發動機預油氣分離結構的性能研究

黃第云 謝夏琳 周益善

(廣西玉柴機器股份有限公司,廣西玉林 537005)

0 前言

發動機油氣分離系統是由發動機氣缸蓋罩組件、調壓閥(上呼吸器組件)、油氣分離器、曲軸箱通風裝置總成等聯合組成的分離油氣和平衡曲軸箱壓力的系統,主要用于分離曲軸箱混合氣體中的機油,并具有調節和控制曲軸箱內壓力作用的裝置。一般而言,油氣分離系統的預分離主要在由氣缸蓋罩迷宮、隔板、蓋板組件等組成的氣缸蓋罩組件內進行,其分離貢獻量約占油氣分離系統的2/3以上,因此研究缸蓋罩內置預油氣分離性能情況尤為關鍵。

1 計算模型和邊界條件

1.1 計算模型

研究的預油氣分離結構(缸蓋罩組件)、油氣流動方向示意圖和網格模型分別如圖1、圖2、圖3所示,最大網格尺寸2.0 mm,最小尺寸0.5 mm,總網格數約為337萬個。

圖1 發動機預油氣分離結構(缸蓋罩組件)

圖2 油氣流動方向

圖3 網格模型

首先計算分離器的穩態流場,求出流速、進出口壓降等結果,然后再引入不同粒徑的油滴計算分離效率,計算使用的湍流模型為k-ε2方程,近壁采用了壁面函數法。穩態計算是進行流場的計算,主要是為了得到速度場、壓力場等結果,計算的工質為理想氣體,密度為0.898 kg/m3(120 ℃)。

瞬態計算是在穩態計算的基礎上引入不同粒徑的油滴,得到油滴的被捕捉過程以及最終的分離效率。計算工質為油滴,密度為828 kg/m3(100 ℃)。

1.2 邊界條件

在穩態計算中,入口設定流量為0.002 200 1 kg/s(活塞竄氣量為147 L/min,密度為0.898 kg/m3),溫度為120 ℃(393 K),出口設定靜壓101 325 Pa,其余設定為壁面邊界條件,并給定平均溫度120 ℃(393 K)。

瞬態計算中,入口總面積為867 mm2,本次計算引入1 000個/cm2粒子,總共引入8 670個粒子,引入時間是0～0.01 s。分別計算粒子直徑分別為1μm、3μm、5μm 下的分離效率。

2 計算結果與分析

2.1 壓力計算

圖4為147 L/min竄氣量下的壓力云圖。從計算結果看,該油氣分離的壓降較小,約為294 Pa,滿足設計要求。

圖4 預分離結構的壓力云圖

2.2 速度計算

圖5、圖6是計算的速度矢量圖,從速度矢量圖中可以看到,整體的流速均不是很高,大部區域的流速在3 m/s以下,速度較高的位置主要是出現在進出口段、各檔板附近以及通孔位置。圖7中深凹的位置出現速度升高的情況,主要是在該位置有1塊擋板和1個圓柱凸起。圖8為擋板位置的濾孔處速度云圖,從圖中可看到,由于孔數較多,總流通面積較大,濾孔的最大速度不高,約為8.7 m/s。

圖5 速度矢量(線狀)

圖6 速度矢量云圖

圖7 預分離結構的擋板位置

圖8 擋板位置的速度矢量云圖(切面)

2.3 分離效率計算

表1為不同粒徑下的油氣分離效率。計算使用的模型是假設油滴與壁面碰撞后即被捕捉,不考慮反彈及二次破碎的情況。

表1 分離效率

圖9、圖10、圖11為3μm 粒徑的油滴在不同時刻的分布圖。從中可以看到,隨著時間的發展,油滴在分離器里逐漸擴散,隨著越來越多的油滴碰壁,油滴被捕捉分離出來。到達1.0 s時,計算基本趨于穩定,大部分油滴已經被捕捉,到2.0 s時計算已經穩定,油滴分布不再變化。

圖9 3μm 粒徑的分布圖(0.1 s)

圖10 3μm 粒徑的分布圖(1.0 s)

3 結論

圖11 3μm 粒徑的分布圖(2.0 s)

本文對某國六柴油發動機的預油氣分離結構進行了性能研究。在活塞竄氣量為147 L/min的工況下,計算的油氣分離進出口壓差為222 Pa,滿足設計要求。在不同時刻下(0～2 s)的油滴速度分布情況,2 s后粒子流速分布基本穩定。觀察粒子穩定后的分布圖可知,粒子在擋板位置和孔板處節流作用比較大。預油氣分離結構的加權分離效率超過93.336%。該結構分離效率處于國六柴油發動機油氣分離性能的較高水平。