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，向冷卻油道內噴射冷卻機油，以達到降低活塞頭部溫度的目的。在傳統的發動機設計中，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

 

      活塞是發動機的核心元件，燃燒發生在活塞的燃燒室內，燃燒產生的爆發壓力推動活塞沿缸孔內做往復直線運動。活塞及活塞相關組件是發動機中工作條件最為苛刻的零部件，發動機的強化程度、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腔的環形油槽中，由于活塞的運動使機油在環形油槽中產生振蕩而冷卻活塞。而目前常用的內冷油道強制振蕩冷卻是在活塞鑄造時，在活塞頂部環槽位置，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循環及振蕩，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強制流動，以便達到冷卻活塞的目的。

      由于行業內活塞的設計一般由主機廠委托活塞生產企業進行精細設計，而活塞的冷卻噴嘴往往由各主機廠根據自身發動機工作特點，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。

      行業內，冷卻噴嘴的設計方法尚不系統，各類文獻中介紹細節設計方法的很少，本文將結合作者的工作經驗，重點介紹內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

 

      隨著柴油發電機的不斷強化，活塞的熱負荷越來越高，為了滿足柴油發電機的使用要求，整體內冷油腔活塞、鋼頂鋁裙、整體鍛鋼、復合材料、鑄鐵等活塞應運而生，這些高負荷柴油發電機活塞一般采用內冷油腔設計，冷卻機油通過噴嘴噴入冷卻油腔，在油腔內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，將冷卻機油噴入內冷油腔內。

1、噴嘴冷卻條件

      柴油發電機活塞在工作時不斷的從燃燒系統吸收熱量，如果要保持活塞有較高的強度，滿足柴油發電機的使用要求，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、活塞裙部和活塞內腔頂傳遞。但對于高強化柴油發電機活塞，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

      活塞內腔強制噴油冷卻的柴油發電機對噴油嘴的要求不高，只要保證噴油量，對冷卻噴嘴的發散度和噴射角度沒有嚴格要求。內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，第一環槽溫度升高使機油膠結，造成活塞環卡滯等失效模式。

2、冷卻噴嘴的設計要求

      當發動機的爆發壓力為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，需要考慮采用內冷油道強制振蕩冷卻。活塞噴嘴需要精確實現冷卻機油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）根據康明斯公司經驗，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部油腔。

（3）冷卻噴嘴管內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，保證油束不發散。

（5）冷卻噴嘴應該設置有壓力調節閥，根據發動機潤滑系統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，冷卻機油相對內冷油腔壁必須有較高的速度，形成紊流（雷諾數在3000以上）以提高換熱系數，所以冷卻機油必須在油腔內振蕩起來。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。參考內燃機設計，計算活塞瞬時最大速度，根據公式：

      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：曲柄轉角；λ：連桿比；ω：角速度。

      根據經驗，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）在發動機啟動初期，發動機轉速較低，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經驗，一般設定在120～160kPa，并結合發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。

 

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動機排氣側的主軸承鞍座之間。機油從康明斯發動機排氣側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）使用康明斯發動機盤車工具（零件號 3824591），需要轉動曲軸一整圈，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。如果發現任何損壞，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，則可能損壞活塞冷卻噴嘴。

（4）將 Loctite™ 242（零件號 3824040）涂抹到螺釘的螺紋上。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）根據需要旋轉曲軸，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）一般情況下發動機冷卻噴嘴都有開啟壓力，合理確定該數值，防止發動機頻繁啟動（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過適當的改制后作為試驗工裝。

（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，將噴油嘴固定在工裝下端，活塞可在工裝的圓筒內上下移動，以測定不同行程位置冷卻油的噴入量。

（3）在活塞內冷油腔的出口處連接收集回油的容器，以測量從內冷油腔的回油量，同時在工裝下端放置容器，收集未噴入內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本文提供的方法及經驗數據進行設計，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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