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车用发动机油气分离器的数值模拟研究 丁 宁 信 曦 张小矛 陈 明 徐政 李建国 杨 洋 上海汽车集团股份有限公司技术中心， 上海2 0 1 8 0 4 【 摘要】 应用C F D 分析软件研究了 某汽油机迷宫式油气分离系统。 重点对其原设计方案的流动特性和 油气分离效率进行了数值模拟研究。另外， 又针对性地设计了4组对比方案来探讨多孔过滤板个数、 多孔过滤 板上孔的个数、 多孔过滤板上孔的直径和窜气人口孔的个数等4个主要结构参数对油气分离器系统压降和系统 分离效率两大特性的影响。 【 A b s t r a c t 】 T h e l a b y ri n th o i l g a s s e p a r a t o r s y s t e m o f a g a s o l i n e e n g i n e i s a n a l y z e d b y C F D s o f t - wa r e ． Nume r i c a l s i mu l a t i o n r e s e a r c h o n t h e flo w c h a r a c t e r i s t i c a n d o i l g a s s e p a r a t o r e ffic i e n c y i s f o c u s e d ． I n a d d i t i o n a l ，t h e f o ur ma i n s t r u c t u r e p a r a me t e r s i n c l u di ng t h e n u mb e r o f t h e fil t e r p l a t e，t h e n u mb e r o f h o l e s o n t h e fih e r p l a t e，t he h o l e di a me t e r o f t h e fil t e r p l a t e a n d t h e n umb e r o f bl o w- b y g a s i n l e t o r i fic e a r e de s i g n e d t o d i s c us s t h e i n flu e n c e o f f o u r ma i n s t ruc t u r e p a r a me t e r s t o t he t wo ma i n c h a r a c t e r i s t i c o f t h e o i l g a s s e p a r a t o r s s y s t e m．Th e r e s u l t s h o ws t h a t i t h a s t h e s a me t r e n d o f t h e p r e s s ur e d r o p a n d o i l - g a s s e p a r a t o r e ffi c i e n c y a n d t h e c a s e wh i c h a pp r o p ria t e l y i n c r e a s e s t h e us e o f fil t e r p l a t e h a s t h e b e s t i n t e g r a t e d p e r f o r ma n c e ． 【 关键词】 油气分离系统发动机汽车流动特性 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 - 4 5 5 4 ． 2 0 1 4 ． 0 3 ． 1 0 0 引言 众所周知 ， 曲轴箱窜气 中含有 H C等大量污染 物 ， 因此国家 已经 出台了相关 法令用来 限制 曲轴 箱污染 物不经 过净化 装置 直接排 人大气 中。 目 前 ， 乘用车广泛采用 曲轴箱通风系统将发动机窜 气送 回到进气系统中与新鲜气体混合后进入燃烧 室烧掉 ， 用 以减少污染 物排放。油气分离器是 曲 轴箱通风系统 的重要组成部分 ， 如果窜气经过油 气分离器时的流动阻力 比较 大， 就会损失发动机 的性能。然而 ， 窜气中含有大量 的机油颗粒 ， 如果 不经过分离直接进人缸 内燃烧 ， 会显著加大机油 收稿 日期 2 0 1 4一 O 1一 O 7 上海汽车2 0 1 4 ． 0 3 的消耗量。同时 ， 由于机油不能够完全燃烧 ， 对发 动机 的排放也会产生负面影 响。因此， 在油气分 离器 的设计过程 中既要考虑到 流动特性 ， 也要兼 顾到油气分离效率 。 本文主要采用 C F D方法针对上汽某款油气分 离器进行 了流动特性和油气分离特性 的数值模拟 研究。在此基础上 ， 又设计 了 4款改进方案进行 了对比分析 ， 重 点研 究油气分离器 的设计参数对 其性能的影响。 1 油气分离器 的构造 一 般来讲 ， 油气分离器 内部 主要是通过离 心 4l 机、 滤网介质、 气旋、 静电、 迷宫等手段来实现油气分 离的功能。考虑到成本和实际油气分离效果 ， 近年 来 国内的汽车公 司主要采用 的是旋 风式分离器和 迷宫式分离器。本文所研究的油气分离器集成 在 缸罩盖内部， 主要是由气缸罩盖、 迷宫式油气分离器 和膜片式压力调节阀组成 见图 1 。气缸罩盖在此 系统中除了作为曲轴箱通风的主要通道 ， 还具有遮 盖和密封气缸盖、 充当机油加注口等功能。 窜气入 口 图 1 油气分离器的结构示意图 该油气分离器主要是利用油滴 的惯性 和撞击 实现分离。当油气混合气从窜气人 口流入迷宫式 油气分离器后 ， 由于油滴 和气体的密度不 同， 在流 动过程 中受到惯性 的作 用 ， 粒径较 大的油滴将 被 吸附于分离器的内表面和多孑 L 过滤板上。粒径较 小的油滴则可能随着气流一起被带 出分离器。被 捕捉到的油滴积 累起来 ， 最终将通 过 回油孔流 回 油底壳 。窜气气流进人人 口后首先通过焊接在底 板上的多孔过滤 板 ， 然后改变流 动方 向依次通过 各挡板 ， 最后 由窜气出 口流出。 2 油 气分 离器 的数值模拟 油气分离器 的数值模拟分析是一个气液两相 流计算。气液两相流的数值模拟包括气相和液相 问的相互影响， 这里包括两相间的质量、 动量和能量 交换过程。常见 的算法有欧拉 一欧拉算法和欧拉 一 拉格朗 日算法两种。欧拉 一拉格 朗 日算法具有 计算速度快、 计算资源要求低等特点， 并能够准确描 述粒子的运动轨迹。因此本研究采用欧拉 一拉格 朗 日算法对油气分离器分离效率进行分析 ， 其流程 如图2所示。在液相流场计算中， 将气相和液相分 42 开来计算。当稳态流场计算收敛后 ， 将不 同直径 的 粒子分别通过入 口面引入流场中， 进行粒子运动轨 迹的计算 ， 即拉格朗 日粒子追踪。 计算离散相 ⋯ 计算连续相 。 ． ，． ． 统计逃逸和捕获的颗粒数 目． 建立几何模型 0 建离散相射流源 I 建立网 络 模型I 垂 至 壁 面 捕 挠 I设 置 边 界 条 件 I 土 4 之 解连续相流场 上 输出结果 一 图 2 油气分 离器 分析流程图 2 ． 1 研 究 方案 如图 1所示 ， 本文 中的迷宫式油气分 离器 的 内部结构主要是由2排 1 2个小 的窜气人 口和 5个 多孑 L 过滤板组成 。每个 多孔过滤板包括 3 9个过 滤孔 ， 每个过滤孔 的标准孔径为 2 ． 5 m m。本文采 用 S T A R C C M 软件进行网格划分、 求解计算 和后 处理。由于油气分离器的 内部结构 复杂， 采用 了 相对 比较密的网格设置 ， 网格总量为 3 2 7 9 3 5 2 。为 了保证计算 有很 好的收敛性 ， 在出 口位置进行 了 适 当的延长， 其 网格模型如图 3所示。 图 3 迷 宫式 油气 分离器的 网格模型 2 ． 2 计算模型及条件的设置 本文采用压力入 口和质量流量率计算边界设 置 ， 取设计最大 窜气 流量为计算依据 。假设 油滴 颗粒为球体 ， 在其运动过程 中保持粒径不变 ， 忽略 了在运动过程 中蒸发 、 分裂和聚合 的作用 。采用 运动轨迹的方法描述油滴颗粒的运动 。在窜气入 口位置设置 了面 喷射 源、 均匀喷射 。颗粒 的初始 上海汽车2 0 1 4 ． 0 3 径 的油 滴 分 离 效 率 均 大 于 5 0 ％ ， 对 于 粒 径 为 1 0 m以上 的油滴 分离效率达到 9 0 ％ 以上 ， 系统 总的分离效率为 6 5 ． 2 ％。 4 油气分离器 的结构特性研究 本文在油气分离器原方案的基础上， 另外设计 了 4组对比研究方案， 分别探讨 了多孑 L 过滤板个数、 多孔过滤板上孔的个数、 多孔过滤板上孔的直径和 窜气人 口孔的个数4个主要结构参数对油气分离器 系统压降和系统分离效率两大特性的影 响。根据 表 1和图7展示的相关数据， 总 的来说油气分离器 系统压降和系统分离效率具有相同的变化趋势， 这 主要是由于在各种增加油滴与过滤板或者壁面碰 撞几率的同时， 也会不可避免地阻拦到气 流的顺畅 流动， 造成了系统压降损失的增加。 表 1所示 4组方案当中， 很明显方案 3对于提 高系统分离效率最 有效 ， 但是相对 应的系统压降 也是最大的。它在提高系统分离效率 2 2 ． 3 ％的同 时， 系统压降上升了 7 0 ． 5 8 ％。那么相对来说 ， 方 案 1 具有更好 的综合性能 ， 它在 系统分离效率提 高 1 8 ． 1 ％的同时， 系统压降损失仅上升 了1 7 ． 2 ％ ， 对 于不 同粒 径 的 油滴 分 离 效 率 均 提 高 到大 于 6 0 ％。该方案在付出很小流动损失为代价的前提 下 ， 对于不 同粒径 的油滴 均有 十分明显 的油气分 离提升效果。 表 1 不 同的方案对油气分 离器特性 的影响 多孔过 多孔 过 多孔过滤 窜气入 口 系统压 系统分离 方案 滤板 滤板上孔 上孔 的直 个 数 的个 数 径／ m m 孑 L 的个数 降／ P a 效率 ％ 原方案 5 3 9 2 ． 5 1 2 8 5 6 5 ． 2 l 6 3 9 2． 5 1 2 9 9． 6 8 7 7． 0 3 2 5 3 0 2． 5 1 2 1 O 2． 1 9 71 ． 4 2 3 5 3 9 1 ． 5 1 2 1 4 4． 9 9 7 9． 7 7 4 5 3 9 2． 5 8 1 0 4． 1 8 7 3． 3 系统分离效率 1 一出 口油滴 总的质量流 量／ 人 口油滴 总的质 量流量 1 0 0 ％ 5 结论 1 该油气分离 器 内部气流运 动 比较平顺 ， 4 4 ＼ 槲 较 键 求 趣 图7 不同方案油气分离效率随油滴粒径的变化曲线 没有出现漩涡较强的区域 。油气分离器的表面速 度最大值出现在挡板的出口处 ， 其最大值为 3 m ／ s 左右。该油气分离器的原设计方案压降为 8 5 P a ， 在 同类型的产 品当中处于 比较好 的水平 ， 满足设 计需求 。 2 该油气分离器原方案对于不 同粒径 的油 滴分离效率均大于 5 0 ％ ， 对于粒径为 1 0 m 以上 的油滴分离效率达到 9 0 ％以上 ， 系统总 的分离效 率为 6 5 ． 2 ％。 3 通过几组方案的对比分析得出 油气分离 器系统压降和系统分离效率具有相同的变化趋势。 在提高油气分离效率的同时 ， 系统压降损失也会相 应增加。相对来说 ， 适 当增加多孑 L 过滤板个数可以 使其具有最好的综合优化性能。在付出很小的流 动损失为代价的前提下 ， 对于不同粒径 的油滴均有 十分明显的油气分离效率的提升效果。 参考文献 [ 1 ] 黄阔， 蒋升龙， 袁兆成．车用发动机油气分离器的设计 匹配 [ J ] ．汽 车技术 ， 2 0 1 2 3 3 2 - 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