技術與安全知識

康明斯活塞冷卻噴嘴的作用和安裝方法及打靶試驗

 

摘要：為了保證柴油發(fā)電機活塞頭部不至于過熱，需要對活塞頭部進行冷卻，冷卻的原理是在活塞的頭部內(nèi)設置冷卻油道，然后由在缸頭上安裝的活塞冷卻噴嘴，向冷卻油道內(nèi)噴射冷卻機油，以達到降低活塞頭部溫度的目的。在傳統(tǒng)的發(fā)動機設計中，一個活塞通常設置一個康明斯冷卻噴嘴，噴油方向固定不變，在多缸發(fā)動機中需要設置多個冷卻噴嘴支架，且活塞冷卻噴嘴多安裝在缸體上，由于需要對燃燒室和活塞安裝結構進行避讓，通常需要設置專門的工裝將活塞冷卻噴嘴安裝在發(fā)動機缸體上，安裝工序復雜，請非技術人員勿自行安裝。

一、冷卻噴嘴設計概述

 

      活塞是發(fā)動機的核心元件，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)做往復直線運動。活塞及活塞相關組件是發(fā)動機中工作條件最為苛刻的零部件，發(fā)動機的強化程度、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。

      隨著柴油機強化程度不斷提高，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體上的冷卻噴嘴向活塞內(nèi)腔噴射機油，達到冷卻的目的；所謂振蕩冷卻，即從連桿小頭上的噴油孔將機油噴入活塞內(nèi)腔的環(huán)形油槽中，由于活塞的運動使機油在環(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，機油從布置在機體上的冷卻噴嘴，噴入活塞冷卻油道的進油孔，通過活塞的運行使機油在油道內(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，此結構使機油在活塞的冷卻油道內(nèi)強制流動，以便達到冷卻活塞的目的。

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

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

 

二、冷卻噴嘴的基本要求

 

      隨著柴油發(fā)電機的不斷強化，活塞的熱負荷越來越高，為了滿足柴油發(fā)電機的使用要求，整體內(nèi)冷油腔活塞、鋼頂鋁裙、整體鍛鋼、復合材料、鑄鐵等活塞應運而生，這些高負荷柴油發(fā)電機活塞一般采用內(nèi)冷油腔設計，冷卻機油通過噴嘴噴入冷卻油腔，在油腔內(nèi)振蕩吸收活塞熱量后流出，從而降低活塞（特別是頭部）溫度。冷卻噴嘴外觀如圖1所示，一般是固定在發(fā)動機機體上的冷卻裝置，如圖2所示。其作用是在活塞作高速往復運動時，將冷卻機油噴入內(nèi)冷油腔內(nèi)。

1、噴嘴冷卻條件

      柴油發(fā)電機活塞在工作時不斷的從燃燒系統(tǒng)吸收熱量，如果要保持活塞有較高的強度，滿足柴油發(fā)電機的使用要求，必須將活塞吸收的熱量及時地傳走。通常情況下，活塞吸收的熱量是通過活塞環(huán)、活塞裙部和活塞內(nèi)腔頂傳遞。但對于高強化柴油發(fā)電機活塞，僅靠這些方式已不能滿足冷卻活塞的要求，需要采用強制噴油冷卻。采用強制冷卻條件如下：

      當活塞頂面功率：≤2.4W/mm² 活塞不采用強制冷卻；2.4-3.2 W/mm² 活塞采用內(nèi)腔強制噴油冷卻；≥3.2 W/mm² 活塞采用冷卻油道振蕩冷卻。

注：活塞頂面積指的是投影面積，即：活塞直徑2π/4

      活塞內(nèi)腔強制噴油冷卻的柴油發(fā)電機對噴油嘴的要求不高，只要保證噴油量，對冷卻噴嘴的發(fā)散度和噴射角度沒有嚴格要求。內(nèi)冷油腔活塞對噴嘴的要求比較高，要求活塞在下止點時冷卻油能夠全部噴入，活塞在上止點時大部分冷卻油（80%以上）噴入，噴油嘴的噴油量為5-7L/Kw.h，噴射速度大于活塞的最大瞬時速度。如果冷卻噴嘴的冷卻油不能夠噴入冷卻油道或噴入量小，對活塞的冷卻非常不利，因為冷卻油腔阻止了熱量的傳遞，量熱集聚在活塞頂部，使活塞頂部、第一環(huán)槽的溫度提高，造成活塞頂部異常膨脹，會引起活塞拉缸，第一環(huán)槽溫度升高使機油膠結，造成活塞環(huán)卡滯等失效模式。

2、冷卻噴嘴的設計要求

      當發(fā)動機的爆發(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)冷油道強制振蕩冷卻。活塞噴嘴需要精確實現(xiàn)冷卻機油95%通過進油孔，并且達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計要求：

（1）根據(jù)康明斯公司經(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)壁粗糙度在滿足設計要求及零件成本目標的情況下盡量小，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）冷卻噴嘴應該設置有壓力調(diào)節(jié)閥，根據(jù)發(fā)動機潤滑系統(tǒng)的總油量及不同工況下的機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。

3、機油振蕩措施

      內(nèi)冷油腔活塞除對噴入油量和油束速度要求外，要提高冷卻效果，冷卻機油相對內(nèi)冷油腔壁必須有較高的速度，形成紊流（雷諾數(shù)在3000以上）以提高換熱系數(shù)，所以冷卻機油必須在油腔內(nèi)振蕩起來。要使冷卻機油振蕩起來，一般采取兩種措施：

（1）冷卻油腔有一定的高度，避免扁/圓形設計；

（2）在油腔內(nèi)合理的機油充入量，機油充滿油腔或充入量過少都不利于活塞的冷卻。

圖1  康明斯6LTAA8.9發(fā)動機冷卻噴嘴實物圖

圖2  活塞冷卻噴嘴位置示意圖

 

三、冷卻噴嘴設計參數(shù)和計算公式

 

1、冷卻噴嘴設計

      如前文所述，噴油速度要求大于活塞的瞬時最大速度，保證機油可以噴入活塞的內(nèi)部油腔。不僅僅是額定負荷點，還包括最大扭矩點等各階段。參考內(nèi)燃機設計，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）............................（公式1）

      活塞瞬時加速度：

J≈Rω2 ×（cosα+λcos2α）............................（公式2）

      當活塞加速度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。

      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，進而計算出出口直徑，進行噴嘴設計。

Q=V出口×A出口............................（公式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。

2、冷卻噴嘴閥設計

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

（1）在發(fā)動機啟動初期，發(fā)動機轉(zhuǎn)速較低，負荷較低，這時機油泵流量也處于較低的水平，此時，活塞承受熱負荷還不高。如果冷卻噴嘴開啟，會消耗大量機油，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，一般設定在120～160kPa，并結合發(fā)動機實際工作情況進行設定。本例中，低功率版性能初試中，發(fā)動機額定點機油壓力410kPa，扭矩點機油壓力375kPa，怠速點機油壓力280kPa，機油溫度88℃。考慮實際使用及極限工況，隨著機油溫度升高，機油壓力還會下降。再有就是此例中的活塞熱固耦合計算結果表明此活塞熱負荷偏高，活塞溫度較高，應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定在160kPa。

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

 

四、冷卻噴嘴拆裝與試驗

1、冷卻噴嘴拆裝步驟

      J 形活塞冷卻噴嘴位于康明斯發(fā)動機排氣側(cè)的主軸承鞍座之間。機油從康明斯發(fā)動機排氣側(cè)的缸體中的總油道供應。采用 J 形活塞冷卻噴嘴的缸體也可以加工為能夠使用鞍座式活塞冷卻噴嘴。如果是這種情況，塞子需要安裝在鞍座式活塞冷卻噴嘴的位置。

（1）使用康明斯發(fā)動機盤車工具（零件號 3824591），需要轉(zhuǎn)動曲軸一整圈，以便可以夠到每個活塞冷卻噴嘴和/或螺釘。

（2）拆下活塞冷卻噴嘴和螺釘、墊圈，避免接觸氣缸壁，如圖3所示。

（3）保護氣缸蓋冷卻液通道和機油油道，以防污染，如圖4所示。

（4）檢查冷卻噴嘴和螺釘有無裂紋、彎曲或其他損壞。檢查噴嘴尖端有無毛刺或損壞。損壞的冷卻噴嘴或螺釘不能維修。如果發(fā)現(xiàn)任何損壞，必須更換活塞冷卻噴嘴或螺釘。

 

圖3  活塞冷卻噴嘴拆卸圖示

圖4  氣缸蓋冷卻液通道和機油油道防護方法

 

2、冷卻噴嘴安裝步驟

（1）如果使用原零件，應使用溶劑清潔活塞冷卻噴嘴。用壓縮空氣吹干缸體內(nèi)的油道。

（2）當將噴嘴插入孔中時，噴嘴總成的定位臂必須朝上。接觸氣缸壁將損壞噴嘴。利用長套筒驅(qū)動延長件，將螺釘和/或活塞冷卻噴嘴安裝到位。

（3）要正確對正，活塞冷卻噴嘴定位銷必須嚙合缸體中的定位孔，并確保尖端指向氣缸，如圖5所示。如果支柱不在缸套外側(cè)，則可能損壞活塞冷卻噴嘴。

（4）將 Loctite™ 242（零件號 3824040）涂抹到螺釘?shù)穆菁y上。使用 Loctite 安裝螺釘和墊圈并用手擰緊。扭矩值：冷卻噴嘴螺釘65N.m。

（5）根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)曲軸，一次一個氣缸地安裝活塞冷卻噴嘴和螺釘。

2、拆裝注意事項

（1）冷卻噴嘴的水頭損失與冷卻油流動速度的平方成正比，為了降低其水頭損失，噴嘴結構盡可能的簡單，噴嘴內(nèi)圓滑過渡。

（2） 噴油速度盡可能不小于活塞運動時的瞬時速度，不僅僅是額定負荷點，還包括大扭矩點等各階段。

（3）一般情況下發(fā)動機冷卻噴嘴都有開啟壓力，合理確定該數(shù)值，防止發(fā)動機頻繁啟動（或負荷大范圍變化）時造成活塞過熱。

（4）活塞內(nèi)冷油腔的冷卻效果不但與冷卻油腔的表面積成正比，還與冷卻油的振蕩有關，所以冷卻油腔要求有一定的高度，使冷卻油與冷卻油腔表面有較大的相對速度，形成紊流，提高冷卻效率。

（5）確保用與已拆下的噴嘴相同零件號或替代零件號的噴嘴更換。

（6）如圖6所示。不要在活塞位于下止點時拆卸活塞冷卻噴嘴。否則會損壞噴嘴并造成活塞故障。為降低損壞的可能性，必須僅當正在維修的氣缸處于上止點時才可以拆下活塞冷卻噴嘴。

 

圖5  冷卻噴嘴的對準步驟

圖6  柴油機上止點和下止點示意圖

 

3、試驗驗證

      冷卻噴嘴安裝完成，試制完成后，還需要進行試驗驗證，確認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進行，也可以用實際裝配的機體經(jīng)過適當?shù)母闹坪笞鳛樵囼灩ぱb。

（1）主油道的供油壓力可用泵體模擬。

（2）噴嘴相對活塞的位置可由工裝實現(xiàn)，將噴油嘴固定在工裝下端，活塞可在工裝的圓筒內(nèi)上下移動，以測定不同行程位置冷卻油的噴入量。

（3）在活塞內(nèi)冷油腔的出口處連接收集回油的容器，以測量從內(nèi)冷油腔的回油量，同時在工裝下端放置容器，收集未噴入內(nèi)冷油腔而回流的冷卻油，可得到總的噴油量。

      試驗結果表明，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，通過收集的機油量，用（公式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計及使用要求。

 

總結：

      隨著柴油機強化程度不斷提高，內(nèi)冷油道強制振蕩冷卻活塞必將更加廣泛的應用。通過本文介紹的詳細設計和安裝方法，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)進行設計，但必須進行打靶試驗，驗證實物與設計目標的符合性。同時，需要通過整機相關試驗完成功能及可靠性驗證。

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