孫培峰

(浙江水利水電學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

1 開(kāi)發(fā)背景

隨著汽車普及率的提高，汽車的污染成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，也引起了全社會(huì)的關(guān)注.汽車排放的污染物主要來(lái)自于三個(gè)方面：曲軸箱竄氣、燃油箱蒸發(fā)及油箱與油管接口的蒸發(fā)、汽車尾氣即一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸锛疤亢诘裙腆w顆粒的排放等.

盡管采取了很多措施，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到制造工藝水平都在不斷提高，但發(fā)動(dòng)機(jī)活塞環(huán)與活塞環(huán)槽之間的間隙以及活塞與汽缸體之間的間隙不可避免地存在.因此發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，燃燒室內(nèi)的水蒸氣、二氧化碳等燃燒產(chǎn)物、一氧化碳等燃燒中間產(chǎn)物以及尚未燃燒的燃油等物質(zhì)，由于高壓和間隙的原因，或多或少會(huì)滲入到發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi).某些車用發(fā)動(dòng)機(jī)裝有增壓裝置，增壓器的軸承間隙及氣門導(dǎo)管間隙等位置也會(huì)導(dǎo)致壓力較高的竄氣滲入到曲軸箱內(nèi)，這些竄氣的進(jìn)入使得發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱壓力升高，加大了油底殼內(nèi)機(jī)油的蒸發(fā)量.此外，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部采用飛濺潤(rùn)滑的運(yùn)動(dòng)件在工作時(shí)，飛濺出來(lái)的油滴和油霧也導(dǎo)致了曲軸箱內(nèi)機(jī)油含量的增加[1].以上帶來(lái)的問(wèn)題有兩個(gè)方面：(1)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油儲(chǔ)量的減少，即所謂的“燒機(jī)油”；(2)滲入的機(jī)油油滴油霧要么被排入大氣產(chǎn)生污染，要么通過(guò)曲軸箱通風(fēng)裝置重新被送入到發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒，也同樣產(chǎn)生“燒機(jī)油”的問(wèn)題.

為避免或減輕上述燒機(jī)油及污染大氣的問(wèn)題，目前在車用發(fā)動(dòng)機(jī)中均裝有曲軸箱通風(fēng)裝置，用于過(guò)濾曲軸箱內(nèi)混合氣中的機(jī)油，并將機(jī)油回收利用.同時(shí)，曲軸箱通風(fēng)裝置還能排出汽柴油中的二氧化硫等成分，避免發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體受到腐蝕.本文所研究的油氣分離器是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的重要部件，它對(duì)于保證發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油儲(chǔ)量的穩(wěn)定，確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行，尤其對(duì)于減輕發(fā)動(dòng)機(jī)污染物的排放具有重要意義.

2 現(xiàn)有油氣分離器存在的缺陷

在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱竄氣中，機(jī)油油滴的平均直徑大概為0.9 μm，其中直徑最大的可以達(dá)到60 μm左右，直徑最小的約為0.08 μm左右，實(shí)際中能夠高效分離出這類油滴油霧的方法并不多[2].目前，根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理不同，車用發(fā)動(dòng)機(jī)常用的油氣分離器可以分為濾網(wǎng)式、迷宮式、旋風(fēng)式、彌散式以及靜電式等.

濾網(wǎng)式油氣分離器是將曲軸箱內(nèi)的混合氣通過(guò)金屬濾網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾的方法來(lái)進(jìn)行分離，這種方式比較常用，結(jié)構(gòu)和原理也都比較簡(jiǎn)單，但是分離的效果不是很好，機(jī)油分離的不徹底導(dǎo)致仍然有不少的機(jī)油被導(dǎo)入到燃燒室內(nèi)燒掉.迷宮式油氣分離器即利用機(jī)械結(jié)構(gòu)上的迷宮，混合氣在迷宮內(nèi)流動(dòng)時(shí)，速度會(huì)明顯減慢，從而導(dǎo)致重度較大的機(jī)油油滴慢慢沉積下來(lái)，達(dá)到油氣分離的目的.這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但顆粒較小的油滴由于重度低等原因很容易被帶出分離器.旋風(fēng)式油氣分離器需要在其內(nèi)部設(shè)置螺旋氣道，混合氣在氣道內(nèi)高速流動(dòng)時(shí)，靠離心力的作用將顆粒較大的油滴甩到氣道壁上，分離的效果相對(duì)較好[3]，但分離效率受到氣道結(jié)構(gòu)和流速等的影響.彌散式分離器則利用過(guò)濾介質(zhì)和與機(jī)油油滴之間的相互作用，通過(guò)慣性效應(yīng)、攔截效應(yīng)和漫射效應(yīng)來(lái)進(jìn)行油氣分離.但隨著時(shí)間的推移炭黑顆粒很容易粘附在濾芯表面造成阻塞，因此該類分離器需要進(jìn)行定期維護(hù).靜電式分離器是將機(jī)油油滴加上電荷，利用電場(chǎng)的作用來(lái)進(jìn)行油氣分離.這類分離器需要高壓電源，還需要考慮絕緣和屏蔽，同時(shí)炭黑的存在會(huì)影響電極的工作，有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失去作用，因此該類分離器同樣需要進(jìn)行定期維護(hù)[2].

可見(jiàn)，由于分離效果等的原因，目前實(shí)際中常用的曲軸箱通風(fēng)方法多多少少存在著燒機(jī)油等弊端，尤其是對(duì)于大功率的柴油機(jī)，這個(gè)問(wèn)題尤為嚴(yán)重.如果不能將曲軸箱混合氣中的機(jī)油清除干凈，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的PM排放量升高，導(dǎo)致機(jī)油消耗增加、濾清器被堵塞等的不良后果[2].此外維護(hù)成本的提高也制約了部分油氣分離器的推廣與使用.

3 新型離心式油氣分離器的基本結(jié)構(gòu)與原理

隨著國(guó)家對(duì)車輛排放法規(guī)的要求越來(lái)越高，對(duì)油氣分離器分離效果的要求亦越來(lái)越高.油氣分離器的設(shè)計(jì)一要能夠?qū)崿F(xiàn)可燃混合氣的回收尤其是機(jī)油的高效回收和利用；二要能把回收的燃料(或燃燒中間產(chǎn)物)重新輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)再次燃燒，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)能源的利用率，同時(shí)可以減少汽車對(duì)大氣中碳?xì)浠衔锏呐欧?；三要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，成本低廉.目前，許多商用車發(fā)動(dòng)機(jī)采用的是離心式油氣分離器，通過(guò)離心力的作用，使油滴從轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)片邊緣處甩出，匯集到曲軸箱壁上，然后慢慢地被收集到油底殼，而被凈化后的曲軸箱混合氣再通過(guò)一個(gè)單獨(dú)的出口重新進(jìn)入到進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行燃燒(回收).

離心式油氣分離器是一種慣性式分離裝置，其分離效率直接受到工作轉(zhuǎn)速的影響.由于離心機(jī)的分離能力可以通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，其分離效率不會(huì)受到發(fā)動(dòng)機(jī)工況的影響.但這類分離機(jī)存在的一個(gè)問(wèn)題是工作時(shí)需要外界的動(dòng)力作為驅(qū)動(dòng)源，結(jié)構(gòu)上需要其它的配套機(jī)構(gòu)，如必須要考慮軸承的選用及密封的設(shè)計(jì)等諸多問(wèn)題[2].因此這類分離器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也比較高.

本文所開(kāi)發(fā)的新型離心式發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離器，是在上述油氣分離器基礎(chǔ)上的進(jìn)一步改進(jìn)與優(yōu)化，目的是通過(guò)顯著提高油氣分離器的工作轉(zhuǎn)速，達(dá)到提高分離效果的目的.同時(shí)，該油氣分離器以發(fā)動(dòng)機(jī)主油道內(nèi)壓力油作為驅(qū)動(dòng)分離機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，省去了電機(jī)等部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全實(shí)用.該油氣分離器基本結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1).

1.大齒輪 2.連接軸1 3.出油口 4.葉輪箱 5.葉輪 6.進(jìn)油口 7.小齒輪 8.連接軸2 9.出氣口 10.濾網(wǎng) 11.轉(zhuǎn)子體 12.轉(zhuǎn)子密封圈 13.進(jìn)氣口 14.回油口圖1 新型離心式發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離器結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，該離心式發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離裝置，其動(dòng)力源取自發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)主油道，主體結(jié)構(gòu)主要分為驅(qū)動(dòng)部分和分離部分.其基本工作原理為：

(1)驅(qū)動(dòng)原理

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作時(shí)，機(jī)油主油道的壓力迅速增大，可達(dá)0.25～0.50 MPa左右，柴油機(jī)的壓力相對(duì)更大，最高可以達(dá)到1MPa左右.本分離器考慮采用主油道的壓能和動(dòng)能來(lái)進(jìn)行分離裝置的驅(qū)動(dòng).如圖所示，來(lái)自主油道的壓力油從進(jìn)油口6進(jìn)入，在壓能和動(dòng)能的作用下驅(qū)動(dòng)葉輪5旋轉(zhuǎn).葉輪5帶動(dòng)大齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，大齒輪1帶動(dòng)小齒輪7轉(zhuǎn)動(dòng)，大小齒輪的增速效應(yīng)使轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大，顯著提高了分離機(jī)構(gòu)的工作轉(zhuǎn)速.

(2)分離原理

在小齒輪7的帶動(dòng)下，轉(zhuǎn)子體11高速旋轉(zhuǎn)，此時(shí)曲軸箱內(nèi)的混合氣從進(jìn)氣口13進(jìn)入轉(zhuǎn)子體11內(nèi)，并隨著轉(zhuǎn)子體11及其內(nèi)部的濾網(wǎng)10高速旋轉(zhuǎn).此時(shí)，混合氣中機(jī)油油滴由于密度大，受到的離心力也較大.于是機(jī)油油滴被甩到轉(zhuǎn)子體11外圍內(nèi)壁附近，并通過(guò)回油口14流出至發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼，即機(jī)油被回收利用.與此同時(shí)，離心力較小的混合氣(已分離掉機(jī)油油滴)則在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)吸力作用下，沿轉(zhuǎn)子體11的中部上行，從出氣口9輸出.本裝置中轉(zhuǎn)子體11內(nèi)濾網(wǎng)10的存在亦進(jìn)一步有利于混合氣中機(jī)油油滴的分離.

從出氣口9輸出的混合氣重新被導(dǎo)入汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)參與燃燒，這樣從活塞環(huán)周邊漏入曲軸箱的燃油及其中間燃燒產(chǎn)物得以回收利用.

4 新型離心式油氣分離器的優(yōu)點(diǎn)

本文所研究開(kāi)發(fā)的車用油氣分離器，與傳統(tǒng)的油氣分離器相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)增設(shè)了齒輪傳遞機(jī)構(gòu)，大幅度提高了油氣分離的效果.由于油氣分離的實(shí)際效果在相當(dāng)程度上取決于轉(zhuǎn)子體轉(zhuǎn)速的高低，因此提高離心式分離器的工作轉(zhuǎn)速，是提高分離效果最直接最有效果的途徑.該分離裝置在傳統(tǒng)離心式分離器的基礎(chǔ)上，增設(shè)了齒輪傳遞機(jī)構(gòu)，顯著提高了分離轉(zhuǎn)速和分離效果，使機(jī)油的分離更加干凈徹底，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能.

(2)該裝置使用發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)主油道作為動(dòng)力源，方便實(shí)用、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且不需要配套的軸承和密封裝置，故障率低，可靠性好.適用于大多數(shù)的車用發(fā)動(dòng)機(jī).

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