柴油机冷却系统热负荷的优化动力机械0702李团结3070404044摘要在柴油机设计开发过程中，考虑到热负荷高、各缸孔间冷却均匀性差、缸盖鼻梁区出现热裂等现象的出现。本文对整机冷却水流速与换热进行模拟分析，通过模拟计算分析，得出冷却水在缸体进气侧从第一缸向第四缸流动过程中，流速与换热系数明显下降，这将会引起柴油机热负荷高、冷却均匀性差；喷油器和气门周边区域换热系数低，这将会是缸盖鼻梁区热裂的主要成因。针对上述设计开发过程中首先要考虑的潜在影响因素，本文提出了缸体水套设计优化方案、缸盖垫片优化设计方案。本文还分析了降低小缸径风冷柴油机热负荷的必要性。根据风冷柴油机热负荷测试方案，对不同结构气缸盖、气缸套在不同工况下的温度场进行了测试，根据试验结果的分析，提出了降低风冷柴油机热负荷的一般方法。关键词:柴油机；冷却；热负荷；优化设计；温度场水冷柴油机的优化随着能源与环保形势的日趋严峻，提高热效率、减少污染物排放已经成为柴油机设计开发过程中重点需要解决的问题。通过提高最高爆发压力、提高燃油喷射压力、增加尾气后处理等技术手段，都可以满足用户对良好性能、低排放发动机的需求。在车用柴油发动机强化程度提高的同时，燃烧室周围零部件的热负荷随之增大；零部件冷却不充分将导致发动机充量系数下降、燃烧不正常、机油变质、零部件摩擦增加、磨损加剧。其结果，柴油机动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。但是，柴油机过冷，将导致工作粗暴、CO、HC排放增加，热损失和摩擦损失加大，尤其是气缸磨损会成倍增加。基于这些影响，对车用柴油发动机冷却系统设计提出了严格的要求。冷却系统作为发动机不可或缺的一部分，是发动机稳定、可靠运转的基础。冷却系统的主要任务是保证发动机在最适宜的温度状态下工作。为了维护这样的温度状态，冷却系统必须与使用工况的变化相适应。但是，在水泵由曲轴定速比驱动的传统冷却系统中，散热需求与散热能力之间是不协调的。在气温高的条件下低速、大负荷运转时，散热需求大；但由于转速低，水泵的泵水量很小、散热能力小，发动机易于过热。相反，在气温低的条件下高速、小负荷运转时，发动机易于过冷。因此，发动机冷却系统的设计成为设计开发过程中必须要解决的问题。本文针对一台车用柴油发动机冷却系统设计开发过程中，为避免热负荷高、各缸孔间冷却均匀性差、缸盖鼻梁区热裂等潜在问题进行模拟分析，为冷却系统的优化设计提供充分的依据，确保冷却系统的设计开发满足此款柴油机设计目标要求。缸盖水套冷却液分布特点:冷却液经缸垫上水孔流入缸盖水套，由于出口布置在一缸缸盖端部，流入到后一缸的冷却液必定要流经前一缸，最终由出口流出发动机。因此，缸盖水套流速和传热系数从一缸到四缸依次减小，第四缸排气门鼻梁区流速仅为1m/s左右，排气门周围区域小于1m/s，特别是靠近燃烧室的下底面流速小于0。2m/s，传热系数小于4000W/m2·K，这对于高热负荷区域是较难满足要求的。经过水泵离心旋转，冷却液压力升高约64kPa；进入水套后，由于上水孔和出口处阻力较大，压力又下降了约22kPa。㈠原设计方案计算结果分析依据前面的计算分析结果，非常直观地反映出结构设计中的不足之处，为水套的优化设计提供了第一手理论依据。从计算结果上看，这个冷却系统的设计还有多处不够理想的位置，突出需要改进的主要是两个位置：一是缸盖垫片水孔孔径。提出对这个位置的设计改进，主要是基于缸体与缸盖之间换热不均匀及流速考虑。从CFD分析的结果来看，缸体水套的换热系数比缸盖的换热系数要低很多。为平衡缸体与缸盖之间这种不均衡的换热系数，通过改变气缸垫片水孔孔径的方式，以期提高缸体水套的换热系数。缸体第一缸排气侧水套流速低、换热系数小，故适当增加此处的气缸垫片水孔孔径。在缸体的进气侧第三、四缸的流速与换热系数明显偏低，将危及气缸孔的冷却效果；这个趋势主要是由于在第三缸处缸体进入缸盖的水量过大所致，适当减小第三缸气缸盖垫片水孔孔径，以便减小此处流向缸盖的水流速。二是缸体相邻两缸之间的水套尖角。提出这个结构的改进，主要是从改善水流速的角度考虑。在缸体相邻两缸之间位置的水套尖角处水流遇阻力，流速明显下降，降低了此处水套的换热效果。将此尖角改为平缓结构，改善水流在此处的通过能力，提高流速和换热系数。㈡降低热负荷的措施1。降低燃油消耗率首先应通过优化结构设计、实现完整的流体膜润滑、应用减摩材料、提高制造与装配质量等措施，将从活塞顶到功率输出轴端的一系列机械损失降低到最低度，亦即设法将每个运动件的机械摩擦损失降低到最低限度，以获得高的机械效率。然后，在保证充足进气量的前提下，实现喷油规律、喷注特性、空气运动规律、传热规律与燃烧室尺度的最佳匹配；并将工作过程的各个热力参数调整到尽善尽美，以获得尽可能高的指示热效率。从而达到降低燃油消