新一代2.0 L 4缸汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

【韓】 T.CHANG M.PARK K.KIM K.YANG

0 前言

在保持現(xiàn)有量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)的前提下提高燃油效率是韓國(guó)現(xiàn)代汽車(chē)公司下一代4缸2.0 L汽油機(jī)的開(kāi)發(fā)側(cè)重點(diǎn)。為了滿(mǎn)足世界各國(guó)的燃油經(jīng)濟(jì)性法規(guī)，各種新技術(shù)被應(yīng)用到該發(fā)動(dòng)機(jī)上。對(duì)于新發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)，為了在不降低冷卻性能的前提下提高效率，現(xiàn)代汽車(chē)公司采用了以下先進(jìn)的概念：(1)在每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)工況點(diǎn)，使用多路控制閥優(yōu)化冷卻液流量分配；(2)缸蓋和缸體中采用橫向流使得各缸之間的冷卻效果更為均勻；(3)通過(guò)快速加熱來(lái)減少缸體的中下部摩擦損失[1]。

為了有效地評(píng)估這些新的冷卻概念，三維計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)，被廣泛應(yīng)用于從概念設(shè)計(jì)階段到生產(chǎn)前階段的冷卻子系統(tǒng)分析。評(píng)估概念設(shè)計(jì)有助于在制造工程樣機(jī)之前確定最佳方案，并優(yōu)化最終設(shè)計(jì)。通過(guò)三維CAE技術(shù)，可以預(yù)見(jiàn)潛在的問(wèn)題，找出解決問(wèn)題的方法，在節(jié)約成本和時(shí)間的同時(shí)，使整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程的質(zhì)量趨于成熟。新開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)包括自然吸氣進(jìn)氣道噴射(PFI)發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓缸內(nèi)直噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其參數(shù)見(jiàn)表1所示。

1 概念設(shè)計(jì)階段CAE分析

1.1 設(shè)計(jì)分析

在制造工程樣機(jī)之前的概念設(shè)計(jì)階段，有必要通過(guò)CAE分析對(duì)新的冷卻概念進(jìn)行評(píng)估。采用Star-CCM+軟件對(duì)燃燒室冷卻系統(tǒng)中最重要的部件——缸蓋和缸體水套砂芯模型進(jìn)行了三維計(jì)算流體力學(xué)(CFD)分析。采用含有無(wú)量綱邊界層厚度y+的雷諾平均RANSk-N雙層湍流模型，對(duì)水套流場(chǎng)進(jìn)行了CFD計(jì)算。通過(guò)測(cè)量水套各主要部位的流量、流速和換熱系數(shù)(HTCs)，可以預(yù)測(cè)水套的冷卻性能。

表1 新開(kāi)發(fā)的發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

1.2 排氣側(cè)優(yōu)先冷卻水套設(shè)計(jì)

在新發(fā)動(dòng)機(jī)的初始水套設(shè)計(jì)中應(yīng)用了橫向流的概念，即將冷卻液的流向設(shè)計(jì)成進(jìn)氣側(cè)水泵—缸體進(jìn)氣側(cè)—缸蓋進(jìn)氣側(cè)—缸蓋排氣側(cè)—缸體排氣側(cè)的路線(xiàn)。對(duì)于這種水套設(shè)計(jì)，因?yàn)槔鋮s液先流向進(jìn)氣側(cè)，導(dǎo)致受熱更多的缸蓋排氣側(cè)冷卻效果不佳。因此，推薦采用圖1中的改進(jìn)方案1，即冷卻液從水泵直接流向排氣側(cè)并優(yōu)先冷卻。

改進(jìn)方案1的冷卻液路線(xiàn)為水泵—缸體排氣側(cè)—缸蓋排氣側(cè)—缸蓋進(jìn)氣側(cè)—缸體進(jìn)氣側(cè)。此外，還考慮了上下兩層的雙層缸蓋水套設(shè)計(jì)，以使來(lái)自缸體的冷卻液能夠流向燃燒室周?chē)乃?。由于按照采用平行流的常?guī)設(shè)計(jì)，與水泵連接的通道是傾斜的，因此初始水套不利于冷卻液直接流向缸體排氣側(cè)。在改進(jìn)方案1中，水套被改為正常方向，因此冷卻液就可以更容易地流向排氣側(cè)。圖1顯示了初始設(shè)計(jì)和改進(jìn)方案1中的缸蓋和缸體水套形狀。

在最大冷卻條件下對(duì)2種設(shè)計(jì)進(jìn)行CFD分析，檢查冷卻液流量和流速。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)，排氣門(mén)和火花塞附近之間的區(qū)域承受最高的熱負(fù)荷，需要大流量冷卻液來(lái)降低排氣門(mén)側(cè)鼻梁區(qū)的溫度，從而確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和抗爆燃性。如表2所示，改進(jìn)方案1的流量增加到了13.8 L/min，大約是初始設(shè)計(jì)(5.8 L/min)的2倍。改進(jìn)方案1和初始方案水套流量與總?cè)肟诹髁?150 L/min)的比值分別為9.2%和3.9%。圖2顯示了缸蓋水套排氣側(cè)的冷卻液流速增加，壓力損失從0.085 MPa增加到0.165 MPa。

圖1 初始設(shè)計(jì)和改進(jìn)方案1的缸蓋水套和缸體水套

表2 各缸排氣門(mén)鼻梁區(qū)冷卻液流量

圖2 缸蓋水套中冷卻液流速仰視圖和中心剖面圖

2 樣機(jī)階段CAE分析

在完成缸蓋和缸體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)建模后，對(duì)其進(jìn)行了三維溫度分布和冷卻液流動(dòng)CFD計(jì)算。為了進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)額定工況下的三維換熱分析，通過(guò)一維循環(huán)仿真，得到了燃燒室的熱邊界條件。在Gamma技術(shù)公司的GT-Power一維循環(huán)模擬中，可以預(yù)測(cè)同心圓內(nèi)火焰的傳播速度。在此基礎(chǔ)上，可以在曲軸轉(zhuǎn)角域計(jì)算已燃區(qū)和未燃區(qū)的溫度和HTCs，通過(guò)瞬態(tài)結(jié)果的循環(huán)平均值，給出了燃燒室的三維火力面邊界條件。

考慮到活塞在曲軸轉(zhuǎn)角域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，研究人員計(jì)算了傳到缸套的熱能。缸套分為火焰接觸區(qū)、活塞裙部接觸區(qū)和機(jī)油接觸區(qū)3個(gè)區(qū)域。這些區(qū)域根據(jù)活塞的位置進(jìn)行垂直分解，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)每個(gè)區(qū)域的換熱。最后，將結(jié)合區(qū)域的溫度和HTCs循環(huán)平均值作為熱邊界條件。

在上述方法的基礎(chǔ)上，采用包含修正系數(shù)的數(shù)值函數(shù)作為因子，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)三維溫度計(jì)算模型進(jìn)行標(biāo)定。新發(fā)動(dòng)機(jī)的總熱負(fù)荷是根據(jù)量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率和修正系數(shù)估計(jì)的，并將以前試驗(yàn)的對(duì)流換熱結(jié)果應(yīng)用在了與環(huán)境空氣或潤(rùn)滑油接觸的表面。

圖3 仿真與試驗(yàn)溫度對(duì)比

圖3給出了臺(tái)架試驗(yàn)溫度與三維熱模擬溫度之間的關(guān)系。臺(tái)架試驗(yàn)溫度通過(guò)熱電偶在缸蓋和缸體上進(jìn)行測(cè)量，模擬計(jì)算溫度從相同的測(cè)量點(diǎn)提取。通過(guò)將額定功率為130 kW的原發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化結(jié)果繪制成圖中菱形點(diǎn)，擬合函數(shù)最小二乘法回歸系數(shù)R2=0.952 3。研究人員對(duì)新發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了模擬，并將熱輸入轉(zhuǎn)換成功率，結(jié)果為圖3中的方塊點(diǎn)，其R2雖然減小到0.917 2，但對(duì)于定量評(píng)價(jià)冷卻效果仍然是足夠的。

2.1 優(yōu)化缸墊孔

為了從橫向流動(dòng)的角度提高氣缸間冷卻的均勻性，研究人員對(duì)改進(jìn)方案1的缸墊孔進(jìn)行了三維CFD模擬優(yōu)化。由于缸墊的冷卻液孔是缸蓋和缸體水套之間的通道，因此可以通過(guò)調(diào)整缸墊孔面積和位置來(lái)微調(diào)冷卻液流量的分布。雖然缸墊孔的面積和位置都會(huì)影響流量，但為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)，只對(duì)缸墊孔的面積來(lái)進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化工作采用了AutoGH軟件，該工具是基于Star-CCM+軟件內(nèi)部開(kāi)發(fā)的自動(dòng)化工具。每個(gè)缸墊孔的面積被設(shè)定為設(shè)計(jì)變量，并假設(shè)在初始階段全開(kāi)。從CFD和換熱結(jié)果中得到的每個(gè)氣缸的最高溫度來(lái)量化冷卻效果，并將所有溫度中的最大值進(jìn)行最小化作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)來(lái)均衡溫度。為了避免冷卻系統(tǒng)流動(dòng)阻力出現(xiàn)不切實(shí)際的增大現(xiàn)象，研究人員將壓降作為1個(gè)約束條件。

以12個(gè)缸墊孔為設(shè)計(jì)變量，采用三級(jí)正交設(shè)計(jì)法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)。然而，基于CFD模擬的DOE結(jié)果表明：排氣側(cè)孔靈敏度較高，進(jìn)氣側(cè)孔對(duì)目標(biāo)函數(shù)影響不大，減少開(kāi)孔只會(huì)增加不必要的壓降。在進(jìn)行篩選后，再對(duì)排氣側(cè)的5個(gè)孔再次進(jìn)行DOE模擬。如圖4所示，改進(jìn)方案1A中工程樣機(jī)的最終缸墊孔是通過(guò)使用回歸分析進(jìn)行近似估計(jì)得到的。與改進(jìn)方案1相比(圖2)，在改進(jìn)方案1A中第3缸和第4缸缸蓋水套內(nèi)的冷卻液流速增加。缸蓋主要部位的溫度CAE結(jié)果也在圖4中給出。氣缸間排氣門(mén)側(cè)鼻梁區(qū)溫度差異由9 ℃降低到3 ℃。

2.2 缸體鉆孔的冷卻能力分析

通過(guò)CAE分析，研究人員驗(yàn)證了缸體上鉆橫向孔的冷卻能力。通常，相鄰氣缸之間的區(qū)域溫度最高，這是因?yàn)?個(gè)燃燒室的熱能都傳遞到該區(qū)域所致。為了冷卻大功率發(fā)動(dòng)機(jī)，可以在2個(gè)氣缸中對(duì)缸體進(jìn)行鉆孔或開(kāi)槽處理，即在進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)缸體水套中增加連接的通道。

對(duì)有無(wú)鉆孔的缸蓋和缸體進(jìn)行了三維熱模擬。圖5表示缸體中心剖面上的溫度分布。在三維熱模擬中發(fā)現(xiàn)，缸體鉆孔可使氣缸體最高溫度降低23 ℃，特別是在橫流概念下，在缸體水套內(nèi)插入隔板，將進(jìn)排氣側(cè)水套隔開(kāi)，從而增大了二者之間的壓差，冷卻液流量得到增加，缸體最高溫度得到了大幅度降低。

圖5 缸體溫度分布剖面圖

2.3 單層缸蓋水套前期研究

從冷卻性能的角度對(duì)改進(jìn)后的缸蓋水套提高批量生產(chǎn)的效率進(jìn)行了初步探討。為提高兩層式砂芯(圖1)的剛度，設(shè)計(jì)了1層缸蓋水套，并擴(kuò)大了上下砂芯之間的連接部分，利用三維熱流分析對(duì)其進(jìn)行了再研究。

如圖6所示，與兩層缸蓋水套相比，由于1層水套排氣門(mén)側(cè)鼻梁區(qū)的截面積大幅增加，因此很難將冷卻液引至缸蓋底部實(shí)現(xiàn)燃燒室的強(qiáng)冷卻。研究人員通過(guò)將排氣門(mén)鼻梁區(qū)的流道去除，隔離其周?chē)慕饘伲员阍谀抢锝佑|更多的冷卻液。結(jié)果表明，通過(guò)排氣門(mén)鼻梁區(qū)的平均流量從13.8 L/min增加到25.9 L/min，最高溫度基本保持不變。

圖6 單層缸蓋水套形狀及其仿真結(jié)果

3 樣機(jī)改進(jìn)階段CAE分析

在這一階段，利用CAE對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行仿真分析，力圖找出有效的解決方法。由于冷卻子系統(tǒng)已經(jīng)確定，研究人員對(duì)其性能進(jìn)行了研究。通過(guò)StarCCM+建立了包括冷卻回路和所有換熱器(簡(jiǎn)化為矩形盒)的三維閉環(huán)共軛傳熱(CHT)模型(圖7)。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)獲得的溫度數(shù)據(jù)，可以修正熱邊界條件以建立相關(guān)性，如圖3中三角形點(diǎn)所示。為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)缸體的熱負(fù)荷，對(duì)CHT模型中的油溫進(jìn)行了測(cè)量和修正。

圖7 三維閉環(huán)CHT仿真模型

3.1 帶水套隔板的熱缸體

為了減小發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦，引入了熱缸體的概念，即在缸體下部減少冷卻，使機(jī)油溫度保持在較高的水平。在初始設(shè)計(jì)中，隔板將缸體水套上下分離，使大部分冷卻液流向缸體頂部和缸蓋，并釋放出大量熱量。缸體水套下部冷卻液自然流動(dòng)緩慢，冷卻效果降低。由于存在密封問(wèn)題，研究替換為改進(jìn)方案2中的隔板。該隔板使用了絕熱材料，可以減少冷卻液和缸體表面之間的熱傳遞。改進(jìn)方案2A的絕熱層僅位于缸體水套的底部，改進(jìn)方案2B將其延伸到缸體水套的中心。圖8比較了各種方案下缸體水套隔板的幾何結(jié)構(gòu)。

圖8 缸體水套隔板

圖9 缸體垂直方向溫度曲線(xiàn)

如圖9所示，模擬計(jì)算得到了缸體垂直方向的溫度，以代表缸體的溫度。結(jié)果顯示，在缸體下部(1/3處)溫度由高到低依次為改進(jìn)方案2B、改進(jìn)方案2A和改進(jìn)方案1。改進(jìn)方案1的下部溫度最低，是因?yàn)槔鋮s液的流動(dòng)仍然存在。改進(jìn)方案3因隔板的密封性更好，溫度分布與改進(jìn)方案2A相似，進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)的溫度都比改進(jìn)方案1高出10 ℃左右。

3.2 集成于缸體的冷卻器改進(jìn)

為了提升裝配效率和降低成本，開(kāi)發(fā)的自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)采用了集成在缸體中的廢氣再循環(huán)(EGR)冷卻器，或?qū)⒗鋮s器安裝在排氣側(cè)缸體的外部。在初始設(shè)計(jì)中，冷卻液從1缸缸體水套的排氣側(cè)直接流向EGR冷卻器，換熱后的冷卻液通過(guò)單獨(dú)的軟管流到多路流量控制閥系統(tǒng)中。在可行性試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)EGR冷卻器的流量比標(biāo)準(zhǔn)低30%。為解決該問(wèn)題，研究人員對(duì)EGR冷卻器進(jìn)行分析，在建立的三維CHT模型中集成了詳細(xì)的內(nèi)流砂芯，計(jì)算了EGR管路的平均表面流速和流速均勻性，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致冷卻器流量下降的原因是管路出口狹窄造成的。研究人員對(duì)各種備選方案的可行性進(jìn)行了分析，并最終選定了5種設(shè)計(jì)方案。

如圖10所示，在EGR冷卻器內(nèi)部增加肋片，減小容積，從而使冷卻液更集中地流向管道。此外，通過(guò)改變缸體外壁肋片方向，形成流動(dòng)阻力，從而使冷卻液再次流向管道。通過(guò)在缸體水套嵌入隔板和增大連接孔，加強(qiáng)了從缸體到EGR冷卻器的冷卻液流量。為了擴(kuò)大EGR冷卻器的出口，拆除了出口軟管(E)，并在H1、H2和H3這3個(gè)位置上鉆孔，結(jié)果冷卻液流回到缸體水套。

在對(duì)EGR冷卻器進(jìn)行所有改進(jìn)后，通過(guò)仿真計(jì)算獲得的缸蓋和缸體的最高溫度幾乎相同，流速增加了約67%，流速均勻性也從0.66提高到0.70(圖11)，從而實(shí)現(xiàn)了高效的EGR氣體冷卻。最終的設(shè)計(jì)去掉了出口軟管，以減少裝配步驟、質(zhì)量和成本。

圖10 EGR冷卻器設(shè)計(jì)改進(jìn)對(duì)比

圖11 EGR冷卻器內(nèi)冷卻液流速和跡線(xiàn)

3.3 渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)集成排氣歧管的缸蓋分析

新開(kāi)發(fā)的渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋集成了排氣歧管，其周?chē)O(shè)計(jì)有水套。在大功率渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中，由于大量的熱廢氣流過(guò)排氣道，因此冷卻排氣道非常重要。首先，通過(guò)對(duì)額定功率工況下的排氣進(jìn)行非定常CFD模擬，得到了缸蓋排氣道的對(duì)流換熱系數(shù)，并將其作為CHT模型的邊界條件。

圖12 排氣道水套設(shè)計(jì)改進(jìn)對(duì)比

初始設(shè)計(jì)的缸蓋顯示在排氣道周?chē)淖罡邷囟瘸^(guò)300 ℃。在如此高的溫度下，鋁缸蓋的物理性能可能會(huì)惡化，所以對(duì)排氣道周?chē)乃走M(jìn)行了改進(jìn)，以加強(qiáng)冷卻。最終的缸蓋水套如圖12所示，因?yàn)?號(hào)和3號(hào)氣缸該區(qū)域熱負(fù)荷不強(qiáng)，因此可以減少中上部水套芯(A)的數(shù)量。此外，發(fā)現(xiàn)排氣道(B)連接處和法蘭(C)附近存在熱應(yīng)力，因此在排氣道(B)連接處和法蘭(C)附近增加了冷卻液流道。如圖13所示，排氣道周?chē)淖罡邷囟冉档土?9 ℃。

圖13 排氣道CAE計(jì)算溫度

4 結(jié)論

從概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，研究人員對(duì)冷卻系統(tǒng)各種備選設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了研究，利用三維CAE技術(shù)有效地進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。通過(guò)水套芯CFD分析流動(dòng)特性，可以確定冷卻概念在每個(gè)設(shè)計(jì)方案中的實(shí)施情況。在模擬過(guò)程中可以選擇幾個(gè)測(cè)點(diǎn)，以便在后期設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的情況下更全面地評(píng)估流量。利用三維CAE可以解決發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題。在該階段，熱邊界條件可以用試驗(yàn)得到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定。因此，可以進(jìn)行更精確的CAE分析(如CHT)，以研究試驗(yàn)中難以發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)詳細(xì)特性。這有助于在開(kāi)發(fā)過(guò)程中節(jié)省時(shí)間和成本，可以方便地檢查出所提解決方案的可行性。

在新型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，研究人員總結(jié)了三維熱流體CAE技術(shù)。采用CAE技術(shù)進(jìn)行的主要改進(jìn)有：(1)為了有效地將冷卻液集中到吸收大量燃燒熱量的缸蓋排氣側(cè)，確定了冷卻液橫向流動(dòng)方向?yàn)榕艢鈨?yōu)先；(2)優(yōu)化了缸墊孔面積，使缸內(nèi)橫向流動(dòng)均勻，實(shí)現(xiàn)缸內(nèi)均勻冷卻；(3)驗(yàn)證了在缸體間的鉆孔可以降低溫度；(4)為提高生產(chǎn)效率，對(duì)改進(jìn)后的1層缸蓋水套內(nèi)的冷卻液流動(dòng)進(jìn)行了分析；(5)為實(shí)現(xiàn)缸體快速加熱，在缸體水套中嵌入隔板，證實(shí)了其可以提升缸體下部的溫度；(6)對(duì)集成于缸體中的EGR冷卻器進(jìn)行了改進(jìn)，增加了冷卻液流量，達(dá)到了減輕質(zhì)量、降低成本和減少裝配步驟的目的；(7)改進(jìn)了缸蓋水套，有效地冷卻了渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣道。