王 萍， 譚禮斌， 黃 燦

(隆鑫通用動力股份有限公司 技術(shù)中心， 重慶 400039)

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機重要的子系統(tǒng)之一，其主要功能是實現(xiàn)發(fā)動機工作溫度的調(diào)節(jié)。發(fā)動機的工作性能受溫度影響，工作溫度過低或過高都不利于發(fā)動機的正常運行。因此，設(shè)計一個良好的冷卻系統(tǒng)可以保證發(fā)動機在最適宜的工作溫度運行，保證發(fā)動機運行功率[1]。水冷系統(tǒng)是發(fā)動機中常用的一種冷卻系統(tǒng)，其原理是通過水泵高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高壓帶動冷卻液流動，流經(jīng)冷卻水套，通過冷卻水套壁面與發(fā)動機進行熱量交換而進行散熱。保證發(fā)動機的散熱性能的關(guān)鍵是設(shè)計一個合理的冷卻水套結(jié)構(gòu)。

隨著制造業(yè)及先進制造技術(shù)的迅速發(fā)展，內(nèi)燃機的運行功率也在逐步提高，發(fā)動機熱負荷也必然增加，這對冷卻系統(tǒng)的散熱性能提出了更高的要求。冷卻水套內(nèi)冷卻液的流動情況和傳熱效果對發(fā)動機的使用壽命及可靠性的影響更為明顯。因此，需要尋求方法來清晰地描述和預(yù)測冷卻水套內(nèi)流動及傳熱情況，且需重點關(guān)注火花塞附近及排氣側(cè)等高溫區(qū)域的流動情況，從而對冷卻水套進行散熱性能評估及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進，使之滿足發(fā)動機散熱需求。由于發(fā)動機冷卻水套結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，采用常規(guī)的實驗測試方法無法獲取內(nèi)部冷卻液流動情況，而基于計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)的數(shù)值仿真預(yù)測方法恰好在此方面具有獨特優(yōu)勢[2-5]。通過CFD分析軟件可快速獲取冷卻水套內(nèi)部速度場、壓力場等流場信息，從而對冷卻水套內(nèi)部流動情況進行評估并提出針對性的改進建議[6-7]。高志寬等[8]采用ANSYS 軟件對電機冷卻水套性能進行了模擬，證明了水套冷卻后電機定子溫度降低且定子最高溫度滿足允許運行的最高溫度。王勛[9]采用Fluent軟件對某國產(chǎn)4缸汽油發(fā)動機冷卻水套進行了數(shù)值模擬，針對現(xiàn)階段冷卻水套不足提供了優(yōu)化建議。Chen 等[10]采用CFD模擬仿真的方法研究了不同冷卻結(jié)構(gòu)對內(nèi)燃機散熱性能的影響，為冷卻結(jié)構(gòu)方案的選擇提供了理論數(shù)據(jù)支撐。由此可見，CFD 模擬能快速獲取以往需要大量試驗才能獲得的流動細節(jié)信息，更有利于快速對冷卻結(jié)構(gòu)方案進行評估及改進，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

基于CFD技術(shù)在冷卻水套冷卻性能及結(jié)構(gòu)改進工作方面具有的獨特優(yōu)勢，本文以摩托車發(fā)動機冷卻水套為研究對象，采用流體分析軟件STAR-CCM+對其流場特性進行數(shù)值模擬研究，并依據(jù)流場模擬結(jié)果進行冷卻性能評估及針對性地改進，提升冷卻水套內(nèi)部冷卻液流動均勻性及流量分配合理性，為冷卻水套冷卻性能的評估及結(jié)構(gòu)改進提供相應(yīng)的理論指導及數(shù)據(jù)支撐。

1 物理模型

摩托車發(fā)動機冷卻水套三維模型如圖1所示，原水套缸墊共6個缸孔，且其截面積與缸頭上水孔大小一致，為全通狀態(tài)(GH為缸孔)。采用STAR-CCM+軟件中多面體網(wǎng)格及邊界層網(wǎng)格技術(shù)對冷卻水套進行網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格數(shù)量為200萬。其中，水套進出口增加拉伸層以確保進出口冷卻液流動穩(wěn)定，計算更易收斂，其長度按連接管路內(nèi)徑的3～5倍設(shè)置，完成后的計算域網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖1 發(fā)動機水套結(jié)構(gòu)

圖2 計算域網(wǎng)格

2 數(shù)學模型及邊界條件

流體流動滿足三大基本控制方程(連續(xù)性方程、動量方程和能量方程)，針對水套中的湍流流動采用相應(yīng)的湍流模型(k方程、epsilon方程)[11-13]進行求解。采用STAR-CCM+中realizable two-layerk-epsilon湍流模型實現(xiàn)求解。模擬求解前需要設(shè)置的邊界條件如下。

1)水套入口邊界條件：質(zhì)量流量為0.603 6 kg/s(采用85 ℃溫度下，發(fā)動機轉(zhuǎn)速為6 500 r/min，整車實測流量為30 L/min換算而成)。

2)水套出口邊界條件：壓力出口。

3)壁面邊界條件：采用無滑移壁面條件。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 速度場分析

冷卻液的流速是評價水套流動的重要指標，流速分布可以判定水套內(nèi)部是否有冷卻液滯止及速度集中區(qū)域。發(fā)動機缸體水套冷卻液流速達到0.5 m/s，排氣側(cè)及燃燒室熱負荷較高的區(qū)域冷卻液流速達到1 m/s，可以滿足散熱需求[14-15]。圖3為原方案水套速度流線圖。由圖可知，該發(fā)動機水套的排氣側(cè)下鼻梁區(qū)及火花塞區(qū)的冷卻液流速低，不利于高溫區(qū)的散熱，進氣側(cè)靠近水套出口，熱負荷低，排氣側(cè)部分冷卻液未得到利用直接流出，冷卻液利用率低，可能會影響發(fā)動機的正常運行。

圖3 原方案冷卻水套速度流線

圖4表示原方案水套內(nèi)部截面示意圖，主要用于查看水套內(nèi)部冷卻液速度分布。圖5為原方案水套內(nèi)部截面的速度分布云圖。根據(jù)截面速度分布云圖發(fā)現(xiàn)，缸體水套及缸頭鼻梁區(qū)出現(xiàn)冷卻液滯止區(qū)域，冷卻液流速低，會造成應(yīng)力集中，不利于發(fā)動機的散熱。結(jié)合速度場分析結(jié)果，為提升高溫區(qū)冷卻液的流速，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，后續(xù)可對缸墊缸孔進行改進設(shè)計，在保證低溫區(qū)冷卻的基礎(chǔ)上重點照顧高溫區(qū)的冷卻，提升冷卻液的利用率。

圖4 原方案水套內(nèi)部截面示意圖

圖5 原方案水套截面速度分布云圖

3.2 流量分布

圖6為水套缸頭截面示意圖，用于統(tǒng)計缸頭各冷卻通道的流量值。圖7為原方案冷卻水套缸頭各冷卻流道流量分配。進氣側(cè)熱負荷低，且靠近水套出口，其流量需求小于排氣側(cè)。由圖可知，進氣側(cè)部分流道流量分配高于排氣側(cè)，冷卻液利用率低，不利于排氣側(cè)的冷卻。

圖6 冷卻水套缸頭截面示意圖

圖7 原冷卻水套缸頭各冷卻流道流量分配

圖8為原方案冷卻水套各缸孔流量分配占比曲線。缸孔1主要冷卻熱負荷最低的進、排氣相間的區(qū)域，流經(jīng)缸孔1的流量占總流量的22.47%；缸孔2、3主要冷卻熱負荷較高的排氣側(cè)，流經(jīng)缸孔2、3的冷卻液流量占總流量的34.89%；缸孔4主要冷卻火花塞側(cè)，通過缸孔4的冷卻液流量占總流量的13.50%；缸孔5、6靠近水套出口，主要冷卻熱負荷低的進氣側(cè)，通過缸孔5、6的冷卻液流量占總流量的29.14%。熱負荷高的區(qū)域冷卻液流量分配過少， 進氣側(cè)冷卻液分配過多，冷卻液利用率低。

圖8 原方案冷卻水套各缸孔流量分配占比曲線

3.3 結(jié)構(gòu)改進

為保證高溫區(qū)域的冷卻，對該發(fā)動機水套缸墊上的缸孔進行改進設(shè)計，主要改進為：①減小缸孔1、3、5的流通面積；②去掉缸孔6，減少進氣側(cè)未得利用的冷卻液直接流出水套，提升冷卻液的利用率；③原缸孔2、4流通面積大小基本不變，提升高溫區(qū)的冷卻液流量。改進后的缸孔布局如圖9所示。

圖9 改進方案水套缸孔布局示意圖

改進方案水套速度流線圖如圖10所示。由圖10可知，水套缸頭內(nèi)冷卻液流速整體得到提升，熱負荷較高的排氣側(cè)冷卻液流速提升明顯，達2 m/s以上，火花塞側(cè)的冷卻液流速提升至1.8 m/s，進氣側(cè)流速稍有提升，高溫區(qū)域的冷卻效果得到了提升，滿足散熱需求。圖11為改進方案水套截面速度分布云圖。水套結(jié)構(gòu)改進后，缸體及缸頭鼻梁區(qū)的流速得到了提升，冷卻液滯止的區(qū)域減少，散熱風險降低。

圖10 改進方案水套速度流線

圖11 改進方案水套截面速度分布云圖

圖12為水套結(jié)構(gòu)改進前后各缸孔流量占比曲線。從圖中可以看出，水套結(jié)構(gòu)改進后各缸孔流量得到了重新分配，缸孔1的流量減少，流量占比為11.71%，比原方案降低10.76%，但缸孔1主要冷卻熱負荷低的區(qū)域，流量適當減少對該處的散熱影響不大；排氣側(cè)缸孔2、3的流量增加，流量占比為42.89%，比原方案增加8%，有利于高溫區(qū)域的散熱；火花塞側(cè)缸孔4流量增加，占總流量的24.94%，比原方案增加11.44%，有利于該處的散熱；進氣側(cè)缸孔5、6的冷卻液流量減少，流量占比為20.47%，比原方案降低8.67%，流經(jīng)該處的冷卻液主要冷卻熱負荷低的進氣側(cè)，該處流量減少，減少了未經(jīng)利用的冷卻液直接從水套出口流出，提升了冷卻液的利用率。

圖12 水套結(jié)構(gòu)改進前后各缸孔冷卻液流量占比曲線

圖13為水套結(jié)構(gòu)改進前后缸頭截面流量對比曲線。從圖中可以看出，水套結(jié)構(gòu)改進后，缸頭各截面流量較改進前有所提升，尤其是排氣側(cè)截面2、7、10流量大幅增加，最大提升51.13%，排氣側(cè)流量提升有利于水套高溫區(qū)的散熱；火花塞側(cè)截面3流量提升67.55%，流量提升可減少火花塞側(cè)應(yīng)力集中，確保該處的冷卻散熱。

圖13 水套結(jié)構(gòu)改進前后缸頭截面流量對比曲線

4 實驗驗證

為了驗證改進方案的可行性，對水套結(jié)構(gòu)改進前后轉(zhuǎn)速6 500 r/min工況下的發(fā)動機進行了熱平衡測試，在火花塞墊片處布置傳感器，采集發(fā)動機的缸溫，圖14為水套結(jié)構(gòu)改進前后發(fā)動機缸頭溫度對比。由圖可得，改進方案發(fā)動機缸頭溫度比原方案低8 ℃，表明水套改進方案有利于發(fā)動機的散熱，該研究方法及結(jié)果可為發(fā)動機冷卻水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考。

圖14 水套結(jié)構(gòu)改進前后發(fā)動機缸頭溫度對比

5 結(jié)論

通過對摩托車發(fā)動機冷卻水套流動特性的CFD模擬分析，改進了水套缸墊上的缸孔布局，并對改進后的水套結(jié)構(gòu)進行了校核分析，得出以下結(jié)論：

1)原方案水套內(nèi)部冷卻液流動均勻性較差，熱負荷高的排氣側(cè)及火花塞側(cè)冷卻液流速低，缸頭鼻梁區(qū)存在冷卻液滯止區(qū)域，不利于水套高溫區(qū)的散熱。

2)原方案缸墊上的缸孔設(shè)計存在缺陷，冷卻液流量分配不合理，造成高溫區(qū)流量分配少，低溫區(qū)分配多，冷卻液利用率低。

3)基于缸孔冷卻液流量分配及流動路徑綜合評估，對水套缸墊的缸孔進行結(jié)構(gòu)改進，結(jié)構(gòu)改進后水套熱負荷高的排氣側(cè)及火花塞側(cè)冷卻液流速及流量得到提升，熱負荷低的進氣側(cè)冷卻液利用率得到提高，缸頭溫度比原方案降低8 ℃，該研究方法及結(jié)果可為摩托車發(fā)動機冷卻水套的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論參考。