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摘 要：随着新排放法规的实施，重型柴油机冷却系统的能力在国六阶段也面临着严峻的考验。本文利用CFD手段，对某国六重型柴油机冷却水套进行计算。通过分析，所设计的冷却水套能够满足该款发动机国六阶段的冷却需求。
关键词：国六；重型柴油机；冷却水套；CFD
中图分类号：TK422 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）04-0025-05
Abstract： With the implement of new emission regulations， the ability of heavy duty diesel cooling system face severe challenges at China VI. This paper analysis a heavy duty diesel cooling jacket with Computer Fluid Dynamic. The results show that the ability of the design cooling jacket is enough for the engine.
Key Words： China VI； heavy duty diesel； cooling jacket； CFD
排放法规的加严，促使发动机排放水平越来越高[1]，同时发动机冷却系统的能力越来越强。优化发动机水套的设计，对于提升冷却系统的能力有着十分重要的意义[2]。若发动机鼻梁区流动能力不够，将导致该区域热负荷增高，使发动机存在缸盖开裂的风险[3]。此外，温度过高，会导致排放质量降低。若发动机的冷却能力过高，会使过多的能力通过冷却系统散失，导致发动机效率降低。所以合理的设计发动机水套，对于发动机的设计具有十分重要的意义[4]。
国六阶段相比于国五阶段，一方面发动机的爆压增加，从而导致热负荷增高。对于冷却系统的冷却能力要求也进一步提高。另一方面，EGR的后处理路线会增加EGR冷却器。EGR冷却器的加入，会增加水泵的整体流量。此外，其取回水位置会对发动机本体水套内的流动流动产生影响。在水套设计过程中，利用CFD手段对所设计水套进行流动分析，能够快速评判冷却液在水套中的流动形式，并且能够对关键区域的流动状态进行分析。根据计算结果，结合开发目标对水套结构进行调整，使其能够达到设计需求[5]。
本文利用CFD手段，对国六机型发动机水套进行分析，并评价了EGR冷却器的流量分配。计算结果证明，该水套设计能够满足设计需求。
1 模型介绍
1.1 水套模型
文本所研究发动机为直列六缸水冷发动机，水套模型如图1所示。国六阶段，水套主要由机油冷却器、缸体水套、缸盖水套、EGR冷却器和相应管路组成。其中机油冷却器的换热片数量为13。EGR冷却器取水口位于机油冷却器模块后端，回水至缸盖出水管（调温器前端）。
1.2 CFD计算模型
本文计算软件采用商业软件AVL-Fire。计算数学模型包括N—s方程和湍流模型，这里湍流模型采用k-ζ-f模型，方程的离散采用有限容积法，求解算法采用SIMPLE算法，计算流体为定常不可压缩流动，计算工况为发动机额定工况。
进口边界类型采用质量流量，水泵流量为7.7kg/s。出口边界类型采用梯度为0。冷却液采用50%水和50%乙二醇的混合液。冷却水套壁面采用固定壁面边界类型。网格数量：700万。
由于EGR冷却器内部流道比较复杂，直接进行网格化分难度较大，而且网格数量会特别多，影响计算效率。所以采用多孔介质模型模拟EGR冷却器的换热段。多孔介质模型主要用来模拟相应区域的压力损失，计算过程中，采用以下的计算公式：
计算过程中，首先对EGR冷却器进行单品试验，得到压力损失与流速的数据。再通过二次拟合，得到压力损失关于流速的二次方程。与上式进行对比，得到相应的粘性损失系数和惯性损失系数。从而在模型中，对多孔介质区域进行定义。表一显示了EGR冷却器单品试验压力损失数据。
1.3 计算模型标定
对于计算模型的标定，一方面可以进行整机的流阻特性试验，通过整机试验进行标定。另一方面，也可以进行单体试验。对于重点关注的单体CFD计算结果，利用单体试验的数据进行标定，也能够反映CFD计算模型的准确性。本文采用EGR冷却器单体的试验数据对计算模型进行标定。通过表一，能够拟合出压力损失关于流量的二次项方程，见下式。
标定工况，冷却液流量为450L/min。CFD计算得到的EGR冷却器进出水端的压力损失为0.41bar。通过公式（1）所拟合出的压力损失值为0.42bar。CFD计算值与试验拟合值相差2.94%。從工程角度讲，该误差说明计算值是可靠的。
2 计算结果分析
对于发动机水套，比较关注的流速区域为缸盖鼻梁区、缸体内壁面。此外，还有各缸上水量、各支路流量分配等。下面将对关键区域的计算结果作详细描述。
2.1 各缸上水量
发动机各缸上水量，是指每一缸从缸体到缸盖的上水量。这个指标表明了冷却液分配的合理性。由于各缸燃烧的形式相同，所以热负荷水平也相当。为保证各缸的冷却效果，在满足冷却液绝对流量的情况下，还应该尽可能保证各缸上水量相同，以免产生应力集中。为评价各缸上水的均匀性，定义了不均匀度的概念。其具体的公式如下：
图2（a）和2（b）分别显示了各缸上水量和上水不均匀度。从图2（a）中可以看出，各缸上水量达到了55L/min之上，能够保证缸盖的冷却需求。从图2（b）中可以看出，各缸上水量比较均匀，各缸上水量不均匀度均不超过10%。其中2缸的上水量不均匀度最大，为5.82%。
2.2 鼻梁区流速 发动机水套设计过程中，鼻梁区为关键区域。如果该区域流速不达标，会导致缸盖开裂，从而影响发动机的可靠性。图3对额定工况下各缸不同鼻梁区流速水平进行了对比。
该水套设计特殊，进进鼻梁区并未设计水套。从图3中，可以看到最为关键的排排鼻梁区流速达到了5m/s的水平，根据前期开发机型的工程经验以及发动机的热负荷看，该水平完全满足冷却需求。同时，各缸鼻梁区流速分布比较均匀，波动小，这样的设计有助于减小热应力集中，提高缸盖的可靠性。
2.3 缸盖下水套流速
缸盖下端部分，布置有燃烧室。该部分温度为整个发动机最高。缸盖下水套的整体流速，能够反映该区域的冷却情况。图4显示了额定工况下缸盖下水套的流动情况。
从图中可以看出，各缸缸盖下水套流速分布均匀，各鼻梁区的流速水平达到3m/s，整体的平均流速为1.23m/s。鼻梁區附近流动状态较好，进气侧和排气侧存在流速很低的区域，但是这些区域与燃烧室距离较远，热负荷较低，对冷却液流速要求不高。
2.4 缸体水套内壁面流速
缸体水套内壁面的流速能够反映缸体的冷却情况。由于水套上部分距离燃烧室较近，热负荷较高，所以需要更高的流速。同时，缸体水套下部分位于整个水套的最低位置，该区域应该保证一定的流速，不允许存在流动死区。
图5显示了额定工况下缸体水套内壁面的流速分布。从图中可以看出，水套上部分流速较高，可以达到1.5m/s以上。水套下部分流速相对较低，在1m/s左右。整个水套基本不存在流动死区，与此同时，各缸流动形式相似。以上数据和现象说明，缸体水套设计合理，能够满足缸体的冷却需求。
2.5 EGR冷却器流动分析
EGR冷却器是冷却系统的关键部件。若其冷却液流量不够，将导致废气的温度过高，一方面增加了燃烧温度，恶化排放。另一方面，冷却液温度过高，在冷却管道中产生模态沸腾，影响EGR冷却器的可靠性。图6显示了EGR冷却器多孔介质区域的压力分布。
从图中可以看出，进口区域压力要高于出口区域压力，进出口压力差为0.41bar。计算得到的EGR冷却器流量为97.6L/min。EGR冷却器在发动机额定工况的流量是根据EGR率、废气流量、废气温差、冷却液温差计算得到的，设计流量为90L/min。计算结果为97.6L/min，高出设计值8.44%。说明EGR冷却器取水方案合理，能够保证废气的冷却需求。
2.6 压力损失分布
了解冷却系统的整体压力损失分布，有助于找到提高冷却系统性能改善方向。表二说明了冷却水套的整体压力损失分布。
从表中数据可知，机冷器的压力损失为0.07bar，缸体压力损失为0.27bar，缸盖压力损失为0.27bar，总体压力损失为0.91bar。缸体压力损失占比最大，为总体压力损失的62.64%。总体压力损失为0.91bar，该值对于水泵的匹配有重要指导意义。
另外，利用计算的结果，针对该发动机进行了试制，并进行了相关可靠性的试验。试验过程中，发动机缸体、缸盖没有出现开裂现象，冷却液温度在设计范围内，同时EGR冷却器的流量也达到了设计要求。从结果上看，本文所进行的CFD计算工作对于发动机冷却系统的开发具有指导意义，计算结果值得信赖。
3 总结
本文针对某国六重型柴油机冷却系统水套进行CFD计算。计算结果显示各缸上水量满足设计要求，同时各缸上水量分布均匀，最大的不均匀度为5.82%；各缸排排鼻梁区流速达到了5m/s，满足冷却要求。同时各缸同一鼻梁区流速分布均匀，有助于减小热应力；缸盖下水套流速分布合理，热负荷高的区域流速高，热负荷低的区域流速低；缸体水套内壁面上部流速达到3m/s，下部分不存在流动死区；EGR冷却器的流量达到97.6L/min，高于设计值8.44%，满足设计要求。冷却系统的整体压力损失为0.91bar，对水泵的匹配提供指导。
以上工作一方面验证了所设计冷却水套能够满足设计需求，另一方面利用了三维CFD的方法对冷却系统的匹配进行了分析。相对于传统的一维计算，体现了三维计算在系统方面的优越性。多孔介质模型的运用，也优化了计算过程，对于工程计算有重要的指导意义。
参考文献：
[1]重型车国六排放标准进展，环保部环境保准研究所， http：//www.es.org.cn.
[2]闫麟角，基于CFD数值方法的某重型柴油机冷却水套的开发[J]，拖拉机与农用运输车，2013（3）：46-50.
[3]李智，张宏飞.基于CFD仿真和PIV测试的柴油机气缸盖水套优化设计[C].2015年APC联合学术年会，2015.
[4]陆荣荣，某发动机冷却水套仿真分析[J]，内燃机，2011（4）.
[5]李相超，基于STAR-CCM 的某涡轮增压发动机水套冷却性能分析与优化[C].2011年CDAJ-China中国用户论文集，2011.
关键词：国六；重型柴油机；冷却水套；CFD
中图分类号：TK422 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2017）04-0025-05
Abstract： With the implement of new emission regulations， the ability of heavy duty diesel cooling system face severe challenges at China VI. This paper analysis a heavy duty diesel cooling jacket with Computer Fluid Dynamic. The results show that the ability of the design cooling jacket is enough for the engine.
Key Words： China VI； heavy duty diesel； cooling jacket； CFD
排放法规的加严，促使发动机排放水平越来越高[1]，同时发动机冷却系统的能力越来越强。优化发动机水套的设计，对于提升冷却系统的能力有着十分重要的意义[2]。若发动机鼻梁区流动能力不够，将导致该区域热负荷增高，使发动机存在缸盖开裂的风险[3]。此外，温度过高，会导致排放质量降低。若发动机的冷却能力过高，会使过多的能力通过冷却系统散失，导致发动机效率降低。所以合理的设计发动机水套，对于发动机的设计具有十分重要的意义[4]。
国六阶段相比于国五阶段，一方面发动机的爆压增加，从而导致热负荷增高。对于冷却系统的冷却能力要求也进一步提高。另一方面，EGR的后处理路线会增加EGR冷却器。EGR冷却器的加入，会增加水泵的整体流量。此外，其取回水位置会对发动机本体水套内的流动流动产生影响。在水套设计过程中，利用CFD手段对所设计水套进行流动分析，能够快速评判冷却液在水套中的流动形式，并且能够对关键区域的流动状态进行分析。根据计算结果，结合开发目标对水套结构进行调整，使其能够达到设计需求[5]。
本文利用CFD手段，对国六机型发动机水套进行分析，并评价了EGR冷却器的流量分配。计算结果证明，该水套设计能够满足设计需求。
1 模型介绍
1.1 水套模型
文本所研究发动机为直列六缸水冷发动机，水套模型如图1所示。国六阶段，水套主要由机油冷却器、缸体水套、缸盖水套、EGR冷却器和相应管路组成。其中机油冷却器的换热片数量为13。EGR冷却器取水口位于机油冷却器模块后端，回水至缸盖出水管（调温器前端）。
1.2 CFD计算模型
本文计算软件采用商业软件AVL-Fire。计算数学模型包括N—s方程和湍流模型，这里湍流模型采用k-ζ-f模型，方程的离散采用有限容积法，求解算法采用SIMPLE算法，计算流体为定常不可压缩流动，计算工况为发动机额定工况。
进口边界类型采用质量流量，水泵流量为7.7kg/s。出口边界类型采用梯度为0。冷却液采用50%水和50%乙二醇的混合液。冷却水套壁面采用固定壁面边界类型。网格数量：700万。
由于EGR冷却器内部流道比较复杂，直接进行网格化分难度较大，而且网格数量会特别多，影响计算效率。所以采用多孔介质模型模拟EGR冷却器的换热段。多孔介质模型主要用来模拟相应区域的压力损失，计算过程中，采用以下的计算公式：
计算过程中，首先对EGR冷却器进行单品试验，得到压力损失与流速的数据。再通过二次拟合，得到压力损失关于流速的二次方程。与上式进行对比，得到相应的粘性损失系数和惯性损失系数。从而在模型中，对多孔介质区域进行定义。表一显示了EGR冷却器单品试验压力损失数据。
1.3 计算模型标定
对于计算模型的标定，一方面可以进行整机的流阻特性试验，通过整机试验进行标定。另一方面，也可以进行单体试验。对于重点关注的单体CFD计算结果，利用单体试验的数据进行标定，也能够反映CFD计算模型的准确性。本文采用EGR冷却器单体的试验数据对计算模型进行标定。通过表一，能够拟合出压力损失关于流量的二次项方程，见下式。
标定工况，冷却液流量为450L/min。CFD计算得到的EGR冷却器进出水端的压力损失为0.41bar。通过公式（1）所拟合出的压力损失值为0.42bar。CFD计算值与试验拟合值相差2.94%。從工程角度讲，该误差说明计算值是可靠的。
2 计算结果分析
对于发动机水套，比较关注的流速区域为缸盖鼻梁区、缸体内壁面。此外，还有各缸上水量、各支路流量分配等。下面将对关键区域的计算结果作详细描述。
2.1 各缸上水量
发动机各缸上水量，是指每一缸从缸体到缸盖的上水量。这个指标表明了冷却液分配的合理性。由于各缸燃烧的形式相同，所以热负荷水平也相当。为保证各缸的冷却效果，在满足冷却液绝对流量的情况下，还应该尽可能保证各缸上水量相同，以免产生应力集中。为评价各缸上水的均匀性，定义了不均匀度的概念。其具体的公式如下：
图2（a）和2（b）分别显示了各缸上水量和上水不均匀度。从图2（a）中可以看出，各缸上水量达到了55L/min之上，能够保证缸盖的冷却需求。从图2（b）中可以看出，各缸上水量比较均匀，各缸上水量不均匀度均不超过10%。其中2缸的上水量不均匀度最大，为5.82%。
2.2 鼻梁区流速 发动机水套设计过程中，鼻梁区为关键区域。如果该区域流速不达标，会导致缸盖开裂，从而影响发动机的可靠性。图3对额定工况下各缸不同鼻梁区流速水平进行了对比。
该水套设计特殊，进进鼻梁区并未设计水套。从图3中，可以看到最为关键的排排鼻梁区流速达到了5m/s的水平，根据前期开发机型的工程经验以及发动机的热负荷看，该水平完全满足冷却需求。同时，各缸鼻梁区流速分布比较均匀，波动小，这样的设计有助于减小热应力集中，提高缸盖的可靠性。
2.3 缸盖下水套流速
缸盖下端部分，布置有燃烧室。该部分温度为整个发动机最高。缸盖下水套的整体流速，能够反映该区域的冷却情况。图4显示了额定工况下缸盖下水套的流动情况。
从图中可以看出，各缸缸盖下水套流速分布均匀，各鼻梁区的流速水平达到3m/s，整体的平均流速为1.23m/s。鼻梁區附近流动状态较好，进气侧和排气侧存在流速很低的区域，但是这些区域与燃烧室距离较远，热负荷较低，对冷却液流速要求不高。
2.4 缸体水套内壁面流速
缸体水套内壁面的流速能够反映缸体的冷却情况。由于水套上部分距离燃烧室较近，热负荷较高，所以需要更高的流速。同时，缸体水套下部分位于整个水套的最低位置，该区域应该保证一定的流速，不允许存在流动死区。
图5显示了额定工况下缸体水套内壁面的流速分布。从图中可以看出，水套上部分流速较高，可以达到1.5m/s以上。水套下部分流速相对较低，在1m/s左右。整个水套基本不存在流动死区，与此同时，各缸流动形式相似。以上数据和现象说明，缸体水套设计合理，能够满足缸体的冷却需求。
2.5 EGR冷却器流动分析
EGR冷却器是冷却系统的关键部件。若其冷却液流量不够，将导致废气的温度过高，一方面增加了燃烧温度，恶化排放。另一方面，冷却液温度过高，在冷却管道中产生模态沸腾，影响EGR冷却器的可靠性。图6显示了EGR冷却器多孔介质区域的压力分布。
从图中可以看出，进口区域压力要高于出口区域压力，进出口压力差为0.41bar。计算得到的EGR冷却器流量为97.6L/min。EGR冷却器在发动机额定工况的流量是根据EGR率、废气流量、废气温差、冷却液温差计算得到的，设计流量为90L/min。计算结果为97.6L/min，高出设计值8.44%。说明EGR冷却器取水方案合理，能够保证废气的冷却需求。
2.6 压力损失分布
了解冷却系统的整体压力损失分布，有助于找到提高冷却系统性能改善方向。表二说明了冷却水套的整体压力损失分布。
从表中数据可知，机冷器的压力损失为0.07bar，缸体压力损失为0.27bar，缸盖压力损失为0.27bar，总体压力损失为0.91bar。缸体压力损失占比最大，为总体压力损失的62.64%。总体压力损失为0.91bar，该值对于水泵的匹配有重要指导意义。
另外，利用计算的结果，针对该发动机进行了试制，并进行了相关可靠性的试验。试验过程中，发动机缸体、缸盖没有出现开裂现象，冷却液温度在设计范围内，同时EGR冷却器的流量也达到了设计要求。从结果上看，本文所进行的CFD计算工作对于发动机冷却系统的开发具有指导意义，计算结果值得信赖。
3 总结
本文针对某国六重型柴油机冷却系统水套进行CFD计算。计算结果显示各缸上水量满足设计要求，同时各缸上水量分布均匀，最大的不均匀度为5.82%；各缸排排鼻梁区流速达到了5m/s，满足冷却要求。同时各缸同一鼻梁区流速分布均匀，有助于减小热应力；缸盖下水套流速分布合理，热负荷高的区域流速高，热负荷低的区域流速低；缸体水套内壁面上部流速达到3m/s，下部分不存在流动死区；EGR冷却器的流量达到97.6L/min，高于设计值8.44%，满足设计要求。冷却系统的整体压力损失为0.91bar，对水泵的匹配提供指导。
以上工作一方面验证了所设计冷却水套能够满足设计需求，另一方面利用了三维CFD的方法对冷却系统的匹配进行了分析。相对于传统的一维计算，体现了三维计算在系统方面的优越性。多孔介质模型的运用，也优化了计算过程，对于工程计算有重要的指导意义。
参考文献：
[1]重型车国六排放标准进展，环保部环境保准研究所， http：//www.es.org.cn.
[2]闫麟角，基于CFD数值方法的某重型柴油机冷却水套的开发[J]，拖拉机与农用运输车，2013（3）：46-50.
[3]李智，张宏飞.基于CFD仿真和PIV测试的柴油机气缸盖水套优化设计[C].2015年APC联合学术年会，2015.
[4]陆荣荣，某发动机冷却水套仿真分析[J]，内燃机，2011（4）.
[5]李相超，基于STAR-CCM 的某涡轮增压发动机水套冷却性能分析与优化[C].2011年CDAJ-China中国用户论文集，2011.