某GDI 发动机迷宫式油气分离器效率的仿真

王福志，朱 涛

(长城汽车股份有限公司动力研究院，保定 071000)

前言

发动机在压缩-燃烧-膨胀工作过程中，会有少量已燃和未燃气体通过活塞环与气缸之间的间隙窜入曲轴箱内，导致曲轴箱压力上升，而曲轴箱通风系统正是将这部分气体吸入进气歧管并最终在缸内燃烧加以去除。油气分离器作为曲轴箱通风系统的重要组成部分，其分离效率应满足设计要求，否则将导致进气携带机油，并在缸内形成炙热的积炭热点，增大发动机燃烧系统“预燃”的风险，严重影响发动机运行的可靠性［1－3］。

在研发一款高性能增压直喷汽油机中，考虑到整车搭载布置，对发动机进行了紧凑化设计，为防止增压器的高温排气涡轮烧蚀塑料缸盖罩，将其改为铝合金材质，而缸盖罩内集成的迷宫式油气分离器必须满足分离效率高和稳定可靠的设计要求。

在油气分离器设计优化过程中，研发工程师先后设计了两种结构方案(以方案一和方案二进行区分)，本文中分别在两种方案的20、30和40L/min 3种活塞漏气量情况下，对不同直径的机油粒子进行分离效率分析，经过计算对比，方案一结构能够分离出40μm以上直径的粒子，而方案二则能够分离出30μm以上直径的粒子，由此可见方案二分离效果更好，且最终计算结果得到了试验的验证。文中详细分析和研究了油气分离器两种结构方案的内部流动与特点，并进行了总结和分析。

1 理论分析

1.1 计算方法

气液两相流的数值模拟包括气相场和气液间的相互干扰，常见的算法有欧拉-欧拉算法和欧拉-拉格朗日算法。前者具有计算不易收敛、繁琐和对计算资源要求高等特点，而后者具有计算简便，且能准确描述粒子的运动轨迹，因此计算采用欧拉-拉格朗日算法对油气分离器分离效率进行研究。

拉格朗日动量守恒方程［4］:

式中:md为粒子质量，kg;uid为粒子速度，m/s;Fidr为粒子阻力;Fig为粒子所受重力和浮力;Fip为粒子所受压力;Fib为其它外力。

发动机在运行过程中通过气缸间隙漏入曲轴箱内的已燃和未燃气体总称为活塞漏气量。在油气分离器气相流场计算过程中，即欧拉-拉格朗日算法中的欧拉算法进行稳态流场计算时，其中入口面边界条件为活塞漏气量，出口为静压。

在液相流场计算中，欧拉-拉格朗日算法是将气相和液相分开来计算，即当稳态流场计算收敛后，以此流场为基础，将不同直径的粒子分别通过入口面引入流场中，从而进行粒子运动轨迹的计算，即拉格朗日粒子追踪。

分别计算不同活塞漏气量下不同粒子直径的运动轨迹，统计计算逃逸的粒子质量和引入流场的粒子质量，间接得出油气分离器的分离效率，计算流程图见图1。

1.2 计算参数

根据发动机不同负荷特性，选择20、30和40L/min 3种活塞漏气量。

机油粒子直径的大小对油气分离器的分离效果影响较大，在重力作用下，当油气混合物的流速不太快时，大的油滴最终会落到油气分离器的底部，而油滴直径越小，其下落的时间越长。对于直径很小的机油微粒，能够长时间悬浮在空气中，无法在自身重力的作用下从气体中分离出来。因此必须借助一些如油气分离器的迷宫、挡板等手段，尽可能地把这部分油滴分离出来，这部分油滴直径为1～50μm。

计算中分别选取了直径为 10、15、20、25、30、35、40和45μm的机油粒子进行对比分析。

1.3 分离效率的评价

在评价油气分离器分离效率标准时，根据发动机台架试验对分离器分离能力的要求，即每小时引入进气歧管中的气体中最大含机油量不超过1g，以此标准为基础，按10g/h的速率将机油粒子引入稳态流场中，倘若分离器达到设计要求，分离器每小时至少分离出9g机油，此时分离效率为90%。

机油粒子直径越小越不容易被分离出来，因此可以依据分离器必须达到的分离效率(90%以上)来界定一个最小粒子直径，用以判断不同结构的分离能力。

2 计算模型

2.1 几何模型

在模型处理过程中为了避免进出口因计算导致的回流现象发生，将进出口适当延长。

方案一分离器总长为370mm，方案二总长为280mm，方案一第一道挡板相对高度比方案二要低，方案一第二道挡板与第三道挡板之间距离相比方案二要大，详见图2和图3。

油气分离器位于缸盖罩内，由冲压钢板加工而成，因此在设计时结构不能过于复杂，须考虑加工工艺，否则很难实现。油气分离器的原理为油气混合物在迷宫内经过多次变向流动，通过液滴的惯性力作用进行分离，分离出的气体通过PVC阀流出，油滴则通过分离器底板的漏油孔流出。

2.2 计算网格

计算网格采用AVL-FAME划分，边界层的厚度考虑y+的要求，两层边界层，流速较大的区域网格适当加密，95%的网格为六面体网格，网格数量为20万个，详见图4和图5。

基于有限体积法对计算域进行离散化，计算中动量方程采用MINMOD Relaxed差分格式，质量守恒方程和湍流方程采用Central Differencing差分格式，能量方程采用迎风格式。

压力和速度的耦合采用SIMPLE算法，湍流方程为k-ε模型，标准k-ε模型只适用于湍流充分发展的高雷诺数湍流流动，对于低雷诺数的近壁区域，文中采用了标准壁面函数来求解近壁区域内的流动。

稳态计算入口边界采用质量流量，气体温度为60℃，密度为 1.06kg/m3，流量分别为 20、30 和40L/min，出口静压边界。

3 气相流场结果

3.1 方案一气相流场

气相流场作为拉格朗日粒子追踪计算的载体，计算较为重要，图6和图7分别为不同流量下油气分离器的速度矢量分布计算结果，由图可见:随着流量的增加，分离器内流速增大，第一道挡板与进气管之间的距离相对较大，不利于粒子的分离，粒子会很容易地通过缝隙，第二挡板与第三挡板之间的距离较大，不利于粒子在此处由于惯性作用而碰壁分离。

3.2 方案二气相流场

针对方案一存在的问题，方案二将第一道挡板与进气管之间的距离缩小，同时第二挡板与第三挡板之间的距离减小，其目的为增加粒子撞壁机率。计算结果如图8和图9所示，由图可见，粒子碰壁机率明显增加。

4 液相流场结果

液相流场的计算是以气相流场计算为基础，将不同直径的粒子引入气相流场中，进行粒子状态统计计算。

4.1 分离效率统计

分别将直径为 10、15、20、25、30、35、40 和 45μm的机油粒子引入两种方案的分离器稳态流场中，待粒子在流场中运动稳定后(保持量曲线斜率等于零，详见图10)，然后计算不同直径机油粒子的分离效率，计算公式为

计算得到不同粒子直径不同流量下两种方案的分离效率曲线如图11和图12所示。

由图可见:在同一粒子直径下，随着流量的增加，分离效率提高(流速增大，碰壁机率增加)。同时得出，方案一达到分离效率90%以上时所对应的粒子直径为40μm，而方案二达到分离效率90%以上所对应的粒子直径为30μm，由此可见方案二在分离直径为30～40μm之间的粒子时具有优势。

但从计算结果可看出，直径在1～30μm区间的粒子则不能被分离出来，因此当采用方案二结构时，必须增加外置分离器进行更小直径油粒的分离。

图13为不同流量下两种方案的压力损失，由图可见:方案二压力损失略大于方案一，但两种方案压力损失均小于50Pa，满足分离器对压损的设计要求。压力损失还要结合进气歧管的真空度和PCV阀的开启压力综合考虑。

4.2 粒子的运动轨迹

粒子的运动轨迹能够直观地反应出粒子的运动状态，为了查找方案二中起主要作用的位置，选取直径30μm的粒子在相同流量下不同方案中的运动轨迹进行观察，结果发现方案二粒子的逃逸量明显小于方案一，起主要作用的位置在第一道挡板处，如图14所示。

4.3 试验验证

为了验证计算的准确性，在发动机台架试验中将U型瓶的一端连接油气分离器出口，另一端连接至进气歧管，然后分别对 3 000、4 000、5 000、5 300和5 600r/min 5个工况点进行油量分析，在发动机运行20min后对U型瓶内的机油进行测量，得到的结果与计算分析有相同的趋势。图15为试验得到的两种方案发动机转速与机油量的关系对比。

5 结论

(1)分离效率方面，方案一能够分离出40μm以上直径的粒子，方案二则能分离出30μm以上直径的粒子，因此方案二优于方案一。

(2)随着流量的增加，两种方案都呈现出在相同粒子直径下分离效率升高的趋势。

(3)压力损失方面，随着流量的增加，压力损失呈二次方增长，方案二压力损失略大于方案一。

(4)在两种分离器结构中，第一道隔板间隙的缩小对分离效率起到主要作用。

(5)由于内置分离器达不到理想的分离效果，必须增加外置分离器，用以分离更小的油粒。

(6)随着油气温度的升高，气体密度降低，气体流量降低，分离效率降低，因此高负荷运行时更需要外置分离器进行油气分离。

(7)稳态与瞬态相结合的计算方法，如欧拉-拉格朗日算法对粒子进行轨迹追踪，无疑是油气分离器分离效率计算中一种方便快捷的计算方法。

［1］Dipl.-Ing.Jürgen Willand，et al.Limits on Downsizing in Spark Ignition Engines Due to Pre-ignition［J］.MTZ，2009，70.

［2］Zaccardi Jean-Marc，et al.Development of Specific Tools for Analysis and Quantification of Pre-ignition in a Boosted SI Engine［C］.SAE Paper 2009－01－1795.

［3］Dahnz Christoph，et al.Investigations on Pre-Ignition in Highly Supercharged SI Engines［C］.SAE Paper 2010－01－0355.

［4］王福军.计算流体动力学分析［M］.北京:清华大学出版社，2004.