車用柴油機汽缸蓋熱負荷的改善

黎德信

(廣西嘉德機械股份有限公司，廣西 玉林 537000)

1上水孔冷卻水流量測量試驗

在倒拖試驗臺上進行汽缸蓋底孔內(nèi)流量的測量。對16種轉(zhuǎn)速條件(700～2200 r/min)下汽缸蓋各水孔冷卻水的靜壓、總壓及各水孔冷卻水的流量參數(shù)進行了計算。

將流量計連接到柴油機各缸的輸出端，可以直接測量各缸的冷卻水流量。因結(jié)構(gòu)問題，無法直接測量缸蓋底部上水孔流量。測定了各上水孔總壓力和靜壓之間的壓差，計算了冷卻水在各上水孔中的流量。為了提高全、靜壓力的測量精度，采用高精度差壓變送器測量全、靜壓力差，使全、靜壓力探頭朝向流動。測試中發(fā)現(xiàn)，柴油機缸蓋底部沿圓周方向有10個水孔，其中1、2、6和76毫米水孔直徑為1 mm，其余6個水孔直徑為8 mm。

根據(jù)伯努利方程，通過測量各進水口的總壓力和靜壓之間的壓差來計算冷卻水流經(jīng)進水口的速度和流量。冷卻水在汽缸內(nèi)的流動可通過增加汽缸總進水口來實現(xiàn)。

對重型汽車柴油機缸蓋底部上水孔在不同轉(zhuǎn)速下的冷卻水量進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，在額定轉(zhuǎn)速下，各上水孔冷卻水的平均流速為2.26 m/s，而重型汽車柴油機上冷卻水的平均流速大約是4.5 m/s，這是因為重型柴油機缸體上有10個水孔，它們圍繞著缸體上的水孔分布，使得汽缸蓋內(nèi)冷卻水的流線變差。改善水孔結(jié)構(gòu)，合理布置水孔，可提高缸蓋冷卻水的冷卻效果。

2汽缸蓋底面水腔內(nèi)流動分析和結(jié)構(gòu)改進

從缸蓋底部上水孔中冷卻水的流量可以看出，在不同轉(zhuǎn)速下，上水孔的流量隨著柴油機轉(zhuǎn)速的提高而增大；在相同轉(zhuǎn)速下，各上水孔的流量隨著轉(zhuǎn)速的提高而增大；1，2，6，7較小，因為流通面積小于其他六孔。表格1顯示了冷卻水在每個上部水孔的流量和汽缸蓋的額定速度。

根據(jù)對汽缸蓋水室中水孔位置及布置的分析，確定孔1、2、3、5、6、7上方無導(dǎo)流板及軸線。汽缸容積較大時，在出口通道下有孔8，在進氣口下有孔9，在出口通道下有孔4和10冷卻水在對汽缸蓋冷卻時，流經(jīng)上水孔的冷卻水無法回流到汽缸蓋底部，因而無法有效冷卻高熱區(qū)域，如汽缸蓋鼻部和后部；流經(jīng)上水孔4和10的冷卻水只能垂直上升，然后冷卻因流動阻塞壁而進入下汽缸蓋的氣道。其中一部分會沿排出氣流的方向流到缸蓋的排氣側(cè)，到達排氣側(cè)的壁后再流到缸蓋上；另一部分會繞過排氣通道流到缸蓋上，繼續(xù)流到缸蓋上；冷卻水流到缸蓋上部的水孔8首先垂直上升，到達出口流道的下壁，然后流到流道的下壁區(qū)域，然后一部分流到缸蓋的中心區(qū)域；由于慣性，流經(jīng)上水孔9的冷卻水首先垂直上升，到達調(diào)用口的下壁，然后一部分流到缸蓋的中心區(qū)域。

在此基礎(chǔ)上，通過圖1中的數(shù)值模擬，驗證了上述對柴油機缸蓋冷卻水流動特性判斷的準(zhǔn)確性。說明結(jié)果。如圖1所示，由于通孔1，2，3，5，6，7的冷卻水由于慣性作用直接流入缸蓋頂部，不能有效冷卻缸蓋底面和缸頭后部，而通孔4，8，9，10的冷卻水，缸蓋底部只能受到進出口管道的阻水作用，這一點與分析結(jié)果基本一致。從進水口流量和缸蓋結(jié)構(gòu)2個方面對缸蓋內(nèi)流量進行分析。

為此，優(yōu)化缸蓋冷卻水孔的方向應(yīng)為：先將冷卻水引過水孔，然后將缸蓋底部冷卻，由于其所流經(jīng)的冷卻水不能冷卻缸蓋底部，所以1、2、3、5、6和7孔為多余，取消了優(yōu)化系統(tǒng)中的6個水孔。經(jīng)過改進，各水孔的流量和流速均如表2所示。改良前是流經(jīng)1、2、3、5、6、7孔的冷卻水，改良后是流經(jīng)4、8、9、10孔；改良后是對汽缸蓋底部和排氣管進行有效冷卻，每孔平均流量從2.26 ms-1變成改良后的4.26 ms-1。與重型柴油機的相應(yīng)水流量相近，且各水孔內(nèi)冷卻水分布更加均勻。所以改進上水孔結(jié)構(gòu)是更明智的。

圖1改進前汽缸蓋內(nèi)冷卻水流線圖

為了解優(yōu)化設(shè)計對提高缸蓋熱負荷、降低缸蓋熱負荷的實際效果，對缸蓋改進前后的溫度分布進行了分析。柴油機分別在1300 r/min、1500 r/min、1700 r/min、1900 r/min和2100 r/min等不同轉(zhuǎn)速條件下進行測試，缸蓋厚度為12 mm、6 mm和9 mm以上3個水平面的溫度與之對應(yīng)。在每個水平面上有7個測溫點，其具體位置見圖4。為了避免同一汽缸蓋內(nèi)測溫孔過多而改變原溫度分布，僅對同一汽缸蓋內(nèi)的7個測溫孔進行加工，測溫孔均在同一水平面上。通過這種方式，3個汽缸蓋中的21個測溫點只在汽缸蓋一端的測溫點上。

研究發(fā)現(xiàn)，改進前的柴油機在一定工作條件下，缸蓋底部溫度分布極不均勻；鼻梁附近噴油溫度明顯高于其他區(qū)域?；鹆γ嫔戏? mm處的測溫點1，2，3，4，5，6和7處的溫度分別達到了118.3 ℃，113 ℃，240.7 ℃ 320 ℃，256.7 ℃，220.9 ℃和140.9 ℃，依據(jù)灰鑄鐵的材料性質(zhì)，在這種高溫下不宜長期使用，否則在斷裂時會產(chǎn)生金屬電阻。此外，在噴油器附近的測溫點4與測溫點5之間的溫度梯度最大，達8.33 c/mm。它的熱負荷和熱負荷都超過了正常范圍。

3結(jié)語

試驗結(jié)果表明，改進后的發(fā)動機汽缸蓋在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以很好地降低溫度，在額定轉(zhuǎn)速2100 r/min的情況下，測溫點4降低12.2 ℃，測溫點4與測溫點5之間的溫度梯度由9.7 ℃/mm降至7.8 ℃/mm，降率為19.6%，從而使改造方案能夠有效降低該重型柴油車的熱負荷和熱應(yīng)力。