摘要：設(shè)計(jì)了一款新型復(fù)式油氣分離器，采用迷宮式結(jié)構(gòu)作為粗濾組件、濾網(wǎng)作為精濾組件。設(shè)計(jì)開發(fā)了油氣分離器部件性能試驗(yàn)臺(tái)，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)多方案油氣分離器，并基于部件試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行多方案性能試驗(yàn)測(cè)試。最終設(shè)計(jì)出滿足要求的復(fù)式油氣分離器，并通過整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證其性能。結(jié)果表明，油氣分離器綜合性能影響因素由強(qiáng)到弱依次為濾網(wǎng)層數(shù)、濾網(wǎng)目數(shù)、過濾孔孔徑、孔數(shù)、孔板間距。整機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在300 L/min竄氣量下分離效率達(dá)到了92.6%，壓力損失小于3 kPa，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求。

關(guān)鍵詞：油氣分離器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；正交試驗(yàn)；臺(tái)架試驗(yàn)；壓力損失；分離效率

DOI：10.3969/j.issn.1001-2222.2024.05.008

中圖分類號(hào)：TK422 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1001-2222（2024）05-0055-06

2019年實(shí)施的《重型柴油車污染物排放限值及測(cè)量方法（中國第六階段）》^［1］，對(duì)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)做出了更加嚴(yán)格的要求，開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)污染物評(píng)價(jià)方法規(guī)定，要將曲軸箱排放與尾氣排放一起進(jìn)行測(cè)試。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)面臨巨大的挑戰(zhàn)。

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，竄氣會(huì)從活塞環(huán)與氣缸壁間隙流入曲軸箱，竄氣主要由0.1～10 μm的油氣混合顆粒、灰塵和氣體等組成^［2］?；钊麌娪屠鋮s、曲軸攪動(dòng)機(jī)油等均會(huì)產(chǎn)生油氣混合顆粒。如果不能將竄氣及時(shí)排出，曲軸箱內(nèi)的壓力會(huì)異常升高，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)排放、機(jī)油消耗，甚至導(dǎo)致管路斷裂和冒機(jī)油的現(xiàn)象^［3-4］。開式曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的作用就是將竄氣過濾，并將符合排放要求的氣體排入大氣中，而油氣分離器就是曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中過濾竄氣的關(guān)鍵部件，竄氣經(jīng)過油氣分離器后，竄氣中的機(jī)油被分離出來返回油底殼中，相對(duì)干凈的氣體會(huì)從油氣分離器中排出。

油氣分離器分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩大類。常見的被動(dòng)式油氣分離器主要有迷宮式、旋風(fēng)式和過濾式^［5-6］。迷宮式分離器主要利用竄氣中油滴和氣體慣性的不同進(jìn)行分離，多用于油氣預(yù)分離^［7-8］；過濾式油氣分離器主要依靠攔截效應(yīng)和漫射效應(yīng)進(jìn)行分離，多用于油氣精分離^［9-10］。復(fù)式油氣分離器由多種結(jié)構(gòu)組合而成，可以設(shè)計(jì)為主動(dòng)式，也可以設(shè)計(jì)為被動(dòng)式。

為提高油氣分離器的分離效率，梁保權(quán)等^［11］針對(duì)某缸蓋罩內(nèi)油氣分離器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)通過在油氣分離器內(nèi)增設(shè)隔板，對(duì)分離室的混合氣進(jìn)行節(jié)流，可以起到加快混合氣流速度的效果，進(jìn)而提高油氣分離器分離效率。黃第云等^［12-13］針對(duì)柴油機(jī)兩級(jí)油氣分離系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布局進(jìn)行研究，通過發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)單級(jí)和兩級(jí)分離器分別進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)雙級(jí)比單級(jí)油氣分離器分離效率高22.8%，但會(huì)增加缸蓋罩內(nèi)壓力，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高壓力增加越大。Kolhe等^［14］針對(duì)一款氣缸罩迷宮式油氣分離器進(jìn)行研究，通過發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)和路測(cè)的方式研究油氣分離器性能，結(jié)果表明迷宮結(jié)構(gòu)分離器對(duì)大粒徑油滴分離效果更好。德國的曼·胡默爾^［15］研發(fā)了一款旋風(fēng)式與過濾式組合的復(fù)式油氣分離器，通過將旋風(fēng)式分離器出口與過濾式分離器入口串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粒徑油滴的分級(jí)過濾，試驗(yàn)結(jié)果表明該復(fù)式油氣分離器對(duì)不同粒徑油滴均有較高的分離效果。

本研究針對(duì)傳統(tǒng)復(fù)式油氣分離器空間尺寸大、分離效率低的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種結(jié)合迷宮式和過濾式結(jié)構(gòu)的復(fù)式油氣分離器。通過部件試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了正交試驗(yàn)，確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)分離效率和壓力損失的影響程度及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)式油氣分離器綜合性能影響程度。最后選擇最優(yōu)的復(fù)式油氣分離器結(jié)構(gòu)，通過發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證明設(shè)計(jì)的復(fù)式油氣分離器達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

1 油氣分離器結(jié)構(gòu)與部件試驗(yàn)臺(tái)

1.1 油氣分離器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的油氣分離器結(jié)構(gòu)如圖1所示，油氣分離器實(shí)物樣件和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示。

該油氣分離器采用迷宮式分離結(jié)構(gòu)，主要由進(jìn)氣口、出氣口、回油口和過濾孔板組成，回油口處的儲(chǔ)油區(qū)域設(shè)計(jì)為凹型結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能加快聚油速度，有利于油氣分離器快速回油。該油氣分離器設(shè)置有3塊過濾孔板，每塊孔板之間的間距為9 mm，每塊過濾孔板上開孔率約為5%，每個(gè)過濾孔的直徑為4 mm。

為了使油氣混合氣經(jīng)過前一塊孔板后能更好地撞擊下一塊孔板，在縱向上將3塊孔板上的孔交錯(cuò)布置，后一塊多孔板的壁面充當(dāng)傳統(tǒng)迷宮分離器中擋板的作用。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于有效縮減了油氣分離器的橫向尺寸，該油氣分離器的寬度僅為90 mm，大幅縮短了竄氣從入口到出口的距離，能夠減少竄氣的沿程壓力損失，同時(shí)能夠延長竄氣運(yùn)動(dòng)路徑和時(shí)間，增加竄氣撞擊壁面概率，提高油氣分離器分離效率。為了提高油氣分離器的分離效率，在過濾孔板后增加精濾組件。

1.2 試驗(yàn)臺(tái)架及測(cè)試方法

設(shè)計(jì)開發(fā)了油氣分離器部件性能試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)架如圖4所示。高壓風(fēng)機(jī)向油氣混合箱中吹入高壓空氣，油泵向油氣混合箱中噴入機(jī)油并通過霧化噴嘴霧化，霧化后的機(jī)油與高壓空氣混合形成油氣混合氣，并吹入油氣分離器中。

壓差表的高壓端和低壓端連接在油氣分離器的進(jìn)口和出口，壓差表的示數(shù)即為油氣分離器的壓力損失。油氣分離器回油口處連接機(jī)油收集裝置，用來收集油氣分離器分離的機(jī)油，未被分離的機(jī)油則在與油氣分離器出氣口相連的絕對(duì)濾清器中被過濾。試驗(yàn)前分別稱量機(jī)油收集裝置和絕對(duì)濾清器的質(zhì)量，試驗(yàn)結(jié)束后待油氣分離器回油完全后分別稱量機(jī)油收集裝置和絕對(duì)濾清器的質(zhì)量，并計(jì)算油氣分離器分離效率。稱量設(shè)備使用高精度天平，精度達(dá)到0.01 g。每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，每次試驗(yàn)進(jìn)行2 h，試驗(yàn)結(jié)果取3次平均值。

油氣分離器分離效率計(jì)算公式如下：

E=m-m（m-m）+（m-m）。（1）

式中：E為油氣分離器分離效率；m為試驗(yàn)前機(jī)油收集裝置質(zhì)量；m為試驗(yàn)后機(jī)油收集裝置質(zhì)量；m為絕對(duì)濾清器試驗(yàn)前質(zhì)量；m為絕對(duì)濾清器試驗(yàn)后質(zhì)量。

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究表明，影響迷宮式油氣分離器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為開孔數(shù)量、孔徑和孔板間距^［16］。課題組前期探討了3種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)迷宮式油氣分離器壓力損失和分離效率的影響規(guī)律。

為研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)復(fù)式油氣分離器性能的影響，本研究通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行尋優(yōu)處理，基于部件試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行多方案性能試驗(yàn)測(cè)試。設(shè)計(jì)方案由五類因素組成，每個(gè)因素取三個(gè)水平，根據(jù)L18（3⁷）正交表得到五因素三水平正交表（見表1）。

試驗(yàn)竄氣量為150 L/min。由于竄氣量越高，分離效率越高，分離效率增長速率越低，為更加清晰地對(duì)比不同方案之間性能區(qū)別，保持不同方案區(qū)分度，選擇竄氣量中值150 L/min進(jìn)行試驗(yàn)研究。18組試驗(yàn)的分離效率和壓力損失情況、L18（3⁷）正交表及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

采用綜合評(píng)價(jià)的方法對(duì)分離效率和壓力損失兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)處理?？紤]到復(fù)式油氣分離器工作性質(zhì)，需要保證在發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到排放要求的前提下避免產(chǎn)生過大壓力損失，因此將分離效率的權(quán)重設(shè)為0.6，壓力損失的權(quán)重設(shè)為0.4。但由于壓力損失的數(shù)據(jù)區(qū)間與分離效率的數(shù)據(jù)區(qū)間不一致且量綱不同，因此在進(jìn)行加權(quán)處理前，需要將兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行線性函數(shù)歸一化處理。將分離效率和壓力損失分別根據(jù)式（2）和式（3）進(jìn)行線性歸一化處理，得到效率變換和壓力變換。

x′=x-xx-x，（2）

x′=x-xx-x。（3）

式中：x′為效率變換或壓力變換結(jié)果；x為變換原始數(shù)據(jù)；x為變換數(shù)據(jù)中最大值；x為變換數(shù)據(jù)中最小值。

綜合性能評(píng)價(jià)表見表3，歸一化加權(quán)處理結(jié)果見表4?？樟?和空列2表示因素之間交互作用產(chǎn)生的影響。在進(jìn)行正交試驗(yàn)方差分析時(shí)，由于需要估計(jì)隨機(jī)誤差，因此必須使用正交表中的空列來獲取隨機(jī)誤差，而這個(gè)誤差是試驗(yàn)和交互作用的綜合誤差的估算值。兩個(gè)空列對(duì)結(jié)果均未達(dá)到不可忽略的程度，應(yīng)視為誤差處理。由表3和表4可知，考慮綜合性能的最優(yōu)復(fù)式油氣分離器方案為9號(hào)方案A3B3C1D3E2，即孔板間距為6 mm，過濾孔孔徑為6 mm，3塊多孔板上孔數(shù)分別為32，30，35，濾網(wǎng)目數(shù)為200目，濾網(wǎng)層數(shù)為5層。

將試驗(yàn)誤差進(jìn)行合并，得到如表5所示的方差分析表，其中，F(xiàn)為顯著性差異水平，P-value為對(duì)應(yīng)F值下的概率值。從表5中可以看出，5個(gè)因素中對(duì)油氣分離器綜合性能影響由強(qiáng)到弱依次為濾網(wǎng)層數(shù)、濾網(wǎng)目數(shù)、孔徑、孔數(shù)、孔板間距，即E>D>B>C>A。其中濾網(wǎng)層數(shù)和濾網(wǎng)目數(shù)對(duì)復(fù)式油氣分離器綜合性能的影響達(dá)到顯著水平，其他因素對(duì)綜合性能的影響較為顯著。

綜上所述，對(duì)于由迷宮結(jié)構(gòu)和過濾結(jié)構(gòu)組成的復(fù)式油氣分離器來說，其分離性能不僅取決于兩部分的結(jié)構(gòu)參數(shù)，還與兩部分結(jié)構(gòu)的組合有關(guān)，根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，綜合性能最優(yōu)的方案為9號(hào)方案，即孔板間距為6 mm，過濾孔孔徑為6 mm，3塊多孔板上孔數(shù)分別為32，30，35，濾網(wǎng)目數(shù)為200目，濾網(wǎng)層數(shù)為5層。選擇此方案設(shè)計(jì)開發(fā)樣件，并進(jìn)行整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架

整機(jī)試驗(yàn)采用某排量12 L高強(qiáng)化六缸柴油機(jī)。圖5示出了發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架，圖中標(biāo)注了油氣分離器安裝位置。圖6示出了油氣分離器連接方式。由圖6可見，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱排氣管引入復(fù)式油氣分離器進(jìn)氣口，復(fù)式油氣分離器回油口接機(jī)油收集裝置，出氣口接機(jī)油過濾裝置。為減小由測(cè)量儀器帶來的誤差，整機(jī)試驗(yàn)中使用和油氣分離器部件試驗(yàn)臺(tái)架相同的壓差傳感器、信號(hào)采集卡和電子天平。

試驗(yàn)分別選取竄氣量中值點(diǎn)、標(biāo)定轉(zhuǎn)速點(diǎn)和最大扭矩轉(zhuǎn)速點(diǎn)3個(gè)工況進(jìn)行3組試驗(yàn)。整機(jī)試驗(yàn)壓力損失和分離效率計(jì)算方法與試驗(yàn)臺(tái)架計(jì)算方法一致。

3.2 壓力損失試驗(yàn)

表6示出發(fā)動(dòng)機(jī)各轉(zhuǎn)速下油氣分離器壓力損失值。從表6可以看出，復(fù)式油氣分離器的壓力損失值隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速從1 100 r/min增加到1 900 r/min的過程中，壓力損失增長較快，主要原因是在該轉(zhuǎn)速區(qū)間發(fā)動(dòng)機(jī)竄氣量增長較快、進(jìn)氣速度增加，使得高速氣體撞擊油氣分離器壁面產(chǎn)生更大的能量損失。復(fù)式油氣分離器在標(biāo)定轉(zhuǎn)速下滿載的壓力損失約為2 607 Pa，小于發(fā)動(dòng)機(jī)限定的最大壓力損失（3 000 Pa），滿足發(fā)動(dòng)機(jī)使用要求。

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 300 r/min、竄氣量143 L/min時(shí)，復(fù)式油氣分離器整機(jī)試驗(yàn)壓力損失為1 144 Pa，高于部件試驗(yàn)臺(tái)竄氣量為150 L/min時(shí)測(cè)得的壓力損失1 094 Pa，產(chǎn)生差別主要原因是：對(duì)于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，其排氣是具有一定階段性的，竄氣量在測(cè)量的平均數(shù)值附近會(huì)產(chǎn)生小幅波動(dòng)，進(jìn)入油氣分離器中的竄氣量并不是恒定的，波動(dòng)的竄氣會(huì)造成一定的壓力損失，而在部件試驗(yàn)臺(tái)中由風(fēng)機(jī)生成的竄氣相對(duì)穩(wěn)定，不存在此問題。

3.3 分離效率試驗(yàn)

表7示出發(fā)動(dòng)機(jī)3個(gè)工況點(diǎn)下復(fù)式油氣分離器的分離結(jié)果。由表7可見，復(fù)式油氣分離器在竄氣量150 L/min工況點(diǎn)、最大扭矩轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)、標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)的機(jī)油逃逸量分別為0.61 g/h，0.63 g/h和0.42 g/h，各工況點(diǎn)的機(jī)油逃逸量均小于1 g/h，在搭載該復(fù)式油氣分離器后發(fā)動(dòng)機(jī)滿足排放標(biāo)準(zhǔn)。從表7中可以看出，分離效率在不同轉(zhuǎn)速點(diǎn)之間存在一定差異，說明復(fù)式油氣分離器的分離效率和竄氣量有直接關(guān)系，復(fù)式油氣分離器的分離效率隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加而增大，但隨著竄氣量的不斷增加，分離效率增加幅度越來越小，與部件試驗(yàn)臺(tái)中所得到的結(jié)論一致。發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速點(diǎn)的分離效率要大于最大扭矩轉(zhuǎn)速點(diǎn)的分離效率，在竄氣量150 L/min工況點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架測(cè)得的分離效率為85.9%，低于油氣分離器部件試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的88.6%，兩者相差2.7%，小于5%的工程誤差要求。存在差異的原因是發(fā)動(dòng)機(jī)排放竄氣中機(jī)油的粒徑要小于試驗(yàn)臺(tái)架中模擬的機(jī)油粒徑，發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作過程中排放竄氣中不僅含有機(jī)油，可能還存在少量水蒸氣、顆粒物等雜質(zhì)，這些可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。整機(jī)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了復(fù)式油氣分離器性能符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

a） 基于部件試驗(yàn)臺(tái)，通過正交試驗(yàn)法對(duì)復(fù)式油氣分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，對(duì)油氣分離器綜合性能影響由強(qiáng)到弱依次為濾網(wǎng)層數(shù)、濾網(wǎng)目數(shù)、過濾孔孔徑、孔數(shù)、孔板間距；

b） 采用綜合評(píng)價(jià)的方法確定油氣分離器器結(jié)構(gòu)參數(shù)，即孔板間距為6 mm，過濾孔孔徑為6 mm，3塊多孔板上的孔數(shù)分別為32，30，35，濾網(wǎng)目數(shù)為200目，濾網(wǎng)層數(shù)為5層；

c） 基于整機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)新設(shè)計(jì)的油氣分離器分離效率和壓力損失進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，在竄氣量150 L/min工況點(diǎn)、最大扭矩轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)、標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)3個(gè)工況點(diǎn)的機(jī)油逃逸量均小于1 g/h，在300 L/min竄氣量下分離效率達(dá)到了92.6%，壓力損失小于設(shè)計(jì)要求的3 kPa，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)的使用要求。

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Design and Experimental Verification for Compound Oil-Gas Separator of Diesel Engine

SUN Xiuxiu^1，2，HU Maoshuang^1，2，JING Guoxi^1，2，YU Huichao³，DONG Changlong³，HUANG Lirong³

（1.School of Mechanical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300400，China;2.Tianjin Key Laboratory of Power Transmission and Safety Technology for New Energy Vehicles，Tianjin 300401，China;3.Hebei Huabei Diesel Engine Co.，Ltd.，Shijiazhuang 050081，China）

Abstract： A compound oil-gas separator was devised， which included the coarse filtration of labyrinthine structure and the fine filtration of filter mesh. An oil-gas separator component performance test bench was further developed， and multiple oil-gas separator schemes were designed by using the orthogonal test design method. Performance tests of multiple schemes were conducted based on the component test bench. Ultimately， a compound oil-gas separator meeting the requirements was designed and its performance was verified through engine test. The results indicate that the factors influencing the overall performance of oil-gas separator are the number of mesh layers， mesh count， filter hole diameter， number of holes， and hole plate spacing in order from strong to weak. Engine test revealed that the separation efficiency reached 92.6% and the pressure loss was less than 3 kPa at a blow-by rate of 300 L/min， which met the requirements of engine use.

Key words： oil-gas separator;structural design;orthogonal experiment;bench test;pressure loss;separation efficiency

［編輯：姜曉博］