熊思琴

摘要：隨著市場對發(fā)動(dòng)機(jī)功率提升的要求，現(xiàn)針對單缸高功率發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和缸體冷卻不合理的問題，設(shè)計(jì)一種單缸發(fā)動(dòng)機(jī)混合式冷水水套，CFD結(jié)果表明：半切向進(jìn)水方式，使得其中2個(gè)缸墊分水孔能分流大部分冷卻液并對缸蓋高溫區(qū)域進(jìn)行冷卻，其余6個(gè)分水孔分得剩余冷卻液繞行缸體并向上流入缸蓋水套對其他缸蓋位置進(jìn)行冷卻，水套內(nèi)最高流速可達(dá)到1.81m/s，從水套入口到出口沒有出現(xiàn)冷卻液斷流現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：高功率;冷卻水套設(shè)計(jì);分水孔;流場

前言：

冷卻水套是作為發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中直接與發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件接觸的部分，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的微小差異對整個(gè)冷卻系統(tǒng)是否能發(fā)揮高的冷卻效率有著重要的影響。發(fā)動(dòng)機(jī)通過燃燒將燃料化學(xué)能釋放為熱能，部分熱能轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)車輛行駛的機(jī)械能的同時(shí)，部分熱能通過冷卻系統(tǒng)及時(shí)的散發(fā)到環(huán)境大氣中去。如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱性能不佳，則發(fā)動(dòng)機(jī)零部件熱負(fù)荷將增大。而熱負(fù)荷是影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性和耐久性的重要因素，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件熱負(fù)荷過大、溫度過高會(huì)導(dǎo)致零部件熱裂、燒蝕、蠕變、材料的硬度和強(qiáng)度急劇下降等問題;溫度過高，潤滑油膜容易被破壞甚至結(jié)焦，從而加速配氣機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)等動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損，使用壽命縮短;過高的進(jìn)氣道溫度會(huì)導(dǎo)致充氣效率下降，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能;同時(shí)還會(huì)引起燃油消耗量以及CO和HC污染排放物的增大[1]。

近年來，隨著人們對發(fā)動(dòng)機(jī)性能要求的提高，新型發(fā)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)高功率、大扭矩的特征。在提升動(dòng)力性能的同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件熱負(fù)荷也大為增加，從而對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)散熱性能提出了更高的要求。

當(dāng)前的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套技術(shù)研究主要針對多缸發(fā)動(dòng)機(jī)各缸整體性冷卻較多，強(qiáng)調(diào)不同氣缸之間冷卻的均勻性。而隨發(fā)動(dòng)機(jī)功率的增大，單缸發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻成為技術(shù)難題，尤其在結(jié)構(gòu)尺寸相對較小又較復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)缸蓋與缸體冷卻較為困難[2]。本文著眼于實(shí)現(xiàn)單缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋和缸體的合理冷卻，在溫度允許上下限之間，設(shè)計(jì)開發(fā)出一種單缸發(fā)動(dòng)機(jī)混合式冷水水套。

1、冷卻水套設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

冷卻水套計(jì)算模型（如圖1所示）包括缸蓋水套和缸體水套，由于缸蓋燃燒室、火花塞孔、氣門導(dǎo)管孔以及排氣歧管周圍均屬高溫區(qū)，不僅需要較多的冷卻液，而且冷卻液的平均流動(dòng)速度也不能太低，更不能存在較多的死水區(qū)和漩渦。為改善冷卻液在水套中的流動(dòng)分布，現(xiàn)設(shè)計(jì)水套入口為半切向進(jìn)水方式，缸墊分水孔布置情況如圖2所示。在排氣側(cè)設(shè)置兩個(gè)分水孔孔1和孔2，在周向上另外設(shè)置了6個(gè)分水孔孔3-孔8。

圖1? ? ? ? ? ? ? 圖2? ? ? ? ? ? ? ?圖3? ? ? ? ? ?圖4

2.CFD模擬分析

CFD技術(shù)發(fā)展成熟并由其周期短、計(jì)算精度高，且可視性強(qiáng)等特點(diǎn)，被越來越多的應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域。本文將借助于CFD軟件FIRE對發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套進(jìn)行流固偶合數(shù)值分析，對計(jì)算得出的直觀的速度場評價(jià)該設(shè)計(jì)水套的冷卻效果。

2.1計(jì)算網(wǎng)格

本文使用hypermesh專業(yè)軟件對模型網(wǎng)格進(jìn)行處理，其中缸蓋、缸體、進(jìn)排氣管等若干實(shí)體進(jìn)行獨(dú)立的網(wǎng)格劃分;同時(shí)對關(guān)鍵部位如冷卻水套分水孔處、進(jìn)排氣道鼻梁區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，并對整體網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，以提高網(wǎng)格總體質(zhì)量。通過網(wǎng)格質(zhì)量檢查可保證當(dāng)前模型的面網(wǎng)格質(zhì)量足以滿足計(jì)算要求后，自動(dòng)生成耦合體網(wǎng)格。

2.2冷卻液的物理屬性

介質(zhì)選擇50%乙二醇/50%純水的混合物，密度：1026.89kg/m

粘度：0.00076kg/m·s，比熱容：2415J/kg·K，導(dǎo)熱率：0.415W/m-K。

2.3計(jì)算模型邊界條件確定

給定的發(fā)動(dòng)機(jī)工作在最大功率14.5KW時(shí)轉(zhuǎn)速為8000r/min，冷卻液進(jìn)水口溫度333.1K，環(huán)境溫度298K，大氣壓強(qiáng)101.325Kpa，濕度83%，進(jìn)口的流速0.931m/s。

2.4流體介質(zhì)及模擬狀態(tài)

水套耦合模型采用穩(wěn)態(tài)的計(jì)算模式，在模擬計(jì)算過程中認(rèn)為冷卻液在機(jī)體、缸蓋冷卻水通道中的流動(dòng)是絕熱、不可壓縮的粘性湍流流動(dòng)，采用Realizable k-ε[3]雙程湍流模型，并在近壁面區(qū)域應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，采用Simple算法。設(shè)定殘差小于10-4，若計(jì)算達(dá)到此要求，則認(rèn)為計(jì)算收斂。

3.水套速度場結(jié)果分析

圖3與圖4分別所示為水套內(nèi)部在冷卻過程中的速度場分布情況，通過對流場整體分布分析可看出本方案分水孔的設(shè)計(jì)可使該水套呈現(xiàn)出混合式冷卻效果。入口采用半切向進(jìn)水方式，在排氣側(cè)設(shè)置兩個(gè)分水孔1、2，用于分流冷卻液并引入水套上部重點(diǎn)冷卻缸蓋排氣側(cè)高溫區(qū)。由于缸蓋高溫區(qū)熱負(fù)荷較大，特給1、2兩個(gè)分水孔設(shè)置較大孔徑，引入較大量的冷卻液，以達(dá)到重點(diǎn)冷卻缸蓋高溫區(qū)的目的。在周向上另外設(shè)置6個(gè)分水孔3-8用于分流繞流缸體的冷卻液，其中，4-8孔較小，3孔較大，從速度云圖上可看到現(xiàn)周向上不同區(qū)域都有較少冷卻液進(jìn)入缸蓋。這樣，冷卻液既實(shí)現(xiàn)了對缸體的繞流冷卻，同時(shí)又從不同的周向位置上進(jìn)入缸蓋水套，實(shí)現(xiàn)了對缸蓋不同區(qū)域的冷卻。所有冷卻液在冷卻缸蓋后從缸蓋進(jìn)氣側(cè)上部的出水口離開。從水套入口到出口的冷卻液流動(dòng)過程中沒有出現(xiàn)任何斷流的現(xiàn)象，水套內(nèi)最高流速可達(dá)到1.81m/s。

4結(jié)論

1）通過設(shè)置切向入口方式，實(shí)現(xiàn)了混合式冷卻水套方案，可使冷卻液整體上分成兩部分流體，一部分直接進(jìn)入缸蓋水套，另一部分先繞流冷卻缸體水套，最后再進(jìn)入缸蓋水套，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)缸體和缸蓋。

2）通過合理設(shè)置8個(gè)分水孔方案，實(shí)現(xiàn)了冷卻液部分重點(diǎn)冷卻缸蓋高溫區(qū)，部分對缸體實(shí)現(xiàn)繞流冷卻。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造（上冊）[M].北京人民交通出版.2002，3：240-240.

[2]劉福水，閔祥芬，等.柴油機(jī)冷卻水套的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].汽車工程.2014，36（6）：728-733.

[3]張應(yīng)兵，陳懷望，許濤.CFD技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車工程師.2012，4：1-5.