活塞冷卻噴嘴的用途和安裝舉措及打靶試驗(yàn)

摘要：為了保證柴油發(fā)電機(jī)活塞頭部不至于過(guò)熱，需要對(duì)活塞頭部進(jìn)行冷卻，冷卻的原理是在活塞的頭部?jī)?nèi)設(shè)置冷卻油道，然后由在缸頭上安裝的活塞冷卻噴嘴，向冷卻油道內(nèi)噴射冷卻機(jī)油，以達(dá)到減輕活塞頭部溫度的目的。在傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)中，一個(gè)活塞通常設(shè)置一個(gè)康明斯冷卻噴嘴，噴油方向固定不變，在多缸發(fā)電機(jī)中需要設(shè)置多個(gè)冷卻噴嘴支架，且活塞冷卻噴嘴多安裝在機(jī)體上，由于需要對(duì)燃燒室和活塞裝配構(gòu)造進(jìn)行避讓，一般需要設(shè)置專門的工裝將活塞冷卻噴嘴裝配在發(fā)電機(jī)機(jī)體上，安裝工序復(fù)雜，請(qǐng)非技術(shù)人員勿自行裝配。

      活塞是發(fā)電機(jī)的核心元件，燃燒發(fā)生在活塞的燃燒室內(nèi)，燃燒發(fā)生的爆發(fā)壓力推動(dòng)活塞沿缸孔內(nèi)做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)?；钊盎钊嚓P(guān)組件是發(fā)電機(jī)中工作條件較為苛刻的零部件，發(fā)電機(jī)的強(qiáng)化程度、大修周期、可靠性與壽命在很大程度上取決于活塞的工作壽命。

      隨著柴油發(fā)電機(jī)強(qiáng)化程度不斷提升，單缸容量不斷增加，活塞頂部承受偏高的熱負(fù)荷，通過(guò)傳熱計(jì)算論說(shuō)及活塞溫度場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，活塞喉口溫度較高可以達(dá)到360℃～380℃，而且溫度分布極為不均勻，溫度梯度很大，較高的熱負(fù)荷容易造成活塞頂部開裂等故障。

      這就對(duì)活塞頂部的冷卻提出了更高的要求，活塞的冷卻辦法具體有自由噴嘴冷卻、振蕩冷卻、內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻。所謂自由冷卻，即從連桿小頭上的噴油孔或從裝配在機(jī)體上的冷卻噴嘴向活塞內(nèi)腔噴射機(jī)油，達(dá)到冷卻的目的；所謂振蕩冷卻，即從連桿小頭上的噴油孔將機(jī)油噴入活塞內(nèi)腔的環(huán)形油槽中，由于活塞的運(yùn)動(dòng)使機(jī)油在環(huán)形油槽中發(fā)生振蕩而冷卻活塞。而目前常用的內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻是在活塞鑄造時(shí)，在活塞頂部環(huán)槽位置，鑄造出油道，機(jī)油從設(shè)計(jì)在機(jī)體上的冷卻噴嘴，噴入活塞冷卻油道的進(jìn)油孔，通過(guò)活塞的運(yùn)行使機(jī)油在油道內(nèi)循環(huán)及振蕩，吸收活塞頭部熱量，較終從活塞的出油孔流出，此構(gòu)造使機(jī)油在活塞的冷卻油道內(nèi)強(qiáng)制流動(dòng)，以便達(dá)到冷卻活塞的目的。

      因?yàn)樾袠I(yè)內(nèi)活塞的布置一般由主機(jī)廠委托活塞生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行精細(xì)布置，而活塞的冷卻噴嘴往往由各主機(jī)廠根據(jù)自身發(fā)電機(jī)工作特點(diǎn)，機(jī)油壓力狀況進(jìn)行布置。因此，因?yàn)榧夹g(shù)保密等因由，活塞生產(chǎn)商往往無(wú)法獲得正確的機(jī)油供給量，活塞一般也是類比布置，因此，活塞冷卻較終能否達(dá)到規(guī)劃要求，通常需要各主機(jī)廠在冷卻噴嘴布置完成后，進(jìn)行實(shí)物的驗(yàn)證。

      行業(yè)內(nèi)，冷卻噴嘴的規(guī)劃措施尚不機(jī)構(gòu)，各類文獻(xiàn)中推薦細(xì)節(jié)規(guī)劃辦法的很少，本文將結(jié)合作者的作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)引薦內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻噴嘴的規(guī)劃、驗(yàn)證及損壞詳解。

      隨著柴油發(fā)電機(jī)的不斷強(qiáng)化，活塞的熱負(fù)荷越來(lái)越高，為了滿足柴油發(fā)電機(jī)的操作程序，整體內(nèi)冷油腔活塞、鋼頂鋁裙、整體鍛鋼、復(fù)合材料、鑄鐵等活塞應(yīng)運(yùn)而生，這些高負(fù)荷柴油發(fā)電機(jī)活塞通常采用內(nèi)冷油腔布置，冷卻機(jī)油通過(guò)噴嘴噴入冷卻油腔，在油腔內(nèi)振蕩吸收活塞熱量后流出，從而降低活塞（特別是頭部）溫度。冷卻噴嘴外觀如圖1所示，一般是固定在發(fā)電機(jī)缸體上的冷卻裝置，如圖2所示。其功用是在活塞作高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將冷卻機(jī)油噴入內(nèi)冷油腔內(nèi)。

      柴油發(fā)電機(jī)活塞在工作時(shí)不斷的從燃燒機(jī)構(gòu)吸收熱量，如果要保持活塞有過(guò)高的強(qiáng)度，滿足柴油發(fā)電機(jī)的使用規(guī)范，必須將活塞吸收的熱量及時(shí)地傳走。一般情形下，活塞吸收的熱量是通過(guò)活塞環(huán)、活塞裙部和活塞內(nèi)腔頂傳遞。但對(duì)于高強(qiáng)化柴油發(fā)電機(jī)活塞，僅靠這些步驟已無(wú)法滿足冷卻活塞的要求，需要采用強(qiáng)制噴油冷卻。采用強(qiáng)制冷卻要素如下：

      當(dāng)活塞頂面功率：≤2.4W/mm2活塞不采用強(qiáng)制冷卻；2.4-3.2 W/mm2活塞采用內(nèi)腔強(qiáng)制噴油冷卻；≥3.2 W/mm2活塞采用冷卻油道振蕩冷卻。

      活塞內(nèi)腔強(qiáng)制噴油冷卻的柴油發(fā)電機(jī)對(duì)噴油器的要求不高，只要保證噴油量，對(duì)冷卻噴嘴的發(fā)散度和噴射角度沒有嚴(yán)格要求。內(nèi)冷油腔活塞對(duì)噴嘴的要求比偏高，要求活塞在下止點(diǎn)時(shí)冷卻油能夠全部噴入，活塞在上止點(diǎn)時(shí)大部分冷卻油（80%以上）噴入，噴油器的噴油量為5-7L/Kw.h，噴射轉(zhuǎn)速大于活塞的較大瞬時(shí)速度。如果冷卻噴嘴的冷卻油無(wú)法夠噴入冷卻油道或噴入量小，對(duì)活塞的冷卻非常不利，由于冷卻油腔阻止了熱量的傳遞，量熱集聚在活塞頂部，使活塞頂部、第一環(huán)槽的溫度提升，造成活塞頂部異樣膨脹，會(huì)導(dǎo)致活塞拉缸，第一環(huán)槽溫度升高使機(jī)油膠結(jié)，造成活塞環(huán)卡滯等失效模式。

      當(dāng)發(fā)電機(jī)的爆發(fā)壓力為14-21MPa，升功率超過(guò)25-35kW/L，活塞單位面積功率大于0.30-0.47kW/cm2時(shí)，需要考慮采用內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻?；钊麌娮煨枰_實(shí)現(xiàn)冷卻機(jī)油95%通過(guò)進(jìn)油孔，并且達(dá)到要求的速度和噴射油量，以便可以保證快速的吸收活塞頂部的熱量，減輕活塞工作溫度。一般活塞冷卻噴嘴有如下布置要求：

（3）冷卻噴嘴管內(nèi)壁粗糙度在滿足設(shè)計(jì)要求及零件成本目標(biāo)的狀況下盡量小，以降低能量損失。且噴嘴管內(nèi)部盡量圓滑過(guò)渡。

（5）冷卻噴嘴應(yīng)該設(shè)置有壓力調(diào)整閥，根據(jù)發(fā)電機(jī)潤(rùn)滑裝置的總油量及不一樣工況下的機(jī)油壓力合理選擇冷卻噴嘴的開啟壓力。

      內(nèi)冷油腔活塞除對(duì)噴入油量和油束轉(zhuǎn)速要求外，要提高冷卻效果，冷卻機(jī)油相對(duì)內(nèi)冷油腔壁必須有過(guò)高的速度，形成紊流（雷諾數(shù)在3000以上）以提高換熱系數(shù)，所以冷卻機(jī)油必須在油腔內(nèi)振蕩起來(lái)。要使冷卻機(jī)油振蕩起來(lái)，通常采取兩種對(duì)策：

      如前文所述，噴油速度要求大于活塞的瞬時(shí)較大轉(zhuǎn)速，保證機(jī)油可以噴入活塞的內(nèi)部油腔。不僅僅是額定負(fù)載點(diǎn)，還包括最大功率點(diǎn)等各階段。參考內(nèi)燃機(jī)布置，計(jì)算活塞瞬時(shí)較大轉(zhuǎn)速，根據(jù)公式：

      當(dāng)活塞加載度J=0時(shí)，活塞速度較大。其中，R：曲柄半徑；α：曲柄轉(zhuǎn)角；λ：連桿比；ω：角轉(zhuǎn)速。

      根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，噴油速率為4-6kg/kW·h，因此可以通過(guò)購(gòu)買工況點(diǎn)的容量計(jì)算出理論需要的噴油量。并由下述公式計(jì)算冷卻噴嘴出口的截面積，進(jìn)而計(jì)算出出口直徑，進(jìn)行噴嘴布置。

      其中，Q：總的噴油量；V出口：冷卻噴嘴出口流速；A出口：冷卻噴嘴出口的截面積。

      內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻噴嘴，通常都設(shè)置有冷卻噴嘴閥，這是因?yàn)椋?/p>

（1）在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)初期，發(fā)電機(jī)速度較低，負(fù)載偏低，這時(shí)機(jī)油泵流量也處于過(guò)低的水平康明斯柴油發(fā)電機(jī)，此時(shí)，活塞承受熱負(fù)荷還不高。如果冷卻噴嘴開啟，會(huì)消耗大量機(jī)油，會(huì)影響初始的潤(rùn)滑系統(tǒng)建立。

      冷卻噴嘴閥的開啟壓力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常設(shè)定在120～160kPa，并結(jié)合發(fā)電機(jī)實(shí)際作業(yè)狀況進(jìn)行設(shè)定。本例中，低容量版性能初試中，發(fā)電機(jī)額定點(diǎn)機(jī)油壓力410kPa，功率點(diǎn)機(jī)油壓力375kPa，怠速點(diǎn)機(jī)油壓力280kPa，機(jī)油溫度88℃?？紤]實(shí)際使用及極限工況，隨著機(jī)油溫度升高，機(jī)油壓力還會(huì)下降。再有就是此例中的活塞熱固耦合計(jì)算結(jié)果表明此活塞熱負(fù)載偏高，活塞溫度較高，應(yīng)當(dāng)盡早開啟活塞冷卻。綜上所述，冷卻噴嘴閥的開啟壓力較終設(shè)定在160kPa。

      冷卻噴嘴閥一般采用鋼球式單向閥。根據(jù)設(shè)定的開啟壓力及流通面積，確定彈簧初始負(fù)荷，進(jìn)而確定彈簧規(guī)劃參數(shù)。

      J 形活塞冷卻噴嘴位于康明斯發(fā)電機(jī)排氣側(cè)的曲軸承鞍座之間。機(jī)油從康明斯發(fā)電機(jī)排煙側(cè)的缸體中的總油道供應(yīng)。采用 J 形活塞冷卻噴嘴的機(jī)體也可以加工為能夠操作鞍座式活塞冷卻噴嘴。如果是這種情形康明斯發(fā)電機(jī)廠家，塞子需要安裝在鞍座式活塞冷卻噴嘴的位置。

（1）使用康明斯發(fā)電機(jī)盤車工具（零件號(hào) 3824591），需要轉(zhuǎn)動(dòng)主軸一整圈，以便可以夠到每個(gè)活塞冷卻噴嘴和/或螺釘。

（4）查看冷卻噴嘴和螺釘有無(wú)裂紋、彎曲或其他故障。查看噴嘴尖端有無(wú)毛刺或事故。事故的冷卻噴嘴或螺釘無(wú)法修理。如果發(fā)現(xiàn)任何故障，必須更替活塞冷卻噴嘴或螺釘。

（2）當(dāng)將噴嘴插入孔中時(shí)，噴嘴總成的定位臂必須朝上。接觸氣缸壁將故障噴嘴。利用長(zhǎng)套筒驅(qū)動(dòng)延長(zhǎng)件，將螺釘和/或活塞冷卻噴嘴裝配到位。

（3）要正確對(duì)正，活塞冷卻噴嘴定位銷必須嚙合缸體中的定位孔，并確保尖端指向氣缸，如圖5所示。如果支柱不在缸套外側(cè)，則可能損壞活塞冷卻噴嘴。

（4）將 Loctite? 242（零件號(hào) 3824040）涂抹到螺釘?shù)穆菁y上。使用 Loctite 安裝螺釘和墊圈并用手?jǐn)Q緊。功率值：冷卻噴嘴螺釘65N.m。

（1）冷卻噴嘴的水頭損失與冷卻油流動(dòng)速度的平方成正比，為了降低其水頭損失，噴嘴構(gòu)造盡可能的簡(jiǎn)單，噴嘴內(nèi)圓滑過(guò)渡。

（2） 噴油速度盡可能不小于活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速，不僅僅是額定負(fù)載點(diǎn)，還包括大功率點(diǎn)等各階段。

（3）通常情形下發(fā)電機(jī)冷卻噴嘴都有開啟壓力，合理確定該數(shù)值，防止發(fā)電機(jī)頻繁啟動(dòng)（或負(fù)荷大范圍變化）時(shí)造成活塞高溫。

（4）活塞內(nèi)冷油腔的冷卻效果不但與冷卻油腔的表面積成正比，還與冷卻油的振蕩有關(guān)，故而冷卻油腔要求有一定的高度，使冷卻油與冷卻油腔表面有較大的相對(duì)速度，形成紊流，提升冷卻效率。

（6）如圖6所示。不要在活塞位于下止點(diǎn)時(shí)拆除活塞冷卻噴嘴。否則會(huì)事故噴嘴并造成活塞故障。為減少損壞的可能性，必須僅當(dāng)正在維修的汽缸處于上止點(diǎn)時(shí)才可以拆下活塞冷卻噴嘴。

      冷卻噴嘴裝配完成，試制完成后，還需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確認(rèn)冷卻噴嘴的作用性能。這種試驗(yàn)通常稱為打靶試驗(yàn)，可以在特制的工裝上進(jìn)行，也可以用實(shí)際裝配的機(jī)體經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)母闹坪笞鳛樵囼?yàn)工裝。

（2）噴嘴相對(duì)活塞的位置可由工裝實(shí)現(xiàn)，將噴油嘴固定在工裝下端，活塞可在工裝的圓筒內(nèi)上下移動(dòng)，以測(cè)量不同行程位置冷卻油的噴入量。

（3）在活塞內(nèi)冷油腔的出口處連接收集回油的容器，以測(cè)定從內(nèi)冷油腔的回油量，同時(shí)在工裝下端放置容器，收集未噴入內(nèi)冷油腔而回流的冷卻油，可得到總的噴油量。

      試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)電機(jī)型號(hào)規(guī)格及功率，供油壓力為400-420kPa時(shí)，冷卻噴嘴的流量約為3.3-3.8L/min。冷卻噴嘴閥的開啟壓力為160kPa-170kPa，通過(guò)收集的機(jī)油量，用（公式3）反算，噴油轉(zhuǎn)速為16.93m/s。試驗(yàn)證明此噴嘴的功用性能滿足規(guī)劃及使用要求。

      隨著柴油發(fā)電機(jī)強(qiáng)化程度不斷提升，內(nèi)冷油道強(qiáng)制振蕩冷卻活塞必將更加廣泛的應(yīng)用。通過(guò)本文引薦的主要規(guī)劃和裝配手段，冷卻噴嘴及噴嘴閥可以根據(jù)本文提供的辦法及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行布置，但必須進(jìn)行打靶試驗(yàn)，驗(yàn)證實(shí)物與布置目標(biāo)的符合性。同時(shí)，需要通過(guò)整機(jī)相關(guān)試驗(yàn)完成用途及可靠性驗(yàn)證。