某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)水套的熱力學(xué)仿真分析

潘海杰，李佳隆，徐成思，王 毅

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000；2.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004）

0 引言

冷卻系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱管理的重要保障，確保發(fā)動(dòng)機(jī)在合適溫度下工作，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常使用。發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，燃燒室內(nèi)瞬時(shí)最高溫度達(dá)2 500 K 以上，若冷卻不足，活塞頂、缸體等與高溫燃燒氣體直接接觸的部件將出現(xiàn)強(qiáng)度降低，甚至有融化的風(fēng)險(xiǎn)，不能再保持其固有運(yùn)行狀態(tài)。

發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)缸內(nèi)熱負(fù)荷較大，需要進(jìn)行適當(dāng)冷卻。研究表明，冷卻不足會(huì)導(dǎo)致氣缸材料強(qiáng)度降低，材料變形，潤滑油氧化，潤滑油黏度下降，以及因缸內(nèi)過熱而發(fā)生早火或爆燃等異常燃燒。而冷卻過度則會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)溫度低，造成不完全燃燒，熱效率降低，燃料消耗率增加；而且在溫度較低的情況下，潤滑油黏度過高，增加摩擦損失；燃料不能充分蒸發(fā)，使起動(dòng)困難，甚至?xí)T發(fā)低溫腐蝕。由此可知，冷卻性能嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性。

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的散熱能力，主要影響因素有兩點(diǎn)：其一是散熱器與風(fēng)扇的匹配；其二則是冷卻水套的優(yōu)化[1]。冷卻水套作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，通過內(nèi)部冷卻液的流動(dòng)帶走發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量，從而保證缸蓋、缸體、活塞頭部及燃燒室等熱負(fù)荷偏高區(qū)域處于合適溫度。因此，有必要對(duì)水套結(jié)構(gòu)的冷卻性能進(jìn)行分析，以優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)性能及熱效率。目前在實(shí)際工程中，常采用CFD 軟件進(jìn)行流動(dòng)和傳熱分析。雷基林等[2-3]采用Fire 軟件對(duì)冷卻水套內(nèi)部流動(dòng)特性進(jìn)行分析，并提供了對(duì)水套冷卻性能的優(yōu)化建議。譚禮斌[4]等利用STAR-CCM+軟件進(jìn)行流固共軛傳熱分析，得到了冷卻水套內(nèi)流場(chǎng)分布和傳熱特性。因此，通過對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行CFD 仿真計(jì)算，可以評(píng)估水套的傳熱性能，從而為水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論支撐。

1 水套模型建立及邊界條件設(shè)置

本文選取了某四缸發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水套為研究對(duì)象，主要通過Converge 軟件對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)仿真分析。首先，將已建好的水套3D 模型導(dǎo)入Converge 并進(jìn)行邊界劃分，如圖1 所示，分為進(jìn)水口、缸體水套、缸蓋水套、出水口以及導(dǎo)管部分。該水套為串聯(lián)式水套，冷卻水由進(jìn)水口流入，按序冷卻各缸，然后流經(jīng)缸體、缸蓋，最后在出水口排出，完成一輪冷卻循環(huán)。

圖1 水套結(jié)構(gòu)圖

仿真時(shí)以水作為冷卻流體，密度設(shè)為998 kg/m3，視作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；計(jì)算模式選擇適用范圍廣的RNG k-ε 湍流模型和Standard wall 壁面函數(shù)；基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸設(shè)為4 mm，并在缸蓋處進(jìn)行加密，以保證計(jì)算收斂精度并優(yōu)化計(jì)算所需時(shí)長[5]。如圖2 所示，缸體水套網(wǎng)格約6.4 萬，缸蓋網(wǎng)格約37.6 萬，整體模型的網(wǎng)格數(shù)量約45 萬。

圖2 水套網(wǎng)格設(shè)定圖

根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定邊界條件，進(jìn)口流速大小設(shè)為206 L/min，入口溫度90 ℃；缸體水套、缸蓋水套和導(dǎo)管均設(shè)為固定壁面，壁面溫度130 ℃。同時(shí)把出水口設(shè)為壓力出口，出水壓力230 kPa。

2 水套仿真結(jié)果分析

2.1 流速分布分析

圖3 給出了水套熱力學(xué)仿真后的冷卻水流速分布云圖，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域的流速差異明顯?？偟膩碚f，進(jìn)水口和第一缸缸套處的流速最大，超過1.2 m/s，其后各缸流速依次減小，出水口處流速有所回升。圖4所示為缸蓋處冷卻水的流速分布，從圖知排氣口附近區(qū)域的流速達(dá)到1 m/s，滿足冷卻強(qiáng)度要求，有助于快速降低排氣口區(qū)域的溫度。缸蓋火花塞區(qū)域處的流速低，不超過0.8 m/s，冷卻效果并不理想。此外，冷卻液在缸蓋排氣側(cè)的平均流速較高，證明該處冷卻效果優(yōu)良。

圖3 缸體水套流速圖

圖4 缸蓋水套流速圖

由前所述，一缸的流速最高，平均流速達(dá)2 m/s，其他缸的流速則依次降低。二缸、三缸進(jìn)氣側(cè)流速驟降，鼻梁區(qū)流速也明顯減小。根據(jù)云圖所示，二缸中冷卻液流動(dòng)速度約為1.2 m/s，而三缸中平均流速僅0.8 m/s 左右，冷卻效果一般；至于第四缸，其冷卻液流動(dòng)最慢，絕大多數(shù)低于0.5 m/s，較第1 缸處的流速下降了75%，冷卻效果差。這種現(xiàn)象是由串聯(lián)式水道結(jié)構(gòu)造成的，冷卻水經(jīng)入口處依次流經(jīng)各缸，造成各缸之間冷卻效果差異明顯，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體性能有不利影響。此外，由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)排氣測(cè)流入的冷卻液在水套鼻梁區(qū)處發(fā)生對(duì)沖，導(dǎo)致流速降低，降低了冷卻性能。

2.2 流動(dòng)死區(qū)分析

圖5 中著色部分皆為流速低于0.5 m/s 的部分，即流動(dòng)死區(qū)，該區(qū)域多集中在第四缸的缸壁上及部分排氣管區(qū)域附近。流動(dòng)死區(qū)的存在代表著此處水流緩慢，無法起到冷卻效果，嚴(yán)重影響冷卻性能，故此區(qū)域應(yīng)是越少越好，是亟待優(yōu)化的結(jié)構(gòu)部分。

圖5 水套流動(dòng)死區(qū)圖

2.3 換熱系數(shù)分析

圖6 所示為水套的換熱系數(shù)分布。由于換熱系數(shù)與流速成正比，故進(jìn)水口處的換熱系數(shù)最大，達(dá)15 000 W/（m2·K）。研究結(jié)果表明，水套結(jié)構(gòu)達(dá)到冷卻要求的條件是其平均換熱系數(shù)超過5 000 W/（m2·K）。對(duì)比可知進(jìn)水口處的冷卻效果十分優(yōu)良。在排氣口，由于區(qū)域內(nèi)的流體流速較高，整體換熱系數(shù)偏大，大部分區(qū)域的換熱系數(shù)達(dá)10 000 W/（m2·K）之上，亦證明該水套滿足排氣口的冷卻強(qiáng)度要求。

圖6 缸體水套換熱系數(shù)圖

串聯(lián)式水道結(jié)構(gòu)造成各缸冷卻水的流速差距顯著，故各缸間的換熱系數(shù)值也有很大區(qū)別。由圖6知，一缸處的平均換熱系數(shù)超過10 000 W/（m2·K），冷卻性能良好。而四缸處的平均換熱系數(shù)在5 000 W/（m2·K）左右，甚至部分區(qū)域僅有3000 W/（m2·K），勉強(qiáng)滿足冷卻需求。由此產(chǎn)生的后果是一缸和四缸的溫度差別較大，缸體存在局部變形的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于熱負(fù)荷較高的缸蓋鼻梁區(qū)，部分區(qū)域的換熱系數(shù)值相對(duì)偏小，可能存在局部冷卻不足的隱患。

2.4 壓力場(chǎng)分析

圖7 較為清楚地展示了水套各部分的壓力分布情況，其中進(jìn)口處的壓力最大。由于結(jié)構(gòu)設(shè)置，大量冷卻水從進(jìn)口處快速流入一缸水套，致使一缸與進(jìn)口相接觸區(qū)域的壓力猛增，達(dá)260 MPa。冷卻水進(jìn)入水套后，流通面積增大，流速放緩，壓力逐漸減小，并在出水口處達(dá)到最小值225 MPa。由于冷卻液經(jīng)缸體水套流入缸蓋水套，因此前者壓力更大，在245 MPa～265 MPa 間。相較于流速和換熱系數(shù)分布，各缸之間的壓力分布較為均勻。盡管第四缸壓力依然最小，但其和一缸壓力的差值不超過15 MPa，差距僅6%，說明串聯(lián)式水道結(jié)構(gòu)對(duì)壓力分布的影響較小。仿真計(jì)算結(jié)果顯示總流量為206 L/min，總壓損為40 kPa，故該壓損處于良好水平，水套的冷卻性能符合要求。

圖7 水套壓力圖

3 結(jié)論

（1）缸蓋水套部分整體流速均在1 m/s 左右，流動(dòng)死區(qū)較少，且平均換熱系數(shù)在10 000 W/（m2·K）以上，擁有較好的冷卻能力；

（2）缸體水套部分平均流速達(dá)0.5 m/s，平均換熱系數(shù)超過5 000 W/（m2·K），但第四缸缸壁上存在較大面積的流動(dòng)死區(qū)，冷卻效果一般；

（3）缸蓋鼻梁區(qū)和火花塞區(qū)域附近，平均換熱系數(shù)在10 000 W/（m2·K）以上，但該區(qū)域的流速普遍偏低，不滿足流速大于1.5m/s 的要求，冷卻效果不佳，有待優(yōu)化。