基于CFD技术的增压发动机冷却水套性能分析

田国庆，邱若友，陈友祥，罗俊

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）



基于CFD技术的增压发动机冷却水套性能分析

田国庆，邱若友，陈友祥，罗俊

（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

摘 要：由于某2.0L汽油发动机需要提升动力性，计划在原自然吸气发动机的基础上增加涡轮增压器，需要对冷却水套的换热性能进行CFD仿真计算。经过分析发现，原发动机冷却水套无法满足增压发动机的换热需求，需对缸垫排气侧水孔和缸盖排气门鼻梁区右侧水套进行改进。

关键词：冷却水套；仿真；换热；改进

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.03.014

CLC NO.: U472.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2016)03-43-03

引言

为了达到企业降低平均油耗的目标，增压技术被越来越多用于提高发动机动力性和经济性。某2.0L汽油发动机需要提升性能，计划在原自然吸气发动机的基础上增加涡轮增压器，但是对发动机冷却水套的要求会更加苛刻，所以需要对冷却水套的换热性能进行计算分析。

本文利用Flowmaster软件建立发动机冷却系统的1D仿真模型，确定发动机水套各进出口流量。然后，利用Fire软件建立发动机水套的3D分析模型，判断原发动机水套是否满足涡轮增压发动机的换热要求，并提出优化建议。

1、冷却系统1D仿真模型的建立

1.1 边界条件

图1　水泵性能曲线

对发动机冷却系统进行1D计算，需要考虑整车冷却系统在内的所有边界条件，主要包括五部分：发动机水泵性能、发动机水套阻尼、散热器阻尼、暖风阻尼和各管路阻尼。其中发动机水泵性能曲线如图1所示，各冷却部件阻尼通过零部件单体阻尼试验测得，如图2所示，管路阻尼通过一维建模确定管路的长度和粗糙度进行定义。由于增压涡轮增压器后，冷却系统边界中增加了油冷器进、出回路和涡轮增压器冷却进、出回路。

图2　冷却部件流阻特性曲线

1.2 冷却系统1D仿真计算

根据发动机冷却系统原理图建立整车1D冷却系统计算模型，如图3所示。根据水泵性能曲线，计算中水泵转速为5600rpm，流量为220L/min。对冷却系统进行一维计算，得到冷却系统各个支路流量分配情况，具体流量分配如图3所示。

图3　冷却系统1D计算模型

根据冷却系统流量分配情况，确定发动机水套冷却水套进出口流量，如表1所示。

表1　冷却水套进出口流量

2、发动机水套换热性能3D仿真分析

2.1 网格划分

发动机水套包括缸体水套、缸盖水套和气缸垫水孔三个部分，通常将这三各部分分别划分网格，组装后再进行计算。这样既可以降低网格划分的难度，又可以在优化设计时有利于减少模型修改后重新划分网格的时间。在前处理软件HyperMesh中对水套三维模型进行六面体网格划分，网格数目为1250244个，如图4所示。

图4　水套模型网格处理

2.2 评价标准

水和乙二醇具有不同的流体特性，通过改变二者不同的混合比例可以影响冷却液的流动和换热。该型发动机使用乙二醇作为冷却介质，物理属性如表2所示。

表2　乙二醇混合液物理属性

通常冷却水套性能需要满足以下要求：

（1）缸盖的气门鼻梁区的换热系数一般不小于14000W/m2K；

（2）缸体火力岸面的换热系数一般不小于5700W/m2K。

2.3 计算结果

图5为缸盖水套换热系数云图，从计算结果来看，缸盖三缸、四缸满足“气门鼻梁区的换热系数一般不小于14000W/m2K”的换热要求；缸盖一缸、二缸不满足换热要求，其中排气门鼻梁区右侧换热系数仅为8000W/m2K。

图5　缸盖水套换热系数图

图6为缸体水套换热系数云图，从计算结果来看，缸体一缸、二缸和三缸满足“火力岸面换热系数一般不小于5700W/m2K”的换热要求；缸体四缸火力岸面换热系数偏小，仅为2000W/m2K，不满足要求。

图6　缸体水套换热系数图

图7为缸盖流速在0-1m/s范围内的速度云图，从速度云图中可以看出，缸盖一缸、二缸换热系数不满足要求的原因为：冷却液通过缸体水套进入缸盖水套后，并未沿鼻梁区左右两侧流动，而是倾向于沿左侧鼻梁区流动，造成右侧鼻梁区冷却液较少，进而换热系数偏小。

图7　缸盖水套速度云图

图8为缸体水套流速在0-1m/s范围内的速度云图，从图中可以看出，大量冷却液在通过缸垫进入缸盖之前，先进入油冷器水路和增压器冷却水路，进入导致流向四缸的冷却液较少。

图8　缸体水套速度云图

优化建议，减小缸垫的一缸、二缸排气侧水孔，增加流向四缸的冷却液；增加缸盖一缸、二缸排气门鼻梁区右侧的水套宽度。

3、结论

自然吸气发动机升级为涡轮增压发动机，由于冷却水路中增加了油冷器进、出回路和增压器冷却进、出回路，原冷却水套无法满足发动机换热需求。经过CFD分析发现，缸盖一缸、二缸排气门鼻梁区右侧的换热系数较小；缸体四缸火力岸面换热系数偏小。可以通过减小缸垫的一缸、二缸排气侧水孔和加大缸盖水套一缸、二缸排气门鼻梁区右侧宽度方法来改进换热系数。

参考文献

[1] 刘凯,姚炜,张超.基于CFD技术的发动机水套选型及优化设计[J].汽车零部件,2014(10).

[2] 王宏大,李娟等.基于CFD技术的水套优化设计[J].汽车制造业,2012(5).

[3] 张旭,李红政,关帅.发动机缸体冷却水套的CFD分析与优化设计探析[J].中国机械,2014(2).

The Analysis of Water Jacket Performance of Turbocharge Engine Based on CFD Technology

Tian Guoqing, Qiu Ruoyou, Chen Youxiang, Luo Jun
( Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Technology Center, Anhui Hefei 230601 )

Abstract:As the need for a 2.0L gasoline engine power upgrade, plans to on the original of the naturally aspirated engine based on increased turbocharger, needed for the cooling water jacket for thermal performance of CFD simulation calculation.After analysis, the original engine cooling water jacket can not meet the turbocharged engine the heat demand, need to improve the cylinder pad on the exhaust side hole and cylinder head exhaust Gate Bridge area on the right side of the water jacket.

Keywords:Water jacket; Simulation; Heat exchange; Improvement

作者简介：田国庆，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。

中图分类号：U472.2

文献标识码：A

文章编号：1671-7988(2016)03-43-03