内燃机冷却系统内燃机冷却系统片
李新望
[摘 要]冷却系统是内燃机的组成部分之一，在我国工业领域不断发展的过程中，内燃机功率正处于不断上升的发展趋势，在缸内温度得不到控制的情况下，会产生过多的热量并对周围部件造成影响。这就需要设计人员综合运用各种手段加强内燃机的冷却处理。本文对内燃机冷却系统强化传热的具体方法进行了深入的研究与分析，希望可以起到参考作用。
[关键词]强化热 冷却系统 内燃机
中图分类号：TK401 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）35-0082-01
内燃机属于热能动力输出设备的一种，存在于机器内部的工质经过燃烧后，可以将工质热能转换为机械能。而在燃烧过程中，机器内部的温度长期保持在较高水平，相关部件的运行环境十分恶劣，若不能将燃烧室内的温度控制在合理区间，很可能会造成部件温度过高，降低热强度，对内燃机的稳定运行造成不利影响。另外，燃烧室部件中的润滑油在高温环境下也会产生结焦问题，加强不同部件之间的磨损。燃烧室内部件的冷却方法以强迫对流换热技术为主，将热量由润滑油膜输送至气缸套，经过冷却水腔将热量疏导出去。由此可知，内燃机动力性能与冷却水腔传热过程有着密切的关系。也就是说，冷却水腔传热对内燃机的可靠性、经济性与动力性有着十分重要的作用，这就需要对冷却水腔进行合理的控制，优化内燃机内部结构的设计。
一、强化内燃机冷却系统的具体方法
强化内燃机冷却系统的方法主要包含以下四种。
（一）改进冷却水腔结构
改进冷却水腔结构首先需要对冷却水腔进行减厚处理，对冷却水入口的大小与位置进行调整，必要情况下可以适当增加冷却水腔导流管数量。然而，对于许多高强化内燃机来说，正常运行状态下，燃烧室部件环境温度过高，单纯地对冷却水腔结构进行改造已经无法满足更大功率内燃机的运行需求。另外，在冷却水腔体积增加的情况下，发动机结构强度也会受到影响。因此，调整冷却水腔结构的优化方法在具体应用上有着许多方面的限制。
（二）增大冷却介质流量
冷却介质是完成热传递的核心材料，增加介质流量，可以显著地提高内燃机的换热系数，进而达到加强冷却的目标：然而，内燃机的体积毕竟有限，增加冷却介质流量对内燃机的经济性也会产生一定的影响。同时，在水泵泵功提升的情况下，也会相应地降低内燃机的有用功，影响各项功能指标。
（三）改良传热工质
采用改良传热工质的方法，能够提升流动过程中的湍流强度与工质导热率，进而实现加强冷卻的目的。通常情况下，于冷却工质中加强一定量的纳米颗粒可以在运行过程中可以产生纳米液体，实现工质换热性能的提升。所注入的纳米微粒通常为聚合物、非金属与金属物质。经实验研究发现，采用这种冷却手段需要增加泵功，但冷却效果十分可观。
（四）冷沸腾换热技术
冷沸腾制热技术指的是通过加强燃烧室部件壁面与冷却液之间的换热强度，进而实现增加冷却系统性能的目的。目前在国内的发动机领域内，高温冷却是一种比较受欢迎的冷却思路，这种冷却方法一方面可以降低冷却液流量与冷却水腔，同时也可以缩短暖机时间，提高内燃机工作温度，进而提升内燃机的动力性能、排放性能与经济性能。然而，在沸腾过程中，一定程度上会增加内燃机运行的潜在风险，所产生的气泡可能会造成部件堵塞以及穴蚀等方面的问题。
二、流固耦合法的应用分析
耦合模拟指的是采用多个物理场相互作用的方法，于相同的数值模拟中融入仿真实验。依照不同模型之间的差异，可以将耦合模拟划分为直接耦合与顺序耦合两种，直接耦合也就是我们常说的整体耦合，顺序耦合指的是根据次序对多轮相关场进行研究与分析，在具体的计算过程中，需要将所需要的各种条件分析出来，以上一轮的计算结果为依据，在条件与结果不断轮回的过程中对具体数值进行计算，获取最终的收敛解。相比于顺序耦合来说，直接耦合在内容上比较简单，需要将全部自由度下的耦合单元类型概括进来，经过一轮整体求解可以获取契合系统最终的分析结果。
由于燃烧室部件与发动机之间存在着比较强的相互作用，耦合联系十分密切，以单纯流动仿真的方式对冷却系统进行改良已经无法满足新形产品的冷却需求，燃烧室部件与联合分析冷却系统的耦合换热已经成为十分重要的研究课题之一。
耦合模拟一方面能够将内燃机最真实的工作状态反映出来，另一方面也可以融入各种复杂的边界条件。其中液体力学计算问题、固体部件的传热与冷却系统的耦合模拟是难点问题，而冷却水套外部与冷却水套互为边界，既要考虑到燃烧换热方面的影响也要考虑到冷却水对于气缸的影响，若采用整机流-固耦合的方法，需要将流-固之间的边界转化为内部边界，不需要单独对边界进行定义，而是需要对边界条件进行定义，并且直接对燃烧室部件与冷却系统进行耦合计算，得到内燃机燃烧室部件与冷却系统的平衡状态，为相关的强度设计与内燃机热应力计算提供边界条件。
三、计算流体力学的方法
在对液体运动状况进行分析的过程中，需要采取合理的简化与假设，比如粘性流体与理想流体等；
确定能够反映出物理问题本质与工程问题本质的数学模型。依照力学模型，通过引进新的物理参数，利用量阶分析、无量纲化分析等手段，采用经验公式来简化基本方程，利用能够对流动力学进行反映的方程组，再对细节方面的物理过程中进行分析，对边界条件与初始条件进行定义；
对计算方法进行合理的选择。在常规的实验研究过程中，比较常用的计算方法为离散化方法，可以对某一区域内的数值进行离散化处理，对初始条件与边界条件进行初步处理；
编译程序完成计算。选定一个特定方程对整体数值进行计算，这也是整个模拟环节的关键步骤之一，对能量耗散、阻力、全力、压力分布以及速度分布等物理量进行求解。在对部分非线性问题进行求解的过程中，所需要面临的操作比较复杂，同时也需要引入实验对比分析。因此，数值模拟一定程度上也是数值实验。
四、常规介质下内燃机冷却系统的三维流固耦合数值模拟
发动机在运行状态下，冷却水套与燃烧室部件互为边界，在三维流固耦合的支持下，可以实现液体与固体之间的热量传递，由于流固边界在通常情况下很难得到确定，因此需要将其转化为内部实时边界，完成冷却系统与燃烧室部件的耦合数值计算。燃烧室部件通常包含气缸体、气缸套与气缸盖；冷却系统包含导水管、气缸盖冷却水腔、气缸套冷却水腔以及机油冷却腔等。
五、数值模拟方法
数值解法可以将求解区域通过一定量的网格线来进行替代，每一个节点均可以代表一个需要研究的、有关于传热问题与流动问题的微分方程，节点以及周围的未知量与节占所在的方程有着密切的联系，其偏微分方程导数可以用差商来代替。
结束语
内燃机冷却系统强化传热需要综合运用物理、数学等手段进行深入的分析与研究，同时也要考虑到改良方案的可靠性与经济性，即要缩小内燃机的体积，也要降低内燃机在运行过程中所需要的资金投入量。
参考文献
[1] 张志文.内燃机冷却系统强化传热的探讨[D].大连理工大学，2014.
[2] 白敏丽，徐哲，吕继组.纳米流体对内燃机冷却系统强化传热的数值模拟研究[J].内燃机学报，2008，（02）：183-187.
[3] 徐哲.纳米流体在内燃机冷却系统中的应用[D].大连理工大学，2007.
