曲軸通風(fēng)管結(jié)冰數(shù)值模擬與試驗研究

馮博，朱箴箴，曾志新，張涵宇

(廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

曲通管循環(huán)系統(tǒng)是整車心臟-發(fā)動機(jī)的內(nèi)呼吸系統(tǒng)，起著釋放曲軸箱內(nèi)多余壓力、廢氣再循環(huán)的功能[1]。在高寒環(huán)境下，由于進(jìn)氣管內(nèi)部氣體溫度低、流速快，當(dāng)發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)生的油水蒸氣通過曲通管時，在管口處與空氣管內(nèi)部冷空氣匯聚，水蒸氣極易冷凝結(jié)冰并積聚堵塞曲通管，曲軸箱壓力升高，機(jī)油尺口噴射機(jī)油，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動機(jī)密封失效、工作異常損壞等重大問題[2]。曲通管是否暢通直接決定發(fā)動機(jī)能否正常運行。因此曲軸箱通風(fēng)管需要防結(jié)冰設(shè)計。

本文作者通過曲通管結(jié)冰試驗及流固耦合仿真，分析了原設(shè)計方案的結(jié)冰機(jī)制。為解決曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)管路結(jié)冰問題，在已有的管路布置上設(shè)計曲軸箱通風(fēng)管同軸加熱水套，同時在曲通管出口處增加擋板提升保溫效果，同軸鋁管的外層鋁管通過引入渦輪增壓器冷卻水，加熱內(nèi)層管的氣體溫度，加熱氣體的能量來自渦輪增壓器的循環(huán)冷卻水，安全節(jié)能[3]。在實際運用中發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)管內(nèi)的結(jié)冰問題得到有效解決。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型及計算域

圖1是曲通管循環(huán)系統(tǒng)的三維數(shù)模，由曲軸箱通風(fēng)軟管、曲軸箱通風(fēng)硬管、增壓器進(jìn)氣管和連接管組成。

圖1 曲通管循環(huán)管路數(shù)模

曲軸通風(fēng)管結(jié)冰試驗是在整車機(jī)艙環(huán)境內(nèi)測試的，因此，建立發(fā)動機(jī)機(jī)艙仿真模型，如圖2所示。

圖2 發(fā)動機(jī)機(jī)艙模型

1.2 網(wǎng)格劃分

由于該分析是流固耦合分析，需要將不同的區(qū)域劃分使用不同的網(wǎng)格類型模擬，固體域網(wǎng)格采用薄壁體網(wǎng)格模擬，流體域采用多面體網(wǎng)格模擬。曲軸通風(fēng)軟管和增壓器進(jìn)氣管連接處是重點研究對象，對3層體網(wǎng)格進(jìn)行加密[4]，曲通管和增壓器連接管處體網(wǎng)格如圖3所示。根據(jù)可實現(xiàn)的K-Epsilon模型的使用條件，采用全Y+壁面處理，取Y+=40，曲軸通風(fēng)軟管內(nèi)徑16 mm為特征長度，計算得出邊界層總厚度為1.2 mm，共3層。邊界層網(wǎng)格如圖4所示。

圖3 曲通管和增壓器連接管處網(wǎng)格示意

圖4 邊界層結(jié)構(gòu)示意

1.3 邊界條件設(shè)置

數(shù)值模擬使用STAR CCM+軟件，模擬整車在90 km/h、3%下坡度的工況，環(huán)境溫度為-30 ℃。散熱器芯體使用多孔介質(zhì)模擬，根據(jù)單品試驗的P～Q曲線，得出流動方向上的慣性阻力系數(shù)為174.95 kg/m4，黏性阻力系數(shù)為746.03 kg/m3·s；分離流的壓力、速度亞松弛因子分別設(shè)為0.2和0.6[6]。邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)置

1.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在曲通管流固耦合分析中，創(chuàng)建曲通管和增壓器進(jìn)氣管的軸向截面來研究流場情況及其溫度分布，如圖5所示。

圖5 截面位置示意

管路內(nèi)部流線如圖6所示，由圖可知在增壓器進(jìn)氣管與曲通管連接處出現(xiàn)紊流，同時該位置附近的增壓器進(jìn)氣管的流速很大。軸截面溫度分布如圖7所示，由圖可知在增壓器進(jìn)氣管與曲通管連接位置的曲通管氣體溫度在5～10 ℃，而增壓器進(jìn)氣管氣體溫度在-5～-10 ℃，甚至更低，因此在此位置會發(fā)生凝結(jié)，出現(xiàn)冷凝水，同時增壓器進(jìn)氣管的流速很大，冷凝水被吹到壁面上，從而出現(xiàn)結(jié)冰。

圖6 管路內(nèi)部流線圖

圖7 軸截面溫度分布云圖

2 數(shù)值模擬驗證

2.1 試驗測試

將車輛固定在底盤測功機(jī)上，清理曲軸箱通風(fēng)管內(nèi)的油污和水漬，并在布點位置布置溫度傳感器及內(nèi)窺鏡。在底盤測功機(jī)上錄入實際滑行阻力系數(shù)并擬合，試驗環(huán)境溫度為-30 ℃，然后將車輛浸置到內(nèi)表面和環(huán)境溫度一致(±1 ℃以內(nèi))，并維持30 min，啟動車輛前3 s數(shù)據(jù)采集器開始記錄數(shù)據(jù)，采集頻率為1 Hz。具體測試設(shè)備見表2。

表2 測試設(shè)備參數(shù)

2.2 數(shù)值模擬與試驗結(jié)果對比分析

為了與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比，在曲軸箱通風(fēng)管與增壓器進(jìn)氣管路連接處和其壁面布置熱電偶，布點位置如圖8所示。通過測得的溫度數(shù)據(jù)，可知測試穩(wěn)定時的曲軸箱通風(fēng)管與增壓器進(jìn)氣管路連接處的平均溫度為10 ℃，連接處邊緣管壁的平均溫度為-5.24 ℃，如圖9所示；數(shù)值模擬連接處的溫度為9.46 ℃，誤差為5.4%，連接處邊緣管壁的溫度為-5.38 ℃，誤差為2.7%，如圖10和圖11所示，數(shù)值模擬的溫度結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因主要是沒有考慮相變產(chǎn)生的熱量。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果和試驗的管口結(jié)冰過程，如圖12所示，管口持續(xù)結(jié)冰的原因可確定為：曲軸箱通風(fēng)管出口管壁溫度較低，水蒸氣在此凝結(jié)，并受增壓器泵輪進(jìn)氣管內(nèi)強冷氣流快速冷卻結(jié)冰，并逐漸積聚，發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

圖8 熱電偶布點位置示意

圖9 測點位置溫度曲線

圖10 壁面測點數(shù)值模擬溫度

圖11 管內(nèi)測點數(shù)值模擬溫度

圖12 連接處結(jié)冰過程示意

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 曲通管防結(jié)冰改進(jìn)方案設(shè)計

由于從油氣分離器到空氣管的路徑較長，環(huán)境溫度比較低，曲通管管體內(nèi)部的氣體熱量散失快。對此，設(shè)計了曲通同軸管水加熱的方案。曲通管采用同軸鋁管的結(jié)構(gòu)，外層鋁管通過引入渦輪增壓器冷卻水，加熱內(nèi)層管的氣體溫度，如圖13所示。

圖13 曲通同軸管水加熱原理示意

在曲通同軸管水加熱方案的基礎(chǔ)上增加擋板，如圖14所示。在空氣管上增加擋板，降低曲通管出口位置的冷空氣流速，防止曲通管出口氣體降溫過快，同時，增加導(dǎo)流槽，引導(dǎo)冷凝水流下去，防止冷凝結(jié)冰。

圖14 曲通同軸管擋板結(jié)構(gòu)示意

3.2 曲通管防結(jié)冰改進(jìn)方案試驗驗證

試驗時，加熱水進(jìn)口流量為1.2 L/min，溫度為30 ℃。從驗證結(jié)果可以看出，曲軸箱通風(fēng)管與增壓器進(jìn)氣管路連接處測點穩(wěn)定時的平均溫度為15 ℃，連接處邊緣管壁平均溫度為2.6 ℃，如圖15所示。通過對改進(jìn)方案的流固耦合數(shù)值模擬，連接處管內(nèi)氣溫為15.73 ℃，連接處邊緣管壁的溫度為2.45 ℃，如圖16和圖17所示。該改進(jìn)方案對于結(jié)冰的抑制效果極佳，連接處僅有冷凝水，未出現(xiàn)起霜或結(jié)冰，如圖18所示，抗結(jié)冰效果達(dá)到預(yù)期。

圖15 改進(jìn)后測點位置溫度曲線

圖16 改進(jìn)后壁面測點數(shù)值模擬溫度

圖17 改進(jìn)后管內(nèi)測點數(shù)值模擬溫度

圖18 改進(jìn)后連接處結(jié)冰過程示意

4 結(jié)論

(1)采用流固耦合的方法對曲通管路系統(tǒng)的溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，并與試驗進(jìn)行對比，測點位置的溫度結(jié)果誤差在5.5%以下，驗證了該數(shù)值方法的可行性。

(2)通過試驗研究確定曲軸箱通風(fēng)管與增壓器進(jìn)氣管路連接處結(jié)冰的原因為：曲軸箱通風(fēng)管出口管壁溫度較低，水蒸氣在此凝結(jié)，并受增壓器泵輪進(jìn)氣管內(nèi)強冷氣流快速冷卻結(jié)冰，并逐漸積聚，發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

(3)基于余熱回收原理采用曲軸同軸管水加熱和擋板方案能夠提高曲軸箱通風(fēng)管與增壓器進(jìn)氣管路連接處的溫度，降低曲通管出口位置的冷空氣流速，防止冷凝結(jié)冰。