余俊波，莫春蘭，汪章潔，吳胡勝，包向東

(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005)

為滿足柴油機(jī)國(guó)Ⅴ及以上排放法規(guī)，曲軸箱強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)成為重要技術(shù)。油氣分離器作為曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中的重要部件，其分離效率關(guān)系到柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、排放性、可靠性[1]。迷宮式油氣分離器分離機(jī)理是利用氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)油滴的慣性，使其甩向壁面實(shí)現(xiàn)分離[2-3]。氣流通過(guò)迷宮中隔板的引導(dǎo)實(shí)現(xiàn)蛇形轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，部分大直徑油滴由于慣性來(lái)不及轉(zhuǎn)向而被甩出實(shí)現(xiàn)預(yù)分離，中等和小直徑油滴主要依靠粗濾、精濾孔板與擋板的配合，使氣流加速通過(guò)孔板而被擋板攔截，油滴由于慣性與擋板碰撞實(shí)現(xiàn)油氣分離?？梢?jiàn)，孔板與擋板的設(shè)計(jì)布置、安裝組合方式等結(jié)構(gòu)差異直接影響氣流運(yùn)動(dòng)加速、油滴碰撞攔截效果的好壞，從而影響油氣分離器的分離性能。因此，結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響是迷宮式油氣分離器試驗(yàn)設(shè)計(jì)中必須考慮的。

目前，已有研究者開(kāi)展了結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響研究。王福志等對(duì)某汽油機(jī)迷宮式油氣分離器進(jìn)行仿真分析，發(fā)現(xiàn)第一道隔板間隙的縮小對(duì)分離效率起主要作用[4]；丁寧等對(duì)某汽油機(jī)油氣分離系統(tǒng)進(jìn)行了CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))分析，探究過(guò)濾板數(shù)、過(guò)濾孔數(shù)、孔徑和竄氣入口孔數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油氣分離器系統(tǒng)壓降和分離效率的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加過(guò)濾板個(gè)數(shù)可達(dá)到較好的綜合性能[5]；劉宇恒等對(duì)某汽車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋罩內(nèi)的迷宮式油氣分離器進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)(出口位置、出口直徑、V型槽間距和V型槽寬度)下分離器的分離效率和壓降損失[6]；高偉等利用CFD軟件對(duì)某柴油機(jī)的油氣分離器性能進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明擋板與孔板組合可有效地對(duì)油氣進(jìn)行分離[7]。多數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究主要集中在汽油機(jī)或柴油機(jī)[8-11]的油氣分離器，通常采用數(shù)值模擬分析進(jìn)行，而針對(duì)氣體機(jī)上使用的油氣分離器的試驗(yàn)研究較少。

本研究在某款新型氣體機(jī)上開(kāi)展迷宮匹配研究。為衡量迷宮式油氣分離器的分離性能，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率的影響，進(jìn)行了氣體機(jī)油氣分離器性能臺(tái)架試驗(yàn)。為定性分析迷宮式油氣分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率的影響，設(shè)計(jì)了7組不同的結(jié)構(gòu)組合方案，分別進(jìn)行油氣分離器性能試驗(yàn)。采用控制變量法對(duì)比分析結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)分離效率的影響，并給出試驗(yàn)現(xiàn)象的理論解釋。綜合比較，找出影響氣體機(jī)中油氣分離器分離效率的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析它們對(duì)分離效率的影響效果，以獲得對(duì)氣體機(jī)中迷宮式油氣分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論認(rèn)識(shí)。

1 新型油氣分離器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

由于6缸天然氣氣體機(jī)的缸蓋罩內(nèi)空間有限，設(shè)計(jì)的新型油氣分離器布置在缸蓋罩上面，其主要由缸蓋罩迷宮、進(jìn)出氣口、孔板、隔板和入口擋板組成。其外部結(jié)構(gòu)如圖1所示。曲軸箱竄氣從迷宮入口進(jìn)入，入口擋板與進(jìn)氣入口平面呈一定角度，擋板引導(dǎo)氣流進(jìn)入，同時(shí)將搖臂、彈簧等飛濺起來(lái)的大顆粒油滴擋住，初步阻擋一部分油滴。粗濾和精濾回油管設(shè)計(jì)成U型，分離出的機(jī)油在重力作用下沿回油孔流下進(jìn)入U(xiǎn)型管道形成油封，可以防止曲軸箱氣體從回油孔流出，保證油氣分離器的密封性。為了監(jiān)測(cè)油氣分離器內(nèi)部的溫度和壓力，需在分離器頂部布置溫度和壓力傳感器，位置如圖1a所示。

圖1 油氣分離器外部結(jié)構(gòu)

圖2示出油氣分離器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。采用孔板與擋板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，當(dāng)曲軸箱竄氣從進(jìn)氣口進(jìn)入油氣分離器后，在內(nèi)部擋板的引導(dǎo)下，呈蛇形曲線流動(dòng)。當(dāng)遇到孔板時(shí)，由于流通面積的突然減小，氣流的流速加快，較大的流動(dòng)速度使得油滴運(yùn)動(dòng)速度增大，通過(guò)擋板的阻攔，使得一部分油滴撞擊到擋板上，從而實(shí)現(xiàn)油滴與氣體的分離。通過(guò)兩個(gè)粗濾孔板與擋板、一個(gè)精濾孔板與擋板的分離，多數(shù)大顆粒和部分小顆粒油滴即可與氣體實(shí)現(xiàn)分離。通過(guò)對(duì)分離器內(nèi)部孔板和擋板結(jié)構(gòu)尺寸以及安裝距離的優(yōu)化組合，可使曲軸箱竄氣在每一塊孔板處氣體的流動(dòng)速度都得到加大，隨氣流運(yùn)動(dòng)的油滴則更容易撞擊在孔板后的擋板上，增大油氣分離的效率。

2 試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用1臺(tái)6缸直列式壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，其缸徑為120 mm，壓縮比為11，標(biāo)定功率為250 kW。采用閉式油氣分離通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究。圖3示出閉式油氣分離通風(fēng)系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)架示意。閉式通風(fēng)系統(tǒng)的迷宮式油氣分離裝置的出氣口處接上油氣收集工裝后，還需將收集工裝的出口與膜式燃?xì)獗磉M(jìn)氣口相接，膜式燃?xì)獗淼某鰵饪诮尤雺毫刂崎y(PCV)，再接到空氣濾清器后方的進(jìn)氣管。PCV通過(guò)曲軸箱與進(jìn)氣管之間的壓力差來(lái)調(diào)節(jié)竄氣流量，使曲軸箱壓力穩(wěn)定在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。

圖3中，箭頭方向代表了氣流的流動(dòng)路徑。曲軸箱中的竄氣流經(jīng)迷宮式油氣分離器，一部分竄氣中的機(jī)油液滴被分離器分離并由收集裝置2收集，這部分機(jī)油量稱為回油量；未被分離出的機(jī)油液滴則由收集裝置1收集，這部分機(jī)油量稱為竄油量。收集裝置由外殼與濾芯組成，有入口與出口兩端，竄氣經(jīng)工裝流過(guò)時(shí)，未被分離的機(jī)油便由濾芯吸收。分別測(cè)量油氣收集裝置1、2試驗(yàn)前后的質(zhì)量變化，即可得出竄油量、回油量。油氣分離效率即為回油量與總竄油量的比值，其中總竄油量為回油量與竄油量之和。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)架示意

為了研究結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)油氣分離器效率的影響，采用控制變量法，保持其余變量不變，單獨(dú)研究一組變量變化對(duì)分離器效率的影響。表1中的空白部分代表不安裝該孔板，即氣流流經(jīng)此處時(shí)沒(méi)有孔板的阻礙，繞流通過(guò)擋板。為了方便試驗(yàn)分析，設(shè)計(jì)了方案1進(jìn)行對(duì)照：方案1中只安裝了粗濾孔板2，不安裝粗濾孔板1和精濾孔板。方案2～7則在方案1的基礎(chǔ)上增加了粗濾孔板1和(或)精濾孔板，通過(guò)改變通孔直徑、孔數(shù)、擋板距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，從而分析某個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。為方便比較，方案1不計(jì)算分離效率，將其測(cè)得的竄油量12.1 g/h作為總竄油量，其余方案的竄油量與其差值的絕對(duì)值為回油量?；赜土颗c總竄油量的比值即為該方案下的油氣分離效率。

表1 油氣分離器分離效率試驗(yàn)方案

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 粗濾孔板1通孔直徑對(duì)分離性能的影響

保持其余變量不變，通孔直徑由5 mm變化為4 mm。選擇方案5與6進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粗濾孔板1的通孔直徑由5 mm減小到4 mm時(shí)，單位竄油量增大了0.1 g/h，分離效率降低了約0.8%。說(shuō)明粗濾孔板1的通孔直徑對(duì)閉式通風(fēng)油氣分離系統(tǒng)的效率無(wú)顯著影響。原因在于閉式通風(fēng)系統(tǒng)的曲軸箱中的氣體壓力較小，加上渦輪增壓器的抽吸作用，使得油氣混合物的流動(dòng)阻力較小，流速較快。改變直徑對(duì)于氣體流速的影響不明顯，撞擊擋板而被攔截的液滴數(shù)量接近，因此分離效率差異不大。

圖4 粗濾孔板1通孔直徑對(duì)油氣分離器性能的影響

3.2 粗濾孔板1通孔數(shù)量對(duì)分離性能的影響

保持其余變量不變，堵上粗濾孔板1中的6個(gè)孔，將孔數(shù)量減少到29孔。選擇方案5與7進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖中可以看出，粗濾孔板1的通孔數(shù)量對(duì)油氣分離效率有明顯影響。當(dāng)減少6個(gè)通孔后，竄油量減少了1.4 g/h，分離效率從64.46%增加到76.03%。原因在于：當(dāng)竄氣流量一定時(shí)，流通截面越小，流速越快。當(dāng)通孔數(shù)量減少后，相當(dāng)于流通截面積也變小了，竄氣流經(jīng)粗濾孔板后的流速加快。當(dāng)擋板距離一定時(shí)，液滴撞擊到擋板上被攔截下來(lái)的概率增加?？傮w上表現(xiàn)為被攔截下來(lái)的液滴數(shù)量增加，竄油量減少，分離效率提高。

圖5 粗濾孔板1通孔數(shù)量對(duì)油氣分離器性能的影響

3.3 粗濾孔板2到擋板的距離對(duì)分離性能的影響

保持其余變量不變，將粗濾孔板2到擋板的距離由5 mm減小至2 mm。選擇方案2與3進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖6。當(dāng)擋板距離從5 mm減小到2 mm時(shí)，單位竄油量減小了0.7 g/h，分離效率提高了5.78%。原因是孔板與擋板距離減小后，竄氣中的油滴在相同速度下通過(guò)隔板圓孔后，有更大的可能碰撞到擋板而被攔截下來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)與氣流的分離，分離效率提高。

圖6 粗濾孔板2到擋板的距離對(duì)油氣分離器性能的影響

3.4 精濾孔板通孔數(shù)量對(duì)分離性能的影響

保持其余變量不變，改變精濾孔板孔數(shù)，從13孔減少為9孔。選擇方案2與4進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖7。與粗濾孔板相比，精濾孔板的孔數(shù)變化對(duì)分離效率的影響更為明顯。精濾孔數(shù)減少4個(gè)時(shí)，單位竄油量降低了1.5 g/h，分離效率上升了12.4%。考慮到粗濾孔直徑比精濾孔大一倍這一因素，可知粗濾孔板流通截面積的減少要比精濾孔板大很多(粗濾孔板減少約117.8 mm2，精濾孔板減少約19.6 mm2)。若按照之前的分析，當(dāng)總流量一定時(shí)，截面積越小，流速越快，竄氣中的機(jī)油液滴越有可能撞擊到擋板上被攔截，分離效率也相應(yīng)越高。應(yīng)該是粗濾一方具有更高的分離效率，但這里卻出現(xiàn)了相反的情況。說(shuō)明在精濾孔板處，竄氣流經(jīng)通孔的速度大小已不再是影響分離效率的主要因素。因?yàn)榻?jīng)過(guò)粗濾孔板1、2級(jí)的分離后，竄氣中大部分直徑比較大的機(jī)油液滴已經(jīng)被分離出去，所以竄氣中留下的是直徑較小的液滴。這些液滴質(zhì)量輕，慣性小，易受氣流擾動(dòng)的影響，隨流性較好，不容易從氣流中分離出去。此時(shí)過(guò)快的氣流流速反而是不利的，有可能造成機(jī)油小液滴通過(guò)通孔后的運(yùn)動(dòng)時(shí)間過(guò)短，來(lái)不及與擋板發(fā)生碰撞就被氣流帶走，造成分離效率的降低。這也說(shuō)明了精濾孔板在流速相對(duì)粗濾孔板較低的情況下卻能獲得更高的分離效率的原因。

圖7 精濾孔板通孔數(shù)量對(duì)油氣分離器性能的影響

4 結(jié)論

a) 改變粗濾孔板通孔數(shù)量對(duì)分離效率的影響要大于改變通孔直徑的影響；通孔直徑縮小1 mm時(shí)，單位竄油量和分離效率變化很小，分離性能變化不大；而通孔數(shù)量減少6個(gè)，分離性能明顯提升；

b) 改變粗濾孔板到擋板距離對(duì)分離效率的影響要大于改變通孔直徑的影響；當(dāng)擋板距離從5 mm減小到2 mm時(shí)，分離性能有所提升，且高于改變通孔直徑時(shí)的分離性能；

c) 與粗濾孔板相比，精濾孔板的孔數(shù)變化對(duì)分離效率的影響更為明顯，因?yàn)樵诰珵V孔板處，微小油滴能否從氣流中分離成為影響分離效率的關(guān)鍵，過(guò)快的氣流流速有可能造成機(jī)油小液滴通過(guò)通孔后來(lái)不及與擋板發(fā)生碰撞就被氣流所帶走，造成分離效率的降低。