莊月芹

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的進(jìn)一步發(fā)展，汽車越來越成為人們的日常代步工具。冷卻系統(tǒng)作為汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)不可忽視的子系統(tǒng)，其直接影響著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)效率，更重要的是冷卻系統(tǒng)故障更帶來汽車大多數(shù)的故障問題。因此做好冷卻系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)成為當(dāng)務(wù)之急。而在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中冷卻水套起到最重要作用。下文從汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的工作原理入手，探索當(dāng)前冷卻水套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，提出做好冷卻水套清洗工藝流程，指出如何借助發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套流場動(dòng)力學(xué)模型來優(yōu)化完善清洗工藝。

關(guān)鍵詞：汽車發(fā)動(dòng)機(jī);冷卻水套;清洗工藝;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TK402? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0036-02

0? 引言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車正常行駛的關(guān)鍵，工作中的發(fā)動(dòng)機(jī)通過燃燒燃料釋放出熱量轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)汽車行駛的機(jī)械能。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的效率的高低直接影響著汽車行駛的狀態(tài)。基于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)做功時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的各個(gè)零部件溫度會(huì)急劇升高，如果不及時(shí)冷卻這些零部件，則會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)零部件溫度過高，增加發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，帶來各種形式發(fā)動(dòng)機(jī)故障問題。在生態(tài)環(huán)保發(fā)展理念中，汽車作為耗能較大的產(chǎn)品，且汽車尾氣作為大氣污染的主要來源之一，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車節(jié)能減排技術(shù)的優(yōu)化至關(guān)重要。因此做好發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)成為汽車行業(yè)制造研發(fā)的重要內(nèi)容。冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其內(nèi)部的清潔性會(huì)影響到其具體應(yīng)用效果。因此長期使用中必須做好冷卻水套的內(nèi)部清洗維護(hù)，采用傳統(tǒng)的工藝技術(shù)需要對(duì)冷卻水套進(jìn)行拆卸清洗，整體清洗效率較低，清洗的質(zhì)量不高。因此展開對(duì)冷卻水套清洗工藝的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。本文正是借助現(xiàn)代技術(shù)手段，根據(jù)冷卻水套內(nèi)部流場規(guī)律分析，通過仿真實(shí)驗(yàn)，從而達(dá)到優(yōu)化冷卻水套內(nèi)部的冷卻、清洗的效果。具體如下所示：

1? 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套分析

1.1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的結(jié)構(gòu)

當(dāng)前隨著低碳環(huán)保理念的深入發(fā)展，如何控制減少汽車尾氣成為交通運(yùn)輸行業(yè)的研究重點(diǎn)?；谄嚢l(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理可知，汽車?yán)鋮s系統(tǒng)能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)受熱零件吸收的部分熱量散發(fā)出去，保證發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。因此可以通過完善汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的工作效能由此來提升整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，提升發(fā)動(dòng)機(jī)效力，減少能源的消耗，降低有害物質(zhì)的排放。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中，其主要由冷卻液、節(jié)溫器、水泵、散熱器、散熱風(fēng)扇、水溫感應(yīng)器、蓄液罐、采暖裝置以及冷卻水套所組成。冷卻水套在整個(gè)冷卻系統(tǒng)中發(fā)揮著“承上啟下”的重要作用。具體的應(yīng)用是由冷卻液流動(dòng)時(shí)直接同水套接觸并且讓冷卻液的流動(dòng)按照水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行熱量的交換流動(dòng)，然后根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作負(fù)荷大小來選擇是否需要開啟節(jié)溫器，若是負(fù)荷較大，則開啟節(jié)溫器讓冷卻液可以經(jīng)由冷卻水套中的水管進(jìn)入到散熱器內(nèi)部，發(fā)揮散熱風(fēng)扇的作用，將發(fā)動(dòng)機(jī)各零部件的一部分熱量散發(fā)到外界，達(dá)到冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)熱量的效果。由此可見，整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)工作的熱效率、高溫零部件的熱負(fù)荷水平，繼而影響到對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果。因此通過對(duì)冷卻水套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋火力面等區(qū)域的冷卻液的流動(dòng)以及強(qiáng)制性傳熱效率。

1.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的工作原理

第一，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的工作影響因素。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)不同運(yùn)行過程中，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)所發(fā)揮的作用功能不同。如，其發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，冷卻系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的持續(xù)穩(wěn)定上升，只有上升到80-90℃之間，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)才能夠更快地啟動(dòng)，不會(huì)出現(xiàn)長期啟動(dòng)，但是發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力效率上不去，燃料消耗嚴(yán)重的情況。另一方面，在發(fā)動(dòng)機(jī)長期高速運(yùn)行中，其內(nèi)部各零件溫度較高，需要發(fā)揮冷卻系統(tǒng)的導(dǎo)熱冷卻效用，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度適中，減少因溫度過高所帶來的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部零件安全問題。整體來講，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的各零部件結(jié)構(gòu)都必須擁有冷卻和傳熱的功能作用。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻或是傳熱的效率主要取決于冷卻液在冷卻水套中的流動(dòng)方式、流動(dòng)速度等。發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及熱負(fù)荷大小以及冷卻液的流動(dòng)方式，如，冷卻水套內(nèi)部液體會(huì)隨著水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)完成流動(dòng)，若是冷卻水套內(nèi)部出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)，則冷卻水套在冷卻作業(yè)中中勢(shì)必也存在死角位置，無法達(dá)到全面高效的冷卻降溫效果。

第二，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的工作原理。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套常見內(nèi)部冷卻液流動(dòng)方式有縱向流動(dòng)、橫向流動(dòng)和混合流動(dòng)三種?？v向流動(dòng)顧名思義就是按照發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)順序流動(dòng)，先是氣缸體前端，再是完成1，2，3，4個(gè)氣缸，然后是各個(gè)氣缸的上水口，繼而是氣缸蓋，最后是氣缸蓋后端出口。橫向流動(dòng)清洗工藝一般是在整體式氣缸蓋的小功率發(fā)動(dòng)機(jī)上實(shí)現(xiàn)。其流動(dòng)順序?yàn)椋焊左w長度方向的總?cè)胨?各如水口對(duì)應(yīng)的缸體水套-各缸上水口-氣缸蓋-排氣管側(cè)上方出水口。這種流動(dòng)（清洗）順序下，能夠讓整個(gè)發(fā)動(dòng)起冷卻水套內(nèi)部的溫度分布更加均勻，具有較高的應(yīng)用效率?；旌鲜搅鲃?dòng)形式，其實(shí)現(xiàn)了縱向流動(dòng)和橫向流動(dòng)的有機(jī)結(jié)合。如，有三分之一的液體流動(dòng)方式同橫向流動(dòng)順序相同，展開對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫重點(diǎn)區(qū)的溫度控制。

2? 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套清洗工藝應(yīng)用分析

上述提到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的冷卻傳熱工作原理、工作方式等。而在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套清洗工藝也同其冷卻傳熱的工作原理相同。

2.1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套清洗工藝應(yīng)用的意義

冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，包括冷卻水套進(jìn)出口、發(fā)動(dòng)機(jī)四個(gè)缸的缸蓋水套，四個(gè)缸的缸體進(jìn)氣側(cè)和排氣側(cè)水套。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的時(shí)期下所采用的各種冷卻液是不同的，不同冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)不同的溫度影響下的流動(dòng)速度也不同。長期下來容易導(dǎo)致整個(gè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)堵塞等情況，繼而導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障問題。因此展開對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的清洗至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的冷卻水套清洗工作中，忽視對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的把握，既浪費(fèi)時(shí)間，還容易在拆卸過程中損耗發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的各個(gè)零部件，因此所達(dá)到的清洗效果有限。而基于CFD分析冷卻水套內(nèi)不同清洗劑的流場，能夠達(dá)到全面具體的清洗效果。

2.2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套清洗工藝應(yīng)用的影響因素

第一，冷卻水套清洗劑。冷卻水套中的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一些冷卻液在溫度的影響下，容易在內(nèi)部沉積成為“陳年水垢”，難以清洗。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種新的工藝材料的出現(xiàn)為冷卻水套的清洗帶來了各種高清潔性、高功能性的清潔劑。這些清洗液會(huì)在冷卻水套中不斷循環(huán)流動(dòng)，以其達(dá)到循環(huán)清洗的效果。而事實(shí)上，這些清洗液所具有的化學(xué)性質(zhì)對(duì)于整個(gè)冷卻系統(tǒng)各零部件都可能帶來消極的影響。

第二，冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)前若是冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，則水套內(nèi)部的流動(dòng)區(qū)域勢(shì)必存在死角，影響整體清洗效果。與此同時(shí)，不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)下，液體的流場效果，流場形式也不同，因此展開對(duì)冷卻水套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于提升其清洗工藝具有重要性和必要性。

3? 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套清洗工藝的優(yōu)化途徑

3.1 基于CFD技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)

通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷卻水套內(nèi)部流體流動(dòng)的微積方程，得出在水套內(nèi)內(nèi)部中液體流動(dòng)的離散分布情況，從而掌握著冷卻水套內(nèi)部的清洗的區(qū)域、清洗的效率情況。同時(shí)還可以展開對(duì)現(xiàn)有的冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級(jí)。

第一，合理應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)。當(dāng)前借助CFD軟件來進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立，將各種不同規(guī)格型號(hào)的冷卻水套參數(shù)套進(jìn)去，由此仿真得出其清洗工藝情況。一是對(duì)冷卻水套內(nèi)部區(qū)域進(jìn)行計(jì)算網(wǎng)格劃分，基于冷卻水套的規(guī)格大小情況，發(fā)動(dòng)機(jī)高熱量集中區(qū)域?qū)崿F(xiàn)計(jì)算網(wǎng)格劃分。如，對(duì)于“高熱量區(qū)”的氣缸蓋位置需要將地方網(wǎng)格劃分的稠密一些，在一些平緩的區(qū)域則可以稀疏一些。二是建立冷卻水套的控制方程。清洗液在冷卻水套內(nèi)部的流動(dòng)是遵守一定能量守恒定律的，CFD技術(shù)正是可以通過對(duì)其守恒定律的方程建立，實(shí)現(xiàn)對(duì)流體流場的定性定量表達(dá)。三是進(jìn)行冷卻水套流體流場的求解。在冷卻水套的流體流場方程求解中，需要先設(shè)置邊界條件，再設(shè)置求解模型。其邊界條件就是按照汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行壓力情況，如出水口采用壓力邊界值為200kPa，從水泵流出進(jìn)入到油冷器的流量為22.5L/min。設(shè)置條件之后，按照SLMPLE軟件進(jìn)行速度耦合算法進(jìn)行計(jì)算，求得流體速度和壓力的分布情況。在完成冷卻水套流體流場計(jì)算之后，可以由此來制定冷卻水套的清洗方案。

3.2 優(yōu)化創(chuàng)新冷卻水套清洗中的各工藝材料和技術(shù)水平

在冷卻水套清洗過程中，各種零部件的質(zhì)量參數(shù)等也會(huì)影響到清洗工藝的執(zhí)行情況。對(duì)此要求在未來發(fā)展中能夠展開對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)。第一，完成對(duì)冷卻系統(tǒng)的材質(zhì)的優(yōu)化升級(jí)。冷卻水套的密封性程度直接影響著其漏水情況，繼而影響清洗效果。因此需要采用復(fù)合材料進(jìn)行冷卻水套的制備生產(chǎn)，提高冷卻水套各零件的質(zhì)量。第二，設(shè)計(jì)研發(fā)新的冷卻水套材料，減少水垢等的沉積。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中，冷卻系統(tǒng)之所以需要清洗，是因?yàn)樵陂L期的冷卻或是傳熱過程中，冷卻液同冷卻系統(tǒng)內(nèi)部零件產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成水垢，帶來堵塞等故障問題。未來若是能夠選用性能較高的冷卻水套制備材料，減少其同冷卻液的化學(xué)反應(yīng)效果，能夠有效減少清洗工作量。

4? 結(jié)束語

綜上所述，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，冷卻水套內(nèi)部也全然不同。因此為了確保發(fā)動(dòng)機(jī)擁有既定的安全效率，其必須能夠展開對(duì)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)。如，可以通過需要借助不同的冷卻液以此達(dá)到內(nèi)部冷卻效果。還可以通過優(yōu)化升級(jí)冷卻水套內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方式，提高冷卻液在的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的流場范圍，提高冷卻降溫效果。這一設(shè)計(jì)原理為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套清洗工藝提供了新的發(fā)展方向。即在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套的清洗可以借助不同的冷卻液的不同流場圖，從而探索出全新的高效的冷卻水套清洗工藝。如，無水冷卻液在不同溫度下的速度場不同，對(duì)冷卻水套帶來的內(nèi)部壓力不同。正是可以借助這一函數(shù)模型來仿真建立起不同的清洗方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳小剛，左靜靜，田彪，明偉偉，陳明.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套清洗工藝研究[J].工具技術(shù)，2020，54（05）：8-11.

[2]譚禮斌，袁越錦，趙哲，徐英英.基于CFD的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套共軛傳熱分析[J/OL].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）：1-6[2020-08-12].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/50.1205.T.20200428.1259.004.html.

[3]劉增亮.MAN B&W船舶主機(jī)“冷卻水套”裂紋原因分析[J].天津航海，2019（04）：317-318.

[4]李佑長，覃孟揚(yáng)，魏威，李玉霞.柴油機(jī)冷卻水套內(nèi)流場特性研究[J].玉林師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，40（05）：43-49.

[5]劉偉.某型號(hào)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套設(shè)計(jì)及改進(jìn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（15）：7-11.