发动机曲轴箱通风系统瞬态CFD 分析.PDF

发动机曲轴箱通风系统瞬态 CFD 分析 王翀、陈小东、徐之勤、朱肃敬、卿辉斌 （重庆长安汽车股份有限公司动力研究院，重庆，401120） (Tel, Email:zhengjj@) 摘要 ：运用 STAR-CCM+动网格功能，模拟了活塞、曲轴运动情况下某直列 4 缸汽油发动机曲轴箱通风系统内部瞬态 气体流动过程，并与稳态计算结果进行对比。计算结果表明，活塞、曲轴运动主导了曲轴箱内的气流运动，但影响 区域局限于活塞和曲轴运动区域；并且在 2000rpm 时，活塞和曲轴运动消耗的功率较小，为 0.1KW。另外，在工程 应用时，可先用稳态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，然后用瞬态分析方法详细研究。 关键词：曲轴箱通风系统、CFD、STAR-CCM+ 1 引言 面对日益激烈的市场竞争和越趋严格的政策法规，汽车生产厂商对发动机的设计开发更加精细 化、专业化、系统化。在这过程中，对发动机曲轴箱通风系统性能好坏的关注程度也在日益提升。 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，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。同时， 曲轴箱通风系统能防止发动机曲轴箱内压力过高，延长机油使用期限，减少零件磨损和腐蚀，防止 发动机漏油。 整个曲轴箱通风系统内有曲柄连杆机构等复杂运动部件；同时，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交互影响等复杂的物理现象。所以，曲轴箱通 风系统是一个复杂和完全瞬态的系统。目前对曲轴箱通风系统的研究结果较少，只有 ARaj P [1] 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[2] 应用三维模型对机油隔板的设 计进行了研究。 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的运行规律。因此，本文针对某 车用 4 缸汽油发动机的曲轴箱通风系统，在稳态分析的基础上进行瞬态运动计算，分析活塞、曲轴 运动情况下曲轴箱通风系统内的气体流动规律，并研究稳态和瞬态计算的区别及适用情况。 2 模型建立 2.1 几何模型 本文以某直列 4 缸汽油发动机曲轴箱通风系统为研究对象，研究了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、 回油道、凸轮轴室、缸盖罩、油气分离器、通风管等。 2.2 网格划分 本文采用 STAR-CCM+ 自带的体网格模型Trimmer 进行体网格划分。在保证计算精度的情况下， 整体网格尺寸为 4mm，边界层数为 2 层，对局部几何结构复杂区域进行网格加密，网格尺寸为 1mm。 网格模型如图2 所示。 重庆长安汽车股份有限公司动力研究院，联系方式： zhengjj@ 图 1 几何模型 图2 网格模型 2.3 计算假设和物理模型 在模拟计算中，对实际情况进行了如下假设：1、用空气来代替实际情况下的活塞漏气，2 、壁 面边界为绝热无滑移。 模拟计算过程采用瞬态计算，运用压力-速度分离求解器求解，湍流模型选用 k-ε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 k-ε湍流模型。 计算过程中的活塞运动和曲轴旋转分别通过使用 STACR CCM+网格运动变形功能Morphing 和 Rigid Body Motion 来实现。 2.4 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 2000rpm 、97.1N·m 时的实际试验数据，如表 1 所示。 表1 边界条件 边界 数值 活塞漏气量(总共) 12 L/min