基于优化水套的发动机排温设计方法及系统与流程

本发明涉及发动机排温设计，特别涉及一种基于优化水套的发动机排温设计方法及系统。

背景技术：

1、发动机冷却系统的作用是将发动机受热部分的多余热量吸收并散发出去，保证发动机所有部件正常稳定的工作。冷却不足、冷却过度都会对发动机的可靠性和使用寿命造成一定的影响，导致其工作性能下降，严重时甚至不能正常工作。

2、冷却水套内的冷却液分布规律直接影响发动机的零件的热负荷、冷却效率以及整机的热量利用和分配。目前，在发动机冷却水套的设计研究中，对于水套冷却面积的分布，没有做到从正向根据散热需求布置水套面积。无法做到量化，为了确保缸体缸盖的可靠性，通常会把水套面积尽量做大，容易出现水套过冷却的现象，进而导致排温过低，同时由于混动发动机间歇性工作，排温升温慢，导致后处理无法工作。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的是提出一种基于优化水套的发动机排温设计方法及系统，以通过3d温度场和1d热力学方法进行耦合分析，确保优化水套以减少热损失的同时，提高了发动机排气温度，从而为发动机后处理工作提供保障。

2、根据本发明提出的一种基于优化水套的发动机排温设计方法，所述方法包括：

3、基于缸盖水套温度场确定排气道水套中的待优化区域，将所述待优化区域进行面积优化，并将经过面积优化后的缸盖水套进行流场分析，以根据流场分析结果得到排气门鼻梁区流速，并判断所述排气门鼻梁区流速是否大于第一预设流速阈值；

4、若所述排气门鼻梁区流速大于第一预设流速阈值，则对优化后的缸盖水套进行温度场分析，得到温度场分析结果，并判断温度场分析结果是否满足第二预设条件；

5、若温度场分析结果满足第二预设条件，则将水套进行结构划分，并根据结构划分结果构建3d缸体缸盖有限元温度场，并根据3d缸体缸盖有限元温度场进行热平衡测试及校核；

6、校核完成后，提取3d缸体缸盖有限元温度场中排气道壁面的第一传热热流量，并建立1d缸体缸盖热力学模型，以基于1d缸体缸盖热力学模型下计算得到的排气道壁面的第二传热热流量，并将所述第一传热热流量和第二传热热流量进行对比并调整，直至1d缸体缸盖热力学模型与3d缸体缸盖有限元温度场的散热效果在第一预设误差阈值内；

7、验证发动机排温是否高于预设工况下的第一排温阈值，若发动机排温低于或等于预设工况下的第一排温阈值，则重新评估优化后的缸盖水套温度场是否存在待优化区域，直至迭代优化后得到的发动机排温高于预设工况下的第一排温阈值，输出最终缸盖水套温度场。

8、综上，根据上述的基于优化水套的发动机排温设计方法，通过3d温度场和1d热力学方法进行耦合分析，确保优化水套以减少热损失的同时，提高了发动机排气温度，从而为发动机后处理工作提供保障。具体为，首先基于缸盖水套温度场确定待优化区域，进而将待优化区域进行优化，而后再对优化后的缸盖水套进分别进行流场分析、温度场分析以及热平衡测试，当流场分析、温度场分析以及热平衡测试均满足要求时，再建立1d缸体缸盖热力学模型，并以3d缸体缸盖有限元温度场为基准，分析1d缸体缸盖热力学模型的散热效果是否在误差之内，若确认散热效果吻合，则再验证发动机排温是否满足实际要求，通过对发动机排温的设计进行每一步精确且量化的分析，取代了传统依靠经常进行优化水套而提高发动机排温的方式，避免出现水套过冷却的方式，在优化水套的同时得以有效提高发动机排温，为发动机后处理工作提供保障。

9、进一步地，所述基于缸盖水套温度场确定排气道水套中的待优化区域，将所述待优化区域进行面积优化，并将经过面积优化后的缸盖水套进行流场分析，以根据流场分析结果得到排气门鼻梁区流速，并判断所述排气门鼻梁区流速是否大于第一预设流速阈值的步骤包括：

10、对目标发动机进行缸盖水套温度场数值模拟，得到安全系数分布结果，并根据安全系数分布结果筛选出排气道水套壁面中符合第一预设条件的待优化区域，所述第一预设条件为水套壁面中温度低于第一预设温度阈值且安全系数高于第一预设安全系数阈值的区域；

11、获取待优化区域的面积，并将待优化区域的面积缩小第一预设比例，得到优化后的待优化区域。

12、进一步地，温度场分析结果包括缸盖温度和排气水套壁面温度，所述若所述排气门鼻梁区流速大于第一预设流速阈值，则对优化后的缸盖水套进行温度场分析，得到温度场分析结果，并判断温度场分析结果是否满足第二预设条件的步骤包括：

13、判断所述缸盖温度是否小于或等于第二预设温度阈值且所述排气水套壁面温度是否小于或等于第三预设温度阈值；

14、若所述缸盖温度小于或等于第二预设温度阈值且所述排气水套壁面温度小于或等于第三预设温度阈值，则判定温度场分析结果满足第二预设条件；

15、若所述缸盖温度大于第二预设温度阈值和/或排气水套壁面温度大于第三预设温度阈值，则将优化后的待优化区域的面积增大第二预设比例，所述第二预设比例小于第一预设比例；

16、重新进行温度场分析，直至温度场分析结果满足第二预设条件。

17、进一步地，所述若温度场分析结果满足第二预设条件，则将水套进行结构划分，并根据结构划分结果构建3d缸体缸盖有限元温度场，并根据3d缸体缸盖有限元温度场进行热平衡测试及校核的步骤包括：

18、将水套划分为缸体冷却水套、缸盖下水套、缸盖上水套以及排气歧管冷却水套四部分；

19、基于3d缸体缸盖有限元温度场统计进入缸体缸盖的输入热量组成，输入热量组成包括缸盖火力面、缸盖排气道、缸体孔以及进排气门的热量，以根据缸盖火力面、缸盖排气道、缸体孔以及进排气门的热量计算得到总输入热量；

20、基于3d缸体缸盖有限元温度场统计流出缸体缸盖的输出热量组成，输出热量组成包括缸体冷却水套、缸盖下水套、缸盖上水套以及排气歧管冷却水套的热量，以根据缸体冷却水套、缸盖下水套、缸盖上水套以及排气歧管冷却水套的热量计算得到总输出热量。

21、进一步地，所述若温度场分析结果满足第二预设条件，则将水套进行结构划分，并根据结构划分结果构建3d缸体缸盖有限元温度场，并根据3d缸体缸盖有限元温度场进行热平衡测试及校核的步骤还包括：

22、根据总输入热量和总输出热量计算得到第一误差值，并判断所述第一误差值是否小于第二预设误差阈值；

23、若第一误差值小于第二预设误差阈值，则判定3d缸体缸盖有限元温度场达到热平衡标准；

24、若第一误差值大于或等于第二预设误差阈值，则对3d缸体缸盖有限元温度场进行校核，直至3d缸体缸盖有限元温度场达到热平衡标准。

25、进一步地，所述校核完成后，提取3d缸体缸盖有限元温度场中排气道壁面的第一传热热流量，并建立1d缸体缸盖热力学模型，以基于1d缸体缸盖热力学模型下计算得到的排气道壁面的第二传热热流量，并将所述第一传热热流量和第二传热热流量进行对比并调整，直至1d缸体缸盖热力学模型与3d缸体缸盖有限元温度场的散热效果在第一预设误差阈值内的步骤包括：

26、从3d缸体缸盖温度场计算中，提取缸孔、活塞、缸盖燃烧室以及排气道壁面的温度，以根据缸孔、活塞、缸盖燃烧室以及排气道壁面的温度定义1d缸体缸盖热力学模型中燃气换热的壁面温度；

27、将1d缸体缸盖热力学模型中的排气道燃气侧离散为多根规则的管路，并根据3d缸体缸盖温度场得到的每条管路的温度分别对1d缸体缸盖热力学模型中的管路进行赋值，再基于1d缸体缸盖热力学模型计算得到第二传热热流量。

28、进一步地，所述将1d缸体缸盖热力学模型中的排气道燃气侧离散为多根规则的管路，并根据3d缸体缸盖温度场得到的每条管路的温度分别对1d缸体缸盖热力学模型中的管路进行赋值，再基于1d缸体缸盖热力学模型计算得到第二传热热流量的步骤之后还包括：

29、根据以下公式计算第一传热热流量或第二传热热流量：

30、φ＝ak(tf1-tf2)

31、φ表示传热热流量，单位为w，k表示传热系数，单位为w/(m2.k)，a表示排气道壁面的换热面积，单位为m2，tf1表示燃气温度，tf2表示排气道壁面温度；

32、根据第一传热热流量和第二传热热流量计算得到第二误差值，并判断第二误差值是否小于第一预设误差阈值；

33、若第二误差值小于第一预设误差阈值，则判定1d缸体缸盖热力学模型与3d缸体缸盖有限元温度场的散热效果吻合；

34、若第二误差值大于或等于第一预设误差阈值，则按照第三预设比例等比加大或者缩小1d缸体缸盖热力学模型中燃气换热的壁面温度，并重新评估1d缸体缸盖热力学模型与3d缸体缸盖有限元温度场的散热效果，直至1d缸体缸盖热力学模型与3d缸体缸盖有限元温度场的散热效果吻合。

35、本发明另一方面还提出一种基于优化水套的发动机排温设计系统，所述系统包括：

36、排气道水套优化模块，用于基于缸盖水套温度场确定排气道水套中的待优化区域，将所述待优化区域进行面积优化，并将经过面积优化后的缸盖水套进行流场分析，以根据流场分析结果得到排气门鼻梁区流速，并判断所述排气门鼻梁区流速是否大于第一预设流速阈值；

37、温度场分析模块，用于若所述排气门鼻梁区流速大于第一预设流速阈值，则对优化后的缸盖水套进行温度场分析，得到温度场分析结果，并判断温度场分析结果是否满足第二预设条件；

38、热平衡校核模块，用于若温度场分析结果满足第二预设条件，则将水套进行结构划分，并根据结构划分结果构建3d缸体缸盖有限元温度场，并根据3d缸体缸盖有限元温度场进行热平衡测试及校核；

39、热力学分析模块，用于校核完成后，提取3d缸体缸盖有限元温度场中排气道壁面的第一传热热流量，并建立1d缸体缸盖热力学模型，以基于1d缸体缸盖热力学模型下计算得到的排气道壁面的第二传热热流量，并将所述第一传热热流量和第二传热热流量进行对比并调整，直至1d缸体缸盖热力学模型与3d缸体缸盖有限元温度场的散热效果在第一预设误差阈值内；

40、验证模块，用于验证发动机排温是否高于预设工况下的第一排温阈值，若发动机排温低于或等于预设工况下的第一排温阈值，则重新评估优化后的缸盖水套温度场是否存在待优化区域，直至迭代优化后得到的发动机排温高于预设工况下的第一排温阈值，输出最终缸盖水套温度场。

41、进一步地，所述排气道水套优化模块还包括：

42、待优化区域筛选单元，用于对目标发动机进行缸盖水套温度场数值模拟，得到安全系数分布结果，并根据安全系数分布结果筛选出排气道水套壁面中符合第一预设条件的待优化区域，所述第一预设条件为水套壁面中温度低于第一预设温度阈值且安全系数高于第一预设安全系数阈值的区域；

43、优化执行单元，用于获取待优化区域的面积，并将待优化区域的面积缩小第一预设比例，得到优化后的待优化区域。

44、进一步地，所述温度场分析模块还包括：

45、缸盖温度检测单元，用于判断所述缸盖温度是否小于或等于第二预设温度阈值且所述排气水套壁面温度是否小于或等于第三预设温度阈值；

46、第一判定单元，用于若所述缸盖温度小于或等于第二预设温度阈值且所述排气水套壁面温度小于或等于第三预设温度阈值，则判定温度场分析结果满足第二预设条件；

47、第二判定单元，用于若所述缸盖温度大于第二预设温度阈值和/或排气水套壁面温度大于第三预设温度阈值，则将优化后的待优化区域的面积增大第二预设比例，所述第二预设比例小于第一预设比例；

48、重新进行温度场分析，直至温度场分析结果满足第二预设条件。

49、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实施例了解到。