大功率单缸发动机冷却水套设计

熊思琴

摘要：随着市场对发动机功率提升的要求，现针对单缸高功率发动机缸盖和缸体冷却不合理的问题，设计一种单缸发动机混合式冷水水套，CFD结果表明：半切向进水方式，使得其中2个缸垫分水孔能分流大部分冷却液并对缸盖高温区域进行冷却，其余6个分水孔分得剩余冷却液绕行缸体并向上流入缸盖水套对其他缸盖位置进行冷却，水套内最高流速可达到1.81m/s，从水套入口到出口没有出现冷却液断流现象。

关键词：高功率;冷却水套设计;分水孔;流场

前言：

冷却水套是作为发动机冷却系统中直接与发动机高温部件接触的部分，其设计结构的微小差异对整个冷却系统是否能发挥高的冷却效率有着重要的影响。发动机通过燃烧将燃料化学能释放为热能，部分热能转化为驱动车辆行驶的机械能的同时，部分热能通过冷却系统及时的散发到环境大气中去。如果发动机冷却系统散热性能不佳，则发动机零部件热负荷将增大。而热负荷是影响发动机工作可靠性和耐久性的重要因素，发动机零部件热负荷过大、温度过高会导致零部件热裂、烧蚀、蠕变、材料的硬度和强度急剧下降等问题;温度过高，润滑油膜容易被破壞甚至结焦，从而加速配气机构、曲柄连杆机构等动机构的磨损，使用寿命缩短;过高的进气道温度会导致充气效率下降，从而降低发动机动力性能;同时还会引起燃油消耗量以及CO和HC污染排放物的增大[1]。

近年来，随着人们对发动机性能要求的提高，新型发动机呈现高功率、大扭矩的特征。在提升动力性能的同时，发动机零部件热负荷也大为增加，从而对发动机冷却系统散热性能提出了更高的要求。

当前的发动机冷却水套技术研究主要针对多缸发动机各缸整体性冷却较多，强调不同气缸之间冷却的均匀性。而随发动机功率的增大，单缸发动机的冷却成为技术难题，尤其在结构尺寸相对较小又较复杂的发动机机体中，同时实现缸盖与缸体冷却较为困难[2]。本文着眼于实现单缸发动机缸盖和缸体的合理冷却，在温度允许上下限之间，设计开发出一种单缸发动机混合式冷水水套。

1、冷却水套设计结构

冷却水套计算模型（如图1所示）包括缸盖水套和缸体水套，由于缸盖燃烧室、火花塞孔、气门导管孔以及排气歧管周围均属高温区，不仅需要较多的冷却液，而且冷却液的平均流动速度也不能太低，更不能存在较多的死水区和漩涡。为改善冷却液在水套中的流动分布，现设计水套入口为半切向进水方式，缸垫分水孔布置情况如图2所示。在排气侧设置两个分水孔孔1和孔2，在周向上另外设置了6个分水孔孔3-孔8。

图1              图2               图3           图4

2.CFD模拟分析

CFD技术发展成熟并由其周期短、计算精度高，且可视性强等特点，被越来越多的应用于工程设计领域。本文将借助于CFD软件FIRE对发动机冷却水套进行流固偶合数值分析，对计算得出的直观的速度场评价该设计水套的冷却效果。

2.1计算网格

本文使用hypermesh专业软件对模型网格进行处理，其中缸盖、缸体、进排气管等若干实体进行独立的网格划分;同时对关键部位如冷却水套分水孔处、进排气道鼻梁区进行网格加密处理，并对整体网格进行优化，以提高网格总体质量。通过网格质量检查可保证当前模型的面网格质量足以满足计算要求后，自动生成耦合体网格。

2.2冷却液的物理属性

介质选择50%乙二醇/50%纯水的混合物，密度：1026.89kg/m

粘度：0.00076kg/m·s，比热容：2415J/kg·K，导热率：0.415W/m-K。

2.3计算模型边界条件确定

给定的发动机工作在最大功率14.5KW时转速为8000r/min，冷却液进水口温度333.1K，环境温度298K，大气压强101.325Kpa，湿度83%，进口的流速0.931m/s。

2.4流体介质及模拟状态

水套耦合模型采用稳态的计算模式，在模拟计算过程中认为冷却液在机体、缸盖冷却水通道中的流动是绝热、不可压缩的粘性湍流流动，采用Realizable k-ε[3]双程湍流模型，并在近壁面区域应用标准壁面函数，采用Simple算法。设定残差小于10-4，若计算达到此要求，则认为计算收敛。

3.水套速度场结果分析

图3与图4分别所示为水套内部在冷却过程中的速度场分布情况，通过对流场整体分布分析可看出本方案分水孔的设计可使该水套呈现出混合式冷却效果。入口采用半切向进水方式，在排气侧设置两个分水孔1、2，用于分流冷却液并引入水套上部重点冷却缸盖排气侧高温区。由于缸盖高温区热负荷较大，特给1、2两个分水孔设置较大孔径，引入较大量的冷却液，以达到重点冷却缸盖高温区的目的。在周向上另外设置6个分水孔3-8用于分流绕流缸体的冷却液，其中，4-8孔较小，3孔较大，从速度云图上可看到现周向上不同区域都有较少冷却液进入缸盖。这样，冷却液既实现了对缸体的绕流冷却，同时又从不同的周向位置上进入缸盖水套，实现了对缸盖不同区域的冷却。所有冷却液在冷却缸盖后从缸盖进气侧上部的出水口离开。从水套入口到出口的冷却液流动过程中没有出现任何断流的现象，水套内最高流速可达到1.81m/s。

4结论

1）通过设置切向入口方式，实现了混合式冷却水套方案，可使冷却液整体上分成两部分流体，一部分直接进入缸盖水套，另一部分先绕流冷却缸体水套，最后再进入缸盖水套，以实现同时冷却发动机缸体和缸盖。

2）通过合理设置8个分水孔方案，实现了冷却液部分重点冷却缸盖高温区，部分对缸体实现绕流冷却。

参考文献：

[1]陈家瑞.汽车构造（上册）[M].北京人民交通出版.2002，3：240-240.

[2]刘福水，闵祥芬，等.柴油机冷却水套的优化设计方法[J].汽车工程.2014，36（6）：728-733.

[3]张应兵，陈怀望，许涛.CFD技术在发动机冷却水套优化设计中的应用[J].汽车工程师.2012，4：1-5.