一种复合式油气分离结构的设计开发与试验验证

李保儒， 马靖岩， 吴贞明， 孙思峰

（青岛华涛汽车模具有限公司，山东 青岛 266000）

0 前言

发动机闭式曲轴箱通风系统设计已成为一种趋势，由于曲轴箱通风（窜气）携带的机油油雾和颗粒物（PM）等污染物会对发动机零部件造成污染［1］，因此需要设计油气分离结构来降低这种影响。发动机闭式曲轴箱通风系统工作原理如图1所示。

图1 闭式曲轴箱通风系统工作原理

油气分离结构的具体作用是将窜气中的机油油雾分离出来，回收到油底壳［2］，使其重新起润滑作用；将窜气中碳氢化合物（HC）等污染物引入进气系统中，与新鲜气体混合后进入燃烧室参与燃烧，起到避免烧机油、降低污染物排放、提高燃烧效率的目的。

随着我国汽车排放法规越来越严格，对油气分离结构分离效率的要求也越来越高，单一油气分离结构很难满足要求，因此需要借助其他更高效的结构或者材料来提升油气分离效果。

本文以某型直列4缸柴油机为例，借助油气分离计算流体动力学（CFD）仿真分析方法和德国先进Topas油气分离试验台试验分析手段，设计完成了一款集成在缸盖罩盖上的高效油气分离结构，以满足国六排放标准。

1 油气分离结构设计

1.1 常见油气分离结构

根据油气分离结构机理的不同，车用油气分离器常见的结构主要分为3类。第1类是根据机油和混合气密度不同，通过改变气流速度和方向的方式，利用惯性原理将机油从混合气中分离出来，例如沉降式、迷宫式、旋风式、离心式等；第2类是利用油滴和某些材料的亲和性，通过吸附或过滤的方法将机油从混合气中分离出来，例如吸附式滤棉和过滤纤维等；第3类是通过给油滴加电荷的方法，将机油吸附在电荷板上，例如静电式［3］。

1.2 设计方案

迷宫挡板和孔板等惯性原理的分离结构，一般只对大颗粒油滴的分离效果较好［4］，对小颗粒油滴的分离效果一般；而滤棉材料可以对小颗粒油滴有较好的吸附效果。

为了达到预期的分离效果，结合惯性分离结构和选用吸附式滤棉的方式，根据发动机边界，设计一款预分离+粗分离+二级精分离单元的多级复合式油气分离结构。通过先分离大颗粒油滴、后分离小颗粒油滴，逐级提升分离效果，实现高效率油气分离。

多级复合式油气分离结构的整体布置方案如图2所示。曲轴箱窜气从格栅入口处进入，经预分离结构和粗分离结构完成较大油滴颗粒的分离；然后通过设置吸附式滤棉的两级精分离单元完成小油滴颗粒的吸附，混合气最终经曲轴箱强制通风（PCV）阀接入进气系统参与燃烧；而被分离的油雾颗粒凝结成油滴后，经专门的流道汇集［5］，经单向回油阀滴落到油底壳，重新参与润滑工作。

图2 多级复合式油气分离结构布置

2 油气分离仿真分析

油气分离CFD仿真分析技术已经广泛应用于油气分离结构的开发过程，通过仿真分析可以得到油气分离结构的压力损失、气流速度和油气分离效率等，可以为油气分离结构设计和参数优化提供参考。

2.1 CFD仿真分析算法

本文采用气液两相流算法［6-7］，CFD 仿真分析流程如图3所示。首先，对油气分离结构进行三维稳态计算，得到气体流动结果，包括压力分布和速度分布等；其次，分别引入不同直径的油滴粒子，计算得到不同直径油滴粒子的运动轨迹和分离效率。

图3 CFD仿真分析流程

2.2 滤棉仿真设置

滤棉材料主要有过滤和吸附2种形式：过滤式滤棉材料受使用寿命限制，一般应用于外挂式结构，以便于更换；吸附式滤棉材料耐久性好，免维护，可以随油气分离结构焊接集成在缸盖罩盖上。因此本文选用吸附式滤棉材料。

当前无法有效检测滤棉的性能和材料属性，各材料的耐久性和分离效果也大不相同。因此在选用吸附式滤棉时需要具备一定的甄别和验证手段。

在CFD分析时，一般将滤棉简化设置为多孔介质，但准确度较难把握。本文将滤棉设置为普通挡板，设置简单、计算速度快。这样设置虽然分析结果偏差相对较大，尤其是小颗粒油滴；但可根据后文试验测试结果进行修正，通过分析结果加权方式提升准确性。

CFD分析时将滤棉设置为挡板，对于分析结果肯定是不准确的。但是在快速样件测试时，可以获得较准确的结果，这样可以对CFD分析结果进行适当加权，以此将滤棉提升部分加权考虑进去，可以提高CFD对于滤棉结构分析准确性。

2.3 仿真分析结果

窜气体积流量设置为70 L/min，空气和机油属性按照其在100 ℃时的属性设置。经CFD分析及结构优化，确定了产品整体结构参数，得到的压力损失云图、气流速度云图、油滴压力流线图和油气分离效率曲线，如图4～图7所示。

图4 压力损失云图

由图4 可以看出：最大压力损失为944.15 Pa（客户设计指标小于1 000 Pa），其中，经过精分离单元的压力损失较大，约300 Pa。由图5可以看出：在精分离单元，混合气经孔板加速后，气流速度在8～10 m/s。由图6 可以看出：油滴整体压力分布较均匀。由图7可以看出：直径为0.5 μm以内的油滴小颗粒，其油滴分离效率不到40%，效果一般；直径在2 μm以上的油滴颗粒，分离效果较好，分离效率可达60%以上。

图5 气流速度云图

图6 油滴压力流线图

图7 油气分离效率

3 Topas油气分离试验

3.1 试验设备

引进德国Topas油气分离试验台，如图8所示。该试验台测试部分为油雾分离器测试台SPT-140，可模拟曲轴箱通风系统的工作状态，用于测试混合气流经油气分离结构的压力损失，不同粒径油滴颗粒在分离前后的油滴分布情况和分离效果，以及出气含油量等。

图8 德国Topas试验台

3.2 快速样件制作及试验

结合发动机台架试验情况，合理标定了该试验台的试验方法，并规范了试验流程，提升了试验检测的可靠性。这样大大减少了对主机厂台架试验资源的依赖，提高了设计开发能力。

制作了罩盖总成快速样件和试验工装，在Topas试验台上完成了压力损失试验和不同粒径油滴分离效率测试。油气分离结构设计为可拆卸结构，如图9所示。如果试验效果不理想，可单独调整某部分结构，制作快速样件，局部更换后重新进行测试验证，减少了试验周期和成本。

图9 可拆卸式油气分离结构

3.3 试验结果分析

快速样件滤棉前的孔径为3 mm（与CFD分析模型相同），通过更换不同规格的孔板（孔板直径分别为2.5 mm和3.5 mm）来调节滤棉前加速孔的直径，进而调整气流速度，研究气流速度和滤棉吸附效果的关系。

图10为0～96 L/min窜气体积流量下，不同加速孔的直径下的压力损失情况。由图10可以看出：3种孔径下，压力损失的整体变化趋势相近，孔径与压力损失成负相关，即孔径较小时，压力损失较大，孔径增大时，压力损失减小；在窜气体积流量为70 L/min时，压力损失均<1 000 Pa，满足设计指标要求。

图10 0～96 L/min窜气体积流量下压力损失变化曲线

图11为CFD分析结果和Topas油气分离试验台试验结果对比。

图11 油气分离效率对比

由图11 可以看出：试验台试验结果明显优于CFD分析结果，这是因为CFD分析将滤棉设置为挡板，没有考虑其吸附性能。孔径为2.5 mm时，油气分离效果相对最好，但是对于粒径为0.32 μm以内的油滴颗粒，分离效果相对较差。这是因为孔径较小时，气流速度较快，而小颗粒油滴跟随性较好，容易随气流从出口逃逸，不能被有效吸附。对比3.0 mm孔径试验结果与CFD仿真结果可知，小颗粒油滴分离效果明显提升，对于粒径为0.50 μm以内的小颗粒油滴，分离效率可提升约25百分点，大颗粒油滴分离效率可提升约10百分点。

综合考虑压力损失和分离效果，孔径为3.0 mm时，整体表现更均衡，因此选定该快速样件送主机厂进行台架试验验证。

4 台架试验验证

将缸盖罩盖样件安装在发动机台架上进行台架试验验证，结果见表1。

表1 发动机台架试验数据

由表1可以看出：在窜气体积流量为71 L/min、转速为3 000 r/min的条件下，曲轴箱压力为-1 400～1 000 Pa，出气含油质量流量为0.48 g/h，均满足客户设计要求（曲轴箱压力为-2 000～1 000 Pa，出气含机油质量流量<1 g/h），台架试验合格。

5 结语

采用吸附式滤棉材料能明显提升油气分离效果，特别是对直径为0.5 μm以内的小颗粒油滴，提升效果明显。增加滤棉前的气流冲击速度，可以提升整体分离效果，但由于小颗粒油滴跟随性较好，容易随气流从出口逃逸，不能被有效吸附，从而导致部分小颗粒油滴分离效果变差。

油气分离效率曲线整体呈上升趋势，且直径为0.5 μm 的油滴颗粒分离效率>60%时，整体分离效率基本可以满足国六排放标准。Topas油气分离试验台可以测试不同粒径油滴颗粒的分离效率，对于油气分离结构设计和研究具有重要参考作用。该设计研究方法不但有助于提升产品设计水平，还可以减少对主机厂试验台架的依赖，缩短设计开发周期。