氣缸蓋冷卻水流道的可視化試驗模型建立

吳華杰 谷 芳 趙 詠

（1-天津大學內燃機研究所 天津 300072 2-天津市天大銀泰科技有限公司）

引言

發動機的傳熱過程研究是發動機研究的重要領域。發動機熱效率高的同時，其零件承受的溫度高，冷卻帶走的熱量少，熱損失少，但同時零件的熱負荷就高；當零件的熱負荷超過零件所能承受的限度時，零件的熱疲勞強度將會下降，并產生裂紋、燒熔等現象，導致發動機不能可靠地工作，使用壽命被減損[1-2]。因此，發動機性能越是強化，熱負荷對發動機工作的可靠性影響越是增大。為兼顧發動機高效能和工作可靠性兩方面的要求，必須保持適宜的冷卻溫度。優化冷卻系統設計至關重要。

在發動機零部件中，氣缸蓋承受著極高的熱負荷，對氣缸蓋傳熱進行的課題研究一直在繼續[3-5]。其中，最關鍵的就是合理設計氣缸蓋冷卻水系統結構，以使氣缸蓋冷卻水的流量分布、流動速度及壓力損失分布等因素最小化影響發動機的能耗與正常運行。

在設計階段，為考察概念模型的可靠性，最直接的方法就是進行可視化的流場試驗[6]。本文即針對某復雜缸蓋冷卻水流道，采用模塊化設計理念，建立了用于LDA 可視化試驗的數字模型；并在該數字模型的基礎上，采用傳統機加工方式制作試驗模型；使得可視化的流場試驗操作便利，密封性良好，為類似復雜流道的可視化試驗裝置的搭建提供了研究思路和技術路線。

1 氣缸蓋冷卻水流道組成及三維數字模型的簡化設計

氣缸蓋冷卻水流道由氣缸蓋、氣缸體和缸套包圍而成。

1.1 簡化某氣缸蓋模型及提取其冷卻水流道結構

本次研究以某氣缸蓋為例。根據廠家提供的圖紙，利用三維數字化設計軟件建立氣缸蓋的3D 模型。考慮試驗模型機加工的需要，在滿足冷卻水流道不失真的情況下，對該3D 模型進行必要的簡化。比如去除真實的氣缸蓋加工工藝所需的結構，如圖1所示。

圖1 某氣缸蓋簡化后的三維數字模型

簡化結構的模型（圖1）可以清晰地反映出氣缸蓋和火力面部分冷卻水流道的結構。通過整理結構，利用三維數字化設計軟件的布爾運算功能，就可以分離出冷卻水流道的氣缸蓋部分（圖2 中1 部分，包括出水口結構）和火力面部分（圖2 中2 部分）。

圖2 某簡化氣缸蓋冷卻水流道的三維數字模型

1.2 完善某簡化氣缸蓋冷卻水流道的三維數字模型

氣缸蓋的冷卻水流道是整個發動機冷卻系統的重要組成部分。在重點考慮氣缸蓋冷卻水流道時，也需要納入氣缸蓋之外的相關結構，包括圍繞缸體和缸套的冷卻結構，以及相關的進排水通道。缸體上涉及冷卻水流道的部分只有進水口、與缸套相對應的部分和與火力面連接的上水管通道，這部分的結構相對比較簡單。所以，可以設計成基本功能等同實現的簡單結構，替代缸體部分（包括缸套）的水流道結構，作為氣缸蓋冷卻水流道的一部分（圖2 中3 部分），以避免失真。

1.3 形成完整的氣缸蓋冷卻水流道系統模型

根據氣缸蓋的整體結構尺寸，利用三維數字化設計軟件的布爾運算功能，可以將氣缸蓋部分的冷卻水流道結構、火力面部分的冷卻水流道結構、缸體（缸套）部分的冷卻水流道替代結構，通過進出水管路組裝成一體，形成完整的氣缸蓋冷卻水流道模型（如圖2 所示）。

2 氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗模型的組成

考慮到既要做到氣缸蓋冷卻水流道試驗平臺模型的可視化，又要充分模擬發動機實際工作狀態，氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗模型應該包括用透明材料（PMMA）制造的，以氣缸蓋冷卻水流道（如圖2 所示）為內腔的模型。該模型需要外配水流和水壓調節裝置、溢流旁路及供給整個系統水流循環的器具等設備，共同組成帶有水循環系統的實驗模型。水循環系統和氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗模型通過進水裝置和出水裝置相連接。在試驗的過程中整個模型系統的水流狀況要通過水壓和流量控制裝置達到發動機要求的參數指標。

由圖2 可以看出，以氣缸蓋冷卻水流道為內腔的模型形狀非常復雜，快速原型工藝無法對內部表面進行達到精度要求的后處理，只能采取模型分塊進行的機加工制造。

根據模塊化設計原則，將整體劃分為氣缸蓋、火力面及缸體3 部分（如圖2 所示），設計的過程充分考慮各部分的內在結構、安裝方式、接口結構、銜接部分的密封性以及多普勒測量結構（測量窗口）等，做到統一規劃。其中，氣缸蓋部分還需要進一步模塊化分塊處理，以達到可機加工目的。

2.1 氣缸蓋部分冷卻水流試驗模型的數字化設計

首先根據可視化的流場試驗臺總體尺寸的需要，設計一個長方的實體，利用三維數字化設計軟件的布爾運算功能，將氣缸蓋冷卻水流道模型作為其內腔，其上包含了整套模型的出水口結構和與火力面相銜接的通道。然后，利用三維數字化設計軟件的模具設計向導和分析功能中拔模設計的功能，對該中空模型結構進行分析，將其分割成可加工的3 部分結構。圖3 為氣缸蓋冷卻水流通為內腔的模型。考慮到加工、安裝、可視化、整體質量及測量窗口結構等因素，外觀結構還要做平面化的調整。

圖3 氣缸蓋冷卻水流道為內腔的模型

由于發動機工作過程中冷卻水是在密封的環境中以高壓方式循環流動，所以，為加工的可行性而分成的3 部分還需要以密封的形式組合成一個整體。除了要設計必要的緊固結構（圖3 中的4），測量結構（圖3 中的2），在它們相互之間的結合面上還要布置定位結構（圖3 中的3）和密封槽（圖3 中的1）。所有密封槽的設計要嚴格按照試驗過程中水壓的大小和壓力生成的方式進行冗余設計，以抵消結合面加工粗糙度引起的密封圈工作失效情況。該部分還應包括出水口（圖3 中的5）和安裝出水口裝置的結構。

2.2 火力面部分冷卻水流道的數字模型設計

火力面的網狀孔系結構造成機加工困難。可以考慮做垂直于主要孔系軸線的平面（周圍的立面），從各平面加工通孔，然后用帶密封結構（加工口帶密封槽，螺栓結合面布設密封膠等措施）的螺栓封堵孔口的結構，如圖4 所示平面和側立面上的孔系。

圖4 火力面網狀孔系結構

應該注意：在該部分數字模型的上下平面上還要設計出與氣缸蓋及缸體部分銜接處的密封槽。另外，由于實際的氣缸蓋冷卻水流道中火力面過分接近氣缸蓋部分，在本氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗數字模型建立的過程中，應該在不引起工作失真的情況下，適當加長火力面與氣缸蓋之間的通道（即增加圖4 所示結構的厚度），以保證火力面冷卻結構部分有足夠的厚度來保證整體結構的強度。

2.3 缸體部分冷卻水流道的數字模型設計

由于火力面冷卻水流道的各個孔系是測速的關鍵部位，所以在設計缸體部分冷卻水流道模型時，要在保證尊重原始模型和確保密封結構功能實現的前提下，預留對進入火力面的冷卻水路進行測量的結構（測量敞口），并考慮讓測量的光束從缸體的中心部分射入火力面進水水路。還要考慮預留整體模型與安裝平臺的安裝位置；再有，為實現機加工，將該部分模型設計成中空的，可以環行密封組合的兩個零件。圖5 為缸體部分冷卻水流通數字模型。該部分應該包括了進水口和安裝進水口裝置的結構。由于有水密封結構的存在，3 部分的安裝設計要統籌安排。緊固安裝和壓緊密封應同時考慮。

圖5 缸體部分冷卻水流道數字模型

2.4 進出水裝置的設計

該部分的結構要能模擬真實的工作過程。不但要保證與模型和外部水流循環系統密封安全，還要確保真實的流量和流場。進水和出水口的截面積要根據發動機模型計算得出。本次研究的冷卻水流道數字模型的進水裝置以結合面密封安裝于缸體冷卻水流道數字模型的側壁；本數字模型的出水裝置以結合面密封安裝于氣缸蓋冷卻水流道數字模型的頂端；進出水口與外部水流循環系統以錐管螺紋連接。

圖6 所示為包括了進出水結構在內的完整氣缸蓋冷卻水流道可視化平臺的基本數字模型結構。

圖6 氣缸蓋冷卻水流道可視化平臺數字模型

通過機加工得到的各部分結構件，外加密封件、緊固件等，形成激光多普勒試驗臺上的氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗模型，如圖7 所示。

圖7 氣缸蓋冷卻水流道可視化試驗模型

3 結論

流動顯示技術伴隨流體力學的發展而發展，又不斷地促進流體力學的進步與突破。但復雜流道內的可視化試驗，一直是此類試驗研究的瓶頸。如何建立既能反映真實流動狀態，又能采用較為簡便的加工方式搭建、并適用于光學試驗的流體力學試驗平臺成為復雜流道流體力學試驗的關鍵技術。本文提出的缸蓋冷卻水復雜流道可視化數字模型建立方法，為此類流體力學試驗平臺的搭建提供了一定的研究思路和技術路線，使得深入研究發動機冷卻系統內的流動和傳熱機理成為可能，對如何提高發動機整體性能和使用壽命意義重大。