技術(shù)與安全知識(shí)

康明斯活塞冷卻噴嘴的作用和安裝方法及打靶試驗(yàn)

 

摘要：為了保證柴油發(fā)電機(jī)活塞頭部不至于過(guò)熱，需要對(duì)活塞頭部進(jìn)行冷卻，冷卻的原理是在活塞的頭部?jī)?nèi)設(shè)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(jī)油，以達(dá)到降低活塞頭部溫度的目的。在傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，一個(gè)活塞通常設(shè)置一個(gè)康明斯冷卻噴嘴，噴油方向固定不變，在多缸發(fā)動(dòng)機(jī)中需要設(shè)置多個(gè)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(duì)燃燒室和活塞安裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行避讓?zhuān)ǔＰ枰O(shè)置專(zhuān)門(mén)的工裝將活塞冷卻噴嘴安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體上，安裝工序復(fù)雜，請(qǐng)非技術(shù)人員勿自行安裝。

一、冷卻噴嘴設(shè)計(jì)概述

 

      活塞是發(fā)動(dòng)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(dòng)活塞沿缸孔內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)?；钊盎钊嚓P(guān)組件是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最為苛刻的零部件，發(fā)動(dòng)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(guò)傳熱計(jì)算分析及活塞溫度場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)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(guò)高的熱負(fù)荷容易造成活塞頂部開(kāi)裂等故障。

      這就對(duì)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(dòng)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(shí)，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(guò)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(dòng)，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(jì)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(jì)，而活塞的冷卻噴嘴往往由各主機(jī)廠根據(jù)自身發(fā)動(dòng)機(jī)工作特點(diǎn)，機(jī)油壓力情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。因此，由于技術(shù)保密等原因，活塞生產(chǎn)商往往無(wú)法獲得準(zhǔn)確的機(jī)油供給量，活塞一般也是類(lèi)比設(shè)計(jì)，因此，活塞冷卻最終能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，一般需要各主機(jī)廠在冷卻噴嘴設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行實(shí)物的驗(yàn)證。

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

 

二、冷卻噴嘴的基本要求

 

      隨著柴油發(fā)電機(jī)的不斷強(qiáng)化，活塞的熱負(fù)荷越來(lái)越高，為了滿(mǎn)足柴油發(fā)電機(jī)的使用要求，整體內(nèi)冷油腔活塞、鋼頂鋁裙、整體鍛鋼、復(fù)合材料、鑄鐵等活塞應(yīng)運(yùn)而生，這些高負(fù)荷柴油發(fā)電機(jī)活塞一般采用內(nèi)冷油腔設(shè)計(jì)，冷卻機(jī)油通過(guò)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(dòng)機(jī)機(jī)體上的冷卻裝置，如圖2所示。其作用是在活塞作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將冷卻機(jī)油噴入內(nèi)冷油腔內(nèi)。

1、噴嘴冷卻條件

      柴油發(fā)電機(jī)活塞在工作時(shí)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(qiáng)度，滿(mǎn)足柴油發(fā)電機(jī)的使用要求，必須將活塞吸收的熱量及時(shí)地傳走。通常情況下，活塞吸收的熱量是通過(guò)活塞環(huán)、活塞裙部和活塞內(nèi)腔頂傳遞。但對(duì)于高強(qiáng)化柴油發(fā)電機(jī)活塞，僅靠這些方式已不能滿(mǎn)足冷卻活塞的要求，需要采用強(qiáng)制噴油冷卻。采用強(qiáng)制冷卻條件如下：

      當(dāng)活塞頂面功率：≤2.4W/mm² 活塞不采用強(qiáng)制冷卻；2.4-3.2 W/mm² 活塞采用內(nèi)腔強(qiáng)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(qiáng)制噴油冷卻的柴油發(fā)電機(jī)對(duì)噴油嘴的要求不高，只要保證噴油量，對(duì)冷卻噴嘴的發(fā)散度和噴射角度沒(méi)有嚴(yán)格要求。內(nèi)冷油腔活塞對(duì)噴嘴的要求比較高，要求活塞在下止點(diǎn)時(shí)冷卻油能夠全部噴入，活塞在上止點(diǎn)時(shí)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(shí)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(duì)活塞的冷卻非常不利，因?yàn)槔鋮s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(huì)引起活塞拉缸，第一環(huán)槽溫度升高使機(jī)油膠結(jié)，造成活塞環(huán)卡滯等失效模式。

2、冷卻噴嘴的設(shè)計(jì)要求

      當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的爆發(fā)壓力為14-21MPa，升功率超過(guò)25-35kW/L，活塞單位面積功率大于0.30-0.47kW/cm²時(shí)，需要考慮采用內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻?；钊麌娮煨枰_實(shí)現(xiàn)冷卻機(jī)油95%通過(guò)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(jì)要求：

（1）根據(jù)康明斯公司經(jīng)驗(yàn)，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(shí)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(mǎn)足設(shè)計(jì)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(guò)渡。

（4）噴嘴管出口保留尖角，避免圓滑過(guò)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(dòng)機(jī)潤(rùn)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(kāi)啟壓力。

（6）實(shí)施DFMEA，選擇合理的定位方式，保證零部件的可靠性。

3、機(jī)油振蕩措施

      內(nèi)冷油腔活塞除對(duì)噴入油量和油束速度要求外，要提高冷卻效果，冷卻機(jī)油相對(duì)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(jī)油必須在油腔內(nèi)振蕩起來(lái)。要使冷卻機(jī)油振蕩起來(lái)，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(shè)計(jì)；

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

圖1  康明斯6LTAA8.9發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻噴嘴實(shí)物圖

圖2  活塞冷卻噴嘴位置示意圖

 

三、冷卻噴嘴設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算公式

 

1、冷卻噴嘴設(shè)計(jì)

      如前文所述，噴油速度要求大于活塞的瞬時(shí)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(diǎn)，還包括最大扭矩點(diǎn)等各階段。參考內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)，計(jì)算活塞瞬時(shí)最大速度，根據(jù)公式：

      活塞瞬時(shí)速度：

V≈Rω ×（sinα+λsin2α/2）............................（公式1）

      活塞瞬時(shí)加速度：

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

      當(dāng)活塞加速度J=0時(shí)，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(yàn)，噴油速率為4-6kg/kW·h，因此可以通過(guò)選定工況點(diǎn)的功率計(jì)算出理論需要的噴油量。并由下述公式計(jì)算冷卻噴嘴出口的截面積，進(jìn)而計(jì)算出出口直徑，進(jìn)行噴嘴設(shè)計(jì)。

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(shè)計(jì)

      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?yàn)椋?/span>

（1）在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)初期，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，負(fù)荷較低，這時(shí)機(jī)油泵流量也處于較低的水平，此時(shí)，活塞承受熱負(fù)荷還不高。如果冷卻噴嘴開(kāi)啟，會(huì)消耗大量機(jī)油，會(huì)影響初始的潤(rùn)滑系統(tǒng)建立。

（2）活塞頭部及燃燒室可能會(huì)過(guò)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(lèi)氣體混合，對(duì)活塞組件及氣缸造成腐蝕。

      冷卻噴嘴閥的開(kāi)啟壓力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般設(shè)定在120～160kPa，并結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)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(dòng)機(jī)額定點(diǎn)機(jī)油壓力410kPa，扭矩點(diǎn)機(jī)油壓力375kPa，怠速點(diǎn)機(jī)油壓力280kPa，機(jī)油溫度88℃?？紤]實(shí)際使用及極限工況，隨著機(jī)油溫度升高，機(jī)油壓力還會(huì)下降。再有就是此例中的活塞熱固耦合計(jì)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(kāi)啟活塞冷卻。綜上所述，冷卻噴嘴閥的開(kāi)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(kāi)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(jì)參數(shù)。

 

四、冷卻噴嘴拆裝與試驗(yàn)

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(dòng)機(jī)排氣側(cè)的主軸承鞍座之間。機(jī)油從康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)排氣側(cè)的缸體中的總油道供應(yīng)。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(dòng)機(jī)盤(pán)車(chē)工具（零件號(hào) 3824591），需要轉(zhuǎn)動(dòng)曲軸一整圈，以便可以夠到每個(gè)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(hù)氣缸蓋冷卻液通道和機(jī)油油道，以防污染，如圖4所示。

（4）檢查冷卻噴嘴和螺釘有無(wú)裂紋、彎曲或其他損壞。檢查噴嘴尖端有無(wú)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(jī)油油道防護(hù)方法

 

2、冷卻噴嘴安裝步驟

（1）如果使用原零件，應(yīng)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(dāng)將噴嘴插入孔中時(shí)，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(zhǎng)套筒驅(qū)動(dòng)延長(zhǎng)件，將螺釘和/或活塞冷卻噴嘴安裝到位。

（3）要正確對(duì)正，活塞冷卻噴嘴定位銷(xiāo)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(hào) 3824040）涂抹到螺釘?shù)穆菁y上。使用 Loctite 安裝螺釘和墊圈并用手?jǐn)Q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(gè)氣缸地安裝活塞冷卻噴嘴和螺釘。

2、拆裝注意事項(xiàng)

（1）冷卻噴嘴的水頭損失與冷卻油流動(dòng)速度的平方成正比，為了降低其水頭損失，噴嘴結(jié)構(gòu)盡可能的簡(jiǎn)單，噴嘴內(nèi)圓滑過(guò)渡。

（2） 噴油速度盡可能不小于活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)速度，不僅僅是額定負(fù)荷點(diǎn)，還包括大扭矩點(diǎn)等各階段。

（3）一般情況下發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻噴嘴都有開(kāi)啟壓力，合理確定該數(shù)值，防止發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁啟動(dòng)（或負(fù)荷大范圍變化）時(shí)造成活塞過(guò)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(guān)，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(duì)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(hào)或替代零件號(hào)的噴嘴更換。

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

 

圖5  冷卻噴嘴的對(duì)準(zhǔn)步驟

圖6  柴油機(jī)上止點(diǎn)和下止點(diǎn)示意圖

 

3、試驗(yàn)驗(yàn)證

      冷卻噴嘴安裝完成，試制完成后，還需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)冷卻噴嘴的功能性能。這種試驗(yàn)一般稱(chēng)為打靶試驗(yàn)，可以在特制的工裝上進(jìn)行，也可以用實(shí)際裝配的機(jī)體經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母闹坪笞鳛樵囼?yàn)工裝。

（1）主油道的供油壓力可用泵體模擬。

（2）噴嘴相對(duì)活塞的位置可由工裝實(shí)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(dòng)，以測(cè)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(cè)量從內(nèi)冷油腔的回油量，同時(shí)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(yàn)結(jié)果表明，供油壓力為400-420kPa時(shí)，冷卻噴嘴的流量約為3.3-3.8L/min。冷卻噴嘴閥的開(kāi)啟壓力為160kPa-170kPa，通過(guò)收集的機(jī)油量，用（公式3）反算，噴油速度為16.93m/s。試驗(yàn)證明此噴嘴的功能性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及使用要求。

 

總結(jié)：

      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。通過(guò)本文介紹的詳細(xì)設(shè)計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但必須進(jìn)行打靶試驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)物與設(shè)計(jì)目標(biāo)的符合性。同時(shí)，需要通過(guò)整機(jī)相關(guān)試驗(yàn)完成功能及可靠性驗(yàn)證。

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