某柴油機冷卻水套優(yōu)化設計

王奇，王次安，王宏大，常耀紅，劉吉林

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某柴油機冷卻水套優(yōu)化設計

王奇，王次安1，王宏大1，常耀紅1，劉吉林1

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230601）

以某柴油機冷卻系統(tǒng)管路數(shù)模為基礎搭建冷卻系統(tǒng)一維分析模型，計算得到發(fā)動機水套進出口流量邊界，以該邊界數(shù)據(jù)作為發(fā)動機水套CFD分析的輸入，進行分析得到水套換熱系數(shù)分布情況，并對水套結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，最后對優(yōu)化水套結(jié)構(gòu)再次分析驗證優(yōu)化效果。

冷卻系統(tǒng)；CFD；水套；一維

前言

冷卻系統(tǒng)是發(fā)動機的重要組成部分，其性能的好壞直接影響發(fā)動機的工作狀態(tài)[1]，冷卻系統(tǒng)的功用是把發(fā)動機產(chǎn)生的熱量及時散發(fā)到周圍環(huán)境中，使發(fā)動機處在有效工作狀態(tài)下，保證發(fā)動機具有良好的動力性和經(jīng)濟性[2]。冷卻系統(tǒng)中發(fā)動機水套的設計是否合理直接影響發(fā)動機散熱性能的好壞，進而影響發(fā)動機工作性能，因為發(fā)動機水套結(jié)構(gòu)較為復雜[3]，如果僅僅利用經(jīng)驗來進行發(fā)動機水套的設計，會造成設計存在富余或設計不足，不利于水套的精確設計。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)可應用于水套內(nèi)部的流動模擬，且該仿真技術(shù)與試驗對比具有足夠的精確性和可靠性，可以應用于產(chǎn)品開發(fā)中[4]。

本文首先基于冷卻系統(tǒng)幾何管路搭建冷卻系統(tǒng)分析模型，計算得到水套換熱分析的邊界條件，然后建立水套CFD分析模型，將流量邊界輸入到模型中，進行CFD分析，確定水套換熱性能，最后對水套進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并再次進行水套CFD分析，驗證優(yōu)化效果。

1 冷卻系統(tǒng)分析

圖1 冷卻系統(tǒng)設管路模型

為了得到水套CFD分析的流量邊界數(shù)據(jù)，首先進行冷卻系統(tǒng)一維分析，該機型冷卻系統(tǒng)管路模型如圖1所示，冷卻部件主要包括散熱器、膨脹水壺、EGR冷卻器、暖風機構(gòu)和機油冷卻器。

圖2 各冷卻部件流阻特性數(shù)據(jù)

各冷卻部件流阻特性數(shù)據(jù)如圖2所示，各部件的流阻特性決定冷卻系統(tǒng)流量的分配情況。圖3為該機型水泵性能數(shù)據(jù)，發(fā)動機水泵主要作用是驅(qū)動冷卻液在系統(tǒng)中的流動。基于以上各邊界數(shù)據(jù)搭建冷卻系統(tǒng)分析模型，如圖4所示，計算工況為發(fā)動機額定轉(zhuǎn)速3600rpm工況，通過計算可以得到冷卻系統(tǒng)各部件流量分配情況，具體流量分配情況如表1所示。

圖3 發(fā)動機水泵性能數(shù)據(jù)

圖4 冷卻系統(tǒng)分析模型

表1 冷卻系統(tǒng)流量分配

2 發(fā)動機水套分析

得到冷卻系統(tǒng)各部件流量分配情況，將各流量數(shù)據(jù)作為邊界進行發(fā)動機水套CFD分析。該機型水套幾何模型如圖5所示，圖中對水套各個主要進出口進行標注。

圖5 發(fā)動機水套幾何模型

將流量數(shù)據(jù)輸入到水套分析模型中，進行發(fā)動機水套的CFD分析，計算中冷卻液為不可壓縮穩(wěn)態(tài)湍流流動，湍流模型采用穩(wěn)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[5]，即：

如圖6為缸體水套換熱系數(shù)云圖，圖7為缸蓋水套換熱系數(shù)云圖。由缸體水套換熱分析可知，四缸火力岸面換熱系數(shù)較差，如圖中標注所示，不滿足換熱系數(shù)要求。由缸蓋水套換熱系數(shù)分布云圖可知，一缸和二缸鼻梁區(qū)換熱系數(shù)不滿足冷卻需求。

圖6 缸體水套換熱系數(shù)云圖

圖7 缸蓋水套換熱系數(shù)云圖

圖8 缸體水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于水套換熱分析結(jié)果可知，需要對水套結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，主要優(yōu)化如圖8和圖9所示，其中圖8為將一缸前端龍門高度縮短10mm，以增加流向后端的冷卻液流量。圖9為優(yōu)化缸墊結(jié)構(gòu)，主要是優(yōu)化圖中標注1和標注2位置的水孔，增加水孔尺寸。

圖9 缸蓋水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖10 優(yōu)化結(jié)構(gòu)缸體水套換熱系數(shù)云圖

圖11 優(yōu)化結(jié)構(gòu)缸蓋水套換熱系數(shù)云圖

然后以相同的流量邊界條件再次對優(yōu)化水套進行 CFD分析，得到缸體和缸蓋水套換熱系數(shù)分布情況，如圖10和圖11所示。其中圖10為缸體水套換熱系數(shù)分布云圖，根據(jù)換熱系數(shù)分布情況可知，四缸水套火力岸面換熱系數(shù)優(yōu)化明顯，水塔換熱系數(shù)滿足冷卻需求。圖11為缸蓋水套換熱系數(shù)分布情況，根據(jù)換熱系數(shù)分布可知，缸蓋各位置鼻梁區(qū)換熱系數(shù)滿足換熱要求。基于以上分析結(jié)果可知，發(fā)動機水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有效，有利于改善發(fā)動機水套的換熱分布。

3 結(jié)束語

本文以某柴油機冷卻水套優(yōu)化為出發(fā)點，首先進行冷卻系統(tǒng)一維分析，得到系統(tǒng)各部件流量分配數(shù)據(jù)，然后建立水套CFD分析模型，將流量邊界輸入到模型中進行CFD分析，對分析結(jié)果進行判斷并對水套進行優(yōu)化，最后再次分析確認優(yōu)化效果。根據(jù)再次分析結(jié)果可知水套優(yōu)化之后，缸體水套四缸流動滿足冷卻要求，缸蓋鼻梁區(qū)換熱系數(shù)滿足冷卻要求，提高了發(fā)動機水套的散熱性能。通過本分析可知計算機仿真技術(shù)的應用可以用于產(chǎn)品開發(fā)中，縮短了產(chǎn)品開發(fā)時間，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

[1] 湯定國等.汽車發(fā)動機構(gòu)造與維修[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 姚仲鵬,王新國.車輛冷卻傳熱[M].北京:北京理工大學出版社,2001.

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

[4] 朱家鯤.計算流體力學[M].北京:科學出版社,1985.

[5] 王福軍.計算流體力學分析-CFD 軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

2017全球區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展論壇汽車行業(yè)專場即將在滬舉辦

中國信息通信研究院發(fā)起的全球區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展論壇(GBF)特別開設汽車行業(yè)專場。11月8日，在上海安亭，中國信息通信研究院聯(lián)合上海國際汽車城，舉辦“區(qū)塊鏈——汽車產(chǎn)業(yè)新動力”主題論壇。 論壇將邀請工信部主管領(lǐng)導、汽車行業(yè)、區(qū)塊鏈、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的代表，共話汽車產(chǎn)業(yè)如何以區(qū)塊鏈為新動力，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，共謀行業(yè)新發(fā)展。

全球區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展論壇首次面向汽車行業(yè)：響應十九大精神，新興科技和實體經(jīng)濟深度融合，培育新增長點、形成新動能。共享汽車，無人駕駛，人工智能，新能源，解讀汽車產(chǎn)業(yè)新時代的關(guān)鍵詞;滴滴、吉利、蔚來汽車、愛泊車、EVCARD，汽車領(lǐng)域各路玩家在此“論道”。

（編輯： 王磊 來源： 映象網(wǎng)）

Optimization design of EURO IV engine cooling system

Wang Qi, Wang Cian1, Wang Hongda1, Chang Yaohong1, Liu Jilin1
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

The 1-D cooling system simulation model of engine is built based on cooling system CAD model. The flow rate of engine different ranch can be got. And the water jacket CFD analysis can be drawn based on 1D simulation result, the HTC of water jacket can be got of different area. The optimal design can be made based on 3D simulation result. At last the optimal design of water jacket can be verified based CFD simulation.

Cooling system; CFD; water jacket; 1D

U467.3

A

1671-7988 (2017)21-84-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.029

CLC NO.: U467.3

A

1671-7988 (2017)21-84-03

王奇，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。