摘要：設計了一款新型復式油氣分離器，采用迷宮式結構作為粗濾組件、濾網(wǎng)作為精濾組件。設計開發(fā)了油氣分離器部件性能試驗臺，通過正交試驗設計方法設計多方案油氣分離器，并基于部件試驗臺進行多方案性能試驗測試。最終設計出滿足要求的復式油氣分離器，并通過整機試驗驗證其性能。結果表明，油氣分離器綜合性能影響因素由強到弱依次為濾網(wǎng)層數(shù)、濾網(wǎng)目數(shù)、過濾孔孔徑、孔數(shù)、孔板間距。整機試驗發(fā)現(xiàn)在300 L/min竄氣量下分離效率達到了92.6%，壓力損失小于3 kPa，滿足發(fā)動機使用要求。

關鍵詞：油氣分離器；結構設計；正交試驗；臺架試驗；壓力損失；分離效率

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.008

中圖分類號：TK422 文獻標志碼：B 文章編號：1001-2222（2024）05-0055-06

2019年實施的《重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）》^［1］，對曲軸箱通風系統(tǒng)做出了更加嚴格的要求，開式曲軸箱通風系統(tǒng)污染物評價方法規(guī)定，要將曲軸箱排放與尾氣排放一起進行測試。曲軸箱通風系統(tǒng)面臨巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，竄氣會從活塞環(huán)與氣缸壁間隙流入曲軸箱，竄氣主要由0.1～10 μm的油氣混合顆粒、灰塵和氣體等組成^［2］?；钊麌娪屠鋮s、曲軸攪動機油等均會產(chǎn)生油氣混合顆粒。如果不能將竄氣及時排出，曲軸箱內(nèi)的壓力會異常升高，進而影響發(fā)動機排放、機油消耗，甚至導致管路斷裂和冒機油的現(xiàn)象^［3-4］。開式曲軸箱通風系統(tǒng)的作用就是將竄氣過濾，并將符合排放要求的氣體排入大氣中，而油氣分離器就是曲軸箱通風系統(tǒng)中過濾竄氣的關鍵部件，竄氣經(jīng)過油氣分離器后，竄氣中的機油被分離出來返回油底殼中，相對干凈的氣體會從油氣分離器中排出。

油氣分離器分為主動式和被動式兩大類。常見的被動式油氣分離器主要有迷宮式、旋風式和過濾式^［5-6］。迷宮式分離器主要利用竄氣中油滴和氣體慣性的不同進行分離，多用于油氣預分離^［7-8］；過濾式油氣分離器主要依靠攔截效應和漫射效應進行分離，多用于油氣精分離^［9-10］。復式油氣分離器由多種結構組合而成，可以設計為主動式，也可以設計為被動式。

為提高油氣分離器的分離效率，梁保權等^［11］針對某缸蓋罩內(nèi)油氣分離器進行結構優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)通過在油氣分離器內(nèi)增設隔板，對分離室的混合氣進行節(jié)流，可以起到加快混合氣流速度的效果，進而提高油氣分離器分離效率。黃第云等^［12-13］針對柴油機兩級油氣分離系統(tǒng)的結構和布局進行研究，通過發(fā)動機試驗臺對單級和兩級分離器分別進行試驗對比，研究發(fā)現(xiàn)雙級比單級油氣分離器分離效率高22.8%，但會增加缸蓋罩內(nèi)壓力，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高壓力增加越大。Kolhe等^［14］針對一款氣缸罩迷宮式油氣分離器進行研究，通過發(fā)動機整機試驗和路測的方式研究油氣分離器性能，結果表明迷宮結構分離器對大粒徑油滴分離效果更好。德國的曼·胡默爾^［15］研發(fā)了一款旋風式與過濾式組合的復式油氣分離器，通過將旋風式分離器出口與過濾式分離器入口串聯(lián)，實現(xiàn)對不同粒徑油滴的分級過濾，試驗結果表明該復式油氣分離器對不同粒徑油滴均有較高的分離效果。

本研究針對傳統(tǒng)復式油氣分離器空間尺寸大、分離效率低的特點，設計了一種結合迷宮式和過濾式結構的復式油氣分離器。通過部件試驗臺進行了正交試驗，確定各結構參數(shù)對分離效率和壓力損失的影響程度及結構參數(shù)對復式油氣分離器綜合性能影響程度。最后選擇最優(yōu)的復式油氣分離器結構，通過發(fā)動機整機試驗臺架進行試驗驗證，證明設計的復式油氣分離器達到設計要求。

1 油氣分離器結構與部件試驗臺

1.1 油氣分離器結構設計

設計的油氣分離器結構如圖1所示，油氣分離器實物樣件和內(nèi)部結構如圖2和圖3所示。

該油氣分離器采用迷宮式分離結構，主要由進氣口、出氣口、回油口和過濾孔板組成，回油口處的儲油區(qū)域設計為凹型結構，該結構能加快聚油速度，有利于油氣分離器快速回油。該油氣分離器設置有3塊過濾孔板，每塊孔板之間的間距為9 mm，每塊過濾孔板上開孔率約為5%，每個過濾孔的直徑為4 mm。

為了使油氣混合氣經(jīng)過前一塊孔板后能更好地撞擊下一塊孔板，在縱向上將3塊孔板上的孔交錯布置，后一塊多孔板的壁面充當傳統(tǒng)迷宮分離器中擋板的作用。這樣設計的優(yōu)點在于有效縮減了油氣分離器的橫向尺寸，該油氣分離器的寬度僅為90 mm，大幅縮短了竄氣從入口到出口的距離，能夠減少竄氣的沿程壓力損失，同時能夠延長竄氣運動路徑和時間，增加竄氣撞擊壁面概率，提高油氣分離器分離效率。為了提高油氣分離器的分離效率，在過濾孔板后增加精濾組件。

1.2 試驗臺架及測試方法

設計開發(fā)了油氣分離器部件性能試驗臺，試驗臺架如圖4所示。高壓風機向油氣混合箱中吹入高壓空氣，油泵向油氣混合箱中噴入機油并通過霧化噴嘴霧化，霧化后的機油與高壓空氣混合形成油氣混合氣，并吹入油氣分離器中。

壓差表的高壓端和低壓端連接在油氣分離器的進口和出口，壓差表的示數(shù)即為油氣分離器的壓力損失。油氣分離器回油口處連接機油收集裝置，用來收集油氣分離器分離的機油，未被分離的機油則在與油氣分離器出氣口相連的絕對濾清器中被過濾。試驗前分別稱量機油收集裝置和絕對濾清器的質(zhì)量，試驗結束后待油氣分離器回油完全后分別稱量機油收集裝置和絕對濾清器的質(zhì)量，并計算油氣分離器分離效率。稱量設備使用高精度天平，精度達到0.01 g。每組試驗進行3次，每次試驗進行2 h，試驗結果取3次平均值。

油氣分離器分離效率計算公式如下：

E=m-m（m-m）+（m-m）。（1）

式中：E為油氣分離器分離效率；m為試驗前機油收集裝置質(zhì)量；m為試驗后機油收集裝置質(zhì)量；m為絕對濾清器試驗前質(zhì)量；m為絕對濾清器試驗后質(zhì)量。

2 正交試驗設計及結果分析

2.1 正交試驗設計

研究表明，影響迷宮式油氣分離器的主要結構參數(shù)為開孔數(shù)量、孔徑和孔板間距^［16］。課題組前期探討了3種結構參數(shù)對迷宮式油氣分離器壓力損失和分離效率的影響規(guī)律。

為研究不同結構參數(shù)對復式油氣分離器性能的影響，本研究通過設計正交試驗方案進行尋優(yōu)處理，基于部件試驗臺進行多方案性能試驗測試。設計方案由五類因素組成，每個因素取三個水平，根據(jù)L18（3⁷）正交表得到五因素三水平正交表（見表1）。

試驗竄氣量為150 L/min。由于竄氣量越高，分離效率越高，分離效率增長速率越低，為更加清晰地對比不同方案之間性能區(qū)別，保持不同方案區(qū)分度，選擇竄氣量中值150 L/min進行試驗研究。18組試驗的分離效率和壓力損失情況、L18（3⁷）正交表及試驗結果如表2所示。

2.2 正交試驗結果分析

采用綜合評價的方法對分離效率和壓力損失兩個指標進行加權處理?？紤]到復式油氣分離器工作性質(zhì)，需要保證在發(fā)動機達到排放要求的前提下避免產(chǎn)生過大壓力損失，因此將分離效率的權重設為0.6，壓力損失的權重設為0.4。但由于壓力損失的數(shù)據(jù)區(qū)間與分離效率的數(shù)據(jù)區(qū)間不一致且量綱不同，因此在進行加權處理前，需要將兩個指標進行線性函數(shù)歸一化處理。將分離效率和壓力損失分別根據(jù)式（2）和式（3）進行線性歸一化處理，得到效率變換和壓力變換。

x′=x-xx-x，（2）

x′=x-xx-x。（3）

式中：x′為效率變換或壓力變換結果；x為變換原始數(shù)據(jù)；x為變換數(shù)據(jù)中最大值；x為變換數(shù)據(jù)中最小值。

綜合性能評價表見表3，歸一化加權處理結果見表4?？樟?和空列2表示因素之間交互作用產(chǎn)生的影響。在進行正交試驗方差分析時，由于需要估計隨機誤差，因此必須使用正交表中的空列來獲取隨機誤差，而這個誤差是試驗和交互作用的綜合誤差的估算值。兩個空列對結果均未達到不可忽略的程度，應視為誤差處理。由表3和表4可知，考慮綜合性能的最優(yōu)復式油氣分離器方案為9號方案A3B3C1D3E2，即孔板間距為6 mm，過濾孔孔徑為6 mm，3塊多孔板上孔數(shù)分別為32，30，35，濾網(wǎng)目數(shù)為200目，濾網(wǎng)層數(shù)為5層。

將試驗誤差進行合并，得到如表5所示的方差分析表，其中，F(xiàn)為顯著性差異水平，P-value為對應F值下的概率值。從表5中可以看出，5個因素中對油氣分離器綜合性能影響由強到弱依次為濾網(wǎng)層數(shù)、濾網(wǎng)目數(shù)、孔徑、孔數(shù)、孔板間距，即E>D>B>C>A。其中濾網(wǎng)層數(shù)和濾網(wǎng)目數(shù)對復式油氣分離器綜合性能的影響達到顯著水平，其他因素對綜合性能的影響較為顯著。

綜上所述，對于由迷宮結構和過濾結構組成的復式油氣分離器來說，其分離性能不僅取決于兩部分的結構參數(shù)，還與兩部分結構的組合有關，根據(jù)正交試驗結果，綜合性能最優(yōu)的方案為9號方案，即孔板間距為6 mm，過濾孔孔徑為6 mm，3塊多孔板上孔數(shù)分別為32，30，35，濾網(wǎng)目數(shù)為200目，濾網(wǎng)層數(shù)為5層。選擇此方案設計開發(fā)樣件，并進行整機試驗驗證。

3 整機試驗驗證

3.1 整機試驗臺架

整機試驗采用某排量12 L高強化六缸柴油機。圖5示出了發(fā)動機試驗臺架，圖中標注了油氣分離器安裝位置。圖6示出了油氣分離器連接方式。由圖6可見，發(fā)動機曲軸箱排氣管引入復式油氣分離器進氣口，復式油氣分離器回油口接機油收集裝置，出氣口接機油過濾裝置。為減小由測量儀器帶來的誤差，整機試驗中使用和油氣分離器部件試驗臺架相同的壓差傳感器、信號采集卡和電子天平。

試驗分別選取竄氣量中值點、標定轉(zhuǎn)速點和最大扭矩轉(zhuǎn)速點3個工況進行3組試驗。整機試驗壓力損失和分離效率計算方法與試驗臺架計算方法一致。

3.2 壓力損失試驗

表6示出發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下油氣分離器壓力損失值。從表6可以看出，復式油氣分離器的壓力損失值隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而增大，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速從1 100 r/min增加到1 900 r/min的過程中，壓力損失增長較快，主要原因是在該轉(zhuǎn)速區(qū)間發(fā)動機竄氣量增長較快、進氣速度增加，使得高速氣體撞擊油氣分離器壁面產(chǎn)生更大的能量損失。復式油氣分離器在標定轉(zhuǎn)速下滿載的壓力損失約為2 607 Pa，小于發(fā)動機限定的最大壓力損失（3 000 Pa），滿足發(fā)動機使用要求。

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 300 r/min、竄氣量143 L/min時，復式油氣分離器整機試驗壓力損失為1 144 Pa，高于部件試驗臺竄氣量為150 L/min時測得的壓力損失1 094 Pa，產(chǎn)生差別主要原因是：對于四沖程發(fā)動機，其排氣是具有一定階段性的，竄氣量在測量的平均數(shù)值附近會產(chǎn)生小幅波動，進入油氣分離器中的竄氣量并不是恒定的，波動的竄氣會造成一定的壓力損失，而在部件試驗臺中由風機生成的竄氣相對穩(wěn)定，不存在此問題。

3.3 分離效率試驗

表7示出發(fā)動機3個工況點下復式油氣分離器的分離結果。由表7可見，復式油氣分離器在竄氣量150 L/min工況點、最大扭矩轉(zhuǎn)速工況點、標定轉(zhuǎn)速工況點的機油逃逸量分別為0.61 g/h，0.63 g/h和0.42 g/h，各工況點的機油逃逸量均小于1 g/h，在搭載該復式油氣分離器后發(fā)動機滿足排放標準。從表7中可以看出，分離效率在不同轉(zhuǎn)速點之間存在一定差異，說明復式油氣分離器的分離效率和竄氣量有直接關系，復式油氣分離器的分離效率隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的增加而增大，但隨著竄氣量的不斷增加，分離效率增加幅度越來越小，與部件試驗臺中所得到的結論一致。發(fā)動機標定轉(zhuǎn)速點的分離效率要大于最大扭矩轉(zhuǎn)速點的分離效率，在竄氣量150 L/min工況點，發(fā)動機試驗臺架測得的分離效率為85.9%，低于油氣分離器部件試驗臺測得的88.6%，兩者相差2.7%，小于5%的工程誤差要求。存在差異的原因是發(fā)動機排放竄氣中機油的粒徑要小于試驗臺架中模擬的機油粒徑，發(fā)動機實際工作過程中排放竄氣中不僅含有機油，可能還存在少量水蒸氣、顆粒物等雜質(zhì)，這些可能會對試驗結果產(chǎn)生影響。整機試驗結果驗證了復式油氣分離器性能符合設計要求。

4 結論

a） 基于部件試驗臺，通過正交試驗法對復式油氣分離器結構參數(shù)進行設計，對試驗結果進行方差分析，結果表明，對油氣分離器綜合性能影響由強到弱依次為濾網(wǎng)層數(shù)、濾網(wǎng)目數(shù)、過濾孔孔徑、孔數(shù)、孔板間距；

b） 采用綜合評價的方法確定油氣分離器器結構參數(shù)，即孔板間距為6 mm，過濾孔孔徑為6 mm，3塊多孔板上的孔數(shù)分別為32，30，35，濾網(wǎng)目數(shù)為200目，濾網(wǎng)層數(shù)為5層；

c） 基于整機試驗臺架對新設計的油氣分離器分離效率和壓力損失進行測試，測試結果表明，在竄氣量150 L/min工況點、最大扭矩轉(zhuǎn)速工況點、標定轉(zhuǎn)速工況點3個工況點的機油逃逸量均小于1 g/h，在300 L/min竄氣量下分離效率達到了92.6%，壓力損失小于設計要求的3 kPa，滿足發(fā)動機的使用要求。

參考文獻：

［1］ 生態(tài)環(huán)境部，國家市場監(jiān)督管理總局.重型柴油車污染物排放限值及測量方法（中國第六階段）：GB 17691—2018［S］.北京：中國環(huán)境科學出版社，2018.

［2］ 王浩浩，葛蘊珊，譚建偉.顆粒捕集器中沉積灰分對柴油機非常規(guī)污染物排放影響研究［J］.內(nèi)燃機工程，2021，42（3）：81-85.

［3］ 曲孟.某發(fā)動機油氣分離器的設計改進［J］.汽車實用技術，2020（5）：40-43.

［4］ 景國璽，曾小春，王毅，等.曲軸箱通風系統(tǒng)機油消耗試驗與改進設計［J］.車用發(fā)動機，2015（3）：1-6.

［5］ 吳胡勝.六缸柴油機迷宮式油氣分離器影響因素及性能提升研究［D］.南寧：廣西大學，2018.

［6］ Nam D，Lee P，Jung S，et al.Experimental investigations on the performance improvement of oil-gas separator in electric driven scroll compressor for eco-friendly vehicles［C］//International Compressor Engineering Conference at Purdue.［S.l.］：［s.n.］，2016.

［7］ 占偉國.某汽油發(fā)動機缸蓋罩迷宮式油氣分離器的優(yōu)化［D］.重慶：重慶理工大學，2018.

［8］ Zhang J，Ge Z Y，Wang W，et al.The concave-wall jet characteristics in vertical cylinder separator with inlet baffle component［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2022，42（2）：178-189.

［9］ Wang C，Otani Y.Removal of nanoparticles from gas streams by fibrous filters：a review［J］.Ind.Eng.Chem.Res.Industrial & Engineering Chemistry Research，2013，52（1）：5-17.

［10］ Cheng Q Y，Ye D D，Chang C Y，et al.Facile fabrication of superhydrophilic membranes consisted of fibrous tunicate cellulose nanocrystals for highly efficient oil/water separation［J］.Journal of Membrane Science，2017，525：1-8.

［11］ 梁保權，蒙小聰，李歡.柴油機曲軸箱通風系統(tǒng)優(yōu)化設計研究［J］.內(nèi)燃機，2012（6）：7-10.

［12］ 黃第云.柴油機雙級油氣分離系統(tǒng)的研究［J］.柴油機，2017，39（3）：39-40.

［13］ 黃第云，謝夏琳，魏超.柴油機缸蓋罩孔板油氣分離計算流體力學研究［J］.汽車與新動力，2020（2）：68-70.

［14］ Kolhe V，Sharma M，Veeramani K，et al.Development of advanced oil separator to give uniform oil separation efficiency across engine speed and load conditions［C］.SAE Paper 2012-01-0179.

［15］ 云清.曼·胡默爾高效的機油濾清系統(tǒng)［J］.商用汽車，2009，175（3）：108-109.

［16］ 蘇鑫朋，景國璽，孫秀秀，等.高強化柴油機迷宮式油氣分離器結構影響研究［J］.車用發(fā)動機，2023（5）：57-62.

Design and Experimental Verification for Compound Oil-Gas Separator of Diesel Engine

SUN Xiuxiu^1，2，HU Maoshuang^1，2，JING Guoxi^1，2，YU Huichao³，DONG Changlong³，HUANG Lirong³

（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300400，China;2.Tianjin Key Laboratory of Power Transmission and Safety Technology for New Energy Vehicles，Tianjin 300401，China;3.Hebei Huabei Diesel Engine Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050081，China）

Abstract： A compound oil-gas separator was devised， which included the coarse filtration of labyrinthine structure and the fine filtration of filter mesh. An oil-gas separator component performance test bench was further developed， and multiple oil-gas separator schemes were designed by using the orthogonal test design method. Performance tests of multiple schemes were conducted based on the component test bench. Ultimately， a compound oil-gas separator meeting the requirements was designed and its performance was verified through engine test. The results indicate that the factors influencing the overall performance of oil-gas separator are the number of mesh layers， mesh count， filter hole diameter， number of holes， and hole plate spacing in order from strong to weak. Engine test revealed that the separation efficiency reached 92.6% and the pressure loss was less than 3 kPa at a blow-by rate of 300 L/min， which met the requirements of engine use.

Key words： oil-gas separator;structural design;orthogonal experiment;bench test;pressure loss;separation efficiency

［編輯：姜曉博］