某款汽油發動機冷卻水套的優化設計

惠昭晨，張應兵，歐陽彩云（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

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某款汽油發動機冷卻水套的優化設計

惠昭晨，張應兵，歐陽彩云
（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

根據某款汽油發動機整車冷卻系統的布置方案，建立冷卻系統一維模型，計算得到水套各進出口邊界條件，以該數據作為輸入進行冷卻水套的CFD分析，對水套關鍵位置的冷卻能力進行分析評估，并提出水套結構改進方案，最后進行改進結構的驗證分析。

冷卻系統；CFD；水套；有限元

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.017

CLC NO.: U464Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-51-04

前言

發動機散熱一直是設計人員關注的重點[1]，如果發動機冷卻能力不足，會導致發動機工作條件惡化，進而引起發動機動力性、經濟性全面變差[2]，作為發動機重要發展方向的增壓技術的應用[3]，會使發動機對冷卻能力的要求更加嚴格，所以增壓發動機冷卻水套的設計也就尤為重要。因發動機水套結構復雜，所以難以用傳統試驗方法測量[4]，隨著數值模擬技術的發展，該技術可以較好的模擬水套內部復雜的流動情況，并且與試驗數據相比，計算結果的準確性和可靠性均滿足要求[5]。

本文利用Flowmaster軟件進行汽油機整車冷卻系統的分析，確定水套分析的邊界條件，以該數據作為輸入在AVL Fire軟件中進行水套的CFD分析，根據分析結果制定水套的優化方案，最后對優化結構進行分析，驗證優化效果。

1、發動機水套分析

1.1邊界條件

對該型汽油機水套進行 CFD分析應首先確定分析邊界條件，該邊界條件通過冷卻系統一維分析獲得，首先建立整車冷卻系統分析模型，計算額定工況下水套各進出口流量分配及壓力分布情況，將該數據作為輸入進行水套CFD分析，圖1為汽油機整車冷卻系統設計原理圖。

根據設計原理圖、發動機水套流阻特性（圖 2）和各冷卻部件流阻特性，利用一維分析軟件Flowmaster建立冷卻系統一維模型[6]，如圖4所示。根據水泵性能曲線，計算中取水泵轉速為7200rpm，流量為150L/min，水泵揚程為11.87m，對冷卻系統進行一維分析，計算結果如圖2-4所示，圖中標明各個循環支路冷卻液流量分配情況。最后確定水套分析邊界條件，如表1所示，其中冷卻液密度和粘度根據材料庫查詢得到。

表1　水套分析邊界條件

1.2汽油機水套CFD分析

發動機水套計算模型如圖 5所示，該模型主要在 AVL Fire中完成六面體單元網格劃分，并對關鍵區域進行網格加密處理，最后冷卻水套模型網格總數約為191萬，其中六面體單元約占95%，圖中標注出水套各冷卻液進出口。

計算中冷卻液為不可壓縮穩態湍流流動，壓力和速度耦合采用SILMPLE算法[7]，湍流模型采用穩定性較好的k-ε 模型，k-ε 模型可以通過以下兩個方程來描述，即：

將邊界數據輸入，對水套進行CFD分析，主要判斷缸體水套和缸蓋水套關鍵位置處的換熱系數是否滿足要求，并依據速度場分布判斷水套關鍵位置是否存在流動死區，對冷卻水套壓強損失進行評估。

圖 6為發動機水套冷卻液絕對壓強云圖，最大壓強為2.49bar，水套壓力分布正常未出現壓力劇烈波動區域，從圖中可以看出水套排氣側壓強比進氣側大。

圖7為缸體水套換熱系數云圖，從該圖可以看出缸體水套火力岸面換熱系數較好，缸體水套一缸、二缸和三缸火力岸面換熱系數滿足5700W/m2.K的換熱要求，四缸火力岸面局部小區域換熱系數為4800W/m2.K左右，其他區域換熱系數均滿足5700W/m2.K的換熱要求。

圖8為缸蓋水套換熱系數圖，從圖中可以看出排氣門鼻梁區換熱系數均滿足14000 W/m2.K換熱要求。二缸、三缸和四缸進排氣門間鼻梁區換熱系數滿足10000 W/m2.K要求，但每缸左側區域換熱系數比右側區域略小，分布不均勻。

由圖8可以看出，一缸水套進排氣門間左側鼻梁區存在換熱系數為8400W/m2.K左右的區域，從左側流線圖可以看出該區域冷卻液由缸體經過鼻梁區流向缸蓋，因為水套阻尼影響，只有較少冷卻液流經水套鼻梁區左側區域，大部分冷卻液直接流向排氣側，造成一缸鼻梁區左側區域換熱系數較小；四缸右側鼻梁區換熱系數偏小，最小換熱系數約為9000W/m2.K，由右側流線圖可以看出，因為四缸離暖風出口較近，所以流經鼻梁區的冷卻液直接流向暖風出口，造成四缸水套鼻梁區右側換熱系數較差。

圖 8標注為一缸左側水路存在換熱系數不足 1000 W/m2.K區域，該區域雖然不是考察關鍵位置，但該區域冷卻液流動不順暢會影響鼻梁區的換熱系數。圖2-9為水套流線圖，在一缸進氣側作一個通過水孔的截面，由截面可以看出，一缸左側水路冷卻液同時存在向上流動和向下流動，造成該水路出現流動死區，不利于冷卻液的順暢流動。分析缸蓋水套結構發現該水路截面尺寸較小，流阻較大，不利于冷卻液由缸蓋流向缸體，最終導致排氣門間鼻梁區部分區域換熱系數較低。

2、水套的優化設計

2.1水套改進方案

根據以上分析結果知，一缸左側水路冷卻液流動不好導致進排氣門間鼻梁區換熱系數偏小，并且由圖8可以看出，雖然二缸、三缸和四缸進排氣門間鼻梁區換熱系數均滿足10000 W/m2.K換熱要求，但每缸左側區域換熱系數比右側區域小，換熱系數不均勻，所以對缸蓋水套進行結構優化。缸體水套換熱系數較好，不做結構改變。

水套結構優化位置如圖10、11所示，其中圖10為將缸蓋一缸水路截面尺寸增大，在保證缸體厚度的前提下，將該位置處的橫向尺寸增加2.5mm。圖11為缸蓋進氣門間水路圖，將該位置橫向尺寸增加2.5mm，以增加該區域的截面面積。

2.2優化水套CFD分析

將邊界條件作為輸入，對優化后的水套結構進行CFD分析，分析結果如下所示。

圖12為優化后的結構缸體水套換熱系數圖，從圖中可以看出，額定工況下優化后的缸體水套與原結構缸體水套換熱系數基本一致，火力岸面換熱系數較好，滿足換熱要求。

圖 13所示為原結構與優化結構缸蓋水套的換熱系數對比圖，由一缸位置水路換熱系數對比可知，水套結構優化之后，一缸進排氣門間鼻梁區換熱系數明顯優化，且一缸左側水路換熱系數提高較明顯。由右側對比圖可知，水套結構優化之后，二缸、三缸、四缸進排氣門間鼻梁區換熱系數均有所改善，且均滿足10000 W/m2.K的換熱要求。

圖 14為原水套結構與優化后的水套結構缸蓋流速在0.5m/s以下的云圖，由圖可以看出，當水套結構優化之后，原結構流動死區流動情況明顯改善，該區域流動改善有利于缸蓋水套換熱。

3、結束語

本文對某型增壓發動機冷卻系統進行分析，基于冷卻系統一維模型計算得到發動機水套分析所需邊界條件，以邊界條件作為數據輸入，對水套進行三維CFD分析，對分析結果進行判斷并對水套結構優化，最后驗證優化效果。根據結果對比可以判斷水套結構優化之后，水套缸蓋流動更加均勻，關鍵位置的換熱系數有所改善，提高了發動機的散熱性能。

[1]姚煒.CFD模擬在發動機水套設計中的應用[J].合肥工業大學學報，2009，（32）86-88.

[2]馮貝貝，張少華等.增壓直噴汽油發動機冷卻系統優化的研究[J].內燃機，2013，（2）21-25.

[3]趙永娟，馬超等.徑流式渦輪性能研究的進展[J].內燃機與動力裝置，2009，（2）8-13.

[4]于秀敏，陳海波等.發動機冷卻系統中流動與傳熱問題數值模擬進展[J].機械工程學報，2008，（10）162-167.

[5]朱家鯤.計算流體力學[M].北京：科學出版社，1985.

[6]錢德猛，錢多德.乙醇—汽油燃料車用發動機設計開發[J].小型內燃機與摩托車，2013，（4）43-46.

[7]張應兵，陳懷望，許濤.CFD技術在發動機冷卻水套優化設計中的應用[J].汽車工程師，2012(4)：56-58.

Optimization design of the gasoline engine cooling system

Hui Zhaochen,Zhang Yingbing,Ouyang Caiyun
（Anhui Jianghuai Automotive Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601）

The 1-D cooling system simulation model of engine is built based on principle.The flow rate of water jacket branch can be got.The CFD analysis conclusion of water jacket can be drawn based on the flow rate result.At last we can carry out the optimal design based on comparison between the primary water jacket and the optimized water jacket.

cooling system; CFD; water jacket; finite element analysis

U464

A

1671-7988（2016）08-51-04

惠昭晨（1989-），男，助理工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，主要從事發動機設計的工作。