气缸盖冷却水流道的可视化试验模型建立

吴华杰 谷 芳 赵 咏

（1-天津大学内燃机研究所 天津 300072 2-天津市天大银泰科技有限公司）

引言

发动机的传热过程研究是发动机研究的重要领域。发动机热效率高的同时，其零件承受的温度高，冷却带走的热量少，热损失少，但同时零件的热负荷就高；当零件的热负荷超过零件所能承受的限度时，零件的热疲劳强度将会下降，并产生裂纹、烧熔等现象，导致发动机不能可靠地工作，使用寿命被减损[1-2]。因此，发动机性能越是强化，热负荷对发动机工作的可靠性影响越是增大。为兼顾发动机高效能和工作可靠性两方面的要求，必须保持适宜的冷却温度。优化冷却系统设计至关重要。

在发动机零部件中，气缸盖承受着极高的热负荷，对气缸盖传热进行的课题研究一直在继续[3-5]。其中，最关键的就是合理设计气缸盖冷却水系统结构，以使气缸盖冷却水的流量分布、流动速度及压力损失分布等因素最小化影响发动机的能耗与正常运行。

在设计阶段，为考察概念模型的可靠性，最直接的方法就是进行可视化的流场试验[6]。本文即针对某复杂缸盖冷却水流道，采用模块化设计理念，建立了用于LDA 可视化试验的数字模型；并在该数字模型的基础上，采用传统机加工方式制作试验模型；使得可视化的流场试验操作便利，密封性良好，为类似复杂流道的可视化试验装置的搭建提供了研究思路和技术路线。

1 气缸盖冷却水流道组成及三维数字模型的简化设计

气缸盖冷却水流道由气缸盖、气缸体和缸套包围而成。

1.1 简化某气缸盖模型及提取其冷却水流道结构

本次研究以某气缸盖为例。根据厂家提供的图纸，利用三维数字化设计软件建立气缸盖的3D 模型。考虑试验模型机加工的需要，在满足冷却水流道不失真的情况下，对该3D 模型进行必要的简化。比如去除真实的气缸盖加工工艺所需的结构，如图1所示。

图1 某气缸盖简化后的三维数字模型

简化结构的模型（图1）可以清晰地反映出气缸盖和火力面部分冷却水流道的结构。通过整理结构，利用三维数字化设计软件的布尔运算功能，就可以分离出冷却水流道的气缸盖部分（图2 中1 部分，包括出水口结构）和火力面部分（图2 中2 部分）。

图2 某简化气缸盖冷却水流道的三维数字模型

1.2 完善某简化气缸盖冷却水流道的三维数字模型

气缸盖的冷却水流道是整个发动机冷却系统的重要组成部分。在重点考虑气缸盖冷却水流道时，也需要纳入气缸盖之外的相关结构，包括围绕缸体和缸套的冷却结构，以及相关的进排水通道。缸体上涉及冷却水流道的部分只有进水口、与缸套相对应的部分和与火力面连接的上水管通道，这部分的结构相对比较简单。所以，可以设计成基本功能等同实现的简单结构，替代缸体部分（包括缸套）的水流道结构，作为气缸盖冷却水流道的一部分（图2 中3 部分），以避免失真。

1.3 形成完整的气缸盖冷却水流道系统模型

根据气缸盖的整体结构尺寸，利用三维数字化设计软件的布尔运算功能，可以将气缸盖部分的冷却水流道结构、火力面部分的冷却水流道结构、缸体（缸套）部分的冷却水流道替代结构，通过进出水管路组装成一体，形成完整的气缸盖冷却水流道模型（如图2 所示）。

2 气缸盖冷却水流道可视化试验模型的组成

考虑到既要做到气缸盖冷却水流道试验平台模型的可视化，又要充分模拟发动机实际工作状态，气缸盖冷却水流道可视化试验模型应该包括用透明材料（PMMA）制造的，以气缸盖冷却水流道（如图2 所示）为内腔的模型。该模型需要外配水流和水压调节装置、溢流旁路及供给整个系统水流循环的器具等设备，共同组成带有水循环系统的实验模型。水循环系统和气缸盖冷却水流道可视化试验模型通过进水装置和出水装置相连接。在试验的过程中整个模型系统的水流状况要通过水压和流量控制装置达到发动机要求的参数指标。

由图2 可以看出，以气缸盖冷却水流道为内腔的模型形状非常复杂，快速原型工艺无法对内部表面进行达到精度要求的后处理，只能采取模型分块进行的机加工制造。

根据模块化设计原则，将整体划分为气缸盖、火力面及缸体3 部分（如图2 所示），设计的过程充分考虑各部分的内在结构、安装方式、接口结构、衔接部分的密封性以及多普勒测量结构（测量窗口）等，做到统一规划。其中，气缸盖部分还需要进一步模块化分块处理，以达到可机加工目的。

2.1 气缸盖部分冷却水流试验模型的数字化设计

首先根据可视化的流场试验台总体尺寸的需要，设计一个长方的实体，利用三维数字化设计软件的布尔运算功能，将气缸盖冷却水流道模型作为其内腔，其上包含了整套模型的出水口结构和与火力面相衔接的通道。然后，利用三维数字化设计软件的模具设计向导和分析功能中拔模设计的功能，对该中空模型结构进行分析，将其分割成可加工的3 部分结构。图3 为气缸盖冷却水流通为内腔的模型。考虑到加工、安装、可视化、整体质量及测量窗口结构等因素，外观结构还要做平面化的调整。

图3 气缸盖冷却水流道为内腔的模型

由于发动机工作过程中冷却水是在密封的环境中以高压方式循环流动，所以，为加工的可行性而分成的3 部分还需要以密封的形式组合成一个整体。除了要设计必要的紧固结构（图3 中的4），测量结构（图3 中的2），在它们相互之间的结合面上还要布置定位结构（图3 中的3）和密封槽（图3 中的1）。所有密封槽的设计要严格按照试验过程中水压的大小和压力生成的方式进行冗余设计，以抵消结合面加工粗糙度引起的密封圈工作失效情况。该部分还应包括出水口（图3 中的5）和安装出水口装置的结构。

2.2 火力面部分冷却水流道的数字模型设计

火力面的网状孔系结构造成机加工困难。可以考虑做垂直于主要孔系轴线的平面（周围的立面），从各平面加工通孔，然后用带密封结构（加工口带密封槽，螺栓结合面布设密封胶等措施）的螺栓封堵孔口的结构，如图4 所示平面和侧立面上的孔系。

图4 火力面网状孔系结构

应该注意：在该部分数字模型的上下平面上还要设计出与气缸盖及缸体部分衔接处的密封槽。另外，由于实际的气缸盖冷却水流道中火力面过分接近气缸盖部分，在本气缸盖冷却水流道可视化试验数字模型建立的过程中，应该在不引起工作失真的情况下，适当加长火力面与气缸盖之间的通道（即增加图4 所示结构的厚度），以保证火力面冷却结构部分有足够的厚度来保证整体结构的强度。

2.3 缸体部分冷却水流道的数字模型设计

由于火力面冷却水流道的各个孔系是测速的关键部位，所以在设计缸体部分冷却水流道模型时，要在保证尊重原始模型和确保密封结构功能实现的前提下，预留对进入火力面的冷却水路进行测量的结构（测量敞口），并考虑让测量的光束从缸体的中心部分射入火力面进水水路。还要考虑预留整体模型与安装平台的安装位置；再有，为实现机加工，将该部分模型设计成中空的，可以环行密封组合的两个零件。图5 为缸体部分冷却水流通数字模型。该部分应该包括了进水口和安装进水口装置的结构。由于有水密封结构的存在，3 部分的安装设计要统筹安排。紧固安装和压紧密封应同时考虑。

图5 缸体部分冷却水流道数字模型

2.4 进出水装置的设计

该部分的结构要能模拟真实的工作过程。不但要保证与模型和外部水流循环系统密封安全，还要确保真实的流量和流场。进水和出水口的截面积要根据发动机模型计算得出。本次研究的冷却水流道数字模型的进水装置以结合面密封安装于缸体冷却水流道数字模型的侧壁；本数字模型的出水装置以结合面密封安装于气缸盖冷却水流道数字模型的顶端；进出水口与外部水流循环系统以锥管螺纹连接。

图6 所示为包括了进出水结构在内的完整气缸盖冷却水流道可视化平台的基本数字模型结构。

图6 气缸盖冷却水流道可视化平台数字模型

通过机加工得到的各部分结构件，外加密封件、紧固件等，形成激光多普勒试验台上的气缸盖冷却水流道可视化试验模型，如图7 所示。

图7 气缸盖冷却水流道可视化试验模型

3 结论

流动显示技术伴随流体力学的发展而发展，又不断地促进流体力学的进步与突破。但复杂流道内的可视化试验，一直是此类试验研究的瓶颈。如何建立既能反映真实流动状态，又能采用较为简便的加工方式搭建、并适用于光学试验的流体力学试验平台成为复杂流道流体力学试验的关键技术。本文提出的缸盖冷却水复杂流道可视化数字模型建立方法，为此类流体力学试验平台的搭建提供了一定的研究思路和技术路线，使得深入研究发动机冷却系统内的流动和传热机理成为可能，对如何提高发动机整体性能和使用寿命意义重大。