基于CFD技術(shù)的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套性能分析

田國(guó)慶，邱若友，陳友祥，羅俊

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

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基于CFD技術(shù)的增壓發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套性能分析

田國(guó)慶，邱若友，陳友祥，羅俊

（安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

摘 要：由于某2.0L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)需要提升動(dòng)力性，計(jì)劃在原自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加渦輪增壓器，需要對(duì)冷卻水套的換熱性能進(jìn)行CFD仿真計(jì)算。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，原發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套無(wú)法滿(mǎn)足增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的換熱需求，需對(duì)缸墊排氣側(cè)水孔和缸蓋排氣門(mén)鼻梁區(qū)右側(cè)水套進(jìn)行改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：冷卻水套；仿真；換熱；改進(jìn)

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

為了達(dá)到企業(yè)降低平均油耗的目標(biāo)，增壓技術(shù)被越來(lái)越多用于提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。某2.0L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)需要提升性能，計(jì)劃在原自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上增加渦輪增壓器，但是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的要求會(huì)更加苛刻，所以需要對(duì)冷卻水套的換熱性能進(jìn)行計(jì)算分析。

本文利用Flowmaster軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的1D仿真模型，確定發(fā)動(dòng)機(jī)水套各進(jìn)出口流量。然后，利用Fire軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)水套的3D分析模型，判斷原發(fā)動(dòng)機(jī)水套是否滿(mǎn)足渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的換熱要求，并提出優(yōu)化建議。

1、冷卻系統(tǒng)1D仿真模型的建立

1.1 邊界條件

圖1　水泵性能曲線(xiàn)

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行1D計(jì)算，需要考慮整車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)在內(nèi)的所有邊界條件，主要包括五部分：發(fā)動(dòng)機(jī)水泵性能、發(fā)動(dòng)機(jī)水套阻尼、散熱器阻尼、暖風(fēng)阻尼和各管路阻尼。其中發(fā)動(dòng)機(jī)水泵性能曲線(xiàn)如圖1所示，各冷卻部件阻尼通過(guò)零部件單體阻尼試驗(yàn)測(cè)得，如圖2所示，管路阻尼通過(guò)一維建模確定管路的長(zhǎng)度和粗糙度進(jìn)行定義。由于增壓渦輪增壓器后，冷卻系統(tǒng)邊界中增加了油冷器進(jìn)、出回路和渦輪增壓器冷卻進(jìn)、出回路。

圖2　冷卻部件流阻特性曲線(xiàn)

1.2 冷卻系統(tǒng)1D仿真計(jì)算

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)原理圖建立整車(chē)1D冷卻系統(tǒng)計(jì)算模型，如圖3所示。根據(jù)水泵性能曲線(xiàn)，計(jì)算中水泵轉(zhuǎn)速為5600rpm，流量為220L/min。對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行一維計(jì)算，得到冷卻系統(tǒng)各個(gè)支路流量分配情況，具體流量分配如圖3所示。

圖3　冷卻系統(tǒng)1D計(jì)算模型

根據(jù)冷卻系統(tǒng)流量分配情況，確定發(fā)動(dòng)機(jī)水套冷卻水套進(jìn)出口流量，如表1所示。

表1　冷卻水套進(jìn)出口流量

2、發(fā)動(dòng)機(jī)水套換熱性能3D仿真分析

2.1 網(wǎng)格劃分

發(fā)動(dòng)機(jī)水套包括缸體水套、缸蓋水套和氣缸墊水孔三個(gè)部分，通常將這三各部分分別劃分網(wǎng)格，組裝后再進(jìn)行計(jì)算。這樣既可以降低網(wǎng)格劃分的難度，又可以在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)有利于減少模型修改后重新劃分網(wǎng)格的時(shí)間。在前處理軟件HyperMesh中對(duì)水套三維模型進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)目為1250244個(gè)，如圖4所示。

圖4　水套模型網(wǎng)格處理

2.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

水和乙二醇具有不同的流體特性，通過(guò)改變二者不同的混合比例可以影響冷卻液的流動(dòng)和換熱。該型發(fā)動(dòng)機(jī)使用乙二醇作為冷卻介質(zhì)，物理屬性如表2所示。

表2　乙二醇混合液物理屬性

通常冷卻水套性能需要滿(mǎn)足以下要求：

（1）缸蓋的氣門(mén)鼻梁區(qū)的換熱系數(shù)一般不小于14000W/m2K；

（2）缸體火力岸面的換熱系數(shù)一般不小于5700W/m2K。

2.3 計(jì)算結(jié)果

圖5為缸蓋水套換熱系數(shù)云圖，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，缸蓋三缸、四缸滿(mǎn)足“氣門(mén)鼻梁區(qū)的換熱系數(shù)一般不小于14000W/m2K”的換熱要求；缸蓋一缸、二缸不滿(mǎn)足換熱要求，其中排氣門(mén)鼻梁區(qū)右側(cè)換熱系數(shù)僅為8000W/m2K。

圖5　缸蓋水套換熱系數(shù)圖

圖6為缸體水套換熱系數(shù)云圖，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，缸體一缸、二缸和三缸滿(mǎn)足“火力岸面換熱系數(shù)一般不小于5700W/m2K”的換熱要求；缸體四缸火力岸面換熱系數(shù)偏小，僅為2000W/m2K，不滿(mǎn)足要求。

圖6　缸體水套換熱系數(shù)圖

圖7為缸蓋流速在0-1m/s范圍內(nèi)的速度云圖，從速度云圖中可以看出，缸蓋一缸、二缸換熱系數(shù)不滿(mǎn)足要求的原因?yàn)椋豪鋮s液通過(guò)缸體水套進(jìn)入缸蓋水套后，并未沿鼻梁區(qū)左右兩側(cè)流動(dòng)，而是傾向于沿左側(cè)鼻梁區(qū)流動(dòng)，造成右側(cè)鼻梁區(qū)冷卻液較少，進(jìn)而換熱系數(shù)偏小。

圖7　缸蓋水套速度云圖

圖8為缸體水套流速在0-1m/s范圍內(nèi)的速度云圖，從圖中可以看出，大量冷卻液在通過(guò)缸墊進(jìn)入缸蓋之前，先進(jìn)入油冷器水路和增壓器冷卻水路，進(jìn)入導(dǎo)致流向四缸的冷卻液較少。

圖8　缸體水套速度云圖

優(yōu)化建議，減小缸墊的一缸、二缸排氣側(cè)水孔，增加流向四缸的冷卻液；增加缸蓋一缸、二缸排氣門(mén)鼻梁區(qū)右側(cè)的水套寬度。

3、結(jié)論

自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)為渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，由于冷卻水路中增加了油冷器進(jìn)、出回路和增壓器冷卻進(jìn)、出回路，原冷卻水套無(wú)法滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)換熱需求。經(jīng)過(guò)CFD分析發(fā)現(xiàn)，缸蓋一缸、二缸排氣門(mén)鼻梁區(qū)右側(cè)的換熱系數(shù)較小；缸體四缸火力岸面換熱系數(shù)偏小。可以通過(guò)減小缸墊的一缸、二缸排氣側(cè)水孔和加大缸蓋水套一缸、二缸排氣門(mén)鼻梁區(qū)右側(cè)寬度方法來(lái)改進(jìn)換熱系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉凱,姚煒,張超.基于CFD技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)水套選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)零部件,2014(10).

[2] 王宏大,李娟等.基于CFD技術(shù)的水套優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)制造業(yè),2012(5).

[3] 張旭,李紅政,關(guān)帥.發(fā)動(dòng)機(jī)缸體冷卻水套的CFD分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)探析[J].中國(guó)機(jī)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

作者簡(jiǎn)介：田國(guó)慶，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心。

中圖分類(lèi)號(hào)：U472.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988(2016)03-43-03