卢瑞军;王文坤;陈海兰;蔡文远
【摘 要】针对某4102发动机实际运行中出现的问题,通过分析,改变了原发动机水套结构,并利用三维数值仿真方法建立了原水套和新水套的数值仿真模型,计算结果表明:新水套相对于原水套,主喷孔流量增加,鼻梁区换热系数明显提高,新水套满足缸盖的换热需求;新水套的三、四缸缸体换热系数有明显提高,有效地改善了三、四缸冷却不足的现象,并且,换热主要集中在缸体中上部,分布更加合理;最后,通过台架可靠性试验验证,发动机故障得到解决.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2018(000)0z2
【总页数】4页(P134-136,140)
【关键词】冷却水套;换热系数;计算流体力学;优化设计
【作 者】卢瑞军;王文坤;陈海兰;蔡文远
【作者单位】浙江吉利控股集团有限公司,浙江 杭州 310000;浙江吉利控股集团有限公司,浙江 杭州 310000;浙江吉利控股集团有限公司,浙江 杭州 310000;浙江吉利控股集团有限公司,浙江 杭州 310000
【正文语种】中 文
【中图分类】TH16;TK422
1 引言
发动机冷却是保证发动机高效可靠运行的必要条件，冷却不足会直接导致发动机缸体缸盖等部件的温度过高，进而导致发动机刚度和强度急剧下降，并且会加快机油变质，影响活塞等运动件的正常运行，极大影响发动机的可靠性和耐久性[1-3]。此外，冷却问题会影响缸内燃烧，从而出现排放加剧，燃油消耗增加等问题，因此发动机冷却一直是发动机设计的关键因素。
发动机冷却水套的设计既要考虑各缸的流动均匀性，又要对高温区域重点冷却，因此，合理组织水套流场分布成为了设计的难点[4-6]。随着计算机科学的迅速发展，计算流体动力
学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）分析已成为发动机流场分析的有效手段[7-8]，主要优点是能降低研发成本，缩短开发周期[9]。
随着现今社会对高强度、高功率发动机需求的日益增加，原有发动机缸体缸盖承受越来越大的热负荷，容易造成冷却不足，进而产生拉缸、热裂失效等问题[10]。本次所研究的某4102发动机在实际运行中出现了以下两种状况：（1）第三缸与第四缸缸间开裂；（2）第四缸活塞出现拉缸现象，如图1所示。现针对以上问题改变了水套结构设计，并对两种水套进行了CFD仿真分析，通过模拟计算方法对两种水套进行分析，得到了流场、压力场，并通过试验验证，设计出符合散热需求的水套。
图1 运行故障Fig.1 Running Fault
2 发动机水套结构及性能
发动机水套主要分为两大部分：（1）缸体水套，发动机活塞压缩上止点与缸盖形成的密闭空间是热负荷较大的区域，需要重点冷却；（2）缸盖水套，发动机缸盖排气侧及各缸喷油器区域（“鼻梁”三角区）是热负荷较大的区域，需要重点关注。除此之外，还要考虑缸垫分
水孔的布置，尽可能使各缸水流量均匀分布，合理冷却。原机型所采用的水套结构，如图2所示。水由水泵进入油冷器，进而流入各缸体水套，首先冷却各缸体，再由缸垫分水孔流入各缸盖水套，流入缸盖水套的水由位于第一缸的出水口流出，实现发动机缸体缸盖及机油的冷却。由于出水口位于第一缸缸盖处，因此需要重点关注第四缸缸盖的水流量，通常可以通过改变分水孔的位置、数量和直径大小优化水流量分布，缸体入流通道布置在缸体上侧，这样有利于对热负荷较大的缸体上部进行冷却。再者，缸盖喷油器区域热负荷较高，故在此区域设计了主喷孔，增加水流量，实现局部高温区重点冷却。由此可见，除总入水口外，各缸体及缸垫分水孔的大小、布置等都是实现各缸流量均匀分布的关键所在，因此有必要借助CFD方法进行分析评价。汽车发动机盖
图2 发动机水套几何模型Fig.2 Geometric Model of Engine Cooling Water Jacket
3 计算模型
CFD分析能够直观地观察水套内流场、压力场、温度场分布，相对于试验法具有较大的灵活性，并且能够节省研发成本，缩短开发周期。冷却流设为三维无压缩理想流体，其流动与传热过程遵循质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。
式中：ρ—密度，ρ=ρ（x，y，z，t）；t—时间；v—速度矢量。
动量守恒方程：
式中：μ—动力粘度；p—流体微元体上的压力；Su、Sv、Sw—动量守恒方程的广义源项。
能量守恒方程：
式中：cp—比热容；T—温度；k—流体的传热系数；ST—流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。
湍流模型采用k-ε方程，此方程表示在充分发展的湍流区域中，湍流脉动量对湍动能方程和耗散率方程的影响，其方程如下式：
式中：k—湍动能；ε—湍动耗散率；μi—i方向的速度分量；xi—i方向的空间坐标位置分量；μi—湍动黏度；Gk—平均速度梯度引起的湍动能 k 的产生项；C1ε、C2ε、σk、σε—经验值。
发动机水套采用多面体网格，对关键部位采用区域网格加密，并对网格进行了无关性检查，原水套和新水套最终网格数量分别为169万和172万。模型入口采用质量流量入口，流量为3.298kg/s（205L/min），水温 90℃；出口采用压力出口，由于出口有回流产生，故在出口处采用拉伸层处理；缸盖壁面温度为120℃，缸体壁面温度100℃；近壁面采用标准壁面条件。
4 计算结果分析
两种水套的流线分布图，如图3所示。从流线分布图上可以看出，原水套水流进入缸体后，流动比较杂乱，并且进入第四缸的水流量比新水套少。机油冷却器和缸垫分水孔处的流速较大，部分区域有涡流产生，考虑到缸盖排气侧温度较高，设计时在排气侧布置了更多分水孔且孔径较大，引导水流通过排气侧进入缸盖。原水套与新水套的整体平均流速分别为0.746m/s和0.821m/s，其中主喷孔流速分别为3.028m/s和3.866m/s，由此可见新水套整机流动性更强，对重点区域（鼻梁区）的冷却效果更好。
图3 流线分布图Fig.3 Streamline Distribution
缸盖换热系数分布图，如图4所示。缸盖主喷孔流量对比图，如图5所示。由图4和图5可见，新水套相比于原水套，主喷孔流量有所增加，缸盖换热重点区域（鼻梁区）的换热系数有明显提高，保证了各缸喷油器区域的换热需求，总体来说，两者缸盖整体换热差异不大，换热均匀性比较理想。
图4 缸盖换热系数分布图Fig.4 Heat Transfer Coefficient Distribution of Cylinder Head
图5 缸盖主喷孔流量对比图Fig.5 Cylinder Head Main Nozzle Flow Diagram
缸盖换热系数对比图，如图6所示。由图6可知，相对于原水套，新水套除第四缸缸盖换热系数略有降低外，其余各缸平均换热系数均有所增加，由此可见新水套可以满足4102发动机缸盖的换热需求。缸体换热系数分布图，如图7所示。由图7缸体换热系数分布图可见，新水套换热均匀性更好，并且，新水套方案的换热集中在缸体中上部，分配更为合理。从故障来源上可知，三、四缸的热负荷较大，需要引导更多水流量进入三、四缸，增强散热能力。缸体换热系数对比图，如图8所示。由图8可知，新水套第一缸换热系数有所降低，三、四缸明显提高，这样可以有效改善三、四缸的换热情况，新水套各缸的水流分配更为合理，三、四缸换热系数的增大将有效地改善其冷却不足的现象。
图6 缸盖换热系数对比图Fig.6 Heat Transfer Coefficient of Cylinder Head
图7 缸体换热系数分布图Fig.7 Heat Transfer Coefficient Distribution of Cylinder Block
图8 缸体换热系数对比图Fig.8 Heat Transfer Coefficient of Cylinder Block
两种水套缸盖、缸体截面流速对比，相对于原水套，新水套在主喷孔处流速较大，前三缸排气侧水流高速区较多，缸垫分水孔整体分布比较合理。原水套缸盖截面平均流速为0.719m/s，新水套缸盖截面平均流速为0.683m/s，之所以新水套流速稍低，主要是由于新水套第四缸流速偏低，这也是致使第四缸换热系数下降的主要原因，但是换热系数仍维持在12kW/（m2-k）以上，满足换热需求。从缸体矢量图可以看出，新水套水流更多的是从三、四缸进入，三、四缸冷却有很大改善，缸间水流流速较大，可以有效改善三、四缸缸间冷却不足的现象。但是引入三四缸的水流增多，致使一缸水流减少，虽然水流减少，但并未像原水套那样产生了流动死区。从矢量图上可以看出，进入二缸的水流又回流到一缸，这样就造成了一定水流量的回流，有可能导致一定程度的压力损失。从缸体换热系数图中可以看到，新水套一缸换热系数有所下降，但降低幅度较小，总体来说可以满足一缸的换热需求。
压力损失主要是在出入口处及缸垫分水孔处。两种水套的压损具体数值：原水套压损为30.26kPa，新水套压损为35.57kPa。在缸垫孔位置，原水套由于有较多的水从进气侧上到缸盖，形成短路，故缸垫处的压损相对较小。相对于205L/min的入口流量，新水套35.57kPa的压损在可接受范围内，满足要求。
5 试验结果
上文对两种水套进行了分析研究，从分析结果可见，新水套冷却效果得到了明显改善。主要试验设备，如表1所示。
表1 试验设备Tab.1 Test Facility序号 设备名称 规格型号 制造厂家1 内燃机测试自动控制台 PUMA1.5 AVL 2电力测功机 APA220 AVL
试验设备，如图9所示。
图9 试验设备Fig.9 The Total Pressure Loss
通过400小时全速全负荷耐久试验验证，上述描述的两种故障得到解决，具体情况，如表2所示。
表2 试验结果Tab.2 Test Results原水套方案 优化后新水套方案第三缸与第四缸缸间开裂 400h台架试验未出现开裂现象第四缸活塞拉缸 400h台架试验未出现活塞拉缸现象
6 结论
通过对前期问题的分析，将4102发动机冷却水套进行优化设计，并借助CFD分析方法对设计方案进行分析评估，最后通过试验验证，总体效果改善明显，尤其是三四缸换热问题，现将结果总结如下：
（1）缸盖：相对于原水套，新水套各缸主喷孔流量有明显增加。在喷油器区域，新水套平均换热系数有明显提高。（2）缸体：新水套第一缸换热系数有所降低，三四缸换热系数有明显提高，由于进入三四缸的水经过油冷器加热，冷却效果会有所下降，故新水套在各缸的水流分配比较合理，改善了原水套三四缸换热不佳的现象。并且，新水套的换热系数集中在缸体中上部，分布更为合理。在第一缸处增加上水孔，防止第一缸缸体内产生流动死区。（3）流通性：新水套压损为35.57kPa，相对于205L/min的入口流量，流通性满足要求。（4）试验结果：通过试验验证，新水套解决了发动机第三缸与第四缸缸间开裂和第四缸活塞拉缸的问题。
发布评论