某款汽油发动机冷却水套的优化设计

惠昭晨，张应兵，欧阳彩云（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）



某款汽油发动机冷却水套的优化设计

惠昭晨，张应兵，欧阳彩云
（安徽江淮汽车股份有限公司，安徽 合肥 230601）

根据某款汽油发动机整车冷却系统的布置方案，建立冷却系统一维模型，计算得到水套各进出口边界条件，以该数据作为输入进行冷却水套的CFD分析，对水套关键位置的冷却能力进行分析评估，并提出水套结构改进方案，最后进行改进结构的验证分析。

冷却系统；CFD；水套；有限元

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.017

CLC NO.: U464Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-51-04

前言

发动机散热一直是设计人员关注的重点[1]，如果发动机冷却能力不足，会导致发动机工作条件恶化，进而引起发动机动力性、经济性全面变差[2]，作为发动机重要发展方向的增压技术的应用[3]，会使发动机对冷却能力的要求更加严格，所以增压发动机冷却水套的设计也就尤为重要。因发动机水套结构复杂，所以难以用传统试验方法测量[4]，随着数值模拟技术的发展，该技术可以较好的模拟水套内部复杂的流动情况，并且与试验数据相比，计算结果的准确性和可靠性均满足要求[5]。

本文利用Flowmaster软件进行汽油机整车冷却系统的分析，确定水套分析的边界条件，以该数据作为输入在AVL Fire软件中进行水套的CFD分析，根据分析结果制定水套的优化方案，最后对优化结构进行分析，验证优化效果。

1、发动机水套分析

1.1边界条件

对该型汽油机水套进行 CFD分析应首先确定分析边界条件，该边界条件通过冷却系统一维分析获得，首先建立整车冷却系统分析模型，计算额定工况下水套各进出口流量分配及压力分布情况，将该数据作为输入进行水套CFD分析，图1为汽油机整车冷却系统设计原理图。

根据设计原理图、发动机水套流阻特性（图 2）和各冷却部件流阻特性，利用一维分析软件Flowmaster建立冷却系统一维模型[6]，如图4所示。根据水泵性能曲线，计算中取水泵转速为7200rpm，流量为150L/min，水泵扬程为11.87m，对冷却系统进行一维分析，计算结果如图2-4所示，图中标明各个循环支路冷却液流量分配情况。最后确定水套分析边界条件，如表1所示，其中冷却液密度和粘度根据材料库查询得到。

表1　水套分析边界条件

1.2汽油机水套CFD分析

发动机水套计算模型如图 5所示，该模型主要在 AVL Fire中完成六面体单元网格划分，并对关键区域进行网格加密处理，最后冷却水套模型网格总数约为191万，其中六面体单元约占95%，图中标注出水套各冷却液进出口。

计算中冷却液为不可压缩稳态湍流流动，压力和速度耦合采用SILMPLE算法[7]，湍流模型采用稳定性较好的k-ε 模型，k-ε 模型可以通过以下两个方程来描述，即：

将边界数据输入，对水套进行CFD分析，主要判断缸体水套和缸盖水套关键位置处的换热系数是否满足要求，并依据速度场分布判断水套关键位置是否存在流动死区，对冷却水套压强损失进行评估。

图 6为发动机水套冷却液绝对压强云图，最大压强为2.49bar，水套压力分布正常未出现压力剧烈波动区域，从图中可以看出水套排气侧压强比进气侧大。

图7为缸体水套换热系数云图，从该图可以看出缸体水套火力岸面换热系数较好，缸体水套一缸、二缸和三缸火力岸面换热系数满足5700W/m2.K的换热要求，四缸火力岸面局部小区域换热系数为4800W/m2.K左右，其他区域换热系数均满足5700W/m2.K的换热要求。

图8为缸盖水套换热系数图，从图中可以看出排气门鼻梁区换热系数均满足14000 W/m2.K换热要求。二缸、三缸和四缸进排气门间鼻梁区换热系数满足10000 W/m2.K要求，但每缸左侧区域换热系数比右侧区域略小，分布不均匀。

由图8可以看出，一缸水套进排气门间左侧鼻梁区存在换热系数为8400W/m2.K左右的区域，从左侧流线图可以看出该区域冷却液由缸体经过鼻梁区流向缸盖，因为水套阻尼影响，只有较少冷却液流经水套鼻梁区左侧区域，大部分冷却液直接流向排气侧，造成一缸鼻梁区左侧区域换热系数较小；四缸右侧鼻梁区换热系数偏小，最小换热系数约为9000W/m2.K，由右侧流线图可以看出，因为四缸离暖风出口较近，所以流经鼻梁区的冷却液直接流向暖风出口，造成四缸水套鼻梁区右侧换热系数较差。

图 8标注为一缸左侧水路存在换热系数不足 1000 W/m2.K区域，该区域虽然不是考察关键位置，但该区域冷却液流动不顺畅会影响鼻梁区的换热系数。图2-9为水套流线图，在一缸进气侧作一个通过水孔的截面，由截面可以看出，一缸左侧水路冷却液同时存在向上流动和向下流动，造成该水路出现流动死区，不利于冷却液的顺畅流动。分析缸盖水套结构发现该水路截面尺寸较小，流阻较大，不利于冷却液由缸盖流向缸体，最终导致排气门间鼻梁区部分区域换热系数较低。

2、水套的优化设计

2.1水套改进方案

根据以上分析结果知，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，并且由图8可以看出，虽然二缸、三缸和四缸进排气门间鼻梁区换热系数均满足10000 W/m2.K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。缸体水套换热系数较好，不做结构改变。

水套结构优化位置如图10、11所示，其中图10为将缸盖一缸水路截面尺寸增大，在保证缸体厚度的前提下，将该位置处的横向尺寸增加2.5mm。图11为缸盖进气门间水路图，将该位置横向尺寸增加2.5mm，以增加该区域的截面面积。

2.2优化水套CFD分析

将边界条件作为输入，对优化后的水套结构进行CFD分析，分析结果如下所示。

图12为优化后的结构缸体水套换热系数图，从图中可以看出，额定工况下优化后的缸体水套与原结构缸体水套换热系数基本一致，火力岸面换热系数较好，满足换热要求。

图 13所示为原结构与优化结构缸盖水套的换热系数对比图，由一缸位置水路换热系数对比可知，水套结构优化之后，一缸进排气门间鼻梁区换热系数明显优化，且一缸左侧水路换热系数提高较明显。由右侧对比图可知，水套结构优化之后，二缸、三缸、四缸进排气门间鼻梁区换热系数均有所改善，且均满足10000 W/m2.K的换热要求。

图 14为原水套结构与优化后的水套结构缸盖流速在0.5m/s以下的云图，由图可以看出，当水套结构优化之后，原结构流动死区流动情况明显改善，该区域流动改善有利于缸盖水套换热。

3、结束语

本文对某型增压发动机冷却系统进行分析，基于冷却系统一维模型计算得到发动机水套分析所需边界条件，以边界条件作为数据输入，对水套进行三维CFD分析，对分析结果进行判断并对水套结构优化，最后验证优化效果。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。

[1]姚炜.CFD模拟在发动机水套设计中的应用[J].合肥工业大学学报，2009，（32）86-88.

[2]冯贝贝，张少华等.增压直喷汽油发动机冷却系统优化的研究[J].内燃机，2013，（2）21-25.

[3]赵永娟，马超等.径流式涡轮性能研究的进展[J].内燃机与动力装置，2009，（2）8-13.

[4]于秀敏，陈海波等.发动机冷却系统中流动与传热问题数值模拟进展[J].机械工程学报，2008，（10）162-167.

[5]朱家鲲.计算流体力学[M].北京：科学出版社，1985.

[6]钱德猛，钱多德.乙醇—汽油燃料车用发动机设计开发[J].小型内燃机与摩托车，2013，（4）43-46.

[7]张应兵，陈怀望，许涛.CFD技术在发动机冷却水套优化设计中的应用[J].汽车工程师，2012(4)：56-58.

Optimization design of the gasoline engine cooling system

Hui Zhaochen,Zhang Yingbing,Ouyang Caiyun
（Anhui Jianghuai Automotive Co.,Ltd.,Anhui Hefei 230601）

The 1-D cooling system simulation model of engine is built based on principle.The flow rate of water jacket branch can be got.The CFD analysis conclusion of water jacket can be drawn based on the flow rate result.At last we can carry out the optimal design based on comparison between the primary water jacket and the optimized water jacket.

cooling system; CFD; water jacket; finite element analysis

U464

A

1671-7988（2016）08-51-04

惠昭晨（1989-），男，助理工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司，主要从事发动机设计的工作。