小型柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

石章能++王洪榮

摘 要：采用數(shù)值模擬方法對某小型柴油機(jī)冷卻水套進(jìn)行了優(yōu)化分析，通過對水套流速及換熱系數(shù)等進(jìn)行分析，改進(jìn)水套結(jié)構(gòu)設(shè)計、增大水泵流量、更改缸墊分水孔并對其進(jìn)行優(yōu)化和仿真分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后的水套內(nèi)水流速度和散熱能力大大改善。結(jié)合對故障件故障現(xiàn)象的分析，提出需限制轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)預(yù)熱塞插于預(yù)燃室深度的方案。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了所提的優(yōu)化方案，解決了此柴油機(jī)的散熱問題，對解決柴油機(jī)散熱問題具有一定的工程實(shí)際意義和參考價值。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；冷卻系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計；水套；計算流體動力學(xué)

中圖分類號：TK422文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.06

中國是個農(nóng)業(yè)大國，隨著國民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，廣大農(nóng)村地區(qū)對農(nóng)用機(jī)械的需求也日益加大。中國農(nóng)村道路條件差、油品差、超載等極端惡劣的使用環(huán)境，要求面向農(nóng)村市場的柴油機(jī)應(yīng)具有高可靠性、高動力性和高經(jīng)濟(jì)性。冷卻系統(tǒng)不僅影響柴油機(jī)工作的可靠性，更是直接影響其經(jīng)濟(jì)性和排放性的重要因素，冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是發(fā)動機(jī)設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計主要是通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)計與測試驗(yàn)證相結(jié)合的方式，設(shè)計周期長，投入大，而且無法直觀地表現(xiàn)設(shè)計效果。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代發(fā)動機(jī)設(shè)計過程更多地采用計算機(jī)輔助設(shè)計及模擬仿真技術(shù)。計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，CFD）技術(shù)在流場分析方面具有高效、可靠、直觀等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用到發(fā)動機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計中[1-2]。本文針對某小型柴油機(jī)開鍋問題，采用CFD分析進(jìn)行冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，并通過試驗(yàn)測試驗(yàn)證。

1 發(fā)動機(jī)問題描述及分析

1.1 發(fā)動機(jī)及整車基本信息

本文研究對象為一款四沖程、單缸、臥式柴油發(fā)動機(jī)，其目標(biāo)車型為低速貨車，目標(biāo)市場為路況較為惡劣且保養(yǎng)條件不足的農(nóng)村等市場。此發(fā)動機(jī)的使用環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常會在超載、低保養(yǎng)情況下使用，因此對發(fā)動機(jī)可靠性要求比較高。發(fā)動機(jī)及搭載的車型如圖1和圖2所示，發(fā)動機(jī)及整車的基本參數(shù)見表1。

1.2 發(fā)動機(jī)主要故障問題描述

發(fā)動機(jī)在臺架試驗(yàn)過程中，高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況出現(xiàn)比較嚴(yán)重的水箱開鍋故障，在道路試驗(yàn)中，原地運(yùn)行5 min出現(xiàn)水箱開鍋。通過加大水箱，增大散熱器面積，提高散熱器水箱位置等方法后，發(fā)動機(jī)可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)幾個小時，但最終出現(xiàn)預(yù)燃室嵌塊脫落，缸蓋燒穿，仍然開鍋的現(xiàn)象。圖3為燒蝕的嵌塊及燒穿的缸蓋故障件。

1.3 故障問題分析

在試驗(yàn)過程中，發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫度正常，實(shí)測溫度為70 ℃～80 ℃之間，在故障出現(xiàn)前一直保持正常狀態(tài)的進(jìn)出水溫度，故障出現(xiàn)時發(fā)現(xiàn)水溫急劇上升至開鍋，檢查發(fā)現(xiàn)缸蓋燒穿漏水的現(xiàn)象。根據(jù)故障出現(xiàn)過程分析認(rèn)為此故障屬于零部件失效的問題。并根據(jù)多次故障件的故障現(xiàn)象和了解到的原機(jī)為四缸柴油機(jī)更改為單缸機(jī)型，確定此機(jī)從原機(jī)更改為單缸機(jī)過程中，直接沿用了原機(jī)基本結(jié)構(gòu)，并未針對更改后的高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的使用工況進(jìn)行設(shè)計。故障原因是由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速過高熱負(fù)荷過大，使嵌塊在高溫使用狀態(tài)下由于材料熱膨脹系數(shù)不同，在高溫過程中出現(xiàn)嵌塊與缸蓋鋁合金接觸不良后產(chǎn)生預(yù)燃室內(nèi)部溫度過高難以及時導(dǎo)熱而致使嵌塊燒蝕后逐步擴(kuò)散到缸蓋中，導(dǎo)致燒穿缸蓋而漏水失效的故障[3-6]。

同時發(fā)現(xiàn)在每次試驗(yàn)過程中，嵌塊燒蝕的方向都是預(yù)熱塞正對的方向（圖4），判定預(yù)熱塞對嵌塊燒蝕有一定影響，預(yù)熱塞伸進(jìn)去的位置對燃燒溫度有影響[7]。

在試驗(yàn)過程中常常發(fā)現(xiàn)有高溫氣體排出，經(jīng)分析認(rèn)為導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因?yàn)椋捍税l(fā)動機(jī)的參考原機(jī)為直立四缸柴油機(jī)，通過減少缸體數(shù)量變?yōu)榕P式單缸機(jī)，因原機(jī)為直立而更改后的柴油機(jī)為臥式，原來可以順利排出的高溫水汽，更改后無法順利排出，導(dǎo)致發(fā)動機(jī)局部溫度過高。

通過以上故障現(xiàn)象分析討論后認(rèn)為此柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)需進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)模型對比分析及故障件分析后確定樣機(jī)試驗(yàn)方案為：（1）新設(shè)計水套后的缸蓋缸體；（2）調(diào)整傳動比后重新設(shè)計的水泵 ；（3）更改設(shè)計后使用的缸墊 ；

（4）水箱移動到發(fā)動機(jī)中部；（5）限制發(fā)動機(jī)最高轉(zhuǎn)速為4 000 r/min；（6）優(yōu)化預(yù)燃室嵌塊結(jié)構(gòu)；（7）預(yù)熱塞后退3 mm。

根據(jù)方案制作的試驗(yàn)樣車（圖10）完成了500 h臺架耐久性測試，通過了12 000 km道路負(fù)載試驗(yàn)未出現(xiàn)溫度過高的問題，未出現(xiàn)缸蓋燒穿，預(yù)燃室嵌塊燒蝕等現(xiàn)象，在試驗(yàn)過程中缸蓋及發(fā)動機(jī)進(jìn)出水溫度一直保持正常。

對比原始模型和優(yōu)化后模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2）可以看到，優(yōu)化后的模型方案明顯優(yōu)于原始方案。

4 結(jié)論

本文采用CFD方法針對小型單缸柴油機(jī)進(jìn)行冷卻水套優(yōu)化設(shè)計，通過增大冷卻水流速、減小水套容積、優(yōu)化分水孔尺寸及分布的方法有效地改善了發(fā)動機(jī)水套內(nèi)的流場分布。針對局部關(guān)鍵位置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使局部流場性能提高，優(yōu)化設(shè)計后的缸蓋水套的整體換熱能力也得到提高。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，最終解決了此柴油機(jī)的散熱問題。

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