活塞冷卻噴射裝置設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的試驗(yàn)驗(yàn)證

劉愛(ài)東

(泛亞汽車技術(shù)中心有限公司 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)部，上海 201201)

0 引言

為了滿足越來(lái)越苛刻的車輛排放和燃油消耗法規(guī)的要求，以及消費(fèi)者對(duì)車輛節(jié)能的理性需求，各大車輛制造企業(yè)加大對(duì)小排量發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)投入和技術(shù)革新。在排放法規(guī)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的雙重壓力下，小排量渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)已成為傳統(tǒng)動(dòng)力提升方向。同時(shí)，隨著先進(jìn)高效的燃燒技術(shù)和增壓技術(shù)的提高，發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率進(jìn)一步提高，發(fā)動(dòng)機(jī)強(qiáng)化程度也越來(lái)越高，因而其熱負(fù)荷也將越來(lái)越高。這就需要在設(shè)計(jì)之初就須要額外關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻性能，使之滿足可靠性的要求。

高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其活塞頂面承受瞬變高溫燃?xì)?最高溫度可達(dá)2 000～2 500 ℃)的作用，使活塞頂面的溫度很高，而且活塞溫度分布也不是很均勻，溫度梯度大，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力容易使活塞頂面開(kāi)裂[1]。為此，為某高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)了活塞冷卻噴射裝置?；钊鋮s噴射裝置是通過(guò)向活塞內(nèi)腔噴射機(jī)油來(lái)冷卻活塞，達(dá)到降低活塞溫度的目的。為了有效評(píng)估所開(kāi)發(fā)的活塞冷卻噴射裝置是否滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也為了真實(shí)地反映活塞冷卻噴油裝置在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的噴射情況，特進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 活塞冷卻噴射裝置簡(jiǎn)介

為某高強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)的活塞冷卻噴射裝置如圖1所示。其噴孔直徑為(φ1.0±0.1)mm，噴射控制閥開(kāi)啟壓力為0.21 MPa，全開(kāi)壓力為0.25 MPa；其供油壓力為0.4 MPa，即發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)的主油道機(jī)油壓力；其噴管直徑為φ4.0 mm?；钊鋮s噴射裝置噴射位置及油束目標(biāo)落點(diǎn)如圖2所示。

圖1 活塞冷卻裝置

圖2 活塞冷卻裝置油束落點(diǎn)位置

2 試驗(yàn)評(píng)估

2.1 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)

試驗(yàn)的目的是，在一定的機(jī)油黏度下，測(cè)量活塞冷卻噴油裝置在不同的供油壓力下的流量特性，并評(píng)估活塞冷卻噴射裝置噴出的油束在不同曲軸轉(zhuǎn)角下的落點(diǎn)。

2.2 試驗(yàn)裝置

針對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置原理

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備如表1所示。

根據(jù)試驗(yàn)要求，選用了表1所列試驗(yàn)設(shè)備，同時(shí)也對(duì)活塞進(jìn)行改制，將活塞頂平面削掉，加一塊透明的有機(jī)玻璃，便于觀察油束的落點(diǎn)。

表1 試驗(yàn)設(shè)備

2.4 試驗(yàn)步驟

按圖3連接各設(shè)備，然后按如下步驟進(jìn)行試驗(yàn)：(1)向活塞冷卻噴射裝置供給具有一定壓力的特殊機(jī)油(Shell M1217，該機(jī)油在常溫狀態(tài)下的黏度與發(fā)動(dòng)機(jī)在熱態(tài)下機(jī)油黏度相近，從而能更真實(shí)地模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài))，控制機(jī)油溫度((30±2)℃)和機(jī)油壓力(0～0.5 MPa)，測(cè)量各缸活塞冷卻噴油裝置的流量，油壓測(cè)量點(diǎn)間隔為0.05 MPa，每個(gè)壓力點(diǎn)持續(xù)時(shí)間60 s，重復(fù)3次；(2)裝配改制的活塞，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸，觀察活塞冷卻噴射裝置油束在不同曲軸轉(zhuǎn)角下的落點(diǎn)。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2.6 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)活塞材料溫度極限要求，活塞單位受熱負(fù)荷極值為2 000 kW/m2，則活塞最大受熱負(fù)荷時(shí)的功率為：

Pmax=πd2Pn/4

(1)

式中：Pmax為活塞最大受熱負(fù)荷時(shí)的功率，kW；d為缸徑，m，該發(fā)動(dòng)機(jī)為0.093 m；P為單位活塞受熱負(fù)荷極值，kW/m2，該發(fā)動(dòng)機(jī)為2 000 kW/m2；n為缸數(shù)，該發(fā)動(dòng)機(jī)為4。

經(jīng)計(jì)算Pmax為54 kW。根據(jù)該發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速>2 050 r/min時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)外特性上的功率都大于54 kW，需要機(jī)油冷卻；活塞冷卻噴射裝置的控制閥開(kāi)啟壓力為0.21 MPa，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速>1 200 r/min時(shí)，主油道壓力都大于0.21 MPa，因此，目前的活塞冷卻噴射裝置的控制閥滿足要求。

在額定功率點(diǎn)活塞冷卻噴射裝置總的流量要求為5～7 L/(kW·h)，而試驗(yàn)測(cè)量值只有2.8 L/(kW·h)，不能滿足設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，油束速度須大于活塞速度，以避免在活塞運(yùn)動(dòng)中油束追不上快速的活塞。

在額定功率點(diǎn)，活塞速度為：

vP=rω(sinα+sin2α(λ/2))

(2)

式中：r為曲柄半徑，mm；ω為曲柄作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad，該發(fā)動(dòng)機(jī)為3 600π/30；λ為曲柄半徑/連桿長(zhǎng)度比，該發(fā)動(dòng)機(jī)為51/168。

當(dāng)a=cos-1((1/4λ)2+1/2)(0.5-1/4λ)時(shí)，活塞達(dá)到最大速度vP，max，為20.03 m/s；

活塞冷卻噴射裝置油束的最大流速為：

vJ,max=qV,max/S

(3)

式中：vJ,max為活塞冷卻噴射裝置最大的流速，m/s；qV,max為最大體積流量，m3/s；該發(fā)動(dòng)機(jī)為3.84 L/min；S為噴孔面積，m2，該發(fā)動(dòng)機(jī)為0.001×0.001×π m2。

計(jì)算得，vJ,max為20.38 m/s，>vP,max20.03 m/s。由此可知，油束速度滿足設(shè)計(jì)要求。

活塞冷卻噴射裝置油束的最佳落點(diǎn)應(yīng)在活塞底部和活塞壁的交界處，且能夠隨著活塞的運(yùn)動(dòng)橫向(即進(jìn)排氣方向)來(lái)回移動(dòng)，而且應(yīng)在排氣側(cè)。通過(guò)測(cè)試觀察發(fā)現(xiàn)，目前設(shè)計(jì)的活塞冷卻噴射裝置基本能滿足此要求。圖4所示為第1缸活塞冷卻噴射裝置在噴射壓力0.3 MPa下的油束落點(diǎn)情況。

圖4 觀測(cè)到的油束落點(diǎn)情況

3 零件改進(jìn)

針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，需要將活塞冷卻噴射裝置總的流量提高到5～7 L/(kW·h)。為此，提出2種方案：(1)提高活塞冷卻噴射裝置的機(jī)油供給壓力；(2)增大噴孔的直徑。方案1雖然可以提高噴射流量，但受發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)的限制，改進(jìn)程度受限；而方案2通過(guò)增大噴孔的直徑來(lái)提高噴射流量，但容易降低噴油的流速，使活塞速度大于油束速度，反而不能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1 改進(jìn)后零件驗(yàn)證

按照前面提出的改進(jìn)方案進(jìn)行測(cè)試。首先，測(cè)試增大活塞冷卻噴射裝置的機(jī)油供給壓力后活塞冷卻噴射裝置總的流量。通過(guò)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在額定功率點(diǎn)3 600 r/min，采用當(dāng)前供給壓力0.41 MPa，活塞冷卻裝置流量?jī)H僅只有230 L/h，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到所要求的406 ～569 L/h。為了達(dá)到所要求的5～7 L/(kW·h)流量，在1 800 r/min之后，供給壓力就遠(yuǎn)超過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)普遍的油壓水平，因此采用提高供給壓力來(lái)增大流量的措施并不可取，而且成本也非常高。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 活塞冷卻裝置流量測(cè)量結(jié)果(增大機(jī)油壓力來(lái)增大流量)

然后，分別測(cè)試增大噴孔直徑后活塞冷卻噴射裝置的總流量。將噴管直徑從4.0 mm加大5.0 mm，噴孔直徑采用φ1.0 mm、φ1.2 mm、φ1.4 mm、φ1.6 mm和φ1.8 mm。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，噴孔直徑為φ1.4mm和φ1.6 mm的活塞冷卻噴射裝置滿足設(shè)計(jì)要求，其他噴孔直徑的活塞冷卻噴射裝置都超過(guò)范圍。

圖6 活塞冷卻裝置流量測(cè)量結(jié)果(增大噴孔來(lái)增大流量)

最后，校核活塞冷卻噴射裝置的油束速度。

1)噴孔直徑為φ1.4 mm時(shí)，根據(jù)式(3)計(jì)算的活塞冷卻噴射裝置油束最大流速vmax為20.24 m/s。

2)噴孔直徑為φ1.6 mm時(shí)，根據(jù)式(3)計(jì)算的活塞冷卻噴射裝置油束最大流速vmax為18.65 m/s。

由于活塞的最大速度為20.03 m/s，因此最后選擇噴孔直徑為φ1.4 mm，噴管直徑為φ5.0 mm。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證活塞冷卻噴射裝置改進(jìn)后的效果，采用溫度感應(yīng)塞測(cè)試活塞溫度。測(cè)試結(jié)果顯示，活塞最高溫度為313 ℃，遠(yuǎn)低于活塞最高溫度限制360 ℃?；钊鼽c(diǎn)的溫度如圖7所示。

圖7 活塞溫度分布

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)活塞冷卻噴射裝置試驗(yàn)評(píng)估，得出以下結(jié)論：

1)活塞冷卻噴射裝置要達(dá)到冷卻效果，則在發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率點(diǎn)，活塞冷卻噴射裝置的總流量必須達(dá)到5～7 L/(kW·h)。

2)活塞冷卻噴射裝置噴油的落點(diǎn)一般在排氣側(cè)，最佳位置應(yīng)在活塞底部和活塞壁的交界處；如果噴射到活塞底部、活塞壁及連桿小頭都不能有效降低活塞溫度。