小型柴油機冷卻系統優化設計

石章能++王洪榮

摘 要：采用數值模擬方法對某小型柴油機冷卻水套進行了優化分析，通過對水套流速及換熱系數等進行分析，改進水套結構設計、增大水泵流量、更改缸墊分水孔并對其進行優化和仿真分析。結果表明，優化后的水套內水流速度和散熱能力大大改善。結合對故障件故障現象的分析，提出需限制轉速和調節預熱塞插于預燃室深度的方案。最后通過試驗驗證了所提的優化方案，解決了此柴油機的散熱問題，對解決柴油機散熱問題具有一定的工程實際意義和參考價值。

關鍵詞：柴油機；冷卻系統；優化設計；水套；計算流體動力學

中圖分類號：TK422文獻標文獻標識碼：A文獻標DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.06

中國是個農業大國，隨著國民經濟的日益發展，廣大農村地區對農用機械的需求也日益加大。中國農村道路條件差、油品差、超載等極端惡劣的使用環境，要求面向農村市場的柴油機應具有高可靠性、高動力性和高經濟性。冷卻系統不僅影響柴油機工作的可靠性，更是直接影響其經濟性和排放性的重要因素，冷卻系統的優化設計是發動機設計的一個重要環節。傳統的冷卻系統設計主要是通過經驗設計與測試驗證相結合的方式，設計周期長，投入大，而且無法直觀地表現設計效果。隨著計算機技術的不斷發展，現代發動機設計過程更多地采用計算機輔助設計及模擬仿真技術。計算流體動力學（Computational Fluid Dynamic，CFD）技術在流場分析方面具有高效、可靠、直觀等優點，已廣泛運用到發動機冷卻系統設計中[1-2]。本文針對某小型柴油機開鍋問題，采用CFD分析進行冷卻系統優化設計，并通過試驗測試驗證。

1 發動機問題描述及分析

1.1 發動機及整車基本信息

本文研究對象為一款四沖程、單缸、臥式柴油發動機，其目標車型為低速貨車，目標市場為路況較為惡劣且保養條件不足的農村等市場。此發動機的使用環境比較惡劣，經常會在超載、低保養情況下使用，因此對發動機可靠性要求比較高。發動機及搭載的車型如圖1和圖2所示，發動機及整車的基本參數見表1。

1.2 發動機主要故障問題描述

發動機在臺架試驗過程中，高轉速大負荷工況出現比較嚴重的水箱開鍋故障，在道路試驗中，原地運行5 min出現水箱開鍋。通過加大水箱，增大散熱器面積，提高散熱器水箱位置等方法后，發動機可連續運轉幾個小時，但最終出現預燃室嵌塊脫落，缸蓋燒穿，仍然開鍋的現象。圖3為燒蝕的嵌塊及燒穿的缸蓋故障件。

1.3 故障問題分析

在試驗過程中，發動機進出水溫度正常，實測溫度為70 ℃～80 ℃之間，在故障出現前一直保持正常狀態的進出水溫度，故障出現時發現水溫急劇上升至開鍋，檢查發現缸蓋燒穿漏水的現象。根據故障出現過程分析認為此故障屬于零部件失效的問題。并根據多次故障件的故障現象和了解到的原機為四缸柴油機更改為單缸機型，確定此機從原機更改為單缸機過程中，直接沿用了原機基本結構，并未針對更改后的高轉速運轉的使用工況進行設計。故障原因是由于發動機轉速過高熱負荷過大，使嵌塊在高溫使用狀態下由于材料熱膨脹系數不同，在高溫過程中出現嵌塊與缸蓋鋁合金接觸不良后產生預燃室內部溫度過高難以及時導熱而致使嵌塊燒蝕后逐步擴散到缸蓋中，導致燒穿缸蓋而漏水失效的故障[3-6]。

同時發現在每次試驗過程中，嵌塊燒蝕的方向都是預熱塞正對的方向（圖4），判定預熱塞對嵌塊燒蝕有一定影響，預熱塞伸進去的位置對燃燒溫度有影響[7]。

在試驗過程中常常發現有高溫氣體排出，經分析認為導致此現象的原因為：此發動機的參考原機為直立四缸柴油機，通過減少缸體數量變為臥式單缸機，因原機為直立而更改后的柴油機為臥式，原來可以順利排出的高溫水汽，更改后無法順利排出，導致發動機局部溫度過高。

通過以上故障現象分析討論后認為此柴油機冷卻系統需進行重新優化設計。

3 試驗驗證

根據模型對比分析及故障件分析后確定樣機試驗方案為：（1）新設計水套后的缸蓋缸體；（2）調整傳動比后重新設計的水泵 ；（3）更改設計后使用的缸墊 ；

（4）水箱移動到發動機中部；（5）限制發動機最高轉速為4 000 r/min；（6）優化預燃室嵌塊結構；（7）預熱塞后退3 mm。

根據方案制作的試驗樣車（圖10）完成了500 h臺架耐久性測試，通過了12 000 km道路負載試驗未出現溫度過高的問題，未出現缸蓋燒穿，預燃室嵌塊燒蝕等現象，在試驗過程中缸蓋及發動機進出水溫度一直保持正常。

對比原始模型和優化后模型的試驗數據（表2）可以看到，優化后的模型方案明顯優于原始方案。

4 結論

本文采用CFD方法針對小型單缸柴油機進行冷卻水套優化設計，通過增大冷卻水流速、減小水套容積、優化分水孔尺寸及分布的方法有效地改善了發動機水套內的流場分布。針對局部關鍵位置進行了結構優化設計，使局部流場性能提高，優化設計后的缸蓋水套的整體換熱能力也得到提高。通過試驗驗證，最終解決了此柴油機的散熱問題。

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