國(guó)六柴油機(jī)油氣分離器優(yōu)化設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

吳貞明， 李保儒， 馬靖巖

（青島華濤汽車模具有限公司，山東 青島 266000）

0 前言

在環(huán)境污染日益嚴(yán)重的背景下，隨著汽車行業(yè)的高速發(fā)展，國(guó)家對(duì)各種內(nèi)燃機(jī)的排放性能要求愈發(fā)嚴(yán)格。我國(guó)汽車排放法規(guī)執(zhí)行GB 17691—2018《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國(guó)第六階段）》（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)六排放法規(guī)”）后，對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的性能要求更加嚴(yán)格，對(duì)于采用開放式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的柴油機(jī)，要求曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)排出的污染物與排放尾氣混合在一起進(jìn)行排放檢測(cè)［1］。由于曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)排出的污染物中攜帶懸浮顆粒（PM），這將導(dǎo)致整機(jī)的PM 排放量增加［2］，因此開發(fā)設(shè)計(jì)一款高效可靠的油氣分離器就顯得尤為重要。

在執(zhí)行國(guó)五排放法規(guī)期間，重型柴油機(jī)曲軸箱排放是不計(jì)入整機(jī)排放中的，對(duì)于油氣分離器的分離效率要求不高，最大機(jī)油攜帶質(zhì)量流量小于5 g/h就能夠滿足設(shè)計(jì)要求。執(zhí)行國(guó)六排放法規(guī)后，對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的排放限制更加嚴(yán)格。對(duì)于采用開放式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的柴油機(jī)，要求經(jīng)油氣分離器分離后竄氣的最大機(jī)油攜帶質(zhì)量流量小于1.0 g/h。本文以6.7 L柴油機(jī)油氣分離器為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其滿足現(xiàn)階段國(guó)六排放法規(guī)要求。

1 油氣分離器結(jié)構(gòu)

1.1 原始方案

原始方案中，油氣分離器的分離結(jié)構(gòu)采用孔板加擋板的形式，其中孔板的孔徑為4.5 mm，孔數(shù)為6個(gè)，如圖1所示。油氣混合氣通過油氣入口進(jìn)入油氣分離器，通過孔板后撞擊油氣分離器的頂面，然后再繞過出口處擋板，經(jīng)油氣出口排出。

圖1 油氣分離器原始方案

通過發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)得該油氣分離器對(duì)曲軸箱竄氣分離后曲軸箱竄氣的最大機(jī)油攜帶質(zhì)量流量在3 g/h 左右，距離國(guó)六排放法規(guī)要求的目標(biāo)值（1.0 g/h以內(nèi)）存在較大差距。

1.2 優(yōu)化方案

考慮到原始方案的沿用性及空間布置，不能單純地通過增加擋板或優(yōu)化孔板的孔徑和孔數(shù)，來使曲軸箱竄氣經(jīng)油氣分離器分離后的竄氣機(jī)油攜帶量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)研究分析，決定在沿用原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行方案優(yōu)化，同時(shí)盡可能降低優(yōu)化成本。具體優(yōu)化方案如下：

（1）在孔板頂部增加濾棉，利用濾棉的高吸附性盡可能地捕捉混合氣中的油滴。

（2）減小孔板孔徑，同時(shí)增加孔數(shù)，保持流通面積不變，避免因減小孔徑導(dǎo)致壓力損失增加。孔徑由4.5 mm 減小到3.0 mm，孔數(shù)由6 個(gè)增加到14個(gè)。通過減小孔徑提升油氣混合氣通過孔板的流動(dòng)速度，提高油滴撞擊在濾棉上的可能性，增加油滴被濾棉吸附的概率。

（3）減小孔板與濾棉的間隙，提高油滴撞擊在濾棉上的概率，這樣更有利于油滴被濾棉捕捉。

根據(jù)優(yōu)化方案及原始方案模型邊界，采用UG繪圖軟件進(jìn)行三維建模。優(yōu)化后的油氣分離器內(nèi)腔模型如圖2所示。油氣混合氣經(jīng)油氣入口進(jìn)入，然后經(jīng)過孔板撞擊濾棉，最后繞過出口處擋板經(jīng)油氣出口排出。

圖2 油氣分離器優(yōu)化方案

2 油氣分離器模擬仿真分析

濾棉的材料為聚酰胺和玻璃纖維，由于該材料具有特殊結(jié)構(gòu)，目前在計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬仿真過程中無法準(zhǔn)確建立有限元模型模擬分析濾棉對(duì)油滴粒子的捕捉情況，因此使用CFD分析軟件對(duì)離散相油滴粒子流動(dòng)進(jìn)行模擬分析并計(jì)算得出的油氣分離器分離效率，對(duì)油氣分離器的設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義不大。

針對(duì)該6.7 L柴油機(jī)油氣分離器的特點(diǎn)，僅對(duì)油氣分離器進(jìn)行連續(xù)相氣態(tài)流動(dòng)分析計(jì)算，參考油氣分離器內(nèi)部壓力場(chǎng)及速度場(chǎng)分布作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)，油氣分離器的分離效率及分離后的竄氣機(jī)油攜帶量采用德國(guó)Topas油氣分離試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 有限元模型建立及邊界條件設(shè)定

使用UG三維建模軟件分別抽取原始方案及優(yōu)化方案油氣分離器的內(nèi)腔，并導(dǎo)入有限元軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為了增強(qiáng)計(jì)算流場(chǎng)的穩(wěn)定性，避免氣流在進(jìn)出口的邊界層處出現(xiàn)氣流回流現(xiàn)象，同時(shí)提高計(jì)算結(jié)果的收斂性，對(duì)油氣分離器的進(jìn)出口進(jìn)行延長(zhǎng)處理，延長(zhǎng)的長(zhǎng)度一般為3D～5D（D為等效直徑）［4］。原始方案網(wǎng)格數(shù)為37.6萬，優(yōu)化方案網(wǎng)格數(shù)為38.2萬，分別如圖3和圖4所示。

圖3 油氣分離器內(nèi)腔網(wǎng)格原始方案

圖4 油氣分離器內(nèi)腔網(wǎng)格優(yōu)化方案

該柴油機(jī)的最大活塞竄氣體積流量為92 L/min，故在CFD 模擬分析中將活塞竄氣體積流量設(shè)定為92 L/min。機(jī)油油滴的密度、黏性系數(shù)按照80 ℃的機(jī)油屬性定義。計(jì)算模型采用工程流場(chǎng)計(jì)算廣泛采用的RNGK-ε湍流模型，此模型兼顧了計(jì)算精度和計(jì)算效率。

2.2 有限元模擬分析結(jié)果

通過模擬分析計(jì)算得出優(yōu)化前后油氣分離器內(nèi)腔的整體壓力和速度的分布情況，以及進(jìn)出口的壓降，如圖5和圖6所示。

圖5 優(yōu)化前后油氣分離器內(nèi)腔壓力分布對(duì)比圖

從圖5可以看出：壓力損失主要集中在孔板位置處，其他位置的壓力損失相對(duì)較小。優(yōu)化前油氣分離器入口到出口的整體壓降為285.45 Pa，優(yōu)化后油氣分離器入口到出口的整體壓降為292.83 Pa，相比優(yōu)化前有所增加，這是因?yàn)榭装蹇讖綔p小造成的。優(yōu)化前后油氣分離器的整體壓降均小于500 Pa，滿足設(shè)計(jì)要求（根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，油氣分離器整體壓降要求控制在500 Pa以內(nèi)［4］）。

從圖6可以看出：優(yōu)化前后油氣分離器入口流速均在6.05 m/s左右，優(yōu)化前孔板位置流速為14.87 m/s，優(yōu)化后孔板位置流速提高到16.54 m/s，流速明顯提高。流速的提高有助于油滴撞擊濾棉，增加油滴被濾棉捕捉的概率，提高油氣分離器的分離效果。

3 油氣分離試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)原理

采用3D 打印技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化方案樣件制作，3D打印精度為0.1 mm，選用尼龍材料（耐溫120 ℃）。

圖7是德國(guó)Topas油氣分離試驗(yàn)臺(tái)，使用該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)優(yōu)化前后的油氣分離器進(jìn)行油氣分離試驗(yàn)。

圖7 德國(guó)Topas油氣分離試驗(yàn)臺(tái)

采用絕對(duì)濾芯（烘干蒸發(fā)掉水分后的濾芯）對(duì)分離后的油氣進(jìn)行過濾，并采用稱重的方式測(cè)量并計(jì)算出優(yōu)化前后油氣分離器的分離效率和機(jī)油攜帶量。油氣分離器在試驗(yàn)臺(tái)架上的布置如圖8所示。試驗(yàn)運(yùn)行2 h后，測(cè)量絕對(duì)濾芯、集油瓶和油氣分離器的質(zhì)量，然后計(jì)算出該試驗(yàn)條件下油氣分離器的機(jī)油攜帶量α和分離效率η：

圖8 油氣分離試驗(yàn)臺(tái)架布置方案

式中：α為機(jī)油攜帶量；ma為試驗(yàn)前絕對(duì)濾芯的質(zhì)量；mb為試驗(yàn)后絕對(duì)濾芯的質(zhì)量；t為試驗(yàn)時(shí)間；η為分離效率；mc為試驗(yàn)前集油瓶和油氣分離器的總質(zhì)量；md為試驗(yàn)后集油瓶和油氣分離器的總質(zhì)量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

試驗(yàn)開始前，使用試驗(yàn)臺(tái)架自帶標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行試驗(yàn)標(biāo)定，確認(rèn)試驗(yàn)臺(tái)架的準(zhǔn)確性，然后對(duì)優(yōu)化前后的油氣分離器分別進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 優(yōu)化前后油氣分離器試驗(yàn)結(jié)果

由表1可以看出：在曲軸箱竄氣體積流量92 L/min的試驗(yàn)條件下，優(yōu)化前油氣分離器對(duì)曲軸箱竄氣分離后竄氣的機(jī)油攜帶質(zhì)量流量約為2.76 g/h，分離效率僅57.2%；而優(yōu)化后分離后的竄氣機(jī)油攜帶質(zhì)量流量為0.68 g/h，符合國(guó)六排放法規(guī)要求（1 g/h 以內(nèi)），分離效率提升到90.24%。優(yōu)化前后油氣分離器的壓力損失均小于400 Pa，且相差不大。綜上所述，優(yōu)化后的油氣分離滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

對(duì)6.7 L國(guó)六柴油機(jī)油氣分離器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過仿真計(jì)算分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，可得出以下結(jié)論：

（1）孔板加濾棉的組合方式能有效提升油氣分離器的分離效率，降低分離后曲軸箱竄氣的機(jī)油攜帶量，使開放式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)滿足國(guó)六排放法規(guī)要求。

（2）通過在不改變?cè)杏蜌夥蛛x的結(jié)構(gòu)布置的基礎(chǔ)上，僅增加濾棉、更改孔板孔徑和孔數(shù)等措施使油氣分離器滿足了設(shè)計(jì)要求，有效降低了產(chǎn)品更改成本，提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

（3）通過CFD 仿真模擬與德國(guó)Topas 油氣分離試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以快速準(zhǔn)確地驗(yàn)證油氣分離器選型設(shè)計(jì)階段的分離效率。