汽油發(fā)動(dòng)機(jī)集成式高效率油氣分離器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

張蒙 張強(qiáng) 劉正勇 張國(guó)宇 李安 譚昭波 郭超

（中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司 研發(fā)總院，長(zhǎng)春 130013）

主題詞：曲軸箱通風(fēng) 油氣分離器 機(jī)油攜出量

0 前言

隨著國(guó)家油耗和排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，小排量、高升扭矩的增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外各主要OEM的重視。由于發(fā)動(dòng)機(jī)排量小，油氣分離裝置布置空間受限，而升扭矩的提高致使發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量增大的同時(shí)對(duì)增壓器的性能要求更為嚴(yán)格，因此對(duì)油氣分離裝置的分離效率提出了更高的要求。如何將油氣分離裝置有效集成并提高分離效率成為了設(shè)計(jì)師日益關(guān)注的問(wèn)題[1]。

油氣分離裝置根據(jù)分離和壓力控制方式可分為以下3種：迷宮+PCV（Pressure Control Valve）閥式、迷宮＋PCV閥和迷宮+限流孔的組合式、迷宮+精分離+PRV（Pressure Relief Valve）閥式。

第一種（迷宮+PCV）結(jié)構(gòu)緊湊、成本低，但分離效果較差，目前主要應(yīng)用在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)上；

第二種（迷宮＋PCV閥和迷宮+限流孔的組合式）結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且分離效果一般，多用在自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)為增壓的發(fā)動(dòng)機(jī)上；

第三種（迷宮+精分離+PRV）結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但分離效果最好，逐漸被增壓發(fā)動(dòng)機(jī)所采用，尤其是小排量增壓發(fā)動(dòng)機(jī)；

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)集成式高效率油氣分離器的研究較少，國(guó)外通過(guò)CAE等手段研究的較多，但大多數(shù)是針對(duì)不同油氣分離方式本身分離效果的分析計(jì)算，很少有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究的介紹[2-3]。

本文對(duì)1.0 L增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用第三種高效集成式油氣分離器進(jìn)行設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究，帶有高效集成式油氣分離器的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 缸間通風(fēng)與回油通道設(shè)計(jì)

曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)機(jī)油攜出量的大小取決于初始進(jìn)入油氣分離器的機(jī)油量和油氣分離器的分離能力，而缸間通風(fēng)和缸蓋回油是影響初始進(jìn)入油氣分離器機(jī)油量的關(guān)鍵因素。圖2為缸間通風(fēng)示意圖，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)的每缸排量及缸間氣體最大流速≤150 m/s要求，將缸間通風(fēng)面積設(shè)計(jì)為500 mm2，機(jī)油上液面與連桿軌跡的距離設(shè)計(jì)為15 mm。根據(jù)潤(rùn)滑系統(tǒng)上缸蓋機(jī)油循環(huán)量的計(jì)算結(jié)果14.59 L/min及回油流速≤0.7 m/s要求，將缸蓋回油通道面積設(shè)計(jì)為350 mm2。

圖2 缸間通風(fēng)示意

1.2 油氣分離器位置設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)方向和回油通道位置綜合確定的油氣分離器布置方案如圖3所示。

首先，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)方向，為減少因曲軸旋轉(zhuǎn)而甩入油氣分離器取氣口的機(jī)油量，同時(shí)降低取氣口的曲軸箱油氣的濃度，特將取氣口設(shè)計(jì)在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)。

其次，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火順序，將取氣通道和回油通道疊加后分別布置在中間的第2和第3主軸承座外側(cè)，即取氣通道和回油通道通過(guò)圖示的兩處通道同時(shí)實(shí)現(xiàn)取氣和回油功能。

最后，根據(jù)整車(chē)極限傾角位置時(shí)的機(jī)油液面高度，確定油氣分離器的安裝位置。

圖3 油氣分離器布置位置示意

1.3 集成式油氣分離器設(shè)計(jì)

集成式油氣分離總成如圖4所示，由粗分離、精分離模塊、回油腔及閥和壓力控制閥組成，具體設(shè)計(jì)方案如下：油氣分離器取氣口位于發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣側(cè)前端的空腔內(nèi)，采用取氣口朝下的設(shè)計(jì)方案，目的是避免缸蓋處回油濺入油氣分離器取氣口。粗分離由兩處碰撞筋和3處沉積腔構(gòu)成，工作原理是通過(guò)將油氣加速，使大油滴撞擊碰撞筋，在沉積腔內(nèi)由于流速變慢而沉積并回流到回油道內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)大直徑油滴的分離功能。精分離模塊由一系列獨(dú)立的Cyclone（旋風(fēng)式分離器）構(gòu)成，工作原理是通過(guò)將油氣在各Cyclone內(nèi)加速并實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，從而將油氣中的中、小粒子直徑油滴分離出來(lái)。回油腔及閥由回油腔和回油閥兩部分構(gòu)成，工作原理是回油腔將精分離模塊分離出的油滴匯集起來(lái)并儲(chǔ)存再回油腔內(nèi)，在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷或停機(jī)工況下回油閥打開(kāi)，將回油腔內(nèi)儲(chǔ)存的機(jī)油排到回油道內(nèi)。壓力控制閥是由閥蓋、膜片、彈簧及襯板構(gòu)成，工作原理是根據(jù)曲軸箱壓力和進(jìn)氣壓力調(diào)節(jié)膜片開(kāi)度，從而控制曲軸箱壓力在設(shè)定的范圍內(nèi)，分離后的氣體將經(jīng)過(guò)壓力控制閥控制后進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)參與燃燒。

集成式油氣分離器總成通過(guò)M8螺栓與缸體固定，通過(guò)氟橡膠（FKM）密封圈實(shí)現(xiàn)與缸體間的密封。

圖4 集成式油氣分離器示意

綜上所述，通過(guò)采用將粗分離功能、精分離功能、回油功能和壓力控制功能有效集成的方案設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了油氣分離裝置的所有功能。

2 仿真分析

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析

利用abaqus軟件對(duì)原始油氣分離器總成模型進(jìn)行的強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)附圖5，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的油氣分離器總成模型進(jìn)行的強(qiáng)度校核結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 原始模型強(qiáng)度校核結(jié)果

圖6 優(yōu)化模型強(qiáng)度校核結(jié)果

利用有限元分析方法對(duì)油氣分離器總成進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度仿真分析，可以識(shí)別結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對(duì)密封效果的達(dá)成至關(guān)重要。

2.2 分離效率仿真分析

對(duì)強(qiáng)度優(yōu)化后的模型進(jìn)行分離效率仿真分析，通過(guò)仿真分析0.6～5μm的油滴直徑的流動(dòng)路徑，以撞壁即分離為準(zhǔn)則，得出各油滴直徑撞壁數(shù)量占總數(shù)量百分比的分離效率。油滴路徑分析結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 油滴路徑分析結(jié)果

在油氣分離器設(shè)計(jì)階段預(yù)估的發(fā)動(dòng)機(jī)全壽命內(nèi)的最大流量，即油氣分離器額定流量50 L/min條件下，對(duì)油氣分離器總成分進(jìn)行離效率仿真分析的結(jié)果見(jiàn)表1，流阻仿真分析結(jié)果為0.7 kPa。

表1 分離效率分析結(jié)果

分離效率仿真分析結(jié)果1 μm分離效率81%，與設(shè)計(jì)目標(biāo)≥50%相比，分離效果比較理想；壓降仿真分析結(jié)果為0.7 kPa，與結(jié)構(gòu)回油高度0.5 kPa相比，可以在發(fā)動(dòng)機(jī)在大部分工況下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)回油，在流阻＞0.5 kPa的小部分工況通過(guò)儲(chǔ)油腔和回油閥實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油功能，與回油結(jié)構(gòu)相匹配。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 漏氣量MAP試驗(yàn)

對(duì)新組裝并磨合后發(fā)的動(dòng)機(jī)進(jìn)行漏氣量MAP測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖8，最大漏氣量為24 L/min，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖8 漏氣量MAP試驗(yàn)結(jié)果

3.2 曲軸箱壓力分布試驗(yàn)

分別測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在無(wú)負(fù)荷、25%負(fù)荷、50%負(fù)荷、75%負(fù)荷和全負(fù)荷工況下的曲軸箱壓力分布，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9，曲軸箱壓力在0.5 kPa～-4 kPa范圍內(nèi)，與設(shè)計(jì)目標(biāo)一致。

3.3 機(jī)油攜出量試驗(yàn)

機(jī)油攜出量試驗(yàn)使用了曼胡默爾生產(chǎn)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)絕對(duì)過(guò)濾裝置，其絕對(duì)濾芯對(duì)1 μm油粒直徑的過(guò)濾效率為99.95%，該裝置對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的機(jī)油過(guò)濾效果接近100%。絕對(duì)過(guò)濾裝置如圖10所示。

圖9 曲軸箱壓力試驗(yàn)結(jié)果

圖10 絕對(duì)過(guò)濾裝置

采用絕對(duì)濾芯在原機(jī)狀態(tài)下，分別測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)1 500 r/min、3 000 r/min、4 500 r/min及5 500 r/min轉(zhuǎn)速條件下在25%負(fù)荷、50%負(fù)荷、75%負(fù)荷和全負(fù)荷工況下的機(jī)油攜出量，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 機(jī)油攜出量試驗(yàn)結(jié)果

圖11 試驗(yàn)測(cè)量的機(jī)油攜出量為M，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)工況點(diǎn)的漏氣量（圖8）為Q，可以得出發(fā)動(dòng)機(jī)各工況點(diǎn)機(jī)油攜出量=M/Q，各工況點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果M/Q均≤0.5 g/m3，優(yōu)于目標(biāo)值1 g/m3，分離效果優(yōu)異。

3.4 加氣試驗(yàn)

通過(guò)向發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱內(nèi)加過(guò)濾后的壓縮空氣，加氣量設(shè)定為等同漏氣量，從而模擬發(fā)動(dòng)機(jī)大修前的漏氣量值，機(jī)油攜出量測(cè)量方法及測(cè)量工況同3.3，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖12。

在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)最大壽命漏氣量加倍的條件下，機(jī)油攜出量試驗(yàn)結(jié)果依然≤0.5 g/m3，油氣分離器的分離效果依然優(yōu)異。

圖12 加氣機(jī)油攜出量試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

本文對(duì)1.0 L增壓直噴發(fā)動(dòng)機(jī)采用高效集成式油氣分離器進(jìn)行設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)采用集成式油氣分離器，配合合適的缸間通風(fēng)面積、回油面積及取氣口位置，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)在（0～48）L/min漏氣量范圍內(nèi)機(jī)油攜出量≤0.5 g/m3的分離效果。

（2）儲(chǔ)油式回油腔和回油閥的組合結(jié)構(gòu)能夠有效完成回油功能。

為近一步優(yōu)化油氣分離效率，未來(lái)將在發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工況下對(duì)曲軸箱油氣、油粒分布進(jìn)行測(cè)量，以便定量分析每個(gè)措施對(duì)分離效率影響的效果。