前言

隨著國家排放法規的日益嚴格，市場對柴油機節能減排和可靠性的要求愈加嚴苛。柴油機冷卻系統的工作能力直接影響受熱零部件的熱負荷和相關摩擦副的潤滑條件，進而關系發動機的燃油消耗、污染物排放和可靠性。因此，冷卻系統的精細化設計和控制技術成為柴油機研究中的重要環節。

 

長期以來，數值仿真方法，尤其是三維 CFD 技術的發展，為柴油機冷卻系統優化設計提供了有效的手段［1 － 8］，然而，由于冷卻系統流道結構復雜，其實際流動狀態不僅與設計有關，還受到制造工藝的顯著影響，這種工藝因素目前尚不能采用數值方法準確計算。因此，工程上還是采用試驗測量的方法檢驗冷卻水道的流動情況，以之檢驗設計與制造綜合質量水平。其中各上水孔的流量常被作為內部流動情況的重要表征，渦輪流量計則是常用的傳感器。上述測試過程中，渦輪流量計在安裝和固定等使用過程中須采用測量板，上水孔流量測量結果受到由渦輪流量計和測量板組成的測量模塊的流動阻力的影響，準確掌握這種影響，對于測量板結構優化設計、提高流量測量精確度具有重要意義。鑒于目前相關研究較少，本文中采用試驗測量與模擬計算相結合的方法深入研究渦輪流量計和測量板組成的測量模塊對柴油機缸體上水孔流量測量的影響，為測量板結構的優化設計和提高流量測量精確度提供理論依據。

1 柴油機上水孔流量測量試驗

1. 1 試驗裝置和試驗方法

整個試驗臺示意圖如圖 1 所示，流量計安裝如圖 2 所示，測量板結構如圖 3 所示。試驗裝置為閉式系統，試驗介質為清水，溫度為室溫。總流量使用高精度電磁流量計進行測量，布置在水泵進口前。在柴油機進出水口各布置 1 個水壓傳感器來測量壓差和 1 個 PT100 熱電阻來測量溫度。變頻電機和水泵布置在發動機進水口前，渦輪流量計選用 LWGY－ 10，上下兩塊測量板固定和安裝 24 個渦輪流量計測量各上水孔流量，試驗方法按某發動機冷卻系統規范進行。試驗儀器如表 1 所示，某六缸柴油機技術參數如表 2 所示。

1. 2 試驗結果

由于試驗數據較多，現只選 1 組試驗數據對后面的仿真計算進行校驗，其中試驗邊界條件為: 入口流 量 8. 37 kg / s、入 口 水 溫 311 K 和 出 水 壓 力11 837 Pa。各上水孔的編號如圖4所示，由于試驗過程中第 2，5 和 11 上水孔的渦輪流量計損壞，故將這 3 個上水孔流量數據剔除。試驗所測得數據如圖5 所示。

 

2 柴油機冷卻水流動 CFD 分析

為研究渦輪流量計和測量板組成的測量模塊對缸體上水孔流量測量的影響，采用 CFD 對引入測量模塊前后各上水孔流量的變化進行對比分析。

 

2. 1 幾何模型的建立

本文中研究對象為某直列六缸柴油機冷卻系統，由于整體結構十分復雜，完全按照其實體建立計算模型非常困難，在保證對數值模擬計算結果不產生很大影響的前提下，對實際的實體結構進行一些簡化處理，如略去某些過渡圓角、倒角等次要細節，對一些關鍵位置( 如缸蓋水套“鼻梁”區) 不作任何簡化。利用三維 CAD 軟件建立六缸冷卻系統的幾何模型。

 

為研究測量模塊對柴油機缸體上水孔流量測量的影響，對渦輪流量計和測量板進行三維建模。由于渦輪流量計的實物結構復雜，建模難度很大，而流量計中葉輪對上水孔流量的影響體現在冷卻水通過葉輪時會產生一定的壓力損失，所以可將流量計簡化成圓柱筒，葉輪對冷卻水的影響可用一個加有流量-壓損曲線 的 inerior 面來代替，如圖 6 所示。對 LWGY － 10 渦輪流量計中葉輪的流量-壓損關系進行了測量，結果見表 3。

 

將流量-壓損關系擬合為二次多項式，其表達式為

 

式中: Δp 為壓力損失，Pa; a 為壓力損失系數; qv 為通過流量計的質量流量，kg / s; ρ 為液體密度，kg /m3;d 為流量計內徑，m。

對比式( 1) 和式( 2) 可見，兩者趨勢相符，均為二次函數。

 

2. 3 計算網格模型的建立

分別對所建帶與不帶測量模塊的柴油機冷卻水流動模型劃分網格，根據文獻［9］并結合實際冷卻系統的設計特點，計算網格采用六面體網格，網格尺寸為 2 mm，為改善模型的收斂性，對流體進出口進行了適當的延長。兩種模型的網格分別如圖 7 和圖8 所 示。模型的總網格數量分別為 936 310 和1 018 135。

 

2. 4 計算模型的邊界條件和物性參數

本文中針對該六缸柴油機的額定工況進行計算，入口采用質量流量入口邊界條件，總 流 量 為6. 67 kg / s，入口水溫為 353 K，出口采用自由流出邊界條件，其余邊界默認為壁面。通過 Starccm + 的壓降模型將式( 1) 編入算例測量段中建立的 inerior面，達到模擬真實渦輪流量計葉輪壓損的目的。較后得到原機和增加測量模塊后各缸總流量和各上水孔流量，并對比前后差異，分析出測量模塊對柴油機缸體上水孔流量測量的影響。

3 計算模型的試驗校驗

為了保證計算模型的準確性，本文中使用柴油機上水孔流量測量試驗臺測得的上水孔流量試驗數據( 見圖 5) ，對增加相應測量模塊后的計算模擬結果進行校驗，計算模擬與試驗結果對比見圖 9。由圖可見，計算模擬結果的較大相對誤差為 4. 92% ，表明計算模擬結果具有足夠的精度。

 

4. 1 對各缸流量測量的影響

將各缸上水孔流量相加便得到各缸流量，增加測量模塊前后各缸的流量值和相對誤差如圖 10 和圖 11 所示。可以看出，增加測量模塊后，上水孔流量的較大相對誤差小于 1% 。從圖7 可以看出，這是由于各缸進水為并聯，相互影響比較小，即各缸流阻接近，加上測量模塊后等于在各缸上增加了同等大小的流阻，對各缸流量分配的測量結果不會造成大的偏差。