重型柴油机内冷油道的设计1

重型车用柴油机活塞冷却油腔研究 吴义民,赵旭东,刘小斌 （山东滨州渤海活塞股份有限公司.国家级企业技术中心; 山东.滨州 256602） 摘要  本文介绍了活塞结构选型及冷却油腔的形状、位置对活塞的冷却效果、机械强度和温度场的影响。另外介绍了国外一些特殊结构的冷却油腔及重型载重车用柴油机活塞冷却油腔设计所遵循的原则。并依托设计实例借助FEA对不同形状冷却油腔的影响进行了对比，得出结论用以指导设计。 关键词  重型车用柴油机  活塞  冷却油腔  Research of Cooling Gallery of Piston in Heavy Duty Diesel Engine Wu Yi-min，Zhao Xu-dong, Liu Xiao-bin (Shandong Binzhou Bohai Piston Co.Ltd., Binzhou,Shandong 256602) Abstract:  In this paper we gave general introduction of principle of piston structure option and discussed the effect of the shape and location of cooling gallery on piston cooling, strength and thermal field. Some special-structured colling gallerys abroad were presented and the design principle of colling gallery of heavy duty diesel engine piston was also provided in the thesis. Based on design example and FEA we gave resusts of different effect on piston between various cooling gallery and the results were applied in piston designing. Key Words: Heavy Duty Diesel Engine; Piston; Cooling Gallery 前言 随着柴油机向低排放、高强化程度的方向发展，对活塞承载机械负荷、热负荷的能力及性能提出了更高的要求。尤其是重型车用柴油机，气缸爆发压力不断提高，据统计1990-2006期间，气缸最大爆发压力以每年3bar的速度发展，升功率提高了一倍，今后还将持续提高。 柴油机的不断强化对传统结构的铝活塞提出了挑战，世界各国的活塞制造商一直在努力寻求不断提高活塞性能和强度的办法：环槽镶环座、裙部印刷石墨（二硫化钼）、顶面阳极氧化、钢顶铝裙铰接、头部铸出冷却油腔、压力铸造等结构和新技术相继应用在活塞上，另外高铜、高镍铸造铝合金、铸铁、锻钢、陶瓷复合材料等活塞材料也得到了发展。 通常活塞头部冷却有内腔顶喷油、蛇形管、冷却油腔、冷却油腔等冷却形式，活塞头部铸有冷却油腔是降低活塞热负荷非常有效的方法，本文重点介绍适用于高强化重型车用柴油机活塞的冷却油腔。 1 冷却油腔的结构形式 在活塞头部铸出冷却油腔的目的是迅速传递出活塞顶部吸收的热量，使活塞各部位温度不超过极限值，确保活塞的强度和性能。 铸造铝合金活塞关键部位温度极限参考值如下： 活塞顶部表面：  ≤370℃ 燃烧室：        ≤360℃ 第一环槽：      ≤260℃ 冷却油腔：      ≤220℃ 活塞内腔顶部：  ≤250℃ 活塞销座：      ≤180℃ 锻钢活塞关键部位温度极限参考值如下： 燃烧室喉口：    ≤500℃ 冷却油腔顶部：  ≤300℃ 第一环槽：      ≤220℃ 1.1 活塞结构选型 冷却油腔较内腔强制冷却有着非常明显的冷却效果，相同环境下采用冷却油腔结构的活塞顶面比内腔强制冷却活塞顶面能够降低10℃，热量散发的方式也有较大改变。 表一：活塞内腔直喷冷却与活塞头部铸有冷却油腔冷却的散热区别 结 构 内 腔 一 槽 二 槽 三 槽 裙 部 冷却油腔 内腔冷却 35% 25% 18% 14% 8% ------- 油道冷却 28% 20% 12% 8% 5% 27%               重型车用柴油机活塞的结构选型主要依据发动机的功率和最大爆发压力， 1.1.1按照活塞顶面投影面积选型： ≤2.4W/mm2  活塞不采用强制冷却 2.4-3.2 W/mm2  活塞采用内腔强制喷油冷却 ≥3.2 W/mm2  活塞采用冷却油腔震荡冷却 1.1.2按照升功率选型 ≤26-35Kw/L 铸造铝活塞采用冷却油腔 ≥35 Kw/L  采用整体锻钢活塞（活塞头部带有冷却油腔） 1.1.3当柴油机气缸最大爆发压力大于20MPa时，不管升功率大小都必须采用整体锻钢活塞。 1.2 冷却油腔的结构形式 对于载重车用柴油机活塞大多数冷却油腔的结构是圆环形的，一般与活塞轴线同心，也有个别活塞的冷却油腔与燃烧室同心。冷却油腔的断面形状也不相同，这主要取决于活塞的结构和不同断面形状冷却油腔的传热性能。 图1  几种一般结构的冷却油腔 1.2.1  特殊结构的冷却油腔 为了进一步提高冷却油腔的冷却效果，国外设计了一些特殊结构，这些冷却油腔利用冷却油在油道中的流动特性，提高了导热系数，同时冷却油腔的传热面积也有所增加。 A 波浪型                b  开式双波浪型                c  泵吸型 图2  几种特殊结构的冷却油腔 1.2.2锻钢活塞的冷却油腔 锻钢活塞的冷却油腔表面积和体积都比较大，冷却效果非常的明显，通过有限元分析可知，锻钢活塞主要是在燃烧室吸收热量（占到总吸收热量的85%以上），散热主要是通过冷却油腔(75%)和活塞内腔(20%)。 锻钢活塞分为整体锻钢活塞和头、裙（头、裙半成品焊接）锻钢活塞，这两种活塞的油道形状有些区别，冷却效果也不一样，整体锻钢活塞的冷却油腔是在活塞头部车削出来，再用钢片将其封闭，头、裙锻钢活塞的冷却油腔是在活塞头和活塞裙毛坯上分别加工出油道的一部分，再通过焊接的方式形成封闭的冷却腔。由于结构的限制，整体锻钢活塞的冷却油腔容积较小，位置相对较低，冷却效果较差，燃烧室喉口、一环槽、油腔顶部的温度较头、裙焊接锻钢活塞高出30-40℃。 a 头、裙焊接锻钢活塞油道                      b整体锻钢活塞油道 图3 锻钢活塞冷却油腔 图4  某锻钢活塞的温度场 2 冷却油腔形状、位置对活塞的影响 2.1冷却油的冷却方式及油腔的冷却系数： 冷却介质的流速、流动方式对传热系数有影响，当流速超过一定数值时，冷却介质由层流变为紊流，相应的传热系数增加一个数量级，当雷诺系数大于2500时会发生这种转变。      当冷却油腔充满冷却油时，流速会很低，所以传热系数也很低，冷却效果不好；当部分充满油腔时，由于受活塞高速往复运动的影响，冷却油在油腔内产生激烈的震荡，与冷却油腔内表面的相对速度较高，形成紊流，提高了传热系数；当充满量太少时，虽然能够形成紊流，但受冷却介质流量的限制，带走的热量较少，一般充量为冷却油腔的30%-50%时冷却效果最好。                                    对安装在机体主油道上的冷却喷嘴要保证将足够的冷却油喷入油道，要求一定的喷射速度和喷射压力。一般认为，向冷却油腔的喷油量为5-7L/Kw.h，喷射速度大于活塞最高运动速度时冷却效果较好。 2.2 冷却油腔对活塞结构强度的影响‘ 冷却油腔设计的主要数据是其表面积与活塞顶面投影面积比，该数值在满足活塞结构强度的情况下大一些对冷却好一些，但是由于受到结构的限制，现在一般设计指标为1.0-1.1之间，也有到0.88的实例。 在面积比值一定的情况下冷却油腔的形状越接近于圆环状，冷却油腔的体积越大。因为在活塞头部的冷却油腔，从单纯的结构强度方面来讲是一种缺陷，所以在内表面一定的情况下，尽量减少冷却油腔的体积。一般来说，油腔的高度应大一些，这样在活塞运动时能够较好的形成紊流。细长型冷却油腔对降低环槽部位的冷却效果好，对活塞内腔顶的温度影响不大，椭圆形冷却油腔兼顾环槽和内强顶部，圆形截面形状的冷却油腔一般不采用，它对结构强度和冷却效果都不很好 活塞所吸收的热量主要是由活塞顶面和燃烧室来吸收，为了更好的冷却效果，冷却油腔应尽量的提高，有的活塞将冷却油腔设计到火力岸的位置，这种设计方式虽然冷却效果很好，但受结构空间和强度的限制，往往很难实现，现在大部分的冷却油腔设计在第一环槽以下，也有的特殊的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ：将冷却油腔设计在一环槽环座背面，与环座形成一体，这种方案对一环槽的冷却效果也比较的理想，但工艺比较复杂，冷却油腔的表面积也较小。 2.3冷却油腔位置对活塞各部位的冷却效果 表二： 冷却油腔不同位置对活塞各部位的冷却效果排序 冷却油腔 第一环槽 燃烧室喉口 销孔 燃烧室底部 工艺性（成本） A 4 4 1 1 1 B 2 3 2 1 1 C 1 1 3 3 3 D 2 2 4 4 4             图5  冷却油腔位置示意图 从以上分析来看，方案B综合性能最好 通过以上论述，活塞的冷却油腔的设计比较复杂，涉及到的因素比较多：主要有冷却油腔的表面积、活塞结构、强度、温度场等因素。 3 开发实例 2007年，国内某大型企业设计开发了一种高强化程度的重型柴油机，该柴油机功率大、转速高，填补了该档重型载重车用柴油机的空白，主要技术参数如下： 项目 参数 发动机结构 直列、六缸、水冷、增压、电控、共轨 缸径/行程 ***/*** 最大爆发压力 200bar 升功率 30.4Kw/L 活塞平均速度 9.9m/s 燃烧系统 静态直喷 压缩比 17：1 喷油压力 1800bar 排放 欧Ⅲ、欧Ⅳ     该发动机最大的特点是其最大爆发压力是目前国内车用柴油机最高的，而且由于发动机开发商要求，活塞材料必须采用铸造铝合金。在设计开发活塞中难度最大的关键问题是内冷油道的布置，必须使温度场、应力场、安全疲劳系数都满足柴油机的工作需求。 3.1 根据发动机参数与活塞设计原则，该发动机应该选用整体锻钢活塞，但柴油机开发商已经将活塞材料定位于铸造铝合金，因此必须采取其它 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 弥补这种不足，活塞初步方案如下： a 活塞材料：采用高温抗拉强度高的高铜、高镍铸造铝合金 b 活塞结构：第一环槽采用高镍奥氏体铸铁环座 活塞头部铸有环形冷却油腔 活塞内腔采用热流形 活塞销孔形线采用双曲线 活塞裙部和头部印刷石墨 初步方案完成后主要针对活塞的机械负荷、热负荷进行有限元分析计算和动力学分析，以确定各部位设计的合理性。本文只介绍冷却油腔的位置形状对活塞的影响，该影响包括热传导、热应力、热变形、机械变形、机械应力等数据，这些数据最终体现在安全疲劳系数这一综合性评价数据上。 图6  三角形冷却油腔的安全疲劳系数 图7  外斜冷却油腔（位置高）的安全疲劳系数 图8  外斜冷却油腔（位置低）的安全疲劳系数 4 结论 4.1 铸造铝活塞在头部铸造冷却油腔是解决高强化柴油机活塞热负荷大的有效措施； 4.2 冷却油腔的形状、位置对活塞各部位的冷却效果和应力分布有着很大的影响，在活塞设计开发时应综合分析考虑； 4.3 活塞冷却油的冷却效果与喷入的油量有关系，必须确保足够的油喷入冷却油腔； 4.4 冷却油腔可以看作是活塞头部的一种结构缺陷，要避免在冷却油腔内有尖角等应力集中的结构。 参考文献 1、刘达利，齐丕骧编著  新型铝活塞    国防工业出版社  1999 作者简介:吴义民(1971-),男,山东滨州人,高级工程师,大学本科,主要从事内燃机活塞设计开发工作. 联系方式：邮    编：256602 通讯地址：山东省滨州市开发区渤海二十一路569号 单位名称：山东滨州渤海活塞股份有限公司（技术中心） 电    话： 传    真: E-mail：bzhs_pdt@126.com