某国V柴油机水套设计仿真分析

喻昆，王宏大，王次安

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

某国V柴油机水套设计仿真分析

喻昆，王宏大，王次安

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

利用一维、三维联合仿真方法对某型柴油机水套设计进行仿真分析，文中首先对匹配该发动机的冷却系统进行分析，得出发动机冷却液的分布结果，以此为边界对水套进行CFD分析,评估水套的换热性能。

CFD；水套；冷却系统；换热性能

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-223-03

前言

在发动机运行过程中，在燃油的燃烧过程中，发动机的温度以极快的速度提升，如不对发动机进行有效的冷却换热，则发动机各方面性能将大大下降，甚至可能引起拉缸和活塞烧蚀等问题，严重的影响发动机的正常运行。因此发动机的冷却问题一直是发动机研发人员关注的重点。

发动机冷却主要通过三种方式1、发动机热辐射2、发动机本体的导热3、发动机水套内部冷却液的对流换热。其中发动机绝大部分热量是通过发动机内部的冷却液流动带走，因此在发动机设计过程中，水套的设计至关重要。本文就公司某型国V柴油机发动机水套进行分析，评估水套的换热性能。

1、发动机冷却系统分析

1.1 计算模型

计算模型主要根据整车发动机冷却系统的布置利用一维流体计算软件进行模型的建立，本次计算中冷却系统的原理图如图1所示：

图1 冷却系统原理图

图2 冷却系统分析模型

依据发动机冷却系统原理图及冷却系统三维数模的几何参数在Flowmaster中搭建一维分析模型。构架发动机冷却系统分析模型如图2所示：

1.2 边界条件

计算中冷却液为50%水与乙二醇混合液，计算工况为发动机额定转速节温器全开工况，其中各部件流动阻尼如下图3所示：

图3 各部件流阻数据示意图

水泵性能数据如图4所示：

图4 水泵suter曲线

1.3 分析结果

通过1D冷却系统分析得出发动机冷却系统各部件冷却液流量：

以上分析数据将作为发动机水套分析各进出口的输入边界。

2、发动机水套仿真

2.1 水套模型及网格划分

图5 水套网格模型

根据设计思想该发动机水套为4缸机水套，设有一个冷却液进口和四个冷却液出口。通过Hypermesh前处理软件对模型进行前处理，并进行面网格的划分。表面网格划分完毕，利用Star—CD软件对模型进行三维网格的划分，网格尺寸绝大部分为1～2mm，其中缸垫部分因模型较小进行细化，网格尺寸为0.5mm，网格总数约为156万计算模型如图5所示。

2.2 边界条件

计算中发动机水套各进出口冷却液流量边界为1D分析结果，其中缸体、缸垫、缸盖壁面温度及进口冷却温度如下：

进口冷却液温度：368K

缸体壁温：115℃

缸垫壁温：125℃

缸盖壁温：125℃

其中水套冷却液进口压力依据1D分析结果设为2.75bar。

2.3 CFD分析结果

2.3.1 缸盖水套分析结果

据发动机水套计算经验，缸盖水套分析主要考察缸盖水套鼻梁区的换热和流速能否满足要求。图6为缸盖水套换热系数分布示意图：

图6 缸盖水套换热系数分布示意图

从图6计算结果来看缸盖水套鼻梁区（图中红圈位置）换热系数均能达到14000W/m2.K的换热要求，说明缸盖换热重点部位设计良好，缸盖其他部位换热系数良好能够满足需求。

图7为缸盖流速在0-3m/s范围内的速度云图，从速度云图中可以看出冷却液通过缸体水套进入缸盖水套排气侧，冷却液流经缸盖鼻梁区纵向流经水套到达水套出水口，因而缸盖排气侧换热优于进气侧。

图7 缸盖水套流场示意图

从缸盖结果来看，缸盖水套换热良好，冷却液流动均匀无流动滞止区域，缸盖水套的换热能够满足发动机的运行需求。

2.3.2 缸体水套分析结果

缸体水套在计算分析中重点关注缸体火力岸面得换热和流速能否满足要求。图8为发动机水套换热系数分布示意图，从图中可以看出一缸和二缸火力岸面的换热系数较能够满足5700W/m2.K的换热要求；三缸水套均存在小部分区域换热系数约为4500W/m2.K左右，四缸水套火力岸面大部分区域换热系数为4000W/ m2.K，总的来看该缸体水套的换热良好能够满足需求。

图8 缸体水套换热系数分布示意图

图9 缸体水套流场示意图

图9为缸体流速在0-2m/s范围内的速度云图，从速度云图中可以看出冷却液进入水套后沿水套进口两侧进行流动，从速度场分布来看，缸体水套各部位冷却液流动正常，未出现流动滞止区，说明缸体水套有利于冷却液流动。

从缸体结果来看，缸体水套换热良好，冷却液流动均匀无流动滞止区域，缸体水套的换热能够满足发动机的运行需求。

3、结论

1）从分析结果来看，该发动机水套具有良好的换热性能及优良的内部设计，各项指标均能满足评判标准说明该水套设计合理。

2）在发动机水套分析中采用一维和三维联合仿真有利于获取准确的输入边界，从而能够保证分析结果的准确性

[1] 王宏大,李娟等.基于CFD技术的水套优化设计[J].汽车制造业. 2012.（5）77-78.

[2] 姚仲鹏,王新国.车辆冷却传热[M].北京理工大学出版社,2001.

Simulation analysis on the water jacket of the V diesel engine

Yu Kun, Wang Hongda, Wang Cian
（Anhui Jianghuai Automobile Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）

The diesel engine water jacket is calculated by 1D and 3D simulation. First the flow rate of the water jacket outlet can be determined by the 1D the analysis. Then the 3D analysis of water jacket can be done using the result the 1D analysis as boundaries. Evaluate the heat transfer capability of the water jacket through the result 3D analysis.

CFD; cooling system; water jacket; heat transfer

U462.1

A

1671-7988 (2017)10-223-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.077

喻昆，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。