天然气发动机水套结构的优化分析

魏威，吕锋，曾丽丽，叶洁，张小姣，谢夏琳

(广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005)

0 前言

满足国六排放标准的某款6缸天然气发动机采用当量燃烧技术路线后，由于天然气燃烧温度较高，导致存在缸内热负荷过大，缸盖存在冷却不足、底板开裂等风险。为确保发动机能正常工作，对发动机缸盖水套的散热能力提出了更高要求[1]。本文该天然气发动机为研究对象，通过优化缸盖水套结构，提高了水套的散热能力，降低了缸盖底板最高温度和热应力，增加了缸盖低周疲劳寿命，提升了缸盖的可靠性[2-4]。

对发动机缸盖水套结构进行优化的仿真分析包含以下3方面内容：① 通过AVL-FIRE软件对水套冷却系统进行三维仿真分析，评价水套关键区域的水流流速和换热系数；② 在保持气体侧热边界条件不变的情况下，将水套侧和气体侧的热边界映射到有限元面网格上；③ 通过ABAQUS软件对缸盖进行耦合计算，在耦合计算中应考虑冷却液沸腾换热因素。通过仿真分析，最终获得缸盖温度场、热应力和低周疲劳寿命循环次数。此外，还对水套结构优化后缸盖的可靠性进行了试验验证。

1 计算模型及边界条件

本文以某款6缸天然气发动机为研究对象，发动机水套模型如图1所示，其结构包括进水总管、缸体水套、缸垫上水孔及缸盖水套等部件。水套为直通式结构，冷却水流经进水总管进入缸盖上层，再由缸盖上层向下流到缸盖下层，并继续向下流入缸体水套。在水套的计算流体动力学(CFD)仿真计算中，根据经验，采用了假定的壁面温度场，出口水流压力为给定压力，缸盖和缸体的壁面温度分别设定为其壁面的平均温度，计算初始值均按照给定的零初场设置，计算流体为50%冷却水与50%添加剂的混合物。

图1 发动机水套结构模型

缸盖水套结构的优化模型如图2所示。水套结构优化的具体工作包括：① 优化缸盖上下层之间的中隔板形状，将隔板形状改为倾斜角度更大的漏斗型结构，减小中隔板通道截面面积；② 降低鼻梁区水套高度，减小鼻梁区通道截面面积；③ 将排气鼻梁区下沉1 mm，减小底板厚度。假设水套仿真计算的工况点为发动机标定点，水套流场仿真计算的边界条件见表1。

图2 优化前后水套模型方案

表1 水套仿真计算的边界条件

2 计算结果及分析

2.1 水套阻力和水量均匀性

流经发动机各缸缸垫孔的水量相对于平均值的偏差率如图3所示。原方案和新方案的水量均匀性都较好，最大偏差分别为-5.8%和6.8%。

图3 发动机各缸水量偏差

缸盖水套结构中各部件总压阻力值如图4所示。2种方案的水套阻力都较小，原方案的水套总压阻力为34.9 kPa，新方案的水套总压阻力为40.5 kPa。与原方案相比，新方案总压阻力增加的部分主要是缸盖阻力，二者相差约5.5 kPa。

图4 水套各部件总压阻力

2.2 缸体水套水流流动分析

缸体水套水流速度云图如图5所示。2种方案均显示，缸体水套内水流速度差别不大，但由于缸套为分层结构设计，因此在缸套顶部的水流流速较快。

图5 缸体水套水流速度云图

缸套水套对流换热系数云图如图6所示。2种方案的缸套顶部对流换热系数值均较高，其值均为9 200 W/(m2·K)左右。

图6 缸套水套对流换热系数云图

2.3 缸盖水套水流流动分析

缸盖下层水套水流速度云图如图7所示。新方案中，缸盖下层鼻梁区和火花塞套周边的水流流速明显高于原方案。第6缸缸盖鼻梁区剖面水流速度云图如图8所示。与原方案相比，新方案中缸盖鼻梁区的水流流速集中在火花塞套周边，水流向下冲击的速度较快，从而使得鼻梁区底部的水流流速也更快。

图7 缸盖下层水套水流速度云图(仰视图)

图8 第6缸鼻梁区水套剖面水流速度云图(侧视图)

第6缸鼻梁区对流换热系数对比如图9所示。新方案中，各缸鼻梁区对流换热系数均比原方案提高了3 000～5 000 W/(m2·K)。缸盖下层水套对流换热系数云图如图10所示。相较于原方案，新方案中的各缸鼻梁区对流换热系数有了显著提升。缸盖下层湍流动能云图如图11所示。在新方案中，更多的水流流向水套底部，使流动损失转换为湍流动能，提升了鼻梁区底部的对流换热系数。缸盖上层水套水流速度云图如图12所示。2种方案在排气道上方的水流流速较为均匀。

图9 第6缸鼻梁区对流换热系数对比

图10 缸盖下层水套对流换热系数云图(仰视图)

图11 缸盖下层水套湍流动能云图(仰视图)

图12 缸盖上层水套水流速度云图(仰视图)

2.4 缸盖温度场对比

缸盖固体侧壁面温度场如图13所示。与原方案相比，新方案中缸盖底板最高温度降低了约25 ℃。缸盖热应力分布图如图14所示。与原方案相比，新方案在缸盖相同位置的最大应力降低了25～35 MPa。

图13 缸盖固体侧壁面温度场

图14 缸盖热应力分布图

2种方案的缸盖低周疲劳寿命对比如图15所示。原方案的缸盖最小低周疲劳循环次数为6 345次，新方案中缸盖最小低周疲劳循环次数为8 798次，缸盖低周疲劳寿命有了明显增加。

图15 缸盖低周疲劳寿命对比

综上所述，新方案显著降低了缸盖关键区域的壁面温度，有利于降低缸盖热应力，进而提高了缸盖低周疲劳寿命，提升了缸盖的可靠性。

3 试验验证

各缸缸盖底板最高温度如图16所示。与原方案相比，新方案中各缸缸盖底板最高温度值降低了16～41 ℃。试验结果表明，新方案的降温效果明显。

图16 各缸缸盖底板最高温度对比

4 结论

针对某款天然气发动机热负荷过高，缸盖存在开裂风险的问题，通过优化缸盖水套结构，并对优化后的缸盖水套结构进行仿真分析和试验，得到以下结论。

(1)采用CFD方法对水套进行了仿真计算，比较了两种方案的水套关键区域水流流速和换热系数。在新方案中，缸盖鼻梁区水套底部的水流流速和对流换热系数均有显著提升，主要表现为：优化缸盖水套结构后，更多的水流流动冲向水套底部，使更大的流动损失转换为湍流动能，从而提升了鼻梁区底部的冷却水对流换热效率。

(2)采用CFD-FEA流固耦合方法计算缸盖，比较2种方案的缸盖温度场、热应力分布和低周疲劳寿命。新方案的缸盖水套侧和固体侧最高温度均有显著降低，热应力明显下降，低周疲劳寿命大幅增加，缸盖的可靠性得到了提升。

(3)采用缸盖温度场进行了试验验证，比较2种方案中各缸缸盖底板的最高温度值。与原方案相比，新方案的各缸缸盖底板最高温度值降低了16～41 ℃，证实新方案能显著降低缸盖最高温度。