XIAOZHONGMING

来源：(长安汽车动力研究  作者：王狮。陈小东，朱肃敬。蒋文萍，詹樟松，卿

      摘要：对曲轴箱通风系统内部流场进行了仿真分析，计算了稳态和瞬态情况下曲轴箱内部的速度场分布、功率损失、各油气通道流量分配关系，明确了稳态分析和瞬态分析的适用范围。通过仿真分析，可以知晓曲轴箱通风系统内部的气体流动规律，确定和量化发动机的泵气损失，加深对曲轴箱通风系统内部复杂现象的理解，为发动机的优化设计提供支持。


      关键词：曲轴箱通风系统；CFD；泵气损失


      0.前言


      曲轴箱通风系统的主要功能是利用进气系统的负压，将从活塞环和涡轮增压器浮动轴承处泄露的窜气重新引入燃烧室进行燃烧，经过尾气处理系统转化后排向大气，避免直接排放造成环境污染。整个曲轴箱通风系统内不仅有曲柄连杆机构等复杂运动部件，而且还包含润滑油的喷射、飞溅、雾化、凝结和水蒸气的凝结以及上述物理过程之间的相互影响等复杂的物理现象。所以，曲轴箱通风系统内部的气体运动过程是复杂和多变的。目前对曲轴箱通风系统的研究结果较少，通常只对曲轴箱通风系统中的油气分离器进行研究，只有ARaj P.应用一维模型研究了曲轴箱通风系统的气动与泵气损失，Owais Iqbal口1应用三维模型研究了机油隔板的结构对曲轴箱通风系统的影响，Thomas Deighan 91应用一维模型研究了摩托车发动机曲轴箱通风系统的气体运动规律。


      通过上述少量的研究成果还不能全面详细了解曲轴箱通风系统内部的气体运动规律。因此，我们对某车用四缸汽油发动机的曲轴箱通风系统，进行了三维稳态分析和瞬态运动计算，分析了曲轴箱通风系统内的气体流动规律，并研究了稳态和瞬态计算的区别及适用情况。


      1.模型建立

      1．1几何模型


      我们以某直列四缸汽油发动机曲轴箱通风系统为研究对象，研究了稳态和瞬态情况下曲轴箱通风系统内的气体流动规律。图1为曲轴箱通风系统的几何模型，主要包含活塞、曲轴箱、曲轴、油底壳、油气通道、凸轮轴室、缸盖罩、油气分离器、通风管等。图2为计算时所采用的体网格。


      1．2计算方法


      在模拟计算中，对实际情况进行了如下假设：只进行气相计算，忽略曲轴箱内润滑油对气体流动的影响；用空气来代替实际情况下的活塞漏气；壁面边界为绝热无滑移。

      稳态计算时，运用压力一速度分离求解器求解，选用扛∞SS个41湍流模型。在计算过程中，求解连续性方程、动量方程、能量方程和肛∞SST湍流模型。由于是稳态计算，因此保持活塞、曲轴处于静止状态。


      瞬态计算与稳态计算的差别在于瞬态计算采用动网格的计算方法，模拟活塞、曲轴运动对曲轴箱通风系统内部气体流动的影响。因此，瞬态计算选用的计算模型与稳态计算相同，不同点为瞬态计算增加了动网格的求解。


      1．3边界条件


      进口边界为流量进口，出口边界为压力出口。具体边界数值选取发动机在2 000 r／min，97．1N·m时的实际试验数据，见表1。

表1边界条件

      2.结果分析

      2．1稳态分析

      2．1．1速度场


      图3、图4为通过稳态计算得到的曲轴箱通风系统速度矢量图和流线分布图，从图中可以看出，曲轴箱内各区域气体流速较小。产生这一现象的主要原因为活塞漏气量较小，并且稳态计算未考虑活塞、曲轴运动对流场的影响。由于新鲜空气的引入，造成凸轮轴室内气体流速大于曲轴箱内气体流速。

      2．1．2新鲜空气分布


      为了降低曲轴箱通风系统内气体的含水率，调节系统内部的压力大小，减少活塞漏气在系统内的停留时间，提高机油的使用寿命，需将空滤器中的新鲜空气通过扫气管引入到曲轴箱通风系统内。图5为曲轴箱通风系统新鲜空气分布图。由于新鲜空气进气口位置布置在缸罩后端的角落处，造成新鲜空气只能分布于凸轮轴室内大部分区域，曲轴箱内无新鲜空气分布。该分布情况能基本满足设计要求，后续可通过调整新鲜空气进气口位置的方法来使新鲜空气均匀分布在凸轮轴室内部。

表2 流量分配关系

      2．1．3流量分配


      表2对各油气通道中活塞漏气的流量分配关系进行了统计。从表中可以看出，活塞漏气主要通过油气通道1从曲轴箱进入凸轮轴室，经过油气通道3和5的活塞漏气最少。通过观察曲轴箱通风系统结构能发现，油气通道1与油气分离器进口位置处于同一侧，该结构可降低活塞漏气在曲轴箱通风系统内部的停留时间，减少酸性物质生成的风险，提高机油的使用寿命。

      2。2瞬态分析

      2．2．1速度场


      为研究活塞、曲轴运动对曲轴箱内气体流动的影响，通过瞬态计算得到了曲轴箱通风系统内部速度场，见图6、图7、图8、图9。在活塞、曲轴运动时，曲轴箱内气体流速较高，在15 m／s左右，油底壳和凸轮轴内的气体流速较低，为0．5m／s左右。


      为便于理解，定义第一缸活塞处于上止点为0℃A，见图6。在0 oCA时，第一、四缸活塞从上止点开始下行，第二、三缸活塞从下止点开始上行。此刻活塞速度很小，小于3 m／s，各缸之间连通孔内的流速在12 m／s左右。这是由于缸筒的截面积远大于连通孔的截面积。从第三缸截面上可看到，油底壳区域速度较小。同时，由于曲轴的搅动，曲轴箱内部有一个微弱的顺时针环流。如图7，在90℃A时，第一、四缸活塞继续下行，第二、三缸活塞也继续上行。此时，各缸活塞处于同一高度，活塞速度增大至11 m／s，各缸之间连通孔内的最大流速达到25 m／s。在第三缸截面上，缸筒内部速度增大，并形成与活塞运动方向一致的向上气流，油底壳内气体速度仍较小。

      如图8，在180℃A时，第一、四缸活塞到达下止点并将向上运动，同理第二、三缸活塞到达上止点并将向下运动。此时，活塞速度和各缸之间连通孑L内的流速降至最低。在第三缸截面上，缸筒内部速度减小，油底壳内气体速度仍较小。

      如图9，在270℃A时，第一、四缸活塞处于向上运动过程，第二、三缸活塞处于向下运动过程。在180℃A到270℃A过程中，活塞速度和各缸之间连通孔内的流速逐渐增大。在第三缸截面上，缸筒内部形成了一个与活塞运动方向一致的向下气流，油底壳内气体速度较小。

      从整个循环来看，引起曲轴箱内气体运动变化的主要原因是活塞和曲轴的运动。由于我们选取计算工况的活塞漏气量和活塞、曲轴运动速度较小，造成只在活塞、曲轴附近区域存在较明显的气体流动变化情况，油底壳处的气体流动隋况基本不变。

表3 各部件功率损失

      在发动机的工作循环过程中，O一90℃A时，曲轴箱内气体速度逐渐增大；90～180。CA时，曲轴箱内气体速度逐渐减小；180—270。CA时，曲轴箱内气体速度再逐渐增大；270～360℃A时，曲轴箱内气体速度再逐渐减小。最终表现出一个先增大一再减小一再增大的循环往复过程。


      上述结果与理论分析有较好的一致性，表明该模型可准确进行曲轴箱通风系统分析：通过对比稳态和瞬态分析结果可以发现，活塞、连杆、曲轴的运动对曲轴箱内气体的流动有较强的影响，而对凸轮轴室、油底壳内气体的流动影响较小。


      2．2．2流量分配


      图10是各油气通道流量分配统计图。从图中可以看出，活塞漏气主要通过油气通道1从曲轴箱进入凸轮轴室。并且，稳态条件下的流量分配规律与瞬态条件下的流量分配规律相同，通过油气通道1的活塞漏气比例均在50％左右。


      2．2．3功率损失


      表3对曲轴箱通风系统各运动部件的功率损失进行了统计分析，通过该分析能知晓由于活塞、曲轴运动而造成的功率损失大小。从表中可知，该机型功率损失较小，满足设计要求。泵气和气动损失折算成发动机功率损失总计约为100 W(2 000r／min)。其中第一缸功率损失约为其它各缸的一半，主要原因是第一缸靠近活塞漏气主要通道油气通道1，缸内压力变化较小，曲轴的气动阻力导致的功率损失较小，约为总量的10％。


      3.结论与展望


      我们通过对某直列四缸汽油机曲轴箱通风系统进行稳态与瞬态CFD分析，可知：


      a．由于试验条件限制，现在还不能直接测量曲轴箱通风系统内新鲜空气分布、功率损失等物理量。但根据理论分析和通过试验结果能间接判断该分析模型可准确进行曲轴箱通风系统分析。


      b．对于曲轴箱通风系统总体规律的分析，稳态与瞬态分析能起到相同的作用。而想要详细准确了解曲轴箱通风系统内的气体运动变化过程，则只能运用瞬态分析方法。因此，在工程应用时，在前期概念设计阶段可运用三维稳态分析方法和一维分析方法快速初步研究曲轴箱通风系统内部气体流动规律，在后期详细系统设计时再用瞬态分析方法详细研究。


      c．活塞运动主导了曲轴箱内的气体流动变化，但影响区域局限于活塞和曲轴运动区域，油底壳和凸轮轴室区域气体流速始终较小。


      d．活塞和曲轴运动消耗的功率较小，为100 W(2 000 r／min)，满足设计要求。


      e．我们只对发动机曲轴箱通风系统内气体运动情况进行了研究，后续可对曲轴箱通风系统内部两相流运动隋况及相变过程开展详细研究。