王福志，朱 濤

(長城汽車股份有限公司動力研究院，保定 071000)

前言

發(fā)動機在壓縮-燃燒-膨脹工作過程中，會有少量已燃和未燃氣體通過活塞環(huán)與氣缸之間的間隙竄入曲軸箱內(nèi)，導致曲軸箱壓力上升，而曲軸箱通風系統(tǒng)正是將這部分氣體吸入進氣歧管并最終在缸內(nèi)燃燒加以去除。油氣分離器作為曲軸箱通風系統(tǒng)的重要組成部分，其分離效率應滿足設計要求，否則將導致進氣攜帶機油，并在缸內(nèi)形成炙熱的積炭熱點，增大發(fā)動機燃燒系統(tǒng)“預燃”的風險，嚴重影響發(fā)動機運行的可靠性［1－3］。

在研發(fā)一款高性能增壓直噴汽油機中，考慮到整車搭載布置，對發(fā)動機進行了緊湊化設計，為防止增壓器的高溫排氣渦輪燒蝕塑料缸蓋罩，將其改為鋁合金材質(zhì)，而缸蓋罩內(nèi)集成的迷宮式油氣分離器必須滿足分離效率高和穩(wěn)定可靠的設計要求。

在油氣分離器設計優(yōu)化過程中，研發(fā)工程師先后設計了兩種結構方案(以方案一和方案二進行區(qū)分)，本文中分別在兩種方案的20、30和40L/min 3種活塞漏氣量情況下，對不同直徑的機油粒子進行分離效率分析，經(jīng)過計算對比，方案一結構能夠分離出40μm以上直徑的粒子，而方案二則能夠分離出30μm以上直徑的粒子，由此可見方案二分離效果更好，且最終計算結果得到了試驗的驗證。文中詳細分析和研究了油氣分離器兩種結構方案的內(nèi)部流動與特點，并進行了總結和分析。

1 理論分析

1.1 計算方法

氣液兩相流的數(shù)值模擬包括氣相場和氣液間的相互干擾，常見的算法有歐拉-歐拉算法和歐拉-拉格朗日算法。前者具有計算不易收斂、繁瑣和對計算資源要求高等特點，而后者具有計算簡便，且能準確描述粒子的運動軌跡，因此計算采用歐拉-拉格朗日算法對油氣分離器分離效率進行研究。

拉格朗日動量守恒方程［4］:

式中:md為粒子質(zhì)量，kg;uid為粒子速度，m/s;Fidr為粒子阻力;Fig為粒子所受重力和浮力;Fip為粒子所受壓力;Fib為其它外力。

發(fā)動機在運行過程中通過氣缸間隙漏入曲軸箱內(nèi)的已燃和未燃氣體總稱為活塞漏氣量。在油氣分離器氣相流場計算過程中，即歐拉-拉格朗日算法中的歐拉算法進行穩(wěn)態(tài)流場計算時，其中入口面邊界條件為活塞漏氣量，出口為靜壓。

在液相流場計算中，歐拉-拉格朗日算法是將氣相和液相分開來計算，即當穩(wěn)態(tài)流場計算收斂后，以此流場為基礎，將不同直徑的粒子分別通過入口面引入流場中，從而進行粒子運動軌跡的計算，即拉格朗日粒子追蹤。

分別計算不同活塞漏氣量下不同粒子直徑的運動軌跡，統(tǒng)計計算逃逸的粒子質(zhì)量和引入流場的粒子質(zhì)量，間接得出油氣分離器的分離效率，計算流程圖見圖1。

1.2 計算參數(shù)

根據(jù)發(fā)動機不同負荷特性，選擇20、30和40L/min 3種活塞漏氣量。

機油粒子直徑的大小對油氣分離器的分離效果影響較大，在重力作用下，當油氣混合物的流速不太快時，大的油滴最終會落到油氣分離器的底部，而油滴直徑越小，其下落的時間越長。對于直徑很小的機油微粒，能夠長時間懸浮在空氣中，無法在自身重力的作用下從氣體中分離出來。因此必須借助一些如油氣分離器的迷宮、擋板等手段，盡可能地把這部分油滴分離出來，這部分油滴直徑為1～50μm。

計算中分別選取了直徑為 10、15、20、25、30、35、40和45μm的機油粒子進行對比分析。

1.3 分離效率的評價

在評價油氣分離器分離效率標準時，根據(jù)發(fā)動機臺架試驗對分離器分離能力的要求，即每小時引入進氣歧管中的氣體中最大含機油量不超過1g，以此標準為基礎，按10g/h的速率將機油粒子引入穩(wěn)態(tài)流場中，倘若分離器達到設計要求，分離器每小時至少分離出9g機油，此時分離效率為90%。

機油粒子直徑越小越不容易被分離出來，因此可以依據(jù)分離器必須達到的分離效率(90%以上)來界定一個最小粒子直徑，用以判斷不同結構的分離能力。

2 計算模型

2.1 幾何模型

在模型處理過程中為了避免進出口因計算導致的回流現(xiàn)象發(fā)生，將進出口適當延長。

方案一分離器總長為370mm，方案二總長為280mm，方案一第一道擋板相對高度比方案二要低，方案一第二道擋板與第三道擋板之間距離相比方案二要大，詳見圖2和圖3。

油氣分離器位于缸蓋罩內(nèi)，由沖壓鋼板加工而成，因此在設計時結構不能過于復雜，須考慮加工工藝，否則很難實現(xiàn)。油氣分離器的原理為油氣混合物在迷宮內(nèi)經(jīng)過多次變向流動，通過液滴的慣性力作用進行分離，分離出的氣體通過PVC閥流出，油滴則通過分離器底板的漏油孔流出。

2.2 計算網(wǎng)格

計算網(wǎng)格采用AVL-FAME劃分，邊界層的厚度考慮y+的要求，兩層邊界層，流速較大的區(qū)域網(wǎng)格適當加密，95%的網(wǎng)格為六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為20萬個，詳見圖4和圖5。

基于有限體積法對計算域進行離散化，計算中動量方程采用MINMOD Relaxed差分格式，質(zhì)量守恒方程和湍流方程采用Central Differencing差分格式，能量方程采用迎風格式。

壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法，湍流方程為k-ε模型，標準k-ε模型只適用于湍流充分發(fā)展的高雷諾數(shù)湍流流動，對于低雷諾數(shù)的近壁區(qū)域，文中采用了標準壁面函數(shù)來求解近壁區(qū)域內(nèi)的流動。

穩(wěn)態(tài)計算入口邊界采用質(zhì)量流量，氣體溫度為60℃，密度為 1.06kg/m3，流量分別為 20、30 和40L/min，出口靜壓邊界。

3 氣相流場結果

3.1 方案一氣相流場

氣相流場作為拉格朗日粒子追蹤計算的載體，計算較為重要，圖6和圖7分別為不同流量下油氣分離器的速度矢量分布計算結果，由圖可見:隨著流量的增加，分離器內(nèi)流速增大，第一道擋板與進氣管之間的距離相對較大，不利于粒子的分離，粒子會很容易地通過縫隙，第二擋板與第三擋板之間的距離較大，不利于粒子在此處由于慣性作用而碰壁分離。

3.2 方案二氣相流場

針對方案一存在的問題，方案二將第一道擋板與進氣管之間的距離縮小，同時第二擋板與第三擋板之間的距離減小，其目的為增加粒子撞壁機率。計算結果如圖8和圖9所示，由圖可見，粒子碰壁機率明顯增加。

4 液相流場結果

液相流場的計算是以氣相流場計算為基礎，將不同直徑的粒子引入氣相流場中，進行粒子狀態(tài)統(tǒng)計計算。

4.1 分離效率統(tǒng)計

分別將直徑為 10、15、20、25、30、35、40 和 45μm的機油粒子引入兩種方案的分離器穩(wěn)態(tài)流場中，待粒子在流場中運動穩(wěn)定后(保持量曲線斜率等于零，詳見圖10)，然后計算不同直徑機油粒子的分離效率，計算公式為

計算得到不同粒子直徑不同流量下兩種方案的分離效率曲線如圖11和圖12所示。

由圖可見:在同一粒子直徑下，隨著流量的增加，分離效率提高(流速增大，碰壁機率增加)。同時得出，方案一達到分離效率90%以上時所對應的粒子直徑為40μm，而方案二達到分離效率90%以上所對應的粒子直徑為30μm，由此可見方案二在分離直徑為30～40μm之間的粒子時具有優(yōu)勢。

但從計算結果可看出，直徑在1～30μm區(qū)間的粒子則不能被分離出來，因此當采用方案二結構時，必須增加外置分離器進行更小直徑油粒的分離。

圖13為不同流量下兩種方案的壓力損失，由圖可見:方案二壓力損失略大于方案一，但兩種方案壓力損失均小于50Pa，滿足分離器對壓損的設計要求。壓力損失還要結合進氣歧管的真空度和PCV閥的開啟壓力綜合考慮。

4.2 粒子的運動軌跡

粒子的運動軌跡能夠直觀地反應出粒子的運動狀態(tài)，為了查找方案二中起主要作用的位置，選取直徑30μm的粒子在相同流量下不同方案中的運動軌跡進行觀察，結果發(fā)現(xiàn)方案二粒子的逃逸量明顯小于方案一，起主要作用的位置在第一道擋板處，如圖14所示。

4.3 試驗驗證

為了驗證計算的準確性，在發(fā)動機臺架試驗中將U型瓶的一端連接油氣分離器出口，另一端連接至進氣歧管，然后分別對 3 000、4 000、5 000、5 300和5 600r/min 5個工況點進行油量分析，在發(fā)動機運行20min后對U型瓶內(nèi)的機油進行測量，得到的結果與計算分析有相同的趨勢。圖15為試驗得到的兩種方案發(fā)動機轉(zhuǎn)速與機油量的關系對比。

5 結論

(1)分離效率方面，方案一能夠分離出40μm以上直徑的粒子，方案二則能分離出30μm以上直徑的粒子，因此方案二優(yōu)于方案一。

(2)隨著流量的增加，兩種方案都呈現(xiàn)出在相同粒子直徑下分離效率升高的趨勢。

(3)壓力損失方面，隨著流量的增加，壓力損失呈二次方增長，方案二壓力損失略大于方案一。

(4)在兩種分離器結構中，第一道隔板間隙的縮小對分離效率起到主要作用。

(5)由于內(nèi)置分離器達不到理想的分離效果，必須增加外置分離器，用以分離更小的油粒。

(6)隨著油氣溫度的升高，氣體密度降低，氣體流量降低，分離效率降低，因此高負荷運行時更需要外置分離器進行油氣分離。

(7)穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)相結合的計算方法，如歐拉-拉格朗日算法對粒子進行軌跡追蹤，無疑是油氣分離器分離效率計算中一種方便快捷的計算方法。

［1］Dipl.-Ing.Jürgen Willand，et al.Limits on Downsizing in Spark Ignition Engines Due to Pre-ignition［J］.MTZ，2009，70.

［2］Zaccardi Jean-Marc，et al.Development of Specific Tools for Analysis and Quantification of Pre-ignition in a Boosted SI Engine［C］.SAE Paper 2009－01－1795.

［3］Dahnz Christoph，et al.Investigations on Pre-Ignition in Highly Supercharged SI Engines［C］.SAE Paper 2010－01－0355.

［4］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.