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【摘 要】探讨影响车用迷宫式油气分离器的设计结构因素。采用CAE仿真手段，通过对不同尺寸的颗粒物在不同迷宫式油气分离器设计方案中进行稳态流场分析，给定流量及压力。找出了不同的迷宫式油气方案之间分离效果差异的原因，并提出了优化的设计方案。
【关键词】减排；环保；仿真技术；发动机油气分离
【中图分类号】U464.13 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）10-0047-04
0 引言
活塞往复式发动机在工作过程中，由于活塞在气缸内上下运动的作用，燃烧室内的高温高压混合气体携带着通过活塞环与环槽、气缸套之间的缝隙向下进入发动机曲轴箱内。该混合气体包含了燃烧生成的废物、润滑油（气态和液态油滴）、燃油、水蒸气、碳烟等。高温高压的混合气体，如不及时排放出去，会导致发动机曲轴箱内压力提升过高，从而造成发动机动力下降、油耗增多、零件失效等故障，而直接将此混合废气排入大气，又会造成大气污染，影响人体健康。因此需要通过油气分离装置，将混合气体中的杂质分离并收集起来，将相对干净的气体排向大气。
油气分离的方式主要有迷宫式、旋风式、纤维分离、离心式和静电分离等。其中迷宫式分离结构由于在油气分离过程中，混合气体的压力损失较小，因此被广泛应用。迷宫式油气分离结构的原理是在混合气体行进路线上，垂直于行进方向设置隔板，混合气体通过撞击隔板，使得其中的润滑油滴等杂质黏附在隔板上并且在重力的作用下向下聚集并被收集起来，分离后相对洁净的空气从排气通道被排出。迷宫式结构的分离效果因具体结构的不同而有着较大的差异。本文旨在通过仿真计算手段，研究若干不同的迷宫结构对油气分离效果的影响，并提出优化的结构设计建议。
1 方案介绍
在本次研究中，共对4种不同的迷宫结构进行油气分离效率的计算和分析（如图1所示）。方案1：只有隔板，无额外多孔板。方案2：在方案1的基础上，增加了2块多孔板，一块设置在隔板的上游，另外一块设置在隔板的下游，与隔板间隔距离6 mm。方案3：在方案2的基础上，增加了1块多孔板，均设置在隔板的上游，并将新增的多孔板与隔板间隔距离2 mm。方案4：在方案3的基础上，将新增的多孔板与隔板之间的距离增加到6 mm。多孔板的规格均为[?]5×21孔。
2 计算模型和边界条件
2.1 计算模型
计算所使用的软件，计算模型的单元类型及相关说明，附计算模型节点数和单元数表格，附有限元模型图片。本发动机油气分离器总成使用了西门子公司的UG软件生成三维模型，通过将UG模型导入AVL FIRE软件，使用自动网格生成器FAME HYBRID生成了网格，各方案网格数量约为44万个。计算网格模型如图2所示。
为了使计算能更好地收敛，在入口和出口处分别加长了50 mm。计算使用的湍流模型为k-[ε]两方程湍流模型，近壁面处采用了壁面函数法。
2.2 边界条件
在稳态流场计算中，入口按照试验测得的标定点活塞漏气量给定流量为168 L/min（0.002 469 5 kg/s），出口给定压力，其余设定为壁面边界条件，计算流体密度参照值为0.898 kg/m3。在瞬态计算中，给定油粒密度（818 kg/m3）和油粒大小（0.3～9 μm）。
3 计算结果与分析
3.1 计算
3.1.1 稳态计算
表1是各方案稳态整体平均流速计算结果。从中可见，方案1相对其他方案来说，整体平均流速要高约1/3。高流速对运输物质效果更明显，同时悬浮在流场中的颗粒的惯性也比较大。当遇到有效拦截壁面的时候，油粒被拦截的概率更高，但是如果高流速的流场不与壁面接触，反而会带走更多的油粒。因此，为了达到更高的油气分离效率，除了需要提高流速，还需要增加流体与壁面的有效接触面积。这就是设置多孔板的原因。多孔板上的孔起到了导流及局部提高混合气体流速的作用，相应的在其下游设置拦截壁面，则可以有效地提高颗粒分离效率。各方案油气分离器平均流速对比图如图3所示。各方案油气分离器流场流速對比图如图4所示。
3.1.2 各尺寸油粒分离计算
图5、图6分别为各方案油气分离器对各尺寸油粒的分离效率和窜油率计算结果。可以看出，随着油粒尺寸变大，分离效率随之提高，而窜油率随之下降。尺寸较大的颗粒物，由于其携带的惯性较大，因此相较容易被隔板拦截，所以分离效果也较好，尺寸较小的颗粒物，其惯性相对要小，容易随着流动的气体被带走，而不容易被隔板拦截，因此分离效果相对差一些。这个对比的意义在于，不同类型的发动机在燃烧过程中产生的混合气体中，颗粒物的大小会有所不同，因此这个计算结果揭示了针对不同的发动机，需要针对性地设计不同的迷宫式油气分离方案。
窜油率指未从混合气体中分离出来的悬浮颗粒物，占迷宫分离结构入口总的悬浮颗粒物含量的百分比。窜油率越低，说明该方案分离效果越好。从对比曲线图中看出，方案4的窜油率最低，方案2的窜油率最高。
3.2 结果分析
3.2.1 各方案计算结果分析
以下对各方案油气分离效果和影响因素尝试进行分析。方案3和方案4之间唯一的区别在于靠近分离器入口的第一多孔板与隔板之间的间距（如图7所示）。方案3的间距是2 mm，方案4的间距是5 mm。从图7的稳态流场对比中可以看到，在方案3中，通过多孔板的流速比方案4要快，因此会更快地带走更多的油粒。另外，由于多孔板与隔板之间的间距小，方案3中流动的油气混合物与隔板的有效接触面积也小于方案4，因此撞击到隔板上的油粒也要少一些（如图8所示，方框中是撞击到隔板上的油粒）。由此得出，高流速要在流动路径上结合相应的阻隔壁面，才能得到较好的油气分离效果。图9是对方案2稳态流场的分析。方案2使用了2块[?]5×21的多孔板。由于其中一块多孔板的下游没有隔板，因此油粒除了被加速带走外，并没有得到有效的拦截。因此油气分离效果不理想（如图10所示）。图11是对方案1（无多孔板）的分析。从图11可以看出，大多数油粒分布在油气混合物流速比较高的壁面上（红圈内，远离流动速度低的地方和流动死区）。可见，多孔板的导流作用可以将较多的悬浮颗粒导向隔板，对悬浮颗粒物来说增加了拦截面积。因此可以得出，为了分离油粒，需要同时满足高流速和有效的拦截面积2个条件。 3.2.2 分析结论
通过CAE仿真手段，对发动机燃烧产生的混合气体在迷宫式油气分离装置中的分离效果进行了计算和分析。分析认为，混合气体中的空气和悬浮的杂质的分离效果受到气体流动速度、是否设置多孔板、多孔板与隔板之间距离的影响。高流速及合理的多孔板与隔板间隔距离可以带来相对较好的分离效果。多孔板设置在隔板的上游对提高分离效率有较好的影响。但是多孔板上的孔大小及孔数量对油气分离效果的影响尚未得到研究，并且不同类型、不同常用工况、不同负荷的发动机可能对多孔板的设计有不同的要求。这些将在后续的计算分析中着重进行研究。
3.3 设计优化建议
在进行计算的过程中，发现混合废气经过各隔板的时候，压力损失较大，这是由于流场几何形状急剧变化，造成流动分离引发了背压。这些累积的压力损失消耗了发动机做功，从而一定程度上提高了油耗。因此，为了在保证油气分离效果的同时降低功耗，并且结合以上对油粒分布规律的观察，提出以下设计优化方案。取消迷宫式隔板，以圆柱体取而代之作为分离混合气体杂质的被撞击物，利用多孔板加速油气混合物，让加速后的油气混合物撞击到圆柱体上，分离出的油沿着圆柱体向下流，剩下的油气混合物继续向下游运动撞击第二排圆柱体，进一步分离机油。这种方案既保证了有效的油气分离效果，又避免了流动分离效果，降低了混合废气在行进过程中的压力损失，从而降低发动机功耗。改进建议示意图如图12所示。
4 总结
本文通过计算机CFD仿真手段，对几个不同的车用迷宫式油气分离设计方案进行了计算和分析，从中找出了分离效果最优的方案，并对影响油气分离效果的原因进行了分析。最终基于计算和分析的结果，提出了优化后的设计方案。
参 考 文 献
[1]娄性义. 迷宫式固液分离装置[J]. 环境科学与管理，1984（4）.
[2]陈礼信，彭北京，亓建永，等. 摩托车迷宫式通风系统设计要点[J]. 小型内燃机与车辆技术，2015（6）.
[3]白金龙. 电控柴油机曲轴箱排放及其形成研究[D]. 上海：上海交通大学，2015.
[4]陈孟湘. 汽车通风系统的分析[J]. 专用汽车，1989（4）.
[5]谭刚，左会刚. 自然通风的理论机理分析与实验验证[C]. 全国暖通空调制冷学术文集，1998.
[6]柳国立. 现代发动机曲轴箱通风系统设计研究[J]. 内燃机与配件，2014（12）.
[7]胡景彥. 4G15D缸内直喷发动机油气分离模拟分析及试验验证[J]. 车用发动机，2012（5）.
[8]陶丽芳.柴油机迷宫式油气分离器分离效率数值模拟[J]. 柴油机，2010（32）.
[9]刘宇恒，郝志勇，贾维新. 基于CFD技术的迷宫式油气分离器优化设计[J]. 小型内燃机与车辆技术，2008（37）.
[10]尹佳雯. 迷宫式油气分离器的改进及分离废气处理[J].黑龙江八一农垦大学学报，2017（3）.
[责任编辑：钟声贤]
【关键词】减排；环保；仿真技术；发动机油气分离
【中图分类号】U464.13 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2018）10-0047-04
0 引言
活塞往复式发动机在工作过程中，由于活塞在气缸内上下运动的作用，燃烧室内的高温高压混合气体携带着通过活塞环与环槽、气缸套之间的缝隙向下进入发动机曲轴箱内。该混合气体包含了燃烧生成的废物、润滑油（气态和液态油滴）、燃油、水蒸气、碳烟等。高温高压的混合气体，如不及时排放出去，会导致发动机曲轴箱内压力提升过高，从而造成发动机动力下降、油耗增多、零件失效等故障，而直接将此混合废气排入大气，又会造成大气污染，影响人体健康。因此需要通过油气分离装置，将混合气体中的杂质分离并收集起来，将相对干净的气体排向大气。
油气分离的方式主要有迷宫式、旋风式、纤维分离、离心式和静电分离等。其中迷宫式分离结构由于在油气分离过程中，混合气体的压力损失较小，因此被广泛应用。迷宫式油气分离结构的原理是在混合气体行进路线上，垂直于行进方向设置隔板，混合气体通过撞击隔板，使得其中的润滑油滴等杂质黏附在隔板上并且在重力的作用下向下聚集并被收集起来，分离后相对洁净的空气从排气通道被排出。迷宫式结构的分离效果因具体结构的不同而有着较大的差异。本文旨在通过仿真计算手段，研究若干不同的迷宫结构对油气分离效果的影响，并提出优化的结构设计建议。
1 方案介绍
在本次研究中，共对4种不同的迷宫结构进行油气分离效率的计算和分析（如图1所示）。方案1：只有隔板，无额外多孔板。方案2：在方案1的基础上，增加了2块多孔板，一块设置在隔板的上游，另外一块设置在隔板的下游，与隔板间隔距离6 mm。方案3：在方案2的基础上，增加了1块多孔板，均设置在隔板的上游，并将新增的多孔板与隔板间隔距离2 mm。方案4：在方案3的基础上，将新增的多孔板与隔板之间的距离增加到6 mm。多孔板的规格均为[?]5×21孔。
2 计算模型和边界条件
2.1 计算模型
计算所使用的软件，计算模型的单元类型及相关说明，附计算模型节点数和单元数表格，附有限元模型图片。本发动机油气分离器总成使用了西门子公司的UG软件生成三维模型，通过将UG模型导入AVL FIRE软件，使用自动网格生成器FAME HYBRID生成了网格，各方案网格数量约为44万个。计算网格模型如图2所示。
为了使计算能更好地收敛，在入口和出口处分别加长了50 mm。计算使用的湍流模型为k-[ε]两方程湍流模型，近壁面处采用了壁面函数法。
2.2 边界条件
在稳态流场计算中，入口按照试验测得的标定点活塞漏气量给定流量为168 L/min（0.002 469 5 kg/s），出口给定压力，其余设定为壁面边界条件，计算流体密度参照值为0.898 kg/m3。在瞬态计算中，给定油粒密度（818 kg/m3）和油粒大小（0.3～9 μm）。
3 计算结果与分析
3.1 计算
3.1.1 稳态计算
表1是各方案稳态整体平均流速计算结果。从中可见，方案1相对其他方案来说，整体平均流速要高约1/3。高流速对运输物质效果更明显，同时悬浮在流场中的颗粒的惯性也比较大。当遇到有效拦截壁面的时候，油粒被拦截的概率更高，但是如果高流速的流场不与壁面接触，反而会带走更多的油粒。因此，为了达到更高的油气分离效率，除了需要提高流速，还需要增加流体与壁面的有效接触面积。这就是设置多孔板的原因。多孔板上的孔起到了导流及局部提高混合气体流速的作用，相应的在其下游设置拦截壁面，则可以有效地提高颗粒分离效率。各方案油气分离器平均流速对比图如图3所示。各方案油气分离器流场流速對比图如图4所示。
3.1.2 各尺寸油粒分离计算
图5、图6分别为各方案油气分离器对各尺寸油粒的分离效率和窜油率计算结果。可以看出，随着油粒尺寸变大，分离效率随之提高，而窜油率随之下降。尺寸较大的颗粒物，由于其携带的惯性较大，因此相较容易被隔板拦截，所以分离效果也较好，尺寸较小的颗粒物，其惯性相对要小，容易随着流动的气体被带走，而不容易被隔板拦截，因此分离效果相对差一些。这个对比的意义在于，不同类型的发动机在燃烧过程中产生的混合气体中，颗粒物的大小会有所不同，因此这个计算结果揭示了针对不同的发动机，需要针对性地设计不同的迷宫式油气分离方案。
窜油率指未从混合气体中分离出来的悬浮颗粒物，占迷宫分离结构入口总的悬浮颗粒物含量的百分比。窜油率越低，说明该方案分离效果越好。从对比曲线图中看出，方案4的窜油率最低，方案2的窜油率最高。
3.2 结果分析
3.2.1 各方案计算结果分析
以下对各方案油气分离效果和影响因素尝试进行分析。方案3和方案4之间唯一的区别在于靠近分离器入口的第一多孔板与隔板之间的间距（如图7所示）。方案3的间距是2 mm，方案4的间距是5 mm。从图7的稳态流场对比中可以看到，在方案3中，通过多孔板的流速比方案4要快，因此会更快地带走更多的油粒。另外，由于多孔板与隔板之间的间距小，方案3中流动的油气混合物与隔板的有效接触面积也小于方案4，因此撞击到隔板上的油粒也要少一些（如图8所示，方框中是撞击到隔板上的油粒）。由此得出，高流速要在流动路径上结合相应的阻隔壁面，才能得到较好的油气分离效果。图9是对方案2稳态流场的分析。方案2使用了2块[?]5×21的多孔板。由于其中一块多孔板的下游没有隔板，因此油粒除了被加速带走外，并没有得到有效的拦截。因此油气分离效果不理想（如图10所示）。图11是对方案1（无多孔板）的分析。从图11可以看出，大多数油粒分布在油气混合物流速比较高的壁面上（红圈内，远离流动速度低的地方和流动死区）。可见，多孔板的导流作用可以将较多的悬浮颗粒导向隔板，对悬浮颗粒物来说增加了拦截面积。因此可以得出，为了分离油粒，需要同时满足高流速和有效的拦截面积2个条件。 3.2.2 分析结论
通过CAE仿真手段，对发动机燃烧产生的混合气体在迷宫式油气分离装置中的分离效果进行了计算和分析。分析认为，混合气体中的空气和悬浮的杂质的分离效果受到气体流动速度、是否设置多孔板、多孔板与隔板之间距离的影响。高流速及合理的多孔板与隔板间隔距离可以带来相对较好的分离效果。多孔板设置在隔板的上游对提高分离效率有较好的影响。但是多孔板上的孔大小及孔数量对油气分离效果的影响尚未得到研究，并且不同类型、不同常用工况、不同负荷的发动机可能对多孔板的设计有不同的要求。这些将在后续的计算分析中着重进行研究。
3.3 设计优化建议
在进行计算的过程中，发现混合废气经过各隔板的时候，压力损失较大，这是由于流场几何形状急剧变化，造成流动分离引发了背压。这些累积的压力损失消耗了发动机做功，从而一定程度上提高了油耗。因此，为了在保证油气分离效果的同时降低功耗，并且结合以上对油粒分布规律的观察，提出以下设计优化方案。取消迷宫式隔板，以圆柱体取而代之作为分离混合气体杂质的被撞击物，利用多孔板加速油气混合物，让加速后的油气混合物撞击到圆柱体上，分离出的油沿着圆柱体向下流，剩下的油气混合物继续向下游运动撞击第二排圆柱体，进一步分离机油。这种方案既保证了有效的油气分离效果，又避免了流动分离效果，降低了混合废气在行进过程中的压力损失，从而降低发动机功耗。改进建议示意图如图12所示。
4 总结
本文通过计算机CFD仿真手段，对几个不同的车用迷宫式油气分离设计方案进行了计算和分析，从中找出了分离效果最优的方案，并对影响油气分离效果的原因进行了分析。最终基于计算和分析的结果，提出了优化后的设计方案。
参 考 文 献
[1]娄性义. 迷宫式固液分离装置[J]. 环境科学与管理，1984（4）.
[2]陈礼信，彭北京，亓建永，等. 摩托车迷宫式通风系统设计要点[J]. 小型内燃机与车辆技术，2015（6）.
[3]白金龙. 电控柴油机曲轴箱排放及其形成研究[D]. 上海：上海交通大学，2015.
[4]陈孟湘. 汽车通风系统的分析[J]. 专用汽车，1989（4）.
[5]谭刚，左会刚. 自然通风的理论机理分析与实验验证[C]. 全国暖通空调制冷学术文集，1998.
[6]柳国立. 现代发动机曲轴箱通风系统设计研究[J]. 内燃机与配件，2014（12）.
[7]胡景彥. 4G15D缸内直喷发动机油气分离模拟分析及试验验证[J]. 车用发动机，2012（5）.
[8]陶丽芳.柴油机迷宫式油气分离器分离效率数值模拟[J]. 柴油机，2010（32）.
[9]刘宇恒，郝志勇，贾维新. 基于CFD技术的迷宫式油气分离器优化设计[J]. 小型内燃机与车辆技术，2008（37）.
[10]尹佳雯. 迷宫式油气分离器的改进及分离废气处理[J].黑龙江八一农垦大学学报，2017（3）.
[责任编辑：钟声贤]