基于熱機耦合分析降低氣缸體頂面溫度優化設計

楊有春 劉睿 范才翼

摘要：發動機氣缸體頂面的溫度對缸墊的密封及可靠性有很大影響，為了降低氣缸體頂面兩缸之間的溫度，對發動機水套進行了優化設計，通過CFD的方法對各方案的壓力、流速和換熱系數進行了對比，分析表明一種淺“V”形的水套結構在整機水套阻力增加不大的情況下，兩缸間的水套流速增大到3m/s，換熱系數達16000W/（m2K），通過熱機耦合的方法對氣缸體的溫度進行分析，結果表明采用淺“V”形的水套，氣缸體頂面的溫度降低了14.21～23.76℃，為后續氣缸體的結構設計提供了一定的參考。

關鍵詞：熱機耦合分析;氣缸體;頂面溫度;水套結構

中圖分類號：TG65 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）07-0022-04

0 ?引言

隨著柴油機小型化和強化程度的不斷提高，氣缸體和氣缸蓋受到的熱負荷越來越高。氣缸體的工作環境特別惡劣，不僅僅受到高溫、高壓的燃氣壓力，還受到螺栓預緊力。特別是隨著發動機外形尺寸越來越小，兩缸之間的距離也越來越小，隨之導致兩缸之間的剛度越來越小，溫度也隨之提高。兩缸之間的溫度升高不僅僅影響氣缸體的強度，也影響到氣缸墊的密封，導致氣缸墊漏氣、漏水、開裂等故障。本文介紹了一款發動機在開發過程中出現氣缸體頂面局部溫度偏高，導致氣缸墊密封和開裂的故障，通過CFD的方法，優化了氣缸體的水套結構，找到了一種能有效提高兩缸之間冷卻液流速和換熱系數的結構，通過熱機耦合的方法對優化后的氣缸體頂面溫度進行分析，分析結果顯示大幅降低了缸蓋頂面的溫度。

1 ?氣缸體水套結構優化方案

某小型柴油機在開發過程中出現兩缸之間沖缸墊的故障，經過故障分析認為兩缸之間未設計有缸套，只是機加工了一個深“V”形的水套水孔，而在兩缸最薄位置的“V”形底部距離缸套頂面距離較遠，導致機體頂面的溫度較高。其結構如圖1所示。

為了有效降低缸蓋頂面的溫度，對兩缸之間的水套進行優化，主要設計了三種結構的水套：方案1為“Y”形結構，并且進排氣側的交叉空相連的機體與水套連通;方案2為淺“X”形結構，并且排氣側的交叉空相連的機體與水套不連通，進氣側交叉空相連的機體與水套連通;方案3為淺“V”形結構，并且排氣側的交叉空相連的機體與水套不連通，進氣側交叉空相連的機體與水套連通。原方案和優化設計的方案1、方案2、方案3如圖2～圖5所示。

2 ?計算模型及邊界

因本分析主要是對比各方案對氣缸體兩缸之間的流動速度和換熱系數優劣，水套模型中未考慮機油冷卻器和EGR冷卻器水套結構。為了減少網格劃分時間，利用商業軟件進行網格劃分，最大網格尺寸2mm，最小網格尺寸0.5mm，總網格數量約為250萬個，原方案計算整機水套網格模型見圖6，其他方案水套結構與原方案主要是兩缸之間的結構不一致。

計算方式為標準的求解N-S方程組迭代求解方式：給定初場，然后通過聯立求解每個網絡單元上的N-S方程組，不斷迭代，直到計算達到收斂。計算中對于壓力項和速度項之間的耦合關系采用SIMPLE算法，使用的湍流模型為k-ε兩方程湍流模型，近壁面采用了標準壁面函數法。

在本分析中未考慮局部沸騰對上述的影響。流動形式采用絕熱、不可壓縮模式。其溫度邊界采用假定的壁面溫度場邊界，流體為50%水和50%的添加劑（GLYCOL）混合物。工況的邊界條件如表1所示。同時采用入口溫度、出口壓力邊界不變。

3 ?水套計算結果分析

3.1 壓力計算結果對比

原方案和優化方案1、方案2、方案3共4個方案的壓力計算邊界如表2所示，從數據可以看出：V形水套孔和Y形水套孔在其他相同結構的情況下，水套的阻力相差不大，從原方案、方案1和方案2、方案3的對比來看機體頂面排氣側是否連通對發動機的水套影響較大，約有5kPa的影響。

3.2 流速計算結果對比

圖7對比了各方案在氣缸體、氣缸蓋和兩缸之間水套的流速，從圖7中可以看出氣缸體和氣缸蓋的流速差異非常小，但兩缸之間水套的流速差異較大，原方案和方案1在兩缸之間的流速在1m/s以下，而方案3和方案4的流速都在3m/s以上，特別是方案4的平均流速達3.63m/s。

3.3 換熱系數對比

圖8為各方案對應部位平均對流換熱系數對比柱狀圖，從圖8中可以看出：氣缸體、氣缸蓋的平均對流換熱系數各方案差別很小，機體在8600W/（m2K）左右，缸蓋在10700W/（m2K）左右，但兩缸之間的水套對流換熱系數相差非常大。但是原方案和方案1的對流換熱系數較低，約在5000W/（m2K）;而方案3、方案4對流換熱系數較高，在16000W/（m2K）左右。

圖9-圖12是各方案在氣缸體兩缸之間水套的對流換熱系數分布云圖，從圖中可以看出：原方案和方案1對流換熱系數較低;方案2、方案3鉆孔內對流換熱系數高且分布比較均勻。

4 ?氣缸體溫度場分析

4.1 溫度場計算邊界

為了驗證水套優化對氣缸體頂面溫度場的變化，用熱機耦合的方式進行了溫度場分析。同時，為了提高分析效率只分析對比了原方案和方案3兩種方案氣缸體的溫度變化情況。

燃氣側的溫度及換熱系數通過Fire燃燒計算獲得，其溫度場和換熱系數圖13所示;與機油充分接觸的表面溫度取120℃，換熱系數取130W/m2K;EGR氣體溫度取450℃，換熱系數取3000W/m2K;在缸套位置溫度取機油溫度120℃，換熱系數取500W/m2K。

4.2 溫度場計算結果及分析

圖14分別是原方案和方案3兩種方案計算的溫度場計算結果。其兩缸之間的溫度如表3所示。

從溫度場分布及表中可以看出經過優化水套優化后的氣缸體頂面溫度明顯下降，最大降幅達23.76℃，說明改進有效。

5 ?結論

本文通過CFD及有限元熱機耦合相結合的方法，找到一種有效降低氣缸體兩缸之間溫度的設計方案，為后續改進設計提供了幫助。同時獲得了氣缸體、氣缸蓋的溫度場，可以提供給計算氣缸體、氣缸蓋等零部件的強度提供邊界。

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