新一代2.0 L 4缸汽油機冷卻系統的開發
為滿足日益嚴格的全球燃油經濟性要求，流量主動控制、缸間鑽孔和快速加熱等各種先進的發動機冷卻技術得以應用。韓國現代汽車公司最近開發了新一代2.0 L 4缸汽油機，採用了幾種新的冷卻系統技術。
從概念設計階段到預生產階段，總結了三維計算機輔助工程(CAE)分析在發動機冷卻性能評價中的應用。對缸蓋和缸體水套中的冷卻液流動進行了研究，找出了最佳方案，並通過優化缸墊孔對其進行了進一步的改進。在製造首台試驗發動機之前，進行了三維温度模擬，以滿足工程樣機階段的開發標準。為降低發動機温度或提高生產率，在新開發的發動機上研究並實施了一些水套的設計，如快速加熱的缸體水套隔板、集成EGR 冷卻器的缸體、集成排氣歧管的缸蓋等。這些設計在試驗階段呈現了良好的效果。採用了三維熱流CAE分析，對各系統進行了詳細的物理現象研究，並提出瞭解決方案。結果表明，新一代發動機的冷卻系統具有足夠的熱穩定性。
0 前言
在保持現有量產發動機基本結構的前提下提高燃油效率是韓國現代汽車公司下一代4缸2.0 L汽油機的開發側重點。為了滿足世界各國的燃油經濟性法規，各種新技術被應用到該發動機上。對於新發動機的冷卻系統，為了在不降低冷卻性能的前提下提高效率，現代汽車公司採用了以下先進的概念：(1)在每個發動機工況點,使用多路控制閥優化冷卻液流量分配；(2)缸蓋和缸體中採用橫向流使得各缸之間的冷卻效果更為均勻；(3)通過快速加熱來減少缸體的中下部摩擦損失。為了有效地評估這些新的冷卻概念，三維計算機輔助工程(CAE)，被廣泛應用於從概念設計階段到生產前階段的冷卻子系統分析。評估概念設計有助於在製造工程樣機之前確定最佳方案,，並優化最終設計。通過三維CAE技術，可以預見潛在的問題，找出解決問題的方法，在節約成本和時間的同時，使整個開發過程的質量趨於成熟。新開發的發動機包括自然吸氣進氣道噴射(PFI)發動機和渦輪增壓缸內直噴發動機，其參數見表1所示。
1 概念設計階段CAE分析
1.1 設計分析
在製造工程樣機之前的概念設計階段，有必要通過CAE分析對新的冷卻概念進行評估。採用Star-CCM+軟件對燃燒室冷卻系統中最重要的部件——缸蓋和缸體水套砂芯模型進行了三維計算流體力學(CFD)分析。採用含有無量綱邊界層厚度y+的雷諾平均RANSk-N 雙層湍流模型，對水套流場進行了CFD計算。通過測量水套各主要部位的流量、流速和換熱係數(HTCs)，可以預測水套的冷卻性能。
1.2 排氣側優先冷卻水套設計
在新發動機的初始水套設計中應用了橫向流的概念，即將冷卻液的流向設計成進氣側水泵—缸體進氣側—缸蓋進氣側—缸蓋排氣側—缸體排氣側的路線。對於這種水套設計，因為冷卻液先流向進氣側，導致受熱更多的缸蓋排氣側冷卻效果不佳。因此，推薦採用圖1中的改進方案1，即冷卻液從水泵直接流向排氣側並優先冷卻。改進方案1的冷卻液路線為水泵—缸體排氣側—缸蓋排氣側—缸蓋進氣側—缸體進氣側。
此外，還考慮了上下兩層的雙層缸蓋水套設計，以使來自缸體的冷卻液能夠流向燃燒室周圍的水道。由於按照採用平行流的常規設計，與水泵連接的通道是傾斜的，因此初始水套不利於冷卻液直接流向缸體排氣側。在改進方案1中，水套被改為正常方向，因此冷卻液就可以更容易地流向排氣側。圖1顯示了初始設計和改進方案1中的缸蓋和缸體水套形狀。
在最大冷卻條件下對2種設計進行CFD分析，檢查冷卻液流量和流速。在發動機燃燒室內，排氣門和火花塞附近之間的區域承受最高的熱負荷，需要大流量冷卻液來降低排氣門側鼻樑區的温度，從而確保結構穩定性和抗爆燃性。如表2所示，改進方案1的流量增加到了13.8 L/min，大約是初始設計(5.8 L/min)的2倍。改進方案1和初始方案水套流量與總入口流量(150 L/min)的比值分別為9.2%和3.9%。圖2顯示了缸蓋水套排氣側的冷卻液流速增加，壓力損失從0.085 MPa增加到0.165 MPa。
2 樣機階段CAE分析
在完成缸蓋和缸體的計算機輔助設計(CAD)建模後，對其進行了三維温度分佈和冷卻液流動CFD 計算。為了進行發動機額定工況下的三維換熱分析，通過一維循環仿真，得到了燃燒室的熱邊界條件。在Gamma技術公司的GT-Power一維循環模擬中，可以預測同心圓內火焰的傳播速度。在此基礎上，可以在曲軸轉角域計算已燃區和未燃區的温度和HTCs，通過瞬態結果的循環平均值，給出了燃燒室的三維火力面邊界條件。
考慮到活塞在曲軸轉角域內的運動，研究人員計算了傳到缸套的熱能。缸套分為火焰接觸區、活塞裙部接觸區和機油接觸區3個區域。這些區域根據活塞的位置進行垂直分解，並根據經驗假設每個區域的換熱。最後，將結合區域的温度和HTCs循環平均值作為熱邊界條件。
在上述方法的基礎上，採用包含修正係數的數值函數作為因子，利用試驗數據對三維温度計算模型進行標定。新發動機的總熱負荷是根據量產發動機的額定功率和修正係數估計的，並將以前試驗的對流換熱結果應用在了與環境空氣或潤滑油接觸的表面。圖3給出了台架試驗温度與三維熱模擬温度之間的關係。台架試驗温度通過熱電偶在缸蓋和缸體上進行測量，模擬計算温度從相同的測量點提取。
2.1 優化缸墊孔
為了從橫向流動的角度提高氣缸間冷卻的均勻性，研究人員對改進方案1的缸墊孔進行了三維CFD模擬優化。由於缸墊的冷卻液孔是缸蓋和缸體水套之間的通道，因此可以通過調整缸墊孔面積和位置來微調冷卻液流量的分佈。雖然缸墊孔的面積和位置都會影響流量，但為了簡化系統，只對缸墊孔的面積來進行了優化。優化工作採用了AutoGH 軟件，該工具是基於Star-CCM+軟件內部開發的自動化工具。每個缸墊孔的面積被設定為設計變量，並假設在初始階段全開。從CFD和換熱結果中得到的每個氣缸的最高温度來量化冷卻效果，並將所有温度中的最大值進行最小化作為優化的目標函數來均衡温度。為了避免冷卻系統流動阻力出現不切實際的增大現象，研究人員將壓降作為1個約束條件。
以12個缸墊孔為設計變量，採用三級正交設計法進行試驗設計(DOE)。然而，基於CFD模擬的DOE結果表明：排氣側孔靈敏度較高,進氣側孔對目標函數影響不大，減少開孔只會增加不必要的壓降。在進行篩選後，再對排氣側的5個孔再次進行DOE模擬。如圖4所示，改進方案1A 中工程樣機的最終缸墊孔是通過使用迴歸分析進行近似估計得到的。與改進方案1相比(圖2)，在改進方案1A 中第3缸和第4缸缸蓋水套內的冷卻液流速增加。缸蓋主要部位的温度CAE結果也在圖4中給出。氣缸間排氣門側鼻樑區温度差異由9 ℃降低到3 ℃。
2.2 缸體鑽孔的冷卻能力分析
通過CAE分析，研究人員驗證了缸體上鑽橫向孔的冷卻能力。通常，相鄰氣缸之間的區域温度最高，這是因為2個燃燒室的熱能都傳遞到該區域所致。為了冷卻大功率發動機，可以在2個氣缸中對缸體進行鑽孔或開槽處理，即在進氣側和排氣側缸體水套中增加連接的通道。
對有無鑽孔的缸蓋和缸體進行了三維熱模擬。圖5表示缸體中心剖面上的温度分佈。在三維熱模擬中發現，缸體鑽孔可使氣缸體最高温度降低23 ℃，特別是在橫流概念下，在缸體水套內插入隔板，將進排氣側水套隔開，從而增大了二者之間的壓差，冷卻液流量得到增加，缸體最高温度得到了大幅度降低。
2.3 單層缸蓋水套前期研究
從冷卻性能的角度對改進後的缸蓋水套提高批量生產的效率進行了初步探討。為提高兩層式砂芯(圖1)的剛度，設計了1層缸蓋水套，並擴大了上下砂芯之間的連接部分，利用三維熱流分析對其進行了再研究。如圖6所示，與兩層缸蓋水套相比，由於1層水套排氣門側鼻樑區的截面積大幅增加，因此很難將冷卻液引至缸蓋底部實現燃燒室的強冷卻。研究人員通過將排氣門鼻樑區的流道去除，隔離其周圍的金屬，以便在那裏接觸更多的冷卻液。結果表明，通過排氣門鼻樑區的平均流量從13.8 L/min增加到25.9 L/min，最高温度基本保持不變。
3 樣機改進階段CAE分析
在這一階段，利用CAE對發動機台架試驗中出現的問題進行仿真分析，力圖找出有效的解決方法。由於冷卻子系統已經確定，研究人員對其性能進行了研究。通過StarCCM+建立了包括冷卻迴路和所有換熱器(簡化為矩形盒)的三維閉環共軛傳熱(CHT)模型(圖7)。通過台架試驗獲得的温度數據，可以修正熱邊界條件以建立相關性，如圖3中三角形點所示。為了更準確地預測缸體的熱負荷，對CHT模型中的油温進行了測量和修正。
3.1 帶水套隔板的熱缸體
為了減小發動機的摩擦，引入了熱缸體的概念，即在缸體下部減少冷卻，使機油温度保持在較高的水平。在初始設計中，隔板將缸體水套上下分離，使大部分冷卻液流向缸體頂部和缸蓋，並釋放出大量熱量。缸體水套下部冷卻液自然流動緩慢，冷卻效果降低。由於存在密封問題，研究替換為改進方案2中的隔板。該隔板使用了絕熱材料，可以減少冷卻液和缸體表面之間的熱傳遞。改進方案2A 的絕熱層僅位於缸體水套的底部，改進方案2B將其延伸到缸體水套的中心。圖8比較了各種方案下缸體水套隔板的幾何結構。
如圖9所示，模擬計算得到了缸體垂直方向的温度，以代表缸體的温度。結果顯示，在缸體下部(1/3處)温度由高到低依次為改進方案2B、改進方案2A 和改進方案1。改進方案1的下部温度最低，是因為冷卻液的流動仍然存在。改進方案3因隔板的密封性更好，温度分佈與改進方案2A 相似，進氣側和排氣側的温度都比改進方案1高出10 ℃左右。
3.2 集成於缸體的冷卻器改進
為了提升裝配效率和降低成本，開發的自然吸氣發動機採用了集成在缸體中的廢氣再循環(EGR)冷卻器，或將冷卻器安裝在排氣側缸體的外部。在初始設計中，冷卻液從1缸缸體水套的排氣側直接流向EGR冷卻器，換熱後的冷卻液通過單獨的軟管流到多路流量控制閥系統中。在可行性試驗中，發現EGR冷卻器的流量比標準低30%。為解決該問題，研究人員對EGR冷卻器進行分析，在建立的三維CHT模型中集成了詳細的內流砂芯，計算了EGR管路的平均表面流速和流速均勻性，發現導致冷卻器流量下降的原因是管路出口狹窄造成的。研究人員對各種備選方案的可行性進行了分析，並最終選定了5種設計方案。
如圖10所示，在EGR冷卻器內部增加肋片，減小容積，從而使冷卻液更集中地流向管道。此外，通過改變缸體外壁肋片方向，形成流動阻力，從而使冷卻液再次流向管道。通過在缸體水套嵌入隔板和增大連接孔，加強了從缸體到EGR冷卻器的冷卻液流量。為了擴大EGR冷卻器的出口，拆除了出口軟管(E)，並在H1、H2和H3這3個位置上鑽孔，結果冷卻液流回到缸體水套。
在對EGR冷卻器進行所有改進後，通過仿真計算獲得的缸蓋和缸體的最高温度幾乎相同，流速增加了約67%，流速均勻性也從0.66提高到0.70(圖11)，從而實現了高效的EGR 氣體冷卻。最終的設計去掉了出口軟管，以減少裝配步驟、質量和成本。
3.3 渦輪增壓發動機集成排氣歧管的缸蓋分析
新開發的渦輪增壓發動機的缸蓋集成了排氣歧管，其周圍設計有水套。在大功率渦輪發動機中，由於大量的熱廢氣流過排氣道，因此冷卻排氣道非常重要。首先，通過對額定功率工況下的排氣進行非定常CFD模擬，得到了缸蓋排氣道的對流換熱係數，並將其作為CHT模型的邊界條件。
初始設計的缸蓋顯示在排氣道周圍的最高温度超過300 ℃。在如此高的温度下，鋁缸蓋的物理性能可能會惡化，所以對排氣道周圍的水套進行了改進，以加強冷卻。最終的缸蓋水套如圖12所示，因為2號和3號氣缸該區域熱負荷不強，因此可以減少中上部水套芯(A)的數量。此外，發現排氣道(B)連接處和法蘭(C)附近存在熱應力，因此在排氣道(B)連接處和法蘭(C)附近增加了冷卻液流道。如圖13所示，排氣道周圍的最高温度降低了89 ℃。
4 結論
從概念設計階段開始，研究人員對冷卻系統各種備選設計方案進行了研究，利用三維CAE技術有效地進行發動機冷卻系統開發。通過水套芯CFD 分析流動特性，可以確定冷卻概念在每個設計方案中的實施情況。在模擬過程中可以選擇幾個測點，以便在後期設計和試驗的情況下更全面地評估流量。利用三維CAE可以解決發動機試驗中出現的問題。在該階段，熱邊界條件可以用試驗得到的温度數據進行標定。因此，可以進行更精確的CAE分析(如CHT)，以研究試驗中難以發現的系統詳細特性。這有助於在開發過程中節省時間和成本，可以方便地檢查出所提解決方案的可行性。
在新型發動機冷卻系統開發過程中，研究人員總結了三維熱流體CAE技術。採用CAE技術進行的主要改進有：(1)為了有效地將冷卻液集中到吸收大量燃燒熱量的缸蓋排氣側，確定了冷卻液橫向流動方向為排氣優先；(2)優化了缸墊孔面積，使缸內橫向流動均勻，實現缸內均勻冷卻；(3)驗證了在缸體間的鑽孔可以降低温度；(4)為提高生產效率，對改進後的1層缸蓋水套內的冷卻液流動進行了分析；(5)為實現缸體快速加熱，在缸體水套中嵌入隔板，證實了其可以提升缸體下部的温度；(6)對集成於缸體中的EGR 冷卻器進行了改進，增加了冷卻液流量，達到了減輕質量、降低成本和減少裝配步驟的目的；(7)改進了缸蓋水套，有效地冷卻了渦輪增壓發動機的排氣道。
注：本文發表於《汽車與新動力》雜誌2020年第3期
作者：[韓] T .CHANG等
整理：武濤
編輯：虞展
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