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430发动机活塞冷却技术及其应用刘鹏展（湖南江滨机器厂）【摘要】随着低油耗、低排放、高功率发动机的发展，一些先进的发动机活塞冷却技术逐渐被推广应用。本文针对不同的发动机的设计要求简要介绍有关发动机活塞冷却技术的应用情况。关键词：活塞冷却技术应用1.前言随着国家十分严格的排放法规的实施以及人们对油耗低、排放低、性能好发动机普遍需求，如何从设计上、制造上去保证发动机达到这些要求已成为各发动机厂家及其零配套厂家关注的焦点，为解决有关的一些技术难题，除电控共轨预喷射，增压中冷排气再循环以及燃烧室形状改良等措施外，新的活塞冷却技术的应用是解决有关问题的有效手段，因为随着柴油机功率的增加，会导致活塞温度升高和强度下降，为保证活塞顶有足够的强度和第一环槽温度不超过230℃左右，采取适当的冷却措施就显得十分必要。图一图二图三从连杆小头喷油在机体上安装固定喷嘴喷油从连杆大头喷油2.传统冷却技术传统冷却技术也就是比较普遍采用的自由喷射顶底冷却，这种冷却方法结构简单，制造成本较低，冷却的原理是活塞内腔顶不断被一股高速喷射油柱冲刷而达到散热冷却的目的，因此，活塞顶部中央冷却效果较好，与非冷却活塞相比可降低温度40℃左右，环岸部则较差，第一道431环槽仅降低10～20℃，在活塞头部内外表面之间容易造成较大的温差应力，所以，这种冷却方式主要用于高速车用柴油机铝活塞，一般采用从连杆小头喷油冷却（如图一），但以缸体上固定喷嘴结构冷却效果较好（如图二）。车用汽油机有时采用从连杆大头喷油的冷却方式（如图三），这不但使第一环槽温度下降8～15℃，而且能使受力大的主推力面获得较好的润滑。总的来说，喷射冷却效果不是很好，因此需要采用大量的冷却油来弥补不足，其数量超过8L/KW.H，大量消耗冷却油对轴承润滑不利。3.即带冷却油腔又带冷却油道活塞这种冷却技术主要用于船用组合式活塞，组合式活塞一般为锻钢顶，铸铝裙，上下两部分采用螺栓联接。这种结构的活塞承受非常高的机械负荷和热负荷，因此仅采用冷却油道加强对活塞环岸区域的冷却已显不够，而是同时采用冷却油道和油腔对高热应力的环区和顶部进行冷却，如果有必要的话，高负荷中速柴油机（平均有效压力≥19bar，单位活塞面积功率≥0.33kw/cm2）的第一环槽温度可降低到150℃以下。4.内冷油道活塞随着二十多年来的改革开放，国外许多先进的发动机技术和发动机机型被国内许多发动机厂家引进。这些高技术的发动机机型中，活塞的冷却很多都是采用内冷油道技术（见表一），内冷油道技术的采用，使得这些发动机在性能、功率、排放方面取得较好的效果，这些产品投放市场后深受广大用户的欢迎。表一内冷油道活塞配套状况序号产品代号冷却方式供货状况配套主机厂配套厂家备注1.IVECO2.5冷却油道大批量南维柯江滨2.IVECO2.8冷却油道小批量南维柯江滨3.CA6113冷却油道大批量锡柴江滨4.CA6110冷却油道试制锡柴江滨5.CA489冷却油道试制锡柴江滨6.YC6112冷却油道试制玉柴江滨7.F4/6L913冷却油道大批量北内江滨8.BFL413F冷却油道大批量615厂江滨军品机9.TBD234冷却油道中批量407厂江滨10.TBD604B冷却油道小批量河柴江滨军品机11.BFL513冷却油道小批量5460厂江滨12.RHZ105冷却油道试制洛拖江滨13.WR703冷却油道小批量616厂江滨军品机14.康明斯B冷却油道试制东风柴发江滨432序号产品代号冷却方式供货状况配套主机厂配套厂家备注15.M11冷却油道试制重发江滨铰接式活塞16.FCF396冷却油道及油腔小批量616厂江滨船用汽车17.AT25/30冷却油道及油腔小批量东风船厂江滨船用汽车4.1冷却效果对照热负荷过高的活塞，必须采取冷却措施，将活塞的热量迅速传出，使活塞温度降到能容许的范围内，活塞内的热流及散热比例如表三，不同冷却方式对活塞第一环槽温度的影响见表二。表二不同冷却方式对活塞第一环槽温度的影响工作状态工作状态变化第一环槽温度变化活塞用油冷却喷嘴在大头－8～－10℃固定喷嘴－10～－30℃内冷油道－30～－60℃表三活塞内热流与散热的百分比%散出热量不冷却铝活塞自由喷射冷却铝活塞内冷油道活塞组合活塞活塞环Q1624115～202活塞本体Q2146冷却油Q34565～7086～92表面空气Q4248注：传入活塞顶的热量Q占燃料总发热量的2%～4%，散出热量Q=（Q1+Q2+Q3+Q4）4.2冷却机理在活塞头部布置内冷油道对活塞进行冷却的主要机理是通过气缸下部的一个喷油嘴对准活塞的进油孔进行喷油，进入冷却油道的冷却油由于受到惯性作用，从而导致了冷却油与油道内壁表面产生了较大的相对速度，于是冷却油在油道内产生强烈振荡，形成紊流，紊流的形成十分有利于把活塞头部由于燃烧而产生的高温带走，冷却油经油道周循环后由出油孔排出。4.3冷却设计油道位置的布置,进、出油孔的大小，进油的流量、压力以及冷却油的充填比对冷却效果都影响很大，研究表明，最佳充填比是30~50%（图四）。充填比高时，紊流程度下降，当充填比超过60%时传热系数急剧下降。实际上，冷却也就是意味着热损失，但这种损失是保证活塞可靠而持久工作所必需的。如果活塞冷却过度，会产生下列不良影响：a．热损失太大，油耗率增加433b．温差太大，热应力过高c．活塞顶温度低于205℃，环区低于104℃时，含硫燃料会沉淀，易使活塞受腐蚀损坏d．增大冷却油量，增大机油泵消耗的功率，成本增高。因此，以任何方式进行冷却均需使活塞冷却适度，即以最小的热损失使危险部位获得必要的温度下降为佳，如何根据活塞的单位面积功率及活塞结构选择合理的冷却方式见图五。图四图五活塞冷却油道的传热系数随发动机转速而变化活塞单位面积功率——活塞结构种类（a）开式油道(b)闭式油道图六内冷油道活塞10%充填比传热系数/W·m·k5000-21500100025002000-1n＝250min油量/L·min123-14n＝500min6-15-1n＝800min40%20%60%100%2510-1轻金属活塞部分通过喷油冷却0.1100801502002503000.60.30.20.50.4cmKW2带冷却油道活塞铸铁活塞、钢活塞、组合活塞φmm3504344.4冷却油道的种类冷却油道按成形方式主要可分为机械加工成形和铸造成形二种，铰接式活塞和组合式活塞的头部一般为锻造钢顶，其冷却油道采用机械加工成形，电子束焊接活塞，和一般的内冷油道活塞的油道采用铸造成形。铸造成形的油道活塞又可分为开式和闭式二种（图六），具体选择哪一种主要视冷却的要求及冷却喷嘴的固定方式来定。4.5带冷却油道活塞的成本分析由于内冷油道技术的采用，使活塞在铸造上的工艺技术要求越来越高，要保证活塞生产具有较高的良品率已不是一件容易的事情，同时为了保证活塞质量，还要对活塞进行100%的X光、超声波等检查，制造成本明显上升，因此，估计既带镶圈又带油道活塞比只带镶圈活塞的价格要高出40~50%左右，但从整台发动机的性能价格比来看，这点成本的增加，应该说是微不足道的。5.结束语随着北京申奥的成功和我国即将正式加入WTO，性能好、大功率的环保发动机将成为占领国内、国际市场的主导产品，这种主导产品的强化程度要求越来越高，因此内冷油道技术在这种发动机机型的应用将越来越广泛。