冷却液流动均匀性对缸套热变形的影响研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.01.005

摘要/Abstract

摘要：

对某一高压共轨柴油机的冷却液流动特性和缸盖、缸套关键点温度进行了台架测试，为热分析提供边界条件；建立了缸盖-缸套-冷却水-机体流固耦合模型，应用流-固耦合传热方法，研究了冷却液流动均匀性对缸套热变形的影响，并优化了机体分水孔和缸盖上水孔的流动特性。结果表明：优化后的水套，各缸冷却不均匀性系数平均减小了9.78%；缸盖水套最高温度下降了8.64%，缸套最高温度下降了2.03%，缸套热变形最大值减小了1.10%。

关键词: 缸套, 流固耦合, 温度分布, 热变形

Abstract:

The coolant flow characteristics and the temperatures of the key locations of cylinder head and cylinder liner in a high?pressure common rail diesel engine are measured on test bench to provide the boundary conditions for thermal analysis. The fluid?solid coupling model for cylinder head， cylinder liners， coolant and cylinder block is established and the effects of coolant flow uniformity on thermal deformation of cylinder liner are studied by applying fluid?solid coupling heat transfer method， with the coolant flow characteristics in the water distribution holes of cylinder block and in the water holes of cylinder head are optimized. The results show that the cooling unevenness coefficient in optimized water jacket is reduced by 9.78% on average， the highest temperature of the water jacket in cylinder head and cylinder liner is lowered by 8.64% and 2.03% respectively， and the maximum thermal deformation of cylinder liner is decreased by 1.10%.

Key words: cylinder liner, fluid?solid coupling, temperature distribution, thermal deformation

毕玉华,陈思吉,姚国仲,陈美园,申立中,夏开略. 冷却液流动均匀性对缸套热变形的影响研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(1): 34-43.

Yuhua Bi,Siji Chen,Guozhong Yao,Meiyuan Chen,Lizhong Shen,Kailue Xia. Study on the Influence of Coolant Flow Uniformity on the Thermal Deformation of Cylinder Liner[J]. Automotive Engineering, 2021, 43(1): 34-43.

图/表 25

表1

图 1

图 2

表2

图 3

图 4

表3

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

表4

图 14

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

参考文献 22

1	毕玉华，向熔，雷基林，等. 增压中冷柴油机缸套热态变形研究［J］. 农业工程学报，2014，30（7）：34-41， 293.
	BI Yuhua， XIANG Rong， LEI Jilin， et al. Study on cylinder liner hot deformation of turbocharged inter-cooled diesel engine［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2014， 30（7）： 34-41.
2	陆炜. 发动机冷却水套耦合仿真方法研究［D］. 长春：吉林大学，2012.
	LU Wei. Research of coupled simulation method of engine cooling water jacket［D］. Changchun： Jilin University， 2012.
3	MANAV D，ERPOLAT S，OZDEMIR K. Effect of design modifications of intra-bore region on engine block bore distortion［C］. SAE Paper 2010-01-1524.
4	吴安民，徐庚山，王传娟，等. 基于流固耦合的柴油机缸盖缸套温度场模拟分析［J］. 内燃机，2020（1）：27-30.
	WU Anmin， XU Gengshan， WANG Chuanjuan， et al. Simulation study on temperature field of cylinder head and cylinder liner based on fluid-solid coupling model［J］. Internal Combustion Engines， 2020（1）： 27-30.
5	陈思南，薛冬新，周禛，等. 某16缸中速柴油机冷却水系统分析与优化［J］. 内燃机工程，2015，36（4）：133-139.
	CHEN Sinan， XUE Dongxin， ZHOU Zhen， et al. Analysis and optimization of the cooling system of a 16-cylinder medium speed diesel engine［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2015， 36（4）： 133-139.
6	陈美园. 增压中冷柴油机热负荷分析［D］. 昆明：昆明理工大学，2013.
7	DHAR A，AGARWAL A K，SAXENA V. Measurement of lubrica-ting oil film thickness between piston ring -liner interface in an engine simulator［C］. The Automotive Research Association of India， 2008.
8	YANG Z，LI B，YU T. Distortion optimization of engine cylinder liner using spectrum characterization and parametric analysis［J］. Mathematical Problems in Engineering， 2016， 2016： 1-11.
9	董洪全，冯慧华. 活塞组件耦合作用下的气缸套变形特征分析［J］. 车用发动机，2017（2）：35-40.
	DONG Hongquan， FENG Huihua. Analysis of cylinder liner deformation characteristics under piston assembly coupling interaction［J］. Vehicle Engine， 2017（2）： 35-40.
10	吴礼民，姚国仲，毕玉华，等. 基于多场耦合的柴油机缸套变形分析［J］. 机械强度，2018，40（6）：1443-1450.
	WU Limin， YAO Guozhong， BI Yuhua， et al. Analysis of diesel engine cylinder liner deformation based on the multl-field coupling method［J］. Journal of Mechanical Strength， 2018， 40（6）： 1443-1450.
11	汪啸寒，王洪荣. 基于数据库的某农用柴油机冷却水套CFD分析及优化［J］. 汽车工程学报，2016，6（2）：125-130.
	WANG Xiaohan， WANG Hongrong. CFD analysis and optimization of a certain diesel engine cooling jacket based on benchmarking database［J］. Chinese Journal of Automotive Engineering， 2016， 6（2）： 125-130.
12	裴梅香，刘斐，金则兵，等. 应用CFD技术对汽油发动机冷却水套进行优化设计［J］. 上海汽车，2012（6）：16-21.
13	陈卓如. 工程流体力学［M］. 2版. 北京：高等教育出版社，2004.
14	骆清国，刘红彬，龚正波，等. 柴油机气缸盖流固耦合传热分析研究［J］. 兵工学报，2008，29（7）：769-773.
	LUO Qingguo， LIU Hongbin， GONG Zhengbo， et al. Study on the fluid-solid coupled heat transfer of the diesel engine cylinder head［J］. Acta Armamentarii， 2008， 29（7）： 769-773.
15	毕玉华. 柴油机缸套力学特性及变形研究［D］. 昆明：昆明理工大学，2012.
16	陈红岩，李婷. 柴油机活塞-缸套-冷却水系统固流耦合传热研究［J］. 农业机械学报，2006，37（5）：38-40.
	CHEN Hongyan， LI Ting. Diesel engine piston-liner-coolant system fluid-solid coupling heat transfer［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2006， 37（5）： 38-40.
17	MIKAMI S，OGINO K，SORAZAWA M. Development of evalua-tion method for low-cycle fatigue breakdown on HSDI diesel cylinder head［C］. SAE Paper 2010-01-0695.
18	BOHAC S V，BAKER D M，ASSANIS D N. A global model for steady state and transient S. I. engine heat transfer studies［C］. SAE Paper960073.
19	闻邦椿. 机械设计手册［M］. 北京：机械工业出版社，2010.
20	毕玉华，向熔，雷基林，等. 不同载荷对柴油机缸套变形的影响研究［J］. 内燃机工程，2015，36（5）：130-139.
	BI Yuhua， XIANG Rong， LEI Jilin， et al. Study on deformation of diesel engine cylinder liner under different loads［J］. Chinese Internal Combustion Engine Engineering， 2015， 36（5）： 130-139.
21	OKUMURA K. CFD simulation by automatically generated tetrahedral and prismatic cells for engine intake duct and coolant flow in three days［C］. SAE Paper 2000-01-0294.
22	李丽婷，范凯，焦亚飞，等. 船用柴油机多缸流动不均匀性的数值模拟与优化［J］. 柴油机，2017，39（5）：28-32.
	LI Liting， FAN Kai， JIAO Yafei， et al. Numerical simulation and design optimization of multi-cylinder flow non-uniformity in marine diesel engines［J］. Diesel Engine， 2017， 39（5）： 28-32.

型式	直列、水冷、四冲程
缸径/mm	105
行程/mm	115
排量/L	3.87
进气方式	增压中冷式
冷却方式	强制液冷
标定功率/kW	90
转速/(r·min^-1)	2 800
最大转矩/(N·m)	385
转速/(r·min^-1)	1 600~2 000

名称	气缸盖	机体	气缸垫	气缸套	螺栓
材料	HT250	HT250		钒钛铸铁	40Cr
密度/ (kg·m^-3)	7 800	7 800	7 350	7 820	7 850
弹性模量/ MPa	1.3×10⁵	1.3×10⁵	1.34×10⁵	1.96×10⁵	2.1×10⁵
线膨胀系数/K^-1	1.08×10^-5	1.08×10^-5	1.21×10^-5	1.32×10^-5	1.11×10^-5
导热率/(W· (m·K)^-1)	50	50	58	48	30
比热容/(J· (kg·K)^-1)	5.4×10¹¹	5.4×10¹¹	3.9×10¹¹	4.7×10¹¹	5.8×10¹¹
泊松比	0.27	0.27	0.3	0.3	0.3

水平	布水道侧机体分水孔孔径X/mm	布水道缸盖上水孔孔径Y/mm	进气侧缸盖上水孔孔径Z/mm
1	B孔:12	2孔:8	1孔:8
	C孔:12	4孔:8	3孔:8
	D孔:16	6孔:10	5孔:8
	E孔:14	8孔:8	7孔:8
			9孔:8
2	B孔:16	2孔:12	1孔:10
	C孔:16	4孔:12	3孔:10
	D孔:16	6孔:12	5孔:10
	E孔:16	8孔:12	7孔:10
			9孔:14
3	B孔:16	2孔:10	1孔:6
	C孔:16	4孔:10	3孔:10
	D孔:20	6孔:10	5孔:10
	E孔:16	8孔:10	7孔:8
			9孔:6

[1]	张琳,蒙华,冯宇,赵晓龙,魏超,严运兵. 高速湿式离合器摩擦片表面微织构优化设计[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 320-328.
[2]	童芳,李雄,兰凤崇,陈吉清. 车辆乘员主动脉钝性损伤仿真分析[J]. 汽车工程, 2022, 44(6): 878-885.
[3]	张琳, 魏超, 胡纪滨. 高速多片湿式离合器低带排转矩参数优化设计^*[J]. 汽车工程, 2020, 42(8): 1074-1081.
[4]	薛殿伦, 周家豪. AT整体式电液模块先导电磁阀阀芯摩擦力分析^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(1): 64-68.
[5]	周胜,付海明. 乘员表面温度分布和乘员舱热舒适性的模拟[J]. 汽车工程, 2018, 40(7): 826-.