尹佳雯，董曉威，于麗娟，王嘉，劉銳，張旭

（黑龍江八一農(nóng)墾大學，大慶 163319）

迷宮式油氣分離器的改進及分離廢氣處理

尹佳雯，董曉威，于麗娟，王嘉，劉銳，張旭

（黑龍江八一農(nóng)墾大學，大慶 163319）

就現(xiàn)有迷宮式油氣分離器發(fā)展狀況，為提高迷宮式油氣分離器油氣分離效率，在分離器中采用冷卻液回流方式對流經(jīng)分離器的竄氣進行冷卻，使機油液化，提升機油分離量。同時對經(jīng)過分離后的混合氣再次分離，將混合氣中的不可燃燒廢氣分離出來，并直接通到排氣排放出去；剩余的可燃燒氣體直接引回燃燒室參與二次燃燒。

迷宮式油氣分離器；回流冷卻；廢氣分離；翼型裝置

當往復式發(fā)動機在運轉時，由于活塞環(huán)并不具備完全氣密的性質(zhì)，所以導致少量的工作氣體從氣缸壁與活塞環(huán)以及活塞環(huán)與活塞之間的間隙進入到發(fā)動機曲軸箱[1]。為了避免柴油機的竄氣廢氣直接排向大氣，在柴油機排放升級開發(fā)過程中必須考慮閉式強制通風系統(tǒng)[2]。目前，通過閉式系統(tǒng)即曲軸箱強制通風來解決曲軸箱排氣，即將含有雜質(zhì)的旁通氣體導入發(fā)動機的空氣濾清器與增壓器進氣管之間的接管中[3]。此項措施仍存著問題：采用曲軸箱強制通風之后，系統(tǒng)將發(fā)動機竄氣送回到進氣管并與新鮮混合氣一起進入氣缸進行燃燒。由于竄氣里含有大量的機油油滴，機油是不能夠完全燃燒的，對排放產(chǎn)生了負面影響。此外，機油不能有效的被分離出來并由回油管流回油底殼，也造成了機油的流失[4]。為了解決這類問題，在曲軸箱強制通風系統(tǒng)里必須采用一個高效的油氣分離器，以分離竄氣里的機油油滴。同時對分離后的氣體進行再次分離，提高二次燃燒利用率并減輕排放負擔。

1 迷宮式油氣分離器優(yōu)化

1.1 迷宮式油氣分離器改進方案

迷宮式油氣分離器原理在于：利用油滴的慣性和分離器內(nèi)多重迷宮擋板進行撞擊來實現(xiàn)分離[5]。當油氣混合器進入迷宮式分離器后，由于油氣和氣體密度不同，在流動中由于慣性作用，較大的油滴會被吸附在分離器的內(nèi)表面及擋板上，較小的油滴則隨氣流一起被帶出分離器。被捕捉到的油滴則通過回油管道流回油底殼。

然而，迷宮式油氣分離器的效率相對較低，經(jīng)處理后的油霧不夠徹底，剩余氣體還需通過管道導入外部的油氣分離器進一步分離。為提高迷宮式油氣分離器的油氣分離率，在此，我們提出了改進方案：在迷宮式油氣分離器原有基礎上，增加冷卻裝置，對分離器內(nèi)表面及擋板進行降溫制冷，使通入裝置內(nèi)的氣態(tài)油液能夠有效地液化，以此達到高效率油氣分離的目的。同時對此改進后的分離器的效率進行檢驗測量，在試驗所得具體數(shù)據(jù)的基礎上，在油氣分離效率方面將改進后的方案與原方案進行對比，將對比結果進行理論分析，設計新型的迷宮式油氣分離器[6，9]，圖1為迷宮式油氣分離器的幾何模型。

圖1 迷宮式油氣分離器幾何模型Fig.1The geometrical model of mazy oil-gas separator

1.2 冷卻裝置結構布置

為將機油更好的回收利用，我們采用在迷宮式分離器內(nèi)增加冷卻液回流管路裝置，根據(jù)水蒸氣、柴油蒸汽、機油蒸汽間的凝點不同，通過節(jié)溫器及冷卻液回流作用，使油氣分離器內(nèi)的混合氣的溫度冷卻至100～150℃之間，使機油能夠高效率的液化成油滴，之后經(jīng)過回油系統(tǒng)流回油底殼中。

在迷宮式油氣分離器氣體管道外增加一層管道（如圖2所示），使之與原來通氣管道形成環(huán)套式雙層管道，內(nèi)管道通入竄氣，外管道內(nèi)注入冷卻液，外管道冷卻系統(tǒng)與整車冷卻系統(tǒng)相連接，形成回流。燃燒后的氣體從氣缸排出后，溫度達到400～800℃，在冷卻液和節(jié)溫器作用下，使廢氣溫度降低，加速機油液化，從而實現(xiàn)機油與其他氣體的高效分離。

圖2 冷卻裝置布置形式結構圖Fig.2The structure chart of cooling unit

在分離過程中，只把機油分離了出來，并沒有將燃油蒸汽和水蒸氣分離開，是因為在文章[7]中，對燃油乳化做了詳盡敘述，經(jīng)過乳化的燃油的燃燒率顯著提高，并一定程度上減少了燃燒過程中燃油的消耗量，說明水是有助燃的作用，因此無需將然油蒸汽與水蒸氣分離。

1.3 試驗驗證及結果分析

試驗地點選擇在專業(yè)的交通運輸汽車構造與檢測實驗室，我們首先對研究機型（發(fā)動機型號：495Q）進行竄氣流量進行試驗測量，實驗按照閉式連接方式將活塞漏氣量儀（型號：AVL442）串接到曲軸箱通風系統(tǒng)中。實測，在2 050 r·min-1、115 N·m工況點下，由于進氣管真空度最大，發(fā)動機的竄氣流量達致最大，為14.8 L·min-1。

表1 選用實驗發(fā)動機基本參數(shù)Table 1The essential data of experimental engine

在確定了最大竄氣量后，進行油氣分離效率的測定。在試驗中應用氣相色譜儀（型號：GC102AF）來分別測定竄氣經(jīng)油氣分離器前后時不同直徑油滴的含量。為確保實驗條件的全面性，分別選擇在竄氣量14 L·min-1和7 L·min-1的條件下進行實驗數(shù)據(jù)的測定并對試驗結果進行對比分析。實驗開始前應檢測實驗裝置是否存在泄漏，確保實驗對象密封良好[8]。

油霧直徑較大的油霧，自身質(zhì)量較大，在進入分離器后隨混合氣流流動的時間長，容易隨氣流帶出分離器的出口。油霧直徑較小的油霧，自身質(zhì)量較輕，在進入分離器后隨混合氣流流動的時間短，與壁面碰撞后，能夠較早的被捕捉到。圖3、圖4為原方案與新方案下測定的油氣分離率。

14 L·min-1的竄氣流量時：原方案中，油霧顆粒直徑為7 μm，分離率為60%；油霧顆粒直徑為2 μm時，分離率只達到27%；在新方案中：油霧顆粒直徑為7 μm時的分離率高達80%，油霧顆粒直徑為2 μm時的分離率高達43%。

圖3 原方案油氣分離效率Fig.3The separating efficiency of original project

圖4 改進方案油氣分離效率Fig.4The separating effciency of alter project

在7 L·min-1的竄氣流量時：原方案中，油霧顆粒直徑為7 μm，分離率為40%；油霧顆粒直徑為2 μm時，分離率只達到20%；在新方案中：油霧顆粒直徑為7 μm時的分離率高達66%，油霧顆粒直徑為2 μm時的分離率高達38%。

試驗結果表明：經(jīng)過改進后的油氣分離器對各直徑大小的油污蒸汽的分離效率有了顯著的提高，對油霧直徑大于10 μm的油滴顆粒達到了近100%的分離。在14 L·min-1的竄氣流量工況下比7 L·min-1的竄氣流量工況點的分離效率平均高10%，能夠總體獲得85%以上的分離效果；照比原方案，油氣分離的效率提升了15%。因此，該改進方案對于提高油氣分離的效率效果明顯，起到了優(yōu)化的作用。

2 廢氣分離

竄氣經(jīng)過油氣分離器后，機油被分離出去，剩下的混合氣中成分為汽油蒸汽、CH、CO、CO2等可燃氣體和燃燒廢氣。在現(xiàn)有技術條件下[8]，經(jīng)油氣分離器分離后的混合氣體會混合新鮮空氣后，被送回燃燒室參與二次燃燒。然而，混合其中的CO2等不可燃燒成分參與燃燒在很大程度上稀釋了燃燒混合氣的濃度，降低發(fā)動機效率，因此，我們在油氣分離器裝置后，新增了廢氣分離裝置來分離混合其中的可燃氣體和不可燃氣體，廢氣分離裝置設計結構下圖所示。圖5為廢氣處理裝置橫、縱截面圖。

圖5 廢氣處理裝置橫、縱截面圖Fig.5The structure chart of flue gas separator on crossing wise and lengthways

廢氣分離結構是在原有管路基礎上，逐漸減小管道直徑，并在管道中布置3～4個翼型裝置。翼型裝置的作用是使不同分子質(zhì)量的氣體進行分層，并使其達到穩(wěn)流，便于將氣體分層分離?？扇細怏w的分子質(zhì)量較小，燃燒廢氣質(zhì)量較大。經(jīng)分層后，可燃氣體位于上側，燃燒廢氣位于下側。根據(jù)可燃氣體與燃燒廢氣間分子質(zhì)量差異，將經(jīng)過油氣分離器分離出的混合氣體在翼型裝置的作用下，產(chǎn)生分層，后經(jīng)不同管道分別將分離出的可燃、不可燃氣體送入燃燒室及排放管。

在縱截面示意圖中，翼型裝置1、2之間布置的稍近些，這樣有利于混合氣達到穩(wěn)流狀態(tài)便于分層；翼型裝置2、3間可布置稍遠些，這樣便于混合氣徹底分層，分管排出，使可燃混合氣返回燃燒室參與二次燃燒，廢氣直接由排氣管排放出去。

圖6 油氣分離裝置及廢氣處理裝置流程Fig.6The flow chart of oil-gas separator and waste air treatment

圖6為整個油氣分離裝置及廢氣處理裝置布置圖。在結構布置中，同時在氣缸后新增了一個空氣濾清器，是為了除去從燃燒室排放出的燃燒氣體中的碳粒及部分水蒸氣，避免積碳影響后續(xù)裝置工作效率和壽命。

3 結論

針對迷宮式油氣分離率低的問題，我們在分離器的結構上增設了冷卻回流裝置，該裝置可以對進入油氣分離器的混合氣進行降溫，使機油蒸汽冷卻液化，從而提高機油的分離量。經(jīng)過試驗驗證，經(jīng)改進后的油氣分離率明顯提高，該改進方案有效解決了“跑機油”的問題。同時，我們對從油氣分離器排出的氣體進行了二次分離，明確地將可燃氣體和燃燒廢氣進行分離，避免了原布置形式中，直接將油氣分離器排出的氣體導入燃燒室，使可燃混合氣濃度降低，提高了發(fā)動機的燃燒效率。

［1］吳建華.汽車發(fā)動機原理［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013.

［2］蔡小偉.柴油機曲軸箱強制通風系統(tǒng)的實驗研究與開發(fā)［J］.柴油機，2011（3）：5-10.

［3］石鑫龍.基于改進模糊綜合評價模型的野戰(zhàn)給養(yǎng)器材人機工程設計評價［J］.長春大學學報，2013（6）：660-665.

［4］宗雋杰，倪計民.曲軸箱通風系統(tǒng)油氣分離器的性能研究［J］.內(nèi)燃機工程，2010，31（2）：2-5.

［5］陳家瑞.汽車構造［M］.北京：人民交通出版社，2002.

［6］宋年秀.圖解汽車發(fā)動機構造與拆裝［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［7］張忠良，翟淑敏.燃油乳化與節(jié)能［J］.中國能源，1996 （8）：2-6.

［8］席桂清，黃操軍，譚峰.基于顯控觸屏和MCU的汽車空調(diào)冷媒回收加注系統(tǒng)設計［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學學報，2015，27（2）：87-91.

［9］倪計民.汽車內(nèi)燃機原理［M］.上海：同濟大學出版社，1977.

Perfection of the Mazy Oil Gas and Settle Flue Gas

Yin Jiawen，Dong Xiaowei，Yu Lijuan，Wang Jia，Liu Rui，Zhang Xu
（Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319）

As the present stage of mazy oil gas separator，for improving the efficiency on oil-gas separation，the refrigeration reflux unit was used to cold the mixed liquor，which flowed in the separator.It could make the machine oil liquefied and enhance the quantity of separation.At the same time，by disposing the gas again to isolate the unburnable gas from the mixed-gas and let it out from the vent-pipe directly.The burnable gas would return the combustor with fresh air takes part in the burn again.

mazy oil gas separator；reflux coling unit；flue gas separator；airfoil profile element

TH13

A

1002-2090（2017）03-0086-03

10.3969/j.issn.1002-2090.2017.03.019

2016-12-05

黑龍江省大學生創(chuàng)新項目（20151023029）。

尹佳雯（1995-），女，黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院交通運輸專業(yè)2013級本科生。

董曉威，男，副教授，E-mail：dxwai@sohu.com。