提高天然气发动机活塞冷却能力的研究

（同济大学，上海200092）

提高天然气发动机活塞冷却能力的研究

吴宇波
（同济大学，上海200092）

作为天然气发动机的核心零部件之一，活塞的可靠性决定了发动机的使用寿命。针对某天然气发动机出现的活塞熔顶问题，改进活塞设计，采用冷却油腔，并测量了活塞表面温度场。结果表明，采用冷却油腔后活塞顶面温度下降最大达到近48℃，明显降低了活塞的热负荷，活塞的可靠性和寿命显著提高。

活塞热负荷冷却油腔温度场

1 引言

当今世界的经济发展是以能源为依托，经济发展对能源的需求也日益增加，世界各国政府在寻找新的能源替代传统的石油燃料。随着世界天然气储藏量开发的逐步提高，天然气越来越吸引人们的目光。目前，全世界已探明的天然气储量为155万亿立方米，可用60年以上，甚至有世界能源专家预测，地球上的天然气可用200年以上。天然气现已成为继石油、煤炭之后的第三大能源，占到世界能源消耗量的23%[1]。以天然气为燃料的汽车，与传统的汽油车相比，汽车尾气排放有较大改善，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；与柴油车相比，没有碳烟和颗粒排放，能够彻底解决城市公交车冒黑烟问题[2]。能源紧缺以及对环境保护的日益重视，使得以天然气为燃料的发动机在汽车领域得到迅速的发展。活塞作为内燃机最主要的受热零部件，长期工作在恶劣的环境下，承受着周期性的热负荷和机械负荷的冲击。活塞的工作状态直接决定了发动机的使用寿命[3]。本文根据天然气发动机活塞熔顶这一主要失效模式，从分析活塞热负荷角度出发，提出提高活塞冷却能力的解决方案。

2 天然气发动机活塞失效模式

目前，国内的天然气发动机活塞基本是在柴油机活塞的基础上重新设计燃烧室，由于天然气与柴油的燃料特性差异，压缩比由柴油机活塞的16∶1～18∶1调整为天然气发动机活塞的10∶1～12∶1。由表1可以看出，天然气的热值高于柴油，天然气的火焰传播速度低于柴油[4]。由于天然气发动机是在柴油机（或汽油机）基础上开发的，发动机的配气相位基本不变，使得部分天然气在气缸内没有燃烧而进入到排气道内燃烧。与柴油机活塞相比较，天然气发动机活塞工作时受到的机械强度低于柴油机活塞，但天然气发动机的排温高于柴油机，天然气发动机活塞承受的热负荷也高于柴油机活塞。随着天然气发动机市场使用量的日益增加，天然气发动机活塞暴露出的故障也不断出现。在发动机正常运行时，活塞顶面温度还不是太高（＜360℃）；如果发动机较长时间在大负荷运转或频繁启动时，则会造成活塞顶部温度急剧上升，使活塞顶部变“软”，在燃烧冲击波的作用下一点点剥落[1]。反映出的问题主要体现为活塞拉缸、活塞顶部变形，甚至活塞熔顶，参见图1～图3。

图1 活塞拉缸

图2 活塞顶部变形

图3 活塞熔顶

3 活塞失效原因分析

活塞顶面接受的热量，主要靠活塞环与缸壁接触、依靠发动机的冷却液对流换热带走（热量从活塞传递到活塞环，再从活塞环传递到气缸套），活塞裙部与缸壁接触（二者间隙之间有油膜）、依靠发动机的冷却液对流换热带走，以及喷机油、依靠机油对流换热带走。

图4 活塞传热示意图

发动机运转时，活塞要比气缸套达到更高的温度。通常，天然气发动机活塞材料采用共晶硅铝合金，而气缸套材料为合金铸铁，活塞的热膨胀系数大约是气缸套的2倍，活塞的热膨胀变化要远远大于缸套。当外界因素造成活塞原热平衡被打破、新热平衡重新建立时，活塞内部残留的热量可能会增加，造成活塞的热负荷增加，包括活塞温度升高、活塞热应力增加、活塞热变形加大，引起活塞与气缸套的间隙减小、活塞头部变形，造成活塞拉缸、活塞顶部变形、甚至活塞熔顶。活塞内部残留热量的增加，是造成活塞拉缸、活塞顶部变形、甚至活塞熔顶的最终原因。

4 解决途径

降低活塞的热负荷，就是要减少活塞内部残留的热量，可以从3个方面去考虑：

（1）减少燃气传递给活塞的热量。目前，国内天然气发动机的活塞顶部表面都没有生成氧化膜，也没有对活塞顶部做硬膜阳极氧化处理（这样可以增加活塞顶部热阻，减少活塞头部的吸热量）。对于增压中冷发动机，减少燃气传递给活塞的热量主要是通过降低中冷后空气温度来实现。对于点火异常的发动机，爆震、早燃会在瞬间增加燃气传递给活塞的热量，必须避免发动机发生爆震、早燃现象。

（2）增加发动机冷却液带走的热量。考虑到发动机气缸套、活塞环的可靠性，发动机冷却液对气缸壁的表面换热系数基本不变，只能通过增加气缸壁与发动机冷却液的温差，即降低发动机冷却液的温度（由于发动机功率不变，气缸壁的温度也基本不变）。

（3）增加发动机机油带走的热量。活塞表面的温度和机油温度在实际中很难改变，故主要采取的措施是增加机油对活塞的表面换热系数，加强机油对活塞的冷却，从而带走活塞更多的热量。

因此，主要有2种方法可以降低活塞的热负荷：（1）加强发动机的冷却系统，避免发动机冷却液温度过高，以及防止中冷后空气温度过高（对于增压中冷发动机）；（2）增加机油对活塞的表面换热系数，加强活塞冷却。

车辆的散热器、中冷器采用的冷却介质均为空气。随着车辆使用，车辆的散热器、中冷器表面会出现散热片损坏，散热片附着泥土、树叶，冷却介质流通阻力增大、换热能力下降。车辆的散热器和中冷器的冷却性能将会下降，发动机的冷却系统性能会减弱，从而造成冷却液温度和中冷后空气温度增高，尤其是在炎热季节更为明显。并且，发动机普遍使用调温器，发动机冷却液的温度至少会控制在调温器的开启温度以上。通过提高气缸壁与发动机冷却液的温差来增加发动机冷却液带走的热量，达到降低活塞热负荷的目的，其作用有限。因此，第2个方法更值得考虑。

增加机油对活塞的表面换热系数，最常用的方法是在活塞内部设计冷却油腔，利用发动机主油道机油（主油道机油压力可达到450 kPa）向活塞冷却油腔喷油，机油在活塞油腔内振荡，强制冷却活塞内部，并带走活塞热量，从而实现活塞的强化冷却。

图5为有冷却油腔的活塞示意图，其中，对在柴油机基础上开发的天然气发动机而言，冷却油道与活塞燃烧室之间的最小厚度A应大于7 mm，以保证燃烧室有足够的强度。图6为机油冷却喷油嘴示意图，其中喷油嘴内径d应不小于Φ2.2 mm，同时要满足在机油压力450 kPa时机油喷射量不低于5 L/min。

图5 冷却油腔的活塞示意图

图6 机油冷却喷油嘴示意图

为了验证冷却油腔对天然气发动机活塞的实际冷却效果，特意为SC8DT250Q3型天然气发动机设计了两款活塞，一款没有冷却油腔，另一款有冷却油腔。在相同条件下，采用硬度塞测量法,完成活塞表面温度对比测量。活塞表面测点如图7、图8所示，试验结果如图9所示。

试验结果表明：

（1）天然气发动机活塞表面最高温度出现在活塞顶面。使用冷却油腔后，强化了活塞的冷却，活塞顶面最高温度从313.4℃降为265.5℃，降幅达47.9℃。冷却油腔对于降低活塞热负荷的效果很明显。对于天然气发动机，采用有冷却油腔的活塞，是十分必要的。

（2）通常，发动机活塞的第1道环槽最接近活塞顶面，温度最高，如果第1道环槽的温度超过240℃，机油会在此胶结，易造成活塞环卡滞、折断[4]。未使用冷却油腔的活塞，其顶岸最高温度为272.8℃；使用冷却油腔的活塞，其顶岸最高温度为243.7℃。

图7 活塞顶面测点

图8 活塞侧面测点

（3）冷却油腔的使用，有效提高了活塞顶部和第一道环槽的工作可靠性。

图9 活塞表面各测点温度

5 结束语

增加冷却油腔只是改善天然气发动机活塞热负荷的措施之一，还可以通过增加活塞顶面热阻、优化活塞燃烧室结构等方式，模拟计算和试验验证相结合，寻求降低天然气发动机活塞热负荷的措施。

活塞热负荷最终是否能得到降低，不但取决于活塞本身结构和车辆的冷却系统，还取决于发动机的运行环境以及使用状况。正确使用和保养发动机，能够确保正常点火，发动机得到良好的冷却，中冷后的进气温度和冷却液温度控制在发动机允许范围内，这样就可以防止发动机过热，降低发动机活塞热负荷，避免了发动机产生活塞拉缸、活塞顶部变形、甚至活塞熔顶等故障的发生。

1吴义民，马殿军，李金辉．压缩天然气发动机活塞开发[J]．内燃机与动力装置，2009（3）．

2黄超鹏，李光辉，刘文龙．天然气发动机的研究[J]．船电技术，2010（4）．

3吕彩琴，苏铁熊．柴油机活塞的热及惯性力耦合研究[J]．柴油机设计与制造，2008（2）．

4周冬．柴油机改装天然气发动机的意义及技术措施[J]．山东内燃机，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

来稿日期：2011-06-10

吴宇波（1982-），男，工程师，主要研究方向为天然气发动机的设计与配套。