基于CFD的单缸风冷柴油机气缸盖冷却分析

摘 要：针对某单缸风冷柴油机冷却效果差的问题，提出结构改进设计方案。应用Hypermesh和fluent软件建立有限元模型并进行气缸盖的流场及流量分析。通过对主要改进方案的流场及流量结果对比分析，得到改进后的气缸盖的冷却效果得到明显改善的结论。

关键词：风冷单缸柴油机；冷却效果；流场分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.065

0 引言

某型单缸柴油机为风冷冷却方式，冷却效果较差，其中气缸盖冷却问题较多，尤其是气缸盖的冷却问题较多，所以在标定点的平均有效压力偏低，比油耗偏高。风冷柴油机的冷却可以分成两个问题来进行讨论，即冷却风量的分配和气缸盖的冷却重点[1]。从风冷发动机来看，需要主要冷却的是气缸盖，尤其是涡流柴油机，燃烧室在气缸盖上，需要重点冷却[2]。

1 原机的冷却系统

1.1 冷却风量的分配

由原机冷却系统的内部结构可以看出气缸套的冷却风入口截面远大于气缸盖冷却风的入口截面，且靠近冷却风扇的出风口。通过冷却系统流场分析可知进入气缸套散热片的流量和其它部位的流量占52.5%，进入气缸盖的流量占47.5%。原机的冷却风流量虽然较大，但有近一半的冷却风冷却的部位属无效。在气缸盖上有12%的冷却风由缸盖下方进入冷却推杆套，此处温度较低，无需重点冷却。另外有23%的流量直接从气缸盖上部流入，从喷油器开口端进入到大气中，不起冷却作用。

1.2 气缸盖的冷却问题

根据原机气缸盖内部散热片结构可知，左边为进气管，冷却风从进气管侧由下至上进入气缸盖。上方是涡流燃烧室和喷油器，右边是排气管，这些地方是需要重点冷却的部位。原机气缸盖存在的冷却问题有：

1.2.1 鼻梁区的冷却

早期的气缸盖由于铸造水平较低，采用压铸方法来保证散热片的清砂，但这样会削弱气缸盖的刚度[3]。为防止鼻梁区开裂，几乎将鼻梁区堵死，造成鼻梁区散热不畅，热负荷增大。原机为加强分体式气缸盖，气缸盖顶板采用铸铁件，铸铁的导热性较差，不利于气缸盖顶部的散热效果，导致热负荷增大。

1.2.2 涡流室的冷却

涡流室是气缸盖热负荷最大的部位之一，但原机在涡流室上只有3片很短的散热片。另外从流场分析结果来看有23.4%的流量从最外侧的散热片上方流经喷油器上方的出风口直接流出，起不到冷却作用。

1.2.3 排气道的冷却及改进

由于散热片设置的不合理，冷却风只能从右侧进气道和进气道下方的通道流入鼻梁区和排气道，然后从排气道流出，所以进风口面积偏小。

2 冷却系统的改进

2.1 冷却风量的重新分配

将导风罩底板进入气缸套的出风口堵住一半，经过改进，流入气缸盖的流量为52%，进入气缸套和其它部位的流量为48%。

2.2 鼻梁区的结构改进

采用整体式气缸盖结构，可增加气缸盖的整体刚度。为了改善鼻梁区的散热效果，将两气门之间的金属去掉，让更多的冷却风冷却鼻梁区。

将进风口的散热片结构进行改进，将更多的冷却风引入鼻梁区和排气道，即增大散热片与气缸盖不螺栓搭子之间的间隙，使冷却风的流动畅通。

2.3 燃烧室的结构改进

在导风罩上焊接导风板，可更好地冷却涡流室和喷油器。增大进风通道截面积，并增大涡流室上的散热片长度，改善涡流室的散热效果。

3 气缸盖内部流场分析

使用Hypermesh软件划分网格，建立缸盖有限元模型。使用CFD分析软件得到改进后方案的气缸盖内部流场示意图，如图1所示。与原机方案相比，改进后的气缸盖内高效散热区域的流量都有所增大，进、排气道及鼻梁区两侧分别增大69%和27%，鼻梁区通道增大17.5%。

4 结论

（1）由于封住无效或低效冷却风入口，流动阻力明显增大，流入、流出冷却系统的冷却风流量明显减小。有流场分析结果可得，原机冷却风总流量为0.11925，改进后方案为0.110296，减小7.5%。但有效流量增大，流入气缸盖关键部位的流量增大。

（2）原机流入气缸盖上部垂直散热片的总流量为0.05673，占总流量的百分比为47.6%，改进后方案的总流量为0.0604，改进方案的流入气缸盖流量比原机大7.2%。尤其是气缸盖内高效散热区域的流量都有所增大，进、排气道，鼻梁区两侧分别增大69%和27%，鼻梁区通道增大17.5%。因此改进后的气缸盖的冷却可以得到明显地改善。

参考文献：

[1]田吉安，彭玮等.强制风冷柴油机冷却系统设计[J].内燃机与动力装置，2013（02）：8-11.

[2]徐刚，姜树李等.基于CFD分析的单缸风冷柴油机冷却系统设计与研究[J].小型内燃机与摩托车，2011（06）：62-65.

[3]楊建华.小型风冷柴油机设计[M].机械工业出版社，1991.

成都理工大学工程技术学院院级基金（C122018028）资助

作者简介：徐一心（1987-），女，四川乐山人，硕士研究生，助教，研究方向：内燃机数值仿真分析及NVH。

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