某款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的優(yōu)化設(shè)計(jì)

惠昭晨，張應(yīng)兵，歐陽(yáng)彩云（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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某款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的優(yōu)化設(shè)計(jì)

惠昭晨，張應(yīng)兵，歐陽(yáng)彩云
（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

根據(jù)某款汽油發(fā)動(dòng)機(jī)整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的布置方案，建立冷卻系統(tǒng)一維模型，計(jì)算得到水套各進(jìn)出口邊界條件，以該數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行冷卻水套的CFD分析，對(duì)水套關(guān)鍵位置的冷卻能力進(jìn)行分析評(píng)估，并提出水套結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，最后進(jìn)行改進(jìn)結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證分析。

冷卻系統(tǒng)；CFD；水套；有限元

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.017

CLC NO.: U464Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-51-04

前言

發(fā)動(dòng)機(jī)散熱一直是設(shè)計(jì)人員關(guān)注的重點(diǎn)[1]，如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻能力不足，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作條件惡化，進(jìn)而引起發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性全面變差[2]，作為發(fā)動(dòng)機(jī)重要發(fā)展方向的增壓技術(shù)的應(yīng)用[3]，會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻能力的要求更加嚴(yán)格，所以增壓發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的設(shè)計(jì)也就尤為重要。因發(fā)動(dòng)機(jī)水套結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以難以用傳統(tǒng)試驗(yàn)方法測(cè)量[4]，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)可以較好的模擬水套內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)情況，并且與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性均滿足要求[5]。

本文利用Flowmaster軟件進(jìn)行汽油機(jī)整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的分析，確定水套分析的邊界條件，以該數(shù)據(jù)作為輸入在AVL Fire軟件中進(jìn)行水套的CFD分析，根據(jù)分析結(jié)果制定水套的優(yōu)化方案，最后對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，驗(yàn)證優(yōu)化效果。

1、發(fā)動(dòng)機(jī)水套分析

1.1邊界條件

對(duì)該型汽油機(jī)水套進(jìn)行 CFD分析應(yīng)首先確定分析邊界條件，該邊界條件通過(guò)冷卻系統(tǒng)一維分析獲得，首先建立整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)分析模型，計(jì)算額定工況下水套各進(jìn)出口流量分配及壓力分布情況，將該數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行水套CFD分析，圖1為汽油機(jī)整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖。

根據(jù)設(shè)計(jì)原理圖、發(fā)動(dòng)機(jī)水套流阻特性（圖 2）和各冷卻部件流阻特性，利用一維分析軟件Flowmaster建立冷卻系統(tǒng)一維模型[6]，如圖4所示。根據(jù)水泵性能曲線，計(jì)算中取水泵轉(zhuǎn)速為7200rpm，流量為150L/min，水泵揚(yáng)程為11.87m，對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行一維分析，計(jì)算結(jié)果如圖2-4所示，圖中標(biāo)明各個(gè)循環(huán)支路冷卻液流量分配情況。最后確定水套分析邊界條件，如表1所示，其中冷卻液密度和粘度根據(jù)材料庫(kù)查詢得到。

表1　水套分析邊界條件

1.2汽油機(jī)水套CFD分析

發(fā)動(dòng)機(jī)水套計(jì)算模型如圖 5所示，該模型主要在 AVL Fire中完成六面體單元網(wǎng)格劃分，并對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，最后冷卻水套模型網(wǎng)格總數(shù)約為191萬(wàn)，其中六面體單元約占95%，圖中標(biāo)注出水套各冷卻液進(jìn)出口。

計(jì)算中冷卻液為不可壓縮穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，壓力和速度耦合采用SILMPLE算法[7]，湍流模型采用穩(wěn)定性較好的k-ε 模型，k-ε 模型可以通過(guò)以下兩個(gè)方程來(lái)描述，即：

將邊界數(shù)據(jù)輸入，對(duì)水套進(jìn)行CFD分析，主要判斷缸體水套和缸蓋水套關(guān)鍵位置處的換熱系數(shù)是否滿足要求，并依據(jù)速度場(chǎng)分布判斷水套關(guān)鍵位置是否存在流動(dòng)死區(qū)，對(duì)冷卻水套壓強(qiáng)損失進(jìn)行評(píng)估。

圖 6為發(fā)動(dòng)機(jī)水套冷卻液絕對(duì)壓強(qiáng)云圖，最大壓強(qiáng)為2.49bar，水套壓力分布正常未出現(xiàn)壓力劇烈波動(dòng)區(qū)域，從圖中可以看出水套排氣側(cè)壓強(qiáng)比進(jìn)氣側(cè)大。

圖7為缸體水套換熱系數(shù)云圖，從該圖可以看出缸體水套火力岸面換熱系數(shù)較好，缸體水套一缸、二缸和三缸火力岸面換熱系數(shù)滿足5700W/m2.K的換熱要求，四缸火力岸面局部小區(qū)域換熱系數(shù)為4800W/m2.K左右，其他區(qū)域換熱系數(shù)均滿足5700W/m2.K的換熱要求。

圖8為缸蓋水套換熱系數(shù)圖，從圖中可以看出排氣門(mén)鼻梁區(qū)換熱系數(shù)均滿足14000 W/m2.K換熱要求。二缸、三缸和四缸進(jìn)排氣門(mén)間鼻梁區(qū)換熱系數(shù)滿足10000 W/m2.K要求，但每缸左側(cè)區(qū)域換熱系數(shù)比右側(cè)區(qū)域略小，分布不均勻。

由圖8可以看出，一缸水套進(jìn)排氣門(mén)間左側(cè)鼻梁區(qū)存在換熱系數(shù)為8400W/m2.K左右的區(qū)域，從左側(cè)流線圖可以看出該區(qū)域冷卻液由缸體經(jīng)過(guò)鼻梁區(qū)流向缸蓋，因?yàn)樗鬃枘嵊绊?，只有較少冷卻液流經(jīng)水套鼻梁區(qū)左側(cè)區(qū)域，大部分冷卻液直接流向排氣側(cè)，造成一缸鼻梁區(qū)左側(cè)區(qū)域換熱系數(shù)較??；四缸右側(cè)鼻梁區(qū)換熱系數(shù)偏小，最小換熱系數(shù)約為9000W/m2.K，由右側(cè)流線圖可以看出，因?yàn)樗母纂x暖風(fēng)出口較近，所以流經(jīng)鼻梁區(qū)的冷卻液直接流向暖風(fēng)出口，造成四缸水套鼻梁區(qū)右側(cè)換熱系數(shù)較差。

圖 8標(biāo)注為一缸左側(cè)水路存在換熱系數(shù)不足 1000 W/m2.K區(qū)域，該區(qū)域雖然不是考察關(guān)鍵位置，但該區(qū)域冷卻液流動(dòng)不順暢會(huì)影響鼻梁區(qū)的換熱系數(shù)。圖2-9為水套流線圖，在一缸進(jìn)氣側(cè)作一個(gè)通過(guò)水孔的截面，由截面可以看出，一缸左側(cè)水路冷卻液同時(shí)存在向上流動(dòng)和向下流動(dòng)，造成該水路出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)，不利于冷卻液的順暢流動(dòng)。分析缸蓋水套結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)該水路截面尺寸較小，流阻較大，不利于冷卻液由缸蓋流向缸體，最終導(dǎo)致排氣門(mén)間鼻梁區(qū)部分區(qū)域換熱系數(shù)較低。

2、水套的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1水套改進(jìn)方案

根據(jù)以上分析結(jié)果知，一缸左側(cè)水路冷卻液流動(dòng)不好導(dǎo)致進(jìn)排氣門(mén)間鼻梁區(qū)換熱系數(shù)偏小，并且由圖8可以看出，雖然二缸、三缸和四缸進(jìn)排氣門(mén)間鼻梁區(qū)換熱系數(shù)均滿足10000 W/m2.K換熱要求，但每缸左側(cè)區(qū)域換熱系數(shù)比右側(cè)區(qū)域小，換熱系數(shù)不均勻，所以對(duì)缸蓋水套進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。缸體水套換熱系數(shù)較好，不做結(jié)構(gòu)改變。

水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化位置如圖10、11所示，其中圖10為將缸蓋一缸水路截面尺寸增大，在保證缸體厚度的前提下，將該位置處的橫向尺寸增加2.5mm。圖11為缸蓋進(jìn)氣門(mén)間水路圖，將該位置橫向尺寸增加2.5mm，以增加該區(qū)域的截面面積。

2.2優(yōu)化水套CFD分析

將邊界條件作為輸入，對(duì)優(yōu)化后的水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行CFD分析，分析結(jié)果如下所示。

圖12為優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)缸體水套換熱系數(shù)圖，從圖中可以看出，額定工況下優(yōu)化后的缸體水套與原結(jié)構(gòu)缸體水套換熱系數(shù)基本一致，火力岸面換熱系數(shù)較好，滿足換熱要求。

圖 13所示為原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)缸蓋水套的換熱系數(shù)對(duì)比圖，由一缸位置水路換熱系數(shù)對(duì)比可知，水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，一缸進(jìn)排氣門(mén)間鼻梁區(qū)換熱系數(shù)明顯優(yōu)化，且一缸左側(cè)水路換熱系數(shù)提高較明顯。由右側(cè)對(duì)比圖可知，水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，二缸、三缸、四缸進(jìn)排氣門(mén)間鼻梁區(qū)換熱系數(shù)均有所改善，且均滿足10000 W/m2.K的換熱要求。

圖 14為原水套結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后的水套結(jié)構(gòu)缸蓋流速在0.5m/s以下的云圖，由圖可以看出，當(dāng)水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，原結(jié)構(gòu)流動(dòng)死區(qū)流動(dòng)情況明顯改善，該區(qū)域流動(dòng)改善有利于缸蓋水套換熱。

3、結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)某型增壓發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行分析，基于冷卻系統(tǒng)一維模型計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)水套分析所需邊界條件，以邊界條件作為數(shù)據(jù)輸入，對(duì)水套進(jìn)行三維CFD分析，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行判斷并對(duì)水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最后驗(yàn)證優(yōu)化效果。根據(jù)結(jié)果對(duì)比可以判斷水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，水套缸蓋流動(dòng)更加均勻，關(guān)鍵位置的換熱系數(shù)有所改善，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱性能。

[1]姚煒.CFD模擬在發(fā)動(dòng)機(jī)水套設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，（32）86-88.

[2]馮貝貝，張少華等.增壓直噴汽油發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化的研究[J].內(nèi)燃機(jī)，2013，（2）21-25.

[3]趙永娟，馬超等.徑流式渦輪性能研究的進(jìn)展[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2009，（2）8-13.

[4]于秀敏，陳海波等.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中流動(dòng)與傳熱問(wèn)題數(shù)值模擬進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，（10）162-167.

[5]朱家鯤.計(jì)算流體力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1985.

[6]錢(qián)德猛，錢(qián)多德.乙醇—汽油燃料車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2013，（4）43-46.

[7]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(chē)工程師，2012(4)：56-58.

Optimization design of the gasoline engine cooling system

Hui Zhaochen,Zhang Yingbing,Ouyang Caiyun
（Anhui Jianghuai Automotive Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601）

The 1-D cooling system simulation model of engine is built based on principle.The flow rate of water jacket branch can be got.The CFD analysis conclusion of water jacket can be drawn based on the flow rate result.At last we can carry out the optimal design based on comparison between the primary water jacket and the optimized water jacket.

cooling system; CFD; water jacket; finite element analysis

U464

A

1671-7988（2016）08-51-04

惠昭晨（1989-），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的工作。