結構參數對迷宮式油氣分離器分離性能的影響

余俊波，莫春蘭，汪章潔，吳胡勝，包向東

(1.廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004；2.廣西玉柴機器股份有限公司，廣西 玉林 537005)

為滿足柴油機國Ⅴ及以上排放法規(guī)，曲軸箱強制通風系統(tǒng)成為重要技術。油氣分離器作為曲軸箱通風系統(tǒng)中的重要部件，其分離效率關系到柴油機的經濟性、排放性、可靠性[1]。迷宮式油氣分離器分離機理是利用氣流運動時油滴的慣性，使其甩向壁面實現分離[2-3]。氣流通過迷宮中隔板的引導實現蛇形轉向運動，部分大直徑油滴由于慣性來不及轉向而被甩出實現預分離，中等和小直徑油滴主要依靠粗濾、精濾孔板與擋板的配合，使氣流加速通過孔板而被擋板攔截，油滴由于慣性與擋板碰撞實現油氣分離?？梢?，孔板與擋板的設計布置、安裝組合方式等結構差異直接影響氣流運動加速、油滴碰撞攔截效果的好壞，從而影響油氣分離器的分離性能。因此，結構參數的影響是迷宮式油氣分離器試驗設計中必須考慮的。

目前，已有研究者開展了結構參數的影響研究。王福志等對某汽油機迷宮式油氣分離器進行仿真分析，發(fā)現第一道隔板間隙的縮小對分離效率起主要作用[4]；丁寧等對某汽油機油氣分離系統(tǒng)進行了CFD(計算流體動力學)分析，探究過濾板數、過濾孔數、孔徑和竄氣入口孔數等結構參數對油氣分離器系統(tǒng)壓降和分離效率的影響，發(fā)現適當增加過濾板個數可達到較好的綜合性能[5]；劉宇恒等對某汽車發(fā)動機氣缸蓋罩內的迷宮式油氣分離器進行了數值模擬，分析不同結構參數(出口位置、出口直徑、V型槽間距和V型槽寬度)下分離器的分離效率和壓降損失[6]；高偉等利用CFD軟件對某柴油機的油氣分離器性能進行了計算，結果表明擋板與孔板組合可有效地對油氣進行分離[7]。多數結構參數的研究主要集中在汽油機或柴油機[8-11]的油氣分離器，通常采用數值模擬分析進行，而針對氣體機上使用的油氣分離器的試驗研究較少。

本研究在某款新型氣體機上開展迷宮匹配研究。為衡量迷宮式油氣分離器的分離性能，研究結構參數對分離效率的影響，進行了氣體機油氣分離器性能臺架試驗。為定性分析迷宮式油氣分離器結構參數對分離效率的影響，設計了7組不同的結構組合方案，分別進行油氣分離器性能試驗。采用控制變量法對比分析結構參數變化對分離效率的影響，并給出試驗現象的理論解釋。綜合比較，找出影響氣體機中油氣分離器分離效率的主要結構參數，分析它們對分離效率的影響效果，以獲得對氣體機中迷宮式油氣分離器結構設計的理論認識。

1 新型油氣分離器的結構特點

由于6缸天然氣氣體機的缸蓋罩內空間有限，設計的新型油氣分離器布置在缸蓋罩上面，其主要由缸蓋罩迷宮、進出氣口、孔板、隔板和入口擋板組成。其外部結構如圖1所示。曲軸箱竄氣從迷宮入口進入，入口擋板與進氣入口平面呈一定角度，擋板引導氣流進入，同時將搖臂、彈簧等飛濺起來的大顆粒油滴擋住，初步阻擋一部分油滴。粗濾和精濾回油管設計成U型，分離出的機油在重力作用下沿回油孔流下進入U型管道形成油封，可以防止曲軸箱氣體從回油孔流出，保證油氣分離器的密封性。為了監(jiān)測油氣分離器內部的溫度和壓力，需在分離器頂部布置溫度和壓力傳感器，位置如圖1a所示。

圖1 油氣分離器外部結構

圖2示出油氣分離器的內部結構。采用孔板與擋板相結合的結構，當曲軸箱竄氣從進氣口進入油氣分離器后，在內部擋板的引導下，呈蛇形曲線流動。當遇到孔板時，由于流通面積的突然減小，氣流的流速加快，較大的流動速度使得油滴運動速度增大，通過擋板的阻攔，使得一部分油滴撞擊到擋板上，從而實現油滴與氣體的分離。通過兩個粗濾孔板與擋板、一個精濾孔板與擋板的分離，多數大顆粒和部分小顆粒油滴即可與氣體實現分離。通過對分離器內部孔板和擋板結構尺寸以及安裝距離的優(yōu)化組合，可使曲軸箱竄氣在每一塊孔板處氣體的流動速度都得到加大，隨氣流運動的油滴則更容易撞擊在孔板后的擋板上，增大油氣分離的效率。

2 試驗方案的設計

試驗采用1臺6缸直列式壓縮天然氣發(fā)動機，其缸徑為120 mm，壓縮比為11，標定功率為250 kW。采用閉式油氣分離通風系統(tǒng)進行試驗研究。圖3示出閉式油氣分離通風系統(tǒng)的試驗臺架示意。閉式通風系統(tǒng)的迷宮式油氣分離裝置的出氣口處接上油氣收集工裝后，還需將收集工裝的出口與膜式燃氣表進氣口相接，膜式燃氣表的出氣口接入壓力控制閥(PCV)，再接到空氣濾清器后方的進氣管。PCV通過曲軸箱與進氣管之間的壓力差來調節(jié)竄氣流量，使曲軸箱壓力穩(wěn)定在一個合適的范圍內。

圖3中，箭頭方向代表了氣流的流動路徑。曲軸箱中的竄氣流經迷宮式油氣分離器，一部分竄氣中的機油液滴被分離器分離并由收集裝置2收集，這部分機油量稱為回油量；未被分離出的機油液滴則由收集裝置1收集，這部分機油量稱為竄油量。收集裝置由外殼與濾芯組成，有入口與出口兩端，竄氣經工裝流過時，未被分離的機油便由濾芯吸收。分別測量油氣收集裝置1、2試驗前后的質量變化，即可得出竄油量、回油量。油氣分離效率即為回油量與總竄油量的比值，其中總竄油量為回油量與竄油量之和。

圖3 試驗臺架示意

為了研究結構參數的變化對油氣分離器效率的影響，采用控制變量法，保持其余變量不變，單獨研究一組變量變化對分離器效率的影響。表1中的空白部分代表不安裝該孔板，即氣流流經此處時沒有孔板的阻礙，繞流通過擋板。為了方便試驗分析，設計了方案1進行對照：方案1中只安裝了粗濾孔板2，不安裝粗濾孔板1和精濾孔板。方案2～7則在方案1的基礎上增加了粗濾孔板1和(或)精濾孔板，通過改變通孔直徑、孔數、擋板距離等結構參數進行對比試驗，從而分析某個結構參數的影響。為方便比較，方案1不計算分離效率，將其測得的竄油量12.1 g/h作為總竄油量，其余方案的竄油量與其差值的絕對值為回油量?；赜土颗c總竄油量的比值即為該方案下的油氣分離效率。

表1 油氣分離器分離效率試驗方案

3 試驗結果及討論

3.1 粗濾孔板1通孔直徑對分離性能的影響

保持其余變量不變，通孔直徑由5 mm變化為4 mm。選擇方案5與6進行對比，結果見圖4。從圖中可以發(fā)現，當粗濾孔板1的通孔直徑由5 mm減小到4 mm時，單位竄油量增大了0.1 g/h，分離效率降低了約0.8%。說明粗濾孔板1的通孔直徑對閉式通風油氣分離系統(tǒng)的效率無顯著影響。原因在于閉式通風系統(tǒng)的曲軸箱中的氣體壓力較小，加上渦輪增壓器的抽吸作用，使得油氣混合物的流動阻力較小，流速較快。改變直徑對于氣體流速的影響不明顯，撞擊擋板而被攔截的液滴數量接近，因此分離效率差異不大。

圖4 粗濾孔板1通孔直徑對油氣分離器性能的影響

3.2 粗濾孔板1通孔數量對分離性能的影響

保持其余變量不變，堵上粗濾孔板1中的6個孔，將孔數量減少到29孔。選擇方案5與7進行對比，結果見圖5。從圖中可以看出，粗濾孔板1的通孔數量對油氣分離效率有明顯影響。當減少6個通孔后，竄油量減少了1.4 g/h，分離效率從64.46%增加到76.03%。原因在于：當竄氣流量一定時，流通截面越小，流速越快。當通孔數量減少后，相當于流通截面積也變小了，竄氣流經粗濾孔板后的流速加快。當擋板距離一定時，液滴撞擊到擋板上被攔截下來的概率增加?？傮w上表現為被攔截下來的液滴數量增加，竄油量減少，分離效率提高。

圖5 粗濾孔板1通孔數量對油氣分離器性能的影響

3.3 粗濾孔板2到擋板的距離對分離性能的影響

保持其余變量不變，將粗濾孔板2到擋板的距離由5 mm減小至2 mm。選擇方案2與3進行對比，結果見圖6。當擋板距離從5 mm減小到2 mm時，單位竄油量減小了0.7 g/h，分離效率提高了5.78%。原因是孔板與擋板距離減小后，竄氣中的油滴在相同速度下通過隔板圓孔后，有更大的可能碰撞到擋板而被攔截下來，從而實現與氣流的分離，分離效率提高。

圖6 粗濾孔板2到擋板的距離對油氣分離器性能的影響

3.4 精濾孔板通孔數量對分離性能的影響

保持其余變量不變，改變精濾孔板孔數，從13孔減少為9孔。選擇方案2與4進行對比，結果見圖7。與粗濾孔板相比，精濾孔板的孔數變化對分離效率的影響更為明顯。精濾孔數減少4個時，單位竄油量降低了1.5 g/h，分離效率上升了12.4%?？紤]到粗濾孔直徑比精濾孔大一倍這一因素，可知粗濾孔板流通截面積的減少要比精濾孔板大很多(粗濾孔板減少約117.8 mm2，精濾孔板減少約19.6 mm2)。若按照之前的分析，當總流量一定時，截面積越小，流速越快，竄氣中的機油液滴越有可能撞擊到擋板上被攔截，分離效率也相應越高。應該是粗濾一方具有更高的分離效率，但這里卻出現了相反的情況。說明在精濾孔板處，竄氣流經通孔的速度大小已不再是影響分離效率的主要因素。因為經過粗濾孔板1、2級的分離后，竄氣中大部分直徑比較大的機油液滴已經被分離出去，所以竄氣中留下的是直徑較小的液滴。這些液滴質量輕，慣性小，易受氣流擾動的影響，隨流性較好，不容易從氣流中分離出去。此時過快的氣流流速反而是不利的，有可能造成機油小液滴通過通孔后的運動時間過短，來不及與擋板發(fā)生碰撞就被氣流帶走，造成分離效率的降低。這也說明了精濾孔板在流速相對粗濾孔板較低的情況下卻能獲得更高的分離效率的原因。

圖7 精濾孔板通孔數量對油氣分離器性能的影響

4 結論

a) 改變粗濾孔板通孔數量對分離效率的影響要大于改變通孔直徑的影響；通孔直徑縮小1 mm時，單位竄油量和分離效率變化很小，分離性能變化不大；而通孔數量減少6個，分離性能明顯提升；

b) 改變粗濾孔板到擋板距離對分離效率的影響要大于改變通孔直徑的影響；當擋板距離從5 mm減小到2 mm時，分離性能有所提升，且高于改變通孔直徑時的分離性能；

c) 與粗濾孔板相比，精濾孔板的孔數變化對分離效率的影響更為明顯，因為在精濾孔板處，微小油滴能否從氣流中分離成為影響分離效率的關鍵，過快的氣流流速有可能造成機油小液滴通過通孔后來不及與擋板發(fā)生碰撞就被氣流所帶走，造成分離效率的降低。