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

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)油顆粒有效過濾掉，否則過多的機(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)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 模型說明及邊界設(shè)置

1.1 模型說明

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）流場計(jì)算邊界參數(shù)的設(shè)置見表1。在計(jì)算流場單向流量時(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)來源于發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 流場計(jì)算邊界參數(shù)

（2）以流場計(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 油氣分離器流場流速分析

由圖4 可知，油氣分離器油滴粒子流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，油氣經(jīng)過油氣分離器內(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圖

2.2 油氣分離器流場壓力分布

由圖5 可知，油氣分離器流場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)果見表2。

表2 油氣分離器分離效率

3 結(jié)論

通過對(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，滿足產(chǎn)品實(shí)際使用需求。