For the countermeasure of expected higher thermal load in miller cycle engine, coolant flows in the cylinder head of base engine with several coolant flow methods and drilled hole passages were measured by using PIV technique. And the cooling effect was evaluated by measurements of wall temperatures according to each coolant flow method. It was found that the series flow system was most suitable among the discussed 3 types of coolant flow methods since it had the best cooling effect in cylinder head by the fastest coolant flow velocity It was also found that for drilled water passage to decrease the large thermal load in exhaust valve bridge, nozzle type is more effective compared with round type of water passage, and its size has to be determined according to the coolant flow pattern and velocity in each cylinder.
A numerical analysis on engine coolant is made by the use of FVM based general purpose 3 dimensional Navier-Stokes solver, TURB-3D. Numerical solutions are verified by comparison with the experimental data of Lotus model. The results show a good qualitative as well as quantitative comparison. Coolant flow rate control is attempted through adjusting the cross section area of passage base on the results of an original coolant passage. It is concluded from the results that the flow rate control is possible as attempted, and thus can be used in the real engine design.
불꽃점화 엔진의 냉각수 유동 특성을 개선하기위하여 본 연구가 수행되었다. 배기밸브와 배기 포트의 냉각수 유로에서의 유동특성이 중점적으로 고려되었다. 베이스 모델의 수치해석적 분석에서 2번 실린더의 배기 밸브사이에 유동 정체가 발견되었다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 관련된 냉각수 통로를 재설계하고 최적화 하였다. 또한 배기가스의 온도를 낮추는 냉각수 코어 모델을 설계하기 위하여 배기매니폴드 하부의 냉각수 통로를 보강 설계하였다. 본 연구를 통하여 실린더 헤드와 블록사이의 냉각수 유동을 제어하는 가스킷의 중요성을 확인하였으며, 질량분포의 개선을 통하여 배기밸브 사이와 실린더헤드에서의 유동 특성을 개선하였다.
In this analytical study on the engine coolant flow of a heavy-duty diesel engine with 4 valves and linear-type 8 liter 6 cylinders, the characteristics of pressure drop and engine cooling performance with the additional coolant passages between cylinder blocks have been investigated. Since the most part of pressure drop is caused by the coolant flow passages inside a cylinder head and cylinder blocks for this type of heavy-duty diesel engines, the advantage of pressure drop is just 2.6% and the characteristics of heat transfer and the distribution of coolant velocities in the head part show little differences in case of additional coolant passages. Thus the coolant flow passages between cylinder blocks make little contribution on the cooling performance of heavy-duty diesel engines
Flow fields in model engine cooling passages are studied numerically by using TURBO-3D program, a finite volume based 3-D turbulent flow program adopting a general body fitted coordinate system. The effects of exit position on mass flow rate at each gasket hole are examined for a model cooling passage in order to understand the flow distribution inside the water jacket. The results of the present study can be applied to the design of high performance, high reliability engine.
Simple design methods were developed to control the coolant flow rates through cylinder head gasket holes. Applying the concept of flow through an obstruction the ratio of intake to exhaust side flow rates could be easily controlled while maintaining the flow rates per cylinder of the original model. Flow distribution in the coolant passage of the original model was calculated by CFD and the flow rates at the gasket holes were modified based on the calculation results. The calculated flow rated of the modified gasket holes were reasonably close to target values. For more accurate control of the flow rate distribution, a design method with iterative CFD calculations was also suggested. The final size of gasket holes for the target flow rates were obtained just after a few optimization iterations. These methods can be very useful for the optimization of heat transfer characteristics in engine cylinder head and block.
Temperatures of engine head and liner depend on many factors such as spray and combustion process, coolant passage flow and engine related structures. To estimate the temperature distribution of engine structure, multi-dimensional computational fluid dynamics (CFD) codes have been mainly adopted. In this case, it is of great importance to obtain the realistic wall temperature distribution of entire engine structure. In the present work, a CFD-FEM coupling methodology was presented to address this demand. This approach was applied to a real large-size marine diesel engine. CFD combustion and coolant flow simulations were coupled to FEM temperature analysis. Wall heat flux and wall temperature data were interfaced between combustion simulation and solid component temperature analysis via translator by a commercial CFD package named FIRE by AVL. Heat transfer coefficient and surface temperature data were exchanged and mapped between coolant flow simulation and FEM temperature analysis. Results indicate that there exists the optimum cell thickness near combustion chamber wall to reasonably predict the wall heat flux during combustion period. The present study also shows that the effect of cell refining on predicting in-cylinder pressure during combustion is negligible. Hence, the basic guidance on obtaining the wall heat flux needed for the reasonable CFD-FEM coupling analysis has been established. It is expected that this coupling methodology is a robust tool for practical engine design and can be applied to further assessment of the temperature distribution of other engine components.
In this study we investigated the characteristics of fluid flow and heat transfer within a coolant passage in the cylinder head assembly of an internal combustion engine by using a commercial CFD code, CFX The complex coolant passage of the cylinder head assembly was modelled by suitable choice of a grid system and careful attention was paid in the construction of meshes near the walls where significant cooling occurs. To treat the simultaneous heating and cooling of the combustion walls we invented a methodology allowing a heat source within the solid wall and the convective cooling at the interface between the solid and the fluid. We managed to reproduce the experimental results by adjusting parameters appropriately. We have found that high temperature was concentrated at the surface of the cylinder jacket. It turned out that the effect of oil cooling from the piston head was unexpectedly significant. On the other hand the effect of cooling from the ambient air is almost negligible. The CFD method proposed in this study is believed to be useful in the early stage of the design of the engine-cooling system.
Metal surface temperatures around the combustion chamber in a gasoline engine directly affect thermal durability and performance of the engine. Metal surface temperatures are influenced by many cooling factors such as drilled water passage, deflector, combustion chamber wall thickness, pillar, and coolant flow pattern. The object of this study is to learn how the coolant passages and coolant flow pattern in an engine influence to the engine metal surface temperature at engine full load and speed. From the test result, it is suggested a plan to reinforce the engine stiffness and to reduce the thermal stress simultaneously. Also, approaches are introduced to reduce the thermal load on the engine by adjusting the discharging direction from the water pump and by optimizing the water transfer holes in the cylinder head gasket. These methods and the optimized engine cooling system, which were suggested in this paper, were adapted for an engine in progress to eliminate the exhaust valve seat wear.
This paper describes the improvement of engine cooling system. To improve engine cooling performance, the authors approached in two ways. One is to increase water pump performance, changing of impeller shape and lightening of material were carried out. The second one is cooling efficiency rise, which were investigated with head gasket coolant flow passage optimization with flow visualization technique. The test results show that water pump performance was increased effectively, reduction of pump drive torque, and increase of pump flow-rate and pressure rise. Gasket hole pattern optimization test results represent an optimized head coolant flow which stands cross flow from exhaust to intake port side and small vortex were removed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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