基于CFD技術的增壓發動機冷卻水套性能分析

田國慶，邱若友，陳友祥，羅俊

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

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基于CFD技術的增壓發動機冷卻水套性能分析

田國慶，邱若友，陳友祥，羅俊

（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

摘 要：由于某2.0L汽油發動機需要提升動力性，計劃在原自然吸氣發動機的基礎上增加渦輪增壓器，需要對冷卻水套的換熱性能進行CFD仿真計算。經過分析發現，原發動機冷卻水套無法滿足增壓發動機的換熱需求，需對缸墊排氣側水孔和缸蓋排氣門鼻梁區右側水套進行改進。

關鍵詞：冷卻水套；仿真；換熱；改進

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.014

CLC NO.: U472.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-43-03

引言

為了達到企業降低平均油耗的目標，增壓技術被越來越多用于提高發動機動力性和經濟性。某2.0L汽油發動機需要提升性能，計劃在原自然吸氣發動機的基礎上增加渦輪增壓器，但是對發動機冷卻水套的要求會更加苛刻，所以需要對冷卻水套的換熱性能進行計算分析。

本文利用Flowmaster軟件建立發動機冷卻系統的1D仿真模型，確定發動機水套各進出口流量。然后，利用Fire軟件建立發動機水套的3D分析模型，判斷原發動機水套是否滿足渦輪增壓發動機的換熱要求，并提出優化建議。

1、冷卻系統1D仿真模型的建立

1.1 邊界條件

圖1　水泵性能曲線

對發動機冷卻系統進行1D計算，需要考慮整車冷卻系統在內的所有邊界條件，主要包括五部分：發動機水泵性能、發動機水套阻尼、散熱器阻尼、暖風阻尼和各管路阻尼。其中發動機水泵性能曲線如圖1所示，各冷卻部件阻尼通過零部件單體阻尼試驗測得，如圖2所示，管路阻尼通過一維建模確定管路的長度和粗糙度進行定義。由于增壓渦輪增壓器后，冷卻系統邊界中增加了油冷器進、出回路和渦輪增壓器冷卻進、出回路。

圖2　冷卻部件流阻特性曲線

1.2 冷卻系統1D仿真計算

根據發動機冷卻系統原理圖建立整車1D冷卻系統計算模型，如圖3所示。根據水泵性能曲線，計算中水泵轉速為5600rpm，流量為220L/min。對冷卻系統進行一維計算，得到冷卻系統各個支路流量分配情況，具體流量分配如圖3所示。

圖3　冷卻系統1D計算模型

根據冷卻系統流量分配情況，確定發動機水套冷卻水套進出口流量，如表1所示。

表1　冷卻水套進出口流量

2、發動機水套換熱性能3D仿真分析

2.1 網格劃分

發動機水套包括缸體水套、缸蓋水套和氣缸墊水孔三個部分，通常將這三各部分分別劃分網格，組裝后再進行計算。這樣既可以降低網格劃分的難度，又可以在優化設計時有利于減少模型修改后重新劃分網格的時間。在前處理軟件HyperMesh中對水套三維模型進行六面體網格劃分，網格數目為1250244個，如圖4所示。

圖4　水套模型網格處理

2.2 評價標準

水和乙二醇具有不同的流體特性，通過改變二者不同的混合比例可以影響冷卻液的流動和換熱。該型發動機使用乙二醇作為冷卻介質，物理屬性如表2所示。

表2　乙二醇混合液物理屬性

通常冷卻水套性能需要滿足以下要求：

（1）缸蓋的氣門鼻梁區的換熱系數一般不小于14000W/m2K；

（2）缸體火力岸面的換熱系數一般不小于5700W/m2K。

2.3 計算結果

圖5為缸蓋水套換熱系數云圖，從計算結果來看，缸蓋三缸、四缸滿足“氣門鼻梁區的換熱系數一般不小于14000W/m2K”的換熱要求；缸蓋一缸、二缸不滿足換熱要求，其中排氣門鼻梁區右側換熱系數僅為8000W/m2K。

圖5　缸蓋水套換熱系數圖

圖6為缸體水套換熱系數云圖，從計算結果來看，缸體一缸、二缸和三缸滿足“火力岸面換熱系數一般不小于5700W/m2K”的換熱要求；缸體四缸火力岸面換熱系數偏小，僅為2000W/m2K，不滿足要求。

圖6　缸體水套換熱系數圖

圖7為缸蓋流速在0-1m/s范圍內的速度云圖，從速度云圖中可以看出，缸蓋一缸、二缸換熱系數不滿足要求的原因為：冷卻液通過缸體水套進入缸蓋水套后，并未沿鼻梁區左右兩側流動，而是傾向于沿左側鼻梁區流動，造成右側鼻梁區冷卻液較少，進而換熱系數偏小。

圖7　缸蓋水套速度云圖

圖8為缸體水套流速在0-1m/s范圍內的速度云圖，從圖中可以看出，大量冷卻液在通過缸墊進入缸蓋之前，先進入油冷器水路和增壓器冷卻水路，進入導致流向四缸的冷卻液較少。

圖8　缸體水套速度云圖

優化建議，減小缸墊的一缸、二缸排氣側水孔，增加流向四缸的冷卻液；增加缸蓋一缸、二缸排氣門鼻梁區右側的水套寬度。

3、結論

自然吸氣發動機升級為渦輪增壓發動機，由于冷卻水路中增加了油冷器進、出回路和增壓器冷卻進、出回路，原冷卻水套無法滿足發動機換熱需求。經過CFD分析發現，缸蓋一缸、二缸排氣門鼻梁區右側的換熱系數較小；缸體四缸火力岸面換熱系數偏小。可以通過減小缸墊的一缸、二缸排氣側水孔和加大缸蓋水套一缸、二缸排氣門鼻梁區右側寬度方法來改進換熱系數。

參考文獻

[1] 劉凱,姚煒,張超.基于CFD技術的發動機水套選型及優化設計[J].汽車零部件,2014(10).

[2] 王宏大,李娟等.基于CFD技術的水套優化設計[J].汽車制造業,2012(5).

[3] 張旭,李紅政,關帥.發動機缸體冷卻水套的CFD分析與優化設計探析[J].中國機械,2014(2).

The Analysis of Water Jacket Performance of Turbocharge Engine Based on CFD Technology

Tian Guoqing, Qiu Ruoyou, Chen Youxiang, Luo Jun
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

Abstract:As the need for a 2.0L gasoline engine power upgrade, plans to on the original of the naturally aspirated engine based on increased turbocharger, needed for the cooling water jacket for thermal performance of CFD simulation calculation.After analysis, the original engine cooling water jacket can not meet the turbocharged engine the heat demand, need to improve the cylinder pad on the exhaust side hole and cylinder head exhaust Gate Bridge area on the right side of the water jacket.

Keywords:Water jacket; Simulation; Heat exchange; Improvement

作者簡介：田國慶，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心。

中圖分類號：U472.2

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988(2016)03-43-03