某汽油機冷卻水套優(yōu)化設計

何世泉

（泛亞汽車技術中心有限公司，上海201201）

0 引言

汽油機通過燃料的燃燒膨脹推動活塞做功，故其承受著高強度的熱負荷和機械負荷。工作過程中，發(fā)動機缸內氣體溫度很高，尤其是燃燒室周圍的零部件，工作條件最為惡劣。一旦出現設計不當或者冷卻不充分的問題，就容易造成局部過熱，從而在高頻熱疲勞和低頻熱疲勞的共同作用下產生裂紋，造成失效。

國內外較多文獻 ［1-3］對發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)進行了3維流動的數值模擬，也有對水套進行優(yōu)化分析的例子［4-6］。本文通過對某汽油機冷卻水套的模擬計算，分析了水套內冷卻液的流動情況；同時，根據分析結果提出了幾種優(yōu)化方案以提高冷卻水套的冷卻能力。最終通過優(yōu)化水套結構與改進外部水泵結構相結合的方式，得到了較好的冷卻效果，為水套優(yōu)化提供了新思路。

1 冷卻水套的CFD分析

1.1 計算模型建立

選用3維設計軟件UG對某3缸汽油機冷卻水套進行幾何造型設計。

設計冷卻水套時，在兼顧缸體和缸蓋主要結構特征的同時，要保證整體冷卻性能。在冷卻水套優(yōu)化設計過程中，需要先將整個冷卻水套從缸體和缸蓋中提取出來，然后對其進行進一步的性能測試，優(yōu)化水套結構。

整個冷卻水套的幾何模型包括缸體水套、缸蓋水套和氣缸蓋墊片上水口 （以下簡稱上水口）。冷卻水套入口位于缸體水套上，冷卻液從水泵流入缸體水套入口，從第1缸流向其余缸體。同時，冷卻液在壓力的作用下，通過上水口從缸體水套流入缸蓋水套，然后經過缸蓋水套對缸蓋進行冷卻，之后從缸蓋冷卻液出口流出，進入連接管道和調溫器后，進入冷卻小循環(huán)或者冷卻大循環(huán)。

在進行冷卻水套研究的時候，提取的分析區(qū)域以缸體入水口作為起點，缸蓋出水口作為終點，并且對冷卻水套進行適當的簡化，如圖1所示。

利用AVL-FIRE體網格生成器FAME HYBIRD對冷卻水套幾何模型進行體網格劃分，如圖2所示。體網格主要由六面體單元組成，另外還包括少量的五面體和四面體。為保證計算精度，對缸蓋鼻梁區(qū)、上水通道等流速、壓力梯度較大區(qū)域進行了細化加密。

圖1 整體水套

圖2 FIRE體網格

同時對上水口區(qū)域進行了AVL-FIRE自帶的Transfer體網格變形，對選定區(qū)域進行一定比例的放大細化，提高了局部的計算精度，如圖3所示。

圖3 上水口體網格變形前后區(qū)別

1.2 求解設置

在進行數值模擬過程中，設定冷卻水套內的冷卻液的流動狀態(tài)是絕熱的、不可壓縮的黏性湍流流動，湍流控制方程為k-ε兩方程高雷諾數模型。對近壁區(qū)域采用混合壁面函數進行處理?？刂品匠痰碾x散算法采用有限容積法。冷卻介質選用50%水與50%防凍添加液乙二醇 （GLYCOL）的混合物，沸點為404.15 K，其基本物理參數如表1所示。缸蓋和缸體材料均為鑄鋁合金 （ALSi8Cu3），其物理特性參數如表2所示。根據發(fā)動機設計參數 （見表3），設置流體數值仿真邊界條件及初始條件，如表4所示。

表1 冷卻液主要物理屬性

表2 固體區(qū)域物理特性參數

表3 發(fā)動機設計參數

表4 流體仿真邊界條件和初始條件

其他計算參數及求解控制根據Solution Type中的Cooling Jacket模板進行設置。

選取21個點作為特征點進行收斂性監(jiān)測，進口處1個，出口處2個，鼻梁區(qū)3個，上水口15個。上水口15個點的位置分布及編號如圖4所示。

1.3 結果分析

圖5所示為缸體的水套速度分布，平均速度為0.836 m／s。由圖5可見，相對缸蓋冷卻水套而言，缸體水套冷卻液的流速比較低，同時因為冷卻液從進氣側進入，導致排氣側冷卻液流速要低于進氣側。大量的冷卻液在第1缸上水口處進入缸蓋，導致第1缸缸蓋處冷卻液流速過大，第2、3缸缸蓋處冷卻液流速相對較低。

圖4 上水口15個點位置分布及編號

圖5 缸體冷卻水套速度分布

圖6 為缸體水套近壁面溫度分布云圖，圖7為缸蓋水套近壁面溫度分布云圖。綜合各缸看，缸蓋水套相對缸體水套而言溫度更高，因為缸蓋火力面與高溫燃氣的接觸時間較長，熱負荷相對較高?？偟膩碚f，溫度分布較為適合，但是依然存在著一些問題：缸蓋水套溫度依然相對較高，3缸之間溫度梯度過大，鼻梁區(qū)溫度普遍偏高。

圖6 缸體水套溫度分布

圖7 缸蓋水套溫度分布

由仿真結果可知，冷卻水套的設計結構較為合理，各個區(qū)域流場相對穩(wěn)定，沒有大型湍流干擾主流通道的流動性；但是仍然存在需要優(yōu)化的問題：1）整體平均溫度依然過高，尤其是缸蓋部分，需要對冷卻水套進行優(yōu)化調整，增強整體冷卻性能；2）缸體水套的第1缸與第2、3缸之間存在過大的溫度梯度；3）缸蓋水套各氣門之間的鼻梁區(qū)域處存在低流速區(qū)。

2 冷卻水套CFD優(yōu)化

2.1 增減上水口面積

第1缸附近的上水口質量流量相對較大，接近總體流量44%的冷卻液在進入水套后從1、2、3、13號上水口直接進入缸蓋。這將直接導致后續(xù)2缸冷卻液流量相對不足，對應的流速和傳熱系數相對較低，對應的冷卻效能下降，溫度上升，各缸之間的溫度梯度加大，熱應力增加，會導致缸套變形增大，活塞與缸套磨損加劇，對發(fā)動機的壽命有較大的影響。因此，可以考慮調整上水口面積大小來提高低流速區(qū)的冷卻液流速，改善上述情況。

受發(fā)動機結構限制，1、4、6、14、15、9、10、11、12和13號上水口面積不能增加，只能減少；2、3、5和7號上水口面積可減小，也可增大，但是增大的面積很有限；8號上水口面積可增大，最多為原面積的2倍，也可減小。綜合考慮各缸溫度變化，決定減小2號上水口面積或增大8號上水口的面積。表5列出了5種上水口面積的增減方案。對5種方案進行CFD分析對比，選出最佳方案。

表5 上水口面積的增減方案

通過CFD仿真計算，5種方案的最高溫度如表6所示?？梢钥闯錾纤诿娣e的調整均能降低第3缸的缸蓋溫度，提高第1缸的缸蓋溫度，減小各缸溫度梯度；但是2號上水口面積降低到1／2以下時，第1缸的冷卻性能迅速惡化，溫度迅速升高，最高溫度位置逐漸向火花塞位置移動。

表6 5種方案最高溫度對比

將方案2（2號上水口面積變?yōu)?／2）和方案5（8號上水口面積翻倍）組合作為優(yōu)化方案1。

圖8為優(yōu)化方案1與原方案的缸蓋水套鼻梁區(qū)冷卻液流速對比。可見，優(yōu)化后各缸鼻梁區(qū)的冷卻液流速均勻性有所提升，第1缸鼻梁區(qū)冷卻液流速略有下降；但缸蓋水套內還存在一些低流速區(qū)，并且火力面的冷卻液流速還有待提高。

2.2 增加冷卻液流量

由于冷卻水套冷卻能力略顯不足，各缸鼻梁區(qū)、火力面及排氣側溫度偏高，考慮增加水泵齒數以提高其轉速，達到增加冷卻液流量的目的。原冷卻水泵齒輪齒數為19齒，入口流量為1.426 kg／s；改進方案為水泵齒輪增加1齒，入口流量增至1.501 kg／s，將此作為優(yōu)化方案2。優(yōu)化方案2與原方案的第1、3缸鼻梁區(qū)溫差對比如表7所示，缸蓋水套鼻梁區(qū)冷卻液流速對比如圖9所示。

表7 第1、3缸鼻梁區(qū)溫度差對比

圖9 缸蓋水套冷卻液速度比對 （俯視）

分析結果表明，增加冷卻液流量后，第1缸最高溫度下降幅度大于第3缸，出現了最高溫度之差增大的情況。優(yōu)化方案2整體流速比原型機有明顯提升，且原方案中各缸缸蓋水套鼻梁區(qū)域存在低流速區(qū)，現該流速也得到有效提升，如圖10所示。缸蓋水套底平面上冷卻液的平均流速由原來的1.007 m／s增加到 1.127 m／s； 但各缸之間的冷卻液流速梯度大的問題并沒有得到有效的解決，反而有所增加。

圖10 缸蓋水套鼻梁區(qū)冷卻液流速對比

2.3 優(yōu)化方案1+優(yōu)化方案2

將優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2結合，作為優(yōu)化方案3，即在調整冷卻水道的基礎上，適當提高冷卻液流量，可以達到較好的冷卻效果。表8為優(yōu)化前后的水套鼻梁區(qū)溫度差對比?？梢?，優(yōu)化方案3既降低了第1缸缸蓋溫度，又使得各缸的溫度梯度減小。

表8 第1、3缸鼻梁區(qū)溫度差對比

原機與優(yōu)化方案3流速場之間的對比如圖11所示。從缸蓋底面的速度分布可以看出，優(yōu)化方案3的流速整體要比原型機有顯著的提升；同時，對冷卻水套上水口進行了優(yōu)化，使更多的冷卻液從排氣側進入缸蓋冷卻水套，缸蓋水套排氣側冷卻液流速有較為明顯的提升，并且均勻性良好。

圖11 缸蓋水套冷卻液流速對比 （俯視）

缸蓋水套鼻梁區(qū)冷卻液流速對比如圖12所示。可以看出，排氣一側的冷卻液流速明顯增加，并且缸蓋水套底平面水流的平均速度由原來的1.007 m／s增加到1.093 m／s。由圖12可見，各缸鼻梁區(qū)的冷卻液流速都有所增加，各缸的氣門之間鼻梁區(qū)域的平均流速由原來的1.19 m／s增加到1.64 m／s。優(yōu)化方案3可以優(yōu)化缸蓋的低流速區(qū)，增加冷卻效率；同時，又有效地降低了各缸之間的冷卻液速度梯度，提高了各缸的冷卻液速度的均勻性。

圖12 缸蓋水套鼻梁區(qū)冷卻液流速對比

3 結論

對某汽油機冷卻水套進行CFD分析，發(fā)現水套存在的問題，如各缸溫度梯度過大、鼻梁區(qū)域流速過低、總體冷卻能力不足等，需要采取措施進行改善。

在發(fā)動機結構限制情況下，通過增減氣缸蓋墊片上水口面積來改善冷卻液流速的均勻性，降低各缸溫度梯度；通過增加冷卻液流量來提高低流速區(qū)域的冷卻液流速；將兩者結合不僅能有效降低缸蓋過高的整體平均溫度，增強整體冷卻性能，還能降低缸蓋各缸溫度梯度，減少熱應力集中，改善發(fā)動機的總體工作狀態(tài)。這對其他發(fā)動機冷卻系統(tǒng)設計和優(yōu)化具有借鑒意義。