二冲程汽油机风冷系统的仿真分析与实验研究.pdf

二冲程汽油机风冷系统的仿真分析与实验研究解 鹏 秦 飞 梁洪波基金项目:安徽省高校自然科学重大项目(编号)和安徽省高等学校质量工程项目(编号)的成果之一收稿日期:作者简介:解鹏()安徽肥西人 硕士 讲师 研究方向:内燃机排放和对流传热分析(安徽交通职业技术学院 安徽安徽省汽车工业学校 安徽合肥)摘要:文章以某国产风冷汽油发动机为研究对象 对其冷却系统进行三维结构的建模以及空气流场的分析 利用 软件中 模块进行流场仿真 得出该机型的系统的速度与压力场 对于其中存在的问题提出优化的方案 同时进行冷却系统方案验证 通过两次对系统结构上的优化 合理改进了气流不同位置的流体面积 使得气缸盖与气缸体的冷却气流流场合理分布 通过结构上如缸盖间隙、导流板增设以及角度、蜗壳处挡板的改进 优化了散热片的冷却风道 从而强化了燃烧室的冷却 使得整机的冷却性能得到提升 从而降低机体运行温度、减小运行热负荷 使得发动机进气的加热量明显降低 整机实验结果表明 经二次优化后发动机动力性和燃油经济性得到了提高、热负荷降低 发动机可靠性和稳定性有所改善 关键词:二冲程汽油机 冷却系统 仿真分析 速度场 结构优化 中图分类号:文献标识码:文章编号:()():/汽油机相比柴油机而言有着体积小、重量较轻、运输方便的优势 在园林、建筑等行业已经有了一定程度的使用 自加入 以来 我国目前汽油机年产量已经突破 万台 从适用性角度分析 其仍具一定的前景与发展空间的 同时在汽油机产量已经有了大幅度提升的情况下 国内生产的汽油机综合水平仍然远低于欧洲、美国等发达国家 当前 国内汽油机产品创新性不足 与国外同类产品相比较 我国生产的汽油机一致性与可靠性也存在着一定的不足对于汽油机机体 如果机体冷却不足 会导致发动机机体的部分部件和润滑系统温度过高产生严重后果 例如在缸盖温度达到临界点后就会容易出现裂纹 从而出现漏油、漏水 机体温度过高容易出现拉缸、拉瓦等严重问题 此外在长时间高负荷工况下运行 机油温度过高 其粘稠度降低 也会造成整体系统的磨损加剧 使发动机的安全性与可靠性极大地降低 因此对于整机的冷却系统研究对汽油机的使用性能提升是具有重要意义的 同时现阶段我国学者对于风冷柴油机展开的研究较多 而对风冷式汽油机的关注点较少 对于其相关冷却系统的相关研究报道很少 文章对 型风冷汽油机冷却系统进行 仿真分析 抽取计算域 得出冷却系统整体的空气流场 从而进行结构上的优化设计 完善气缸盖上冷却风道结构 通过降低汽油机的热载荷达到冷却效果增强的目的 冷却系统计算模型 几何模型的建立以 风冷汽油机机型为基础建立几何模型和仿真分析方案 主要的技术参数见表 对于其冷却系统的 仿真研究 首先需要进行汽油机的三维实体模型的建立 文章主要利用(总第 期)(.)年第 期 九江学院学报(自然科学版)()三维建模软件进行建模以及流体区域的建立 如图 所示 同时为使仿真过程收敛 提高数值计算时效性 在抽取计算域时对实体模型进行合理的简化 如删除倒圆角、缝合细小的曲面、封堵进排气道等 图 为抽取出来的流体计算域模型表 汽油机主要参数参数技术参数发动机型号 汽油机型式两冲程 风冷启动方式回弹式绳索启动缸径行程/总排量/压缩比 标定功率/标定转速/()图 风冷汽油发动机三维模型图 发动机简化计算域 计算求解仿真分析的对象以图 抽取的计算域为基础采用商用软件 进行数值模拟分析 具体步骤如下:()使用全自动网格划分软件 模块对求解区域进行非结构化网格的划分 网格间距设置为 考虑流体在结构复杂和壁面处的摩擦和湍流现象等复杂情况的存在 对壁面周围和复杂结构处进行网格加密 网格划分采用自动划分和局部加密的方式进行 采用以四面体为主的非结构混合网格构成网络单元 计算模型网格总数 网格节点数量 网格扭曲度控制在 以下 网格质量较高 可以满足计算精度要求()计算中考虑到计算的效率 对局部较复杂的区域结构进行了简化 同时考虑气缸盖和气缸体之间采用交界面边界条件 交界面边界处传热过程作简化处理 热载荷设置为面载荷()流体控制方程符合高雷诺数范围内 采用纳维斯托克斯方程()假设计算区域空间内流通空气为不可压缩理想气体 湍流方程采用 模型 计算域壁面类型为标准壁面 边界条件设定:数值计算设定在/工况下 该转速下冷却系统入口设置为稳定的/流入气流 流入气体温度、外界环境温度均设置为 忽略气体循环 机体边界仅存在热交换 流动分析对计算结果采用 进行计算结果后处理 分析其速度场分布 利用速度云图方便直接观测流场分布 并采用多截面的方法直观展示流场内部分布规律 截面分为 平面截面 平面截面 平面截面 这样多截面划分可更清楚的观察到流体在内部流动的情况 以及一些与壁面撞击时产生的流场细节 后续流动分析如图 所示图 汽油机速度分布图图 显示 在截面 中 标准压差下 叶轮处出口气流速高 冷却气流量大 可伴随着从表 第 期 解鹏 等:二冲程汽油机风冷系统的仿真分析与实验研究以及图 可以观测到 所用来冷却的部分在气体总流量中占比很少 两侧流体流速因差异过大更多的气体从顶部及叶轮大的出口侧流通 叶轮小的出口侧散热片冷却效果较差 这是由于火花塞旁通区域设计不合理导致的图 截面 表 原机检测面流量分布统计截面编号流量(/)总流量 气缸盖流量 缸体流量 如图 所示 在截面 中 可以看到顶部较大的流通区域 流动阻力小 大量气体直接流过而没有有效带走热量 同时导致散热片区域气流量小 散热效果不理想 空气流量及流速分布不合理 顶部大流通区域较大 虽然可以增加流量但会直接造成流速低 则顶部冷却效果较差 可以认为是顶部空间过大造成的 考虑对顶部区域进行一定程度的缩小 狭窄空间可以一方面引导气流向气缸底部流动 加强散热片部分的冷却同时因顶部狭窄 可以形成较强空气流速 增强缸盖的冷却效果图 截面 从图 可以看出 通道间出现较大的湍流漩涡 且没有出现较大的流量交换 存在大量的能量损失 该区域也没有在进出气口形成一定程度的压差 无法形成压力驱动流 并且没有导流装置 会形成局部温度过高、冷却不足、热载荷过大的问题图 截面 在整机试验中 采用 型毕托管数字压力风速仪(/精度为 级)来测量压力值以及风速值 所测的五个点均取自于气缸不同位置 如图 所示 对比汽油机实验和仿真模拟数据 可以看出:模拟的实验结果与实际实验的数据相差在 以内 说明模型建立良好 有较高的精度 可以作为实际工程中的应用参考依据图 实验数据与模拟数据对比 优化措施基于上述仿真结果 在三维建模软件中对汽油机结构进行了初步优化改进 在顶部增设了导流板 同时对蜗壳出口建立一个侧面倒角 同时减少顶部间隙 进行狭窄处理 如图 所示九江学院学报(自然科学版)年第 期图 初步改进后的三维模型由图 可见 导流板的加入可以改善缸盖区域的流量分布 可以使流体更多的向散热器位置靠拢 同时减少局部湍流 提高了流动效率 降低流动过程中出现的能量损耗 此外对于一些局部结构复杂突变的区域进行了添加圆角的改进处理 通过合适的半径圆角可以控制局部区域的能量损失 降低气缸体冷却风道壁面粗糙度以降低流动沿路损失从而提高叶轮效率 增大传热系数增加散热效果采用同样的数值分析方法和计算边界条件对改进后的计算域进行二次计算 对得到的计算数据进行分析和可视化处理 可以看出 相比较改进之前大量气体流过却没有有效地带走热量加上导流板并缩小顶部间隙后 气体成功地向散热片处流动 散热片区域的气流量增大 散热效果增强 如图 所示 同时图 中可以观察到顶部改进后冷却气体从缸盖向气缸底部流动 散热片周围的流速增强 同时形成了一定的压差 促进了缸盖的一定程度上的冷却功效 图 中改进后的两边流速更为均匀 圆角的设计加大了此处的流通面积 一定程度上提高了局部散热效果图 初次改进后截面 图 初次改进后截面 图 初次改进后截面 综上所述 可以得出以下结论 在风冷发动机的冷却过程中 冷却气流整体温升小 决定冷却效果的主要是散热面附近气体流速 而不是流量 初次改进大大降低了原型顶部的流通面积使得散热面(缸盖和两侧散热片)附近气流流速得到显著提升 冷却效果得到有效改善 同时进一步降低无效直接连通面积 可以提高散热面附近流速 提升散热效果 汽油机还存在进气主流在蜗壳大出口侧、气缸两侧气体流动不对称现象易导致两侧散热不均匀或一侧散热效果差等问题针对以上散热不均等问题 以减小直接连通面积 增强流道均匀性及导流设计(如双面叶轮对称出口、出口横向倒流与流量分配等)为基础对机型进一步改进和优化 在二次优化中 对火花塞旁通区域进行改进 使该处流通面积减少从而使空气可以大量地分流 从火花塞处进入散热片位置 使冷却效果增强 如图 所示 同时对散热片上侧斜面进行改进 减小的直接流体的面积 进行气缸内的气体流量再分配第 期 解鹏 等:二冲程汽油机风冷系统的仿真分析与实验研究图 二次优化后的简化汽油机三维模型由图 可以看出 改进后通过大幅度缩减顶部的流动区域 其散热片区域的流速明显增加同时这会引导缸底的气体流动 相比之前形成了更为良性的流动循环 与之前相比冷却效果得到大大改善 整个系统的风速提高 风量增大 工作环境得到改善与优化图 二次优化的截面 对比可以看出 在改进前在散热片区域会出现明显的分流 在散热片区域的流速很低 热传递效果很差 同时还会在角落处出现漩涡流动极大地影响了经过散热片的流量与流动速度 同时对于缸盖区域 进出口压力相似 也无法形成压差产生气流流动 改进后如图 所示 在克服了上述问题的情况下 使气体大量集中在缸体流速增强 使得散热面(缸盖和两侧散热片)流速得到显著提升 冷却效果得到有效改善图 二次改进后的截面 实验论证从上述分析中对汽油机冷却系统进行相关改进 制作样件进行实验论证 实验结果如图 所示 缸盖涡流比从原来的 降到 流量系数从 提升至 较原机缸盖相比:控制排温一致 功率可在原机基础上提升 左右 最低比油耗从/降低至/其特征温度有着显著的优化 冷却系统性能得到改善 在汽油机性能方面 对标定功率的实际测量值在 在气节门全开 以/的转速下其标定功率从原先的 增加到了 新型缸盖较原机缸盖功率可提升 左右 油耗率平均降低/最低比油耗从/降至/试验结果可以看出 经过改进和优化 该型风冷汽油机动力性和燃油经济性指标得到了提升同时热负荷得到了有效降低 其最主要的原因是对其内部气流通过结构上的二次改进进行再分配降低了热载荷 进气口对于气缸整体的加热减少汽油机整体的进气量出现大幅度上升 同时内部气流流速增加 循环性改良 达到改善汽油机动力性和燃油经济性的效果 同时经过测量汽油机的机油温度从原先的最大 到现在的 改进后的汽油机工运行可靠性与安全性也有效提高()原机与优化后功率对比()原机与优化后油耗率对比九江学院学报(自然科学版)年第 期()原机与优化后烟度对比图 原机与改进后相关性能参数对比 结论文章以 风冷汽油机为研究对象 对汽油机冷却系统进行了 仿真分析并根据结果进行了相关优化改进 达到优化汽油机冷却性能的目的 并结合整机试验验证了分析结论 和结构优化的合理性 可以看出:()利用 进行三维模型的建立与修改并实现对计算域的抽取 再利用 流体软件实现对汽油机冷却系统内部流场进行仿真分析获取流场内部的速度、压力、温度分布规律 定量分析冷却风道的流量并提出相关结构的不合理性 同时对其进行二次优化 可以作为汽油机冷却系统的设计提供了良好有效的手段()通过对汽油机流场分析我们可以得知对于冷却风道的合理设计是确保汽油机有着良好冷却效果的重要途径 减少顶部间隙 加强气流的流动性 合理对冷却气流进行分配 均能有效地减少汽油机的热负荷 文章提出的改进措施该型汽油机动力性、燃油经济性、工作热负荷得到了明显改善 汽油机工作的安全性和可靠性得到有效提高参考文献:.杨白凡.二冲程点燃式缸内直喷重油发动机性能试验研究.南京:南京航空航天大学.白杨.型双缸风冷汽油机热负荷特性研究与性能优化.天津:天津大学.史宗庄 刘元阁.小型二冲程汽油机换气品质的改善.小型内燃机 ():.陆军.基于 对 型二冲程发动机扫气过程数值模拟及排放控制研究.扬州:扬州大学.史宗庄 马其成 崔国起 等.采用空气先导式分层扫气方法降低小型二冲程汽油机燃油消耗的试验研究.内燃机学报 ():.王思奇 小型航模二冲程煤油发动机缸内直喷技术研究.南京:南京航空航天大学.管金彪 程晓章 李敏 等.基于 的轻型国六柴油机优化设计.现代车用动力 ():.王旦.簧片阀式二冲程发动机缸内直喷优化设计.南京:南京航空航天大学.():.耿爱农 罗光缉.二冲程汽油机调谐腔排气系统的研究.内燃机学报 ():.王福军.计算流体动力学分析.北京:清华大学出版社.谭林波 刘胜吉 陆存豪 等.通用小型汽油机冷却系统的 分析和试验研究.中国农机化学报 ():.陆锰利.风冷柴油机设计中若干问题的探讨.上海汽车 ():.房晟.甲醇/柴油双燃料发动机控制软件开发与性能研究.南京:江苏大学.(责任编辑 罗江龙)第 期 解鹏 等:二冲程汽油机风冷系统的仿真分析与实验研究