基于CFD的單缸風(fēng)冷柴油機(jī)氣缸蓋冷卻分析

徐一心 牟如強(qiáng) 袁敏

摘 要：針對(duì)某單缸風(fēng)冷柴油機(jī)冷卻效果差的問(wèn)題，提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。應(yīng)用Hypermesh和fluent軟件建立有限元模型并進(jìn)行氣缸蓋的流場(chǎng)及流量分析。通過(guò)對(duì)主要改進(jìn)方案的流場(chǎng)及流量結(jié)果對(duì)比分析，得到改進(jìn)后的氣缸蓋的冷卻效果得到明顯改善的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：風(fēng)冷單缸柴油機(jī)；冷卻效果；流場(chǎng)分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.065

0 引言

某型單缸柴油機(jī)為風(fēng)冷冷卻方式，冷卻效果較差，其中氣缸蓋冷卻問(wèn)題較多，尤其是氣缸蓋的冷卻問(wèn)題較多，所以在標(biāo)定點(diǎn)的平均有效壓力偏低，比油耗偏高。風(fēng)冷柴油機(jī)的冷卻可以分成兩個(gè)問(wèn)題來(lái)進(jìn)行討論，即冷卻風(fēng)量的分配和氣缸蓋的冷卻重點(diǎn)[1]。從風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)看，需要主要冷卻的是氣缸蓋，尤其是渦流柴油機(jī)，燃燒室在氣缸蓋上，需要重點(diǎn)冷卻[2]。

1 原機(jī)的冷卻系統(tǒng)

1.1 冷卻風(fēng)量的分配

由原機(jī)冷卻系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看出氣缸套的冷卻風(fēng)入口截面遠(yuǎn)大于氣缸蓋冷卻風(fēng)的入口截面，且靠近冷卻風(fēng)扇的出風(fēng)口。通過(guò)冷卻系統(tǒng)流場(chǎng)分析可知進(jìn)入氣缸套散熱片的流量和其它部位的流量占52.5%，進(jìn)入氣缸蓋的流量占47.5%。原機(jī)的冷卻風(fēng)流量雖然較大，但有近一半的冷卻風(fēng)冷卻的部位屬無(wú)效。在氣缸蓋上有12%的冷卻風(fēng)由缸蓋下方進(jìn)入冷卻推桿套，此處溫度較低，無(wú)需重點(diǎn)冷卻。另外有23%的流量直接從氣缸蓋上部流入，從噴油器開(kāi)口端進(jìn)入到大氣中，不起冷卻作用。

1.2 氣缸蓋的冷卻問(wèn)題

根據(jù)原機(jī)氣缸蓋內(nèi)部散熱片結(jié)構(gòu)可知，左邊為進(jìn)氣管，冷卻風(fēng)從進(jìn)氣管側(cè)由下至上進(jìn)入氣缸蓋。上方是渦流燃燒室和噴油器，右邊是排氣管，這些地方是需要重點(diǎn)冷卻的部位。原機(jī)氣缸蓋存在的冷卻問(wèn)題有：

1.2.1 鼻梁區(qū)的冷卻

早期的氣缸蓋由于鑄造水平較低，采用壓鑄方法來(lái)保證散熱片的清砂，但這樣會(huì)削弱氣缸蓋的剛度[3]。為防止鼻梁區(qū)開(kāi)裂，幾乎將鼻梁區(qū)堵死，造成鼻梁區(qū)散熱不暢，熱負(fù)荷增大。原機(jī)為加強(qiáng)分體式氣缸蓋，氣缸蓋頂板采用鑄鐵件，鑄鐵的導(dǎo)熱性較差，不利于氣缸蓋頂部的散熱效果，導(dǎo)致熱負(fù)荷增大。

1.2.2 渦流室的冷卻

渦流室是氣缸蓋熱負(fù)荷最大的部位之一，但原機(jī)在渦流室上只有3片很短的散熱片。另外從流場(chǎng)分析結(jié)果來(lái)看有23.4%的流量從最外側(cè)的散熱片上方流經(jīng)噴油器上方的出風(fēng)口直接流出，起不到冷卻作用。

1.2.3 排氣道的冷卻及改進(jìn)

由于散熱片設(shè)置的不合理，冷卻風(fēng)只能從右側(cè)進(jìn)氣道和進(jìn)氣道下方的通道流入鼻梁區(qū)和排氣道，然后從排氣道流出，所以進(jìn)風(fēng)口面積偏小。

2 冷卻系統(tǒng)的改進(jìn)

2.1 冷卻風(fēng)量的重新分配

將導(dǎo)風(fēng)罩底板進(jìn)入氣缸套的出風(fēng)口堵住一半，經(jīng)過(guò)改進(jìn)，流入氣缸蓋的流量為52%，進(jìn)入氣缸套和其它部位的流量為48%。

2.2 鼻梁區(qū)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

采用整體式氣缸蓋結(jié)構(gòu)，可增加氣缸蓋的整體剛度。為了改善鼻梁區(qū)的散熱效果，將兩氣門(mén)之間的金屬去掉，讓更多的冷卻風(fēng)冷卻鼻梁區(qū)。

將進(jìn)風(fēng)口的散熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將更多的冷卻風(fēng)引入鼻梁區(qū)和排氣道，即增大散熱片與氣缸蓋不螺栓搭子之間的間隙，使冷卻風(fēng)的流動(dòng)暢通。

2.3 燃燒室的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在導(dǎo)風(fēng)罩上焊接導(dǎo)風(fēng)板，可更好地冷卻渦流室和噴油器。增大進(jìn)風(fēng)通道截面積，并增大渦流室上的散熱片長(zhǎng)度，改善渦流室的散熱效果。

3 氣缸蓋內(nèi)部流場(chǎng)分析

使用Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格，建立缸蓋有限元模型。使用CFD分析軟件得到改進(jìn)后方案的氣缸蓋內(nèi)部流場(chǎng)示意圖，如圖1所示。與原機(jī)方案相比，改進(jìn)后的氣缸蓋內(nèi)高效散熱區(qū)域的流量都有所增大，進(jìn)、排氣道及鼻梁區(qū)兩側(cè)分別增大69%和27%，鼻梁區(qū)通道增大17.5%。

4 結(jié)論

（1）由于封住無(wú)效或低效冷卻風(fēng)入口，流動(dòng)阻力明顯增大，流入、流出冷卻系統(tǒng)的冷卻風(fēng)流量明顯減小。有流場(chǎng)分析結(jié)果可得，原機(jī)冷卻風(fēng)總流量為0.11925，改進(jìn)后方案為0.110296，減小7.5%。但有效流量增大，流入氣缸蓋關(guān)鍵部位的流量增大。

（2）原機(jī)流入氣缸蓋上部垂直散熱片的總流量為0.05673，占總流量的百分比為47.6%，改進(jìn)后方案的總流量為0.0604，改進(jìn)方案的流入氣缸蓋流量比原機(jī)大7.2%。尤其是氣缸蓋內(nèi)高效散熱區(qū)域的流量都有所增大，進(jìn)、排氣道，鼻梁區(qū)兩側(cè)分別增大69%和27%，鼻梁區(qū)通道增大17.5%。因此改進(jìn)后的氣缸蓋的冷卻可以得到明顯地改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]田吉安，彭瑋等.強(qiáng)制風(fēng)冷柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2013（02）：8-11.

[2]徐剛，姜樹(shù)李等.基于CFD分析的單缸風(fēng)冷柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2011（06）：62-65.

[3]楊建華.小型風(fēng)冷柴油機(jī)設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院院級(jí)基金（C122018028）資助

作者簡(jiǎn)介：徐一心（1987-），女，四川樂(lè)山人，碩士研究生，助教，研究方向：內(nèi)燃機(jī)數(shù)值仿真分析及NVH。