CN102865152B - 一种用于多缸发动机冷却水套的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于多缸发动机冷却水套的优化设计方法，可以实现多缸发动机各缸缸盖的均匀冷却。包括如下步骤：首先引入等效流阻的概念，根据冷却液的流向，建立多缸发动机冷却水套总入口和总出口间的流阻图；然后，进行流阻分析，即利用试验手段或仿真工具得到的各缸缸盖冷却液流量作为已知条件，对流阻图中总入口和总出口之间的各冷却液回路建立关于压差、流量以及流阻的方程，可以得到缸体、上水孔、缸盖、回水管等部件对应流阻之间的关系；最后以各缸缸盖冷却液流量相同为优化目标，综合考虑加工工艺和加工成本的限制，优化设计各缸缸盖的上水孔尺寸，以灵活调整各缸缸盖的冷却液流量分配，从而实现多缸发动机各缸缸盖的均匀冷却。

Description

一种用于多缸发动机冷却水套的优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种用于多缸发动机冷却水套的优化设计方法，可以实现多缸发动机各缸缸盖的均匀冷却。

背景技术

发动机冷却系统的作用是将发动机受热部分的多余热量吸收并散发出去，保证发动机所有部件正常稳定的工作。冷却不足、冷却过度都会对发动机的可靠性和使用寿命造成一定的影响，导致其工作性能下降，严重时甚至不能正常工作。

特别是高强化多缸发动机，对冷却系统的性能提出了更加严格的要求，各缸的冷却均匀性直接影响发动机的整体性能。因此，冷却系统的设计一直以来是发动机设计开发中的重要环节。

冷却水套内的冷却液分布规律直接影响发动机的零件的热负荷、冷却效率以及整机的热量利用和分配。目前，在多缸发动机冷却水套的设计研究中，主要有实机试验和仿真分析两种研究手段。

实机试验是最接近实际情况的试验方法，不过由于周期长、成本高、难以在冷却水套内部布置温度和压力传感器等条件限制，无法得到广泛应用。

仿真分析（CFD）的手段，具有设计成本低、周期短、信息量大等优点，可以在试验条件受限的情况下进行性能预测，随着目前CFD技术水平的快速发展，利用仿真手段研究发动机冷却水套的性能成为可能。然而，针对多缸发动机各缸冷却不均匀的现象，工程中往往需要对其冷却水套进行优化设计，如果只是单纯地应用仿真工具，需要不断试算，不仅工作量大，而且结果也会和优化目标产生一定偏差。

本发明为解决上述问题，提出了一种行之有效的用于多缸发动机冷却水套的优化设计方法，具有成本低、周期短、适用范围广等优势，可以为多缸发动机各缸缸盖的均匀冷却提供方向和理论指导，具有重大的实用价值。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于多缸发动机冷却水套的优化设计方法，可以实现多缸发动机各缸缸盖的均匀冷却，以改进多缸发动机的整体冷却效果。

为了实现本发明的目的，提出了一种用于多缸发动机冷却水套的优化设计方法。包括如下步骤：首先以节流式流量计的计量原理为依据，引入等效流阻的概念，并将流量等效为电流，将压差的开方等效为电压，将冷却液流经的多缸发动机冷却水套的各部件，包括各缸缸体水套、上水孔、缸盖水套、回水管等，等效为电阻，根据冷却液的流向，建立多缸发动机冷却水套总入口和总出口之间的类比电路图，称之为流阻图；然后对流阻图进行流阻分析，同时综合考虑加工工艺和加工成本的限制，优化设计各缸缸盖的上水孔尺寸，以灵活调整各缸缸盖的冷却液流量分配，从而实现多缸发动机各缸缸盖的均匀冷却。

所述流阻分析的方法，是利用试验手段或仿真工具得到的各缸缸盖冷却液流量，使其作为已知条件，通过对流阻图中总入口和总出口之间的各冷却液回路建立关于压差、流量以及流阻的方程。对于每个回路，总入口和总出口之间的压差是相同的，由此可以得到缸体、上水孔、缸盖、回水管等部件对应流阻的关系；并以各缸缸盖冷却液流量相同为优化目标，对缸体、上水孔、缸盖、回水管等部件进行优化设计，实现各缸缸盖冷却液流量的均匀分配。

本发明提出的用于多缸发动机冷却水套的优化设计方法，成本低、周期短、可以以最小的工作量实现最精确的调整。其只需要基于试验手段或仿真工具得到的各缸缸盖冷却液流量，即可对流阻图进行流阻分析，进而精确求解具体的上水孔优化尺寸。

本发明提出的用于多缸发动机冷却水套的优化设计方法，具有广泛的适用范围，适用于不同结构的多缸发动机冷却水套的优化设计。对于具有不同结构的多缸发动机，其冷却液的分配形式会有所不同，从而建立的流阻图也不尽相同。然而，也可以依据本设计方法按照工程实际中的发动机结构和冷却液流向建立相应的流阻图，完成冷却水套结构的优化设计。

附图说明

图1为n缸发动机冷却水套内冷却液流动的等效流阻图。

图2为冷却水套整体结构图。

图3为冷却水套左视图。

图4为冷却水套排气侧视图。

图5为六缸发动机冷却水套内冷却液流动的等效流阻图。

图6为上水孔和缸盖几何模型。

图7为相对流阻和上水孔直径的关系曲线图。

图8为改进前后各缸盖分配的冷却液流量占总流量百分比的对比图。

图9为改进前缸盖底平面速度场分布图。

图10为改进后缸盖底平面速度场分布图。

图11为改进前后缸盖鼻梁区冷却液平均速度分布对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

假设某n缸发动机采用一缸一盖式、缸体水套串联、缸盖水套并联的冷却液分配方式。即冷却液先从第一缸入水口进入，大部分冷却液依次流入各缸体水套（缸体水套之间由两侧的连通孔连接），同时一部分冷却液通过缸盖上水孔独立进入各缸盖水套，流经缸盖水套后全部汇入回水总管，回水总管出水口位于自由端。

首先，根据节流式流量计的计量原理推导流量和压差的关系。

节流式流量计的流量由[数学式1]计算：

[数学式1]

$Q=K\sqrt{\left(\frac{p_1-p_2}{\mathrm{\ρ}\·g}\right)+(z_1-z_2)}$

式中，Q表示流量，K表示流量系数，是与工作介质的粘性以及流道几何结构有关的常数，p₁、p₂分别表示入口截面和出口截面的压力，z₁、z₂分别表示入口截面和出口截面的高度。

对于每缸缸盖水套，取入水截面和出水截面在同一高度，可以得到流量和入、出口截面间压差的关系，如[数学式2]：

[数学式2]

$Q_i=K^{\′}\·\sqrt{{\mathrm{\Δp}}_i}$

式中，Q_i表示第i缸缸盖分配的冷却液流量，Δp_i表示第i缸缸盖入口截面和出口截面间的压力损失。K′是与流道几何结构有关的常数。

由此可知，若将流经各缸缸体水套、上水孔、缸盖水套以及回水管的冷却液流量看作电流，压力损失的开方看作电压，则每一部分可看作电阻，且阻值只和几何结构有关。如[数学式3]：

[数学式3]

$Q_i=\sqrt{{\mathrm{\Δp}}_i}{/R}_i$

由此得到水套内冷却液流动的等效流阻图，如图1所示。

图中，a为总入水口；b为总出水口；R_缸体、R_上水孔、R_缸盖以及R_回水管分别代表缸体水套、上水孔、缸盖水套以及回水管的流阻，且各缸的缸体水套、上水孔、缸盖水套、回水管的流阻都对应相等；（1）~（n）表示各冷却液回路。

其次，对于图1中总入口和总出口之间的每个回路，都可以建立关于压力损失、流量和流阻的相关方程。

例如，对于任意第i（i=1,2,…,n-1,n）回路，均需满足[数学式4]：

[数学式4]

Δp=Δp_缸体+Δp_{(上水孔+缸盖)}+Δp_回水管

式中，Δp表示冷却水套总入口和总出口间的压力损失，Δp_缸体表示冷却液流经缸体水套的压力损失，由[数学式5]计算；Δp_{（上水孔+缸盖)}表示冷却液流经上水孔和缸盖水套的压力损失，由[数学式6]计算；Δp_回水管表示冷却液流经回水管的压力损失，由[数学式7]计算。

[数学式5]

[数学式6]

Δp_{（上水孔+缸盖）}={Q_i·（R_上水孔+R_缸盖）}²

[数学式7]

式中，Q_i、Q_j分别表示第i缸、j缸的缸盖分配的冷却液流量，Q表示进入冷却水套的入口总流量。

将对原模型进行仿真计算得到的各缸缸盖冷却液流量分别代入到[数学式5]、[数学式6]、[数学式7]所示的方程中，得到各部件的压力损失。然后将其代入[数学式4]中，建立各回路的压力损失方程，由此可以建立方程组。由于每个回路总入口和总出口之间的压力损失Δp是相同的，对每两个方程联立求解，均可得到形如[数学式8]的关系式。

[数学式8]

然后，提出优化目标并对其进行求解。

若想使各缸缸盖的流量分配均匀一致，则必须满足优化目标，如[数学式9]：

[数学式9]

Q₁=Q₂=……=Q_n-1=Q_n=Q/n

将[数学式9]对应的各缸缸盖流量代入到[数学式4]所示的回路方程中，可以得到优化目标对应的各缸流阻值，如[数学式10]：

[数学式10]

工程中，尽可能以最少的结构改动达到优化目标。因此，保持第n缸流阻不变。

将[数学式10]及[数学式8]联立，依次求解即可得到优化目标对应的各缸上水孔和缸盖水套的相对流阻值。

最后综合考虑加工工艺和加工成本的限制，提出可以通过改变各缸上水孔尺寸改变相应的流阻，从而可灵活调整各缸缸盖的冷却液流量分配。具体可根据实际发动机冷却水套的结构确定多缸发动机各缸的最佳上水孔尺寸使其达到目标流阻值，从而实现多缸发动机各缸缸盖的均匀冷却。

具体实施例

结合上述设计步骤及公式，对某型六缸发动机冷却水套进行优化设计。该柴油机冷却水套结构如图2、图3、图4所示。

其中，1-总入水口；2-总出水口；3-进气侧；4-排气侧；5-第1缸；6-第2缸；7-第3缸；8-第4缸；9-第5缸；10-第6缸；11-上水孔；12-缸间连通孔；

流阻图如图5所示。

通过将对原模型进行仿真计算，得到各缸缸盖冷却液流量及其分别占总流量的百分比：Q₁＝0.250Q、Q₂=0.186Q、Q₃=0.162Q、Q₄=0.143Q、Q₅=0.131Q、Q₆=0.128Q。分别代入到[数学式4]所示的回路方程中，可以建立方程组。每两个方程联立求解，可得到[数学式11]：

[数学式11]

若想使各缸缸盖的流量分配均匀一致，则必须满足优化目标，如[数学式12]：

[数学式12]

Q₁=Q₂=Q₃=Q₄=Q₅=Q₆=Q/6

将[数学式12]对应的各缸缸盖流量代入到[数学式4]所示的回路方程中，可以得到优化目标对应的各缸流阻值，如[数学式13]：

[数学式13]

工程中，尽可能以最少的结构改动达到优化目标。因此，保持第6缸流阻不变。

将[数学式13]及[数学式11]联立，依次求解即可得到优化目标对应的各缸上水孔和缸盖水套的相对流阻值，即1缸到6缸，上水孔和缸盖水套的相对流阻依次为1.822、1.505、1.261、1.100、1.021、1.000。

为了得到上水孔尺寸变化对流阻变化的影响规律，选取图6所示的上水孔和缸盖模型进行CFD计算。

其中，13-入水口；14-上水口；15-缸盖；16-出水口

并拟合出相对流阻和上水孔相对直径的关系曲线，见图7。由此可以得到优化目标对应的各缸缸盖上水孔相对直径，从1缸到6缸依次为0.70、0.78、0.86、0.92、0.96、1.00。

图8为优化改进前后，各缸盖分配的冷却液流量占总流量百分比的对比图。改进前各缸盖冷却液流量占总流量的百分比分别为25%、18.6%、16.2%、14.3%、13.1%、12.8%，最大偏差为12.2%，改进后分别为17.5%、17%、17%、16.5%、16%、15.9%，最大偏差降为1.6%，完全满足工程需求。可见，采用改变各缸的上水孔尺寸达到流阻平衡的方法，对冷却水套进行结构改进后各缸盖冷却液流量分配不均匀性得到大幅改善。

图9为改进前缸盖底平面速度场分布图，图10为改进后缸盖底平面速度场分布图。由计算结果可知，缸盖底平面的平均流速由0.95m/s提高到1.01m/s，相对改进前有一定的提升，且各缸冷却液流速相对更均匀。

图11为改进前后缸盖鼻梁区冷却液平均速度分布对比图。可见，与各缸缸盖分配的流量分布相似，改进后，各缸鼻梁区冷却液速度分布变得非常均匀。

以上结果表明，经过优化设计后，该发动机各缸缸盖水套流量分配十分均匀，冷却效果得到显著改善，因此通过上述实例表明该优化设计方法具有较强的实用性。

尽管结合上述实施例来描述了本发明，但是应该知道，本发明不局限于所公开的用于六缸发动机冷却水套的优化设计方法例，还可以覆盖各种改进和落入本发明要求保护的精神实质和范围内的等同方法。

Claims (1)

1.一种用于多缸发动机冷却水套的优化设计方法，可以实现多缸发动机各缸缸盖的均匀冷却，其特征在于：

利用试验手段或仿真工具得到各缸缸盖冷却液流量，使其作为已知条件，并以各缸缸盖冷却液流量相同为优化目标，以节流式流量计的计量原理为依据，并将流量等效为电流，将压差的开方等效为电压，将冷却液流经的多缸发动机冷却水套的各部件，等效为电阻，根据冷却液的流向，建立多缸发动机冷却水套总入口和总出口之间的类比电路图，同时综合考虑加工工艺和加工成本的限制，优化设计各缸缸盖的上水孔尺寸，以灵活调整各缸缸盖的冷却液流量分配，从而实现多缸发动机各缸缸盖的均匀冷却。