發(fā)動(dòng)機(jī)水流分布試驗(yàn)研究

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海00438；.華中科技大學(xué)，武漢430074）

發(fā)動(dòng)機(jī)水流分布試驗(yàn)研究

黎程1，杜志良1，陳文杰1，黃榮華2，王兆文2
（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438；2.華中科技大學(xué)，武漢430074）

氣缸蓋內(nèi)冷卻水的合理分布，有利于降低氣缸蓋內(nèi)熱負(fù)荷，改善各缸工作均勻性以及缸蓋可靠性，提升冷卻系統(tǒng)效率。進(jìn)行氣缸蓋上水孔水流分布的試驗(yàn)研究，也可為氣缸蓋內(nèi)冷卻水流動(dòng)數(shù)值模擬提供邊界條件或者流場的試驗(yàn)驗(yàn)證。本文通過壓差法，基于皮托管原理，實(shí)現(xiàn)了對某柴油機(jī)氣缸蓋每缸各上水孔冷卻水流量的測量，分析了發(fā)動(dòng)機(jī)各缸冷卻水流量分布均勻性，及每缸內(nèi)各上水孔水流分布情況。

發(fā)動(dòng)機(jī) 氣缸蓋 冷卻系統(tǒng) 流量 分布

1 前言

高強(qiáng)化柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻水量的控制及其分布直接影響到柴油機(jī)的冷卻效果、高溫零件的熱負(fù)荷、熱量分配和能量利用[1]。如冷卻水量過多,可使高溫零部件得到足夠的冷卻，但會(huì)帶走額外的可利用熱能，并增加水泵的功率損耗，影響柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性；如冷卻水量過少或水流分布不當(dāng)，使高溫零部件得不到足夠的冷卻而局部熱負(fù)荷升高、強(qiáng)度下降，影響使用壽命，并使柴油機(jī)因過熱而停車[2]。尋求適當(dāng)?shù)睦鋮s水流量和壓力以及合理的流場分布成為高強(qiáng)化柴油機(jī)研究開發(fā)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)[3]。

發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，而且主要部分都封閉在缸蓋內(nèi)部，不易觀察和測量。因此對它們的研究多數(shù)是運(yùn)用簡化的數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。但由于計(jì)算機(jī)軟硬件及技術(shù)水平的限制，加之無試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，目前還不可能對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際精確的計(jì)算，而常規(guī)的整機(jī)試驗(yàn)對于系統(tǒng)內(nèi)部工作特征則根本無法獲得。因此研制試驗(yàn)裝置為設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的冷卻系統(tǒng)、為建立設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，以及為確定評價(jià)設(shè)計(jì)系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)和提供試驗(yàn)研究的手段，我們研究設(shè)計(jì)了一套缸蓋上水孔流量測量系統(tǒng)，為缸蓋內(nèi)流場分布的數(shù)值模擬提供更準(zhǔn)確的邊界條件并可對各缸流量分布的合理性進(jìn)行評價(jià)。

2 技術(shù)方案

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水路分布試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)主要由柴油機(jī)倒拖試驗(yàn)臺(tái)、上水孔流量測量單元、皮托管流速測量單元、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與上位機(jī)軟件控制系統(tǒng)組成。其總體布置如圖1所示。

本試驗(yàn)臺(tái)可進(jìn)行水泵性能試驗(yàn)、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能試驗(yàn)、各缸水流分布試驗(yàn)及流場可視化試驗(yàn)在缸蓋與機(jī)體之間安裝中間接板，中間接板上鉆有跟相應(yīng)上水孔相同尺寸的通水孔，并在這些通水孔內(nèi)安裝用于測量冷卻水流動(dòng)時(shí)總壓和靜壓的導(dǎo)水管和壓差傳感器，根據(jù)缸蓋上水孔數(shù)目安裝，分別測量各個(gè)上水孔的靜壓和總壓壓差，從而依此計(jì)算出各個(gè)上水孔的流量，各上水孔流量總和應(yīng)等于各缸出水孔流量，依據(jù)此數(shù)據(jù)可以分析缸蓋內(nèi)各個(gè)區(qū)域的冷卻狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)精確冷卻確定進(jìn)一步改進(jìn)的方向。

圖1 水路分布試驗(yàn)臺(tái)原理圖

2.2 測量原理

2.2.1 伯努力方程與流速計(jì)算公式推導(dǎo)

由于v1=0；v2=V；p1-p2=ΔP，z1-z2=ΔZ

所以代入公式得：

其中ΔP-ρgΔZ的數(shù)值等于用壓差傳感器測出的壓差值，用ΔP*表示，上面的公式可寫為

通過測量孔的初始計(jì)算流量由下式得出：

Q=S×V

S——水流過的截面積

V——計(jì)算流速

由于皮托管的加工工藝與尺寸規(guī)格對其測量誤差產(chǎn)生很大影響，所以采用皮托管測流量的方式需要使用修正系數(shù)加以修正，于是得到下式：

2.2.2 修正系數(shù)μ的選取

通過對總流量的測量和對各分支流量的計(jì)算，可以確定一個(gè)合理的修正系數(shù)μ，使總流量的計(jì)算誤差降到最低。

在額定轉(zhuǎn)速2 200 r/min下，測量流入柴油機(jī)總水流量Q總，并通過對各個(gè)上水孔采用皮托管測量各分支流量Qi，總計(jì)算流量

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 各單缸流量分布

柴油機(jī)每個(gè)氣缸蓋上有5個(gè)上水孔，也就是5個(gè)水道，其分布如圖2所示。在柴油機(jī)的外特性工況下，從800 r/min至2 200 r/min分別測量每一缸的冷卻水流量，結(jié)果如圖3、圖4和表1所示。

圖2 水道編號(hào)圖

從圖3和圖4可以看出，流過發(fā)動(dòng)機(jī)各缸的水量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而逐漸增加。在同一個(gè)轉(zhuǎn)速工況下，1至5缸水流量逐缸遞減而第6缸則與第5缸水流量基本相同。在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定轉(zhuǎn)速工況下，第1缸水流量為44.94 L/min，第5缸水流量為28.72 L/min，第5缸流量比第1缸降低了36.1%；在800 r/min轉(zhuǎn)速工況下，第1缸水流量為16.75 L/min，第5缸水流量為10.48 L/min，第5缸流量比第1缸降低了37.3%，說明發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋水流量分布與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速并無太大關(guān)系。

圖3 各工況下各缸水流量分布圖

圖4 典型工況下各缸水流量分布圖

表1 典型轉(zhuǎn)速下各缸水流量分布表

根據(jù)各缸之間流量不均勻度指標(biāo)計(jì)算[4]：

額定工況下的各缸流量不均勻度為44%。

3.2 各缸上水孔流量分布

圖5～圖10給出了不同轉(zhuǎn)速下，第1缸至第6缸各水道的流量分布?？梢钥闯?，流過發(fā)動(dòng)機(jī)各水道的水量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而逐漸增加，靠近排氣側(cè)水孔水流總量大于進(jìn)氣側(cè)水孔水流總量。

圖5 第1缸各水道流量分布圖

圖6 第2缸各水道流量分布圖

圖7 第3缸各水道流量分布圖

圖8 第4缸各水道流量分布圖

圖9 第5缸各水道流量分布圖

圖10 第6缸各水道流量分布圖

由于第1水道孔徑較其他水道小，從圖11～圖15可以看出，各缸第1水道流量隨轉(zhuǎn)速的變化率較其他水道小，各缸第2到第5水道流量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而逐漸升高。在同一個(gè)轉(zhuǎn)速工況下，第2、3、5水道水流量1至5缸逐缸遞減而第6缸與第5缸基本相同，第4水道水流量1至4缸逐缸遞減而第6缸則與第5缸不相同，說明第5缸第4水道存在鑄造差異性。

圖11 各缸第1水道流量分布圖

圖12 各缸第2水道流量分布圖

圖13 各缸第3水道流量分布圖

4 結(jié)論

本文簡要介紹了某型柴油機(jī)缸蓋水路分布情況，用測試手段對缸蓋的水流量分布進(jìn)行了精確測量，做到了總流量誤差在±5%的預(yù)定目標(biāo)，為缸蓋水道的改型設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)依據(jù)。

圖14 各缸第4水道流量分布圖

1王書義，王憲成，段初華.柴油機(jī)冷卻水流動(dòng)的試驗(yàn)研究[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，1994（3）：34-36.

2屈盛官，黃榮華，孫自樹.高強(qiáng)化大功率柴油機(jī)冷卻系水流分布研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29（8）：77-80.

3 Hudgens R D,Hercamp R D.A Perspective on Extended Service Intervals and Long Life Coolants for Heavy Duty Engines[C].SAE 961818.

4陶建忠，李國祥，佟德輝.基于CFD的柴油機(jī)氣缸體冷卻水腔改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（2）：188-191.

Experimental Study on Distributing of Water Flow in Diesel Engine

Li Cheng1,Du Zhiliang1,Cheng Wenjie1,Huang Ronghua2,Wang Zhao-wen2
（1.Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,Chian; 2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

Proper coolant flow distribution is beneficial to reduction of cylinder head thermal load, thereby improving head reliability,to minimum operation variation of each cylinder,and to cooling efficiency.Experimental study on distribution of coolant flow in a cylinder head was conducted to understand the cooling condition of head and to provide boundary conditions for later numerical simulation of coolant flow or verification.Pressure difference based on Pitot principle was adopted to measure the coolant flow from every flow hole in each cylinder and then analyzed distribution variation of coolant flow in each cylinder as well as distribution of coolant flow in each flow hole.

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圖15 各缸第5水道流量分布圖

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.006

來稿日期：2010-07-29

黎程（1985-），男，測試工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)測試技術(shù)。