发动机水流分布试验研究

2011-03-28上海柴油机股份有限公司上海00438华中科技大学武汉430074

柴油机设计与制造 2011年1期

（上海柴油机股份有限公司，上海00438；.华中科技大学，武汉430074）

发动机水流分布试验研究

黎程1，杜志良1，陈文杰1，黄荣华2，王兆文2
（上海柴油机股份有限公司，上海200438；2.华中科技大学，武汉430074）

气缸盖内冷却水的合理分布，有利于降低气缸盖内热负荷，改善各缸工作均匀性以及缸盖可靠性，提升冷却系统效率。进行气缸盖上水孔水流分布的试验研究，也可为气缸盖内冷却水流动数值模拟提供边界条件或者流场的试验验证。本文通过压差法，基于皮托管原理，实现了对某柴油机气缸盖每缸各上水孔冷却水流量的测量，分析了发动机各缸冷却水流量分布均匀性，及每缸内各上水孔水流分布情况。

发动机气缸盖冷却系统流量分布

1 前言

高强化柴油机冷却系统冷却水量的控制及其分布直接影响到柴油机的冷却效果、高温零件的热负荷、热量分配和能量利用[1]。如冷却水量过多,可使高温零部件得到足够的冷却，但会带走额外的可利用热能，并增加水泵的功率损耗，影响柴油机的经济性；如冷却水量过少或水流分布不当，使高温零部件得不到足够的冷却而局部热负荷升高、强度下降，影响使用寿命，并使柴油机因过热而停车[2]。寻求适当的冷却水流量和压力以及合理的流场分布成为高强化柴油机研究开发中不可缺少的重要环节[3]。

发动机的冷却系统结构非常复杂，而且主要部分都封闭在缸盖内部，不易观察和测量。因此对它们的研究多数是运用简化的数值模拟进行计算，同时结合发动机整机试验进行验证。但由于计算机软硬件及技术水平的限制，加之无试验数据支撑，目前还不可能对发动机冷却系统进行实际精确的计算，而常规的整机试验对于系统内部工作特征则根本无法获得。因此研制试验装置为设计性能优良的冷却系统、为建立设计系统数据库，以及为确定评价设计系统优劣的指标和提供试验研究的手段，我们研究设计了一套缸盖上水孔流量测量系统，为缸盖内流场分布的数值模拟提供更准确的边界条件并可对各缸流量分布的合理性进行评价。

2 技术方案

2.1 系统结构

水路分布试验台架系统主要由柴油机倒拖试验台、上水孔流量测量单元、皮托管流速测量单元、数据采集系统与上位机软件控制系统组成。其总体布置如图1所示。

本试验台可进行水泵性能试验、发动机冷却系统性能试验、各缸水流分布试验及流场可视化试验在缸盖与机体之间安装中间接板，中间接板上钻有跟相应上水孔相同尺寸的通水孔，并在这些通水孔内安装用于测量冷却水流动时总压和静压的导水管和压差传感器，根据缸盖上水孔数目安装，分别测量各个上水孔的静压和总压压差，从而依此计算出各个上水孔的流量，各上水孔流量总和应等于各缸出水孔流量，依据此数据可以分析缸盖内各个区域的冷却状态，为实现精确冷却确定进一步改进的方向。

图1 水路分布试验台原理图

2.2 测量原理

2.2.1 伯努力方程与流速计算公式推导

由于v1=0；v2=V；p1-p2=ΔP，z1-z2=ΔZ

所以代入公式得：

其中ΔP-ρgΔZ的数值等于用压差传感器测出的压差值，用ΔP*表示，上面的公式可写为

通过测量孔的初始计算流量由下式得出：

Q=S×V

S——水流过的截面积

V——计算流速

由于皮托管的加工工艺与尺寸规格对其测量误差产生很大影响，所以采用皮托管测流量的方式需要使用修正系数加以修正，于是得到下式：

2.2.2 修正系数μ的选取

通过对总流量的测量和对各分支流量的计算，可以确定一个合理的修正系数μ，使总流量的计算误差降到最低。

在额定转速2 200 r/min下，测量流入柴油机总水流量Q总，并通过对各个上水孔采用皮托管测量各分支流量Qi，总计算流量

3 试验结果

3.1 各单缸流量分布

柴油机每个气缸盖上有5个上水孔，也就是5个水道，其分布如图2所示。在柴油机的外特性工况下，从800 r/min至2 200 r/min分别测量每一缸的冷却水流量，结果如图3、图4和表1所示。

图2 水道编号图

从图3和图4可以看出，流过发动机各缸的水量随着发动机转速的升高而逐渐增加。在同一个转速工况下，1至5缸水流量逐缸递减而第6缸则与第5缸水流量基本相同。在发动机标定转速工况下，第1缸水流量为44.94 L/min，第5缸水流量为28.72 L/min，第5缸流量比第1缸降低了36.1%；在800 r/min转速工况下，第1缸水流量为16.75 L/min，第5缸水流量为10.48 L/min，第5缸流量比第1缸降低了37.3%，说明发动机缸盖水流量分布与发动机转速并无太大关系。

图3 各工况下各缸水流量分布图

图4 典型工况下各缸水流量分布图

表1 典型转速下各缸水流量分布表

根据各缸之间流量不均匀度指标计算[4]：

额定工况下的各缸流量不均匀度为44%。

3.2 各缸上水孔流量分布

图5～图10给出了不同转速下，第1缸至第6缸各水道的流量分布。可以看出，流过发动机各水道的水量随着发动机转速的升高而逐渐增加，靠近排气侧水孔水流总量大于进气侧水孔水流总量。

图5 第1缸各水道流量分布图

图6 第2缸各水道流量分布图

图7 第3缸各水道流量分布图

图8 第4缸各水道流量分布图

图9 第5缸各水道流量分布图

图10 第6缸各水道流量分布图

由于第1水道孔径较其他水道小，从图11～图15可以看出，各缸第1水道流量随转速的变化率较其他水道小，各缸第2到第5水道流量随着发动机转速的升高而逐渐升高。在同一个转速工况下，第2、3、5水道水流量1至5缸逐缸递减而第6缸与第5缸基本相同，第4水道水流量1至4缸逐缸递减而第6缸则与第5缸不相同，说明第5缸第4水道存在铸造差异性。

图11 各缸第1水道流量分布图

图12 各缸第2水道流量分布图

图13 各缸第3水道流量分布图

4 结论

本文简要介绍了某型柴油机缸盖水路分布情况，用测试手段对缸盖的水流量分布进行了精确测量，做到了总流量误差在±5%的预定目标，为缸盖水道的改型设计提供了试验依据。

图14 各缸第4水道流量分布图

1王书义，王宪成，段初华.柴油机冷却水流动的试验研究[J].车用发动机，1994（3）：34-36.

2屈盛官，黄荣华，孙自树.高强化大功率柴油机冷却系水流分布研究[J].华中科技大学学报，2001，29（8）：77-80.

3 Hudgens R D,Hercamp R D.A Perspective on Extended Service Intervals and Long Life Coolants for Heavy Duty Engines[C].SAE 961818.

4陶建忠，李国祥，佟德辉.基于CFD的柴油机气缸体冷却水腔改进设计[J].农业机械学报，2008，39（2）：188-191.

Experimental Study on Distributing of Water Flow in Diesel Engine

Li Cheng1,Du Zhiliang1,Cheng Wenjie1,Huang Ronghua2,Wang Zhao-wen2
（1.Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,Chian; 2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China）

Proper coolant flow distribution is beneficial to reduction of cylinder head thermal load, thereby improving head reliability,to minimum operation variation of each cylinder,and to cooling efficiency.Experimental study on distribution of coolant flow in a cylinder head was conducted to understand the cooling condition of head and to provide boundary conditions for later numerical simulation of coolant flow or verification.Pressure difference based on Pitot principle was adopted to measure the coolant flow from every flow hole in each cylinder and then analyzed distribution variation of coolant flow in each cylinder as well as distribution of coolant flow in each flow hole.

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