基于CFD的單缸風冷柴油機氣缸蓋冷卻分析

徐一心 牟如強 袁敏

摘 要：針對某單缸風冷柴油機冷卻效果差的問題，提出結構改進設計方案。應用Hypermesh和fluent軟件建立有限元模型并進行氣缸蓋的流場及流量分析。通過對主要改進方案的流場及流量結果對比分析，得到改進后的氣缸蓋的冷卻效果得到明顯改善的結論。

關鍵詞：風冷單缸柴油機；冷卻效果；流場分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.065

0 引言

某型單缸柴油機為風冷冷卻方式，冷卻效果較差，其中氣缸蓋冷卻問題較多，尤其是氣缸蓋的冷卻問題較多，所以在標定點的平均有效壓力偏低，比油耗偏高。風冷柴油機的冷卻可以分成兩個問題來進行討論，即冷卻風量的分配和氣缸蓋的冷卻重點[1]。從風冷發動機來看，需要主要冷卻的是氣缸蓋，尤其是渦流柴油機，燃燒室在氣缸蓋上，需要重點冷卻[2]。

1 原機的冷卻系統

1.1 冷卻風量的分配

由原機冷卻系統的內部結構可以看出氣缸套的冷卻風入口截面遠大于氣缸蓋冷卻風的入口截面，且靠近冷卻風扇的出風口。通過冷卻系統流場分析可知進入氣缸套散熱片的流量和其它部位的流量占52.5%，進入氣缸蓋的流量占47.5%。原機的冷卻風流量雖然較大，但有近一半的冷卻風冷卻的部位屬無效。在氣缸蓋上有12%的冷卻風由缸蓋下方進入冷卻推桿套，此處溫度較低，無需重點冷卻。另外有23%的流量直接從氣缸蓋上部流入，從噴油器開口端進入到大氣中，不起冷卻作用。

1.2 氣缸蓋的冷卻問題

根據原機氣缸蓋內部散熱片結構可知，左邊為進氣管，冷卻風從進氣管側由下至上進入氣缸蓋。上方是渦流燃燒室和噴油器，右邊是排氣管，這些地方是需要重點冷卻的部位。原機氣缸蓋存在的冷卻問題有：

1.2.1 鼻梁區的冷卻

早期的氣缸蓋由于鑄造水平較低，采用壓鑄方法來保證散熱片的清砂，但這樣會削弱氣缸蓋的剛度[3]。為防止鼻梁區開裂，幾乎將鼻梁區堵死，造成鼻梁區散熱不暢，熱負荷增大。原機為加強分體式氣缸蓋，氣缸蓋頂板采用鑄鐵件，鑄鐵的導熱性較差，不利于氣缸蓋頂部的散熱效果，導致熱負荷增大。

1.2.2 渦流室的冷卻

渦流室是氣缸蓋熱負荷最大的部位之一，但原機在渦流室上只有3片很短的散熱片。另外從流場分析結果來看有23.4%的流量從最外側的散熱片上方流經噴油器上方的出風口直接流出，起不到冷卻作用。

1.2.3 排氣道的冷卻及改進

由于散熱片設置的不合理，冷卻風只能從右側進氣道和進氣道下方的通道流入鼻梁區和排氣道，然后從排氣道流出，所以進風口面積偏小。

2 冷卻系統的改進

2.1 冷卻風量的重新分配

將導風罩底板進入氣缸套的出風口堵住一半，經過改進，流入氣缸蓋的流量為52%，進入氣缸套和其它部位的流量為48%。

2.2 鼻梁區的結構改進

采用整體式氣缸蓋結構，可增加氣缸蓋的整體剛度。為了改善鼻梁區的散熱效果，將兩氣門之間的金屬去掉，讓更多的冷卻風冷卻鼻梁區。

將進風口的散熱片結構進行改進，將更多的冷卻風引入鼻梁區和排氣道，即增大散熱片與氣缸蓋不螺栓搭子之間的間隙，使冷卻風的流動暢通。

2.3 燃燒室的結構改進

在導風罩上焊接導風板，可更好地冷卻渦流室和噴油器。增大進風通道截面積，并增大渦流室上的散熱片長度，改善渦流室的散熱效果。

3 氣缸蓋內部流場分析

使用Hypermesh軟件劃分網格，建立缸蓋有限元模型。使用CFD分析軟件得到改進后方案的氣缸蓋內部流場示意圖，如圖1所示。與原機方案相比，改進后的氣缸蓋內高效散熱區域的流量都有所增大，進、排氣道及鼻梁區兩側分別增大69%和27%，鼻梁區通道增大17.5%。

4 結論

（1）由于封住無效或低效冷卻風入口，流動阻力明顯增大，流入、流出冷卻系統的冷卻風流量明顯減小。有流場分析結果可得，原機冷卻風總流量為0.11925，改進后方案為0.110296，減小7.5%。但有效流量增大，流入氣缸蓋關鍵部位的流量增大。

（2）原機流入氣缸蓋上部垂直散熱片的總流量為0.05673，占總流量的百分比為47.6%，改進后方案的總流量為0.0604，改進方案的流入氣缸蓋流量比原機大7.2%。尤其是氣缸蓋內高效散熱區域的流量都有所增大，進、排氣道，鼻梁區兩側分別增大69%和27%，鼻梁區通道增大17.5%。因此改進后的氣缸蓋的冷卻可以得到明顯地改善。

參考文獻：

[1]田吉安，彭瑋等.強制風冷柴油機冷卻系統設計[J].內燃機與動力裝置，2013（02）：8-11.

[2]徐剛，姜樹李等.基于CFD分析的單缸風冷柴油機冷卻系統設計與研究[J].小型內燃機與摩托車，2011（06）：62-65.

[3]楊建華.小型風冷柴油機設計[M].機械工業出版社，1991.

成都理工大學工程技術學院院級基金（C122018028）資助

作者簡介：徐一心（1987-），女，四川樂山人，碩士研究生，助教，研究方向：內燃機數值仿真分析及NVH。