柴油機振蕩油腔活塞開發(fā)

1、柴油機振蕩油腔活塞開發(fā)吳義民,趙旭東,劉小斌（山東濱州渤?；钊煞萦邢薰?國家級企業(yè)技術(shù)中心;山東.濱州256602）摘要本文介紹了活塞結(jié)構(gòu)選型及冷卻油腔的形狀、位置對活塞的冷卻效果、機械強度和溫度場的影響。另外介紹了國外一些特殊結(jié)構(gòu)的冷卻油腔及重型載重車用柴油機活塞冷卻油腔設(shè)計所遵循的原則。并依托設(shè)計實例借助FEA對不同形狀冷卻油腔的影響進行了對比，得出結(jié)論用以指導(dǎo)設(shè)計。關(guān)鍵詞重型車用柴油機活塞冷卻油腔ResearchofCoolingGalleryofPistoninHeavyDutyDieselEngineWuYi-min，ZhaoXu-dong,LiuXiao-bin（Shandon

2、gBinzhouBohaiPistonCo.Ltd.,Binzhou,Shandong256602）Abstract:Inthispaperwegavegeneralintroductionofprincipleofpistonstructureoptionanddiscussedtheeffectoftheshapeandlocationofcoolinggalleryonpistoncooling,strengthandthermalfield.Somespecial-structuredcollinggallerysabroadwerepresentedandthedesignprinc

3、ipleofcollinggalleryofheavydutydieselenginepistonwasalsoprovidedinthethesis.BasedondesignexampleandFEAwegaveresustsofdifferenteffectonpistonbetweenvariouscoolinggalleryandtheresultswereappliedinpistondesigning.KeyWords:HeavyDutyDieselEngine;Piston;CoolingGallery前言隨著柴油機向低排放、高強化程度的方向發(fā)展，對活塞承載機械負荷、熱負荷的能

4、力及性能提出了更高的要求。尤其是重型車用柴油機，氣缸爆發(fā)壓力不斷提高，據(jù)統(tǒng)計1990-2006期間，氣缸最大爆發(fā)壓力以每年3bar的速度發(fā)展，升功率提高了一倍，今后還將持續(xù)提高。柴油機的不斷強化對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鋁活塞提出了挑戰(zhàn)，世界各國的活塞制造商一直在努力尋求不斷提高活塞性能和強度的辦法：環(huán)槽鑲環(huán)座、裙部印刷石墨（二硫化鉬）、頂面陽極氧化、鋼頂鋁裙鉸接、頭部鑄出冷卻油腔、壓力鑄造等結(jié)構(gòu)和新技術(shù)相繼應(yīng)用在活塞上，另外高銅、高鎳鑄造鋁合金、鑄鐵、鍛鋼、陶瓷復(fù)合材料等活塞材料也得到了發(fā)展。通?；钊^部冷卻有內(nèi)腔頂噴油、蛇形管、冷卻油腔、冷卻油腔等冷卻形式，活塞頭部鑄有冷卻油腔是降低活塞熱負荷非常有效的

5、方法，本文重點介紹適用于高強化重型車用柴油機活塞的冷卻油腔。1冷卻油腔的結(jié)構(gòu)形式在活塞頭部鑄出冷卻油腔的目的是迅速傳遞出活塞頂部吸收的熱量，使活塞各部位溫度不超過極限值，確保活塞的強度和性能。鑄造鋁合金活塞關(guān)鍵部位溫度極限參考值如下：活塞頂部表面：W370CTOC o 1-5 h z燃燒室：W360C第一環(huán)槽：W260C冷卻油腔：W220C活塞內(nèi)腔頂部：W250C活塞銷座：W180C鍛鋼活塞關(guān)鍵部位溫度極限參考值如下：燃燒室喉口：W500C冷卻油腔頂部：W300C第一環(huán)槽：W220C活塞結(jié)構(gòu)選型冷卻油腔較內(nèi)腔強制冷卻有著非常明顯的冷卻效果，相同環(huán)境下采用冷卻油腔結(jié)構(gòu)的活塞頂面比內(nèi)腔強制冷卻活塞

6、頂面能夠降低10C，熱量散發(fā)的方式也有較大改變。表一：活塞內(nèi)腔直噴冷卻與活塞頭部鑄有冷卻油腔冷卻的散熱區(qū)別結(jié)構(gòu)內(nèi)腔一槽二槽三槽裙部冷卻油腔內(nèi)腔冷卻35%25%18%14%8%油道冷卻28%20%12%8%5%27%重型車用柴油機活塞的結(jié)構(gòu)選型主要依據(jù)發(fā)動機的功率和最大爆發(fā)壓力，按照活塞頂面投影面積選型：W2.4W/mm2活塞不米用強制冷卻2.4-3.2W/mm2活塞采用內(nèi)腔強制噴油冷卻三3.2W/mm2活塞采用冷卻油腔震蕩冷卻1.1.2按照升功率選型W26-35Kw/L鑄造鋁活塞采用冷卻油腔三35Kw/L采用整體鍛鋼活塞（活塞頭部帶有冷卻油腔）1.1.3當柴油機氣缸最大爆發(fā)壓力大于20MPa時

7、，不管升功率大小都必須采用整體鍛鋼活塞。冷卻油腔的結(jié)構(gòu)形式對于載重車用柴油機活塞大多數(shù)冷卻油腔的結(jié)構(gòu)是圓環(huán)形的，一般與活塞軸線同心，也有個別活塞的冷卻油腔與燃燒室同心。冷卻油腔的斷面形狀也不相同，這主要取決于活塞的結(jié)構(gòu)和不同斷面形狀冷卻油腔的傳熱性能。為了進一步提高冷卻油腔的冷卻效果，國外設(shè)計了一些特殊結(jié)構(gòu)，這些冷卻油腔利用冷卻油在油道中的流動特性，提高了導(dǎo)熱系數(shù)，同時冷卻油腔的傳熱面積也有所增加。A波浪型圖1幾種一般結(jié)構(gòu)的冷卻油腔特殊結(jié)構(gòu)的冷卻油腔b開式雙波浪型c泵吸型圖2幾種特殊結(jié)構(gòu)的冷卻油腔1.2.2鍛鋼活塞的冷卻油腔鍛鋼活塞的冷卻油腔表面積和體積都比較大，冷卻效果非常的明顯，通過有限元

8、分析可知，鍛鋼活塞主要是在燃燒室吸收熱量(占到總吸收熱量的85%以上)，散熱主要是通過冷卻油腔(75%)和活塞內(nèi)腔(20%)。鍛鋼活塞分為整體鍛鋼活塞和頭、裙(頭、裙半成品焊接)鍛鋼活塞，這兩種活塞的油道形狀有些區(qū)別，冷卻效果也不一樣，整體鍛鋼活塞的冷卻油腔是在活塞頭部車削出來，再用鋼片將其封閉，頭、裙鍛鋼活塞的冷卻油腔是在活塞頭和活塞裙毛坯上分別加工出油道的一部分，再通過焊接的方式形成封閉的冷卻腔。由于結(jié)構(gòu)的限制，整體鍛鋼活塞的冷卻油腔容積較小，位置相對較低，冷卻效果較差，燃燒室喉口、一環(huán)槽、油腔頂部的溫度較頭、裙焊接鍛鋼活塞高出30-40C。a頭、裙焊接鍛鋼活塞油道b整體鍛鋼活塞油道圖3鍛

9、鋼活塞冷卻油腔EMP-3O3.199TEHP-387ITEMP=42S,131TEMF-247.QU7TEJIP-303-1811TtHP-177.09TEMP-232.737TEKPLSO.$E9TEHP=234-96TEKP=151MCJ2frEKPE呂S5TEMP=13-731iTMF,-13i.355TEHP-173-717冷卻介質(zhì)的流速、流動方式對傳熱系數(shù)有影響，當流速超過一定數(shù)值時，冷卻介質(zhì)由層流變?yōu)槲闪?，相?yīng)的傳熱系數(shù)增加一個數(shù)量級，當雷諾系數(shù)大于2500時會發(fā)生這種轉(zhuǎn)變。當冷卻油腔充滿冷卻油時，流速會很低，所以傳熱系數(shù)也很低，冷卻效果不好；當部分充滿油腔時，由于受活塞高速往復(fù)運

10、動的影響，冷卻油在油腔內(nèi)產(chǎn)生激烈的震蕩，與冷卻油腔內(nèi)表面的相對速度較高，形成紊流，提高了傳熱系數(shù)；當充滿量太少時，雖然能夠形成紊流，從以上分析來看，方案B綜合性|匕但受冷卻介質(zhì)流量的限制，帶走的熱量較少，一般充量為冷卻油腔的30%-50%時冷卻效果最好。對安裝在機體主油道上的冷卻噴嘴要保證將足夠的冷卻油噴入油道，要求一定的噴射速度和噴射壓力。一般認為，向冷卻油腔的噴油量為5-7L/Kw.h,噴射速度大于活塞最高運動速度時冷卻效果較好。冷卻油腔對活塞結(jié)構(gòu)強度的影響冷卻油腔設(shè)計的主要數(shù)據(jù)是其表面積與活塞頂面投影面積比，該數(shù)值在滿足活塞結(jié)構(gòu)強度的情況下大一些對冷卻好一些，但是由于受到結(jié)構(gòu)的限制，現(xiàn)在

11、一般設(shè)計指標為1.0-1.1之間，也有到0.88的實例。在面積比值一定的情況下冷卻油腔的形狀越接近于圓環(huán)狀，冷卻油腔的體積越大。因為在活塞頭部的冷卻油腔，從單純的結(jié)構(gòu)強度方面來講是一種缺陷，所以在內(nèi)表面一定的情況下，盡量減少冷卻油腔的體積。一般來說，油腔的高度應(yīng)大一些，這樣在活塞運動時能夠較好的形成紊流。細長型冷卻油腔對降低環(huán)槽部位的冷卻效果好，對活塞內(nèi)腔頂?shù)臏囟扔绊懖淮?，橢圓形冷卻油腔兼顧環(huán)槽和內(nèi)強頂部，圓形截面形狀的冷卻油腔一般不采用，它對結(jié)構(gòu)強度和冷卻效果都不很好活塞所吸收的熱量主要是由活塞頂面和燃燒室來吸收，為了更好的冷卻效果，冷卻油腔應(yīng)盡量的提高，有的活塞將冷卻油腔設(shè)計到火力岸的位置

12、，這種設(shè)計方式雖然冷卻效果很好，但受結(jié)構(gòu)空間和強度的限制，往往很難實現(xiàn)，現(xiàn)在大部分的冷卻油腔設(shè)計在第一環(huán)槽以下，也有的特殊的方案：將冷卻油腔設(shè)計在一環(huán)槽環(huán)座背面，與環(huán)座形成一體，這種方案對一環(huán)槽的冷卻效果也比較的理想，但工藝比較復(fù)雜，冷卻油腔的表面積也較小。冷卻油腔位置對活塞各部位的冷卻效果表二：冷卻油腔不同位置對活塞各部位的冷卻效果排序冷卻油腔第一環(huán)槽燃燒室喉口銷孔燃燒室底部工藝性（成本）A44111B23211C11333D22444冷卻油腔位置示意通過以上論述，活塞的冷卻油腔的設(shè)計比較復(fù)雜，涉及到的因素比較多：主要有冷卻油腔的表面積、活塞結(jié)構(gòu)、強度、溫度場等因素。3開發(fā)實例2007年，國

13、內(nèi)某大型企業(yè)設(shè)計開發(fā)了一種高強化程度的重型柴油機，該柴油機功率大、轉(zhuǎn)速高，填補了該檔重型載重車用柴油機的空白，主要技術(shù)參數(shù)如下：項目參數(shù)發(fā)動機結(jié)構(gòu)直列、六缸、水冷、增壓、電控、共軌缸徑/行程*/*取大爆發(fā)壓力200bar升功率30.4Kw/L活塞平均速度9.9m/s燃燒系統(tǒng)靜態(tài)直噴壓縮比17：1噴油壓力1800bar排放歐III、歐W該發(fā)動機最大的特點是其最大爆發(fā)壓力是目前國內(nèi)車用柴油機最高的，而且由于發(fā)動機開發(fā)商要求，活塞材料必須采用鑄造鋁合金。在設(shè)計開發(fā)活塞中難度最大的關(guān)鍵問題是內(nèi)冷油道的布置，必須使溫度場、應(yīng)力場、安全疲勞系數(shù)都滿足柴油機的工作需求。根據(jù)發(fā)動機參數(shù)與活塞設(shè)計原則，該發(fā)動機

14、應(yīng)該選用整體鍛鋼活塞，但柴油機開發(fā)商已經(jīng)將活塞材料定位于鑄造鋁合金，因此必須采取其它措施彌補這種不足，活塞初步方案如下：a活塞材料：采用高溫抗拉強度高的高銅、高鎳鑄造鋁合金b活塞結(jié)構(gòu)：第一環(huán)槽采用高鎳奧氏體鑄鐵環(huán)座活塞頭部鑄有環(huán)形冷卻油腔活塞內(nèi)腔采用熱流形活塞銷孔形線采用雙曲線活塞裙部和頭部印刷石墨初步方案完成后主要針對活塞的機械負荷、熱負荷進行有限元分析計算和動力學(xué)分析，以確定各部位設(shè)計的合理性。本文只介紹冷卻油腔的位置形狀對活塞的影響，該影響包括熱傳導(dǎo)、熱應(yīng)力、熱變形、機械變形、機械應(yīng)力等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)最終體現(xiàn)在安全疲勞系數(shù)這一綜合性評價數(shù)據(jù)上。MODALSOLUTIONSTEP=2SUB

15、=13TIME=2SY(AVG)RSYS=0SI4N=-82015SI4X=5ANSYSJAN62UU7SY=1.203SY=1.23409:08:38圖6三角形冷卻油腔的安全疲勞系數(shù)1NODALSOLUTIONANSYSAPR17200716:14:20SY=1482SY=2.641SY=2641STEP=2SUB=2TIME=2SY=2.094圖7外斜冷卻油腔（位置高）的安全疲勞系數(shù)1NODALSOLUTIONSTEP=2SUE=7TIME=2SY(AVG)RSYS=0SMN=.9688SMX=5ANSYSMAR292C0709:07:55SY=1.671SY=2.61SY=1.996SY=2.055SY=2.641SY=2.4C6SY=1.55SY=1.534SY=.9638SY=1.384SY=1.474SY=1.312SY=2.17SY=1.371SY=1.475SY=1.3SY=2.6SY=2.23.9688i.8652.763.6565521.4172.3133.2084.1045圖8外斜冷卻油腔（位置低）的安全疲勞系數(shù)4結(jié)論鑄造鋁活塞在頭部鑄造冷卻油腔是解決高強化柴油機活塞熱負荷大的有效措施；冷卻油腔的形狀、位置對活塞各部位的冷卻效果和應(yīng)力分布有著很大的影響，在活塞設(shè)計開發(fā)時應(yīng)綜合分析考慮；活塞冷卻油的冷卻效果與噴入的油量有關(guān)系，必須確保足夠的油噴入冷卻油腔；冷