摘要：發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，由于燃料的燃燒以及運(yùn)動(dòng)零件間的摩擦產(chǎn)生大量的熱量，使零件強(qiáng)烈受熱，特別是直接與燃燒氣體接觸的零件溫度很高，如果沒有適當(dāng)?shù)睦鋮s，將不能保證發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作，冷卻系統(tǒng)的作用就是維持發(fā)動(dòng)機(jī)在最適宜的溫度下工作。水冷卻系統(tǒng)的主要部件有水泵、散熱水箱、風(fēng)扇、水溫調(diào)節(jié)裝置和水溫表等。隨著柴油機(jī)工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)柴油發(fā)電機(jī)供電的要求也越來越高，這就給發(fā)電機(jī)組制造商提出了更高的要求。整機(jī)的冷卻系一個(gè)根本的性能指標(biāo)，冷卻系統(tǒng)好壞直接影響到柴油發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。為此，用戶和使用人員了解柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求、工作原理及組成部分是至關(guān)重要的。
一、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
冷卻系統(tǒng)由散熱器、風(fēng)扇、膨脹箱等部件組成。其功能是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，保證發(fā)動(dòng)機(jī)能始終處于最適宜的溫度狀態(tài)下工作，以獲得較高的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性。
1、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
（1）冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)保證：使用冷卻水作冷卻液和0.5bar以下的壓力蓋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的溫度允許到100℃;使用冷卻水作冷卻液和0.7-0.9bar壓力蓋，在不連續(xù)工況運(yùn)行下，最高水溫允許到110℃。
（2）如果使用長(zhǎng)效防凍防銹液作冷卻液和0.5bar以下的壓力蓋時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出水口的溫度允許到105℃;使用長(zhǎng)效防凍防銹液作冷卻液和0.7-0.9bar壓力蓋，在不連續(xù)工況運(yùn)行下，最高水溫允許到115℃。
（3）冷卻液的膨脹容積應(yīng)大于等于整個(gè)系統(tǒng)冷卻液容量的6%。
（4）冷卻系統(tǒng)必須用不低于19 L/min的速度加注冷卻液，直至達(dá)到應(yīng)有的冷卻液平面，以保證所有工作條件下氣缸體水套內(nèi)冷卻液能保持正常的壓力。
2、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是通過傳統(tǒng)的熱平衡計(jì)算方法，并輔以相應(yīng)的CFD軟件進(jìn)行冷卻系統(tǒng)內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算分析，最終以發(fā)電機(jī)組高溫試驗(yàn)結(jié)果對(duì)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足使用要求進(jìn)行確認(rèn)。以康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)為例（結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示），具體各主要部件的設(shè)計(jì)過程如下。
（1）散熱器是冷卻系統(tǒng)中的重要部件，其主要作用是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以保證發(fā)動(dòng)機(jī)能始終處于最適宜的溫度狀態(tài)下工作，以獲得最高的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。
（2）散熱器和風(fēng)扇組合匹配效率是當(dāng)散熱器芯子未被氣流掃過的面積最小時(shí)為最高，因此，最好采用接近正方形的散熱器芯子。
（3）散熱器的總散熱面積、芯子的迎風(fēng)面積、結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)尺寸要通過發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)所需最大散熱量來計(jì)算確定，并應(yīng)通過試驗(yàn)評(píng)價(jià)來最終確定。理論計(jì)算一般是根據(jù)有關(guān)計(jì)算公式及所配發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)，如功率，油耗等，確定水冷散熱器的總散熱面積。根據(jù)散熱器面積計(jì)算公式選取散熱器芯厚尺寸。
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圖1 柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)組成圖 |
圖2 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻液流向圖 |
3、散熱器及風(fēng)扇計(jì)算過程
（1）冷卻系統(tǒng)散走的熱量Qw的計(jì)算公式
Qw=AgePehn/3600(kJ/s)....................（式1）
式中：A——傳給冷卻系統(tǒng)的熱量占燃料熱能的百分比，
Ge——發(fā)動(dòng)機(jī)燃料消耗率（g/kw·h）；
Pe——發(fā)動(dòng)機(jī)功率（kw）；
hn——燃料低熱值（kJ/kg）。
（2）冷卻水的循環(huán)量Vw的計(jì)算公式
Vw=Qw/（tw1-tw2）γwcw(m3/s)....................（式2）
式中：tw1——發(fā)動(dòng)機(jī)出水口溫度（一般為85℃~95℃)
tw2——發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)水口溫度（一般為75℃~85℃)
γw——水的比重，可近似取1000kg/m3；
cw——水的比熱，可近似取4.187kJ/kg·℃
（3）冷卻空氣需要量Va的計(jì)算公式
Va=Qw/△taγacp(m3/s)....................（式3）
式中△ta——空氣進(jìn)入散熱器以前與通過散熱器以后的溫度差，通常為20~30℃;
Ya——空氣的重量，一般取值1.05kg/m3；
Cp——空氣定壓比熱，可取值1.047kJ/kg·℃。
（4）散熱器的散熱面積計(jì)算公式
額定工況所需散熱面積：
F1=βQw1/(Kr1*△t）
最大扭矩工況所需散熱面積
F2=βQw2/(Kr2*△t)
式中：β——散熱面積儲(chǔ)備系數(shù)（一般取1.1~1.15）
Kr1——散熱器在額定工況下的傳熱系數(shù)；
Kr2——散熱器在最大扭矩工況下的傳熱系數(shù)；
△t——散熱器冷卻水和冷卻空氣的平均溫差。
其中：△t=tw-ta
tw=（tw1+tw2）/2
ta=ta1+△ta/2
式中：tw-冷卻水的平均溫度
ta-冷卻空氣的平均溫度
ta1–散熱器冷卻空氣的進(jìn)口溫度（一般為40℃)
（5）風(fēng)扇風(fēng)量
Vf=1.2 Va(m3/s)....................（式4）
（6）風(fēng)扇外徑D的計(jì)算
D=（0.79~0.93）·（Fr）0.5（m）....................（式5）
（7）冷卻能力評(píng)價(jià)
TC=Tmax－(tw1-Te)
推薦標(biāo)準(zhǔn)：TC=36℃-54℃
式中，TC——極限使用環(huán)境溫度
Tmax——為最高允許出水溫度
tw1——為發(fā)動(dòng)機(jī)的出水口溫度
Te——為環(huán)境溫度。
散熱器進(jìn)風(fēng)口的實(shí)際面積不得小于散熱器芯子迎風(fēng)面積的80%，以防止散熱能力下降。
二、冷卻系統(tǒng)工作過程
康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)采用外接散熱器式冷卻系統(tǒng)。冷卻液泵由外接的散熱器通過節(jié)溫器將低溫水吸入，冷卻液首先經(jīng)機(jī)油散熱器進(jìn)入汽缸體內(nèi)水套冷卻汽缸套，再由水道進(jìn)入冷卻汽缸蓋的水套中，最后回到散熱器。
1、冷卻液小循環(huán)
冷發(fā)動(dòng)機(jī)在熱起前，水溫低于83℃時(shí)，主閥門關(guān)閉，旁通閥門開放，冷卻水只能經(jīng)旁通管直接流回水泵進(jìn)水口，又被水泵壓入水套。此時(shí)水不流經(jīng)散熱器，只在水套和水泵間小范圍循環(huán)。此時(shí)，冷卻強(qiáng)度小、促使水溫迅速上升，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)各部位均勻迅速地?zé)崞鸹虮苊獍l(fā)動(dòng)機(jī)過冷。由于冷卻水的流動(dòng)路線短、流量小，故稱小循環(huán)，如圖3所示，即節(jié)溫器→水泵→機(jī)油散熱器→水套一節(jié)溫器。
2、冷卻液大循環(huán)
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)水溫升高達(dá)95℃時(shí)，主閥門全開，旁通閥全關(guān)閉，冷卻水全部流進(jìn)散熱器。此時(shí)，冷卻強(qiáng)度增大，促使水溫下降或不致過高。由于這時(shí)的冷卻水流動(dòng)路線長(zhǎng)、流量大，故稱大循環(huán)，如圖4所示，即節(jié)溫器→水泵→機(jī)油散熱器→水套一散熱器一節(jié)溫器。
3、冷卻液的混合循環(huán)
當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)冷卻水處于上述兩種溫度之間時(shí)，主閥門和旁通閥均部分開放，故冷卻水的大小循環(huán)同時(shí)存在。此時(shí)冷卻水的循環(huán)稱為混合循環(huán)。
其中，4B\6C系列康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)均為無汽缸套水冷發(fā)動(dòng)機(jī)。冷卻液為傳熱介質(zhì)，再傳給空氣，也就是以少量的水進(jìn)行不斷循環(huán)的力法，在發(fā)動(dòng)機(jī)水套中吸收多余熱量，再流到散熱器中散去熱量。由于水套進(jìn)出口的溫差較小，汽缸下部不致過冷，且水冷的冷卻強(qiáng)度大小容易調(diào)節(jié)，能保持發(fā)動(dòng)機(jī)的正常溫度。并能用熱水預(yù)熱發(fā)動(dòng)機(jī)，便于冬季啟動(dòng)。
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圖3 冷卻液小循環(huán)示意圖 |
圖4 冷卻系統(tǒng)大循環(huán)示意圖 |
三、發(fā)動(dòng)機(jī)過冷或過熱的危害
1、發(fā)動(dòng)機(jī)過熱的危害
① 充氣效率降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。
② 早燃和爆燃的傾向加大，破壞了發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作、同時(shí)也促使零件承受額外的沖擊載荷而造成早期損壞。
③ 運(yùn)動(dòng)件間的正常間隙被破壞，使零件不能正常運(yùn)動(dòng)，甚至損壞。
④ 金屬材料的力學(xué)性能降低，造成零件的變形及損壞。
⑤ 潤(rùn)滑情況惡化，加劇了零件的摩擦和磨損。發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻，如果單純依靠零件本身對(duì)外散熱是不夠的，必須對(duì)某些零件特別是與高溫氣體直接接觸的零件進(jìn)行必要的強(qiáng)制冷卻，才能保證發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。但是，過分的冷卻也會(huì)引起不良后果。
2、發(fā)動(dòng)機(jī)過冷的危害
① 進(jìn)入汽缸的可燃混合氣(或空氣)溫度太低，使點(diǎn)燃困難或燃燒遲緩，造成發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降以及燃料消耗量增加。
② 潤(rùn)滑油的黏度增大，造成潤(rùn)滑不良，加劇了零件的磨損，同時(shí)增大了功率消耗。
③ 燃燒后的生成物中的水蒸氣易冷凝成水與酸性氣體形成酸類，加重了對(duì)零件特別是汽缸壁的侵蝕作用。
④ 因溫度過低而未汽化的燃料對(duì)摩擦表面(汽缸壁、活塞、活塞環(huán)等)上油膜的沖刷以及對(duì)潤(rùn)滑油的稀釋，加重了對(duì)零件的磨損。
總結(jié)：
柴油機(jī)工作溫度過高或過低都會(huì)降低它的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。冷卻系統(tǒng)的作用是保持柴油機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，以獲得良好的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和耐久性。為了提高散熱的散熱效果，其進(jìn)、出水管口內(nèi)徑尺寸應(yīng)與發(fā)動(dòng)機(jī)出、進(jìn)水管口尺寸一致，另外還應(yīng)保證進(jìn)出水口在上下位置盡量錯(cuò)開，處于對(duì)角線上最好，不要在同一側(cè)。
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