CN113356964A - 一种呼吸系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种呼吸系统，包括分离器壳体，在分离器壳体内依次设置粗分离模块、一级分离模块、二级分离模块及三级分离模块；在分离器壳体上设置有混合气进气口、粗滤回油口、一级回油口、二级回油口及曲轴箱通风管接口；粗滤回油口、一级回油口及二级回油口在凸轮轴室的高度依次降低。本技术方案经过CFD分析和试验验证，该呼吸系统效率高，分离效果好，满足发动机各工况下油气分离需求。并且该油气分离器可以安装在各种材质的缸盖护罩上，安装空间小，便于拆装，开发成本低。

Description

一种呼吸系统

技术领域

本发明属于发动机技术领域，具体是指一种呼吸系统。

背景技术

发动机在工作时，会有部分可燃混合气和燃烧产物经活塞环由气缸窜入曲轴箱内，这部分活塞窜气将携带部分机油通过曲轴箱通风系统进入气缸燃烧，如果不及时将机油从活塞窜气中分离出来，将导致发动机“烧机油”现象。

为实现将将活塞窜气中的油气分离，现发动机使用旋风式油气分离器进行油气分离。旋风式油气分离器的工作原理如图1所示，包括一级分离器02、二级分离器03。

当含油雾气体沿轴向进入旋风分离管后，气流受导向叶片的导流作用而产生强烈旋转，气流沿筒体呈螺旋形向下进入旋风筒体，密度大的油滴在离心力作用下被甩向分离器壁，并在重力作用下，沿分离器壁下落流出旋风管排油口04至油底壳中。旋转的气流在筒体内收缩向中心流动，向上形成二次涡流经导气管至顶部出口流出。

旋风式分离器的缺点是，发动机高速运转时，离心力大，油气分离效果好。发动机低速运转时，离心力小，油气分离效果差，而发动机的常用转速区间是低转速区间，故改油气分离器效果不好。

针对旋风式分离器的不足之处，现技术采用集成在塑料缸盖护罩上的迷宫式油气分离器进行油气分离，迷宫式油气分离器工作原理如图2所示：集成在塑料缸盖护罩上，里面布置各个挡板、孔板，流速较高的油雾进入迷宫式分离器会撞击在迷宫挡板上，渐渐汇集成比较重的机油油滴。在重力作用下油滴沉淀到管壁上并在机油回流管中聚集，流回曲轴箱。但是撞击式油气分离模块集成在缸盖护罩上，效果较好，但仅适用于塑料缸盖护罩，对空间要求高，不适合大部分发动机。

发明内容

本发明的目的是提供一种呼吸系统，实现安装在各种材质的缸盖护罩上，满足小空间的布置要求，以解决上述分离器的不足之处。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种呼吸系统，包括分离器壳体，在所述分离器壳体内依次设置粗分离模块、一级分离模块、二级分离模块及三级分离模块；

在所述分离器壳体上设置有混合气进气口、粗滤回油口、一级回油口、二级回油口及曲轴箱通风管接口；

所述混合气进气口与粗分离模块的进气侧相对应，所述粗滤回油口位于粗分离模块与一级分离模块之间，所述一级回油口设置于二级分离模块的出气侧，所述二级回油口设置于三级分离模块的出气侧，所述曲轴箱通风管接口位于三级分离模块的后端；

所述粗滤回油口、所述一级回油口及所述二级回油口在凸轮轴室的高度依次降低。

进一步的，所述粗分离模块为异形凸台结构。

进一步的，一级分离模块包括第一孔板和第一齿形板，所述第一孔板包括第一孔板本体及设置于第一孔板本体下方的多个小孔，设置小孔部分的第一孔板本体的厚度大于没有设置小孔部分的第一孔板本体厚度；

第一齿形板包括第一齿形板本体及设置于第一齿形板本体上的第一凸台，所述第一凸台由四棱柱体和四棱锥体组成。

进一步的，所述第一齿形板的底部及顶部均与分离器壳体有设定的间隙。

进一步的，二级分离模块包括第二孔板和第二齿形板，所述第二孔板包括第二孔板本体及设置于第二孔板本体下方的多个小孔，设置小孔部分的第二孔板本体的厚度大于没有设置小孔部分的第二孔板本体厚度；

第二齿形板包括第二齿形板本体及设置于第二齿形板本体上的第二凸台，所述第二凸台由四棱柱体和四棱锥体组成。

进一步的，所述第二齿形板的底部及顶部均与分离器壳体有设定的间隙。

进一步的，所述一级回油口设置于第二齿形板的下方。

进一步的，所述三级分离模块包括第三孔板和第三齿形板，所述第三孔板包括第三孔板本体及设置于第三孔板本体上部的多个小孔；

所述第三齿形板包括第三齿形板本体及由多个平行的长方体组成的齿形部，所述第三齿形板本体的下方与分离器壳体之间设置有间隙。

进一步的，所述二级回油口设置于第三齿形板的下方。

本发明的有益效果是：

本技术方案描述了一种呼吸系统设计，经过CFD分析和试验验证，该呼吸系统效率高，分离效果好，满足发动机各工况下油气分离需求。并且该油气分离器可以安装在各种材质的缸盖护罩上，安装空间小，便于拆装，开发成本低。

附图说明

图1为现技术旋风式油气分离器结构示意图；

图2为现技术迷宫式油气分离器结构示意图；

图3为本发明呼吸系统结构示意图；

图4为图3的A-A剖视图；

图5为粗分离模块示意图；

图6为一级分离模块和二级分离模块结构示意图；

图7为第一齿形板或第二齿形板结构示意图；

图8为三级分离模块结构示意图；

图9为补气结构示意图；

图10为本发明呼吸系统安装图。

附图标记说明

01、其他气体排出，02、一级分离器，03、二级分离器，04、旋风管排油口，1、粗分离模块，101、异形凸台结构，2、第一孔板，3、第一齿形板，31、第一齿形板本体，32、第一凸台，4、第二孔板，5、第二齿形板，6、第三孔板，7、第三齿形板，8、PCV阀接口，9、曲轴箱通风管接口，10、补气结构，11、粗滤回油口，12、一级回油口，13、二级回油口，20、分离器壳体。

具体实施方式

以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为是对本发明技术方案的限制。

如图3和图4所示，本申请提供一种呼吸系统，包括分离器壳体20，所述分离器壳体内依次设置粗分离模块1、一级分离模块、二级分离模块及三级分离模块。

在所述分离器壳体上设置有混合气进气口、粗滤回油口11、一级回油口12、二级回油口13及曲轴箱通风管接口9。

所述混合气进气口与粗分离模块的进气侧相对应，所述粗滤回油口位于粗分离模块与一级分离模块之间，所述一级回油口设置于二级分离模块的出气侧，所述二级回油口设置于三级分离模块的出气侧，所述曲轴箱通风管接口位于三级分离模块的后端。

本技术方案根据缸盖护罩以及缸盖的凸轮轴室的空间布置情况来布置上述各回油口，并确定各回油口的高度。一般为提升油气分离效率，设计粗分离结构+三级精分离结构，则回油口分为粗滤回油口11，一级回油口12和二级回油口13，其高度分别为H1、H2和H3。

根据回油口的高度可以计算出这三级油气分离结构的压力降的大小。设曲轴箱压力为P0(可以通过试验测得)，粗分离结构后的压力为P1，一级油气分离结构后的压力为P2，二级油气分离结构的压力为P3，根据公式可以算出P1、P2和P3的值。

P1+ρ×g×(H1-10)＝P0

P2+ρ×g×(H2-10)＝P0

P3+ρ×g×(H2-10)＝P0

这里ρ为机油密度，式中10为回油口高度的余量。

油气分离模块结构如图3所示。油气混合气体进入腔体，先经过粗滤、回油，然后经过第一孔板2，混合气体经过小孔时，通过撞击形成油滴，流进回油槽，通过回油孔排出。混合气体再经过第一齿形板3、第二孔板4、第二齿形板5，第三孔板6、第三齿形板7，最大程度分离出机油。

如图5所示，粗分离模块采用异形凸台结构101，增加凸台与混合气体的接触面积，并且增加混合气进入腔体的路径，混合气体通过与异形凸台结构的撞击，部分冷却为液体，经粗滤回油口回到油底壳。

如图6和图7所示，本申请的一级分离模块和二级分离模块的结构相同。

本申请的一级分离模块包括第一孔板2和第一齿形板3，所述第一孔板包括第一孔板本体及设置于第一孔板本体下方的多个小孔，设置小孔部分的第一孔板本体的厚度大于没有设置小孔部分的第一孔板本体厚度；具体的，在进气侧油气分离的第一孔板中，设置有小孔部分的第一孔板本体的厚度为5mm，上方没有设置小孔部分的第一孔板本体的厚度为3mm，这样能够节省材料。因为刚进入腔体的混合气体密度较大，在下方分布较多，窜气仅能从小孔通道中通过。第一孔板设置的目的是让窜气在小孔通道中进行凝聚，由小油滴变成大油滴。

第一齿形板3包括第一齿形板本体31及设置于第一齿形板本体上的第一凸台32，所述第一凸台由四棱柱体和四棱锥体组成。在本实施例中，第一齿形板的厚度为3mm，第一凸台的高度为3mm，此外，第一齿形板流出下部与空腔之间设置有间隙，使得较重窜气从第一齿形板的下部通过，较轻窜气从上部通过。第一齿形板底部与分离器下部壳体之间的距离为5mm，第一齿形板上部与分离器上部壳体的距离为12mm。第一齿形板的目的是增大吸附面积，使得油滴更容易被吸附出来，从而使得油气分离。

本申请的二级分离模块包括第二孔板4和第二齿形板5，所述第二孔板包括第二孔板本体及设置于第二孔板本体下方的多个小孔，设置小孔部分的第二孔板本体的厚度大于没有设置小孔部分的第二孔板本体厚度；具体的，在进气侧油气分离的第二孔板中，设置有小孔部分的第二孔板本体的厚度为5mm，上方没有设置小孔部分的第二孔板本体的厚度为3mm，这样能够节省材料。因为刚进入腔体的混合气体密度较大，在下方分布较多，窜气仅能从小孔通道中通过。第二孔板设置的目的是让窜气在小孔通道中进行凝聚，由小油滴变成大油滴。

第二齿形板包括第二齿形板本体及设置于第二齿形板本体上的第二凸台，所述第二凸台由四棱柱体和四棱锥体组成。在本实施例中，第二齿形板的厚度为3mm，第二凸台的高度为3mm，此外，第二齿形板流出下部与空腔之间设置有间隙，使得较重窜气从第二齿形板的下部通过，较轻窜气从上部通过。第二齿形板底部与分离器下部壳体之间的距离为5mm，第二齿形板上部与分离器上部壳体的距离为12mm。第二齿形板的目的是增大吸附面积，使得油滴更容易被吸附出来，从而使得油气分离。

在二级分离模块后布置有第一回油口，第一回油口的位置和高度见上述的说明进行确定，第一回油口位于第二齿形板的下方，第一回油口位于第二齿形板的下方，第一回油口主要用于将分离出来的油排回油底壳。在本实施例中，第一孔板与第一齿形板的距离及第二孔板与第二齿形板的距离均为3mm。

如图8所示，所述三级分离模块包括第三孔板6和第三齿形板7，所述第三孔板包括第三孔板本体及设置于第三孔板本体上部的多个小孔；混合气体到达三级分离模块处的密度较小，故小孔设置于第三孔板本体的上部，并且孔径小于第一孔板本体及第二孔板本体上的小孔的孔径。

所述第三齿形板包括第三齿形板本体及由多个平行的长方体组成的齿形部，有利于油滴顺流下来，所述第三齿形板本体的下方与分离器壳体之间设置有间隙，使得窜气从间隙通过，在本实施例中，第三齿形板本体底部与分离器下部壳体之间的距离为2.5mm，第三孔板与第三齿形板之间的距离为5mm。

本技术方案中的第一孔板、第二孔板及第三孔板上的小孔的数量和直径需通过CFD计算获得，其边界条件为进口压力P0(通过试验测得)和出口流量，即活塞窜气量(通过试验测得)。另外，确定了小孔数量和直径后，务必使得粗分离结构后的压力小于前面计算所得的P1，一级二级油气分离结构后的压力小于前面计算所得的P2，三级油气分离结构后的压力小于前面计算所得的P2。

如图9所示为油气分离器出气口前方的补气结构，主要作用为：1)调节曲轴箱压力；2)稀释部分负荷中曲轴箱窜气中燃油的浓度。

如图10所示，为油气分离装置安装图，本申请的油气分离器出气分为两路，一路经过PCV阀、尼龙管接连到进气歧管总管处，另一路经过单向阀、尼龙管连接到空气滤清器后端。

油气分离器为一个总成模块，安装在缸盖护罩上，布置灵活，便于拆装。

本技术方案中，油气分离器CFD分析计算中采用了以下假设：

①分离效率＝油滴撞击质量/油滴总质量。软件模型中假设油滴粒子碰到油气分离器的壁面即被捕捉。

②由于不知道油滴粒子在入口面的分布概率，假设在入口面上油滴粒子是平均分布的。

③由于不知道油滴粒子的直径分布规律，按照AVL推荐的五种油滴粒子直径，分别是1μm、2μm、5μm、10μm、20μm。

④每一种油滴粒子所占的权重比例不知道，所以只能评价各个油滴粒子的分离效率，无法得到总的分离效率。

油气分离器采用两相流模型计算，CFD分析流程如下：

①首先对油气分离器的流场进行稳态计算，可以得到油气分离器进出口的压力差、流速等信息。

②计算收敛后，利用SPRAY模块将一定直径的油滴喷入油气分离器内部进行瞬态计算，通过计算油滴的碰撞质量和总质量，得到油气分离器在该直径油滴下的分离效率。

③依次计算出不同尺寸油滴的分离效率。

经分析，该油气分离器分析效率在99％以上。

经试验验证，该油气分离器最大窜油量为0.3g/h，小于指标1g/h，且涉及裕度较大。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种呼吸系统，其特征在于，包括分离器壳体，在所述分离器壳体内依次设置粗分离模块、一级分离模块、二级分离模块及三级分离模块；

在所述分离器壳体上设置有混合气进气口、粗滤回油口、一级回油口、二级回油口及曲轴箱通风管接口；

所述混合气进气口与粗分离模块的进气侧相对应，所述粗滤回油口位于粗分离模块与一级分离模块之间，所述一级回油口设置于二级分离模块的出气侧，所述二级回油口设置于三级分离模块的出气侧，所述曲轴箱通风管接口位于三级分离模块的后端；

所述粗滤回油口、所述一级回油口及所述二级回油口在凸轮轴室的高度依次降低。

2.根据权利要求1所述的呼吸系统，其特征在于，所述粗分离模块为异形凸台结构。

3.根据权利要求1所述的呼吸系统，其特征在于，一级分离模块包括第一孔板和第一齿形板，所述第一孔板包括第一孔板本体及设置于第一孔板本体下方的多个小孔，设置小孔部分的第一孔板本体的厚度大于没有设置小孔部分的第一孔板本体厚度；

第一齿形板包括第一齿形板本体及设置于第一齿形板本体上的第一凸台，所述第一凸台由四棱柱体和四棱锥体组成。

4.根据权利要求3所述的呼吸系统，其特征在于，所述第一齿形板的底部及顶部均与分离器壳体有设定的间隙。

5.根据权利要求1所述的呼吸系统，其特征在于，二级分离模块包括第二孔板和第二齿形板，所述第二孔板包括第二孔板本体及设置于第二孔板本体下方的多个小孔，设置小孔部分的第二孔板本体的厚度大于没有设置小孔部分的第二孔板本体厚度；

第二齿形板包括第二齿形板本体及设置于第二齿形板本体上的第二凸台，所述第二凸台由四棱柱体和四棱锥体组成。

6.根据权利要求5所述的呼吸系统，其特征在于，所述第二齿形板的底部及顶部均与分离器壳体有设定的间隙。

7.根据权利要求5所述的呼吸系统，其特征在于，所述一级回油口设置于第二齿形板的下方。

8.根据权利要求1所述的呼吸系统，其特征在于，所述三级分离模块包括第三孔板和第三齿形板，所述第三孔板包括第三孔板本体及设置于第三孔板本体上部的多个小孔；

所述第三齿形板包括第三齿形板本体及由多个平行的长方体组成的齿形部，所述第三齿形板本体的下方与分离器壳体之间设置有间隙。

9.根据权利要求8所述的呼吸系统，其特征在于，所述二级回油口设置于第三齿形板的下方。

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