1 引言
發動機曲軸箱通風系統的作用是防止發動機曲軸箱內壓力過高，延長機油使用期限，減少零件磨損和腐蝕，防止發動機漏油。曲軸箱通風系統是發動機的重要組成部分，它是一個極其復雜的流體系統。其復雜性不僅是流場形狀十分復雜，還在于整個系統包含了曲柄連桿機構等復雜運動部件，更有活塞漏氣、潤滑油的噴射、飛濺、霧化、凝結和水蒸氣的凝結以及上述物理過程之間的交互影響等物理現象。
曲軸箱通風系統是一個尚未模型化的系統。當前還沒有完善的模型和評價體系，只有ARaj P和Owais Iqbal等發表了較深入的研究成果，但僅限于氣動與泵氣損失和機油隔板的設計方面。因此，需要對曲軸箱通風系統進行CFD分析，達到了解曲軸箱通風系統內部氣體流動規律，合理設計曲軸箱通風系統目的。
本文針對某車用4缸汽油發動機的曲軸箱通風系統，運用STAR-CCM+進行穩態CFD分析，研究了穩態情況下曲軸箱通風系統內的氣體流動規律。
2 模型建立
2.1 幾何模型
本文以某直列4缸汽油發動機曲軸箱通風系統為研究對象，對比研究了具有通風功能的曲軸箱通風系統和無通風功能的曲軸箱通風系統內的氣體流動規律。圖1為具有通風功能的曲軸箱通風系統的幾何模型，主要包含活塞漏氣進口、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、通風管等，圖2為無通風功能的曲軸箱通風系統的幾何模型，二者的區別在于是否具有通風管。
圖1 具有通風功能的曲軸箱通風系統
圖2 無通風功能的曲軸箱通風系統
2.2 網格劃分
本文采用STAR-CCM+自帶的體網格模型進行體網格劃分，網格尺寸為2mm，邊界層數為2層，并對局部幾何結構復雜區域進行網格加密。網格模型如圖3具有通風功能的曲軸箱通風系統的網格模型和圖4無通風功能的曲軸箱通風系統的網格模型所示。
圖3 具有通風功能的曲軸箱通風系統的體網格
圖4 無通風功能的曲軸箱通風系統的體網格
2.3 計算假設和物理模型
在模擬計算中，對實際情況進行了如下假設：1、用空氣來代替實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態計算，運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
進口邊界為流量進口，出口邊界為壓力出口。具體邊界數值選取發動機在2000rpm、48N-m時的實際試驗數據，如表1所示。
表1 邊界條件
3 結果分析
3.1 速度場分析
圖5、6分別是具有通風功能的曲軸箱通風系統和無通風功能的曲軸箱通風系統的速度分布圖。從圖中可以看出，曲軸箱通風系統內曲軸箱、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構，造成其內部氣體流速較高。由于本文為穩態分析，沒有考慮曲軸、活塞、連桿、凸輪軸的運動，因此實際情況下曲軸箱內曲軸、活塞、連桿運動區域和凸輪軸室內凸輪軸運動區域速度會較高。
對比圖5、6可以發現，新鮮空氣進入曲軸箱通風系統后，造成具有通風功能的曲軸箱通風系統內的凸輪軸室、前罩蓋、回油道等處的氣體流速較無通風功能的曲軸箱通風系統高。
圖5 具有通風功能的曲軸箱通風系統的速度分布圖
圖6 無通風功能的曲軸箱通風系統的速度分布圖
3.2 流線分析
圖7、8分別是具有通風功能的曲軸箱通風系統和無通風功能的曲軸箱通風系統的流線圖。表2為兩種模型各通路活塞漏氣流量分配情況統計。綜合圖7、8和表2信息可以發現，活塞漏氣主要通過曲軸箱、前罩蓋進入凸輪軸室，然后流向油氣分離器；小部分氣體先通過回油道進入凸輪軸室，然后流向油氣分離器。產生這個現象的原因是，氣體通過前罩蓋進入油氣分離器的流動阻力小于氣體通過回油道進入油氣分離器的流動阻力。
圖7 具有通風功能的曲軸箱通風系統的流線圖
圖8 無通風功能的曲軸箱通風系統的流線圖
表2 各通路活塞漏氣流量分配情況
新鮮空氣進入凸輪軸室后，可以提高凸輪軸室內的氣體流動速度，同時新鮮空氣會通過回油道進入曲軸箱內。由于新鮮空氣通過回油道進入曲軸箱內，造成活塞漏氣通過回油道進入凸輪軸室的流動阻力增大，使具有通風功能的曲軸箱通風系統有更多的活塞漏氣通過曲軸箱、前罩蓋進入油氣分離器。
通過分析流場研究出，油氣分離器進口處于活塞漏氣的主要通道。活塞漏氣能以最短的距離從活塞環流入油氣分離器，減少活塞漏氣在發動機內停留時間，有效降低對機油的污染，延長機油使用期限。
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為具有通風功能的曲軸箱通風系統中各回油道中新鮮空氣流量分配情況統計。由圖9、10和表3可知，新鮮空氣從通風管進入凸輪軸室后，大部分氣體在凸輪軸室內流動，小部分氣體主要通過回油道1、2進入曲軸箱內，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、前罩蓋進入凸輪軸室和小部分新鮮空氣會進入曲軸箱，因此凸輪軸室內和回油道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 結論與展望
本文通過對某直列4缸汽油機曲軸箱通風系統進行穩態CFD分析，得到了具有通風功能和無通風功能的兩種曲軸箱通風系統內部的氣體運動規律，具體如下：
(1)穩態情況下，曲軸箱通風系統內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、前罩蓋進入凸輪軸室，只有小部分氣體通過回油道進入凸輪軸室。
(3)引入新鮮空氣進入曲軸箱通風系統后，提高了曲軸箱通風系統整體的氣體流動速度。
(4)對于具有通風功能的曲軸箱通風系統，新鮮空氣從通風管進入凸輪軸室后，大部分在凸輪軸室內流動；小部分通過回油道進入曲軸箱內，并與活塞漏氣一起流向油氣分離器。
本文只對發動機曲軸箱通風系統進行了初步研究，后續將利用STAR-CCM+的高級功能對曲軸箱通風系統進行進一步詳細研究，具體如下：
(1)運用STAR-CCM+的網格變形功能，模擬曲軸箱內活塞、曲軸的運動，研究動態情況下曲軸箱通風系統內部的氣體運動規律，為曲軸箱通風系統中各管路的設計與優化提供幫助。
(2)運用STAR-CCM+的流固耦合及蒸發/凝結功能，模擬曲軸箱通風系統內部的溫度變化與活塞漏氣的蒸發/凝結。
(3)運用STAR-CCM+的VOF兩相流功能，模擬潤滑油回流入油底殼過程，研究曲軸箱通風系統內部的氣液運動規律，為回油道的設計與優化提供幫助。
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