某缸内直喷发动机油气分离模拟分析及实验验证.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 l 0期 某缸内直喷发动机油气分离模 拟分析及实验验证 胡景彦， 苏 圣， 吴丰凯， 洪 进 ， 吴孟军 德来特技术有限公司， 浙江 宁波 3 1 5 0 0 0 摘要 该文使用 C F D仿真分 析软件对某缸 内直喷发动机油气分离器 内气液两相流场进行了数值模拟 ， 分析 了三种不 同结构f 改进前 后 迷宫式油气 分离 器的流动分布 、 压力损失 ， 采用离散模型模拟油滴粒子喷射 ， 假定油滴粒 子与壁面碰撞后即被捕捉 ， 进而得 出不 同 直径油滴的油气分离效率 ， 并设计了一个简单而有效的试验方法对油气 分离器分离效率间接进行验证 。 结果表明 ， 采用 C F D软件模 拟 计算方法能够计算出油气分离器油气分离效率 ， 获得的结果反映了流动本质 ， 根据所需要的油气分离效率优化设计 油气 分离结构 ． 满 足最终产品要求 。 关键词 缸内直喷 ； C F D； 油气分离器 ； 气液两相流 ； 油滴直径 ； 实验 中图分类号 T K 4 l 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 l 0 一 o 0 3 8 0 5 O i l g a s S e p a r a t i o n S i mu l a t i o n Ana l y s i s a n d Ex p e ri m e n t Ve rifi c a t i o n i n GD I En g i n e HU J i n g - y a n， S U S h e n g， F e n g - k a i ， HO NG J i n， U Me ， D L T T e c h n o l o g i e s C o ． ， L t d ． ，N i n g b o 3 1 5 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s a r t i c l e u s e s C F D s i mu l a t i o n s o f t wa r e t o s i mu l a t e t h e g a s - l i q u i d t w o- p h a s e fl o w fi e l d i n a GDI e n g i n e o i l g a s s e p a r a t o r ， o b t a i n s fl o w d i s t rib u t i o n a n d p r e s s u r e l o s s f o r t h r e e d i ff e r e n t s t r u c t u r e s o f t h e l a b y ri n t h o i l - g a s s e p a r a t o r ， u s e d i s c r e t e mo d e l t o s i m u l a t e d r o p l e t s p a rt i c l e i n j e c t i o n ，a s s u m e t h a t d r o p l e t s p a r t i c l e s i s c a p t u r e w h e n i m p a c t i n g w a l l ，a n d t h e n o b t a i n t h e s e p a r a t i o n e ffic i e n c y o f d i ff e r e n t d i a me t e r d r o p l e t s ， a n d d e s i g n e d a s i mp l e a n d e ff e c t i v e t e s t me t h o d s t o v e r i f y t h e s e p a r a t i o n e ffi c i e n c y o f o i l - g a s s e p a r a t o r ． T h e r e s u l t i n d i c a t e t h a t u s e s t h e CF D s o f t ware s i mu l a t i o n c o mp u t a t i o n a l me t h o d t o b e a b l e t o c a l c u l a t e t h e g a s - o i l s e p ara t o r s e p a r a t i o n e ffic i e n c y ， t h e r e s u l t r e fl e c t the n a t u r e o f fl o w． Ac c o r d i n g t o s e p ara t i o n e ffi c i e n c y o p t i mi z a t i o n d e s i g n s t r u c t u r e wh i c h n e e d s t o s a t i s f y the fi n a l p rod u c t r e q u e s t ． Ke y wo r d s g a s o l i n e d i r e c t i n j e c t i o n ；C F D；o i l g a s s e p a r a t o r ； tw o p h a s e fl o w；d r o p l e t d i a me t e r ；e x p e ri me n t O 引言 排放法规 日趋严格 ．发动机活塞窜气要回收到进 气管路 中， 这就要求回收的气体中尽量不要存在油滴 ， 否则影响发动机燃烧和损坏空气滤清器滤芯 ，并且窜 出的油气会降低曲轴箱中机油的润滑效果 。因此必须 使这部分残余废气迅速排 出曲轴箱 ，保证 曲轴箱 内压 力和温度 的稳定性 ，这些 因素都要求油气分离器要满 足一定分离要求。以往的设计都是基于一些工程经验 ， 设计人员对产品把握性很小 ， 要经过反复的验证过程 ， 从 而 大大 浪 费 了人力 和物 力 ．并 且这 种设 计 过程 不 能 对后续的产品开发提供强力的理论支持。 迷宫式油气分离器布置空间小 ． 结构相对简单 ， 一 般集成在发动机罩盖上 ，在小型紧凑 的发动机上应用 收 稿 日期 2 0 1 2 0 7 0 9 作者简 介 胡景彦 1 9 7 8 一 ， 男 ， 辽 宁人 ， 工程 师 ， 本 科 ， 主要从事发 动机 C A E工作 。 3 8 越来越广泛。传统的迷宫开发方法是将不同结构的迷 宫样件进行油气分离试验 ， 试验成本高 ， 开发周期 长。 而应用 C F D C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c ， 即计 算流 体力学 仿真技术 ， 结合商业流体软件 ， 在计算机虚拟 环境中模拟油气分离器的流动 、 压损与分离效率 ， 可以 更直观的对油气分离器 内的气体流动进行评价 ，并能 迅速进行方案优化 。 本文 通过 对 某 型号发 动 机两 种 油气 分 离器 内的气 液两相流场进行数值模拟 ，详细研究了影响发动机油 气分离的主要机理 ，指出了结构对于油气分离效果的 影响 ， 最后设计了一个简单而有效的试验验证方法 。这 为油气分离器的设计和改进提供相应的理论依据。 1 流场计算的基础理论 气液两相流的数值模拟包括气相场和气液问的相 互干扰计算。相互 间干扰 即气液两相间的动量 、 能量 、 质量的交换过程， 常见的算法可以分为欧拉一 欧拉算法 液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 1 O期 油气分离器内部结构相对复杂 ，为了适应几何结 构特点及保证形状结构特点 ， 隔板 、 进 出口等关键部位 的网格要求细化 ， 采用 网格划分软件 自动生成体网格 ， 网格最大尺寸设置为 2 m m， 最小尺寸 0 ． 5 m m， 最终生成 的体网格数 目大概在 5 0万左右 ， 9 0 ％网格为六面体。 为 了计算更好的收敛性 ，进出 口都采用网格质量很好的 E n l a r g e方法延长 ， 延长的距离 为 3 5 D D为等效 口 径 。由于油气分离器 中流速不高 ， 这就需要严格控制 边界层网格厚度 ， 保证边界 Y 的值在所采用的壁函数 要求的范围内， 以获得比较准确的计算结果。 2 ． 2 计算参数的设置 速度和压力的耦合采用 S I MP L E算法 ； 湍流模型采 用 K Z e t a f ； 差分格式采用中心差分 ； 壁处理采用复合 壁 函数 H y b r i d Wa l l F u n c t i o n ，壁 面热 传 导采 用 S t a n d a r d Wa l l F u n c t i o n模型，这样可以使 Y p l u s的 值最小可以放宽到 3 。 2 ． 3 边界条件 进 口采用流量 ， 计算流体为可压空气 ， 此处进 口边 界采用窜气流量为 2 0 L ／ mi n ，流量通过试验测试得到 ， 也可以采用 b o o s t 软件大致估算 ，经过大量试验确认 ， 呼吸阀初始设计的最大窜气量要求尽量小于发动机进 气量的 0 ． 7 ％左右 ，此窜气量主要由配缸间隙和气缸压 力决定 出 口采用梯度为 0 。 3 流场计算结果分析 3 ． 1 进 出 口压 力数值 对 比 从表 1 可 以看 出这三种结构造成 的总体压力损 失都很小 ，在结构 2基础上优化的结构 3压力损失略 为增加 ． 但基本没有太大变化 ， 结构 3压力损失完全满 足设计和 P C V阀体开启要求。 表 1 进 出口压力数值对 比 3 - 2速 度场分 布 1 进 出口速度对 比 三种结构出口流速都略偏高 。 见表 2 。但基本满足 大液滴油气分离效率要求 见后面图 7油气分离效率 对 比 ， 出口流速降低可以有利于分离一些没有碰壁的 油滴 ， 油滴流速减慢 ， 动能下降 ， 惯性减弱 ， 就更不容易 克服重力逃逸 ， 这样会增大大油滴 1 5 p ． m以上 的分离 效率 ， 根据计算和试验总结 ， 油气分离器 出口流速最好 控制在 l m ／ s 左右 ， 根据不同分离要求 。 可以对出口直径 4 0 适 当调节和选择。 表 2进 出口速度 2 内部速度 场对 比 从图 5可以看出结构 1 、 结构 2和结构 3速度分布 差别． 主要体现在如下几个方面 1 和结构 1 、 结构 2相 比， 结构 3流动型式 为蛇 形 ， 更利于油滴撞击壁面 ， 油气分离效率提高； 2 三种结构通过挡板位置流速在 2 3 m ／ s ， 都满 足油气分离高效率速度要求 。 从以上 的分析可看 出，结构 3的油气分离器设计 更为合理 。 其流场分布更加有利于油气分离。 油气分离器模拟分析是 以速度场为基准点 ，速度 场图示和相应分析也基本上反映了本文模拟计算的油 气分离器的速度场结果是合理的 ，从而为后续 的油滴 运动分析做好了准备。 结构 1 结构 2 结 构 3 图 5油气 分离器的速度场对 比 4 油滴分离计算及实验方法 4 ． 1 计算思路 本文采用拉格朗 日方法 ， 即油滴轨迹追踪方法 ， 对 油滴运动进行分析 。把油滴加入到计算出的稳态流场 中， 流场驱动油滴运动， 当油滴碰壁就被分离[2 1 。 C F D计 算结果可以得到油滴总量 、被分离的油滴量和逃逸 的 油滴量 ． 并能 自动计算 出相应油气分离效率 。此计算激 活动量方程 ，计算 中考虑了重力和剪切力对油滴运动 轨迹的影响。 4 ． 2边界 条件 提取 出稳态流场结果作为油滴运 动的边界条件 。 相对实际人 口大概偏移 3 m m作为油滴入射面 ， 假定油 有 四个油滴进 12 I 面 ， 要求定义四个 S P A文件 ， 每个 S P A 文件代表一个油滴分布面信息 。 4 ． 5 计 算结 果分析 及 实验 验证 1 油滴直径对分离效果的影响 油气分离效率 1 一 逃逸油滴数 目／ 引入油滴数 目， 表 3和图 7显示 对于油气分离器 ， 当油滴直径分布在大 于 1 5 p m的情况下 ， 能获得很高的油气分离效率 ， 主要 靠重力分离； 当油滴直径在 1 5 p m以下时 ， 尤其是 1 7 Ix m之间油滴直径 ， 分离效率明显下降 ， 要提高此范 围 直径油气分离效率 。必须采用更优化的挡板布置型式 结构来保证 ，三种结构分离效率对 比显示 ，结构 3在 1 ～ 7 m小油滴直径时的分离效率得到进一步提升 ， 最大提升幅度接近 1 5 ％，显示 出了结构 3对于油滴捕 获和分离效果最佳。 表 3 分离效率列表 垂 L 、 ＼ 直 径 油 滴直 径 u 效 率 __ _ _ ．．．．．．．．． ．． ．． ．，．．．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ～ 一 结构1 6 g 7 6 ． 5 8 3 9 2 ． 6 1 0 0 1 0 0 结构2 5 9 ． 6 7 2 ． 6 9 3 ． 2 9 5 ． 4 9 9 ． 2 1 0 0 结构3 8 3 8 7 ． 2 9 4 9 9 ． 3 1 0 0 1 0 0 碍 籁 褪 0 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 I l 2 l 3 l 4 l 5 油滴直径 ／ p ,m 图 7油气分 离效率对比 2 结构对分离效果的影响 下面油滴撞击示意图 8显示 ，油滴 的捕获还是要 靠挡板迷宫的布置 ， 对 比上面三种结构可以看 出， 改进 优化后的结构 3挡板迷宫布置更有利于撞击 ．所以结 构 3在小油滴直径时获得了很高油气分离效率。 结构 1 、 结构 2 、 结构3模拟时加入 9 2 1 个油滴 满 足 3 0 0个／ c m ；图示上 D a t a条码 ， 0 ～ 5 0 0 0 0的数据代 表整个时间内累计撞击壁面上的油滴数 目[6 1 。 3 分离器分离效果的实验验证方法 对油气分离器进行试验验证 ， 如图 9所示。图中黑 色圈部位是单缸汽油机油气分离器 ，缸头盖罩为透明 塑料制造 ， 这样有利于研究者观测。塑料缸头盖罩安装 时要注意呼吸阀密封垫紧固和密封效果 ，否则会影响 分离器分离效果。 41 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 2年 第 1 0期 图 8油 滴捕 获 撞 击 示 意 图 9油气 分 离 台架 实 验 示意 图 由于一般公司都没有直接测试油滴分离情况的仪 器 ， 作者设计了一个简单而有效 的测试方法 把设计 的 油气分离器安装到发动机上进行台架测试 ，在分离器 出口前放一 张白色纸 ．待试验结束后观察 白色纸上是 否存在润滑油痕迹 ， 由此判断油气分离器的分离效果 ； 同时也可以清楚观测机油的运动情况 。 5 结论 1 通过 C F D进行的油气分离模拟分析 ， 可以较为 准确地计算出不同油滴直径和不同油气分离器结构对 油滴分离效率 的影响 ，这为工程设计提供 了可靠的理 论依据 ， 明确了设计方向； 2 C F D计算对比结果表明 隔板布置型式和隔板 间距对油气分离器的分离效果有重要影响； 一 一 一 一 十一 - 一 十- - - - - - - - - 一 上接第 3 7页 3 通过准确的模拟计算分析和相应的试验验证 方法 ，发现汽车发动机油气分 离器所要解决和提 高分 离效率的油滴直径范围为f l 一 1 0 1． L m 4 提出了一个简单有效测试方法 ， 能够间接的体 现出油气分离器分离效果 ，从而提高了油气分离器 的 设 计开 发进度 5 选定结构 3为最终设计方案 ， 在后期发动机热 力学开发 中会进一步验证 了油 气分离器分离效 率情 况 ， 验证结果表明结构方案 3满足产品油气分离要求 ， 该结构作为最终该款缸内直喷发动机批量生产油气分 离结构方案。 参 考 文 献 【 1 】 张也影． 流体力学 第二版 【 M】 ． 北京 高等教育出版社 ， 1 9 9 8 ． 【 2 】 郭列锦． 两相流与多相流动力学【 M】 ． 西安 西安 交通 大学 出版 社 ． 2 0 0 2 ． 【 3 】 吴望一． 流体力学【 M】 ． 北京 北京大学 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 】 陈 之航 ． 气 液两 相流 动和传 热【 M 】 ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 98 3． 【 5 】 蒋炎坤． C F D辅助发动机工程的理论 与应用[ M】 ． 北京 科 学出 版社 ． 2 0 0 4 ． 『 6 ] 苏铭德， 黄素逸． 计算流体力 学基础[ M】 ． 北京 清 华大学 出版 社 ． 1 9 9 7 ． 对质量数据进行有效分析， 目前还是一个大难题 。 6总结 企业 中最难管理的是无法联 网的普通机床 ，这些 设 备的管理手段相对落后 ． 管理过程复杂 ， 管理效率 比 较低。但对 由这些设备组成的生产现场的有效管理 ， 是 生产任务能够顺利完成的关键和基础。 对普通机床进行联网 ，以实时地获取机床和任务 完成状况的信息 ， 提高员工的工作效率 ， 减少工序间物 品流转的时间 ， 提高管理 的水平和效率 ， 是类似的生产 现场迫切达到但又最难达到的目标 ，这成了企业信息 化 过程 中 ， 最难攻 克 的壁 垒。 本文提出的信息管理系统 ，为这种生产现场的信 息化改造 ， 提供了一套切实可行的方案 。该系统可对现 场中的设备进行有效管理 ， 对生产任务的分解 、 分配和 执行过程进行有效地控制 ，可极大地提高物品流转的 效率 。 提升生产过程 中的质量控制能力 ， 提高管理的整 体效率和水平。 参 考 文 献 【 1 ] 高晓平． 先进制造 管理技术及其应用[ M 】 ． 北京 机械工业出版 42 社． 2 0 0 5 ． [ 2 】 李馥 娟， 王达． 中小 型企 业组 网用 网标 准教程【 M 】 ． 北京 人 民 邮电出版社． 2 0 0 2 ． [ 3 】 杨淇葡 ， 范勇 ， 杨小兰． 制造业信 息化工程建设与应用研究 [ J ] ． 制造业 自动化。 2 0 0 8 ， 3 3 6 2 7 6 4 ． [ 4 】 苏北并 ， 靳 黎忠． 企业专 网几种组 网方式的 比较f J 】 ． 山西 电子 技术， 2 0 0 5 ， 5 2 8 2 9 ． 【 5 】 刘静云 ， 张敬． 自动搬运智能小 车智能控制系统研究[ J ] ． 中国 新技术新产 品， 2 0 1 1 ， 1 o ． f 6 】 张宗成． 现代物流信息化[ M] ． 广州 中山大学出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 7 】 王振 ， 孙林 ， 虞震． 中小企 业[ M】 ． 上海 上海财经大学 出版社 ， 2 0 o3． 【 8 】 O u e r t a n i MZ ，B a i b a S ，G z a r a L ， M o r e l G ．T r a c e a b i l i t y a n d Ma n a g e me n t o f D i s p e r s e d P r o d u c t K n o w l e d g e D u ri n g D e s i g n a n d Ma n u f a c t u ri n g[ J 】 ． C o mp u t e r A i d e d D e s i g n ， 2 0 1 l ， 4 3 5 5 4 6 - 5 6 2 ． 【 9 】 H e i s i g P ， C a l d w e l l N H M， G r e b i c i K ， C l a r k s o n P J ． E x p l o ri n g Kn o wl e d g e a n d I n f o r ma t i o n Ne e d s i n En g i n e e ri n g f r o m t h e P a s t a n d f o r t h e F u t u r e - r e s u l t s f r o m a S u r v e y [ J ] ．D e s i g n S t u d i e s ， 2 0 1 0 ， 3 1 5 4 9 9 - 5 3 2 ． [ 1 0 ] 董丽华 ， 范春华 ， 孙伟． 网络化制造技术与应用【 M] ． 北京 电子 工 业 出 版社 ， 2 0 0 9 ．