柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模擬分析

（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及模擬分析

李一存
（上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438）

為了滿(mǎn)足某柴油機(jī)的冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需求，對(duì)其進(jìn)行了三維流體模擬計(jì)算分析，得出了發(fā)動(dòng)機(jī)水套各主要位置的流速及換熱系數(shù)的分布情況。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用Flowmaster對(duì)標(biāo)定工況下調(diào)溫器全開(kāi)的狀態(tài)進(jìn)行了一維流動(dòng)分析，進(jìn)一步明確了系統(tǒng)中各主要零部件的阻力分配及流量分配。分析表明，該發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

冷卻系統(tǒng) 流動(dòng)分析 流速 換熱系數(shù) 阻力分配

1 概況

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)采用更加緊湊的設(shè)計(jì)和具有更大的比功率，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱密度也隨之明顯增大，再加上對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性及排放的限制，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性顯得尤為重要。冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)各主要零部件的性能及可靠性，進(jìn)而影響整車(chē)的技術(shù)性能。與冷卻系統(tǒng)相關(guān)的問(wèn)題也比較多，如發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的融頂，缸蓋鼻梁區(qū)裂紋，機(jī)體水套產(chǎn)生裂紋，油水混合，水溫過(guò)高或過(guò)低等。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)引起業(yè)界的高度關(guān)注。

本文結(jié)合上柴公司新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，通過(guò)與咨詢(xún)公司及冷卻系統(tǒng)主要零部件供應(yīng)商的合作，利用流體分析軟件STAR-CD和Flowmaster對(duì)該發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，評(píng)估冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理與否，為下一步的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)。

2 冷卻系統(tǒng)示意及主要構(gòu)成

該發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)示意如圖1所示，主要構(gòu)成零部件包括水泵、散熱器、中冷器、風(fēng)扇、調(diào)溫器、機(jī)油冷卻器、機(jī)體和缸蓋的缸套及總回水管等構(gòu)成。

圖1 冷卻系統(tǒng)示意圖

3 水泵流量的估算

在設(shè)計(jì)和選用冷卻系統(tǒng)部件時(shí)，就是以散入冷卻系統(tǒng)的熱量Qw為原始數(shù)據(jù)，計(jì)算冷卻系統(tǒng)的額循環(huán)水量、冷卻空氣量，以便設(shè)計(jì)和選用水泵，散熱器和風(fēng)扇。

冷卻系統(tǒng)散走的熱量Qw，受許多復(fù)雜因素的影響，很難準(zhǔn)確計(jì)算，初估Qw時(shí)，可以按照下類(lèi)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算：

式中，

A——傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，對(duì)柴油機(jī)A=0.18～0.25，取0.2；

ge——發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料消耗率，取0.195 kg/(kW·h)；

Ne——內(nèi)燃機(jī)功率，取353 kW；

h0——燃料低熱值，取42 968 kJ/kg。

考慮到機(jī)油冷卻器及機(jī)油冷卻噴嘴對(duì)冷卻系統(tǒng)的影響，該熱量值增加5%～10%，取8%即為177 kW。

冷卻水的流量計(jì)算：

式中，

Δtw——發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)出水溫差，取5℃；

cw——冷卻水比熱，取4.187 kJ/kg·℃；

ρw——冷卻水密度，取1 000 kg/m3。

4 機(jī)體和缸蓋水套的模擬分析

按照概念設(shè)計(jì)的機(jī)體缸蓋三維模型，取出其中的水套模型，先進(jìn)行模型的簡(jiǎn)化處理后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用流體分析軟件STAR-CD對(duì)水套進(jìn)行了模擬分析，進(jìn)水口施加流量8.6 kg/s，出水口施加以260 kPa的壓力進(jìn)行模擬計(jì)算。缸套的壓力計(jì)算分析見(jiàn)圖2所示，流速分析結(jié)果見(jiàn)圖3～7所示，換熱系數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)圖8～11。

圖3至圖7分別為不同位置的水套流速分布情況，可以清楚的看出，無(wú)論是水套進(jìn)氣側(cè)還是排氣側(cè)，缸蓋水套的上側(cè)、底部還是鼻梁區(qū)冷卻水流速均在比較合理的范圍內(nèi)。不存在流動(dòng)死區(qū)或低流速區(qū)，最高流速在4m/s左右，滿(mǎn)足了流量的分配要求。

三維模擬分析同時(shí)也分析了不同位置的換算放熱系數(shù)情況，從各部分的換熱系數(shù)上看，缸套的換熱系數(shù)一致性較好，基本上都保持在13.5 kW/m2K左右；對(duì)于缸蓋鼻梁區(qū)來(lái)說(shuō)，一致性稍差，最小的換熱系數(shù)出現(xiàn)在第6缸，為14.47(kW/m2K)，各缸兩個(gè)排氣門(mén)之間的鼻梁區(qū)換熱系數(shù)平均值為16.62 kW/(m2K)。

圖2 機(jī)體缸蓋的壓力損失

圖3 進(jìn)氣側(cè)水套流速分布

圖4 排氣側(cè)水套流速分布

圖5 缸蓋水套流速分布

圖6 氣缸蓋底面流速分布

圖7 鼻梁區(qū)水流分布

圖8 進(jìn)氣側(cè)換熱系數(shù)

圖9 排氣側(cè)換熱系數(shù)

圖10 氣缸蓋上側(cè)換熱系數(shù)

圖11 氣缸蓋底面換熱系數(shù)

5 系統(tǒng)的一維模擬分析

在發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 900 r/min以及調(diào)溫器全開(kāi)的條件下，進(jìn)行的一維流動(dòng)模擬分析。分析之前要對(duì)于已經(jīng)確定的零件進(jìn)行部件試驗(yàn)，再綜合三維模擬分析的結(jié)構(gòu)，用作一維分析的輸入邊界。由于牽涉零部件的性能數(shù)據(jù)太多，就不再一一列舉，冷卻液按照50∶50的防凍液的特性進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖12至圖13所示，得出了系統(tǒng)的流量分布及壓力分布。從分析結(jié)果上看，設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)于冷卻系統(tǒng)的要求。

6 小結(jié)

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的模擬計(jì)算，得出了冷卻液在整個(gè)系統(tǒng)中的流量分配和阻力分配情況。從流速分布看，無(wú)論是機(jī)體水套，還是氣缸蓋水套，尤其是在鼻梁區(qū)，不存在流動(dòng)死區(qū)或低流速區(qū)，最高流速在4 m/s左右，滿(mǎn)足了流量的分配要求。從各部分的換熱系數(shù)上看，缸套的換熱系數(shù)一致性較好，基本上都保持在13.5 kW/(m2K)左右；對(duì)于缸蓋鼻梁區(qū)來(lái)說(shuō)，一致性稍差，最小的換熱系數(shù)在第六缸，為14.47 kW/(m2K)，各缸之間的排氣管鼻梁區(qū)的換熱系數(shù)平均值為16.62 kW/(m2K)。對(duì)冷卻系統(tǒng)的模擬分析表明，該發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)的性能需求。

Simulation and Design of Cooling System of Diesel Engine

Li Yicun
（Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China）

To satisfy the need of cooling capability of some diesel engine,CFD is used to get the distribute of Flow velocity and convection of heat transfer at some important place in water jacket of diesel engine.1D analysis simulation is made to infirm the distribute of Flow velocity and pressure drop in the cooling system at rated flow condition considering the full load and thermostat full open by means of flowmaster.And the result shows that the cooling system can completely meet design requirement.

cooling system,CFD,Flow velocity,convection of heat transfer,pressure loss distribute

圖12 系統(tǒng)的流量分布

圖13 系統(tǒng)的壓力分布

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.04.004

來(lái)稿日期：2011-06-14

李一存（1983－），女，助理工程師，主要研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)冷卻系統(tǒng)。