1.5T汽油机冷却水套的设计与分析文献综述
2020-04-14 09:04
为了使发动机能保持在适宜的温度范围内工作，需要设计出一套合理的发动机冷却系统。车用发动机普遍采用水冷冷却的方式，利用冷却液在发动机高温位置的流动吸收并带走热量，以便实现冷却。现代比较成熟并广泛采用的水冷冷却系统主要包括水泵、节温器、散热器和冷却水套结构。一般来说，通过设计比较完善的发动机水冷冷却系统，发动机可以在变化的工作环境温度和不同的工况下都表现良好的工作性能。因此，为了实现对发动机水冷冷却系统提出的这种要求，冷却水套的设计优化的重要性就不言而喻。发动机冷却水套中的冷却液流动直接影响发动机的冷却效果、热量分配及能量利用，合理的冷却水套设计方案可以使高温区域的冷却液流动加强，同时可以加强传热，降低该区域的热负荷，延长了发动机的使用寿命，发动机的热效率也得到提高，并且还使冷却液的吸热和流动更为均匀合理，保证其工作效率，也利于提高燃油经济性和改善尾气排放。而冷却液在冷却水套中的流动，很大程度上受发动机气缸垫分水孔布置方案的影响。改变缸垫分水孔的布置方式，就意味着冷却液流场中的速度场、压力场和温度场一系列的改变。通过合理设计气缸垫的开孔位置实现对发动机冷却水套中冷却液流动方向的优化，以避免散热不良，提高发动机的工作能力。
国内外大量研究人员对于排气系统中的声学性能研究完成了很多工作：
安徽江淮汽车股份有限公司和安徽交通技术职业学院的王次安、王宏大、张蕾等人根据某型汽油机整车冷却系统布置方案，建立冷却系统一维模型，计算出额定工况下水套各进出口流量分配及压力分布情况，将该数据作为输入在AVL Fire软件中进行水套CFD分析，主要判断缸体水套和缸盖水套关键位置处换热系数是否满足要求，并依速度场分布判断水套关键位置是否存在流动死区，对其冷却水套压强损失进行评估。通过分析发现该四缸汽油机一缸左侧水路冷却液流动不好导致进排气门间鼻梁区换热系数偏小，二缸、三缸和四缸进排气门间鼻梁区换热系数均满足换热要求, 但每缸左侧区域换热系数比右侧区域小，换热系数不均匀, 所以对缸盖水套进行结构优化。改进的方案是：缸体水套换热系数较好,不做结构改变，在保证缸体厚度的前提下,在缸盖的某个具体位置将缸盖一缸水路截面尺寸增大，将优化后的结构进行分析。根据结果对比可以判断水套结构优化之后, 水套缸盖流动更加均匀,关键位置的换热系数有所改善,提高了发动机的散热性能。
泛亚汽车技术中心有限公司的裴梅香、刘斐、金则兵、宋宏利等人应用FIRE软件对某一新设计发动机冷却水套进行三维数值模拟, 得到了冷却液流场压力损失、流场速率、换热系数分布、流量分布等基本流场信息。结果发现一、二缸排气道鼻梁区水流速度较低，因此他们直接增大缸垫处冷却鼻梁区的上水孔直径，增大流通面积，以提高流速。同时，优化鼻梁区结构，诱导流体流向期望的方向，避免流动死区。为使各缸流量分布相对均匀，以满足工程对于关键区的流速要求，他们优化了一缸上水孔直径，并减小四缸不必要的上水孔，通过对缸盖排气鼻梁区现有结构的更改，避免了过高的流速和流动分离，有效地降低压力损失，从而降低对于水泵消耗功率的要求，同时，还能对冷却水流有一定的导向作用。通过对优化后的冷却水套进行分析发现新设计汽油机冷却水套比较合理，各缸冷却水分布均匀，达到了工程要求的限值，大大改善了原设计局部冷却能力不足的情况。
重庆大学的王楠等人通过应用计算流体力学的软件AVL-FIRE，以发动机水套冷却性能的三维流场仿真模拟作为基本的研究内容，进行了数值模拟分析，从三维的角度揭示预案机型发动机水套内部冷却液的流动分布状况;根据对三维流体数值模拟后处理结果进行的分析，提出原水套模型存在的速度流场中冷却液流速、流量均不足的问题，以及换热系数场中重点冷却部位“鼻梁区”冷却不足等问题。根据开发机的原冷却水套冷却不足的问题提出两套不同的气缸垫结构的优化模型，并针对网格模型进行了大量的模拟计算。通过模拟结果对比归纳，给出较理想的优化结果。即冷却液在缸体缸盖水套中的流速提高，重点冷却部位流量分布合理，无流动死区;关键部位的温度得到了控制，换热系数明显增大，并获得了较均匀的压力分布，降低功率损失及散热量，从而提高零部件的可靠性与发动机的性能。
吉林大学的吴丽丽通过采用STAR-CD进行对3AG6汽油机水套的模拟分析，主要研究了水套的速度场和温度场，同时重点分析缸盖水套鼻梁区和排气侧等高热区域的温度分布和速度分布，还有缸体水套的鼻梁区的速度分布和温度分布。发现整体水套设计的某些结构存在一定的问题，导致温度分布不均，流动速度不均匀的现象。经过一系列的分析模拟，决定增加受热面的上水孔数量，并增加上水孔直径。通过3种不同的改进方案的对比，最终筛选出最佳的改进设计方案。并且通过与冷却水流场试验结果进行对比后，证明模拟分析的结论是非常满足要求的。
湖南大学的鲁震以一款自然吸气的直列四缸汽油机气缸盖及冷却水腔作为研究对象，利用计算流体力学，数值传热学等理论知识，对气缸盖内冷却液流动及传热过程进行流固耦合模拟，分析并评价该高速汽油机气缸盖的冷却性能；在此基础上采用拟水平的混合正交设计方法提出9种对缸垫上水孔尺寸及位置的研究方案，对比改进前后的气缸盖温度场，流场结果，选出目标改进方案；同时总结了本缸垫上水孔设计的重要参考因素-靠近火力面的两系列上水孔尺寸对冷却的影响；多场分析的手段与结果也为气缸盖进一步的结构优化提供了思路并奠定了基础。
MWM国际公司的Alexandre Schalch Mendes等人通过对MWM国际公司的高速柴油机内部的水流进行了数值模拟，确定了可能的空化区域，因为空化区域的存在降低了换热效率。该模拟分析是在CFD软件FLUENT的帮助下进行的，建立了稳态，湍流，单相流的数学模型，同时还考虑了固体水套到流体区的传热问题，主要通过汽压来识别区域。通过数值模型可以更好的理解水套的流动和温度行为。该建立的模型还预测了几乎没有低于饱和的压力区域。这表明不太可能发生气蚀。由于流体力学性质的变化，在水中加入一些冷却剂将有助于消除这种可能性。
Escorts Ltd的Vishal Kale等人通过采用对冷却水套的优化和对水泵设计的修改的方法来解决发动机冷却问题。他们采用CFD方法计算了发动机各截面冷却水的流速分布，计算了发动机缸体和缸盖的温度分布。对于发动机功率的提高，由于冷却面积的减少，温度升高。因此首先需要对换水孔尺寸进行优化，降低换水孔的温度，然后为进一步降低换水孔的热负荷，逐步提高换水孔的流量。结果发现将水流量提高到200%，不仅可以显著降低热空气质量，而且有助于优化散热器的尺寸。虽然增加的流量增加了整个发动机的压降，但数值在可接受的范围内。此外，改变发动机缸体几何尺寸，以适应增加的流量 ，如进水模式和外肋结构的改变。
