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我国通用小型汽油机产量逐年增加,已经成为世界最大通用小型汽油机产销国之一,但是我国大部分通用小型汽油机存在工作热负荷过高,散热不足且不均匀等问题,导致整机温度偏高,汽油机进气量减少而性能下降,消声器过热及表面温度偏高,安全要求不过关。因此开展通用小型汽油机冷却系统研究来提高汽油机综合性能有重要的学术意义和实用价值。
本文从降低通用小型汽油机热负荷,改善其工作可靠性方向着手,以170F汽油机冷却系统为研究对象,为其散热量、冷却空气所需量、风扇结构参数建立了数学模型,方便原机的结构参数校核及优化方案设计;同时进行了发动机性能参数随机油温度变化的试验以及标定工况下冷却空气流速测量试验,对试验结果进行了初步分析,并为CFD计算分析提供了部分边界条件;另外根据CFD理论,使用Pro/engineer、Hypermesh、Fluent、Tecplot等软件工具,建立了冷却系统包括气缸盖、导风罩、风扇、挡风板、气缸体等零部件三维实体及计算域模型,模拟计算出冷却系统流动与传热模型,对结果进行了详细分析,并将模拟计算结果和试验数据进行了比对,验证了模型的准确性,总结出四个存在的问题:原机在标定工况下风扇供风量偏小,冷却强度不够;导风罩结构设计不合理,导致气缸盖和气缸体冷却风分配比例不当,而且部分冷却风在导风罩内死区有较大能量损失,导致风扇产生的冷却风利用效率不高;气缸盖鼻梁区温度过高,火力面温度分布不均匀,温度梯度较大,影响气缸盖机械强度和耐久性;原机冷却风道设计不合理,冷却鼻梁区的冷却风道横截面积较小,流速和流量不够,并且冷却风导向性不好,导致气缸盖表面冷却风分配不合理,冷却不均匀。
针对原机存在的问题,本文提出了以下优化方案:改变叶片结构参数,增加冷却风量;优化导风罩结构,改变蜗壳摆置方向,以匹配气缸体空间位置;更改气缸盖风道结构,扩大鼻梁区流通截面,增加冷却风道一处挡风板,合理引导冷却风。最后对优化方案进行了计算和试验校核,验证了其在保证适量冷却风流量的情况下,能达到冷却流场分布合理,气缸盖温度场分布均匀,热负荷降低,标定工况机油温度处于110℃水平的目的,冷却效果达到发动机性能的要求。