大功率單缸發動機冷卻水套設計

熊思琴

摘要：隨著市場對發動機功率提升的要求，現針對單缸高功率發動機缸蓋和缸體冷卻不合理的問題，設計一種單缸發動機混合式冷水水套，CFD結果表明：半切向進水方式，使得其中2個缸墊分水孔能分流大部分冷卻液并對缸蓋高溫區域進行冷卻，其余6個分水孔分得剩余冷卻液繞行缸體并向上流入缸蓋水套對其他缸蓋位置進行冷卻，水套內最高流速可達到1.81m/s，從水套入口到出口沒有出現冷卻液斷流現象。

關鍵詞：高功率;冷卻水套設計;分水孔;流場

前言：

冷卻水套是作為發動機冷卻系統中直接與發動機高溫部件接觸的部分，其設計結構的微小差異對整個冷卻系統是否能發揮高的冷卻效率有著重要的影響。發動機通過燃燒將燃料化學能釋放為熱能，部分熱能轉化為驅動車輛行駛的機械能的同時，部分熱能通過冷卻系統及時的散發到環境大氣中去。如果發動機冷卻系統散熱性能不佳，則發動機零部件熱負荷將增大。而熱負荷是影響發動機工作可靠性和耐久性的重要因素，發動機零部件熱負荷過大、溫度過高會導致零部件熱裂、燒蝕、蠕變、材料的硬度和強度急劇下降等問題;溫度過高，潤滑油膜容易被破壞甚至結焦，從而加速配氣機構、曲柄連桿機構等動機構的磨損，使用壽命縮短;過高的進氣道溫度會導致充氣效率下降，從而降低發動機動力性能;同時還會引起燃油消耗量以及CO和HC污染排放物的增大[1]。

近年來，隨著人們對發動機性能要求的提高，新型發動機呈現高功率、大扭矩的特征。在提升動力性能的同時，發動機零部件熱負荷也大為增加，從而對發動機冷卻系統散熱性能提出了更高的要求。

當前的發動機冷卻水套技術研究主要針對多缸發動機各缸整體性冷卻較多，強調不同氣缸之間冷卻的均勻性。而隨發動機功率的增大，單缸發動機的冷卻成為技術難題，尤其在結構尺寸相對較小又較復雜的發動機機體中，同時實現缸蓋與缸體冷卻較為困難[2]。本文著眼于實現單缸發動機缸蓋和缸體的合理冷卻，在溫度允許上下限之間，設計開發出一種單缸發動機混合式冷水水套。

1、冷卻水套設計結構

冷卻水套計算模型（如圖1所示）包括缸蓋水套和缸體水套，由于缸蓋燃燒室、火花塞孔、氣門導管孔以及排氣歧管周圍均屬高溫區，不僅需要較多的冷卻液，而且冷卻液的平均流動速度也不能太低，更不能存在較多的死水區和漩渦。為改善冷卻液在水套中的流動分布，現設計水套入口為半切向進水方式，缸墊分水孔布置情況如圖2所示。在排氣側設置兩個分水孔孔1和孔2，在周向上另外設置了6個分水孔孔3-孔8。

圖1? ? ? ? ? ? ? 圖2? ? ? ? ? ? ? ?圖3? ? ? ? ? ?圖4

2.CFD模擬分析

CFD技術發展成熟并由其周期短、計算精度高，且可視性強等特點，被越來越多的應用于工程設計領域。本文將借助于CFD軟件FIRE對發動機冷卻水套進行流固偶合數值分析，對計算得出的直觀的速度場評價該設計水套的冷卻效果。

2.1計算網格

本文使用hypermesh專業軟件對模型網格進行處理，其中缸蓋、缸體、進排氣管等若干實體進行獨立的網格劃分;同時對關鍵部位如冷卻水套分水孔處、進排氣道鼻梁區進行網格加密處理，并對整體網格進行優化，以提高網格總體質量。通過網格質量檢查可保證當前模型的面網格質量足以滿足計算要求后，自動生成耦合體網格。

2.2冷卻液的物理屬性

介質選擇50%乙二醇/50%純水的混合物，密度：1026.89kg/m

粘度：0.00076kg/m·s，比熱容：2415J/kg·K，導熱率：0.415W/m-K。

2.3計算模型邊界條件確定

給定的發動機工作在最大功率14.5KW時轉速為8000r/min，冷卻液進水口溫度333.1K，環境溫度298K，大氣壓強101.325Kpa，濕度83%，進口的流速0.931m/s。

2.4流體介質及模擬狀態

水套耦合模型采用穩態的計算模式，在模擬計算過程中認為冷卻液在機體、缸蓋冷卻水通道中的流動是絕熱、不可壓縮的粘性湍流流動，采用Realizable k-ε[3]雙程湍流模型，并在近壁面區域應用標準壁面函數，采用Simple算法。設定殘差小于10-4，若計算達到此要求，則認為計算收斂。

3.水套速度場結果分析

圖3與圖4分別所示為水套內部在冷卻過程中的速度場分布情況，通過對流場整體分布分析可看出本方案分水孔的設計可使該水套呈現出混合式冷卻效果。入口采用半切向進水方式，在排氣側設置兩個分水孔1、2，用于分流冷卻液并引入水套上部重點冷卻缸蓋排氣側高溫區。由于缸蓋高溫區熱負荷較大，特給1、2兩個分水孔設置較大孔徑，引入較大量的冷卻液，以達到重點冷卻缸蓋高溫區的目的。在周向上另外設置6個分水孔3-8用于分流繞流缸體的冷卻液，其中，4-8孔較小，3孔較大，從速度云圖上可看到現周向上不同區域都有較少冷卻液進入缸蓋。這樣，冷卻液既實現了對缸體的繞流冷卻，同時又從不同的周向位置上進入缸蓋水套，實現了對缸蓋不同區域的冷卻。所有冷卻液在冷卻缸蓋后從缸蓋進氣側上部的出水口離開。從水套入口到出口的冷卻液流動過程中沒有出現任何斷流的現象，水套內最高流速可達到1.81m/s。

4結論

1）通過設置切向入口方式，實現了混合式冷卻水套方案，可使冷卻液整體上分成兩部分流體，一部分直接進入缸蓋水套，另一部分先繞流冷卻缸體水套，最后再進入缸蓋水套，以實現同時冷卻發動機缸體和缸蓋。

2）通過合理設置8個分水孔方案，實現了冷卻液部分重點冷卻缸蓋高溫區，部分對缸體實現繞流冷卻。

參考文獻：

[1]陳家瑞.汽車構造（上冊）[M].北京人民交通出版.2002，3：240-240.

[2]劉福水，閔祥芬，等.柴油機冷卻水套的優化設計方法[J].汽車工程.2014，36（6）：728-733.

[3]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.2012，4：1-5.