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        某發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋罩油氣分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2021-04-23 01:41:34楊德定
        裝備制造技術(shù) 2021年12期
        關(guān)鍵詞:油氣分離氣缸蓋曲軸箱

        楊德定

        (柳州五菱柳機(jī)動(dòng)力有限公司,廣西 柳州 545005)

        0 引言

        點(diǎn)燃式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)壓縮-燃燒-膨脹循環(huán),燃燒室里或多或少會(huì)有部分可燃混合氣通過(guò)活塞環(huán)組件與氣缸缸孔之間的狹小間隙竄入到曲軸箱內(nèi)[1]。由燃燒室漏入到曲軸箱內(nèi)部的竄氣中含有大量未來(lái)得及燃燒碳?xì)浠瘜W(xué)物、不完全燃燒產(chǎn)物的CO、NOX等氣體。如此便會(huì)在曲軸箱內(nèi)產(chǎn)生一定壓力。為防止曲軸箱內(nèi)部壓力過(guò)高,造成發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部密封部位失效及機(jī)油變質(zhì)等問(wèn)題,必須采用曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng),將曲軸箱內(nèi)存在的廢氣重新吸入進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓強(qiáng),進(jìn)而引入燃燒室內(nèi)燒掉[2];然而竄入曲軸箱的廢氣中含有的機(jī)油顆粒成分是不能被完全燃燒的,故需集成在氣缸蓋罩內(nèi)部的油氣分離器將混合廢氣中所含的機(jī)油顆粒有效過(guò)濾掉,否則過(guò)多的機(jī)油顆粒吸入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒會(huì)造成發(fā)動(dòng)機(jī)燒機(jī)油問(wèn)題,同時(shí)也加劇了機(jī)油消耗。

        本研究對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋罩油氣分離器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)前及優(yōu)化設(shè)計(jì)后的氣缸蓋罩油氣分離器流場(chǎng)及油粒分離效率進(jìn)行CFD 分析,為氣缸蓋罩的設(shè)計(jì)優(yōu)化及樣件試制提供數(shù)據(jù)依據(jù),通過(guò)對(duì)比,評(píng)估其油氣分離能力,判斷優(yōu)化結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

        1 模型說(shuō)明及邊界設(shè)置

        1.1 模型說(shuō)明

        對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸蓋油氣分離器數(shù)模的內(nèi)腔進(jìn)行提取,其優(yōu)化前、優(yōu)化后的氣缸蓋罩油氣分離器內(nèi)腔結(jié)構(gòu),如圖1 所示。

        圖1 氣缸蓋罩油氣分離器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)三維模型圖

        1.2 模型網(wǎng)格劃分

        將氣缸蓋罩油氣分離器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,優(yōu)化前氣缸蓋罩油氣分離器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)模型邊界層數(shù)設(shè)置為2,邊界層厚度為0.3 mm,拉伸層數(shù)設(shè)置為15,拉伸層厚度為30 mm,模型網(wǎng)格單元總數(shù)為511789 個(gè);優(yōu)化后氣缸蓋罩油氣分離器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)模型邊界層數(shù)設(shè)置為2,邊界層厚度為0.3 mm,拉伸層數(shù)設(shè)置為15,拉伸層厚度為30 mm,模型網(wǎng)格單元總數(shù)為409269 個(gè);得到網(wǎng)格模型,如圖2 所示。

        圖2 氣缸蓋罩油氣分離器內(nèi)腔網(wǎng)格模型圖

        1.3 邊界條件設(shè)置

        (1)流場(chǎng)計(jì)算邊界參數(shù)的設(shè)置見(jiàn)表1。在計(jì)算流場(chǎng)單向流量時(shí),設(shè)置入口邊界條件為入口流速,入口處的最大活塞漏氣量的體積流量參數(shù)設(shè)定為40 L/min,這個(gè)來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。入口邊界條件中混合油氣攜帶的機(jī)油的質(zhì)量流量參數(shù)設(shè)定為10 g/h,這個(gè)來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

        表1 流場(chǎng)計(jì)算邊界參數(shù)

        (2)以流場(chǎng)計(jì)算所得的結(jié)果作為輸入條件,并設(shè)置為分離效率計(jì)算時(shí)的初始狀態(tài)。

        (3)在計(jì)算分離效率時(shí),在實(shí)際入口處導(dǎo)入常用發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱廢氣油滴直徑分布參數(shù);最小粒子直徑0.25 μm,最大粒子直徑14 μm,如圖3 所示。

        圖3 曲軸箱廢氣油滴直徑分布圖

        (4)擋板及壁面設(shè)置為satoh,考慮反彈和黏附作用,回油孔壁面設(shè)置為escape,油粒落入回油孔即逃逸。

        2 計(jì)算分析結(jié)果

        2.1 油氣分離器流場(chǎng)流速分析

        由圖4 可知,油氣分離器油滴粒子流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后,油氣經(jīng)過(guò)油氣分離器內(nèi)部弧形導(dǎo)流板之后液滴的相對(duì)流速,相對(duì)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化前有明顯提升。

        圖4 油氣分離器油滴粒子流場(chǎng)圖

        2.2 油氣分離器流場(chǎng)壓力分布

        由圖5 可知,油氣分離器流場(chǎng)壓力分布在油氣分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化前入口壓力為101426.5 Pa,出口壓力為101331.2 Pa,壓損為95.3 Pa;油氣分離器結(jié)構(gòu)優(yōu)化后入口壓力為101535.3 Pa,出口壓力為101362.8 Pa,壓損為172.5 Pa(分離器優(yōu)化前后入口面積相同,優(yōu)化前出口面積為176.446 mm2,優(yōu)化后出口面積為78.404 mm2)。

        圖5 油氣分離器流場(chǎng)壓力分布圖

        2.3 油氣分離器分離效率分析

        從圖6 可知油氣分離器油氣質(zhì)量通量。

        圖6 油氣分離器油氣質(zhì)量通量圖

        根據(jù)油氣質(zhì)量通量得到油氣分離器出口處的質(zhì)量流量,根據(jù)入口質(zhì)量流量邊界,從而得出油氣分離器的分離效率,結(jié)果見(jiàn)表2。

        表2 油氣分離器分離效率

        3 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)某汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋罩油氣分離器優(yōu)化前、后的分離效率對(duì)比分析,結(jié)果表明,當(dāng)設(shè)定活塞的漏氣量為40 L/min 時(shí),機(jī)油攜帶量的質(zhì)量流量為10 g/s,環(huán)境溫度設(shè)置80 ℃的邊界條件下,得出優(yōu)化前氣缸蓋罩油氣分離器油氣分離效率為28.72%,優(yōu)化后氣缸蓋罩油氣分離器油氣分離效率為37.36%,優(yōu)化后分離效率提升8.64%;達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)要求。

        按照該設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的氣缸蓋罩總成樣件已完成生產(chǎn),零件的單體試驗(yàn)及發(fā)動(dòng)機(jī)總成臺(tái)架耐久考核已完成,滿(mǎn)足產(chǎn)品實(shí)際使用需求。

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