某柴油機(jī)冷卻水套優(yōu)化設(shè)計(jì)

王奇，王次安，王宏大，常耀紅，劉吉林

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某柴油機(jī)冷卻水套優(yōu)化設(shè)計(jì)

王奇，王次安1，王宏大1，常耀紅1，劉吉林1

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

以某柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)管路數(shù)模為基礎(chǔ)搭建冷卻系統(tǒng)一維分析模型，計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)水套進(jìn)出口流量邊界，以該邊界數(shù)據(jù)作為發(fā)動(dòng)機(jī)水套CFD分析的輸入，進(jìn)行分析得到水套換熱系數(shù)分布情況，并對(duì)水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后對(duì)優(yōu)化水套結(jié)構(gòu)再次分析驗(yàn)證優(yōu)化效果。

冷卻系統(tǒng)；CFD；水套；一維

前言

冷卻系統(tǒng)是發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，其性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)[1]，冷卻系統(tǒng)的功用是把發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)到周圍環(huán)境中，使發(fā)動(dòng)機(jī)處在有效工作狀態(tài)下，保證發(fā)動(dòng)機(jī)具有良好的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性[2]。冷卻系統(tǒng)中發(fā)動(dòng)機(jī)水套的設(shè)計(jì)是否合理直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能的好壞，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)水套結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[3]，如果僅僅利用經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)水套的設(shè)計(jì)，會(huì)造成設(shè)計(jì)存在富余或設(shè)計(jì)不足，不利于水套的精確設(shè)計(jì)。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)可應(yīng)用于水套內(nèi)部的流動(dòng)模擬，且該仿真技術(shù)與試驗(yàn)對(duì)比具有足夠的精確性和可靠性，可以應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中[4]。

本文首先基于冷卻系統(tǒng)幾何管路搭建冷卻系統(tǒng)分析模型，計(jì)算得到水套換熱分析的邊界條件，然后建立水套CFD分析模型，將流量邊界輸入到模型中，進(jìn)行CFD分析，確定水套換熱性能，最后對(duì)水套進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并再次進(jìn)行水套CFD分析，驗(yàn)證優(yōu)化效果。

1 冷卻系統(tǒng)分析

圖1 冷卻系統(tǒng)設(shè)管路模型

為了得到水套CFD分析的流量邊界數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行冷卻系統(tǒng)一維分析，該機(jī)型冷卻系統(tǒng)管路模型如圖1所示，冷卻部件主要包括散熱器、膨脹水壺、EGR冷卻器、暖風(fēng)機(jī)構(gòu)和機(jī)油冷卻器。

圖2 各冷卻部件流阻特性數(shù)據(jù)

各冷卻部件流阻特性數(shù)據(jù)如圖2所示，各部件的流阻特性決定冷卻系統(tǒng)流量的分配情況。圖3為該機(jī)型水泵性能數(shù)據(jù)，發(fā)動(dòng)機(jī)水泵主要作用是驅(qū)動(dòng)冷卻液在系統(tǒng)中的流動(dòng)?；谝陨细鬟吔鐢?shù)據(jù)搭建冷卻系統(tǒng)分析模型，如圖4所示，計(jì)算工況為發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速3600rpm工況，通過(guò)計(jì)算可以得到冷卻系統(tǒng)各部件流量分配情況，具體流量分配情況如表1所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)水泵性能數(shù)據(jù)

圖4 冷卻系統(tǒng)分析模型

表1 冷卻系統(tǒng)流量分配

2 發(fā)動(dòng)機(jī)水套分析

得到冷卻系統(tǒng)各部件流量分配情況，將各流量數(shù)據(jù)作為邊界進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)水套CFD分析。該機(jī)型水套幾何模型如圖5所示，圖中對(duì)水套各個(gè)主要進(jìn)出口進(jìn)行標(biāo)注。

圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)水套幾何模型

將流量數(shù)據(jù)輸入到水套分析模型中，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)水套的CFD分析，計(jì)算中冷卻液為不可壓縮穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)，湍流模型采用穩(wěn)定性較好的k-ε模型，k-ε模型可以通過(guò)以下兩個(gè)方程來(lái)描述[5]，即：

如圖6為缸體水套換熱系數(shù)云圖，圖7為缸蓋水套換熱系數(shù)云圖。由缸體水套換熱分析可知，四缸火力岸面換熱系數(shù)較差，如圖中標(biāo)注所示，不滿足換熱系數(shù)要求。由缸蓋水套換熱系數(shù)分布云圖可知，一缸和二缸鼻梁區(qū)換熱系數(shù)不滿足冷卻需求。

圖6 缸體水套換熱系數(shù)云圖

圖7 缸蓋水套換熱系數(shù)云圖

圖8 缸體水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于水套換熱分析結(jié)果可知，需要對(duì)水套結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，主要優(yōu)化如圖8和圖9所示，其中圖8為將一缸前端龍門高度縮短10mm，以增加流向后端的冷卻液流量。圖9為優(yōu)化缸墊結(jié)構(gòu)，主要是優(yōu)化圖中標(biāo)注1和標(biāo)注2位置的水孔，增加水孔尺寸。

圖9 缸蓋水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖10 優(yōu)化結(jié)構(gòu)缸體水套換熱系數(shù)云圖

圖11 優(yōu)化結(jié)構(gòu)缸蓋水套換熱系數(shù)云圖

然后以相同的流量邊界條件再次對(duì)優(yōu)化水套進(jìn)行 CFD分析，得到缸體和缸蓋水套換熱系數(shù)分布情況，如圖10和圖11所示。其中圖10為缸體水套換熱系數(shù)分布云圖，根據(jù)換熱系數(shù)分布情況可知，四缸水套火力岸面換熱系數(shù)優(yōu)化明顯，水塔換熱系數(shù)滿足冷卻需求。圖11為缸蓋水套換熱系數(shù)分布情況，根據(jù)換熱系數(shù)分布可知，缸蓋各位置鼻梁區(qū)換熱系數(shù)滿足換熱要求。基于以上分析結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)水套結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案有效，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)水套的換熱分布。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以某柴油機(jī)冷卻水套優(yōu)化為出發(fā)點(diǎn)，首先進(jìn)行冷卻系統(tǒng)一維分析，得到系統(tǒng)各部件流量分配數(shù)據(jù)，然后建立水套CFD分析模型，將流量邊界輸入到模型中進(jìn)行CFD分析，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行判斷并對(duì)水套進(jìn)行優(yōu)化，最后再次分析確認(rèn)優(yōu)化效果。根據(jù)再次分析結(jié)果可知水套優(yōu)化之后，缸體水套四缸流動(dòng)滿足冷卻要求，缸蓋鼻梁區(qū)換熱系數(shù)滿足冷卻要求，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)水套的散熱性能。通過(guò)本分析可知計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用可以用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率。

[1] 湯定國(guó)等.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造與維修[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2] 姚仲鵬,王新國(guó).車輛冷卻傳熱[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2001.

[3] 于秀敏,陳海波等.發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中流動(dòng)與傳熱問(wèn)題數(shù)值模擬進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào).2008,（10）162-167.

[4] 朱家鯤.計(jì)算流體力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1985.

[5] 王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析-CFD 軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

2017全球區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展論壇汽車行業(yè)專場(chǎng)即將在滬舉辦

中國(guó)信息通信研究院發(fā)起的全球區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展論壇(GBF)特別開(kāi)設(shè)汽車行業(yè)專場(chǎng)。11月8日，在上海安亭，中國(guó)信息通信研究院聯(lián)合上海國(guó)際汽車城，舉辦“區(qū)塊鏈——汽車產(chǎn)業(yè)新動(dòng)力”主題論壇。 論壇將邀請(qǐng)工信部主管領(lǐng)導(dǎo)、汽車行業(yè)、區(qū)塊鏈、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的代表，共話汽車產(chǎn)業(yè)如何以區(qū)塊鏈為新動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，共謀行業(yè)新發(fā)展。

全球區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展論壇首次面向汽車行業(yè)：響應(yīng)十九大精神，新興科技和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，培育新增長(zhǎng)點(diǎn)、形成新動(dòng)能。共享汽車，無(wú)人駕駛，人工智能，新能源，解讀汽車產(chǎn)業(yè)新時(shí)代的關(guān)鍵詞;滴滴、吉利、蔚來(lái)汽車、愛(ài)泊車、EVCARD，汽車領(lǐng)域各路玩家在此“論道”。

（編輯： 王磊 來(lái)源： 映象網(wǎng)）

Optimization design of EURO IV engine cooling system

Wang Qi, Wang Cian1, Wang Hongda1, Chang Yaohong1, Liu Jilin1
( Anhui jianghuai automobile group co., LTD., Anhui Hefei 230601 )

The 1-D cooling system simulation model of engine is built based on cooling system CAD model. The flow rate of engine different ranch can be got. And the water jacket CFD analysis can be drawn based on 1D simulation result, the HTC of water jacket can be got of different area. The optimal design can be made based on 3D simulation result. At last the optimal design of water jacket can be verified based CFD simulation.

Cooling system; CFD; water jacket; 1D

U467.3

A

1671-7988 (2017)21-84-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.029

CLC NO.: U467.3

A

1671-7988 (2017)21-84-03

王奇，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司。