發(fā)動機(jī)活塞冷卻噴嘴的設(shè)計、驗證與故障分析淺談

賈新穎

摘 要：內(nèi)冷油道活塞的應(yīng)用越來越廣泛，但是針對活塞冷卻噴嘴的設(shè)計要求與設(shè)計方法尚不完善和系統(tǒng)。本文論述了發(fā)動機(jī)內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻活塞噴嘴及其噴嘴閥的設(shè)計，包括設(shè)計要求、詳細(xì)設(shè)計中各參數(shù)的確定及設(shè)計驗證。同時，對實際應(yīng)用中存在的冷卻噴嘴的故障情況進(jìn)行了簡要分析及說明。

關(guān)鍵詞：內(nèi)冷油道；強(qiáng)制振蕩冷卻；冷卻噴嘴；冷卻噴嘴閥

中圖分類號：TK40 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0093-02

活塞是發(fā)動機(jī)的核心元件，燃燒發(fā)生在活塞的燃燒室內(nèi)，燃燒產(chǎn)生的爆發(fā)壓力推動活塞沿缸孔內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動?；钊盎钊嚓P(guān)組件是發(fā)動機(jī)中工作條件最為苛刻的零部件，發(fā)動機(jī)的強(qiáng)化程度、大修周期、可靠性與壽命在很大程度上取決于活塞的工作壽命。

隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度不斷提高，單缸功率不斷增加，活塞頂部承受較高的熱負(fù)荷，通過傳熱計算分析及活塞溫度場試驗驗證，活塞喉口溫度最高可以達(dá)到360℃～380℃，而且溫度分布極為不均勻，溫度梯度很大，過高的熱負(fù)荷容易造成活塞頂部開裂等故障。

這就對活塞頂部的冷卻提出了更高的要求，活塞的冷卻方法主要有自由噴嘴冷卻、振蕩冷卻、內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻。所謂自由冷卻，即從連桿小頭上的噴油孔或從安裝在機(jī)體上的冷卻噴嘴向活塞內(nèi)腔噴射機(jī)油，達(dá)到冷卻的目的；所謂振蕩冷卻，即從連桿小頭上的噴油孔將機(jī)油噴入活塞內(nèi)腔的環(huán)形油槽中，由于活塞的運(yùn)動使機(jī)油在環(huán)形油槽中產(chǎn)生振蕩而冷卻活塞。而目前常用的內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻是在活塞鑄造時，在活塞頂部環(huán)槽位置，鑄造出油道，機(jī)油從布置在機(jī)體上的冷卻噴嘴，噴入活塞冷卻油道的進(jìn)油孔，通過活塞的運(yùn)行使機(jī)油在油道內(nèi)循環(huán)及振蕩，吸收活塞頭部熱量，最終從活塞的出油孔流出，此結(jié)構(gòu)使機(jī)油在活塞的冷卻油道內(nèi)強(qiáng)制流動，以便達(dá)到冷卻活塞的目的。

由于行業(yè)內(nèi)活塞的設(shè)計一般由主機(jī)廠委托活塞生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行精細(xì)設(shè)計，而活塞的冷卻噴嘴往往由各主機(jī)廠根據(jù)自身發(fā)動機(jī)工作特點，機(jī)油壓力情況進(jìn)行設(shè)計。因此，由于技術(shù)保密等原因，活塞生產(chǎn)商往往無法獲得準(zhǔn)確的機(jī)油供給量，活塞一般也是類比設(shè)計，因此，活塞冷卻最終能否達(dá)到設(shè)計要求，一般需要各主機(jī)廠在冷卻噴嘴設(shè)計完成后，進(jìn)行實物的驗證。

行業(yè)內(nèi)，冷卻噴嘴的設(shè)計方法尚不系統(tǒng)，各類文獻(xiàn)中介紹細(xì)節(jié)設(shè)計方法的很少，本文將結(jié)合作者的工作經(jīng)驗，重點介紹內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻噴嘴的設(shè)計、驗證及故障分析。

1 冷卻噴嘴的設(shè)計要求

當(dāng)發(fā)動機(jī)的爆發(fā)壓力為14-21MPa，升功率超過25-35kW/L，活塞單位面積功率大于0.30-0.47kW/cm2時，需要考慮采用內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻?；钊麌娮煨枰_實現(xiàn)冷卻機(jī)油95%通過進(jìn)油孔，并且達(dá)到要求的速度和噴射油量，以便可以保證快速的吸收活塞頂部的熱量，降低活塞工作溫度。一般活塞冷卻噴嘴有如下設(shè)計要求：

（1）根據(jù)經(jīng)驗，一般要求噴油速率為4-6kg/kW·h。（2）噴油速度要求大于活塞的瞬時最大速度，保證機(jī)油可以噴入活塞的內(nèi)部油腔。（3）冷卻噴嘴管內(nèi)壁粗糙度在滿足設(shè)計要求及零件成本目標(biāo)的情況下盡量小，以降低能量損失。且噴嘴管內(nèi)部盡量圓滑過渡。（4）噴嘴管出口保留尖角，避免圓滑過渡，保證油束不發(fā)散。（5）冷卻噴嘴應(yīng)該設(shè)置有壓力調(diào)節(jié)閥，根據(jù)發(fā)動機(jī)潤滑系統(tǒng)的總油量及不同工況下的機(jī)油壓力合理選擇冷卻噴嘴的開啟壓力。（6）實施DFMEA，選擇合理的定位方式，保證零部件的可靠性。

2 冷卻噴嘴的故障模式

發(fā)動機(jī)運(yùn)行過程中，由于冷卻噴嘴設(shè)計問題導(dǎo)致活塞不能及時冷卻，最終造成拉缸、活塞開裂等嚴(yán)重故障，本文僅以幾種容易被忽視的典型故障進(jìn)行詳細(xì)說明：

（1）冷卻噴嘴與活塞裙部間隙偏小，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于振動，噴嘴管與活塞相撞，造成噴嘴斷裂，機(jī)油不能噴入活塞，導(dǎo)致活塞頂部開裂及拉缸故障。（2）冷卻噴嘴管口，進(jìn)行了倒圓處理，未保留尖角，造成活塞油束發(fā)散，活塞冷卻不良，活塞、活塞銷及連桿小頭出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，表現(xiàn)為機(jī)油在高溫下氧化，在活塞銷及連桿小頭及活塞內(nèi)腔形成沉積物，至變色發(fā)黃。（3）冷卻噴嘴大多采用一面兩銷的定位方式，如圖3焊接一體的冷卻噴嘴定位銷，定位銷直徑很小，受制造質(zhì)量影響，容易發(fā)生焊接不牢靠，定位銷脫落的故障，機(jī)油不能準(zhǔn)確噴入活塞內(nèi)部冷卻油腔，造成活塞及其組件冷卻不良。采用圖1及圖2的定位方式，可靠性較好。

3 以某四缸柴油機(jī)為例設(shè)計舉例

3.1 某柴油機(jī)參數(shù)

缸數(shù)：4缸；排量范圍：4～5L；額定功率：175ps；

額定轉(zhuǎn)速：2400rpm；最大設(shè)計爆發(fā)壓力：180bar；

活塞結(jié)構(gòu)：內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻活塞，低火力岸高度，一環(huán)鑲?cè)Γ?/p>

連桿比：0.32。

3.2 詳細(xì)設(shè)計

3.2.1 冷卻噴嘴設(shè)計

如前文所述，噴油速度要求大于活塞的瞬時最大速度，保證機(jī)油可以噴入活塞的內(nèi)部油腔。不僅僅是額定負(fù)荷點，還包括最大扭矩點等各階段。參考內(nèi)燃機(jī)設(shè)計，計算活塞瞬時最大速度，根據(jù)公式：

活塞瞬時速度：

V≈Rω×（sinα+λsin2α/2） （3-1-1）

活塞瞬時加速度：

J≈ Rω2×（cosα+λcos2α） （3-1-2）

當(dāng)活塞加速度J=0時，活塞速度最大。

其中，R：曲柄半徑；α：曲柄轉(zhuǎn)角；λ：連桿比；ω：角速度。

圖4為發(fā)動機(jī)額定點工況活塞一個沖程速度及加速度變化情況。由計算可以得到額定點活塞的最大速度為16.8m/s。其他工況點計算方法相同。

根據(jù)經(jīng)驗，噴油速率為4-6kg/kW·h，因此可以通過選定工況點的功率計算出理論需要的噴油量。并由下述公式計算冷卻噴嘴出口的截面積，進(jìn)而計算出出口直徑，進(jìn)行噴嘴設(shè)計。

Q=V出口×A出口 （3-1-3）

其中，Q：總的噴油量；V出口：冷卻噴嘴出口流速；A出口：冷卻噴嘴出口的截面積。

本實例中，額定點，計算的理論需要的噴油量為2.69～3.76L/min，出口截面積為3.73mm2，出口直徑為2.18mm。

其他工況點計算數(shù)據(jù)，如表1，最終噴嘴出口直徑設(shè)計值，選擇計算直徑的最小值：

3.2.2 冷卻噴嘴閥設(shè)計

內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻噴嘴，一般都設(shè)置有冷卻噴嘴閥，這是因為：

（1）在發(fā)動機(jī)啟動初期，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速較低，負(fù)荷較低，這時機(jī)油泵流量也處于較低的水平，此時，活塞承受熱負(fù)荷還不高。如果冷卻噴嘴開啟，會消耗大量機(jī)油，會影響初始的潤滑系統(tǒng)建立。（2）活塞頭部及燃燒室可能會過冷，造成燃燒遲緩，功率下降及燃油耗增加。（3）燃燒后的水蒸氣易冷凝形成水與可溶性酸類氣體混合，對活塞組件及氣缸造成腐蝕。

冷卻噴嘴閥的開啟壓力根據(jù)經(jīng)驗，一般設(shè)定在120～160kPa，并結(jié)合發(fā)動機(jī)實際工作情況進(jìn)行設(shè)定。本例中，低功率版性能初試中，發(fā)動機(jī)額定點機(jī)油壓力410kPa，扭矩點機(jī)油壓力375kPa，怠速點機(jī)油壓力280kPa，機(jī)油溫度88℃。考慮實際使用及極限工況，隨著機(jī)油溫度升高，機(jī)油壓力還會下降。再有就是此例中的活塞熱固耦合計算結(jié)果表明此活塞熱負(fù)荷偏高，活塞溫度較高，應(yīng)該盡早開啟活塞冷卻。綜上所述，冷卻噴嘴閥的開啟壓力最終設(shè)定在160kPa。

冷卻噴嘴閥一般采用鋼球式單向閥。根據(jù)設(shè)定的開啟壓力及流通面積，確定彈簧初始負(fù)荷，進(jìn)而確定彈簧設(shè)計參數(shù)。

4 試驗驗證

冷卻噴嘴設(shè)計完成，試制完成后，還需要進(jìn)行試驗驗證，確認(rèn)冷卻噴嘴的功能性能。這種試驗一般稱為打靶試驗，可以在特制的工裝上（圖5）進(jìn)行，也可以用實際裝配的機(jī)體經(jīng)過適當(dāng)?shù)母闹坪笞鳛樵囼灩ぱb。試驗分別選用25℃、33℃、45℃的SHELL M-1217潤滑油，其動力粘度與發(fā)動機(jī)常用潤滑油10-W40的95℃、120℃、130℃時相當(dāng)。

試驗結(jié)果表明，供油壓力為400-420kPa時，冷卻噴嘴的流量約為3.3-3.8L/min。冷卻噴嘴閥的開啟壓力為160kPa-170kPa，通過收集的機(jī)油量，用（3-1-3）反算，噴油速度為16.93m/s。試驗證明此噴嘴的功能性能滿足設(shè)計及使用要求。

冷卻噴嘴的可靠性及其對活塞的冷卻能否滿足要求尚需進(jìn)一步的活塞溫度測試及整機(jī)、整車搭載試驗進(jìn)行驗證。

5 結(jié)語

（1）隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度不斷提高，內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻活塞必將更加廣泛的應(yīng)用。（2）通過本文介紹的詳細(xì)設(shè)計方法，冷卻噴嘴及噴嘴閥可以根據(jù)本文提供的方法及經(jīng)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計，但必須進(jìn)行打靶試驗，驗證實物與設(shè)計目標(biāo)的符合性。同時，需要通過整機(jī)及整車相關(guān)試驗完成功能及可靠性驗證。

參考文獻(xiàn)

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