某4缸乘用车柴油机冷却水套的设计优化

介绍了长城汽车研发的一款高性能"2.0VGT"柴油发动机冷却水套的设计优化过程,该发动机在进行可靠性试验过程中发现缸盖第1缸鼻梁区存在裂纹,导致冷却水渗入燃烧室发生失火。经过CFD模拟分析,采用优化垫片水孔结构,调整水孔上水量,得到优化后方案整体压力场,局部速度、对流传热系数、温度场的分布等均比优化前有明显改善。特别是优化后方案提高了缸盖第1缸鼻梁区(排气道与喷油器之间水路)冷却水的流速,避免了鼻梁区由于热负荷较大而导致的结构断裂问题。     

车用柴油机冷却系统的优化设计

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;通过模拟计算的手段,得出本文提出的冷却系统优化设计方案,通过该方案的实施,有效降低产品设计完成后热负荷高、冷却均匀性差以及缸盖鼻梁区热裂等潜在失效风险。     

车用柴油机冷却系统的优化设计

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;通过模拟计算的手段,得出本文提出的冷却系统优化设计方案,通过该方案的实施,有效降低产品设计完成后热负荷高、冷却均匀性差以及缸盖鼻梁区热裂等潜在失效风险.     

增压汽油机水套流场结构分析及优化

汽油机小型化、增压化增加了整机热负荷强度,对冷却水套的设计提出了更高的要求。在某增压汽油机水套开发过程中,探索了一些新的分析设计思路:从总体估计水套的流动趋势,识别流动关键流动通路;逐个单独连通关键缸垫上水口,通过考察水套流场,观测关键流动通路的流量分配,找出水套流场的规律;根据水套流场的规律,针对性地进行结构优化,调整关键流动通路的流量分配比例,使之趋于更均衡更合理。进行水套工况模拟及缸体缸盖热负荷模拟,通过水套表面HTC分布与缸体缸盖温度分布对比证明了水套优化及分析设计思路的合理性和有效性。     

某四缸发动机缸盖裂纹分析与解决

某发动机经过600 h交变负荷试验后,气缸盖鼻梁区出现裂纹。主要对缸盖的断口、材料、铸造工艺、冷却等4个方面进行分析。经分析发现缸盖产生裂纹的主要原因为铸造工艺问题导致的金相变质和硬度不达标,缸盖内部严重积瘤,从而导致火花塞周围冷却水通道截面减小,缸盖冷却不足,缸盖内部温度偏高,热负荷偏高。通过改进铸造工艺和缸盖水套圆角结构优化,提高了缸盖自身的机械性能和水套的冷却能力,进而使缸盖的抗热负荷能力提高;经过对优化后的缸盖进行试验验证,优化后的缸盖在600 h交变负荷后未出现裂纹,达到了试验需求。     

基于CFD技术的发动机缸垫水孔正向开发

缸垫水孔是发动机水套的重要组成部分,良好的缸垫水孔能够使得水套内水流分布合理,换热均匀。本文介绍了如何在发动机的正向开发中利用CFD手段确定水孔的分布及大小,实现缸垫水孔从无到有的设计、优化过程。     

基于CFD的柴油机冷却水套性能仿真分析优化

为保证柴油机可靠性和耐久性,必须进行有效冷却.冷却水套作为传热过程中的重要结构,直接影响柴油机的冷却效率和高温零部件的热负荷.本文对某四缸柴油机冷却水套进行了计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟,分析了缸体和缸盖的关键区域流场状况,针对冷却液流速偏低的区域进行了优化...     

基于有限元分析的发动机缸盖温度场模拟分析

为获得某天然气发动机比较精确的缸盖温度场,采用边界单向映射的方法将获得的冷却水侧和燃气侧的热边界映射至缸盖固体网格上,根据经验通过赋予机油侧和外围边界处的热边界,建立缸盖计算的有限元模型.对模型进行传热计算,获得该天然气发动机缸盖的最终温度场结果,将计算结果同发动机试验结果对比,最大误差为9.3％,满足工程要求.通过水套CFD分析和缸内流动燃烧分析能较准确地得到缸盖温度场分布,为后续缸盖强度及热疲劳分析提供有效热载荷.     

卧式柴油机冷却水流动特性的影响因素研究

针对卧式柴油机强制冷却闭式循环系统水套结构,试验研究了不同工况下水套入口流量及关键点的温度和压力。采用计算流体动力学(CFD)三维模拟的方法建立了冷却水流动仿真模型,并进行了试验验证。设计了冷却水套结构参数正交方案,通过CFD模拟分析了水泵出水流量、公共水腔截面形状和面积、缸体及缸盖入水孔的设置和分布等水套结构参数对冷却水流动的影响关系。研究结果表明:卧式柴油机缸体入水孔截面积和布置对缸体水套冷却水流动、冷却效果和冷却均匀性有很大的影响;卧式柴油机缸盖入水孔的位置、孔数和截面积等结构参数对缸盖水套的冷却水流动、冷却效果、冷却均匀性及进/排气侧的冷却分布等均有很大的影响。     

某汽油机冷却水套三维CFD分析

鉴于冷却水的流动与传热会直接影响发动机的冷却效率,高温零件的热负荷,整机的热量分配和能量利用,使用计算流体力学(CFD)软件对某汽油机冷却水套进行三维CFD分析,得到了冷却水套内冷却液的流场、换热系数分布、压力损失以及流量分布等信息,计算结果表明:该机冷却水套中流速和换热系数均能满足设计要求;气缸盖3缸冷却效果好于其它两缸。     

某发动机缸盖水套气蚀故障分析

某款发动机在开发初期,道路试验过程中出现排气冒白烟的现象,拆机查看后,认定是冷却液在缸盖内流动分布不合理引起发动机局部过热,进而缸盖局部形成核态沸腾,导致缸盖水套气蚀剥落,发动机冷却水进入燃烧室,出现排气冒白烟.本文针对水套冷却液流动分布不合理这一因素,运用仿真计算预测水套冷却液的流动分布,并为此水套进行优化设计,为问题的解决提供参考依据.     

某发动机冷却水套仿真分析

通过CFD软件对发动机冷却水套进行了三维数值模拟,得到了水套流场的对流换热系数以及总压分布。结果表明,整个水套的总压降保持在一个较好的水平,热负荷较大的区域的对流换热系数均超过推荐值。     

集成排气歧管缸盖的设计与优化

研究集成排气歧管(integrated exhaust manifold,IEM)缸盖的技术特点,对IEM缸盖排气道的结构选型、水套流场分布及结构优化、排气道热应力分析及结构优化、排气系统和冷却系统的热管理优化以及IEM缸盖与发动机在排放与暖风性能上的优化匹配等进行系统的分析,制定IEM缸盖的设计和结构优化措施。试验表明,优化后的缸盖热负荷明显降低,排放、冷起动阶段暖风性能得到改善。     

缸盖水套开裂分析及优化

针对某型增压柴油机缸盖水套开裂问题,通过断口、能谱、金相分析以及常规机械性能测试,结合失效区域的工作条件,得出疲劳开裂为热负荷与机械负荷共同作用导致的结论。在此基础上提出了改善水套流量分布,增加楔形加强筋的改进方案。有限元分析表明:改进后的缸盖疲劳安全系数提高了10%。优化后的缸盖已成功应用于该型国四、国五发动机上。     

基于热流固直接耦合法的柴油机冷却水腔结构优化分析

针对495ZLQ柴油机原冷却水腔结构存在机体水腔周向流动不善,缸盖水腔后部及底部存在低流速区的问题,提出了三套改进优化方案。采用热流固直接耦合法分别建立机体-缸盖-缸套-缸垫-冷却水腔的整机流-固耦合传热模型,利用自适应网格划分技术进行网格划分,进行了不同柴油机工况下的数值模拟计算。研究结果表明:在不同工况下,方案3为最优方案;对于机体冷却水腔,采用双侧进水使得优化后的机体第一、第二缸排气侧冷却水流量比原机增大了约2.5倍,改善了机体水腔内冷却液的周向流动,降低了缸套内表面进排气侧的周向温差;对于缸盖,降低主喷孔高度及设计引流帽结构可以提高缸盖鼻梁区冷却液的流速,从而改善该处的热负荷状况。     

发动机冷却水套设计方案的比较分析

根据某汽油发动机开发的需要,对机体-气缸盖水套结构进行了优化设计,以保证整机的冷却要求.利用商业CFD软件对初始冷却水套设计方案进行计算,并对计算结果进行分析,指出流场存在的问题.根据分析提出三种优化方案,随后对优化方案进行计算、比较,确定了最后的水套结构.从优化结果可以看出,导流凸台和导流筋在水套结构优化的过程中起着重要的作用.     

基于沸腾模型的内燃机缸盖多场耦合传热

通过车用天然气发动机,建立了包括冷却水腔内流动沸腾传热、气缸盖内固体导热及缸内进排气燃烧在内的多场耦合仿真系统.采用直接耦合算法进行气缸盖固体区域与冷却水腔流体区域流固耦合仿真,采用顺序映射的方式进行缸内燃气区域与流固区域多场耦合仿真.通过CFD软件中UDF功能嵌入合适的单相沸腾传热模型对缸盖水腔内传热进行分析计算,并在此基础上结合试验测量结果,对比分析发动机在不同冷却水温度与不同冷却系统压力下缸盖温度场变化趋势.研究表明:多场耦合仿真系统可以解决缸盖传热边界不易给定的难题,能够更真实准确地描述出缸盖复杂传热过程,且考虑沸腾传热因素后有助于提高在不同冷却条件下缸盖热关键区域温度场的计算精度.     

发动机缸盖耦合热应力分析

为了解双火花塞缸盖的热强度是否满足要求,对单火花塞和双火花塞缸盖进行了热应力分析。建立了缸盖热负荷分析模型,采用k-ε湍流模型分析了水套与缸盖的时流换热情况;通过热力学模拟并结合试验确定了燃烧室壁面和气道的传热边界条件;将CFD计算出的对流边界条件影射至缸盖表面,建立缸盖热应力分析的边界条件。求解了两个方案缸盖的温度场和热应力,结果显示双火花塞缸盖的热强度满足设计要求。     

单缸柴油机缸盖水套散热的模拟研究

对单缸59 kW柴油机缸盖水套的散热进行了数值模拟,介绍了柴油机冷却水套CFD仿真流程,对影响缸盖散热的重点区域进行了分析,探讨了影响缸盖散热的因素,对结果进行分析评价。     

某增压发动机缸盖热机疲劳分析

我们针对增压发动机的缸盖热机疲劳破坏问题进行了系统模拟分析,通过对发动机全负荷-部分负荷-怠速工况的循环加载,系统地研究了缸盖在交变循环热载荷下的抗疲劳特性,并得出主要结论。首先位于缸盖水套内进排气气门之间的冷却液易产生泡核沸腾现象,影响缸盖该区域结构的散热性能;其次缸盖水套内进气气门倒角区域的疲劳安全系数低于设计限值,易产生疲劳裂纹,建议增大该区域倒角半径,同时增加该区域水套壁厚;最后缸盖上电热塞位置的累积塑性应变值最大,达到0.73%,但仍低于1%的安全限值。