康明斯动力（深圳）有限公司

 

技术与安全知识

康明斯活塞冷却喷嘴的作用和安装方法及打靶试验

 

摘要：为了保证柴油发电机活塞头部不至于过热，需要对活塞头部进行冷却，冷却的原理是在活塞的头部内设置冷却油道，然后由在缸头上安装的活塞冷却喷嘴，向冷却油道内喷射冷却机油，以达到降低活塞头部温度的目的。在传统的发动机设计中，一个活塞通常设置一个康明斯冷却喷嘴，喷油方向固定不变，在多缸发动机中需要设置多个冷却喷嘴支架，且活塞冷却喷嘴多安装在缸体上，由于需要对燃烧室和活塞安装结构进行避让，通常需要设置专门的工装将活塞冷却喷嘴安装在发动机缸体上，安装工序复杂，请非技术人员勿自行安装。

一、冷却喷嘴设计概述

 

      活塞是发动机的核心元件，燃烧发生在活塞的燃烧室内，燃烧产生的爆发压力推动活塞沿缸孔内做往复直线运动。活塞及活塞相关组件是发动机中工作条件最为苛刻的零部件，发动机的强化程度、大修周期、可靠性与寿命在很大程度上取决于活塞的工作寿命。

      随着柴油机强化程度不断提高，单缸功率不断增加，活塞顶部承受较高的热负荷，通过传热计算分析及活塞温度场试验验证，活塞喉口温度最高可以达到360℃～380℃，而且温度分布极为不均匀，温度梯度很大，过高的热负荷容易造成活塞顶部开裂等故障。

      这就对活塞顶部的冷却提出了更高的要求，活塞的冷却方法主要有自由喷嘴冷却、振荡冷却、内冷油道强制振荡冷却。所谓自由冷却，即从连杆小头上的喷油孔或从安装在机体上的冷却喷嘴向活塞内腔喷射机油，达到冷却的目的；所谓振荡冷却，即从连杆小头上的喷油孔将机油喷入活塞内腔的环形油槽中，由于活塞的运动使机油在环形油槽中产生振荡而冷却活塞。而目前常用的内冷油道强制振荡冷却是在活塞铸造时，在活塞顶部环槽位置，铸造出油道，机油从布置在机体上的冷却喷嘴，喷入活塞冷却油道的进油孔，通过活塞的运行使机油在油道内循环及振荡，吸收活塞头部热量，最终从活塞的出油孔流出，此结构使机油在活塞的冷却油道内强制流动，以便达到冷却活塞的目的。

      由于行业内活塞的设计一般由主机厂委托活塞生产企业进行精细设计，而活塞的冷却喷嘴往往由各主机厂根据自身发动机工作特点，机油压力情况进行设计。因此，由于技术保密等原因，活塞生产商往往无法获得准确的机油供给量，活塞一般也是类比设计，因此，活塞冷却最终能否达到设计要求，一般需要各主机厂在冷却喷嘴设计完成后，进行实物的验证。

      行业内，冷却喷嘴的设计方法尚不系统，各类文献中介绍细节设计方法的很少，本文将结合作者的工作经验，重点介绍内冷油道强制振荡冷却喷嘴的设计、验证及故障分析。

 

二、冷却喷嘴的基本要求

 

      随着柴油发电机的不断强化，活塞的热负荷越来越高，为了满足柴油发电机的使用要求，整体内冷油腔活塞、钢顶铝裙、整体锻钢、复合材料、铸铁等活塞应运而生，这些高负荷柴油发电机活塞一般采用内冷油腔设计，冷却机油通过喷嘴喷入冷却油腔，在油腔内振荡吸收活塞热量后流出，从而降低活塞（特别是头部）温度。冷却喷嘴外观如图1所示，一般是固定在发动机机体上的冷却装置，如图2所示。其作用是在活塞作高速往复运动时，将冷却机油喷入内冷油腔内。

1、喷嘴冷却条件

      柴油发电机活塞在工作时不断的从燃烧系统吸收热量，如果要保持活塞有较高的强度，满足柴油发电机的使用要求，必须将活塞吸收的热量及时地传走。通常情况下，活塞吸收的热量是通过活塞环、活塞裙部和活塞内腔顶传递。但对于高强化柴油发电机活塞，仅靠这些方式已不能满足冷却活塞的要求，需要采用强制喷油冷却。采用强制冷却条件如下：

      当活塞顶面功率：≤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 活塞采用冷却油道振荡冷却。

注：活塞顶面积指的是投影面积，即：活塞直径2π/4

      活塞内腔强制喷油冷却的柴油发电机对喷油嘴的要求不高，只要保证喷油量，对冷却喷嘴的发散度和喷射角度没有严格要求。内冷油腔活塞对喷嘴的要求比较高，要求活塞在下止点时冷却油能够全部喷入，活塞在上止点时大部分冷却油（80%以上）喷入，喷油嘴的喷油量为5-7L/Kw.h，喷射速度大于活塞的最大瞬时速度。如果冷却喷嘴的冷却油不能够喷入冷却油道或喷入量小，对活塞的冷却非常不利，因为冷却油腔阻止了热量的传递，量热集聚在活塞顶部，使活塞顶部、第一环槽的温度提高，造成活塞顶部异常膨胀，会引起活塞拉缸，第一环槽温度升高使机油胶结，造成活塞环卡滞等失效模式。

2、冷却喷嘴的设计要求

      当发动机的爆发压力为14-21MPa，升功率超过25-35kW/L，活塞单位面积功率大于0.30-0.47kW/cm²时，需要考虑采用内冷油道强制振荡冷却。活塞喷嘴需要精确实现冷却机油95%通过进油孔，并且达到要求的速度和喷射油量，以便可以保证快速的吸收活塞顶部的热量，降低活塞工作温度。一般活塞冷却喷嘴有如下设计要求：

（1）根据康明斯公司经验，一般要求喷油速率为4-6kg/kW·h。

（2）喷油速度要求大于活塞的瞬时最大速度，保证机油可以喷入活塞的内部油腔。

（3）冷却喷嘴管内壁粗糙度在满足设计要求及零件成本目标的情况下尽量小，以降低能量损失。且喷嘴管内部尽量圆滑过渡。

（4）喷嘴管出口保留尖角，避免圆滑过渡，保证油束不发散。

（5）冷却喷嘴应该设置有压力调节阀，根据发动机润滑系统的总油量及不同工况下的机油压力合理选择冷却喷嘴的开启压力。

（6）实施DFMEA，选择合理的定位方式，保证零部件的可靠性。

3、机油振荡措施

      内冷油腔活塞除对喷入油量和油束速度要求外，要提高冷却效果，冷却机油相对内冷油腔壁必须有较高的速度，形成紊流（雷诺数在3000以上）以提高换热系数，所以冷却机油必须在油腔内振荡起来。要使冷却机油振荡起来，一般采取两种措施：

（1）冷却油腔有一定的高度，避免扁/圆形设计；

（2）在油腔内合理的机油充入量，机油充满油腔或充入量过少都不利于活塞的冷却。

图1  康明斯6LTAA8.9发动机冷却喷嘴实物图

图2  活塞冷却喷嘴位置示意图

 

三、冷却喷嘴设计参数和计算公式

 

1、冷却喷嘴设计

      如前文所述，喷油速度要求大于活塞的瞬时最大速度，保证机油可以喷入活塞的内部油腔。不仅仅是额定负荷点，还包括最大扭矩点等各阶段。参考内燃机设计，计算活塞瞬时最大速度，根据公式：

      活塞瞬时速度：

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

      活塞瞬时加速度：

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

      当活塞加速度J=0时，活塞速度最大。其中，R：曲柄半径；α：曲柄转角；λ：连杆比；ω：角速度。

      根据经验，喷油速率为4-6kg/kW·h，因此可以通过选定工况点的功率计算出理论需要的喷油量。并由下述公式计算冷却喷嘴出口的截面积，进而计算出出口直径，进行喷嘴设计。

Q=V出口×A出口............................（公式3）

      其中，Q：总的喷油量；V出口：冷却喷嘴出口流速；A出口：冷却喷嘴出口的截面积。

2、冷却喷嘴阀设计

      内冷油道强制振荡冷却喷嘴，一般都设置有冷却喷嘴阀，这是因为：

（1）在发动机启动初期，发动机转速较低，负荷较低，这时机油泵流量也处于较低的水平，此时，活塞承受热负荷还不高。如果冷却喷嘴开启，会消耗大量机油，会影响初始的润滑系统建立。

（2）活塞头部及燃烧室可能會过冷，造成燃烧迟缓，功率下降及燃油耗增加。

（3）燃烧后的水蒸气易冷凝形成水与可溶性酸类气体混合，对活塞组件及气缸造成腐蚀。

      冷却喷嘴阀的开启压力根据经验，一般设定在120～160kPa，并结合发动机实际工作情况进行设定。本例中，低功率版性能初试中，发动机额定点机油压力410kPa，扭矩点机油压力375kPa，怠速点机油压力280kPa，机油温度88℃。考虑实际使用及极限工况，随着机油温度升高，机油压力还会下降。再有就是此例中的活塞热固耦合计算结果表明此活塞热负荷偏高，活塞温度较高，应该尽早开启活塞冷却。综上所述，冷却喷嘴阀的开启压力最终设定在160kPa。

      冷却喷嘴阀一般采用钢球式单向阀。根据设定的开启压力及流通面积，确定弹簧初始负荷，进而确定弹簧设计参数。

 

四、冷却喷嘴拆装与试验

1、冷却喷嘴拆装步骤

      J 形活塞冷却喷嘴位于康明斯发动机排气侧的主轴承鞍座之间。机油从康明斯发动机排气侧的缸体中的总油道供应。采用 J 形活塞冷却喷嘴的缸体也可以加工为能够使用鞍座式活塞冷却喷嘴。如果是这种情况，塞子需要安装在鞍座式活塞冷却喷嘴的位置。

（1）使用康明斯发动机盘车工具（零件号 3824591），需要转动曲轴一整圈，以便可以够到每个活塞冷却喷嘴和/或螺钉。

（2）拆下活塞冷却喷嘴和螺钉、垫圈，避免接触气缸壁，如图3所示。

（3）保护气缸盖冷却液通道和机油油道，以防污染，如图4所示。

（4）检查冷却喷嘴和螺钉有无裂纹、弯曲或其他损坏。检查喷嘴尖端有无毛刺或损坏。损坏的冷却喷嘴或螺钉不能维修。如果发现任何损坏，必须更换活塞冷却喷嘴或螺钉。

 

图3  活塞冷却喷嘴拆卸图示

图4  气缸盖冷却液通道和机油油道防护方法

 

2、冷却喷嘴安装步骤

（1）如果使用原零件，应使用溶剂清洁活塞冷却喷嘴。用压缩空气吹干缸体内的油道。

（2）当将喷嘴插入孔中时，喷嘴总成的定位臂必须朝上。接触气缸壁将损坏喷嘴。利用长套筒驱动延长件，将螺钉和/或活塞冷却喷嘴安装到位。

（3）要正确对正，活塞冷却喷嘴定位销必须啮合缸体中的定位孔，并确保尖端指向气缸，如图5所示。如果支柱不在缸套外侧，则可能损坏活塞冷却喷嘴。

（4）将 Loctite™ 242（零件号 3824040）涂抹到螺钉的螺纹上。使用 Loctite 安装螺钉和垫圈并用手拧紧。扭矩值：冷却喷嘴螺钉65N.m。

（5）根据需要旋转曲轴，一次一个气缸地安装活塞冷却喷嘴和螺钉。

2、拆装注意事项

（1）冷却喷嘴的水头损失与冷却油流动速度的平方成正比，为了降低其水头损失，喷嘴结构尽可能的简单，喷嘴内圆滑过渡。

（2） 喷油速度尽可能不小于活塞运动时的瞬时速度，不仅仅是额定负荷点，还包括大扭矩点等各阶段。

（3）一般情况下发动机冷却喷嘴都有开启压力，合理确定该数值，防止发动机频繁启动（或负荷大范围变化）时造成活塞过热。

（4）活塞内冷油腔的冷却效果不但与冷却油腔的表面积成正比，还与冷却油的振荡有关，所以冷却油腔要求有一定的高度，使冷却油与冷却油腔表面有较大的相对速度，形成紊流，提高冷却效率。

（5）确保用与已拆下的喷嘴相同零件号或替代零件号的喷嘴更换。

（6）如图6所示。不要在活塞位于下止点时拆卸活塞冷却喷嘴。否则会损坏喷嘴并造成活塞故障。为降低损坏的可能性，必须仅当正在维修的气缸处于上止点时才可以拆下活塞冷却喷嘴。

 

图5  冷却喷嘴的对准步骤

图6  柴油机上止点和下止点示意图

 

3、试验验证

      冷却喷嘴安装完成，试制完成后，还需要进行试验验证，确认冷却喷嘴的功能性能。这种试验一般称为打靶试验，可以在特制的工装上进行，也可以用实际装配的机体经过适当的改制后作为试验工装。

（1）主油道的供油压力可用泵体模拟。

（2）喷嘴相对活塞的位置可由工装实现，将喷油嘴固定在工装下端，活塞可在工装的圆筒内上下移动，以测定不同行程位置冷却油的喷入量。

（3）在活塞内冷油腔的出口处连接收集回油的容器，以测量从内冷油腔的回油量，同时在工装下端放置容器，收集未喷入内冷油腔而回流的冷却油，可得到总的喷油量。

      试验结果表明，供油压力为400-420kPa时，冷却喷嘴的流量约为3.3-3.8L/min。冷却喷嘴阀的开启压力为160kPa-170kPa，通过收集的机油量，用（公式3）反算，喷油速度为16.93m/s。试验证明此喷嘴的功能性能满足设计及使用要求。

 

总结：

      随着柴油机强化程度不断提高，内冷油道强制振荡冷却活塞必将更加广泛的应用。通过本文介绍的详细设计和安装方法，冷却喷嘴及喷嘴阀可以根据本文提供的方法及经验数据进行设计，但必须进行打靶试验，验证实物与设计目标的符合性。同时，需要通过整机相关试验完成功能及可靠性验证。

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