载重车用天然气活塞的开发

载重车用天然气活塞的开发 吴义民  马殿军  李金辉 （山东滨州渤海活塞股份有限公司.国家级企业技术中心; 山东.滨州 256602） 摘要：了过去一段时间内压缩天然气发动机活塞设计开发经验，通过对压缩天然气发动机的使用情况和特点分析了天然气发动机活塞设计需要注意的问以及相关故障分析，通过实例介绍了天然气发动机活塞设计开发过程。 本文所论述的是重型车用柴油机改造的天然气发动机活塞的开发 关键词：CNG  活塞  发动机 The Piston Development of CNG-Engine Wu Yimin    Ma Dianjun    Li Jinhui (Shandong Binzhou Bohai Piston Co.,Ltd. Product Development Technical Center, Shandong  Binzhou  256602) Abstract: Summarized the design experience of compression natural gas piston in the period of past time. Established the issues that should be attentive and the failure analysis for natural gas engine piston according to the using instance and characteristics. Introduced the design and development process of natural gas engine piston by causes. What this test dissertates is the development of natural gas engine piston which was reconstructed from the heavy diesel engine piston. Keyword: CNG  Piston  Engine 当今世界经济的发展是以能源保证为依托，随着经济发展对能源需求的日益扩大，石油作为当今的主要能源，最终将面临枯竭；另外，各国对生态环境保护要求的不断提高，也促使寻求一种新的更加清洁的能源替代传统的石油燃料。世界各地科研人员为此作了大量的研究工作,在代用燃料中，主要是纯氢、醚类、醇类、天然气等清洁燃料，综合考虑成本、安全、推广前景等因素，天然气同其他清洁能源相比，具有资源丰富、燃烧清洁、技术成熟、安全可靠、经济实用等优点，因此天然气必将是今后一段时期内最佳的代用燃料之一。 目前，全世界探明的天然气储量为155万亿m3，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%。国外研究发展天然气发动机已经有100年的历史，到目前为止，全世界共拥有天然气汽车400万辆以上，已成为与工业、民用、发电、商业并列的重要的天然气细分市场。 由于受到多方面因素的影响，我国在使用天然气方面起步较晚，天然气发动机的应用还处于初级阶段。基本上是在原型发动机的基础上改进产品，全新开发的适用于天然气的机型凤毛麟角。但是，随着国家对环保要求的不断提高，天然气发动机的研究已成为当前发动机技术的一个重要发展方向。我国天然气汽车发展迅猛，已从城市公交、出租汽车发展到重型卡车领域。 1、早期天然气发动机活塞及存在的问题 我国从上世纪50年代开始对常压天然气发动机进行研究，90年代后各大柴油机生产厂家纷纷研究开发压缩天然气发动机，早期设计开发的天然气发动机，一般是在原型柴油机的基础上改造而成，去掉原供油系统后增加供气、点火系统，另外为了保证发动机小压缩比的需求而在活塞顶部挖一较大的燃烧室，燃烧室的形式主要有缩口型、中凸敞口型、ω型、盆形中凸型等型式（见图1-1  1-2  1-3  1-4）。因为这些结构都是在原柴油机活塞基础上改进而成，所以早期的天然气发动机活塞存在以下缺陷： A 活塞顶部较薄； B 活塞第一环槽的位置在燃烧室中部； C、有的活塞没有振荡冷却油腔。 1-2中凸敞口型燃烧室 1-1缩口形燃烧室 这样一来造成活塞整体热负荷较高，特别是活塞第一环槽和顶面。 1-4 盆形中凸燃烧室 1-3 ω型燃烧室 由于当时受天然气输送条件的限制，天然气发动机进行台架试验困难较大，尤其是进行耐久、热冲击等可靠性考核。所以这些活塞装机使用后陆续出现一些问题，最终没有形成批量生产。反映出来的问题主要是活塞顶烧蚀、活塞环卡滞、机油耗高等问题。 虽然这些问题并不能说明是活塞质量问题，但从另一个侧面也反映出当时活塞设计时没有充分的考虑到天然气发动机的工作特点。 a、缩口形燃烧室 图2是活塞顶面烧蚀的图片，剥落的铝屑沾满了燃烧室、气缸盖、火花塞，在进气道、排气管内也有熔化的铝屑。究其原因，是因为以下因素造成的。 A、天然气发动机的热负荷相对柴油机高； B、天然气发动机活塞顶部的大燃烧室结构使活塞顶部成为“薄壁”圆筒件，吸热面积增大而传热能力下降； C、活塞第一环槽的环座阻止了热量向下传递； D、没有采取有效的强制冷却结构-振荡冷却油腔；                                                图2 活塞顶面烧蚀 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 顶面温度急剧上升，使活塞顶面铝基体变“软”，在燃烧冲击波的作用下一点点剥落，最终形成图2所示的烧蚀现象。 2、活塞设计实例 进行天然气发动机活塞设计必须要了解天然气以及天然气发动机的特点，特别是天然气发动机与柴油机的区别：燃料的混合、点火方式、燃烧模式、燃烧特性、相关的配置技术等。 图3 开发的新活塞图 天然气是以CH4为主的清洁能源，具有良好的抗爆性能（柴油、汽油和天然气的性能比较见表一），是最为成熟的石油代用能源之一。目前我国开发的天然气发动机一般采用电控混合进气、稀薄燃烧方式，将天然气喷入进气歧管形成过量空气系数约为1.5的稀薄混合气，混合气进入气缸后在压缩行程上止点前被高能火花塞 点燃，形成类似汽油机的分层燃烧。由于燃烧时间长，使得排气温度较高，从而造成天然气发动机的整体热负荷较高。天然气发动机的发展离不开新技术的支持，随着缸内电控高压喷射、可变配气相位、进气增压、稀薄燃烧、催化、新材料等技术的成熟，天然气发动机将得到长足的发展。 表一                      柴油、汽油和天然气对比 燃料 分子式 沸点 理论空气量 低热值MJ/kJ 自然温度 研究法辛烷值 十六烷值 柴油 含C12-C23的THC 160～360 14.5 42.5 270   45～55 天然气 含C1-C3的THC，CH4为主 -161 17.4 49 640 120～130 <10 汽油 含C5-C12的THC 30～190 14.8 43.5 390～420 92 0～10                 本次开发的天然气发动机是在原柴油机基础上改造而成，连杆、缸套、活塞销不变，只改变了活塞和活塞环，下面介绍活塞设计几个重要方面： 2.1销孔设计 为保持与柴油机零部件的通用性，发动机采用原发动机的连杆；由于天然气发动机的最大爆发压力的降低，使活塞销孔比压也大幅降低，如将活塞销孔比压控制在50MPa左右，活塞可采用直销孔，而不必采用锥形结构。 2.2燃烧室设计 因为进气为混合气体,天气发动机对活塞燃烧室没有特殊的要求，采用盆形即可，设计遵循汽油机燃烧室原则-尽量等距离设计。燃烧室设计考虑的关键是结构强度和降低活塞热负荷，由于压缩比ε的降低（一般由17.5降为11），需要大幅增加燃烧室容积。设计燃烧室时，燃烧室口径不要太大，d/D一般不大于0.7,如果该比值过大将造成活塞外圆与燃烧室之间温度过高；燃烧室深度也不宜过大，因为受燃烧室容积的影响会使活塞内腔顶过薄，顶厚一般不小于0.12D。如果以上要求达不到，则采取减小压缩高度，增加余隙高度的，以满足发动机压缩比的要求。 2.3环槽的布置和设计： 2.3.1活塞第一环槽的位置最接近活塞顶面，温度最高，如果第一环槽的温度超过240℃，机油会在此胶结，将造成活塞环卡滞、折断等失效方式。天然气发动机活塞热负荷较高，为降低活塞第一环槽的热负荷，一般将第一环槽位置下移至与燃烧室底部平齐。第一环槽位置的下移导致第二环岸高度减小、强度降低，在保证使用强度的情况下，二、三环槽可以保持原位置，否则需将二、三环槽位置整体下移。 2.3.2 原活塞环座的侧面形状是斜面，环槽底到环座内径的距离大、环槽侧面厚度较大。现在的设计减小了环槽底到环座内径的距离和环槽侧面厚度，而且将环座侧面由斜面变为直面（图4），这设计的优点是：                                  现设计 原设计 A、降低了活塞环座的质量，也降低了活塞质量；    图4：活塞环座尺寸变化 B、降低了活塞原材料成本；              C、减小了热传导的阻碍，降低活塞顶面温度。 2.3.3 天然气发动机活塞油环结构形式与柴油机活塞油环结构形式不同，采用的是钢带环，活塞油环槽尺寸也相应的作了调整。 2.4机油回流的方式 图5 1000小时耐久活塞图片 前期开发的天然气发动机市场普遍反馈机油耗高，尤其是在山区使用的汽车天然气发动机，在下坡时车辆倒拖发动机，在燃烧室内形成负压，将机油吸入燃烧室，造成发动机机油消耗成倍增加；排气制动技术暂时还不能够在压缩天然气发动机上应用，为了降低发动机机油耗，除正确操作车辆（如避免低档位倒拖）、提高发动机气门导杆、增压器的密封性外，强化活塞环的刮油和机油顺利回流也是一个非常重要的措施，所以在设计活塞时，要求采取多种方式回油：外回油、内回油， 在活塞长轴设置盲孔等方式。 2.5、内冷油道的设计 活塞冷却油腔的设计也非常的重要（必要），尤其是对缸径较大，强化程度较高的发动机，其设计理念与柴油机类似，在满足强度要求的基础上尽量将油腔位置提高，保持一定的高度和表面积，不允许存在尖角和毛刺。由于铸造技术的提高，活塞冷却油腔与环座之间的距离最小可以减小到3.5mm左右，与环槽底面之间的距离不小于4mm；由于天然气发动机比柴油机的热负荷高，所以天然气发动机活塞承受的热负荷也高，通常情况下，活塞设计有冷却油腔。