（同濟大學，上海200092）

提高天然氣發(fā)動機活塞冷卻能力的研究

吳宇波
（同濟大學，上海200092）

作為天然氣發(fā)動機的核心零部件之一，活塞的可靠性決定了發(fā)動機的使用壽命。針對某天然氣發(fā)動機出現(xiàn)的活塞熔頂問題，改進活塞設(shè)計，采用冷卻油腔，并測量了活塞表面溫度場。結(jié)果表明，采用冷卻油腔后活塞頂面溫度下降最大達到近48℃，明顯降低了活塞的熱負荷，活塞的可靠性和壽命顯著提高。

活塞熱負荷冷卻油腔溫度場

1 引言

當今世界的經(jīng)濟發(fā)展是以能源為依托，經(jīng)濟發(fā)展對能源的需求也日益增加，世界各國政府在尋找新的能源替代傳統(tǒng)的石油燃料。隨著世界天然氣儲藏量開發(fā)的逐步提高，天然氣越來越吸引人們的目光。目前，全世界已探明的天然氣儲量為155萬億立方米，可用60年以上，甚至有世界能源專家預測，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，沒有碳煙和顆粒排放，能夠徹底解決城市公交車冒黑煙問題[2]。能源緊缺以及對環(huán)境保護的日益重視，使得以天然氣為燃料的發(fā)動機在汽車領(lǐng)域得到迅速的發(fā)展。活塞作為內(nèi)燃機最主要的受熱零部件，長期工作在惡劣的環(huán)境下，承受著周期性的熱負荷和機械負荷的沖擊?；钊墓ぷ鳡顟B(tài)直接決定了發(fā)動機的使用壽命[3]。本文根據(jù)天然氣發(fā)動機活塞熔頂這一主要失效模式，從分析活塞熱負荷角度出發(fā)，提出提高活塞冷卻能力的解決方案。

2 天然氣發(fā)動機活塞失效模式

目前，國內(nèi)的天然氣發(fā)動機活塞基本是在柴油機活塞的基礎(chǔ)上重新設(shè)計燃燒室，由于天然氣與柴油的燃料特性差異，壓縮比由柴油機活塞的16∶1～18∶1調(diào)整為天然氣發(fā)動機活塞的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)動機是在柴油機（或汽油機）基礎(chǔ)上開發(fā)的，發(fā)動機的配氣相位基本不變，使得部分天然氣在氣缸內(nèi)沒有燃燒而進入到排氣道內(nèi)燃燒。與柴油機活塞相比較，天然氣發(fā)動機活塞工作時受到的機械強度低于柴油機活塞，但天然氣發(fā)動機的排溫高于柴油機，天然氣發(fā)動機活塞承受的熱負荷也高于柴油機活塞。隨著天然氣發(fā)動機市場使用量的日益增加，天然氣發(fā)動機活塞暴露出的故障也不斷出現(xiàn)。在發(fā)動機正常運行時，活塞頂面溫度還不是太高（＜360℃）；如果發(fā)動機較長時間在大負荷運轉(zhuǎn)或頻繁啟動時，則會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點剝落[1]。反映出的問題主要體現(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)動機的冷卻液對流換熱帶走（熱量從活塞傳遞到活塞環(huán)，再從活塞環(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)動機的冷卻液對流換熱帶走，以及噴機油、依靠機油對流換熱帶走。

圖4 活塞傳熱示意圖

發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，活塞要比氣缸套達到更高的溫度。通常，天然氣發(fā)動機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遠大于缸套。當外界因素造成活塞原熱平衡被打破、新熱平衡重新建立時，活塞內(nèi)部殘留的熱量可能會增加，造成活塞的熱負荷增加，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?；钊麅?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

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

（1）減少燃氣傳遞給活塞的熱量。目前，國內(nèi)天然氣發(fā)動機的活塞頂部表面都沒有生成氧化膜，也沒有對活塞頂部做硬膜陽極氧化處理（這樣可以增加活塞頂部熱阻，減少活塞頭部的吸熱量）。對于增壓中冷發(fā)動機，減少燃氣傳遞給活塞的熱量主要是通過降低中冷后空氣溫度來實現(xiàn)。對于點火異常的發(fā)動機，爆震、早燃會在瞬間增加燃氣傳遞給活塞的熱量，必須避免發(fā)動機發(fā)生爆震、早燃現(xiàn)象。

（2）增加發(fā)動機冷卻液帶走的熱量?？紤]到發(fā)動機氣缸套、活塞環(huán)的可靠性，發(fā)動機冷卻液對氣缸壁的表面換熱系數(shù)基本不變，只能通過增加氣缸壁與發(fā)動機冷卻液的溫差，即降低發(fā)動機冷卻液的溫度（由于發(fā)動機功率不變，氣缸壁的溫度也基本不變）。

（3）增加發(fā)動機機油帶走的熱量?；钊砻娴臏囟群蜋C油溫度在實際中很難改變，故主要采取的措施是增加機油對活塞的表面換熱系數(shù)，加強機油對活塞的冷卻，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荷：（1）加強發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)，避免發(fā)動機冷卻液溫度過高，以及防止中冷后空氣溫度過高（對于增壓中冷發(fā)動機）；（2）增加機油對活塞的表面換熱系數(shù)，加強活塞冷卻。

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、中冷器表面會出現(xiàn)散熱片損壞，散熱片附著泥土、樹葉，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下降，發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)性能會減弱，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)動機普遍使用調(diào)溫器，發(fā)動機冷卻液的溫度至少會控制在調(diào)溫器的開啟溫度以上。通過提高氣缸壁與發(fā)動機冷卻液的溫差來增加發(fā)動機冷卻液帶走的熱量，達到降低活塞熱負荷的目的，其作用有限。因此，第2個方法更值得考慮。

增加機油對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)計冷卻油腔，利用發(fā)動機主油道機油（主油道機油壓力可達到450 kPa）向活塞冷卻油腔噴油，機油在活塞油腔內(nèi)振蕩，強制冷卻活塞內(nèi)部，并帶走活塞熱量，從而實現(xiàn)活塞的強化冷卻。

圖5為有冷卻油腔的活塞示意圖，其中，對在柴油機基礎(chǔ)上開發(fā)的天然氣發(fā)動機而言，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度。圖6為機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，同時要滿足在機油壓力450 kPa時機油噴射量不低于5 L/min。

圖5 冷卻油腔的活塞示意圖

圖6 機油冷卻噴油嘴示意圖

為了驗證冷卻油腔對天然氣發(fā)動機活塞的實際冷卻效果，特意為SC8DT250Q3型天然氣發(fā)動機設(shè)計了兩款活塞，一款沒有冷卻油腔，另一款有冷卻油腔。在相同條件下，采用硬度塞測量法,完成活塞表面溫度對比測量?；钊砻鏈y點如圖7、圖8所示，試驗結(jié)果如圖9所示。

試驗結(jié)果表明：

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

（2）通常，發(fā)動機活塞的第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240℃，機油會在此膠結(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 活塞頂面測點

圖8 活塞側(cè)面測點

（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 活塞表面各測點溫度

5 結(jié)束語

增加冷卻油腔只是改善天然氣發(fā)動機活塞熱負荷的措施之一，還可以通過增加活塞頂面熱阻、優(yōu)化活塞燃燒室結(jié)構(gòu)等方式，模擬計算和試驗驗證相結(jié)合，尋求降低天然氣發(fā)動機活塞熱負荷的措施。

活塞熱負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)動機的運行環(huán)境以及使用狀況。正確使用和保養(yǎng)發(fā)動機，能夠確保正常點火，發(fā)動機得到良好的冷卻，中冷后的進氣溫度和冷卻液溫度控制在發(fā)動機允許范圍內(nèi)，這樣就可以防止發(fā)動機過熱，降低發(fā)動機活塞熱負荷，避免了發(fā)動機產(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)動機活塞開發(fā)[J]．內(nèi)燃機與動力裝置，2009（3）．

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

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

4周冬．柴油機改裝天然氣發(fā)動機的意義及技術(shù)措施[J]．山東內(nèi)燃機，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

來稿日期：2011-06-10

吳宇波（1982-），男，工程師，主要研究方向為天然氣發(fā)動機的設(shè)計與配套。