KM48天然气发动机水套的仿真与改进.pdf

2 0 1 4年 第 3 6卷 第 7期 汽车工程 Au t o mo t i v e En g i n e e r i n g K M 4 8天然气发动机水套 的仿真与改进 2 01 41 5 7 高 莹 ， 曹志浩 ， 葛 迪 ， 李书华 ， 张震 ， 姜在先 1 ．吉林大学 ， 汽车仿真 与控制 国家重点 实验 室， 长春1 3 0 0 2 2； 2 ．中国石 油规 划总院， 北 京1 0 0 0 8 3 ； 3 ．中国重型汽车集团有 限公 司， 济 南2 5 0 0 0 2 [ 摘要] K M 4 8天然气发动机是在原重型柴油机平台上开发的， 由于燃烧温度升高， 热负荷增加， 原机水套有 可能不能满足冷却要求。据此， 利用 F L U E N T软件对其冷却水套进行仿真和改进。结果表明， 缸盖排气门侧的三角 鼻梁区的冷却液流速仅为 0 ． 5 2 m ／ s ， 不能满足冷却要求。为此提出了两种改善缸盖鼻梁区冷却效果的结构方案 ， 仿真结果表明， 在缸盖水套的排气门侧加一个面积为 1 9 9 m m 的上通道时， 冷却液的流速可提高到 2～ 2 ． 5 m ／ s ， 满足 冷却要求。 关键词 天然气发动机 ； 仿真； 缸盖水套； 上通道 S i mu l a t i o n a n d I mp r o v e me n t o f t h e Wa t e r J a c k e t i n KM4 8 Na t u r a l Ga s E n g i n e Ga o Yi n g ，Ca o Z h i h a o ，Ge Di ，Li S h u h u a ，Z h a n g Zh e n ＆ J i a n g Za i x i a n 1 ． J i l i n U n i v e r s i t y ， S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fA u t o m o t i v e S i m u l a t i o n a n d C o n t r o l ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 2； 2 ． C h i n a P e t r o l e u m P l a n n i n g a n d En g i n e e r i n g， 瑚f f f e ， B e ij i n g 1 0 0 0 8 3 ； 3 ． C h i n a N a t i o nal H e a v y Du t y T r u c k G r o u p C o ． ， L t d ． ，J i n a n 2 5 0 0 0 2 [ A b s t r a c t ] K M 4 8 n a t u r a l g a s e n g i n e i s d e v e l o p e d o n t h e b a s e o f o ri g i n a l h e a v y d u t y d i e s e l e n g i n e ．D u e t o t h e g o i n g u p o f i t s c o m b u s t i o n t e m p e r a t u r e a n d h e n c e t h e i n c r e a s e i n t h e r ma l l o a d ， t h e o r i g i n a l w a t e r j a c k e t n o l o n g e r me e t s t h e c o o l i n g r e q u i r e m e n t s ． F o r t h i s ， i t s w a t e r j a c k e t i s s i m u l a t e d a n d i m p r o v e d w i t h F L U E N T s o f t w a r e ．T h e r e s u l t s s ho w t h a t t h e flo w r a t e o f c o o l a n t i n t he t ria n g u l a r n o s e a r e a a t e x h a u s t v a l v e s i d e o f c y l i n d e r he a d i s o n l y 0 ． 5～2 m／s，wh i c h c a n’ t me e t t he c o o l i n g r e q u i r e me n t s ．Th e r e f o r e，t wo s t r u c t u r a l mo d i fic a t i o n s c h e me s a r e p u t f o r wa r d t o i mp r o v e t h e c o o l i ng e f f e c t s ．Th e s i mul a t i o n r e s u l t s i n d i c a t e t h a t b y a d d i n g a n u pp e r p a s s a g e wi t h a n a r e a o f 1 9 9 m m a t t h e e x h a u s t v a l v e s i d e o f w a t e r j a c k e t ， t h e c o o l a n t fl o w r a t e t h e r e c a n i n c r e a s e t o 2 2 ． 5 m ／ s ， m e e t i n g i t s c o o l i n g r e q u i r e me n t s ． Ke y w o r d s n a t u r a l g a s e n g i n e ； s i mu l a t i o n； c y l i n d e r h e a d wa t e r j a c k e t ； u p p e r p a s s a g e 日 IJ舌 我国能源结构具有富煤 、 贫油和多气 天然气 的特点 ， 天然气发 动机 目前在我国有广 阔的市场前 景 ， 因此 ， 基于重型柴油机改装的天然气发动机成为 重点研究和开发的热点 。当发动机工作过程从非均 质混合气扩散燃烧变化到均质混合气火焰传播燃烧 时， 燃烧温度大幅上升_ l J ， 加剧了发动机的热负荷， 可能导致冷却水套不满足冷却需求。传统 的实验测 试要消耗大量的人力 、 物力和财力 ， 计算流体动力学 C F D 已经成 为流 体力 学研究 的主要 手段 ， 利 用 C F D对冷却水套进行仿 真分析 ， 可以找出影 响水套 冷却性能的主要 因素 ， 为其结构改进提供依据。 国外较早利用 C F D软件对水套数值模拟进行 了详细和深入的研究 ， 取得 了令人满意的成果。 国内高校与大型企业在内燃机冷却水套的 C F D仿 真分析方面也做 了不少卓有成效的研究 ， 但大 多针对柴油机和汽油机 ， 而对 于由柴油机改装为天 然气发动机 的冷却水套研究较少 ， 因此 ， 本文 中利用 商用流体力学软件 F L U E N T对 K M4 8天然气发动机 冷却水套进行了 C F D分析 ， 根据流场 内冷却液的流 原稿收到 日期为 2 0 1 2年 1 0月 1 6日， 修改稿收到 日期为 2 0 1 2年 1 2月 1 8日。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4 V o 1 ． 3 6 N o ． 7 高莹， 等 K M4 8天然气发动机水套的仿真与改进 8 3 7 2 改进方案一的缸盖水套三角鼻梁区的冷却 液流速为 1 ～ 2 ． 5 m ／ s ， 而且主要集 中在 1～2 m／ s ， 虽 然改进后的流速提高了， 但仍然不满足冷却的要求 。 3 改进方案二的缸盖水套三角鼻梁 区的冷却 液流速为 2～ 2 ． 5 m ／ s ， 满足冷却的要求 。 [ 2 ] [ 3] [ 4 ] [ 5] 参考文献 周龙保 ， 刘巽俊 ， 高宗英． 内燃机学 [ M] ． 北京 机 械工业 出版 社 ， 1 9 9 9 ． Cl o u g h M J ．P r e c i s i o n Co o l i n g o f a F o u r Va l v e pe r C y l i n d e r En g i n e [ c ] ．S AE P a p e r 9 3 1 1 2 3 ． F r a n z J L a i mb o c k，Ge r h a r d Me i s t e r ，S i mo n Gr i l c ． C F D Ap p l i c a t i o n i n C o mp a c t E n g i n e D e v e l o p m e n t [ C] ．S A E P a p e r 9 8 2 0 1 6 ． J i a n Ye ，J i m Co v e y，Da n i e l D．Ag ne w．Co o l a n t F l o w Op t i mi z a t i o n i n a Ra c i n g C y l i n d e r Bl o c k a n d He a d Us i n g CF D An a l y s i s a n d T e s - t i n g [ C ] ．S A E P a p e r 2 0 0 4 0 1 3 5 4 2 ． S t e p h e n S h i h，Ed wi n h a n o ，J u n Xi n，e t a1．En g i n e Kn o c k To u s h n e s s I m p r o v e m e n t T h r o u g h W a t e r J a c k e t O p t i m i z a t i o n [ c ] ．S A E Pa p e r 2 0 0 3 0 1 3 2 5 9． [ 6 ] V a l a s z k a i L， J o u a n n e t B ．C o o l i n g S y s t e m O p t imi z a t i 0 n f o r E u r o 4 ． E P A ／ 0 2 H e a v y d u t y T r u c k s [ c ] ．S A E P a p e r 2 0 0 0 一 O 1 0 9 6 4 ． 1 7] J a s a k H， L u o J Y， Wi e r s e M． e t a1．R a p i d C F D S i m u l a t i o n o f I n ． t e r n al Co mb u s t i o n En g i n e s 『 C] ．S AE P a p e r 9 9 1 1 8 5． [ 8 ] Wh i t e P e t e r ， S mit h J o h n， Mu r d o c h L a i n ．C o o l i n g S y s t e m P e r f o r m． a n c e E v a l u a t io n 『 C] ．S A E P a p e r 9 8 0 4 3 1 ． [ 9] Ke n j i O k u m u r a ．C F D S i m u l a t i o n b y A u t o ma t i c a l l y G e n e r a t e d T e t ． r a h e d r al a n d Pr i s ma t i c Ce l l e s for En g i n e I n t a k e D u c t a n d Co o l a n t F l o w i n T h r e e D a y s i C 1 ．S A E P a p e r 2 0 0 0 0 1 0 2 9 4 ． [ 1 O ] S a t h e e s h Ma k k a p a t i ．C o o l a n t V e l o c i t y C o r r e c t i o n s i n a n I C E n g i n e C o o l a n t J a c k e t 『 C 1 ．S AE P a p e r 2 0 0 2 0 1 1 2 0 3 ． 1 1 1 J P a n o s T a m a m i d i s ，K a s i S e t h u p a t h i ．R o l e o f C F D i n H e a v y M a c h i n e r y D e v e l o p me n t C] ．S A E P a p e r 9 7 2 7 1 8 ． [ 1 2 ] 陈群， 刘巽俊 ， 李骏， 等． C A 4 9 8型车用柴油机冷却水套的 C F D分析 [ J ] ． 汽车技术 ， 2 0 0 3 1 1 8 - 1 1 ． [ 1 3 ] 刘铁钢． 柴 油机冷却水套 模拟分 析及 结构优 化 [ D] ． 长春 吉 林大学汽车j 二 程 学院， 2 0 0 6 ． 上接第 8 3 2页 和气门座圈镗 孔等效 应 力值分 别 降低 了 1 1 ． 3 ％ ， 1 9 ． 7 ％ ， 1 5 ． 7 ％ ， 取得 了良好的优化效果。本文 中研 究为柴油机气缸盖优化设计提供 了参考思路。 [ 2 ] 参考文献 Go c me z T，P i s c h i n g e r S． A Co n t rib u t i o n t o t h e Un d e r s t a n d i n g o f Th e r mo me e h a n i c a l F a t i g u e S e n s i t i v i t i e s i n Co mb u s t i o n En g i n e C y l i n d e r H e a d s [ J ] ．J o u r n a l o f A u t o m o b i l e E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 1 ， 2 2 5 4 4 6 1 4 7 7 ． Ma r t i n R i e d l e r ，He i n z L e i tn e r ，B e m d P r i l l h o f e r ， e t a 1 ．L i f e t ime S i mu l a t i o n o f T h e r mo me c h a n i c a l l y L o a d e d C o mp o n e n t s [ J ] ．Me e e a n i 一 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] c a ， 2 0 0 7 4 2 4 7 5 9 ． 赵维茂． 柴油机 铸铁气 缸盖 的热疲 劳裂纹 演化规律 与 寿命 评 估研究 [ D] ． 北京 北京理工大学 ， 2 0 1 1 ． 赵选 民． 实验设计方法 [ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 9 6 6 1 1 4 ． P a me l a Ma r ie No r r i s ．An I n v e s t i g a t i o n o f C o o l a n t P a s s a g e He a t T r an s - r i n a D i e s e l E n g i n e C y l i n d e r H e a d [ D] ．A t l a n t a G e o r g i a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y， 1 9 9 2． 兰风崇 ， 钟 阳， 庄 良飘． 基于 自适应响应面法的车身前部 吸能部 件优化 [ J ] ． 汽车上程 ， 2 0 1 0 ， 3 2 5 4 0 4 4 0 8 ． S h y y W ，Pa p i l a N ，Va i d y an a t h a n，e t a 1 ．Gl o b al De s i g n Op t i mi z a - t i o n f o r A e r o d y n a mi c s a n d Ro c k e t P r o p u l s i o n C o mp o n e n t s[ J ] ． P r o g r e s s i n A e r o s p a c e S c i e n c e s ， 2 0 0 1 ， 3 7 1 9 9 1 1 8 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m