4G15D缸内直喷发动机油气分离模拟分析及试验验证.pdf

第 5 期 总第 2 0 2 期 2 O l 2年 1 O月 车用发动机 VEHI CI E ENGI NE No． 5 Se r i a l No．2 0 2 Oc t ．2 O1 2 4 G 1 5 D缸内直喷发动机油气 分离模拟分析及试验验证 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 要某 4 G1 5 D缸 内直喷发动机 由于在缸 盖罩位置布置 高压 油泵， 导致 气缸 盖罩油 气分 离部分 空间被 占用 ， 需要 重新设计该款缸 内直喷发动机 油气分 离结构型式 。使 用 C F D仿真 分析 软件对发动机 油气分 离器 内气液两相 流场进行 了数值模拟 ， 分析 了 3种不同结构 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， 根据 仿真分析 结 果选择 最优 化设 计方案； 设计 了一种简单而有效的试验 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。在模拟 分析过程 中， 油滴直径设定在 1 ～1 5 m 范 围内时， 根据所需要的油气分 离效率优化设计 油 气分 离结构 ， 满足 了最终产品要 求。 同时 ， 在计算分析准确的前提下 ， 提 出了相应试验验证方法 。 关键词 缸 内直喷 ；汽油机 ；计算流体动力学 ； 油气分离器 ； 气液两相流 ；油滴直径 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 2 2 2 2 ． 2 0 1 2 ． 0 5 ． 0 1 0 中图分类号 TK 4 1 4 ． 5 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 1 2 2 2 2 2 0 1 2 0 5 0 0 4 4 0 5 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 ， 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 因素都需要油 气分离器满足一定分离要求。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 损及分离效率 ， 可以更直观地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 。 本研究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 了一种简单而有效的试验 验证方 法 ， 为油气 分 离器 的设计 和改 进 提 供 了相 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 问干 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 欧拉算法和欧拉一拉格朗 E t 算法。欧拉 欧拉算法 比较繁琐 ， 并且计算成本很 高， 因此 ， 本研究采用欧 拉拉格 朗 日算法 ， 对气相流场采用欧拉方法进行 计算 ， 而对 液滴 的运 动 则采 用 拉 格 朗 日方 法 进 行 跟 踪计算， 即首先模拟气体流动， 再把不同直径 的油滴 加入 到流 场来模 拟液 滴运 动轨迹 和碰 壁捕获 过程 。 控制 方程包 括连 续性 方程 j 、 动量 守恒方 程 、 能 量守恒方程、 湍动能方程和湍动能耗散率方程。气 相 流场计 算 的连续 方程 为 p v一 S ⋯ 1 d 式中 S 为液滴蒸发进入气相的质量 ， 本研究不考 虑液滴的蒸发， 因此这一项为 0 。 动 量方 程为 收稿 日期 2 0 1 2 0 2 2 1 ；修回 日期 2 0 1 2 - 0 9 1 9 作者简介 胡景彦 1 9 8 7 一 ， 男 ， 工程 师， 主要研究方向为发动机 C AE技术 ； h u j i n g y a n c h i n a d e l i g h t ． c n 。 2 0 1 2 年 1 O月 胡景彦 ，等 4 G 1 5 D缸 内直喷发动机油气分离模拟分析及试验 验证 面， 假定油滴 由此面进入油气分离器， 以保证油滴具 有 一定 的初 始速 度 。 4 ． 3油滴 直径 的选择 B a t c h e l o r 提 出将 0 ． 0 1 ～ 1 0 0 m 之 间 的微 粒 、 液 滴或 气泡 运动称 为 “ 微水 动力 学” l 5 ] ， 在其 后 3 0多 年 的 时间 ， 出现 了大 量 的 关 于液 滴 直 径 及 液 滴碰 撞 等物理现象的理论 和试验研究文献 ] 。显然 ， 油滴 直径对 油 气 分离 的效 果有 重 要 的影 响。文 献表 明l 2 ] ， 在重力作 用下， 当油气混合 物的流速不是太 快 ， 大的油滴最终都会落到油气分离器的底部 ； 油滴 直径 越小 ， 其 下落 的时 间 就 越 长 。直 径很 小 的润 滑 油微粒可以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 。油气分离器的作用 ， 就是尽可能地把这部分油滴分离 出来 ， 这部分油滴 直径 是在 1 ～ 5 0 m 范 围 内 ； 1 m 以下 的油滴 用 机 械方法不能分离， 只能用亲和聚结法分离。因此 ， 本 研究模拟计算时主要选择的油滴直径在 1 ～5 0 m 范围内， 典型的乘用车油滴粒子直径分布规律口 见 图 6 。 粒 子 直 径／“ 图 6 乘用车油滴直径分布规律 根据 汽车 油气 分 离 油滴 直 径 分 布 要 求 ， 分 别 选 取 1 m， 3 m，5 m， 7 m ， 1 0 g m， 1 5 g m 几 种 油 滴直径用于油气分离模拟计算分析。 4 ． 4油滴 的 引入 方 法 在计算 油气 分离效率时 ， 首先引入油滴 ， C F D 模拟时采用的方法是 以编写的 S P A文件表示油滴 信 息 ， 在 求解 器设 置 中调入 S P A 文 件 即可 。 编辑 S P A文件时， 最大的难点就是油滴位置初 始坐标的获得 。目前常规的方法是采用手工布点方 法获得坐标 值， 然 后按照 固定 的格 式输 入程序 的 S P A文件中。显然 ， 这种 方法效率很低 ， 尤其 是油 滴进 口分 布面 为多 个 不 规则 平 面 时 ， 需 要 花 费 大 量 的时间。 本研究采用如下方法 首先提取油气分离器进 出口截面 ， 然后利用第三方网格生成软件生成任意 尺寸 的 网格 ， 提 取这 些 网格 的节点 坐 标， 复 制 到 S P A文件 中作为油滴 的初始位 置坐标 。此生成方 法非常方便 ， 并且 油滴坐标位 置调整也非 常快捷。 本次计算的油气分离器 结构 2有 4个油滴进 口面 ， 要求定义 4个 S P A文件 ， 每个 S P A 文件代表 1个 油滴分布面信息 。 4 ． 5 计 算 结果 分析及 试 验验证 4 ． 5 ． 1 油滴 直径 对分 离效 果 的影 响 油气分离效率 一1 一逃逸油滴数 目／ 引入油滴数 目。由图 7可见 对于油气分离器 ， 在油滴直径分布 大 于 1 5 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 r n以下时 ， 尤 其 是在 1 ～ 7 g m 之 间 ， 分 离 效 率 明显 下 降 ， 要 提 高此范围的油气分离效率 ， 必须采用更优化 的挡板 布置型式。3种结构 分离效 率对 比显示 ， 结 构 3在 1 ～7 n V l , 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 ， 油滴捕获和分离效果 最佳 。 JIl }L 褪 油涌直 径／ m 图 7 油气分离效率对 比 4 ． 5 ． 2 结 构对 分离 效果 的影 响 图 8示出油滴撞击捕获示意 ， 从 图中可知油滴 的捕获还是要靠挡板迷宫的布置。对比上面 3种结 构 可 以看 出 ， 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 。 粒 子数 } | ／ 图 8油 涌 捕 获 撞 击 不 恿 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 Da 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 。 4 ． 5 ． 3 分离器分离效果的试验验证方法 对油气分离器进行 了试验验证。图 9中圆圈部 位是单缸汽油机油气分离器 ， 缸盖罩用透明塑料制 9 8 7 6 5 4 3 2 l 0 、 求_軎嵝 “ 9 7 6 5 3 2● 0 纛 H蕊 4 8 车用发动机 2 0 1 2年第 5期 成 ， 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 。 图 9油 气 分 离 台架 试 验 不 意 由于一般公 司都没有直接测试油滴分 离的仪 器 ， 作者设计了一种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 1张白纸 ， 待试验结束后观察 白纸上 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 a 通 过油 气 分 离 的 C F D模 拟 分 析 ， 可 以 较 为 准确地计算出油滴直径和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 ； b 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 ； c 通过模拟计算分析和相应的试验验证 ， 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 1 ～1 0 i n ； d 提出了一种简单有效测试方法 ， 能够间接地 体现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 ； e 选定结构 3作为最终设计方案， 在后期发动 机热力学开发中进一步验证了油气分离器的分离效 率 ， 验证结果表明， 结构 3满足产 品油气分离要求 ， 该结构可作为最终该款缸内直喷发动机批量生产油 气分离的结构方案。 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 2 E 7 ] [ 8 ] 张也影． 流体 力 学[ M] ． 2版． 北京 高等 教 育 出版社 ， l 9 9 8． 郭列锦． 两相流与 多相流动 力学[ M] ． 西安 西安 交通 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l ga s s e p a r a t o r ．By u s i ng t h e CFD s o f t wa r e．t he g as l i qu i d t wo ph a s e f l ow f i e l d i n t h e oi l ga s s e pa r a t or wa s s i mu l a t e d an d t he f l ow d i s t r i bu t i o n a nd pr e s s u r e l os s o f t hr e e d i f f e r e n t l a by r i n t h o i l ～ g a s s e p a r a t o r s we r e a n a l y z e d ．Du r i n g t h e s i mu l a t i o n，t h e d i s c r e t e mo d e l wa s u s e d t O s i mu l a t e t h e d r o p l e t i n j e c t i o n ． As s u mi n g t h a t t h e d r o p l e t s we r e c a p t u r e d a f t e r t h e y i mp i n g e d o n t h e wa l l ，t h e s e p a r a t i o n e f f i c i e n c y o f d i f f e r e n t d i a me t e r d r o p l e t s c o u l d b e a c q u i r e d ．Ac c o r d i n g t o t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ，t h e o p t i mu m d e s i g n s c h e me wa s c h o s e n ．W i t h a s i mp l e a n d e f f e c t i v e t e s t me t h o d ，t h e s e p a r a t i o n e f f i c i e n c y o f o i l g a s s e p a r a t o r wa s v e r i f i e d ． Th e r e s u l t s h o ws t h a t t h e s i mu l a t i o n a n d c a l c u l a t i o n me t h o d o f C FD s o f t wa r e c a n c a l c u l a t e t h e s e p a r a t i o n e f f i c i e n c y o f o i l g a s s e p a r a t o r ． Th e s i m u l a t e d r e s u l t r e f l e c t s t h e n a t u r e o f f l o w． Du r i n g t h e p r o c e s s o f s i mu l a t i o n a n d a n a l y s i s ，t h e c o n f i g u r e d o i l d r o p l e t d i a me t e r i s 1 - 1 5“ m ， a n d t h e o i l g a s s e p a r a t i o n s t r u c t u r e i s o p t i mi z e d a n d d e s i g n e d a c c o r d i n g t o t h e r e q u i r e d s e p a r a t i o n e f f i c i e n c y ，wh i c h s a t i s f i e s t h e f i n a l p r o d u c t r e q u i r e m e n t ． Mo r e o v e r ，t h e c o r r e s p o n d i n g v e r i f i c a t i o n me t h o d i s p u t f o r wa r d b a s e d o n t h e a c c u r a t e c a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s ． Ke y wo r d si n c y l i n d e r d i r e c t i n j e c t i o n；g a s o l i n e e n g i n e ；C FD；o i l g a s s e p a r a t o r ；g a s ～ f l u i d t wo p h a s e f l o w；d r o p l e t d i a me t e r [ 编辑 李建新]