发动机活塞冷却技术及应用.doc

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
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
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。
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。
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IVECO2.5冷却油道大批量南维柯江滨IVECO2.8冷却油道小批量南维柯江滨CA6113冷却油道大批量锡柴江滨CA6110冷却油道试制锡柴江滨CA489冷却油道试制锡柴江滨YC6112冷却油道试制玉柴江滨F4/6L913冷却油道大批量北内江滨BFL413F冷却油道大批量615厂江滨军品机TBD234冷却油道中批量407厂江滨TBD604B冷却油道小批量河柴江滨军品机BFL513冷却油道小批量5460厂江滨RHZ105冷却油道试制洛拖江滨WR703冷却油道小批量616厂江滨军品机康明斯B冷却油道试制东风柴发江滨M11冷却油道试制重发江滨铰接式活塞FCF396冷却油道及油腔小批量616厂江滨船用汽车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，