发动机活塞冷却喷嘴的设计、验证与故障分析浅谈

发动机活塞冷却喷嘴的设计、验证与故障分析浅谈

摘要：内冷油道活塞的应用越来越广泛，但是针对活塞冷却喷嘴的设计要求与设计方法尚不完善和系统。本文论述了发动机内冷油道强制振荡冷却活塞喷嘴及其喷嘴阀的设计，包括设计要求、详细设计中各参数的确定及设计验证。同时，对实际应用中存在的冷却喷嘴的故障情况进行了简要分析及说明。

关键词：内冷油道；强制振荡冷却；冷却喷嘴；冷却喷嘴阀

中图分类号：TK40 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0093-02

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。

1 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。

2 冷却喷嘴的故障模式

发动机运行过程中，由于冷却喷嘴设计问题导致活塞不能及时冷却，最终造成拉缸、活塞开裂等严重故障，本文仅以几种容易被忽视的典型故障?M行详细说明：

（1）冷却喷嘴与活塞裙部间隙偏小，发动机运转过程中，由于振动，喷嘴管与活塞相撞，造成喷嘴断裂，机油不

能喷入活塞，导致活塞顶部开裂及拉缸故障。（2）冷却喷嘴管口，进行了倒圆处理，未保留尖角，造成活塞油束发散，活塞冷却不良，活塞、活塞销及连杆小头出现过热现象，表现为机油在高温下氧化，在活塞销及连杆小头及活塞内腔形成沉积物，至变色发黄。（3）冷却喷嘴大多采用一面两销的定位方式，如图3焊接一体的冷却喷嘴定位销，定位销直径很小，受制造质量影响，容易发生焊接不牢靠，定位销脱落的故障，机油不能准确喷入活塞内部冷却油腔，造成活塞及其组件冷却不良。采用图1及图2的定位方式，可靠性较好。

3 以某四缸柴油机为例设计举例

3.1 某柴油机参数

缸数：4缸；排量范围：4～5L；额定功率：175ps；

额定转速：2400rpm；最大设计爆发压力：180bar；

活塞结构：内冷油道强制振荡冷却活塞，低火力岸高度，一环镶圈；

连杆比：0.32。

3.2 详细设计

3.2.1 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）（3-1-1）

活塞瞬时加速度：

J≈Rω2×（cosα+λcos2α）（3-1-2）

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。

图4为发动机额定点工况活塞一个冲程速度及加速度变化情况。由计算可以得到额定点活塞的最大速度为16.8m/s。其他工况点计算方法相同。

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。