石章能++王洪榮

摘 要：采用數(shù)值模擬方法對(duì)某小型柴油機(jī)冷卻水套進(jìn)行了優(yōu)化分析，通過(guò)對(duì)水套流速及換熱系數(shù)等進(jìn)行分析，改進(jìn)水套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增大水泵流量、更改缸墊分水孔并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化和仿真分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后的水套內(nèi)水流速度和散熱能力大大改善。結(jié)合對(duì)故障件故障現(xiàn)象的分析，提出需限制轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)預(yù)熱塞插于預(yù)燃室深度的方案。最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了所提的優(yōu)化方案，解決了此柴油機(jī)的散熱問(wèn)題，對(duì)解決柴油機(jī)散熱問(wèn)題具有一定的工程實(shí)際意義和參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；冷卻系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；水套；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)：TK422文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.06

中國(guó)是個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，廣大農(nóng)村地區(qū)對(duì)農(nóng)用機(jī)械的需求也日益加大。中國(guó)農(nóng)村道路條件差、油品差、超載等極端惡劣的使用環(huán)境，要求面向農(nóng)村市場(chǎng)的柴油機(jī)應(yīng)具有高可靠性、高動(dòng)力性和高經(jīng)濟(jì)性。冷卻系統(tǒng)不僅影響柴油機(jī)工作的可靠性，更是直接影響其經(jīng)濟(jì)性和排放性的重要因素，冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)試驗(yàn)證相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，投入大，而且無(wú)法直觀地表現(xiàn)設(shè)計(jì)效果。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程更多地采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及模擬仿真技術(shù)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，CFD）技術(shù)在流場(chǎng)分析方面具有高效、可靠、直觀等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛運(yùn)用到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中[1-2]。本文針對(duì)某小型柴油機(jī)開(kāi)鍋問(wèn)題，采用CFD分析進(jìn)行冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)題描述及分析

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)及整車基本信息

本文研究對(duì)象為一款四沖程、單缸、臥式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其目標(biāo)車型為低速貨車，目標(biāo)市場(chǎng)為路況較為惡劣且保養(yǎng)條件不足的農(nóng)村等市場(chǎng)。此發(fā)動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常會(huì)在超載、低保養(yǎng)情況下使用，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性要求比較高。發(fā)動(dòng)機(jī)及搭載的車型如圖1和圖2所示，發(fā)動(dòng)機(jī)及整車的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)主要故障問(wèn)題描述

發(fā)動(dòng)機(jī)在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，高轉(zhuǎn)速大負(fù)荷工況出現(xiàn)比較嚴(yán)重的水箱開(kāi)鍋故障，在道路試驗(yàn)中，原地運(yùn)行5 min出現(xiàn)水箱開(kāi)鍋。通過(guò)加大水箱，增大散熱器面積，提高散熱器水箱位置等方法后，發(fā)動(dòng)機(jī)可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)幾個(gè)小時(shí)，但最終出現(xiàn)預(yù)燃室嵌塊脫落，缸蓋燒穿，仍然開(kāi)鍋的現(xiàn)象。圖3為燒蝕的嵌塊及燒穿的缸蓋故障件。

1.3 故障問(wèn)題分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度正常，實(shí)測(cè)溫度為70 ℃～80 ℃之間，在故障出現(xiàn)前一直保持正常狀態(tài)的進(jìn)出水溫度，故障出現(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)水溫急劇上升至開(kāi)鍋，檢查發(fā)現(xiàn)缸蓋燒穿漏水的現(xiàn)象。根據(jù)故障出現(xiàn)過(guò)程分析認(rèn)為此故障屬于零部件失效的問(wèn)題。并根據(jù)多次故障件的故障現(xiàn)象和了解到的原機(jī)為四缸柴油機(jī)更改為單缸機(jī)型，確定此機(jī)從原機(jī)更改為單缸機(jī)過(guò)程中，直接沿用了原機(jī)基本結(jié)構(gòu)，并未針對(duì)更改后的高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)的使用工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。故障原因是由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)高熱負(fù)荷過(guò)大，使嵌塊在高溫使用狀態(tài)下由于材料熱膨脹系數(shù)不同，在高溫過(guò)程中出現(xiàn)嵌塊與缸蓋鋁合金接觸不良后產(chǎn)生預(yù)燃室內(nèi)部溫度過(guò)高難以及時(shí)導(dǎo)熱而致使嵌塊燒蝕后逐步擴(kuò)散到缸蓋中，導(dǎo)致燒穿缸蓋而漏水失效的故障[3-6]。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)在每次試驗(yàn)過(guò)程中，嵌塊燒蝕的方向都是預(yù)熱塞正對(duì)的方向（圖4），判定預(yù)熱塞對(duì)嵌塊燒蝕有一定影響，預(yù)熱塞伸進(jìn)去的位置對(duì)燃燒溫度有影響[7]。

在試驗(yàn)過(guò)程中常常發(fā)現(xiàn)有高溫氣體排出，經(jīng)分析認(rèn)為導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因?yàn)椋捍税l(fā)動(dòng)機(jī)的參考原機(jī)為直立四缸柴油機(jī)，通過(guò)減少缸體數(shù)量變?yōu)榕P式單缸機(jī)，因原機(jī)為直立而更改后的柴油機(jī)為臥式，原來(lái)可以順利排出的高溫水汽，更改后無(wú)法順利排出，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)局部溫度過(guò)高。

通過(guò)以上故障現(xiàn)象分析討論后認(rèn)為此柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)需進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)模型對(duì)比分析及故障件分析后確定樣機(jī)試驗(yàn)方案為：（1）新設(shè)計(jì)水套后的缸蓋缸體；（2）調(diào)整傳動(dòng)比后重新設(shè)計(jì)的水泵 ；（3）更改設(shè)計(jì)后使用的缸墊 ；

（4）水箱移動(dòng)到發(fā)動(dòng)機(jī)中部；（5）限制發(fā)動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速為4 000 r/min；（6）優(yōu)化預(yù)燃室嵌塊結(jié)構(gòu)；（7）預(yù)熱塞后退3 mm。

根據(jù)方案制作的試驗(yàn)樣車（圖10）完成了500 h臺(tái)架耐久性測(cè)試，通過(guò)了12 000 km道路負(fù)載試驗(yàn)未出現(xiàn)溫度過(guò)高的問(wèn)題，未出現(xiàn)缸蓋燒穿，預(yù)燃室嵌塊燒蝕等現(xiàn)象，在試驗(yàn)過(guò)程中缸蓋及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫度一直保持正常。

對(duì)比原始模型和優(yōu)化后模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（表2）可以看到，優(yōu)化后的模型方案明顯優(yōu)于原始方案。

4 結(jié)論

本文采用CFD方法針對(duì)小型單缸柴油機(jī)進(jìn)行冷卻水套優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)增大冷卻水流速、減小水套容積、優(yōu)化分水孔尺寸及分布的方法有效地改善了發(fā)動(dòng)機(jī)水套內(nèi)的流場(chǎng)分布。針對(duì)局部關(guān)鍵位置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使局部流場(chǎng)性能提高，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的缸蓋水套的整體換熱能力也得到提高。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終解決了此柴油機(jī)的散熱問(wèn)題。

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