓力分布以及進出口壓損。

圖4為油氣分離器內部壓力分布情況，從分析結果來看，壓力損失主要集中在孔板的位置，其他位置有一定壓損，但相對較小。入口到出口的整體壓損為195 Pa，滿足設計要求。

圖5為油氣分離器內部空氣流速分布情況，從分析結果來看，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，滿足設計要求。

圖4 壓力分布

圖5 流速分布

3 試驗驗證

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

3.1 測試設備及其原理

傳統機油攜出量測試方法，采用集油瓶方式對機油攜出量進行測量，誤差較大。本文采用絕對濾芯測量法，通過絕對濾芯對廢氣內的機油及其他成份進行過濾，過濾效率高達99%，這其中也包括水分。過濾完成后將濾芯取出，放入專業烘干爐內烘干24小時，將其中的水分蒸發掉，最終測得濾芯的增重質量，即為預分離后油氣中的機油攜出量。

3.2 試驗結果分析

在對優化方案進行試驗前，首先對原機方案進行測量，確認發動機狀態的穩定性。試驗測得原機方案預分離后機油攜出量為9.124 g/h，證明發動機狀態穩定，可進行優化方案測試。對優化方案進行測量，工況為漏氣量最大的標定點，發動機穩定后持續測量30 min，烘干后濾芯增重0.931 g，折算后結果為1.862 g/h，滿足設計要求。原機方案與優化方案結果對比如表3所示。

表3 試驗結果

4 結論

1）重型柴油機排放法規升級到國六后，油氣分離器的設計開發難度進一步加大，可靠性、排放、成本等問題難以平衡。在能夠滿足排放要求的前提下，開放式曲軸箱通風系統在成本、可靠性方面具有明顯優勢。

2）根據作者長期的設計經驗，“預分離+主分離”是解決開放式曲軸箱通風系統排放問題比較理想的方案，但傳統“迷宮式預分離”方案已經無法滿足要求，新型“孔板撞擊式”預分離結構能夠較好地解決預分離問題。