1 引言
發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的作用是防止發(fā)動機(jī)曲軸箱內(nèi)壓力過高，延長機(jī)油使用期限，減少零件磨損和腐蝕，防止發(fā)動機(jī)漏油。曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，它是一個極其復(fù)雜的流體系統(tǒng)。其復(fù)雜性不僅是流場形狀十分復(fù)雜，還在于整個系統(tǒng)包含了曲柄連桿機(jī)構(gòu)等復(fù)雜運(yùn)動部件，更有活塞漏氣、潤滑油的噴射、飛濺、霧化、凝結(jié)和水蒸氣的凝結(jié)以及上述物理過程之間的交互影響等物理現(xiàn)象。
曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)是一個尚未模型化的系統(tǒng)。當(dāng)前還沒有完善的模型和評價體系，只有ARaj P和Owais Iqbal等發(fā)表了較深入的研究成果，但僅限于氣動與泵氣損失和機(jī)油隔板的設(shè)計方面。因此，需要對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行CFD分析，達(dá)到了解曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部氣體流動規(guī)律，合理設(shè)計曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)目的。
本文針對某車用4缸汽油發(fā)動機(jī)的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，運(yùn)用STAR-CCM+進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD分析，研究了穩(wěn)態(tài)情況下曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動規(guī)律。
2 模型建立
2.1 幾何模型
本文以某直列4缸汽油發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象，對比研究了具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和無通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的氣體流動規(guī)律。圖1為具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的幾何模型，主要包含活塞漏氣進(jìn)口、曲軸箱、曲軸、油底殼、回油道、前罩蓋、凸輪軸室、缸蓋罩、油氣分離器、通風(fēng)管等，圖2為無通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的幾何模型，二者的區(qū)別在于是否具有通風(fēng)管。
圖1 具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)
圖2 無通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)
2.2 網(wǎng)格劃分
本文采用STAR-CCM+自帶的體網(wǎng)格模型進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為2mm，邊界層數(shù)為2層，并對局部幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格模型如圖3具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)格模型和圖4無通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的網(wǎng)格模型所示。
圖3 具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的體網(wǎng)格
圖4 無通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的體網(wǎng)格
2.3 計算假設(shè)和物理模型
在模擬計算中，對實(shí)際情況進(jìn)行了如下假設(shè)：1、用空氣來代替實(shí)際情況下的活塞漏氣，2、壁面邊界為絕熱無滑移。
模擬計算過程采用穩(wěn)態(tài)計算，運(yùn)用壓力一速度分離求解器求解，湍流模型選用k-ε湍流模型。在計算過程中，求解連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和k-ε湍流模型。
2.4 邊界條件
進(jìn)口邊界為流量進(jìn)口，出口邊界為壓力出口。具體邊界數(shù)值選取發(fā)動機(jī)在2000rpm、48N-m時的實(shí)際試驗數(shù)據(jù)，如表1所示。
表1 邊界條件
3 結(jié)果分析
3.1 速度場分析
圖5、6分別是具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和無通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的速度分布圖。從圖中可以看出，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)曲軸箱、凸輪軸室、前罩蓋處的氣體流速較低。油氣分離器處的孔板和迷宮結(jié)構(gòu)，造成其內(nèi)部氣體流速較高。由于本文為穩(wěn)態(tài)分析，沒有考慮曲軸、活塞、連桿、凸輪軸的運(yùn)動，因此實(shí)際情況下曲軸箱內(nèi)曲軸、活塞、連桿運(yùn)動區(qū)域和凸輪軸室內(nèi)凸輪軸運(yùn)動區(qū)域速度會較高。
對比圖5、6可以發(fā)現(xiàn)，新鮮空氣進(jìn)入曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)后，造成具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的凸輪軸室、前罩蓋、回油道等處的氣體流速較無通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)高。
圖5 具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的速度分布圖
圖6 無通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的速度分布圖
3.2 流線分析
圖7、8分別是具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和無通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的流線圖。表2為兩種模型各通路活塞漏氣流量分配情況統(tǒng)計。綜合圖7、8和表2信息可以發(fā)現(xiàn)，活塞漏氣主要通過曲軸箱、前罩蓋進(jìn)入凸輪軸室，然后流向油氣分離器；小部分氣體先通過回油道進(jìn)入凸輪軸室，然后流向油氣分離器。產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因是，氣體通過前罩蓋進(jìn)入油氣分離器的流動阻力小于氣體通過回油道進(jìn)入油氣分離器的流動阻力。
圖7 具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的流線圖
圖8 無通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的流線圖
表2 各通路活塞漏氣流量分配情況
新鮮空氣進(jìn)入凸輪軸室后，可以提高凸輪軸室內(nèi)的氣體流動速度，同時新鮮空氣會通過回油道進(jìn)入曲軸箱內(nèi)。由于新鮮空氣通過回油道進(jìn)入曲軸箱內(nèi)，造成活塞漏氣通過回油道進(jìn)入凸輪軸室的流動阻力增大，使具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)有更多的活塞漏氣通過曲軸箱、前罩蓋進(jìn)入油氣分離器。
通過分析流場研究出，油氣分離器進(jìn)口處于活塞漏氣的主要通道�；钊饽芤宰疃痰木嚯x從活塞環(huán)流入油氣分離器，減少活塞漏氣在發(fā)動機(jī)內(nèi)停留時間，有效降低對機(jī)油的污染，延長機(jī)油使用期限。
3.3 新鮮空氣分布
圖9、10分別是新鮮空氣分布圖和新鮮空氣流線圖。表3為具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中各回油道中新鮮空氣流量分配情況統(tǒng)計。由圖9、10和表3可知，新鮮空氣從通風(fēng)管進(jìn)入凸輪軸室后，大部分氣體在凸輪軸室內(nèi)流動，小部分氣體主要通過回油道1、2進(jìn)入曲軸箱內(nèi)，最后與活塞漏氣一起流向油氣分離器。
圖9 新鮮空氣分布圖
圖10 新鮮空氣流線圖
表3 各回油道新鮮空氣流量分配情況
由于活塞漏氣主要通過曲軸箱、前罩蓋進(jìn)入凸輪軸室和小部分新鮮空氣會進(jìn)入曲軸箱，因此凸輪軸室內(nèi)和回油道1、2處的新鮮空氣含量較高，前罩蓋處的新鮮空氣含量為50%左右。
4 結(jié)論與展望
本文通過對某直列4缸汽油機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)CFD分析，得到了具有通風(fēng)功能和無通風(fēng)功能的兩種曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部的氣體運(yùn)動規(guī)律，具體如下：
(1)穩(wěn)態(tài)情況下，曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部除油氣分離器外其它部分氣體流速均較低。
(2)活塞漏氣主要通過曲軸箱、前罩蓋進(jìn)入凸輪軸室，只有小部分氣體通過回油道進(jìn)入凸輪軸室。
(3)引入新鮮空氣進(jìn)入曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)后，提高了曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)整體的氣體流動速度。
(4)對于具有通風(fēng)功能的曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮空氣從通風(fēng)管進(jìn)入凸輪軸室后，大部分在凸輪軸室內(nèi)流動；小部分通過回油道進(jìn)入曲軸箱內(nèi)，并與活塞漏氣一起流向油氣分離器。
本文只對發(fā)動機(jī)曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究，后續(xù)將利用STAR-CCM+的高級功能對曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)研究，具體如下：
(1)運(yùn)用STAR-CCM+的網(wǎng)格變形功能，模擬曲軸箱內(nèi)活塞、曲軸的運(yùn)動，研究動態(tài)情況下曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部的氣體運(yùn)動規(guī)律，為曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)中各管路的設(shè)計與優(yōu)化提供幫助。
(2)運(yùn)用STAR-CCM+的流固耦合及蒸發(fā)/凝結(jié)功能，模擬曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部的溫度變化與活塞漏氣的蒸發(fā)/凝結(jié)。
(3)運(yùn)用STAR-CCM+的VOF兩相流功能，模擬潤滑油回流入油底殼過程，研究曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)部的氣液運(yùn)動規(guī)律，為回油道的設(shè)計與優(yōu)化提供幫助。
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