車用柴油機油氣分離器分離特性試驗研究

關鍵詞：油氣分離器；分離效率；壓力損失 DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2025.04.002 中圖分類號：TK427 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222（2025）04-0010-05

《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》對曲軸箱排放提出了更嚴格的要求。發動機工作過程中，部分可燃混合氣與已燃氣體通過活塞與缸體縫隙竄入曲軸箱[1-2]。高溫竄氣會加速機油變質，造成曲軸箱壓力升高，進而影響曲軸箱密封性能[3]。油氣分離器對竄氣中機油顆粒進行分離，其分離性能對發動機可靠性與排放具有重要影響。油氣分離器按照分離原理劃分為主動離心式、旋風式、迷宮式、過濾式和復式油氣分離器。

針對柴油機用油氣分離器性能，許多學者開展了相關研究。孫秀君4通過CFD仿真對主動離心油氣分離器進行了分離效率研究，結果表明進口速度越大、葉片數量越多、葉輪轉速越大，其分離效率越高。崔凱程5對復式油氣分離器的主動部分進行了仿真研究，研究表明油氣分離效率隨油滴直徑的增大而提高，其中后向葉輪方案對油滴的分離效果最佳。A.RAOUFI等6采用計算流體力學方法，研究了竄氣量對不同結構旋風分離器壓力損失的影響，研究表明隨著竄氣量增加不同結構油氣分離器之間的壓力損失差異增大。I.KARAGOZ等通過試驗探究新型旋風分離器性能特點，研究了不同工況下分離器的分離效率和壓力，研究表明根據流量或進口速度調節旋渦限制器可獲得較高的分離效率。K.WILLENBORG等通過試驗對典型航空發動機油氣分離器的分離效率進行研究，研究表明分離效率隨著粒徑增大而增大。牛彩云等9采用CFD方法對迷宮式油氣分離器進行研究，研究表明擋板對粒子的攔截作用小，油氣分離器的分離效率僅為 49.8% 。馮智圓[°對由主動離心式和旋風式組成的復式油氣分離器進行了分離效率研究，研究表明此油氣分離器能夠實現全工況對竄氣中全粒徑機油液滴的高效分離。以上研究發現，在不同竄氣量、粒徑下油氣分離器的分離效率和壓力損失均不相同，而不同類型油氣分離器性能亦存在差異，因此有必要深入研究不同工況下的油氣分離器性能。

本研究以主動式、迷宮式和復式油氣分離器為研究對象，通過搭建油氣分離器性能測試試驗臺，開展不同工況下的分離效率和壓力損失試驗研究。研究結果對油氣分離器選型及設計等具有一定的指導意義。

1油氣分離器試驗測試平臺

1.1 試驗臺搭建

自主搭建的油氣分離器性能測試試驗臺如圖1 所示。油氣分離器試驗臺由氣泵、鼓風機、油氣混合 箱、虹吸式霧化噴頭、流量計、壓差計、絕對濾芯、集 油桶、油箱、球閥、配電箱等設備組成。

圖1油氣分離器試驗臺

油氣分離器試驗原理如圖2所示。氣泵向霧化噴頭輸送高壓空氣，通過虹吸作用將油箱中機油吸入霧化噴頭，高壓空氣將機油沖擊成極其細小的霧化顆粒。鼓風機輸送的空氣與霧化機油在油氣混合箱中形成油氣混合物，模擬曲軸箱中的竄氣。油氣混合氣經流量計計量后流入油氣分離器，分離后的機油被集油桶收集，未分離的機油被絕對濾芯收集。在試驗測試完成后，油氣混合箱內會有大量的機油累積，打開球閥使機油流入油箱。采用壓差計測量油氣分離器進出口靜壓差，獲得油氣分離器壓力損失；采用流量計測量混合氣的體積流量，獲得油氣分離器入口體積流量。

圖2油氣分離器試驗原理

油氣分離器的壓力損失通過壓差計測量得到，調節鼓風機以控制油氣分離器入口體積流量，觀察流量計，待氣體流量穩定后，讀取壓差計顯示的數值，即為此工況下油氣分離器的壓力損失。

油氣分離器的分離效率通過稱重法得到，采用高精度電子秤測量試驗前后油氣分離器、集油桶和絕對濾芯的質量差，計算得到分離器分離的機油量和未分離機油量。為了得到可靠的試驗結果，每個工況試驗時長為 ，分離效率取3次試驗的平均值。油氣分離器的分離效率計算公式如下：

式中： η 為油氣分離器分離效率； m₁ 為油氣分離器質量增量； m₂ 為集油桶質量增量； m₃ 為絕對濾芯質量增量。

1.2試驗測試用油氣分離器

針對主動式、迷宮式和復式油氣分離器開展試驗研究，測試樣機如圖3所示。主動式油氣分離器通過高速旋轉葉片使機油顆粒產生強大離心力，在離心力作用下分離混合氣中的機油[1]。迷宮式油氣分離器內部存在3個孔板，相鄰孔板上的通孔交錯布置，氣流跟隨性差的機油顆粒撞擊到孔板上以實現油氣分離[12]。復式油氣分離器由迷宮式油氣分離器孔板后加裝濾網構成，濾網對穿過孔板的油氣混合氣進行過濾，可進一步過濾較小的機油顆粒，因此復式油氣分離器對機油具有雙重分離作用[13]。主動式油氣分離器高為 200mm ，其殼體為圓柱形，殼體直徑約為 100mm 。迷宮式和復式油氣分離器長為 220mm ，寬為 100mm ，高為 113mm 。3種類型油氣分離器均適用于處理體積流量為 300L/min 以內的油氣混合氣，所以3種類型油氣分離器為同一級別油氣分離器。

圖3試驗測試用油氣分離器

2試驗結果與分析

2.1 壓力損失特性研究

壓力損失是評價油氣分離器性能的一個指標，測試了 100～300L/min （間隔 50L/min） 空氣體積流量對壓力損失的影響，分析了主動式、迷宮式和復式油氣分離器的壓力損失特性。圖4示出了不同空氣體積流量下3種油氣分離器的壓力損失。

圖4空氣體積流量對3種分離器壓力損失的影響

從圖中可以看出，3種油氣分離器的壓力損失均隨空氣體積流量增大而增大，復式油氣分離器的壓力損失較高，最大壓力損失為 2.63kPa 。兩種被動式油氣分離器的壓力損失均為正值，而在體積流量小于 200L/min 時，主動式油氣分離器的壓力損失小于0，最小壓力損失為 -0.78kPa 。主要原因在于旋轉葉片對流體做功，其增加的能量大于流體損失的能量，表明主動式分離器具有增壓作用。空氣體積流量對主動式油氣分離器壓力損失的影響比被動式油氣分離器影響小。當入口體積流量為300L/min 時，主動式油氣分離器壓力損失為1.06kPa ，而復式和迷宮式油氣分離器壓力損失分別 2.63kPa 和 2.24kPa ，主動式油氣分離器的壓力損失性能優于被動式油氣分離器。

2.2分離效率特性研究

2.2.1竄氣量對分離效率的影響

試驗測試了 80，105，130，155，180L/min 等混合氣體積流量下3種油氣分離器的分離效率，如圖5所示。從圖中可以看出，3種油氣分離器的分離效率均隨混合氣體積流量增大而增大，但在混合氣體積流量達到 105L/min 后，主動式油氣分離器的分離效率基本不隨混合氣體積流量變化。當混合氣體積流量大于 155L/min 時，復式和迷宮式油氣分離器的分離效率增加緩慢。這是因為高竄氣量使油滴粒子動能增加，粒子更易撞擊壁面，這對大粒徑顆粒分離效果比較明顯，對小粒徑顆粒分離效果有限。

從圖中還可以明顯地看出，主動式油氣分離器分離效率遠大于被動式油氣分離器的分離效率，與混合氣流量無關。主動式油氣分離器的轉速為12 000r/min ，高速旋轉的葉片使機油顆粒產生強大的離心力，機油顆粒在離心力的作用下被甩到壁面實現分離，故主動式油氣分離器分離效率受竄氣量影響很小，最低分離效率為 89.5% ，最高分離效率為 98.82% 。迷宮式油氣分離器通過擋板改變氣流方向，由于機油顆粒的慣性作用，無法改變方向的顆粒撞擊擋板，實現機油顆粒分離。復式油氣分離器是在迷宮式油氣分離器擋板后面安裝上濾網，竄氣通過濾網實現二次分離。所以迷宮式和復式油氣分離器分離效率受竄氣量影響較大，迷宮式油氣分離器最大和最小分離效率分別為 66.30% 和 49.93% ，復式油氣分離器最大和最小分離效率分別為87.34% 和 73.40% 。

圖5竄氣量對3種分離器分離效率的影響

2.2.2機油溫度對分離效率的影響

機油溫度會影響機油顆粒粒徑大小，機油黏度隨溫度升高而降低，機油黏度降低導致霧化機油的粒徑減小。試驗測試了機油溫度調節范圍為 30～ 70^°C （間隔為 10^°C ），竄氣量為 130L/min 情況下，3種油氣分離器的分離效率。圖6示出了機油溫度對3種油氣分離器分離效率的影響。從圖中可以發現：3種油氣分離器的分離效率均隨機油溫度升高而降低，而且主動式油氣分離器分離效率降低速率大于被動式油氣分離器。

機油溫度為 70^°C 時，機油粒徑最小，主動式油氣分離器分離效率為 82.3% ，相比于機油溫度 30^°C 時，分離效率降低 14.99% 。主動式油氣分離器在機油溫度大于 60°C 后，分離效率下降較快，其原因是油滴顆粒粒徑減小，顆粒所受的離心力降低且更易通過葉片間隙，導致油滴不易被甩到壁面及葉片上。

小粒徑機油顆粒跟隨氣流逃逸的較多，但總體看主動式油氣分離器分離效率保持較高水平。迷宮式油氣分離器和復式油氣分離器分離效率幾乎保持相同速率下降，兩者分離效率最低點分別為 53.88% 和74.32% 。這是因為小粒徑顆粒質量較小，顆粒慣性小，所以顆粒氣流的跟隨性較好，不易撞擊擋板及壁面，分離效率保持較低水平。

圖6機油溫度對3種分離器分離效率的影響

2.2.3氣泵壓力對分離效率的影響

氣泵壓力越大，霧化的機油量越多，從而在相同混合氣體積流量下，機油濃度越高。當氣泵壓力分別為 0.2，0.6MPa 時，油氣混合箱中混合氣濃度如圖7所示。油氣混合箱中白霧越濃則混合氣濃度越大，從圖中可以明顯看出氣泵壓力為 0.6MPa 時混合氣濃度遠大于氣泵壓力為 0.2MPa 時的混合氣濃度。機油霧化通過霧化噴嘴內高壓氣體沖擊機油產生，因此氣泵壓力增大導致機油顆粒粒徑減小。

圖7不同氣泵壓力下油氣混合物濃度

氣泵壓力對3種類型油氣分離器分離效率的影響如圖8所示。氣泵壓力從 0.2MPa 增大到0.6MPa ，竄氣量為 105L/min 時，主動式、復式和迷宮式油氣分離器的分離效率分別下降 12.2% ，12.38% 和 7.88% 。3種油氣分離器的分離效率均隨氣泵壓力增大而減小。混合氣濃度升高增大了顆粒之間的團聚性，有利于小顆粒聚合成大顆粒，同時會增加油滴顆粒與壁面碰撞的機會，因此混合氣濃度升高分離效率增大[14-15]。然而氣泵壓力升高顆粒粒徑會減小，粒徑減小油滴質量減小，氣流跟隨性好，這樣不利于油氣分離。3種油氣分離器的分離效率均隨氣泵壓力升高而降低，主導因素是粒徑對分離效率的影響。

圖8氣泵壓力對3種分離器分離效率的影響

3結論

a）主動式油氣分離器低流量下具有明顯增壓作用，竄氣流量小于 200L/min 時壓力損失為負值，其壓力損失遠低于被動式油氣分離器；

b）不同竄氣量、機油溫度和氣泵壓力等工況下主動式油氣分離器分離性能最佳，其次為復式油氣分離器，迷宮式油氣分離器的分離效率最低；

c）竄氣量較低或油滴粒徑較小時，油滴粒子動能和離心力較小，油滴顆粒不易撞擊葉片及壁面，此工況下主動式油氣分離器未達到高分離效率，不利于曲軸箱廢氣排出，需要對葉片參數進一步優化設計。

參考文獻：

[1] 程霖，譚建松，楊帆，等.曲軸箱通風系統油氣分離器性能試驗研究J」.車用發動機，2020（1）：38-43.

[2] KOLHEV，SHARMAM，VEERAMANIK，etal.De-velopment of advanced oil separator to give uniform oilseparation efficiencyacross enginespeed andload con-ditions[C].SAEPaper2012-01-0179.

[3]張偉勛，于平安，王斌，等.柴油機閉式曲軸箱通風系統設計及其對排放的影響[J].車用發動機，2022（2）：81-86.

[4] 孫秀君.油氣分離器數值模擬與分離性能研究D」.長春：吉林大學，2006.

[5] 崔凱程.復式油氣分離器優化匹配研究[D].長春：吉林大學，2016.

[6] RAOUFIA，SHAMSM，FARZANEHM，etal.Nu-merical simulation and optimization of fluid flow in cy-clonevortex finder[J].Chemical engineering and pro-cessing：Processintensification，2008，47（1）：128-137.

[7] KARAGOZI，AVCIA，SURMENA，etal.Designandperformance evaluation ofa new cyclone separator[J].Journalof aerosol science，2013，59：57-64.

[8] WILLENBORGK，KLINGSPORNM，TEBBYS，etal.Experimental analysis of air/oil separator perform-ance[J].Journal of engineering for gas turbines andpower，2008，130（6）：062503.

[9] 牛彩云，陳浩平，葉燕帥.某車用發動機迷宮式油氣分離器的數值模擬分析[J].現代制造技術與裝備，2019（4）：54-55.

[10] 馮圓智.復式油氣分離器優化設計[D].長春：吉林大學，2015.

[11] 任志學，莊莎莎，王朝增.主動式油氣分離器的構成和發展趨勢[J」.內燃機與配件，2024（11）：138-140.

[12] 包向東，莫春蘭，陸永卷，等.氣體機迷宮式油氣分離器分離效率的試驗研究[J.內燃機工程，2016，37（5）：240-245.

[13] 陳小波，金俊宇.一種氣缸蓋罩油氣分離室的設計[J].裝備制造技術，2012（3）：16-18.

[14] 馬振飛，茹毅，朱麗云.焦化塔頂油氣分離用旋風分離器分離性能實驗研究[J」石油化工設備，2023，52（2）：19-25.

[15]JIZL，XIONGZY，WUXL，etal.Experimental investigationsonacyclone separatorperformanceat anextremely lowparticleconcentration[J].Powder tech-nology，2008，191（3）：254-259.

Abstract：Toevaluatetheperformanceofactive，compound，andlabyrinthoil-gasseparators，testswereconductedtomeasure pressurelossandseparationeficiency.By establishinganoil-gasseparator test platform，the pressurelossand eparation eficiencycharacteristicsfor threetypesofseparators werestudiedunderdiferent boundaryconditions.Theexperimentalresultsshowthatgreaterblow-byofoil-gasmixtureresultinhigherpressurelossregardlessoftheseparatortype，andtheactive oil-gas separatorhasthelowestpressurelossAditionally，theactiveoil-gasseparatordemonstratesthehighestseparationefficiencyunderdiferentblow-by，oiltemperaturesandgaspumppressures，andthelabyrinthoil-gasseparatorhasthelowest efficiency.Atthe speed of 12 000r/min and the blow-by of 180L/min ，theseparation efficiency of active，labyrinth and compound separator is 98.82% ， 66.30% and 87.34% respectively. The separation eficiency of active oil-gas separator is less than 90% when the blow-by of oil-gas mixture is less than 100L/min or the particle size of oil droplets is small.The findings provide valuable insights for the performance evaluation and optimization of oil-gas separator designs.

Key words：oil-gas separator;separation efficiency;pressure loss

[編輯：潘麗麗]