何世泉

（泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海201201）

0 引言

汽油機(jī)通過燃料的燃燒膨脹推動(dòng)活塞做功，故其承受著高強(qiáng)度的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷。工作過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)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(xiàn)設(shè)計(jì)不當(dāng)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(chǎn)生裂紋，造成失效。

國(guó)內(nèi)外較多文獻(xiàn) ［1-3］對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了3維流動(dòng)的數(shù)值模擬，也有對(duì)水套進(jìn)行優(yōu)化分析的例子［4-6］。本文通過對(duì)某汽油機(jī)冷卻水套的模擬計(jì)算，分析了水套內(nèi)冷卻液的流動(dòng)情況；同時(shí)，根據(jù)分析結(jié)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(jié)構(gòu)與改進(jìn)外部水泵結(jié)構(gòu)相結(jié)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(jì)算模型建立

選用3維設(shè)計(jì)軟件UG對(duì)某3缸汽油機(jī)冷卻水套進(jìn)行幾何造型設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)冷卻水套時(shí)，在兼顧缸體和缸蓋主要結(jié)構(gòu)特征的同時(shí)，要保證整體冷卻性能。在冷卻水套優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，需要先將整個(gè)冷卻水套從缸體和缸蓋中提取出來，然后對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的性能測(cè)試，優(yōu)化水套結(jié)構(gòu)。

整個(gè)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(jiǎn)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(shí)，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(jīng)過缸蓋水套對(duì)缸蓋進(jìn)行冷卻，之后從缸蓋冷卻液出口流出，進(jìn)入連接管道和調(diào)溫器后，進(jìn)入冷卻小循環(huán)或者冷卻大循環(huán)。

在進(jìn)行冷卻水套研究的時(shí)候，提取的分析區(qū)域以缸體入水口作為起點(diǎn)，缸蓋出水口作為終點(diǎn)，并且對(duì)冷卻水套進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，如圖1所示。

利用AVL-FIRE體網(wǎng)格生成器FAME HYBIRD對(duì)冷卻水套幾何模型進(jìn)行體網(wǎng)格劃分，如圖2所示。體網(wǎng)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(jì)算精度，對(duì)缸蓋鼻梁區(qū)、上水通道等流速、壓力梯度較大區(qū)域進(jìn)行了細(xì)化加密。

圖1 整體水套

圖2 FIRE體網(wǎng)格

同時(shí)對(duì)上水口區(qū)域進(jìn)行了AVL-FIRE自帶的Transfer體網(wǎng)格變形，對(duì)選定區(qū)域進(jìn)行一定比例的放大細(xì)化，提高了局部的計(jì)算精度，如圖3所示。

圖3 上水口體網(wǎng)格變形前后區(qū)別

1.2 求解設(shè)置

在進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，設(shè)定冷卻水套內(nèi)的冷卻液的流動(dòng)狀態(tài)是絕熱的、不可壓縮的黏性湍流流動(dòng)，湍流控制方程為k-ε兩方程高雷諾數(shù)模型。對(duì)近壁區(qū)域采用混合壁面函數(shù)進(jìn)行處理?？刂品匠痰碾x散算法采用有限容積法。冷卻介質(zhì)選用50%水與50%防凍添加液乙二醇 （GLYCOL）的混合物，沸點(diǎn)為404.15 K，其基本物理參數(shù)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(shù)如表2所示。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù) （見表3），設(shè)置流體數(shù)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(shù)

表3 發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

表4 流體仿真邊界條件和初始條件

其他計(jì)算參數(shù)及求解控制根據(jù)Solution Type中的Cooling Jacket模板進(jìn)行設(shè)置。

選取21個(gè)點(diǎn)作為特征點(diǎn)進(jìn)行收斂性監(jiān)測(cè)，進(jìn)口處1個(gè)，出口處2個(gè)，鼻梁區(qū)3個(gè)，上水口15個(gè)。上水口15個(gè)點(diǎn)的位置分布及編號(hào)如圖4所示。

1.3 結(jié)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(duì)缸蓋冷卻水套而言，缸體水套冷卻液的流速比較低，同時(shí)因?yàn)槔鋮s液從進(jìn)氣側(cè)進(jìn)入，導(dǎo)致排氣側(cè)冷卻液流速要低于進(jìn)氣側(cè)。大量的冷卻液在第1缸上水口處進(jìn)入缸蓋，導(dǎo)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(duì)較低。

圖4 上水口15個(gè)點(diǎn)位置分布及編號(hào)

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(duì)缸體水套而言溫度更高，因?yàn)楦咨w火力面與高溫燃?xì)獾慕佑|時(shí)間較長(zhǎng)，熱負(fù)荷相對(duì)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(duì)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(jié)果可知，冷卻水套的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為合理，各個(gè)區(qū)域流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定，沒有大型湍流干擾主流通道的流動(dòng)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(duì)冷卻水套進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，增強(qiáng)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(zhì)量流量相對(duì)較大，接近總體流量44%的冷卻液在進(jìn)入水套后從1、2、3、13號(hào)上水口直接進(jìn)入缸蓋。這將直接導(dǎo)致后續(xù)2缸冷卻液流量相對(duì)不足，對(duì)應(yīng)的流速和傳熱系數(shù)相對(duì)較低，對(duì)應(yīng)的冷卻效能下降，溫度上升，各缸之間的溫度梯度加大，熱應(yīng)力增加，會(huì)導(dǎo)致缸套變形增大，活塞與缸套磨損加劇，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命有較大的影響。因此，可以考慮調(diào)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)限制，1、4、6、14、15、9、10、11、12和13號(hào)上水口面積不能增加，只能減少；2、3、5和7號(hào)上水口面積可減小，也可增大，但是增大的面積很有限；8號(hào)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(hào)上水口面積或增大8號(hào)上水口的面積。表5列出了5種上水口面積的增減方案。對(duì)5種方案進(jìn)行CFD分析對(duì)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(jì)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(diào)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(hào)上水口面積降低到1／2以下時(shí)，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(dòng)。

表6 5種方案最高溫度對(duì)比

將方案2（2號(hào)上水口面積變?yōu)?／2）和方案5（8號(hào)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(duì)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(nèi)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(cè)溫度偏高，考慮增加水泵齒數(shù)以提高其轉(zhuǎn)速，達(dá)到增加冷卻液流量的目的。原冷卻水泵齒輪齒數(shù)為19齒，入口流量為1.426 kg／s；改進(jìn)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(duì)比如表7所示，缸蓋水套鼻梁區(qū)冷卻液流速對(duì)比如圖9所示。

表7 第1、3缸鼻梁區(qū)溫度差對(duì)比

圖9 缸蓋水套冷卻液速度比對(duì) （俯視）

分析結(jié)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(xiàn)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(jī)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(xiàn)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(duì)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(jié)合，作為優(yōu)化方案3，即在調(diào)整冷卻水道的基礎(chǔ)上，適當(dāng)提高冷卻液流量，可以達(dá)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(duì)比。可見，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(duì)比

原機(jī)與優(yōu)化方案3流速場(chǎng)之間的對(duì)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(jī)有顯著的提升；同時(shí)，對(duì)冷卻水套上水口進(jìn)行了優(yōu)化，使更多的冷卻液從排氣側(cè)進(jìn)入缸蓋冷卻水套，缸蓋水套排氣側(cè)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(duì)比 （俯視）

缸蓋水套鼻梁區(qū)冷卻液流速對(duì)比如圖12所示?？梢钥闯觯艢庖粋?cè)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(shí)，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(duì)比

3 結(jié)論

對(duì)某汽油機(jī)冷卻水套進(jìn)行CFD分析，發(fā)現(xiàn)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(jìn)行改善。

在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)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(jié)合不僅能有效降低缸蓋過高的整體平均溫度，增強(qiáng)整體冷卻性能，還能降低缸蓋各缸溫度梯度，減少熱應(yīng)力集中，改善發(fā)動(dòng)機(jī)的總體工作狀態(tài)。這對(duì)其他發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有借鑒意義。