1 引言
发动机曲轴箱通风系统的作用是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。曲轴箱通风系统是发动机的重要组成部分，它是一个极其复杂的流体系统。其复杂性不仅是流场形状十分复杂，还在于整个系统包含了曲柄连杆机构等复杂运动部件，更有活塞漏气、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物理现象。
曲轴箱通风系统是一个尚未模型化的系统。当前还没有完善的模型和评价体系，只有ARaj P和Owais Iqbal等发表了较深入的研究成果，但仅限于气动与泵气损失和机油隔板的设计方面。因此，需要对曲轴箱通风系统进行CFD分析，达到了解曲轴箱通风系统内部气体流动规律，合理设计曲轴箱通风系统目的。
本文针对某车用4缸汽油发动机的曲轴箱通风系统，运用STAR-CCM+进行稳态CFD分析，研究了稳态情况下曲轴箱通风系统内的气体流动规律。
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，对比研究了具有通风功能的曲轴箱通风系统和无通风功能的曲轴箱通风系统内的气体流动规律。图1为具有通风功能的曲轴箱通风系统的几何模型，主要包含活塞漏气进口、曲轴箱、曲轴、油底壳、回油道、前罩盖、凸轮轴室、缸盖罩、油气分离器、通风管等，图2为无通风功能的曲轴箱通风系统的几何模型，二者的区别在于是否具有通风管。
图1 具有通风功能的曲轴箱通风系统
图2 无通风功能的曲轴箱通风系统
2.2 网格划分
本文采用STAR-CCM+自带的体网格模型进行体网格划分，网格尺寸为2mm，边界层数为2层，并对局部几何结构复杂区域进行网格加密。网格模型如图3具有通风功能的曲轴箱通风系统的网格模型和图4无通风功能的曲轴箱通风系统的网格模型所示。
图3 具有通风功能的曲轴箱通风系统的体网格
图4 无通风功能的曲轴箱通风系统的体网格
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。
模拟计算过程采用稳态计算，运用压力一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。
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、48N-m时的实际试验数据，如表1所示。
表1 边界条件
3 结果分析
3.1 速度场分析
图5、6分别是具有通风功能的曲轴箱通风系统和无通风功能的曲轴箱通风系统的速度分布图。从图中可以看出，曲轴箱通风系统内曲轴箱、凸轮轴室、前罩盖处的气体流速较低。油气分离器处的孔板和迷宫结构，造成其内部气体流速较高。由于本文为稳态分析，没有考虑曲轴、活塞、连杆、凸轮轴的运动，因此实际情况下曲轴箱内曲轴、活塞、连杆运动区域和凸轮轴室内凸轮轴运动区域速度会较高。
对比图5、6可以发现，新鲜空气进入曲轴箱通风系统后，造成具有通风功能的曲轴箱通风系统内的凸轮轴室、前罩盖、回油道等处的气体流速较无通风功能的曲轴箱通风系统高。
图5 具有通风功能的曲轴箱通风系统的速度分布图
图6 无通风功能的曲轴箱通风系统的速度分布图
3.2 流线分析
图7、8分别是具有通风功能的曲轴箱通风系统和无通风功能的曲轴箱通风系统的流线图。表2为两种模型各通路活塞漏气流量分配情况统计。综合图7、8和表2信息可以发现，活塞漏气主要通过曲轴箱、前罩盖进入凸轮轴室，然后流向油气分离器；小部分气体先通过回油道进入凸轮轴室，然后流向油气分离器。产生这个现象的原因是，气体通过前罩盖进入油气分离器的流动阻力小于气体通过回油道进入油气分离器的流动阻力。
图7 具有通风功能的曲轴箱通风系统的流线图
图8 无通风功能的曲轴箱通风系统的流线图
表2 各通路活塞漏气流量分配情况
新鲜空气进入凸轮轴室后，可以提高凸轮轴室内的气体流动速度，同时新鲜空气会通过回油道进入曲轴箱内。由于新鲜空气通过回油道进入曲轴箱内，造成活塞漏气通过回油道进入凸轮轴室的流动阻力增大，使具有通风功能的曲轴箱通风系统有更多的活塞漏气通过曲轴箱、前罩盖进入油气分离器。
通过分析流场研究出，油气分离器进口处于活塞漏气的主要通道。活塞漏气能以最短的距离从活塞环流入油气分离器，减少活塞漏气在发动机内停留时间，有效降低对机油的污染，延长机油使用期限。
3.3 新鲜空气分布
图9、10分别是新鲜空气分布图和新鲜空气流线图。表3为具有通风功能的曲轴箱通风系统中各回油道中新鲜空气流量分配情况统计。由图9、10和表3可知，新鲜空气从通风管进入凸轮轴室后，大部分气体在凸轮轴室内流动，小部分气体主要通过回油道1、2进入曲轴箱内，最后与活塞漏气一起流向油气分离器。
图9 新鲜空气分布图
图10 新鲜空气流线图
表3 各回油道新鲜空气流量分配情况
由于活塞漏气主要通过曲轴箱、前罩盖进入凸轮轴室和小部分新鲜空气会进入曲轴箱，因此凸轮轴室内和回油道1、2处的新鲜空气含量较高，前罩盖处的新鲜空气含量为50%左右。
4 结论与展望
本文通过对某直列4缸汽油机曲轴箱通风系统进行稳态CFD分析，得到了具有通风功能和无通风功能的两种曲轴箱通风系统内部的气体运动规律，具体如下：
(1)稳态情况下，曲轴箱通风系统内部除油气分离器外其它部分气体流速均较低。
(2)活塞漏气主要通过曲轴箱、前罩盖进入凸轮轴室，只有小部分气体通过回油道进入凸轮轴室。
(3)引入新鲜空气进入曲轴箱通风系统后，提高了曲轴箱通风系统整体的气体流动速度。
(4)对于具有通风功能的曲轴箱通风系统，新鲜空气从通风管进入凸轮轴室后，大部分在凸轮轴室内流动；小部分通过回油道进入曲轴箱内，并与活塞漏气一起流向油气分离器。
本文只对发动机曲轴箱通风系统进行了初步研究，后续将利用STAR-CCM+的高级功能对曲轴箱通风系统进行进一步详细研究，具体如下：
(1)运用STAR-CCM+的网格变形功能，模拟曲轴箱内活塞、曲轴的运动，研究动态情况下曲轴箱通风系统内部的气体运动规律，为曲轴箱通风系统中各管路的设计与优化提供帮助。
(2)运用STAR-CCM+的流固耦合及蒸发/凝结功能，模拟曲轴箱通风系统内部的温度变化与活塞漏气的蒸发/凝结。
(3)运用STAR-CCM+的VOF两相流功能，模拟润滑油回流入油底壳过程，研究曲轴箱通风系统内部的气液运动规律，为回油道的设计与优化提供帮助。
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