双作用发动机气缸-活塞组的热状态及润滑油散热优化

在曲柄-等距固接双连杆机构发动机OM-127PH和M-127K中，使用了闭合回路的润滑油强制循环冷却活塞的润滑系统。这可以使双作用活塞在相对较短的时间达到正常的热状态，并确保其在所有工况下长期可靠地运行，同时将传递到冷却油的热量最小化。

人们在以下3个方面解决了活塞的热状态和减少从活塞传递到润滑油的热量问题：

（1）活塞内润滑油循环系统具有变化的流动速度，在特定区域具有变化热传递系数，确保活塞最热部位有最大的传热路径面积，并使整个活塞表面温度均衡。

（2）选择更耐用、对活塞导热性更小的导热材料，以减少活塞对外传热。

（3）减少从活塞到冷却润滑油的热传递。

根据调试试验，对于活塞内部冷却油循环系统，设计了冷却活塞的结构（图121）。使用成型隔板结构，减少了活塞内充入的润滑油自由容积，组织润滑油在活塞内以一定的方向流动，并在特殊的部位以不同的速度流动，在活塞内消除滞流区域，避免局部过热及活塞内壁的积炭。

为了测试研究从活塞传到冷却油的热量，加工了一个专门的装置，在活塞连接杆上安装了直接喷油的喷嘴，冷却油通过喷嘴喷出冷却完活塞以后，单独流出。试验在单缸发动机MB-1-03-OM和127PH发动机上进行，通过活塞的润滑油在宽流量范围内试验。

图129　用于调试活塞传到冷却油热量的冷却油路

1—活塞连接杆；2—喷嘴

光滑的活塞连接杆有两个油封，两个油封间的距离约为活塞行程的1.1倍，控油装置处于两个油封之间，如图129所示。该装置可以使通过活塞的冷却油的泄漏最小化，并且通过更换不同横截面的喷嘴，可容易地控制通过活塞的冷却油流量。

当调试冷却油系统时，测量通过某一个活塞以及整个发动机的冷却油。按重量或体积两种方式测量通过每个测试活塞的冷却油流量。

在活塞的入口和出口处测量冷却油的温度，活塞的热状况取决于流过活塞冷却液的流量，通过易熔金属的熔化温度（易熔金属插件的熔化温度为345℃、363℃、380℃和419℃）来测量。

当试验从活塞传到冷却油的传热量时，在发动机每运行0.5 h后，将一个油样取出，检查积炭情况，并监测爆震。用不同的过量空气系数a调试发动机的经济性，参数如下所示。

（1）压缩比：

上燃烧室：6.58；

下燃烧室：6.64。

（2）配气相位见表14。

表14　配气相位　（°）

（3）喷油开始的角度为相应的进气过程上死点后50°～55°。

（4）在上部燃烧室中安装ФБ-127（5B）型喷射器，在下部燃烧室中安装ФБ-127（ЗH）型喷射器。

（5）点火提前角为30°。

（6）在每个燃烧室中有两个AC-132火花塞，这两个火花塞沿着图130所示的对角线设置。

（7）润滑和冷却活塞的润滑油型号为MC。

（8）发动机运转时，油、水参数保持见表15且不变。

表15　油、水参数

续表

调节燃烧室入口和出口之间的冷却水压力差，使下部燃烧室冷却水压力大于上部燃烧室的30%～40%。

在减少从活塞传到冷却油的热量试验过程中，喷嘴孔的直径在2.15～0.6 mm范围内变化，控制从活塞喷出的冷却油量。

当使用孔径为2.15～1.5 mm的喷嘴在标定工况下试验过量空气系数的特性时，所有测温塞块保持完好，没有熔化。后续用更加易熔的测温塞块测试，如图130所示。

图130　易熔金属测温塞块在活塞上方底部的布置位置(www.xing528.com)

（a）OMБШ-30-07-30铝制活塞；（b）№3-426钢制活塞
I—火花塞布置平面；II—塞块布置平面（运行工况：0.76额定功率，n=2 350 r/min）
1—345℃；2—363℃；3—419℃

图131所示为减少从活塞传递到冷却油热量的测试结果，减小通过活塞的冷却油流量，得到传热量从0.816 kcal/（kW·min）到0.143 kcal/（kW·min）的结果。

图131　OM-127PH发动机通过活塞的冷却油流量Q与活塞传到机油的热量变化曲线和机油出口的温度曲线（在工况升功率为Nn=88.2 kW/L，进油压力Pin=14 kg/cm2，进油温度Tin=50℃，出水温度Twout=75℃，tn为活塞温度）

OM-127PH发动机活塞热状态通过调节气缸的热状态和传到水的热量（图132）进行调试，同时，减少润滑油从摩擦零件传来的热量。

图132　OM-127PH发动机在0.75倍标定功率时冷却水传热率随入口处水温的变化曲线

通过一年的调试工作，活塞和发动机轴承传到润滑油的总热量从0.521 kcal/kW降低到0.449 kcal/kW。

对气缸-活塞组接下来的调试工作是通过减少活塞环的数量，减少功率损耗及活塞环的摩擦，并且相应减少活塞和气缸的高度。

测试中活塞环的数量从10个减少到6个，在顶部和底部分成两组。测试是在一个燃烧室运行的情况下进行的。活塞带有不同的活塞环数量，其工作根据以下参数评估：

（1）冷转（不加油、电动机拖动、发动机空转）时的缸内空气的压缩压力值；

（2）强化功率；

（3）最大爆发压力的大小；

（4）怠速时从工作燃烧室排出的废气量；

（5）通过非工作燃烧室活塞环进入的油量；

（6）从活塞传到冷却油的传热量；

（7）活塞底部温度和安装活塞环部位的活塞内表面温度。

图133所示为易熔金属测温塞块的布置。活塞内表面上，测温塞块每隔120°成对地布置于活塞裙下底部的两个圈上，熔点分别为182℃和228℃。一条测温带的每对测温塞块相对于另一条的每对测温塞块偏移60°。

图133　在使用不同数量的活塞环测试中易熔金属测温塞块在活塞上的布置

（a）上、下活塞底部外侧；（b）螺帽；（c）下活塞底部内部
1—t=312℃；2—t=274℃；3—t=380℃；3—t=419℃

测试发现，当活塞环数量从10个降为6个时，发动机和活塞的性能没有降低。

测试结束后，活塞上有10个和6个活塞环的零部件状态是相同的。

对气缸双作用曲柄-等距固接双连杆机构发动机OM-127PH和M-127K，上、下活塞有3个活塞环就足够了。