大功率單缸發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套設(shè)計(jì)

熊思琴

摘要：隨著市場(chǎng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升的要求，現(xiàn)針對(duì)單缸高功率發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和缸體冷卻不合理的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種單缸發(fā)動(dòng)機(jī)混合式冷水水套，CFD結(jié)果表明：半切向進(jìn)水方式，使得其中2個(gè)缸墊分水孔能分流大部分冷卻液并對(duì)缸蓋高溫區(qū)域進(jìn)行冷卻，其余6個(gè)分水孔分得剩余冷卻液繞行缸體并向上流入缸蓋水套對(duì)其他缸蓋位置進(jìn)行冷卻，水套內(nèi)最高流速可達(dá)到1.81m/s，從水套入口到出口沒(méi)有出現(xiàn)冷卻液斷流現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：高功率;冷卻水套設(shè)計(jì);分水孔;流場(chǎng)

前言：

冷卻水套是作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中直接與發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件接觸的部分，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的微小差異對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)是否能發(fā)揮高的冷卻效率有著重要的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)燃燒將燃料化學(xué)能釋放為熱能，部分熱能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)車輛行駛的機(jī)械能的同時(shí)，部分熱能通過(guò)冷卻系統(tǒng)及時(shí)的散發(fā)到環(huán)境大氣中去。如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱性能不佳，則發(fā)動(dòng)機(jī)零部件熱負(fù)荷將增大。而熱負(fù)荷是影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性和耐久性的重要因素，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件熱負(fù)荷過(guò)大、溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致零部件熱裂、燒蝕、蠕變、材料的硬度和強(qiáng)度急劇下降等問(wèn)題;溫度過(guò)高，潤(rùn)滑油膜容易被破壞甚至結(jié)焦，從而加速配氣機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損，使用壽命縮短;過(guò)高的進(jìn)氣道溫度會(huì)導(dǎo)致充氣效率下降，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能;同時(shí)還會(huì)引起燃油消耗量以及CO和HC污染排放物的增大[1]。

近年來(lái)，隨著人們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高，新型發(fā)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)高功率、大扭矩的特征。在提升動(dòng)力性能的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件熱負(fù)荷也大為增加，從而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱性能提出了更高的要求。

當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套技術(shù)研究主要針對(duì)多缸發(fā)動(dòng)機(jī)各缸整體性冷卻較多，強(qiáng)調(diào)不同氣缸之間冷卻的均勻性。而隨發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增大，單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻成為技術(shù)難題，尤其在結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較小又較復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)缸蓋與缸體冷卻較為困難[2]。本文著眼于實(shí)現(xiàn)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和缸體的合理冷卻，在溫度允許上下限之間，設(shè)計(jì)開發(fā)出一種單缸發(fā)動(dòng)機(jī)混合式冷水水套。

1、冷卻水套設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

冷卻水套計(jì)算模型（如圖1所示）包括缸蓋水套和缸體水套，由于缸蓋燃燒室、火花塞孔、氣門導(dǎo)管孔以及排氣歧管周圍均屬高溫區(qū)，不僅需要較多的冷卻液，而且冷卻液的平均流動(dòng)速度也不能太低，更不能存在較多的死水區(qū)和漩渦。為改善冷卻液在水套中的流動(dòng)分布，現(xiàn)設(shè)計(jì)水套入口為半切向進(jìn)水方式，缸墊分水孔布置情況如圖2所示。在排氣側(cè)設(shè)置兩個(gè)分水孔孔1和孔2，在周向上另外設(shè)置了6個(gè)分水孔孔3-孔8。

圖1? ? ? ? ? ? ? 圖2? ? ? ? ? ? ? ?圖3? ? ? ? ? ?圖4

2.CFD模擬分析

CFD技術(shù)發(fā)展成熟并由其周期短、計(jì)算精度高，且可視性強(qiáng)等特點(diǎn)，被越來(lái)越多的應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。本文將借助于CFD軟件FIRE對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套進(jìn)行流固偶合數(shù)值分析，對(duì)計(jì)算得出的直觀的速度場(chǎng)評(píng)價(jià)該設(shè)計(jì)水套的冷卻效果。

2.1計(jì)算網(wǎng)格

本文使用hypermesh專業(yè)軟件對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行處理，其中缸蓋、缸體、進(jìn)排氣管等若干實(shí)體進(jìn)行獨(dú)立的網(wǎng)格劃分;同時(shí)對(duì)關(guān)鍵部位如冷卻水套分水孔處、進(jìn)排氣道鼻梁區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，并對(duì)整體網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，以提高網(wǎng)格總體質(zhì)量。通過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量檢查可保證當(dāng)前模型的面網(wǎng)格質(zhì)量足以滿足計(jì)算要求后，自動(dòng)生成耦合體網(wǎng)格。

2.2冷卻液的物理屬性

介質(zhì)選擇50%乙二醇/50%純水的混合物，密度：1026.89kg/m

粘度：0.00076kg/m·s，比熱容：2415J/kg·K，導(dǎo)熱率：0.415W/m-K。

2.3計(jì)算模型邊界條件確定

給定的發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大功率14.5KW時(shí)轉(zhuǎn)速為8000r/min，冷卻液進(jìn)水口溫度333.1K，環(huán)境溫度298K，大氣壓強(qiáng)101.325Kpa，濕度83%，進(jìn)口的流速0.931m/s。

2.4流體介質(zhì)及模擬狀態(tài)

水套耦合模型采用穩(wěn)態(tài)的計(jì)算模式，在模擬計(jì)算過(guò)程中認(rèn)為冷卻液在機(jī)體、缸蓋冷卻水通道中的流動(dòng)是絕熱、不可壓縮的粘性湍流流動(dòng)，采用Realizable k-ε[3]雙程湍流模型，并在近壁面區(qū)域應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，采用Simple算法。設(shè)定殘差小于10-4，若計(jì)算達(dá)到此要求，則認(rèn)為計(jì)算收斂。

3.水套速度場(chǎng)結(jié)果分析

圖3與圖4分別所示為水套內(nèi)部在冷卻過(guò)程中的速度場(chǎng)分布情況，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)整體分布分析可看出本方案分水孔的設(shè)計(jì)可使該水套呈現(xiàn)出混合式冷卻效果。入口采用半切向進(jìn)水方式，在排氣側(cè)設(shè)置兩個(gè)分水孔1、2，用于分流冷卻液并引入水套上部重點(diǎn)冷卻缸蓋排氣側(cè)高溫區(qū)。由于缸蓋高溫區(qū)熱負(fù)荷較大，特給1、2兩個(gè)分水孔設(shè)置較大孔徑，引入較大量的冷卻液，以達(dá)到重點(diǎn)冷卻缸蓋高溫區(qū)的目的。在周向上另外設(shè)置6個(gè)分水孔3-8用于分流繞流缸體的冷卻液，其中，4-8孔較小，3孔較大，從速度云圖上可看到現(xiàn)周向上不同區(qū)域都有較少冷卻液進(jìn)入缸蓋。這樣，冷卻液既實(shí)現(xiàn)了對(duì)缸體的繞流冷卻，同時(shí)又從不同的周向位置上進(jìn)入缸蓋水套，實(shí)現(xiàn)了對(duì)缸蓋不同區(qū)域的冷卻。所有冷卻液在冷卻缸蓋后從缸蓋進(jìn)氣側(cè)上部的出水口離開。從水套入口到出口的冷卻液流動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)任何斷流的現(xiàn)象，水套內(nèi)最高流速可達(dá)到1.81m/s。

4結(jié)論

1）通過(guò)設(shè)置切向入口方式，實(shí)現(xiàn)了混合式冷卻水套方案，可使冷卻液整體上分成兩部分流體，一部分直接進(jìn)入缸蓋水套，另一部分先繞流冷卻缸體水套，最后再進(jìn)入缸蓋水套，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋。

2）通過(guò)合理設(shè)置8個(gè)分水孔方案，實(shí)現(xiàn)了冷卻液部分重點(diǎn)冷卻缸蓋高溫區(qū)，部分對(duì)缸體實(shí)現(xiàn)繞流冷卻。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造（上冊(cè)）[M].北京人民交通出版.2002，3：240-240.

[2]劉福水，閔祥芬，等.柴油機(jī)冷卻水套的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].汽車工程.2014，36（6）：728-733.

[3]張應(yīng)兵，陳懷望，許濤.CFD技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車工程師.2012，4：1-5.