车用柴油机汽缸盖热负荷的改善

黎德信

(广西嘉德机械股份有限公司，广西 玉林 537000)

1上水孔冷却水流量测量试验

在倒拖试验台上进行汽缸盖底孔内流量的测量。对16种转速条件(700～2200 r/min)下汽缸盖各水孔冷却水的静压、总压及各水孔冷却水的流量参数进行了计算。

将流量计连接到柴油机各缸的输出端，可以直接测量各缸的冷却水流量。因结构问题，无法直接测量缸盖底部上水孔流量。测定了各上水孔总压力和静压之间的压差，计算了冷却水在各上水孔中的流量。为了提高全、静压力的测量精度，采用高精度差压变送器测量全、静压力差，使全、静压力探头朝向流动。测试中发现，柴油机缸盖底部沿圆周方向有10个水孔，其中1、2、6和76毫米水孔直径为1 mm，其余6个水孔直径为8 mm。

根据伯努利方程，通过测量各进水口的总压力和静压之间的压差来计算冷却水流经进水口的速度和流量。冷却水在汽缸内的流动可通过增加汽缸总进水口来实现。

对重型汽车柴油机缸盖底部上水孔在不同转速下的冷却水量进行了研究。研究发现，在额定转速下，各上水孔冷却水的平均流速为2.26 m/s，而重型汽车柴油机上冷却水的平均流速大约是4.5 m/s，这是因为重型柴油机缸体上有10个水孔，它们围绕着缸体上的水孔分布，使得汽缸盖内冷却水的流线变差。改善水孔结构，合理布置水孔，可提高缸盖冷却水的冷却效果。

2汽缸盖底面水腔内流动分析和结构改进

从缸盖底部上水孔中冷却水的流量可以看出，在不同转速下，上水孔的流量随着柴油机转速的提高而增大；在相同转速下，各上水孔的流量随着转速的提高而增大；1，2，6，7较小，因为流通面积小于其他六孔。表格1显示了冷却水在每个上部水孔的流量和汽缸盖的额定速度。

根据对汽缸盖水室中水孔位置及布置的分析，确定孔1、2、3、5、6、7上方无导流板及轴线。汽缸容积较大时，在出口通道下有孔8，在进气口下有孔9，在出口通道下有孔4和10冷却水在对汽缸盖冷却时，流经上水孔的冷却水无法回流到汽缸盖底部，因而无法有效冷却高热区域，如汽缸盖鼻部和后部；流经上水孔4和10的冷却水只能垂直上升，然后冷却因流动阻塞壁而进入下汽缸盖的气道。其中一部分会沿排出气流的方向流到缸盖的排气侧，到达排气侧的壁后再流到缸盖上；另一部分会绕过排气通道流到缸盖上，继续流到缸盖上；冷却水流到缸盖上部的水孔8首先垂直上升，到达出口流道的下壁，然后流到流道的下壁区域，然后一部分流到缸盖的中心区域；由于惯性，流经上水孔9的冷却水首先垂直上升，到达调用口的下壁，然后一部分流到缸盖的中心区域。

在此基础上，通过图1中的数值模拟，验证了上述对柴油机缸盖冷却水流动特性判断的准确性。说明结果。如图1所示，由于通孔1，2，3，5，6，7的冷却水由于惯性作用直接流入缸盖顶部，不能有效冷却缸盖底面和缸头后部，而通孔4，8，9，10的冷却水，缸盖底部只能受到进出口管道的阻水作用，这一点与分析结果基本一致。从进水口流量和缸盖结构2个方面对缸盖内流量进行分析。

为此，优化缸盖冷却水孔的方向应为：先将冷却水引过水孔，然后将缸盖底部冷却，由于其所流经的冷却水不能冷却缸盖底部，所以1、2、3、5、6和7孔为多余，取消了优化系统中的6个水孔。经过改进，各水孔的流量和流速均如表2所示。改良前是流经1、2、3、5、6、7孔的冷却水，改良后是流经4、8、9、10孔；改良后是对汽缸盖底部和排气管进行有效冷却，每孔平均流量从2.26 ms-1变成改良后的4.26 ms-1。与重型柴油机的相应水流量相近，且各水孔内冷却水分布更加均匀。所以改进上水孔结构是更明智的。

图1改进前汽缸盖内冷却水流线图

为了解优化设计对提高缸盖热负荷、降低缸盖热负荷的实际效果，对缸盖改进前后的温度分布进行了分析。柴油机分别在1300 r/min、1500 r/min、1700 r/min、1900 r/min和2100 r/min等不同转速条件下进行测试，缸盖厚度为12 mm、6 mm和9 mm以上3个水平面的温度与之对应。在每个水平面上有7个测温点，其具体位置见图4。为了避免同一汽缸盖内测温孔过多而改变原温度分布，仅对同一汽缸盖内的7个测温孔进行加工，测温孔均在同一水平面上。通过这种方式，3个汽缸盖中的21个测温点只在汽缸盖一端的测温点上。

研究发现，改进前的柴油机在一定工作条件下，缸盖底部温度分布极不均匀；鼻梁附近喷油温度明显高于其他区域。火力面上方3 mm处的测温点1，2，3，4，5，6和7处的温度分别达到了118.3 ℃，113 ℃，240.7 ℃ 320 ℃，256.7 ℃，220.9 ℃和140.9 ℃，依据灰铸铁的材料性质，在这种高温下不宜长期使用，否则在断裂时会产生金属电阻。此外，在喷油器附近的测温点4与测温点5之间的温度梯度最大，达8.33 c/mm。它的热负荷和热负荷都超过了正常范围。

3结语

试验结果表明，改进后的发动机汽缸盖在全转速范围内可以很好地降低温度，在额定转速2100 r/min的情况下，测温点4降低12.2 ℃，测温点4与测温点5之间的温度梯度由9.7 ℃/mm降至7.8 ℃/mm，降率为19.6%，从而使改造方案能够有效降低该重型柴油车的热负荷和热应力。