新一代2.0 L 4缸汽油机冷却系统的开发

为满足日益严格的全球燃油经济性要求，流量主动控制、缸间钻孔和快速加热等各种先进的发动机冷却技术得以应用。韩国现代汽车公司最近开发了新一代2.0 L 4缸汽油机，采用了几种新的冷却系统技术。

                 

从概念设计阶段到预生产阶段，总结了三维计算机辅助工程(CAE)分析在发动机冷却性能评价中的应用。对缸盖和缸体水套中的冷却液流动进行了研究，找出了最佳方案，并通过优化缸垫孔对其进行了进一步的改进。在制造首台试验发动机之前，进行了三维温度模拟，以满足工程样机阶段的开发标准。为降低发动机温度或提高生产率，在新开发的发动机上研究并实施了一些水套的设计，如快速加热的缸体水套隔板、集成EGR 冷却器的缸体、集成排气歧管的缸盖等。这些设计在试验阶段呈现了良好的效果。采用了三维热流CAE分析，对各系统进行了详细的物理现象研究，并提出了解决方案。结果表明，新一代发动机的冷却系统具有足够的热稳定性。

                        

0 前言

 

在保持现有量产发动机基本结构的前提下提高燃油效率是韩国现代汽车公司下一代4缸2.0 L汽油机的开发侧重点。为了满足世界各国的燃油经济性法规，各种新技术被应用到该发动机上。对于新发动机的冷却系统，为了在不降低冷却性能的前提下提高效率，现代汽车公司采用了以下先进的概念：(1)在每个发动机工况点,使用多路控制阀优化冷却液流量分配；(2)缸盖和缸体中采用横向流使得各缸之间的冷却效果更为均匀；(3)通过快速加热来减少缸体的中下部摩擦损失。为了有效地评估这些新的冷却概念，三维计算机辅助工程(CAE)，被广泛应用于从概念设计阶段到生产前阶段的冷却子系统分析。评估概念设计有助于在制造工程样机之前确定最佳方案,，并优化最终设计。通过三维CAE技术，可以预见潜在的问题，找出解决问题的方法，在节约成本和时间的同时，使整个开发过程的质量趋于成熟。新开发的发动机包括自然吸气进气道喷射(PFI)发动机和涡轮增压缸内直喷发动机，其参数见表1所示。

表1 新开发的发动机参数

                                  

1 概念设计阶段CAE分析

1.1 设计分析

在制造工程样机之前的概念设计阶段，有必要通过CAE分析对新的冷却概念进行评估。采用Star-CCM+软件对燃烧室冷却系统中最重要的部件——缸盖和缸体水套砂芯模型进行了三维计算流体力学(CFD)分析。采用含有无量纲边界层厚度y+的雷诺平均RANSk-N 双层湍流模型，对水套流场进行了CFD计算。通过测量水套各主要部位的流量、流速和换热系数(HTCs)，可以预测水套的冷却性能。

1.2 排气侧优先冷却水套设计

在新发动机的初始水套设计中应用了横向流的概念，即将冷却液的流向设计成进气侧水泵—缸体进气侧—缸盖进气侧—缸盖排气侧—缸体排气侧的路线。对于这种水套设计，因为冷却液先流向进气侧，导致受热更多的缸盖排气侧冷却效果不佳。因此，推荐采用图1中的改进方案1，即冷却液从水泵直接流向排气侧并优先冷却。改进方案1的冷却液路线为水泵—缸体排气侧—缸盖排气侧—缸盖进气侧—缸体进气侧。

此外，还考虑了上下两层的双层缸盖水套设计，以使来自缸体的冷却液能够流向燃烧室周围的水道。由于按照采用平行流的常规设计，与水泵连接的通道是倾斜的，因此初始水套不利于冷却液直接流向缸体排气侧。在改进方案1中，水套被改为正常方向，因此冷却液就可以更容易地流向排气侧。图1显示了初始设计和改进方案1中的缸盖和缸体水套形状。

图1 初始设计和改进方案1的缸盖水套和缸体水套

在最大冷却条件下对2种设计进行CFD分析，检查冷却液流量和流速。在发动机燃烧室内，排气门和火花塞附近之间的区域承受最高的热负荷，需要大流量冷却液来降低排气门侧鼻梁区的温度，从而确保结构稳定性和抗爆燃性。如表2所示，改进方案1的流量增加到了13.8 L/min，大约是初始设计(5.8 L/min)的2倍。改进方案1和初始方案水套流量与总入口流量(150 L/min)的比值分别为9.2%和3.9%。图2显示了缸盖水套排气侧的冷却液流速增加，压力损失从0.085 MPa增加到0.165 MPa。

表2 各缸排气门鼻梁区冷却液流量

图2 缸盖水套中冷却液流速仰视图和中心剖面图

                           

2 样机阶段CAE分析

在完成缸盖和缸体的计算机辅助设计(CAD)建模后，对其进行了三维温度分布和冷却液流动CFD 计算。为了进行发动机额定工况下的三维换热分析，通过一维循环仿真，得到了燃烧室的热边界条件。在Gamma技术公司的GT-Power一维循环模拟中，可以预测同心圆内火焰的传播速度。在此基础上，可以在曲轴转角域计算已燃区和未燃区的温度和HTCs，通过瞬态结果的循环平均值，给出了燃烧室的三维火力面边界条件。

考虑到活塞在曲轴转角域内的运动，研究人员计算了传到缸套的热能。缸套分为火焰接触区、活塞裙部接触区和机油接触区3个区域。这些区域根据活塞的位置进行垂直分解，并根据经验假设每个区域的换热。最后，将结合区域的温度和HTCs循环平均值作为热边界条件。

在上述方法的基础上，采用包含修正系数的数值函数作为因子，利用试验数据对三维温度计算模型进行标定。新发动机的总热负荷是根据量产发动机的额定功率和修正系数估计的，并将以前试验的对流换热结果应用在了与环境空气或润滑油接触的表面。图3给出了台架试验温度与三维热模拟温度之间的关系。台架试验温度通过热电偶在缸盖和缸体上进行测量，模拟计算温度从相同的测量点提取。

图3 仿真与试验温度对比

2.1 优化缸垫孔

为了从横向流动的角度提高气缸间冷却的均匀性，研究人员对改进方案1的缸垫孔进行了三维CFD模拟优化。由于缸垫的冷却液孔是缸盖和缸体水套之间的通道，因此可以通过调整缸垫孔面积和位置来微调冷却液流量的分布。虽然缸垫孔的面积和位置都会影响流量，但为了简化系统，只对缸垫孔的面积来进行了优化。优化工作采用了AutoGH 软件，该工具是基于Star-CCM+软件内部开发的自动化工具。每个缸垫孔的面积被设定为设计变量，并假设在初始阶段全开。从CFD和换热结果中得到的每个气缸的最高温度来量化冷却效果，并将所有温度中的最大值进行最小化作为优化的目标函数来均衡温度。为了避免冷却系统流动阻力出现不切实际的增大现象，研究人员将压降作为1个约束条件。

以12个缸垫孔为设计变量，采用三级正交设计法进行试验设计(DOE)。然而，基于CFD模拟的DOE结果表明：排气侧孔灵敏度较高,进气侧孔对目标函数影响不大，减少开孔只会增加不必要的压降。在进行筛选后，再对排气侧的5个孔再次进行DOE模拟。如图4所示，改进方案1A 中工程样机的最终缸垫孔是通过使用回归分析进行近似估计得到的。与改进方案1相比(图2)，在改进方案1A 中第3缸和第4缸缸盖水套内的冷却液流速增加。缸盖主要部位的温度CAE结果也在图4中给出。气缸间排气门侧鼻梁区温度差异由9 ℃降低到3 ℃。

图4 缸垫孔优化方案(改进方案1A)的CAE计算结果

2.2 缸体钻孔的冷却能力分析

通过CAE分析，研究人员验证了缸体上钻横向孔的冷却能力。通常，相邻气缸之间的区域温度最高，这是因为2个燃烧室的热能都传递到该区域所致。为了冷却大功率发动机，可以在2个气缸中对缸体进行钻孔或开槽处理，即在进气侧和排气侧缸体水套中增加连接的通道。

对有无钻孔的缸盖和缸体进行了三维热模拟。图5表示缸体中心剖面上的温度分布。在三维热模拟中发现，缸体钻孔可使气缸体最高温度降低23 ℃，特别是在横流概念下，在缸体水套内插入隔板，将进排气侧水套隔开，从而增大了二者之间的压差，冷却液流量得到增加，缸体最高温度得到了大幅度降低。

图5 缸体温度分布剖面图

2.3 单层缸盖水套前期研究

从冷却性能的角度对改进后的缸盖水套提高批量生产的效率进行了初步探讨。为提高两层式砂芯(图1)的刚度，设计了1层缸盖水套，并扩大了上下砂芯之间的连接部分，利用三维热流分析对其进行了再研究。如图6所示，与两层缸盖水套相比，由于1层水套排气门侧鼻梁区的截面积大幅增加，因此很难将冷却液引至缸盖底部实现燃烧室的强冷却。研究人员通过将排气门鼻梁区的流道去除，隔离其周围的金属，以便在那里接触更多的冷却液。结果表明，通过排气门鼻梁区的平均流量从13.8 L/min增加到25.9 L/min，最高温度基本保持不变。

图6 单层缸盖水套形状及其仿真结果

                           

3 样机改进阶段CAE分析

在这一阶段，利用CAE对发动机台架试验中出现的问题进行仿真分析，力图找出有效的解决方法。由于冷却子系统已经确定，研究人员对其性能进行了研究。通过StarCCM+建立了包括冷却回路和所有换热器(简化为矩形盒)的三维闭环共轭传热(CHT)模型(图7)。通过台架试验获得的温度数据，可以修正热边界条件以建立相关性，如图3中三角形点所示。为了更准确地预测缸体的热负荷，对CHT模型中的油温进行了测量和修正。

图7 三维闭环CHT仿真模型

3.1 带水套隔板的热缸体

为了减小发动机的摩擦，引入了热缸体的概念，即在缸体下部减少冷却，使机油温度保持在较高的水平。在初始设计中，隔板将缸体水套上下分离，使大部分冷却液流向缸体顶部和缸盖，并释放出大量热量。缸体水套下部冷却液自然流动缓慢，冷却效果降低。由于存在密封问题，研究替换为改进方案2中的隔板。该隔板使用了绝热材料，可以减少冷却液和缸体表面之间的热传递。改进方案2A 的绝热层仅位于缸体水套的底部，改进方案2B将其延伸到缸体水套的中心。图8比较了各种方案下缸体水套隔板的几何结构。

图8 缸体水套隔板

如图9所示，模拟计算得到了缸体垂直方向的温度，以代表缸体的温度。结果显示，在缸体下部(1/3处)温度由高到低依次为改进方案2B、改进方案2A 和改进方案1。改进方案1的下部温度最低，是因为冷却液的流动仍然存在。改进方案3因隔板的密封性更好，温度分布与改进方案2A 相似，进气侧和排气侧的温度都比改进方案1高出10 ℃左右。

图9 缸体垂直方向温度曲线

3.2 集成于缸体的冷却器改进

为了提升装配效率和降低成本，开发的自然吸气发动机采用了集成在缸体中的废气再循环(EGR)冷却器，或将冷却器安装在排气侧缸体的外部。在初始设计中，冷却液从1缸缸体水套的排气侧直接流向EGR冷却器，换热后的冷却液通过单独的软管流到多路流量控制阀系统中。在可行性试验中，发现EGR冷却器的流量比标准低30%。为解决该问题，研究人员对EGR冷却器进行分析，在建立的三维CHT模型中集成了详细的内流砂芯，计算了EGR管路的平均表面流速和流速均匀性，发现导致冷却器流量下降的原因是管路出口狭窄造成的。研究人员对各种备选方案的可行性进行了分析，并最终选定了5种设计方案。

如图10所示，在EGR冷却器内部增加肋片，减小容积，从而使冷却液更集中地流向管道。此外，通过改变缸体外壁肋片方向，形成流动阻力，从而使冷却液再次流向管道。通过在缸体水套嵌入隔板和增大连接孔，加强了从缸体到EGR冷却器的冷却液流量。为了扩大EGR冷却器的出口，拆除了出口软管(E)，并在H1、H2和H3这3个位置上钻孔，结果冷却液流回到缸体水套。

图10 EGR冷却器设计改进对比

在对EGR冷却器进行所有改进后，通过仿真计算获得的缸盖和缸体的最高温度几乎相同，流速增加了约67%，流速均匀性也从0.66提高到0.70(图11)，从而实现了高效的EGR 气体冷却。最终的设计去掉了出口软管，以减少装配步骤、质量和成本。

图11 EGR冷却器内冷却液流速和迹线

3.3 涡轮增压发动机集成排气歧管的缸盖分析

新开发的涡轮增压发动机的缸盖集成了排气歧管，其周围设计有水套。在大功率涡轮发动机中，由于大量的热废气流过排气道，因此冷却排气道非常重要。首先，通过对额定功率工况下的排气进行非定常CFD模拟，得到了缸盖排气道的对流换热系数，并将其作为CHT模型的边界条件。

初始设计的缸盖显示在排气道周围的最高温度超过300 ℃。在如此高的温度下，铝缸盖的物理性能可能会恶化，所以对排气道周围的水套进行了改进，以加强冷却。最终的缸盖水套如图12所示，因为2号和3号气缸该区域热负荷不强，因此可以减少中上部水套芯(A)的数量。此外，发现排气道(B)连接处和法兰(C)附近存在热应力，因此在排气道(B)连接处和法兰(C)附近增加了冷却液流道。如图13所示，排气道周围的最高温度降低了89 ℃。

图12 排气道水套设计改进对比

图13 排气道CAE计算温度

                           

4 结论

从概念设计阶段开始，研究人员对冷却系统各种备选设计方案进行了研究，利用三维CAE技术有效地进行发动机冷却系统开发。通过水套芯CFD 分析流动特性，可以确定冷却概念在每个设计方案中的实施情况。在模拟过程中可以选择几个测点，以便在后期设计和试验的情况下更全面地评估流量。利用三维CAE可以解决发动机试验中出现的问题。在该阶段，热边界条件可以用试验得到的温度数据进行标定。因此，可以进行更精确的CAE分析(如CHT)，以研究试验中难以发现的系统详细特性。这有助于在开发过程中节省时间和成本，可以方便地检查出所提解决方案的可行性。

在新型发动机冷却系统开发过程中，研究人员总结了三维热流体CAE技术。采用CAE技术进行的主要改进有：(1)为了有效地将冷却液集中到吸收大量燃烧热量的缸盖排气侧，确定了冷却液横向流动方向为排气优先；(2)优化了缸垫孔面积，使缸内横向流动均匀，实现缸内均匀冷却；(3)验证了在缸体间的钻孔可以降低温度；(4)为提高生产效率，对改进后的1层缸盖水套内的冷却液流动进行了分析；(5)为实现缸体快速加热，在缸体水套中嵌入隔板，证实了其可以提升缸体下部的温度；(6)对集成于缸体中的EGR 冷却器进行了改进，增加了冷却液流量，达到了减轻质量、降低成本和减少装配步骤的目的；(7)改进了缸盖水套，有效地冷却了涡轮增压发动机的排气道。

注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期

作者：[韩] T .CHANG等

整理：武涛 

编辑：虞展