小型柴油机冷却系统优化设计

石章能++王洪荣

摘 要：采用数值模拟方法对某小型柴油机冷却水套进行了优化分析，通过对水套流速及换热系数等进行分析，改进水套结构设计、增大水泵流量、更改缸垫分水孔并对其进行优化和仿真分析。结果表明，优化后的水套内水流速度和散热能力大大改善。结合对故障件故障现象的分析，提出需限制转速和调节预热塞插于预燃室深度的方案。最后通过试验验证了所提的优化方案，解决了此柴油机的散热问题，对解决柴油机散热问题具有一定的工程实际意义和参考价值。

关键词：柴油机；冷却系统；优化设计；水套；计算流体动力学

中图分类号：TK422文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2015.05.06

中国是个农业大国，随着国民经济的日益发展，广大农村地区对农用机械的需求也日益加大。中国农村道路条件差、油品差、超载等极端恶劣的使用环境，要求面向农村市场的柴油机应具有高可靠性、高动力性和高经济性。冷却系统不仅影响柴油机工作的可靠性，更是直接影响其经济性和排放性的重要因素，冷却系统的优化设计是发动机设计的一个重要环节。传统的冷却系统设计主要是通过经验设计与测试验证相结合的方式，设计周期长，投入大，而且无法直观地表现设计效果。随着计算机技术的不断发展，现代发动机设计过程更多地采用计算机辅助设计及模拟仿真技术。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，CFD）技术在流场分析方面具有高效、可靠、直观等优点，已广泛运用到发动机冷却系统设计中[1-2]。本文针对某小型柴油机开锅问题，采用CFD分析进行冷却系统优化设计，并通过试验测试验证。

1 发动机问题描述及分析

1.1 发动机及整车基本信息

本文研究对象为一款四冲程、单缸、卧式柴油发动机，其目标车型为低速货车，目标市场为路况较为恶劣且保养条件不足的农村等市场。此发动机的使用环境比较恶劣，经常会在超载、低保养情况下使用，因此对发动机可靠性要求比较高。发动机及搭载的车型如图1和图2所示，发动机及整车的基本参数见表1。

1.2 发动机主要故障问题描述

发动机在台架试验过程中，高转速大负荷工况出现比较严重的水箱开锅故障，在道路试验中，原地运行5 min出现水箱开锅。通过加大水箱，增大散热器面积，提高散热器水箱位置等方法后，发动机可连续运转几个小时，但最终出现预燃室嵌块脱落，缸盖烧穿，仍然开锅的现象。图3为烧蚀的嵌块及烧穿的缸盖故障件。

1.3 故障问题分析

在试验过程中，发动机进出水温度正常，实测温度为70 ℃～80 ℃之间，在故障出现前一直保持正常状态的进出水温度，故障出现时发现水温急剧上升至开锅，检查发现缸盖烧穿漏水的现象。根据故障出现过程分析认为此故障属于零部件失效的问题。并根据多次故障件的故障现象和了解到的原机为四缸柴油机更改为单缸机型，确定此机从原机更改为单缸机过程中，直接沿用了原机基本结构，并未针对更改后的高转速运转的使用工况进行设计。故障原因是由于发动机转速过高热负荷过大，使嵌块在高温使用状态下由于材料热膨胀系数不同，在高温过程中出现嵌块与缸盖铝合金接触不良后产生预燃室内部温度过高难以及时导热而致使嵌块烧蚀后逐步扩散到缸盖中，导致烧穿缸盖而漏水失效的故障[3-6]。

同时发现在每次试验过程中，嵌块烧蚀的方向都是预热塞正对的方向（图4），判定预热塞对嵌块烧蚀有一定影响，预热塞伸进去的位置对燃烧温度有影响[7]。

在试验过程中常常发现有高温气体排出，经分析认为导致此现象的原因为：此发动机的参考原机为直立四缸柴油机，通过减少缸体数量变为卧式单缸机，因原机为直立而更改后的柴油机为卧式，原来可以顺利排出的高温水汽，更改后无法顺利排出，导致发动机局部温度过高。

通过以上故障现象分析讨论后认为此柴油机冷却系统需进行重新优化设计。

3 试验验证

根据模型对比分析及故障件分析后确定样机试验方案为：（1）新设计水套后的缸盖缸体；（2）调整传动比后重新设计的水泵 ；（3）更改设计后使用的缸垫 ；

（4）水箱移动到发动机中部；（5）限制发动机最高转速为4 000 r/min；（6）优化预燃室嵌块结构；（7）预热塞后退3 mm。

根据方案制作的试验样车（图10）完成了500 h台架耐久性测试，通过了12 000 km道路负载试验未出现温度过高的问题，未出现缸盖烧穿，预燃室嵌块烧蚀等现象，在试验过程中缸盖及发动机进出水温度一直保持正常。

对比原始模型和优化后模型的试验数据（表2）可以看到，优化后的模型方案明显优于原始方案。

4 结论

本文采用CFD方法针对小型单缸柴油机进行冷却水套优化设计，通过增大冷却水流速、减小水套容积、优化分水孔尺寸及分布的方法有效地改善了发动机水套内的流场分布。针对局部关键位置进行了结构优化设计，使局部流场性能提高，优化设计后的缸盖水套的整体换热能力也得到提高。通过试验验证，最终解决了此柴油机的散热问题。

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