發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)油氣分離結(jié)構(gòu)的性能研究

黃第云 謝夏琳 周益善

(廣西玉柴機(jī)器股份有限公司,廣西玉林 537005)

0 前言

發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離系統(tǒng)是由發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋罩組件、調(diào)壓閥(上呼吸器組件)、油氣分離器、曲軸箱通風(fēng)裝置總成等聯(lián)合組成的分離油氣和平衡曲軸箱壓力的系統(tǒng),主要用于分離曲軸箱混合氣體中的機(jī)油,并具有調(diào)節(jié)和控制曲軸箱內(nèi)壓力作用的裝置。一般而言,油氣分離系統(tǒng)的預(yù)分離主要在由氣缸蓋罩迷宮、隔板、蓋板組件等組成的氣缸蓋罩組件內(nèi)進(jìn)行,其分離貢獻(xiàn)量約占油氣分離系統(tǒng)的2/3以上,因此研究缸蓋罩內(nèi)置預(yù)油氣分離性能情況尤為關(guān)鍵。

1 計(jì)算模型和邊界條件

1.1 計(jì)算模型

研究的預(yù)油氣分離結(jié)構(gòu)(缸蓋罩組件)、油氣流動(dòng)方向示意圖和網(wǎng)格模型分別如圖1、圖2、圖3所示,最大網(wǎng)格尺寸2.0 mm,最小尺寸0.5 mm,總網(wǎng)格數(shù)約為337萬(wàn)個(gè)。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)油氣分離結(jié)構(gòu)(缸蓋罩組件)

圖2 油氣流動(dòng)方向

圖3 網(wǎng)格模型

首先計(jì)算分離器的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng),求出流速、進(jìn)出口壓降等結(jié)果,然后再引入不同粒徑的油滴計(jì)算分離效率,計(jì)算使用的湍流模型為k-ε2方程,近壁采用了壁面函數(shù)法。穩(wěn)態(tài)計(jì)算是進(jìn)行流場(chǎng)的計(jì)算,主要是為了得到速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)等結(jié)果,計(jì)算的工質(zhì)為理想氣體,密度為0.898 kg/m3(120 ℃)。

瞬態(tài)計(jì)算是在穩(wěn)態(tài)計(jì)算的基礎(chǔ)上引入不同粒徑的油滴,得到油滴的被捕捉過(guò)程以及最終的分離效率。計(jì)算工質(zhì)為油滴,密度為828 kg/m3(100 ℃)。

1.2 邊界條件

在穩(wěn)態(tài)計(jì)算中,入口設(shè)定流量為0.002 200 1 kg/s(活塞竄氣量為147 L/min,密度為0.898 kg/m3),溫度為120 ℃(393 K),出口設(shè)定靜壓101 325 Pa,其余設(shè)定為壁面邊界條件,并給定平均溫度120 ℃(393 K)。

瞬態(tài)計(jì)算中,入口總面積為867 mm2,本次計(jì)算引入1 000個(gè)/cm2粒子,總共引入8 670個(gè)粒子,引入時(shí)間是0～0.01 s。分別計(jì)算粒子直徑分別為1μm、3μm、5μm 下的分離效率。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 壓力計(jì)算

圖4為147 L/min竄氣量下的壓力云圖。從計(jì)算結(jié)果看,該油氣分離的壓降較小,約為294 Pa,滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 預(yù)分離結(jié)構(gòu)的壓力云圖

2.2 速度計(jì)算

圖5、圖6是計(jì)算的速度矢量圖,從速度矢量圖中可以看到,整體的流速均不是很高,大部區(qū)域的流速在3 m/s以下,速度較高的位置主要是出現(xiàn)在進(jìn)出口段、各檔板附近以及通孔位置。圖7中深凹的位置出現(xiàn)速度升高的情況,主要是在該位置有1塊擋板和1個(gè)圓柱凸起。圖8為擋板位置的濾孔處速度云圖,從圖中可看到,由于孔數(shù)較多,總流通面積較大,濾孔的最大速度不高,約為8.7 m/s。

圖5 速度矢量(線狀)

圖6 速度矢量云圖

圖7 預(yù)分離結(jié)構(gòu)的擋板位置

圖8 擋板位置的速度矢量云圖(切面)

2.3 分離效率計(jì)算

表1為不同粒徑下的油氣分離效率。計(jì)算使用的模型是假設(shè)油滴與壁面碰撞后即被捕捉,不考慮反彈及二次破碎的情況。

表1 分離效率

圖9、圖10、圖11為3μm 粒徑的油滴在不同時(shí)刻的分布圖。從中可以看到,隨著時(shí)間的發(fā)展,油滴在分離器里逐漸擴(kuò)散,隨著越來(lái)越多的油滴碰壁,油滴被捕捉分離出來(lái)。到達(dá)1.0 s時(shí),計(jì)算基本趨于穩(wěn)定,大部分油滴已經(jīng)被捕捉,到2.0 s時(shí)計(jì)算已經(jīng)穩(wěn)定,油滴分布不再變化。

圖9 3μm 粒徑的分布圖(0.1 s)

圖10 3μm 粒徑的分布圖(1.0 s)

3 結(jié)論

圖11 3μm 粒徑的分布圖(2.0 s)

本文對(duì)某國(guó)六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)油氣分離結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能研究。在活塞竄氣量為147 L/min的工況下,計(jì)算的油氣分離進(jìn)出口壓差為222 Pa,滿足設(shè)計(jì)要求。在不同時(shí)刻下(0～2 s)的油滴速度分布情況,2 s后粒子流速分布基本穩(wěn)定。觀察粒子穩(wěn)定后的分布圖可知,粒子在擋板位置和孔板處節(jié)流作用比較大。預(yù)油氣分離結(jié)構(gòu)的加權(quán)分離效率超過(guò)93.336%。該結(jié)構(gòu)分離效率處于國(guó)六柴油發(fā)動(dòng)機(jī)油氣分離性能的較高水平。