提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻能力的研究

（同濟(jì)大學(xué)，上海200092）

提高天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞冷卻能力的研究

吳宇波
（同濟(jì)大學(xué)，上海200092）

作為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的核心零部件之一，活塞的可靠性決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。針對(duì)某天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)的活塞熔頂問(wèn)題，改進(jìn)活塞設(shè)計(jì)，采用冷卻油腔，并測(cè)量了活塞表面溫度場(chǎng)。結(jié)果表明，采用冷卻油腔后活塞頂面溫度下降最大達(dá)到近48℃，明顯降低了活塞的熱負(fù)荷，活塞的可靠性和壽命顯著提高。

活塞熱負(fù)荷冷卻油腔溫度場(chǎng)

1 引言

當(dāng)今世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展是以能源為依托，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求也日益增加，世界各國(guó)政府在尋找新的能源替代傳統(tǒng)的石油燃料。隨著世界天然氣儲(chǔ)藏量開(kāi)發(fā)的逐步提高，天然氣越來(lái)越吸引人們的目光。目前，全世界已探明的天然氣儲(chǔ)量為155萬(wàn)億立方米，可用60年以上，甚至有世界能源專家預(yù)測(cè)，地球上的天然氣可用200年以上。天然氣現(xiàn)已成為繼石油、煤炭之后的第三大能源，占到世界能源消耗量的23%[1]。以天然氣為燃料的汽車，與傳統(tǒng)的汽油車相比，汽車尾氣排放有較大改善，如CO降低98%左右、HC降低62%、NOx降低30%～40%、CO2降低10%～20%、SO2降低90%左右；與柴油車相比，沒(méi)有碳煙和顆粒排放，能夠徹底解決城市公交車冒黑煙問(wèn)題[2]。能源緊缺以及對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，使得以天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)在汽車領(lǐng)域得到迅速的發(fā)展。活塞作為內(nèi)燃機(jī)最主要的受熱零部件，長(zhǎng)期工作在惡劣的環(huán)境下，承受著周期性的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的沖擊。活塞的工作狀態(tài)直接決定了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[3]。本文根據(jù)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞熔頂這一主要失效模式，從分析活塞熱負(fù)荷角度出發(fā)，提出提高活塞冷卻能力的解決方案。

2 天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞失效模式

目前，國(guó)內(nèi)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞基本是在柴油機(jī)活塞的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)燃燒室，由于天然氣與柴油的燃料特性差異，壓縮比由柴油機(jī)活塞的16∶1～18∶1調(diào)整為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的10∶1～12∶1。由表1可以看出，天然氣的熱值高于柴油，天然氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊陀诓裼蚚4]。由于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)是在柴油機(jī)（或汽油機(jī)）基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣相位基本不變，使得部分天然氣在氣缸內(nèi)沒(méi)有燃燒而進(jìn)入到排氣道內(nèi)燃燒。與柴油機(jī)活塞相比較，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞工作時(shí)受到的機(jī)械強(qiáng)度低于柴油機(jī)活塞，但天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排溫高于柴油機(jī)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞承受的熱負(fù)荷也高于柴油機(jī)活塞。隨著天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)使用量的日益增加，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞暴露出的故障也不斷出現(xiàn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，活塞頂面溫度還不是太高（＜360℃）；如果發(fā)動(dòng)機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間在大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)或頻繁啟動(dòng)時(shí)，則會(huì)造成活塞頂部溫度急劇上升，使活塞頂部變“軟”，在燃燒沖擊波的作用下一點(diǎn)點(diǎn)剝落[1]。反映出的問(wèn)題主要體現(xiàn)為活塞拉缸、活塞頂部變形，甚至活塞熔頂，參見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 活塞拉缸

圖2 活塞頂部變形

圖3 活塞熔頂

3 活塞失效原因分析

活塞頂面接受的熱量，主要靠活塞環(huán)與缸壁接觸、依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液對(duì)流換熱帶走（熱量從活塞傳遞到活塞環(huán)，再?gòu)幕钊h(huán)傳遞到氣缸套），活塞裙部與缸壁接觸（二者間隙之間有油膜）、依靠發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液對(duì)流換熱帶走，以及噴機(jī)油、依靠機(jī)油對(duì)流換熱帶走。

圖4 活塞傳熱示意圖

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，活塞要比氣缸套達(dá)到更高的溫度。通常，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞材料采用共晶硅鋁合金，而氣缸套材料為合金鑄鐵，活塞的熱膨脹系數(shù)大約是氣缸套的2倍，活塞的熱膨脹變化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缸套。當(dāng)外界因素造成活塞原熱平衡被打破、新熱平衡重新建立時(shí)，活塞內(nèi)部殘留的熱量可能會(huì)增加，造成活塞的熱負(fù)荷增加，包括活塞溫度升高、活塞熱應(yīng)力增加、活塞熱變形加大，引起活塞與氣缸套的間隙減小、活塞頭部變形，造成活塞拉缸、活塞頂部變形、甚至活塞熔頂。活塞內(nèi)部殘留熱量的增加，是造成活塞拉缸、活塞頂部變形、甚至活塞熔頂?shù)淖罱K原因。

4 解決途徑

降低活塞的熱負(fù)荷，就是要減少活塞內(nèi)部殘留的熱量，可以從3個(gè)方面去考慮：

（1）減少燃?xì)鈧鬟f給活塞的熱量。目前，國(guó)內(nèi)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞頂部表面都沒(méi)有生成氧化膜，也沒(méi)有對(duì)活塞頂部做硬膜陽(yáng)極氧化處理（這樣可以增加活塞頂部熱阻，減少活塞頭部的吸熱量）。對(duì)于增壓中冷發(fā)動(dòng)機(jī)，減少燃?xì)鈧鬟f給活塞的熱量主要是通過(guò)降低中冷后空氣溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于點(diǎn)火異常的發(fā)動(dòng)機(jī)，爆震、早燃會(huì)在瞬間增加燃?xì)鈧鬟f給活塞的熱量，必須避免發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生爆震、早燃現(xiàn)象。

（2）增加發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液帶走的熱量。考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套、活塞環(huán)的可靠性，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液對(duì)氣缸壁的表面換熱系數(shù)基本不變，只能通過(guò)增加氣缸壁與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫差，即降低發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度（由于發(fā)動(dòng)機(jī)功率不變，氣缸壁的溫度也基本不變）。

（3）增加發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油帶走的熱量。活塞表面的溫度和機(jī)油溫度在實(shí)際中很難改變，故主要采取的措施是增加機(jī)油對(duì)活塞的表面換熱系數(shù)，加強(qiáng)機(jī)油對(duì)活塞的冷卻，從而帶走活塞更多的熱量。

因此，主要有2種方法可以降低活塞的熱負(fù)荷：（1）加強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)，避免發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度過(guò)高，以及防止中冷后空氣溫度過(guò)高（對(duì)于增壓中冷發(fā)動(dòng)機(jī)）；（2）增加機(jī)油對(duì)活塞的表面換熱系數(shù)，加強(qiáng)活塞冷卻。

車輛的散熱器、中冷器采用的冷卻介質(zhì)均為空氣。隨著車輛使用，車輛的散熱器、中冷器表面會(huì)出現(xiàn)散熱片損壞，散熱片附著泥土、樹(shù)葉，冷卻介質(zhì)流通阻力增大、換熱能力下降。車輛的散熱器和中冷器的冷卻性能將會(huì)下降，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)性能會(huì)減弱，從而造成冷卻液溫度和中冷后空氣溫度增高，尤其是在炎熱季節(jié)更為明顯。并且，發(fā)動(dòng)機(jī)普遍使用調(diào)溫器，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度至少會(huì)控制在調(diào)溫器的開(kāi)啟溫度以上。通過(guò)提高氣缸壁與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫差來(lái)增加發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液帶走的熱量，達(dá)到降低活塞熱負(fù)荷的目的，其作用有限。因此，第2個(gè)方法更值得考慮。

增加機(jī)油對(duì)活塞的表面換熱系數(shù)，最常用的方法是在活塞內(nèi)部設(shè)計(jì)冷卻油腔，利用發(fā)動(dòng)機(jī)主油道機(jī)油（主油道機(jī)油壓力可達(dá)到450 kPa）向活塞冷卻油腔噴油，機(jī)油在活塞油腔內(nèi)振蕩，強(qiáng)制冷卻活塞內(nèi)部，并帶走活塞熱量，從而實(shí)現(xiàn)活塞的強(qiáng)化冷卻。

圖5為有冷卻油腔的活塞示意圖，其中，對(duì)在柴油機(jī)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)而言，冷卻油道與活塞燃燒室之間的最小厚度A應(yīng)大于7 mm，以保證燃燒室有足夠的強(qiáng)度。圖6為機(jī)油冷卻噴油嘴示意圖，其中噴油嘴內(nèi)徑d應(yīng)不小于Φ2.2 mm，同時(shí)要滿足在機(jī)油壓力450 kPa時(shí)機(jī)油噴射量不低于5 L/min。

圖5 冷卻油腔的活塞示意圖

圖6 機(jī)油冷卻噴油嘴示意圖

為了驗(yàn)證冷卻油腔對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的實(shí)際冷卻效果，特意為SC8DT250Q3型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了兩款活塞，一款沒(méi)有冷卻油腔，另一款有冷卻油腔。在相同條件下，采用硬度塞測(cè)量法,完成活塞表面溫度對(duì)比測(cè)量。活塞表面測(cè)點(diǎn)如圖7、圖8所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞表面最高溫度出現(xiàn)在活塞頂面。使用冷卻油腔后，強(qiáng)化了活塞的冷卻，活塞頂面最高溫度從313.4℃降為265.5℃，降幅達(dá)47.9℃。冷卻油腔對(duì)于降低活塞熱負(fù)荷的效果很明顯。對(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，采用有冷卻油腔的活塞，是十分必要的。

（2）通常，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的第1道環(huán)槽最接近活塞頂面，溫度最高，如果第1道環(huán)槽的溫度超過(guò)240℃，機(jī)油會(huì)在此膠結(jié)，易造成活塞環(huán)卡滯、折斷[4]。未使用冷卻油腔的活塞，其頂岸最高溫度為272.8℃；使用冷卻油腔的活塞，其頂岸最高溫度為243.7℃。

圖7 活塞頂面測(cè)點(diǎn)

圖8 活塞側(cè)面測(cè)點(diǎn)

（3）冷卻油腔的使用，有效提高了活塞頂部和第一道環(huán)槽的工作可靠性。

圖9 活塞表面各測(cè)點(diǎn)溫度

5 結(jié)束語(yǔ)

增加冷卻油腔只是改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞熱負(fù)荷的措施之一，還可以通過(guò)增加活塞頂面熱阻、優(yōu)化活塞燃燒室結(jié)構(gòu)等方式，模擬計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合，尋求降低天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞熱負(fù)荷的措施。

活塞熱負(fù)荷最終是否能得到降低，不但取決于活塞本身結(jié)構(gòu)和車輛的冷卻系統(tǒng)，還取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行環(huán)境以及使用狀況。正確使用和保養(yǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠確保正常點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)得到良好的冷卻，中冷后的進(jìn)氣溫度和冷卻液溫度控制在發(fā)動(dòng)機(jī)允許范圍內(nèi)，這樣就可以防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，降低發(fā)動(dòng)機(jī)活塞熱負(fù)荷，避免了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生活塞拉缸、活塞頂部變形、甚至活塞熔頂?shù)裙收系陌l(fā)生。

1吳義民，馬殿軍，李金輝．壓縮天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)活塞開(kāi)發(fā)[J]．內(nèi)燃機(jī)與動(dòng)力裝置，2009（3）．

2黃超鵬，李光輝，劉文龍．天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的研究[J]．船電技術(shù)，2010（4）．

3呂彩琴，蘇鐵熊．柴油機(jī)活塞的熱及慣性力耦合研究[J]．柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造，2008（2）．

4周冬．柴油機(jī)改裝天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的意義及技術(shù)措施[J]．山東內(nèi)燃機(jī)，2005（1）．

Research on Improving the Cooling Ability of the Piston of Natural Gas Engine

Wu Yubo
（Tongji University,Shanghai 200092,China）

As one of the core parts of a natural gas engine,the reliability of piston determines the service life of the engine..For the problem of melted pistons of some natural gas engine,redesign of the piston by useing oil-cooling channel is adopted.The measurement of the thermal field of the piston surface shows that the maximum temperature at the top of piston is reduced by up to 48℃due to using oil-cooling channel.Thus the thermal load of the piston is drastically reduced and the reliability and service life of the piston are promoted observably.

piston,thermal load,oil-cooling channel,thermal field

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.03.004

來(lái)稿日期：2011-06-10

吳宇波（1982-），男，工程師，主要研究方向?yàn)樘烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與配套。