某汽油机冷却水套优化设计

何世泉

（泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201）

0 引言

汽油机通过燃料的燃烧膨胀推动活塞做功，故其承受着高强度的热负荷和机械负荷。工作过程中，发动机缸内气体温度很高，尤其是燃烧室周围的零部件，工作条件最为恶劣。一旦出现设计不当或者冷却不充分的问题，就容易造成局部过热，从而在高频热疲劳和低频热疲劳的共同作用下产生裂纹，造成失效。

国内外较多文献 ［1-3］对发动机的冷却系统进行了3维流动的数值模拟，也有对水套进行优化分析的例子［4-6］。本文通过对某汽油机冷却水套的模拟计算，分析了水套内冷却液的流动情况；同时，根据分析结果提出了几种优化方案以提高冷却水套的冷却能力。最终通过优化水套结构与改进外部水泵结构相结合的方式，得到了较好的冷却效果，为水套优化提供了新思路。

1 冷却水套的CFD分析

1.1 计算模型建立

选用3维设计软件UG对某3缸汽油机冷却水套进行几何造型设计。

设计冷却水套时，在兼顾缸体和缸盖主要结构特征的同时，要保证整体冷却性能。在冷却水套优化设计过程中，需要先将整个冷却水套从缸体和缸盖中提取出来，然后对其进行进一步的性能测试，优化水套结构。

整个冷却水套的几何模型包括缸体水套、缸盖水套和气缸盖垫片上水口 （以下简称上水口）。冷却水套入口位于缸体水套上，冷却液从水泵流入缸体水套入口，从第1缸流向其余缸体。同时，冷却液在压力的作用下，通过上水口从缸体水套流入缸盖水套，然后经过缸盖水套对缸盖进行冷却，之后从缸盖冷却液出口流出，进入连接管道和调温器后，进入冷却小循环或者冷却大循环。

在进行冷却水套研究的时候，提取的分析区域以缸体入水口作为起点，缸盖出水口作为终点，并且对冷却水套进行适当的简化，如图1所示。

利用AVL-FIRE体网格生成器FAME HYBIRD对冷却水套几何模型进行体网格划分，如图2所示。体网格主要由六面体单元组成，另外还包括少量的五面体和四面体。为保证计算精度，对缸盖鼻梁区、上水通道等流速、压力梯度较大区域进行了细化加密。

图1 整体水套

图2 FIRE体网格

同时对上水口区域进行了AVL-FIRE自带的Transfer体网格变形，对选定区域进行一定比例的放大细化，提高了局部的计算精度，如图3所示。

图3 上水口体网格变形前后区别

1.2 求解设置

在进行数值模拟过程中，设定冷却水套内的冷却液的流动状态是绝热的、不可压缩的黏性湍流流动，湍流控制方程为k-ε两方程高雷诺数模型。对近壁区域采用混合壁面函数进行处理。控制方程的离散算法采用有限容积法。冷却介质选用50%水与50%防冻添加液乙二醇 （GLYCOL）的混合物，沸点为404.15 K，其基本物理参数如表1所示。缸盖和缸体材料均为铸铝合金 （ALSi8Cu3），其物理特性参数如表2所示。根据发动机设计参数 （见表3），设置流体数值仿真边界条件及初始条件，如表4所示。

表1 冷却液主要物理属性

表2 固体区域物理特性参数

表3 发动机设计参数

表4 流体仿真边界条件和初始条件

其他计算参数及求解控制根据Solution Type中的Cooling Jacket模板进行设置。

选取21个点作为特征点进行收敛性监测，进口处1个，出口处2个，鼻梁区3个，上水口15个。上水口15个点的位置分布及编号如图4所示。

1.3 结果分析

图5所示为缸体的水套速度分布，平均速度为0.836 m／s。由图5可见，相对缸盖冷却水套而言，缸体水套冷却液的流速比较低，同时因为冷却液从进气侧进入，导致排气侧冷却液流速要低于进气侧。大量的冷却液在第1缸上水口处进入缸盖，导致第1缸缸盖处冷却液流速过大，第2、3缸缸盖处冷却液流速相对较低。

图4 上水口15个点位置分布及编号

图5 缸体冷却水套速度分布

图6 为缸体水套近壁面温度分布云图，图7为缸盖水套近壁面温度分布云图。综合各缸看，缸盖水套相对缸体水套而言温度更高，因为缸盖火力面与高温燃气的接触时间较长，热负荷相对较高。总的来说，温度分布较为适合，但是依然存在着一些问题：缸盖水套温度依然相对较高，3缸之间温度梯度过大，鼻梁区温度普遍偏高。

图6 缸体水套温度分布

图7 缸盖水套温度分布

由仿真结果可知，冷却水套的设计结构较为合理，各个区域流场相对稳定，没有大型湍流干扰主流通道的流动性；但是仍然存在需要优化的问题：1）整体平均温度依然过高，尤其是缸盖部分，需要对冷却水套进行优化调整，增强整体冷却性能；2）缸体水套的第1缸与第2、3缸之间存在过大的温度梯度；3）缸盖水套各气门之间的鼻梁区域处存在低流速区。

2 冷却水套CFD优化

2.1 增减上水口面积

第1缸附近的上水口质量流量相对较大，接近总体流量44%的冷却液在进入水套后从1、2、3、13号上水口直接进入缸盖。这将直接导致后续2缸冷却液流量相对不足，对应的流速和传热系数相对较低，对应的冷却效能下降，温度上升，各缸之间的温度梯度加大，热应力增加，会导致缸套变形增大，活塞与缸套磨损加剧，对发动机的寿命有较大的影响。因此，可以考虑调整上水口面积大小来提高低流速区的冷却液流速，改善上述情况。

受发动机结构限制，1、4、6、14、15、9、10、11、12和13号上水口面积不能增加，只能减少；2、3、5和7号上水口面积可减小，也可增大，但是增大的面积很有限；8号上水口面积可增大，最多为原面积的2倍，也可减小。综合考虑各缸温度变化，决定减小2号上水口面积或增大8号上水口的面积。表5列出了5种上水口面积的增减方案。对5种方案进行CFD分析对比，选出最佳方案。

表5 上水口面积的增减方案

通过CFD仿真计算，5种方案的最高温度如表6所示。可以看出上水口面积的调整均能降低第3缸的缸盖温度，提高第1缸的缸盖温度，减小各缸温度梯度；但是2号上水口面积降低到1／2以下时，第1缸的冷却性能迅速恶化，温度迅速升高，最高温度位置逐渐向火花塞位置移动。

表6 5种方案最高温度对比

将方案2（2号上水口面积变为1／2）和方案5（8号上水口面积翻倍）组合作为优化方案1。

图8为优化方案1与原方案的缸盖水套鼻梁区冷却液流速对比。可见，优化后各缸鼻梁区的冷却液流速均匀性有所提升，第1缸鼻梁区冷却液流速略有下降；但缸盖水套内还存在一些低流速区，并且火力面的冷却液流速还有待提高。

2.2 增加冷却液流量

由于冷却水套冷却能力略显不足，各缸鼻梁区、火力面及排气侧温度偏高，考虑增加水泵齿数以提高其转速，达到增加冷却液流量的目的。原冷却水泵齿轮齿数为19齿，入口流量为1.426 kg／s；改进方案为水泵齿轮增加1齿，入口流量增至1.501 kg／s，将此作为优化方案2。优化方案2与原方案的第1、3缸鼻梁区温差对比如表7所示，缸盖水套鼻梁区冷却液流速对比如图9所示。

表7 第1、3缸鼻梁区温度差对比

图9 缸盖水套冷却液速度比对 （俯视）

分析结果表明，增加冷却液流量后，第1缸最高温度下降幅度大于第3缸，出现了最高温度之差增大的情况。优化方案2整体流速比原型机有明显提升，且原方案中各缸缸盖水套鼻梁区域存在低流速区，现该流速也得到有效提升，如图10所示。缸盖水套底平面上冷却液的平均流速由原来的1.007 m／s增加到 1.127 m／s； 但各缸之间的冷却液流速梯度大的问题并没有得到有效的解决，反而有所增加。

图10 缸盖水套鼻梁区冷却液流速对比

2.3 优化方案1+优化方案2

将优化方案1和优化方案2结合，作为优化方案3，即在调整冷却水道的基础上，适当提高冷却液流量，可以达到较好的冷却效果。表8为优化前后的水套鼻梁区温度差对比。可见，优化方案3既降低了第1缸缸盖温度，又使得各缸的温度梯度减小。

表8 第1、3缸鼻梁区温度差对比

原机与优化方案3流速场之间的对比如图11所示。从缸盖底面的速度分布可以看出，优化方案3的流速整体要比原型机有显著的提升；同时，对冷却水套上水口进行了优化，使更多的冷却液从排气侧进入缸盖冷却水套，缸盖水套排气侧冷却液流速有较为明显的提升，并且均匀性良好。

图11 缸盖水套冷却液流速对比 （俯视）

缸盖水套鼻梁区冷却液流速对比如图12所示。可以看出，排气一侧的冷却液流速明显增加，并且缸盖水套底平面水流的平均速度由原来的1.007 m／s增加到1.093 m／s。由图12可见，各缸鼻梁区的冷却液流速都有所增加，各缸的气门之间鼻梁区域的平均流速由原来的1.19 m／s增加到1.64 m／s。优化方案3可以优化缸盖的低流速区，增加冷却效率；同时，又有效地降低了各缸之间的冷却液速度梯度，提高了各缸的冷却液速度的均匀性。

图12 缸盖水套鼻梁区冷却液流速对比

3 结论

对某汽油机冷却水套进行CFD分析，发现水套存在的问题，如各缸温度梯度过大、鼻梁区域流速过低、总体冷却能力不足等，需要采取措施进行改善。

在发动机结构限制情况下，通过增减气缸盖垫片上水口面积来改善冷却液流速的均匀性，降低各缸温度梯度；通过增加冷却液流量来提高低流速区域的冷却液流速；将两者结合不仅能有效降低缸盖过高的整体平均温度，增强整体冷却性能，还能降低缸盖各缸温度梯度，减少热应力集中，改善发动机的总体工作状态。这对其他发动机冷却系统设计和优化具有借鉴意义。