240275系列天然气发动机活塞的研制

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1娠天然气发动机的优点是燃烧非常完全，排出的废气非常清洁，能满足很严格的排放法规要求，对环境大有裨益。而且我国天然气资源丰富，价格低廉，使用它可获得较高的经济效益。因此天然气发动机是一种有发展前途的代用燃料发动机。

胜利石油管理局动力机械厂是我国天然气发动机的主要生产厂，主要生产缸径为190mm的4、6、12缸天然气发动机。为了适应市场的需要，该厂以12v240/275zj型柴油机为基础，开发了缸240/75型大功率天然气发动机。该发动机采用点燃式稀气燃烧，大部分零部件与原柴油机通用，不通用的零部件主要有：燃气供给系统、点火系统、活塞和气缸盖等。

大连机车研究所是240/75系列柴油机钢顶铝裙组合活塞的设计、研制和，有着丰富的设计、制造经验。受胜利石油管理局动力机械厂委托，我们设计制造了240/75系列天然气发动机活塞。

柴油机用的钢顶铝裙组合活塞燃烧室形状为浅《形，压缩比高，而且气流组织也是专为喷雾燃烧工程师。

优化设计的，因此不适合点燃式燃烧的天然气发动机，须重新为天然气发动机设计活塞。

天然气发动机活塞的主要研究内容是：燃烧室形状的选择和设计、发动机几何压缩比计算、活塞的结构强度设计和活塞的冷却能力校核。

2活塞的设计计算2.1活塞燃烧室的选择和设计240/75系列柴油机使用的钢顶铝裙组合活塞燃烧室形状为浅⑴形，活塞顶为薄壁结构，压缩比为125：1，不能直接用于天然气发动机。天然气发动机活塞燃烧室的形状有许多种，如盆形、碗形等，视用户要求而定。

调研表明，大功率天然气发动机活塞燃烧室多用盆形。根据发动机厂的经验，我们设计的活塞采用盆形燃烧室，活塞顶形状如所示。

2.2几何压缩比的计算根据用户生产190系列天然气发动机的经验，双方协商确定：：1的要求，压缩余隙与原柴油机相比应适当加大。

⑵活塞的冷却油腔设计应考虑到可满足将几何压缩比由10：1改为94的要求。几何压缩比=单缸排量/余隙容积，240275系列发动机单缸排量为：在发动机中，当活塞处于上死点时，活塞顶面到气缸盖火力面的距离习惯上称为压铅值。

按几何压缩比定义计算结果如表1所列。

表1几何压缩比的计算结果压铅值（mm）几何压缩比2.3校核活塞的结构强度与240/275系列柴油机钢顶铝裙组合活塞相比，天然气活塞主要是在燃烧室形状和结构上进行了改变。在设计天然气发动机活塞时，对该活塞设计方案进行了机械强度校核，并与240/75系列柴油机钢顶铝裙活塞计算结果进行对比来确定该活塞结构强度的可靠性。

由于活塞顶结构呈对称结构，同时所提供的载荷等边界条件也对称，所以计算中取活塞顶的1/4部分建立活塞顶的有限元模型，采用四面体等参数单元进行网格划分。这样既可以减小模型及节点单元规模，又有足够的精度，节省计算时间，同时还能完全反映整个活塞顶的特点。

（几何压缩比为104的天然气活塞）、方案2（几何压缩比为94的天然气活塞）以及240/75系列柴油机钢顶铝裙组合活塞。

边界条件：①机械负荷，爆发压力以及压力分布根据实测结果和以往计算经验给出，最大爆发压力取15mpa；②位移约束，在活塞顶模型纵轴和销轴对称的两剖面上施加对称约束，在活塞顶、裙内接触面区域施加全约束。

由于爆发压力的直接作用，3种方案中活塞顶大部分区域承受压应力，活塞顶在轴向以及径向上也发生了形变。

由于3种方案的形状以及尺寸有所不同，方案1、2之间因几何压缩比不同而在活塞顶燃烧室的薄壁结构上存在尺寸的差异。方案1中薄壁结构尺寸为8mm；而方案2中薄壁结构尺寸为6mm.柴油机钢顶铝裙组合活塞燃烧室形状为浅《形，因此3种方案的形变以及应力分布位置也有所不同。3种方案在内支撑面两侧的圆弧处、燃烧室中央顶部及第1道环槽上侧环岸处同样承受较大的压应力。位于活塞顶外冷却腔靠近火力岸一侧的部位承受较大的拉应力。各方案最大应力值、最大变形量、第1道环槽变窄量见表2.表2活塞顶特征点计算结果方案最大应力值（mpa）最大变形量第1道环槽变窄量（mm）方案1方案2柴油机组合活塞计算表明，活塞顶最大应力值对于42cmo合金钢来说并不高，而且在15mpa的爆发压力下，天然气活塞顶最大应力远低于240/75系列柴油机钢顶铝裙组合活塞。同时机械负荷下各活塞顶产生变形相近。考虑到天然气发动机最大爆发压力远低于柴油机，因此本活塞的机械结构强度完全能满足天然气发动机的使用要求。

2.4活塞冷却能力的校核钢顶铝裙组合活塞采用振荡冷却方式。所谓振荡冷却，就是冷却机油部分地充满冷却腔，活塞往复运动时，机油在冷却腔内产生强烈的振荡，有效地带走活塞热量的一种冷却方式。在国外，振荡冷却方式已被广泛应用在大功率柴油机的钢顶铝裙组合活塞上。钢顶铝裙组合活塞的活塞顶和活塞裙构成冷却腔，冷却机油从活塞销孔经活塞裙的两个进油孔进入活塞的外环形冷却腔，再经过活塞顶上回油孔进入中央冷却腔，由活塞裙上的回油孔流出回到曲轴箱。

/275系列天然气发动机活塞（）为盆形燃烧室，我们国产化的nd4型机车柴油机活塞为碗形燃烧室（）后者的热负荷显然比前者高得多，特别是碗口部位。nd4型机车国产化柴油机活塞替代了进口活塞，完全满足了nd4型机车的使用。

我们生产的240/275系列柴油机活塞（）具有高效振荡冷却结构，活塞的冷却效果达到国外先进水平。240/275系列天然气发动机活塞虽然燃烧室发生了改变，但冷却腔的布置和尺寸并没有发生太大的改变。

根据以往的大量试验结果和经验，我们设计的240/75系列天然气发动机活塞的冷却完全能够满足使用要求。

3实际运用效果经过3个多月的紧张工作，我们完成了计算分析、图纸设计、生产技术准备和样机试制。2000年8月20日，首台份压缩比为10：1的12组240/275系列天然气发动机活塞发往用户使用。

本活塞装在1000gf-t型燃气发电机组t12v240zld型燃气发动机上，近一年的运用考核表明，活塞完全可靠、运用情况良好，满足了设计要求和使用要求，用户很满意。

该燃气发电机组经过近一年的运用考核，运用情况良好，其主要技术性能指标、可靠性、经济性均达到或优于设计要求，处于国内领先水平，填补了国内大功率燃气发动机的空白。

中石化和胜利石油管理局组织的评审，开始小批量生产。2001年10月底，我们开始小批量生产240 275系列天然气发动机活塞。

4结语我们研制的240/75系列天然气发动机活塞经一年多的运用考核表明，该活塞完全可靠、运用情况良好，达到了设计要求，满足了用户使用。活塞的设计是成功的，应当予以推广。

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