图1  水套模型

利用CFD计算软件对某型号发动机水套进行模拟计算，发现水套结构设计中存在冷却不良的区域。根据计算结果提出整改方案，并对整改后模型进行分析，通过增加缸垫改善了原水套换热薄弱部位，有效提高了水套的换热性能。

发动机具有良好的冷却性能可有效降低发动机的燃油消耗率，提升发动机的经济性，促进其正常平稳地运行。发动机冷却不良会引起拉缸和活塞烧蚀等问题。因此，发动机的冷却问题一直是发动机研发人员关注的重点。

发动机冷却主要通过三种方式来实现：发动机热辐射；发动机本体的导热；发动机水套内部冷却液的对流换热。其中，绝大部分热量通过冷却液带走，因此在解决发动机冷却问题时，重点关注发动机水套的冷却。本文针对公司某型发动机水套进行分析，评估水套的换热性能。

图2  计算模型

数值仿真

1. 水套模型及网格划分

根据设计思想，该发动机水套为4缸机水套，设有一个冷却液进口和一个冷却液出口，计算模型如图1所示。

通过Hypermesh前处理软件对模型进行前处理，并进行面网格划分。表面网格划分完毕，利用Star-CD软件对模型进行三维网格的划分，网格尺寸绝大部分为1～2mm。其中，缸垫部分因模型较小进行细化，网格尺寸为0.5mm，网格总数约为105万计算模型，如图2所示。

图3  缸体水套压力分布

2. 计算评估

发动机水套冷却过程中，在冷却液种类确定的前提下，冷却液的流量、温度和流速等均对水套的换热性能有十分重要的影响。但当发动机水泵及整车匹配确定时，水套内部冷却液的流速成为影响发动机冷却的主要因素。根据传热学的思想，相同条件下强制对流换热的效果明显高于自然对流换热，冷却液与缸体的热交换属于强制对流换热，冷却液流速越高对流换热强度越大。因此，水套的设计结构应有利于冷却液的流动，减少不必要的压力损失。由此得出，基于流速换热的评价标准，当冷却液采用水时，缸体火力岸面换热系数应达到5700W/m2左右，缸盖鼻梁区换热系数需达14000W/m2左右。满足以上条件时，说明水套的结构设计可以满足发动机的冷却需求。

图4  水套整体换热系数

3. 边界条件

首先采用一维计算软件模拟整车冷却系统，确定发动机额定转速时冷却系统冷却液的流量和冷却液的进口压力。本次计算具体边界条件为：进口冷却液类型：纯水，冷却液温度：368 K，密度：962kg/m3，粘度：0.0003kg/m·s，比热容：4 181.72K/kg·K，流量：144L/min，入口压力：0.275MPa，缸壁温度：453K，出口Flow Split设为1。

计算结果

1. 水套压力分布结果

从压力场分布来看，缸体水套因设计流畅，冷却液流动顺畅未出现压力损失明显的区域，但是缸盖水套因结构复杂，压力损失明显，各部分压力如阶梯式分布，如图3所示。

图5  缸体水套换热系数

经计算，该水套进出口最大压力损失约0.11MPa。主要是冷却液从缸体流向缸盖压力损失较大。同时缸盖水套前后端压力损失也达0.04MPa左右，该水套在同类型的机型中压力损失较大。主要原因在于，该水套在设计中缸垫设计很小，缸体与缸盖水孔间形成一个类似缩放管喉部形态使压力损失较大；缸盖设计较为复杂，导致冷却液在缸盖水套区域损失较大。

图6  排气侧二缸速度

2. 水套换热系数计算结果

从图4中的计算结果可以看出，整个水套中未出现换热系数恶化区域。其中，水套进气侧换热系数明显高于排气侧，主要原因是，排气侧缸垫少于进气侧，大部分冷却液通过进气侧缸垫进入缸盖，且冷却液进口在进气侧，冷却液流速高于排气侧，从而使进气侧的换热效果优于排气侧。

从图5中可以看出，缸体火力岸面大部分区域能够满足换热系数5700W/m2·K左右的要求，但是在一缸和二缸相邻区域，火力岸面存在小于换热系数要求的区域。

根据分析认为，造成该部位换热系数低的主要原因是：水套排气侧一缸和二缸相邻区域只有一个缸垫出水口，导致流经该区域的冷却液流量减少，冷却液少且流速慢则冷却液的扰动小，从而使该区域换热系数偏小，如图6所示。

图7  缸盖换热系数

水套缸盖重点关注区域为鼻梁区，因为该部位在整个缸盖中是温度最高的区域，如果此部位能满足要求，则缸盖基本可以满足换热要求。从图7中来看整个缸盖换热系数较高，可以满足换热系数14000W/m2·K的要求。

计算结果表明：该水套主要在缸体排气侧二缸处存在换热不良的状况，分析原因主要是该部位冷却液流动缓慢造成的，分析认为需要在该区域增加缸垫，如图8所示。

图8  增加缸垫部位

按照整改方案增加缸垫后，该部位的换热系数得到了明显的改善（见图9），同时，整改方案并未对整体水套其他部位的换热造成不良影响，说明了整改方案的有效可行。

图9  整改后缸体换热系数

结语

原设计方案存在缸体水套火力岸面换热不强的缺陷，优化设计后提升了该部位冷却液的流动，增强了火力岸面的换热强度，有效地改善了水套的换热性能，避免了因冷却不良可能造成的损失。

在发动机水套设计中，CFD模拟技术可指导水套的结构设计，并对设计问题进行优化。