風冷發動機冷卻流道設計及散熱性能提升

曹博濤, 譚禮斌*, 孫寧, 袁越錦

(1.陜西科技大學機電工程學院, 西安 710021; 2. 陜西科技大學設計與藝術學院, 西安 710021)

風冷發動機結構簡單,生產及維修較方便,廣泛應用于三輪車、發電機組、工程機械等[1]。風冷發動機按照冷卻形式可分為自然風冷發動機和強制風冷發動機。強制風冷發動機通常是結合風扇、導風罩和板等引流裝置,使冷卻空氣高速吹過氣缸外壁及機體散熱片表面,帶走散出的熱量[2]。自然風冷則是通過自然風吹向氣缸體外壁和缸頭散熱片表面來帶走散出的熱量。針對自然風冷發動機,其散熱片及冷卻風道的設計對其散熱性能至關重要。目前針對風冷發動機的開發方法主要為發動機臺架熱平衡測試研究和數值仿真預測方法[3]。采用試驗研究的方法需要耗費大小的人力和財力,且產品研發周期難以得到方法。計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)仿真可在較短周期內評估發動機散熱性能好壞并提供改進意見[4]。趙立峰等[5]采用數值模擬方法對航空活塞發動機活塞的傳熱進行了研究,并與試驗結果進行了對比,證明了模擬計算的可行性。紀美娜等[6]利用自編程序研究了散熱片尺寸對風冷發動機散熱的影響,確定了冷卻系統相關結構的具體參數,使其滿足改型后的四氣門強制風冷發動機的冷卻要求。Luigi等[7]研究了發動機冷卻性能對發動機功率的影響,并給發動機性能提升提供了方法參考。風冷發動機缸頭內冷卻風道設計對發動機缸頭散熱及整機性能影響顯著。國內外關于三輪車風冷發動機缸頭內冷卻風道設計及結構優化的數值模擬研究相對較少。冷卻風道設計對發動機散熱性能影響關系復雜,傳統理論與經驗設計很難達到最優效果,且耗時耗力,因此采用CFD數值模擬方法開展風冷發動機冷卻性能的評估已成為行業趨勢[8]。

由于常規風冷發動機火花塞側風速較低,需提升其周邊冷卻風速以保證其散熱。鑒于此,在某三輪車風冷發動機缸頭內部設計了冷卻風道,采用CFD仿真軟件STAR-CCM+對該風冷發動機搭建整機外流場計算模型,獲取風冷發動機表面風速分布,并依據風速分布結果評估冷卻風道設計的合理性及開展針對性的結構改進,提升該風冷發動機火花塞側及排氣側等高溫區域的冷卻。研究結果可為風冷發動機缸頭內部冷卻風道設計提供理論指導。

1 發動機冷卻風道物理模型

圖1為缸頭三維模型及缸頭風道示意圖。迎風側一般是在缸頭排氣側,為了更好地冷卻排氣高溫區域。缸頭進氣側在背風側,火花塞側位于進風端的左側。常規風冷發動機在設計時僅通過缸頭、缸體的散熱片布置來實現散熱,這樣處理容易導致火花塞側處的冷卻風速較低,不利于火花塞端部及其周圍周圍區域的冷卻。基于此,在缸頭上集成設計了冷卻風道,使迎風側的風進入風道后可以吹向火花塞側區域,改善火花塞側區域的冷卻。缸頭冷卻風道初步設計剖面圖如圖1(b)所示。

圖1 缸頭三維模型及缸頭風道示意圖Fig.1 Three dimensional model of cylinder head and schematic diagram of cylinder head air duct

圖2為風冷發動機計算域網格模型搭建。為了真實反映該風冷發動機搭載三輪車之后的冷卻特性,在計算模型搭建時考慮了車架、進排氣系統及消聲器部件。流體計算域尺寸設置為總長度為8倍計算部件的長度,虛擬計算域內部部件最前端距離計算域入口為3倍計算部件的長度,虛擬計算域內部部件最后端距離計算域出口為4倍車身長度;總寬度為7 倍計算部件的寬度,總高度為5倍計算部件的高度。CFD分析軟件STAR-CCM+因其高度集成性及其獨特的網格生成技術在發動機、工程機械、旋轉機械等領域應用廣泛[9],因此采用STAR-CCM+進行該風冷發動機計算域網格劃分、邊界設置及求解和結果后處理。風冷發動機計算域的網格采用STAR-CCM+中的多面體網格和邊界層網格技術進行劃分,完成后網格數量約500萬個。

圖2 風冷發動機計算域網格模型搭建Fig.2 Mesh model construction for the computational domain of air-cooled engine

2 數學模型及邊界條件

選取CFD軟件STAR-CCM+中Realizablek-ε湍流模型(k為湍動能,ε為湍動能耗散率)進行該三輪車風冷發動機表面風速的流場模擬及冷卻風道結構改進研究。該風冷發動機外流場計算中空氣介質假設為不可壓縮的穩態流動狀態,過程中不考慮溫度,因此,該風冷發動機流場數值計算中需求解的數學模型方程主要包括流體基本控制方程和湍流模型方程[10-12]。具體的數學模型方程如下。

(1)連續性方程:

(1)

(2)動量微分方程:

(2)

(3)k-ε湍流模型方程:

(3)

式中:u、v、w為x、y、x方向的速度分量;ρ為流體密度;Fx、Fy、Fz為x、y、x方向的體積力;μ為流體黏度系數;p為流體微元體上的壓力;t為時間;xi和xj為兩個方向坐標分量;ui為i方向速度分量;μt=ρCuk2/ε為渦流運動黏滯系數;Gk為速度梯度產生的湍動能項;C1ε、C2ε為經驗常數;σk、σε分別為湍動能k和耗散率ε的湍流普朗特數。對于經驗常數的值,C1ε、C2ε分別為1.44和1.92;σk、σε分別為1.0和1.3,Cu為0.09[13]。

圖3為計算域邊界條件設置示意圖。圖中虛擬計算域入口邊界采用速度入口邊界,速度為15 m/s,出口邊界采用壓力出口,壓力為0,環境溫度為30 ℃,環境壓力為標準大氣壓(101 325 Pa)。圖4為缸頭冷卻風道及缸頭截面示意圖,用于各風道風量的統計和各截面風速分布結果的分析。

圖3 計算域邊界條件設置Fig.3 Boundary conditions for computational fluid domain

圖4 風道及缸頭截面示意圖Fig.4 Plane section of air duct and cylinder head

3 計算結果分析及討論

3.1 表面風速分布

圖5為缸頭表面風速分布云圖。進風側表面風速較大,缸頭內部風道的風速略小,不利于缸頭的散熱。圖6為缸頭各截面速度分布云圖。從截面1可以看出,缸頭內部風道的總體風速都較小。從截面2和截面3的表面風速分布可看出缸頭火花塞附近和進氣道周圍的冷卻風速也較小,不利于缸頭的整體冷卻,建議對缸頭風道進行結構改進,提升缸頭風道風速分布和火花塞周圍的風速。

圖5 缸頭表面風速分布云圖Fig.5 Surface air velocity distribution of cylinder head

圖6 缸頭截面速度分布云圖Fig.6 Velocity distributions of cylinder head sections

3.2 冷卻風道結構改進研究

為了改善缸頭散熱情況,對缸頭冷卻風道進行圖7所示的結構改進。主要是對排氣側進風面積加大,提升進入缸頭內部風道的冷卻風量。此外,對流向缸頭火花塞處的散熱器布置形式和結構進行了調整,將其中1個導流片分為3個導流片,這樣起到分流和導流的雙重作用。圖8為缸頭冷卻風道調整前后各風道風量對比曲線。冷卻風道結構改進后總風量相比原結構提升了39.5%, 火花塞側冷卻風量從4.48 g/s提升至7.08 g/s,提升了58%。進氣側由于法蘭連接處存在凸起,風量略有降低。總體來看,冷卻風道結構改進后,風量提升明顯,有利于缸頭的散熱冷卻。

圖7 缸頭冷卻風道改進方案Fig.7 Improved design of cylinder head cooling ducts

圖8 風道調整前后各風道風量對比曲線Fig.8 Air quantity comparison of cylinder head cooling ducts before and after modification of cooling ducts

圖9為缸頭冷卻風道調整后缸頭表面風速分布云圖。從圖9中可以看出,缸頭表面風速分布云圖。從圖中可以看出,冷卻風道區域的表面風速明顯增大。圖10為缸頭風道調整后缸頭各截面速度分布云圖。從截面1可以看出,缸頭冷卻風道內冷卻風速明顯提升,且由于風道內導流片的導流和分流作用,火花塞周圍的冷卻風速也得到明顯提升。從截面2和截面3的風速分布可以看出,火花塞附近和進氣道附近冷卻風速均增大,缸頭風道內布置的散熱片發揮了分流和導流的作用,避免了冷卻死區,排氣道附近的冷卻風速分布也較好。總體來看,缸頭風道改進后重要區域的冷卻風速明顯提升,有利于缸頭的散熱。圖11為風道調整前后缸頭冷卻流道速度流線圖對比。從流線圖也可清晰得看出缸頭風道調整后火花塞周圍及排氣道附近都有大量的冷卻風流經,利于缸頭的散熱冷卻。

圖9 風道調整后缸頭表面風速分布云圖Fig.9 Surface air velocity distribution of cylinder head after modification of cooling ducts

圖10 風道調整后缸頭截面速度分布云圖Fig.10 Velocity distributions of cylinder head sections after modification of cooling ducts

4 實驗驗證

為了驗證缸頭冷卻風道改進方案的有效性,對缸頭改進方案進行了樣件制作并開展發動機臺架最高轉速工況8 500 r/min的熱平衡實驗驗證,與原機狀態進行對比溫度測試,主要對比分析缸頭火花塞墊片溫度差異。圖12為缸頭火花塞墊片溫度測試結果對比分析。從圖12中可以看出,缸頭改進方案狀態下缸頭火花塞墊片溫度約為222 ℃,與原狀態的火花塞墊片溫度245 ℃降低了約23 ℃,說明通過對缸頭冷卻風道進行重新設計,將更多的風引向火花塞周圍附近,對發動機缸頭火花塞墊片及其周圍高溫區域具有極其有效的冷卻效果。缸頭冷卻風道改進方案提升了整體冷卻效果,證實是有效的。

5 結論

采用CFD方法對三輪車風冷發動機冷卻風道進行了流場數值模擬及結構改進研究,流場結果顯示原冷卻風道下缸頭冷卻風道內冷卻風速較低,火花塞附近和進氣道周圍的冷卻風速也較小,不利于缸頭的整體冷卻。調整缸頭冷卻風道內導流片布置和排氣側進風面積后缸頭冷卻風道內冷卻風速明顯增大,火花塞附近及進氣道附近冷卻風速均增大,缸頭風道內布置的散熱片發揮了分流和導流的作用,避免了冷卻死區,排氣道附近的冷卻風速也較好。冷卻風道調整后火花塞側及排氣側冷卻風量明顯提升,利于缸頭高溫區域的冷卻。經實驗驗證,缸頭火花塞墊片溫度可降低約23 ℃。研究結果可為缸頭冷卻風道的設計提供仿真數據支撐及理論指導。