摘要：文章以某國(guó)產(chǎn)風(fēng)冷汽油發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其冷卻系統(tǒng)進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)的建模以及空氣流場(chǎng)的分析，利用ANSYS軟件中CFD模塊進(jìn)行流場(chǎng)仿真，得出該機(jī)型的系統(tǒng)的速度與壓力場(chǎng)，對(duì)于其中存在的問(wèn)題提出優(yōu)化的方案，同時(shí)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)方案驗(yàn)證。通過(guò)兩次對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化，合理改進(jìn)了氣流不同位置的流體面積，使得氣缸蓋與氣缸體的冷卻氣流流場(chǎng)合理分布。通過(guò)結(jié)構(gòu)上如缸蓋間隙、導(dǎo)流板增設(shè)以及角度、蝸殼處擋板的改進(jìn)，優(yōu)化了散熱片的冷卻風(fēng)道，從而強(qiáng)化了燃燒室的冷卻，使得整機(jī)的冷卻性能得到提升，從而降低機(jī)體運(yùn)行溫度、減小運(yùn)行熱負(fù)荷，使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣的加熱量明顯降低。整機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)二次優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性得到了提高、熱負(fù)荷降低，發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性和穩(wěn)定性有所改善。

關(guān)鍵詞：二沖程汽油機(jī)，冷卻系統(tǒng)，CFD仿真分析，速度場(chǎng)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TK412.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-9545（2023）02-0028-（06）

DOI：10.19717/j.cnki.jjun.2023.02.006

汽油機(jī)相比柴油機(jī)而言有著體積小、重量較輕、運(yùn)輸方便的優(yōu)勢(shì)，在園林、建筑等行業(yè)已經(jīng)有了一定程度的使用。自加入WTO以來(lái)，我國(guó)目前汽油機(jī)年產(chǎn)量已經(jīng)突破5000萬(wàn)臺(tái)，從適用性角度分析，其仍具一定的前景與發(fā)展空間的。同時(shí)在汽油機(jī)產(chǎn)量已經(jīng)有了大幅度提升的情況下，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的汽油機(jī)綜合水平仍然遠(yuǎn)低于歐洲、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家[1]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)汽油機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新性不足，與國(guó)外同類產(chǎn)品相比較，我國(guó)生產(chǎn)的汽油機(jī)一致性與可靠性也存在著一定的不足[2]。

對(duì)于汽油機(jī)機(jī)體，如果機(jī)體冷卻不足，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的部分部件和潤(rùn)滑系統(tǒng)溫度過(guò)高，產(chǎn)生嚴(yán)重后果[3]。例如在缸蓋溫度達(dá)到臨界點(diǎn)后，就會(huì)容易出現(xiàn)裂紋，從而出現(xiàn)漏油、漏水；機(jī)體溫度過(guò)高容易出現(xiàn)拉缸、拉瓦等嚴(yán)重問(wèn)題；此外在長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷工況下運(yùn)行，機(jī)油溫度過(guò)高，其粘稠度降低，也會(huì)造成整體系統(tǒng)的磨損加劇，使發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性與可靠性極大地降低[4]。因此對(duì)于整機(jī)的冷卻系統(tǒng)研究對(duì)汽油機(jī)的使用性能提升，是具有重要意義的。同時(shí)現(xiàn)階段我國(guó)學(xué)者對(duì)于風(fēng)冷柴油機(jī)展開的研究較多，而對(duì)風(fēng)冷式汽油機(jī)的關(guān)注點(diǎn)較少，對(duì)于其相關(guān)冷卻系統(tǒng)的相關(guān)研究報(bào)道很少[5-6]。

文章對(duì)BCE43B型風(fēng)冷汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行CFD仿真分析，抽取計(jì)算域，得出冷卻系統(tǒng)整體的空氣流場(chǎng)。從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)，完善氣缸蓋上冷卻風(fēng)道結(jié)構(gòu)，通過(guò)降低汽油機(jī)的熱載荷達(dá)到冷卻效果增強(qiáng)的目的。

1冷卻系統(tǒng)計(jì)算模型

1.1幾何模型的建立

以BCE43B風(fēng)冷汽油機(jī)機(jī)型為基礎(chǔ)建立幾何模型和仿真分析方案，主要的技術(shù)參數(shù)見表1。對(duì)于其冷卻系統(tǒng)的CFD仿真研究，首先需要進(jìn)行汽油機(jī)的三維實(shí)體模型的建立。文章主要利用UG三維建模軟件進(jìn)行建模以及流體區(qū)域的建立，如圖1所示。同時(shí)為使仿真過(guò)程收斂，提高數(shù)值計(jì)算時(shí)效性，在抽取計(jì)算域時(shí)對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，如刪除倒圓角、縫合細(xì)小的曲面、封堵進(jìn)排氣道等[7]，圖2為抽取出來(lái)的流體計(jì)算域模型。

1.2計(jì)算求解

仿真分析的對(duì)象以圖2抽取的計(jì)算域?yàn)榛A(chǔ)，采用商用軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬分析[8]，具體步驟如下：

（1）使用全自動(dòng)網(wǎng)格劃分軟件ICEM模塊對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格間距設(shè)置為1mm，考慮流體在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和壁面處的摩擦和湍流現(xiàn)象等復(fù)雜情況的存在，對(duì)壁面周圍和復(fù)雜結(jié)構(gòu)處進(jìn)行網(wǎng)格加密。網(wǎng)格劃分采用自動(dòng)劃分和局部加密的方式進(jìn)行，采用以四面體為主的非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)單元，計(jì)算模型網(wǎng)格總數(shù)599W，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量140W，網(wǎng)格扭曲度控制在0.35以下。網(wǎng)格質(zhì)量較高，可以滿足計(jì)算精度要求。

（2）計(jì)算中考慮到計(jì)算的效率，對(duì)局部較復(fù)雜的區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，同時(shí)考慮氣缸蓋和氣缸體之間采用交界面邊界條件，交界面邊界處傳熱過(guò)程作簡(jiǎn)化處理，熱載荷設(shè)置為面載荷[9]。

（3）流體控制方程符合高雷諾數(shù)范圍內(nèi)，采用納維-斯托克斯方程[10]。

（4）假設(shè)計(jì)算區(qū)域空間內(nèi)流通空氣為不可壓縮理想氣體，湍流方程采用k-ε模型，計(jì)算域壁面類型為標(biāo)準(zhǔn)壁面[9]。邊界條件設(shè)定：數(shù)值計(jì)算設(shè)定在3200r/min工況下，該轉(zhuǎn)速下冷卻系統(tǒng)入口設(shè)置為穩(wěn)定的12m/s流入氣流，流入氣體溫度、外界環(huán)境溫度均設(shè)置為300K，忽略氣體循環(huán)，機(jī)體邊界僅存在熱交換[11]。

九江學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版） 2023年第2期第2期 解鵬，等：二沖程汽油機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)的仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究2流動(dòng)分析

對(duì)計(jì)算結(jié)果采用CFD-POST進(jìn)行計(jì)算結(jié)果后處理，分析其速度場(chǎng)分布，利用速度云圖方便直接觀測(cè)流場(chǎng)分布，并采用多截面的方法直觀展示流場(chǎng)內(nèi)部分布規(guī)律[12]。截面分為XY平面截面，YZ平面截面，XZ平面截面，這樣多截面劃分可更清楚的觀察到流體在內(nèi)部流動(dòng)的情況，以及一些與壁面撞擊時(shí)產(chǎn)生的流場(chǎng)細(xì)節(jié)。后續(xù)流動(dòng)分析如圖3所示。

圖3顯示，在截面1中，標(biāo)準(zhǔn)壓差下，葉輪處出口氣流速高，冷卻氣流量大；可伴隨著從表2以及圖4可以觀測(cè)到，所用來(lái)冷卻的部分在氣體總流量中占比很少。兩側(cè)流體流速因差異過(guò)大，更多的氣體從頂部及葉輪大的出口側(cè)流通，葉輪小的出口側(cè)散熱片冷卻效果較差。這是由于火花塞旁通區(qū)域設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的。

如圖5所示，在截面2中，可以看到頂部較大的流通區(qū)域，流動(dòng)阻力小，大量氣體直接流過(guò)而沒有有效帶走熱量；同時(shí)導(dǎo)致散熱片區(qū)域氣流量小，散熱效果不理想，空氣流量及流速分布不合理。頂部大流通區(qū)域較大，雖然可以增加流量，但會(huì)直接造成流速低，則頂部冷卻效果較差，可以認(rèn)為是頂部空間過(guò)大造成的?？紤]對(duì)頂部區(qū)域進(jìn)行一定程度的縮小，狹窄空間可以一方面引導(dǎo)氣流向氣缸底部流動(dòng)，加強(qiáng)散熱片部分的冷卻，同時(shí)因頂部狹窄，可以形成較強(qiáng)空氣流速，增強(qiáng)缸蓋的冷卻效果。

從圖6可以看出，通道間出現(xiàn)較大的湍流漩渦，且沒有出現(xiàn)較大的流量交換，存在大量的能量損失。該區(qū)域也沒有在進(jìn)出氣口形成一定程度的壓差，無(wú)法形成壓力驅(qū)動(dòng)流，并且沒有導(dǎo)流裝置，會(huì)形成局部溫度過(guò)高、冷卻不足、熱載荷過(guò)大的問(wèn)題[13]。

在整機(jī)試驗(yàn)中，采用L型畢托管數(shù)字壓力風(fēng)速儀（0～100m/s，精度為0.5級(jí)）來(lái)測(cè)量壓力值以及風(fēng)速值，所測(cè)的五個(gè)點(diǎn)均取自于氣缸不同位置。如圖7所示，對(duì)比汽油機(jī)實(shí)驗(yàn)和仿真模擬數(shù)據(jù)，可以看出：模擬的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)相差在5%以內(nèi)，說(shuō)明模型建立良好，有較高的精度，可以作為實(shí)際工程中的應(yīng)用參考依據(jù)。

3優(yōu)化措施

基于上述仿真結(jié)果，在三維建模軟件中對(duì)汽油機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步優(yōu)化改進(jìn)。在頂部增設(shè)了導(dǎo)流板，同時(shí)對(duì)蝸殼出口建立一個(gè)側(cè)面倒角；同時(shí)減少頂部間隙，進(jìn)行狹窄處理，如圖8所示。

由圖8可見，導(dǎo)流板的加入可以改善缸蓋區(qū)域的流量分布，可以使流體更多的向散熱器位置靠攏。同時(shí)減少局部湍流，提高了流動(dòng)效率，降低流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的能量損耗。此外對(duì)于一些局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜突變的區(qū)域進(jìn)行了添加圓角的改進(jìn)處理，通過(guò)合適的半徑圓角可以控制局部區(qū)域的能量損失，降低氣缸體冷卻風(fēng)道壁面粗糙度以降低流動(dòng)沿路損失從而提高葉輪效率，增大傳熱系數(shù)，增加散熱效果[14]。

采用同樣的數(shù)值分析方法和計(jì)算邊界條件，對(duì)改進(jìn)后的計(jì)算域進(jìn)行二次計(jì)算。對(duì)得到的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化處理?？梢钥闯?，相比較改進(jìn)之前大量氣體流過(guò)卻沒有有效地帶走熱量，加上導(dǎo)流板并縮小頂部間隙后，氣體成功地向散熱片處流動(dòng)，散熱片區(qū)域的氣流量增大，散熱效果增強(qiáng)，如圖9所示。同時(shí)圖10中可以觀察到頂部改進(jìn)后冷卻氣體從缸蓋向氣缸底部流動(dòng)，散熱片周圍的流速增強(qiáng)。同時(shí)形成了一定的壓差，促進(jìn)了缸蓋的一定程度上的冷卻功效[15]。圖11中改進(jìn)后的兩邊流速更為均勻，圓角的設(shè)計(jì)加大了此處的流通面積，一定程度上提高了局部散熱效果。

綜上所述，可以得出以下結(jié)論。在風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻過(guò)程中，冷卻氣流整體溫升小，決定冷卻效果的主要是散熱面附近氣體流速，而不是流量。初次改進(jìn)大大降低了原型頂部的流通面積，使得散熱面（缸蓋和兩側(cè)散熱片）附近氣流流速得到顯著提升，冷卻效果得到有效改善。同時(shí)進(jìn)一步降低無(wú)效直接連通面積，可以提高散熱面附近流速，提升散熱效果。汽油機(jī)還存在進(jìn)氣主流在蝸殼大出口側(cè)、氣缸兩側(cè)氣體流動(dòng)不對(duì)稱現(xiàn)象，易導(dǎo)致兩側(cè)散熱不均勻或一側(cè)散熱效果差等問(wèn)題。

針對(duì)以上散熱不均等問(wèn)題，以減小直接連通面積，增強(qiáng)流道均勻性及導(dǎo)流設(shè)計(jì)（如雙面葉輪對(duì)稱出口、出口橫向倒流與流量分配等）為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)型進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化。在二次優(yōu)化中，對(duì)火花塞旁通區(qū)域進(jìn)行改進(jìn)，使該處流通面積減少，從而使空氣可以大量地分流，從火花塞處進(jìn)入散熱片位置，使冷卻效果增強(qiáng)，如圖12所示。同時(shí)對(duì)散熱片上側(cè)斜面進(jìn)行改進(jìn)，減小的直接流體的面積，進(jìn)行氣缸內(nèi)的氣體流量再分配。

由圖13可以看出，改進(jìn)后通過(guò)大幅度縮減頂部的流動(dòng)區(qū)域，其散熱片區(qū)域的流速明顯增加，同時(shí)這會(huì)引導(dǎo)缸底的氣體流動(dòng)，相比之前形成了更為良性的流動(dòng)循環(huán)，與之前相比冷卻效果得到大大改善。整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)速提高，風(fēng)量增大，工作環(huán)境得到改善與優(yōu)化。

對(duì)比可以看出，在改進(jìn)前在散熱片區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的分流，在散熱片區(qū)域的流速很低，熱傳遞效果很差。同時(shí)還會(huì)在角落處出現(xiàn)漩渦流動(dòng)，極大地影響了經(jīng)過(guò)散熱片的流量與流動(dòng)速度。同時(shí)對(duì)于缸蓋區(qū)域，進(jìn)出口壓力相似，也無(wú)法形成壓差產(chǎn)生氣流流動(dòng)。改進(jìn)后如圖14所示，在克服了上述問(wèn)題的情況下，使氣體大量集中在缸體，流速增強(qiáng)，使得散熱面（缸蓋和兩側(cè)散熱片）流速得到顯著提升，冷卻效果得到有效改善。

4實(shí)驗(yàn)論證

從上述分析中對(duì)汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)，制作樣件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖15所示，缸蓋渦流比從原來(lái)的2.3降到2.0，流量系數(shù)從0.33提升至0.35；較原機(jī)缸蓋相比：控制排溫一致，功率可在原機(jī)基礎(chǔ)上提升2kW左右，最低比油耗從213g/kWh降低至206g/kWh，其特征溫度有著顯著的優(yōu)化，冷卻系統(tǒng)性能得到改善。在汽油機(jī)性能方面，對(duì)標(biāo)定功率的實(shí)際測(cè)量值在7.1%，在氣節(jié)門全開，以3600r/min的轉(zhuǎn)速下，其標(biāo)定功率從原先的3.95kw增加到了5.92kw。新型缸蓋較原機(jī)缸蓋功率可提升2kW左右，油耗率平均降低6g/kWh，最低比油耗從213g/kWh降至206g/kWh。

試驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)過(guò)改進(jìn)和優(yōu)化，該型風(fēng)冷汽油機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)得到了提升，同時(shí)熱負(fù)荷得到了有效降低。其最主要的原因是對(duì)其內(nèi)部氣流通過(guò)結(jié)構(gòu)上的二次改進(jìn)進(jìn)行再分配，降低了熱載荷；進(jìn)氣口對(duì)于氣缸整體的加熱減少，汽油機(jī)整體的進(jìn)氣量出現(xiàn)大幅度上升，同時(shí)內(nèi)部氣流流速增加，循環(huán)性改良，達(dá)到改善汽油機(jī)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的效果。同時(shí)經(jīng)過(guò)測(cè)量汽油機(jī)的機(jī)油溫度從原先的最大128℃到現(xiàn)在的115℃，改進(jìn)后的汽油機(jī)工運(yùn)行可靠性與安全性也有效提高。

5結(jié)論

文章以BCE43B風(fēng)冷汽油機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了CFD仿真分析并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化改進(jìn)，達(dá)到優(yōu)化汽油機(jī)冷卻性能的目的，并結(jié)合整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)論，和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的合理性，可以看出：

（1）利用UG進(jìn)行三維模型的建立與修改，并實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算域的抽取。再利用ANSYS流體軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，獲取流場(chǎng)內(nèi)部的速度、壓力、溫度分布規(guī)律，定量分析冷卻風(fēng)道的流量并提出相關(guān)結(jié)構(gòu)的不合理性。同時(shí)對(duì)其進(jìn)行二次優(yōu)化，可以作為汽油機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了良好有效的手段[16]。

（2）通過(guò)對(duì)汽油機(jī)流場(chǎng)分析我們可以得知，對(duì)于冷卻風(fēng)道的合理設(shè)計(jì)是確保汽油機(jī)有著良好冷卻效果的重要途徑。減少頂部間隙，加強(qiáng)氣流的流動(dòng)性，合理對(duì)冷卻氣流進(jìn)行分配，均能有效地減少汽油機(jī)的熱負(fù)荷。文章提出的改進(jìn)措施，該型汽油機(jī)動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、工作熱負(fù)荷得到了明顯改善，汽油機(jī)工作的安全性和可靠性得到有效提高。

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（責(zé)任編輯 羅江龍）