某國六重型柴油機(jī)冷卻水套CFD分析

曹宇峰

摘 要：隨著新排放法規(guī)的實(shí)施，重型柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的能力在國六階段也面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。本文利用CFD手段，對某國六重型柴油機(jī)冷卻水套進(jìn)行計(jì)算。通過分析，所設(shè)計(jì)的冷卻水套能夠滿足該款發(fā)動(dòng)機(jī)國六階段的冷卻需求。

關(guān)鍵詞：國六；重型柴油機(jī)；冷卻水套；CFD

中圖分類號：TK422 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）04-0025-05

Abstract： With the implement of new emission regulations， the ability of heavy duty diesel cooling system face severe challenges at China VI. This paper analysis a heavy duty diesel cooling jacket with Computer Fluid Dynamic. The results show that the ability of the design cooling jacket is enough for the engine.

Key Words： China VI； heavy duty diesel； cooling jacket； CFD

排放法規(guī)的加嚴(yán)，促使發(fā)動(dòng)機(jī)排放水平越來越高[1]，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的能力越來越強(qiáng)。優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)水套的設(shè)計(jì)，對于提升冷卻系統(tǒng)的能力有著十分重要的意義[2]。若發(fā)動(dòng)機(jī)鼻梁區(qū)流動(dòng)能力不夠，將導(dǎo)致該區(qū)域熱負(fù)荷增高，使發(fā)動(dòng)機(jī)存在缸蓋開裂的風(fēng)險(xiǎn)[3]。此外，溫度過高，會導(dǎo)致排放質(zhì)量降低。若發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻能力過高，會使過多的能力通過冷卻系統(tǒng)散失，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)效率降低。所以合理的設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)水套，對于發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義[4]。

國六階段相比于國五階段，一方面發(fā)動(dòng)機(jī)的爆壓增加，從而導(dǎo)致熱負(fù)荷增高。對于冷卻系統(tǒng)的冷卻能力要求也進(jìn)一步提高。另一方面，EGR的后處理路線會增加EGR冷卻器。EGR冷卻器的加入，會增加水泵的整體流量。此外，其取回水位置會對發(fā)動(dòng)機(jī)本體水套內(nèi)的流動(dòng)流動(dòng)產(chǎn)生影響。在水套設(shè)計(jì)過程中，利用CFD手段對所設(shè)計(jì)水套進(jìn)行流動(dòng)分析，能夠快速評判冷卻液在水套中的流動(dòng)形式，并且能夠?qū)﹃P(guān)鍵區(qū)域的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合開發(fā)目標(biāo)對水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使其能夠達(dá)到設(shè)計(jì)需求[5]。

本文利用CFD手段，對國六機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)水套進(jìn)行分析，并評價(jià)了EGR冷卻器的流量分配。計(jì)算結(jié)果證明，該水套設(shè)計(jì)能夠滿足設(shè)計(jì)需求。

1 模型介紹

1.1 水套模型

文本所研究發(fā)動(dòng)機(jī)為直列六缸水冷發(fā)動(dòng)機(jī)，水套模型如圖1所示。國六階段，水套主要由機(jī)油冷卻器、缸體水套、缸蓋水套、EGR冷卻器和相應(yīng)管路組成。其中機(jī)油冷卻器的換熱片數(shù)量為13。EGR冷卻器取水口位于機(jī)油冷卻器模塊后端，回水至缸蓋出水管（調(diào)溫器前端）。

1.2 CFD計(jì)算模型

本文計(jì)算軟件采用商業(yè)軟件AVL-Fire。計(jì)算數(shù)學(xué)模型包括N—s方程和湍流模型，這里湍流模型采用k-ζ-f模型，方程的離散采用有限容積法，求解算法采用SIMPLE算法，計(jì)算流體為定常不可壓縮流動(dòng)，計(jì)算工況為發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況。

進(jìn)口邊界類型采用質(zhì)量流量，水泵流量為7.7kg/s。出口邊界類型采用梯度為0。冷卻液采用50%水和50%乙二醇的混合液。冷卻水套壁面采用固定壁面邊界類型。網(wǎng)格數(shù)量：700萬。

由于EGR冷卻器內(nèi)部流道比較復(fù)雜，直接進(jìn)行網(wǎng)格化分難度較大，而且網(wǎng)格數(shù)量會特別多，影響計(jì)算效率。所以采用多孔介質(zhì)模型模擬EGR冷卻器的換熱段。多孔介質(zhì)模型主要用來模擬相應(yīng)區(qū)域的壓力損失，計(jì)算過程中，采用以下的計(jì)算公式：

計(jì)算過程中，首先對EGR冷卻器進(jìn)行單品試驗(yàn)，得到壓力損失與流速的數(shù)據(jù)。再通過二次擬合，得到壓力損失關(guān)于流速的二次方程。與上式進(jìn)行對比，得到相應(yīng)的粘性損失系數(shù)和慣性損失系數(shù)。從而在模型中，對多孔介質(zhì)區(qū)域進(jìn)行定義。表一顯示了EGR冷卻器單品試驗(yàn)壓力損失數(shù)據(jù)。

1.3 計(jì)算模型標(biāo)定

對于計(jì)算模型的標(biāo)定，一方面可以進(jìn)行整機(jī)的流阻特性試驗(yàn)，通過整機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。另一方面，也可以進(jìn)行單體試驗(yàn)。對于重點(diǎn)關(guān)注的單體CFD計(jì)算結(jié)果，利用單體試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，也能夠反映CFD計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。本文采用EGR冷卻器單體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對計(jì)算模型進(jìn)行標(biāo)定。通過表一，能夠擬合出壓力損失關(guān)于流量的二次項(xiàng)方程，見下式。

標(biāo)定工況，冷卻液流量為450L/min。CFD計(jì)算得到的EGR冷卻器進(jìn)出水端的壓力損失為0.41bar。通過公式（1）所擬合出的壓力損失值為0.42bar。CFD計(jì)算值與試驗(yàn)擬合值相差2.94%。從工程角度講，該誤差說明計(jì)算值是可靠的。

2 計(jì)算結(jié)果分析

對于發(fā)動(dòng)機(jī)水套，比較關(guān)注的流速區(qū)域?yàn)楦咨w鼻梁區(qū)、缸體內(nèi)壁面。此外，還有各缸上水量、各支路流量分配等。下面將對關(guān)鍵區(qū)域的計(jì)算結(jié)果作詳細(xì)描述。

2.1 各缸上水量

發(fā)動(dòng)機(jī)各缸上水量，是指每一缸從缸體到缸蓋的上水量。這個(gè)指標(biāo)表明了冷卻液分配的合理性。由于各缸燃燒的形式相同，所以熱負(fù)荷水平也相當(dāng)。為保證各缸的冷卻效果，在滿足冷卻液絕對流量的情況下，還應(yīng)該盡可能保證各缸上水量相同，以免產(chǎn)生應(yīng)力集中。為評價(jià)各缸上水的均勻性，定義了不均勻度的概念。其具體的公式如下：

圖2（a）和2（b）分別顯示了各缸上水量和上水不均勻度。從圖2（a）中可以看出，各缸上水量達(dá)到了55L/min之上，能夠保證缸蓋的冷卻需求。從圖2（b）中可以看出，各缸上水量比較均勻，各缸上水量不均勻度均不超過10%。其中2缸的上水量不均勻度最大，為5.82%。

2.2 鼻梁區(qū)流速

發(fā)動(dòng)機(jī)水套設(shè)計(jì)過程中，鼻梁區(qū)為關(guān)鍵區(qū)域。如果該區(qū)域流速不達(dá)標(biāo)，會導(dǎo)致缸蓋開裂，從而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。圖3對額定工況下各缸不同鼻梁區(qū)流速水平進(jìn)行了對比。

該水套設(shè)計(jì)特殊，進(jìn)進(jìn)鼻梁區(qū)并未設(shè)計(jì)水套。從圖3中，可以看到最為關(guān)鍵的排排鼻梁區(qū)流速達(dá)到了5m/s的水平，根據(jù)前期開發(fā)機(jī)型的工程經(jīng)驗(yàn)以及發(fā)動(dòng)機(jī)的熱負(fù)荷看，該水平完全滿足冷卻需求。同時(shí)，各缸鼻梁區(qū)流速分布比較均勻，波動(dòng)小，這樣的設(shè)計(jì)有助于減小熱應(yīng)力集中，提高缸蓋的可靠性。

2.3 缸蓋下水套流速

缸蓋下端部分，布置有燃燒室。該部分溫度為整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)最高。缸蓋下水套的整體流速，能夠反映該區(qū)域的冷卻情況。圖4顯示了額定工況下缸蓋下水套的流動(dòng)情況。

從圖中可以看出，各缸缸蓋下水套流速分布均勻，各鼻梁區(qū)的流速水平達(dá)到3m/s，整體的平均流速為1.23m/s。鼻梁區(qū)附近流動(dòng)狀態(tài)較好，進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)存在流速很低的區(qū)域，但是這些區(qū)域與燃燒室距離較遠(yuǎn)，熱負(fù)荷較低，對冷卻液流速要求不高。

2.4 缸體水套內(nèi)壁面流速

缸體水套內(nèi)壁面的流速能夠反映缸體的冷卻情況。由于水套上部分距離燃燒室較近，熱負(fù)荷較高，所以需要更高的流速。同時(shí)，缸體水套下部分位于整個(gè)水套的最低位置，該區(qū)域應(yīng)該保證一定的流速，不允許存在流動(dòng)死區(qū)。

圖5顯示了額定工況下缸體水套內(nèi)壁面的流速分布。從圖中可以看出，水套上部分流速較高，可以達(dá)到1.5m/s以上。水套下部分流速相對較低，在1m/s左右。整個(gè)水套基本不存在流動(dòng)死區(qū)，與此同時(shí)，各缸流動(dòng)形式相似。以上數(shù)據(jù)和現(xiàn)象說明，缸體水套設(shè)計(jì)合理，能夠滿足缸體的冷卻需求。

2.5 EGR冷卻器流動(dòng)分析

EGR冷卻器是冷卻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。若其冷卻液流量不夠，將導(dǎo)致廢氣的溫度過高，一方面增加了燃燒溫度，惡化排放。另一方面，冷卻液溫度過高，在冷卻管道中產(chǎn)生模態(tài)沸騰，影響EGR冷卻器的可靠性。圖6顯示了EGR冷卻器多孔介質(zhì)區(qū)域的壓力分布。

從圖中可以看出，進(jìn)口區(qū)域壓力要高于出口區(qū)域壓力，進(jìn)出口壓力差為0.41bar。計(jì)算得到的EGR冷卻器流量為97.6L/min。EGR冷卻器在發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況的流量是根據(jù)EGR率、廢氣流量、廢氣溫差、冷卻液溫差計(jì)算得到的，設(shè)計(jì)流量為90L/min。計(jì)算結(jié)果為97.6L/min，高出設(shè)計(jì)值8.44%。說明EGR冷卻器取水方案合理，能夠保證廢氣的冷卻需求。

2.6 壓力損失分布

了解冷卻系統(tǒng)的整體壓力損失分布，有助于找到提高冷卻系統(tǒng)性能改善方向。表二說明了冷卻水套的整體壓力損失分布。

從表中數(shù)據(jù)可知，機(jī)冷器的壓力損失為0.07bar，缸體壓力損失為0.27bar，缸蓋壓力損失為0.27bar，總體壓力損失為0.91bar。缸體壓力損失占比最大，為總體壓力損失的62.64%?？傮w壓力損失為0.91bar，該值對于水泵的匹配有重要指導(dǎo)意義。

另外，利用計(jì)算的結(jié)果，針對該發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試制，并進(jìn)行了相關(guān)可靠性的試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，冷卻液溫度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，同時(shí)EGR冷卻器的流量也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。從結(jié)果上看，本文所進(jìn)行的CFD計(jì)算工作對于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的開發(fā)具有指導(dǎo)意義，計(jì)算結(jié)果值得信賴。

3 總結(jié)

本文針對某國六重型柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)水套進(jìn)行CFD計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示各缸上水量滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)各缸上水量分布均勻，最大的不均勻度為5.82%；各缸排排鼻梁區(qū)流速達(dá)到了5m/s，滿足冷卻要求。同時(shí)各缸同一鼻梁區(qū)流速分布均勻，有助于減小熱應(yīng)力；缸蓋下水套流速分布合理，熱負(fù)荷高的區(qū)域流速高，熱負(fù)荷低的區(qū)域流速低；缸體水套內(nèi)壁面上部流速達(dá)到3m/s，下部分不存在流動(dòng)死區(qū)；EGR冷卻器的流量達(dá)到97.6L/min，高于設(shè)計(jì)值8.44%，滿足設(shè)計(jì)要求。冷卻系統(tǒng)的整體壓力損失為0.91bar，對水泵的匹配提供指導(dǎo)。

以上工作一方面驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)冷卻水套能夠滿足設(shè)計(jì)需求，另一方面利用了三維CFD的方法對冷卻系統(tǒng)的匹配進(jìn)行了分析。相對于傳統(tǒng)的一維計(jì)算，體現(xiàn)了三維計(jì)算在系統(tǒng)方面的優(yōu)越性。多孔介質(zhì)模型的運(yùn)用，也優(yōu)化了計(jì)算過程，對于工程計(jì)算有重要的指導(dǎo)意義。

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