柴油机部件温度计算结果及流动压力变化

某型废气涡轮增压中冷柴油机，V型结构、气缸数目为12、行程数目为4，采用组合脉冲废气涡轮增压系统，利用上述模型和方法计算该柴油机传散热。

利用GT－Power软件建立柴油机工作过程计算模型，用以计算气缸内燃气状态。为了减少计算时间，这里忽略左右气缸排的工作差异，只建立其单排气缸的计算模型，如图7.6.8所示；利用Flowmaster搭建冷却液流动与传热计算网络如图7.6.9所示，柴油机部件传热计算网络如图7.6.10所示。

计算得到设计工况下的柴油机部件温度，结果如表7.6.1所示。燃烧室内排气门的温度最高，为582.5℃，这是因为排气门时刻被高温燃气和高温废气所包围，而且冷却条件极其恶劣，只能通过导热传热给气缸盖，而且热阻较大；柴油机外表面排气管硅酸铝隔热层温度最高，达到195.2℃，这是由于其接触的废气温度和流速都很高；进气门虽然也与高温燃气接触，但由于它同时跟新鲜充量换热，因此温度并不算高；进气道、气缸盖、排气道、排气管金属部分的温度依次升高，这是因为受热越来越严重而冷却条件却越来越差；气门室罩的温度远低于气缸盖，这是因为动力舱冷却空气主要与气门室罩换热且气缸盖与气门室罩之间的导热热阻较大；由于隔热层隔热良好，因此排气总管和废气涡轮隔热层外表面的温度远低于内部的金属温度；对于气缸套，其最上部对应的热单元温度最高，因为该处与燃气接触，但是却不与冷却液换热，即冷却条件很差；对于活塞，其环岸部分温度最高，这是因为该处从燃气接收热量，同时有大量的摩擦热传入，随着远离活塞顶面，活塞温度越来越低；与下曲轴箱相比，上曲轴箱离高温热源更近，因此温度更高；与曲轴相比，连杆离高温热源更近，因此温度更高。

图7.6.8　柴油机工作过程计算模型

图7.6.9　冷却液流动与传热计算网络

图7.6.10　柴油机部件传热计算网络

表7.6.1　柴油机部件温度计算结果

水散热器芯体温度计算结果如图7.6.11所示。沿冷却液流动方向，水散热器芯体单元温度逐渐降低；沿冷却空气流动方向，水散热器芯体单元温度逐渐升高；最高温度在距离散热器迎风面最远而距离冷却液入口最近的热单元处，温度为78.80℃。

图7.6.11　水散热器芯体温度计算结果（℃）

冷却液流量、流速、温度和压力计算结果如图7.6.12所示。因为环境温度远高于5℃，所以按夏季工况计算，即冷却液不走加温支路，而全部走冷却支路；来自气缸盖和水散热器集水箱的含蒸汽冷却液经蒸汽排除管送往膨胀水箱，由蒸汽阀和空气阀调节压力；膨胀水箱的下部通过水管与水泵入口连通，其作用是提高水泵入口压力，即提高冷却系统内压力，由计算结果看，冷却液压力在水泵入口最低，其值为2.105 bar，也远高于外界环境的压力；随着冷却液远离水泵出口，冷却液压力逐渐降低，水泵进出口压力差为2.75 bar；出水温度最高，为89.7℃。

图7.6.12　冷却液流量、流速、温度和压力预测结果

以设计工况为基准工况，分别设置环境温度为－10℃、10℃、35℃、50℃，保持其他条件不变，计算各环境温度下的柴油机热状态，所得结果如图7.6.13～图7.6.16所示。由图可见，随着环境温度升高，活塞、排气门、排气管、涡轮蜗壳等柴油机高温部位温度、柴油机出水温度、水散热器芯体最高温度等随之升高，水散热器散热量随着环境温度升高而下降。这是由于随着环境温度的升高，流经水散热器芯体的冷却空气温度升高，导致水散热器散热量下降，进一步导致柴油机部件和出水温度升高。当环境温度为50℃时，水温、油温均超过了正常温度，排气门温度达到607.2℃。(www.xing528.com)

图7.6.13　柴油机高温部位温度随环境温度的变化

图7.6.14　柴油机出口冷却液温度随环境温度的变化

图7.6.15　水散热器芯体最高温度随环境温度的变化

图7.6.16　水散热器散热流量随环境温度的变化

以设计工况为基准工况，保持油门位置为100%，分别设置柴油机转速为1 600 r／min、1 800 r／min、2 000 r／min、2 200 r／min，保持其他条件不变，计算各转速下柴油机的热状态，所得结果如图7.6.17～图7.6.20所示。由图可见，随着柴油机转速升高，排气门、排气管、涡轮蜗壳等柴油机高温部位的温度随之升高，这是由于如上部件温度主要受高温废气的影响，随着柴油机转速的增加，柴油机负荷增加，废气的流量增加、温度升高；活塞顶面温度随柴油机转速的升高而降低，这是因为活塞顶面温度受其冷却油腔内润滑油冷却作用的影响明显，随着柴油机转速的增加，润滑油量增加；柴油机出水温度随着柴油机转速的升高而降低，这是由于冷却液和冷却空气流量随柴油机转速的升高而增大，使柴油机散热增强；水散热器芯体的最高温度随着柴油机转速的增加而降低，这是由于柴油机出水温度降低而冷却空气流量增加。

图7.6.17　柴油机高温部位温度随柴油机转速的变化

图7.6.18　柴油机出口冷却液温度随柴油机的变化

图7.6.19　水散热器芯体最高温度随柴油机转速的变化

图7.6.20　水散热器散热流量随柴油机转速的变化