非道路高压共轨柴油机冷却水流动特性分析

发动机的热负荷一般由有较高的金属温度、金属温度梯度等应力应变或损失等相关参数来表示,而冷却的目的是要维持发动机部件的金属温度和温度梯度处于一个合适的水平上。高的热负荷会导致很多耐久性问题,例如气缸盖和排气管内出现裂缝,以及涡轮转子内的损伤,因此对发动机冷却系统提出了高要求。此外随着能源和环境危机的出现,为了满足严格的排放法规和改进发动机的经济性,也对发动机冷却系统提出更高的要求。因此管理热负荷已经成为现代涡轮增压发动机在设计上的一大挑战。为此,论文中以一款非道路高压共轨柴油机冷却系统为研究对象,结合发动机热平衡试验,采用一维与三维联合仿真的方法对发动机冷却系统进行模拟计算分析。(1)通过对发动机进行热平衡台架试验,获取计算模型的边界条件,并验证一维仿真模型的正确性。通过在额定工况和最大扭矩工况下对发动机进行热平衡试验,测量出发动机进出水温度、冷却液流量等,计算出冷却液的热量分配,评估冷却系统匹配的合理性,为整机冷却系统匹配提供设计依据。(2)结合发动机实际工作状态,利用一维软件GT-COOL对发动机冷却系统建立一维模型,分析发动机冷却系统在额定工况点和最大扭矩点处的温度场和流场,与试验进行对比,并分析水泵流量、风扇参数和散热器正面积对发动机进出口温度、温差的影响。(3)通过一维仿真获得边界条件,利用三维软件AVL fire对发动机冷却水套进行温度场、流场和压力场分析,并对发动机冷却水套改进方案提出依据。从CFD结果分析来看,整机水套基本满足冷却要求,冷却水套存在流动不均匀,各缸排气侧出现较小流速,甚至出现漩涡,在机体水套上部形成低速滞止区,发动机缸盖冷却水套第4缸的水套区域的流速较弱。从鼻梁区分析上看,除了第1缸的鼻梁区达到了冷却要求,其他缸的鼻梁区都没有达到冷却效果,且偏低。(4)基于正交设计方法对冷却水套进行优化。利用正交设计法建立冷却水套正交计算方案,得到冷却水套最优结构设计方案。结果表明,最优方案能较好的提高整机的冷却效果,其中,整机水套的平均流速及换热系数比原方案分别提高了13.1%、5.4%;机体水套的平均流速及换热系数分别提高了17.3%、15%；缸盖水套的平均流速及换热系数分别提高了9.5%、12.6%；鼻梁区的平均流速比原方案提高了18%;缸套上表面的平均流速比原方案提高了16.1%。