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水冷柴油機(jī)的構(gòu)造與原理
發(fā)布時間:2023-02-12 15:01:32  ▏閱讀:

 

新聞主題

水冷柴油機(jī)的構(gòu)造與原理

 

摘要:實(shí)踐表明,柴油機(jī)經(jīng)常在冷卻水溫為40~50℃條件下使用時,其零件磨損要比正常溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)時大好幾倍。因此柴油機(jī)也不應(yīng)冷卻過度。柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)的作用是保證發(fā)動機(jī)在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作。對于水冷式柴油機(jī),缸壁水套中適宜的溫度為80~90℃,對于風(fēng)冷式柴油機(jī),缸壁適宜溫度為160~200℃。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同,柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)可分為水冷式和風(fēng)冷式兩種。本文中康明斯公司重點(diǎn)為你介紹水冷式柴油發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和基本特點(diǎn)。

 

一、冷卻系統(tǒng)的工作原理

 

      柴油機(jī)工作時,高溫燃?xì)饧澳Σ辽傻臒釙箽飧祝ㄉw)、活塞和氣門等零部件的溫度升高。如不采取適當(dāng)?shù)睦鋮s措施,將會使這些零件的溫度過高。受熱零件的機(jī)械強(qiáng)度和剛度會顯著降低,相互間的正常配合間隙會被破壞。潤滑油也會因溫度升高而變稀,失去應(yīng)有的潤滑作用,加劇零件的磨損和變形,嚴(yán)重時配合件可能會卡死或損壞。柴油機(jī)過熱,會導(dǎo)致充氣系數(shù)降低,燃燒不正常,功率下降,耗油量增加等。如柴油機(jī)溫度過低,則混合氣形成不良,造成工作粗暴、散熱損失大、功率下降、油耗增加、機(jī)油黏度大、零件磨損加劇等,導(dǎo)致柴油機(jī)使用壽命縮短。

      水冷卻方式是用水作為冷卻介質(zhì),將柴油機(jī)受熱零件的熱量傳遞出去。這種冷卻方式具有冷卻比較均勻、可使柴油機(jī)穩(wěn)定在最有利的水溫下工作、運(yùn)轉(zhuǎn)時噪聲小等優(yōu)點(diǎn),所以目前絕大多數(shù)柴油機(jī)采用的是水冷式冷卻系統(tǒng)。根據(jù)冷卻水在柴油機(jī)中進(jìn)行循環(huán)的方法不同,可分為自然循環(huán)冷卻和強(qiáng)制循環(huán)冷卻兩類。

1、自然循環(huán)冷卻系統(tǒng)

      自然循環(huán)冷卻是利用水的密度隨溫度變化的特性,以產(chǎn)生自然對流,使冷卻水在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,維護(hù)方便;缺點(diǎn)是水循環(huán)緩慢,冷卻不均勻,柴油機(jī)下部水溫低,上部水溫高,局部地方由于冷卻水循環(huán)強(qiáng)度不夠而可能產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。并且自然循環(huán)冷卻系統(tǒng)要求水箱容量較大,故只在小型柴油機(jī)上采用。自然循環(huán)冷卻可分為蒸發(fā)式、冷凝器式和熱流式三種。

2、 強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)

      強(qiáng)制循環(huán)冷卻是利用水泵使水在柴油機(jī)中循環(huán)流動。強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)可分為開式和閉式兩種。在開式強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)中,冷卻介質(zhì)直接與大氣相通,冷卻系統(tǒng)內(nèi)的蒸汽壓力總保持為外界大氣壓,其消耗水量比較多。而在閉式強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)中,水箱蓋上安裝了一個空氣-蒸汽閥,冷卻介質(zhì)與外界大氣不直接相通,水在密閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán),冷卻系統(tǒng)的蒸汽壓力稍高于大氣壓力,水的沸點(diǎn)可以提高到100℃以上。其優(yōu)點(diǎn)是可提高柴油機(jī)的進(jìn)、出水口水溫,使冷卻水溫差小,能穩(wěn)定柴油機(jī)工作溫度和提高其經(jīng)濟(jì)性;與此同時,還能提高散熱器的平均溫度,從而縮小散熱面積,減少水的消耗量,并可縮短機(jī)油預(yù)熱時間。其缺點(diǎn)是冷卻系統(tǒng)零部件的耐壓要求較高。這種冷卻方式目前應(yīng)用最為廣泛。

      如圖1所示為康明斯系列柴油發(fā)動機(jī)閉式強(qiáng)制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)示意圖。柴油發(fā)動機(jī)的氣缸體和氣缸蓋中都鑄造有水套。冷卻液經(jīng)水泵加壓后,經(jīng)分水管進(jìn)入機(jī)體水套內(nèi),冷卻液在流動的同時吸收氣缸壁的熱量并使自身的溫度升高,然后流入氣缸蓋水套,在此吸熱升溫后經(jīng)節(jié)溫器及散熱器進(jìn)水管進(jìn)入散熱器中。與此同時,由于風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)抽吸,空氣從散熱器芯吹過,流經(jīng)散熱器芯的冷卻液熱量不斷地散發(fā)到大氣中去,使水溫降低。冷卻后的水流到散熱器底部后,又經(jīng)水泵加壓后再一次流入缸體水套中,如此不斷地循環(huán),柴油機(jī)就不斷地得到冷卻。當(dāng)水溫高于節(jié)溫器的開啟溫度時,回水進(jìn)入散熱水箱進(jìn)行冷卻,完成水循環(huán),這種循環(huán)通常稱為大循環(huán);當(dāng)水溫低于節(jié)溫器開啟溫度時,回水便直接流入水泵進(jìn)行循環(huán),這種循環(huán)通常稱為小循環(huán)。循環(huán)演示如圖2所示。

       柴油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高,水泵和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速也隨之升高,則冷卻液的循環(huán)加快,扇風(fēng)量加大,散熱能力就增強(qiáng)。為了使多缸機(jī)前后各缸冷卻均勻,一般柴油機(jī)在缸體水套中設(shè)置有分水管或鑄出配水室。分水管是一根金屬管,沿縱向開有若干個出水孔,離水泵愈遠(yuǎn)處,出水孔愈大,這樣就可以使前后各缸的冷卻強(qiáng)度相近,整機(jī)冷卻均勻。

 

柴油機(jī)強(qiáng)制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)示意圖.png

圖1  柴油機(jī)強(qiáng)制循環(huán)水冷卻系統(tǒng)示意圖

柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.png

圖2  柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖(大小循環(huán)圖)

 

二、冷卻系統(tǒng)的基本組成

 

1、散熱器

      散熱器的作用是將冷卻水所攜帶的熱量散入大氣以降低冷卻水的溫度。散熱器必須有足夠的散熱面積,并用導(dǎo)熱性好的材料制造,其構(gòu)造如圖3(a)所示,它由上水箱(有的帶有空氣-蒸汽閥)、芯部和下水箱三部分組成。上、下水箱用來存放冷卻水,上水箱頂部開有注入冷卻水的加水口,用水箱蓋封閉。柴油機(jī)水套中的熱水從氣缸蓋上的出水口流進(jìn)上水箱,經(jīng)散熱器芯子冷卻后流到下水箱,再經(jīng)下水箱的出水管被吸入水泵。

(1)散熱器芯

       散熱器芯部構(gòu)造形式有多種,常用的有管片式和管帶式兩種。管片式的芯部構(gòu)造如圖3(b)所示,它由許多扁形水管焊在多層散熱片上構(gòu)成。其芯部的散熱面積大,對氣流的阻力小,結(jié)構(gòu)剛度好,承壓能力強(qiáng),不易破裂,所以目前被廣泛采用。其缺點(diǎn)是制造工藝比較復(fù)雜。管帶式芯部的構(gòu)造如圖3(c)所示,它由波紋狀散熱帶與冷卻扁管相間排列組合而成。帶上開有縫槽,可以破壞氣流附面層以增加傳熱效果。該型芯部的剛度不如管片式好,但制造工藝簡單,便于大量生產(chǎn),其應(yīng)用有逐漸增多之勢。

      散熱器芯子多用黃銅制造。黃銅具有較好的導(dǎo)熱和耐腐蝕性能,易于成形,有足夠的強(qiáng)度且便于焊修。為了節(jié)約銅,近年來,鋁合金散熱器也有一定發(fā)展。

(2)水箱蓋

      閉式強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)是一個封閉的系統(tǒng),提高系統(tǒng)的蒸汽壓力后,可以提高冷卻水的沸點(diǎn)。由于冷卻水溫和外界氣溫溫差加大,因而也就提高了整個冷卻系統(tǒng)的散熱能力。但如果冷卻系統(tǒng)內(nèi)蒸汽壓力過大,就可能使散熱器芯的焊縫或水管破裂。當(dāng)冷卻系統(tǒng)中的蒸汽凝結(jié)時,會使系統(tǒng)中的蒸汽壓力低于外界大氣壓力,如果這個壓力過低,散熱器芯部就可能被外界大氣壓壓壞。因此閉式冷卻系統(tǒng)的水箱蓋上裝有空氣-蒸汽閥,其結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4所示。當(dāng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)蒸汽壓力低于大氣壓力0.01~0.02MPa時,在壓差作用下,空氣閥3便克服彈簧的預(yù)緊力而開啟,如圖4(a)所示。空氣從蒸汽引出管5經(jīng)空氣閥進(jìn)入上水箱,使冷卻系統(tǒng)的壓力升高。當(dāng)冷卻系統(tǒng)內(nèi)蒸汽壓力超過大氣壓0.02~0.03MPa時,蒸汽閥彈簧2被壓縮,蒸汽閥1便開啟,如圖4(b)所示,此時將從蒸汽引出管5中出一部分蒸汽,使冷卻系統(tǒng)的壓力下降。此時,冷卻水的沸點(diǎn)可提高到108℃左右,減少了冷卻水的消耗。

      空氣-蒸汽閥一般安裝在散熱器蓋上,有的柴油機(jī)則安裝在散熱器上儲水箱的側(cè)面。當(dāng)柴油發(fā)動機(jī)過熱時,如需打開閉式強(qiáng)制循環(huán)冷卻系統(tǒng)的散熱器蓋,應(yīng)將其慢慢旋開,使冷卻系統(tǒng)內(nèi)的壓力逐漸降低,以免蒸汽和熱水噴出傷人。如果要旋松放水開關(guān)放出冷卻水時,也需先打開散熱器蓋,才能將水放盡。

 

柴油機(jī)散熱器及芯部構(gòu)造.png

圖3  柴油機(jī)散熱器及芯部構(gòu)造

柴油機(jī)空氣-蒸汽閥結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖.png

圖4  柴油機(jī)空氣-蒸汽閥結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

 

2、風(fēng)扇

      風(fēng)扇的功用是增大流經(jīng)散熱器芯部空氣的流速,提高散熱器的散熱能力。水冷系統(tǒng)的風(fēng)扇要求足夠的風(fēng)量,適度的風(fēng)壓,功率消耗少,效率高,噪聲低以及工藝簡單。在水冷系統(tǒng)中常用的是軸流式風(fēng)扇,這種形式的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)簡單,布置方便,低壓頭時風(fēng)量大,效率高。它一般裝在散熱器芯部后面,利用吸風(fēng)來冷卻芯部。

      風(fēng)扇的構(gòu)造如圖5所示。在固定于帶輪上的風(fēng)扇支架上,鉚著用薄鋼板沖制成的風(fēng)扇葉片。風(fēng)扇的扇風(fēng)量主要與風(fēng)扇直徑、轉(zhuǎn)速、葉片形狀、葉片安裝角及葉片數(shù)目有關(guān)。葉片大多用薄鋼板沖壓制成,斷面形狀多為弧形。但也可用塑料或鋁合金鑄成翼形斷面的整體式風(fēng)扇,雖然制造工藝較復(fù)雜,但效率高,功率消耗小。在有些發(fā)動機(jī)上,冷卻風(fēng)扇的沖壓葉片端部彎曲,以增加扇風(fēng)量。葉片應(yīng)安裝得與風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)平面成30°~60°傾斜角。葉片數(shù)目通常為4片或6片。有的將葉片間夾角做成不等,以減小旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的振動和噪聲。風(fēng)扇外圍裝設(shè)護(hù)風(fēng)圈,可適當(dāng)提高風(fēng)扇的工作效率。

3、水泵

      水泵的作用是提高冷卻水壓力,使水在冷卻系統(tǒng)內(nèi)加速循環(huán)。柴油機(jī)上廣泛采用離心式水泵,工作原理如圖6所示。水泵葉輪由曲軸驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時,帶動水泵中的水一起轉(zhuǎn)動,由于離心力的作用,水被拋向葉輪邊緣并產(chǎn)生一定的壓力,經(jīng)出水管被壓入缸體水套中,在葉輪中心處,由于水被甩向外緣而壓力降低,水箱中的水經(jīng)進(jìn)水管被吸入泵中,再被葉輪甩出。水泵葉輪一般有6~8個輪葉,輪葉形狀有徑向直葉片的,其構(gòu)造簡單;有曲線形葉片的,其泵水效率高。離心式水泵的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、外形尺寸小、工作可靠、制造容易以及當(dāng)水泵由于故障而停止轉(zhuǎn)動時,冷卻水仍可進(jìn)行自然循環(huán)。

 

柴油機(jī)水箱風(fēng)扇的構(gòu)造圖.png

圖5  柴油機(jī)水箱風(fēng)扇的構(gòu)造圖

柴油機(jī)離心式水泵工作原理.png

圖6  柴油機(jī)離心式水泵工作原理

 

4、冷卻強(qiáng)度調(diào)節(jié)裝置

      冷卻系統(tǒng)的散熱能力是按照發(fā)動機(jī)常用工況和氣溫較高的情況下能保證可靠冷卻而設(shè)計的。但使用條件(如轉(zhuǎn)速、負(fù)荷和氣溫等)變化時,必須改變散熱器的散熱能力,使需要從冷卻系統(tǒng)散走的熱量與冷卻系統(tǒng)的散熱能力相協(xié)調(diào)。可通過改變流經(jīng)散熱器芯部冷卻水的循環(huán)流量或冷卻空氣流量的方法來調(diào)節(jié)其冷卻強(qiáng)度,以保證發(fā)動機(jī)在最佳溫度狀況下工作。

(1)改變冷卻水的循環(huán)流量

      冷卻水將高溫零件的熱量帶走后,并在流經(jīng)散熱器時,將熱量散入大氣。若減少流經(jīng)散熱器的水量,則會使散熱量減少,整個冷卻系統(tǒng)的溫度將會提高。流經(jīng)散熱器的水量,由裝在氣缸蓋出水口附近水道中的節(jié)溫器來調(diào)節(jié)。節(jié)溫器有膨脹筒式和蠟式兩種。

①  雙閥膨脹筒式節(jié)溫器

      雙閥膨脹筒式節(jié)溫器的構(gòu)造及工作情況如圖6所示。彈性折疊式的密閉圓筒用黃銅制成,是溫度感應(yīng)件,筒內(nèi)裝有低沸點(diǎn)的易揮發(fā)液體(通常是由1/3的乙醇和2/3的水溶液混合而成),其蒸汽壓力隨溫度而變。溫度高時,其蒸汽壓力大,彈性膨脹圓筒伸長得多。圓筒伸長時,焊在它上面的旁通閥門和主閥門也隨之上移,使旁通孔逐漸關(guān)小,頂部通道逐漸開大,當(dāng)旁通孔全部關(guān)閉時,主閥開度達(dá)到最大。主閥關(guān)閉時,旁通孔全部開啟。

      當(dāng)冷卻水溫度低于70℃時[如圖7(a)所示],節(jié)溫器主閥關(guān)閉,旁通孔開啟。冷卻水不能流入散熱器,只能經(jīng)節(jié)溫器旁通孔進(jìn)入回水管流回水泵,再由水泵壓入分水管流到水套中去。這種冷卻水在水泵和水套之間的循環(huán)稱為小循環(huán)。由于冷卻水不流經(jīng)散熱器,而防止了柴油機(jī)過冷,同時也可使冷態(tài)的柴油機(jī)很快被加熱。

      當(dāng)水溫超過70℃后[如圖7(b)所示],彈性膨脹筒內(nèi)的蒸汽壓力使筒伸長,主閥逐漸開啟,側(cè)孔逐漸關(guān)閉。一部分冷卻水經(jīng)主閥注入散熱器散走熱量,另一部分冷卻水進(jìn)行小循環(huán)。當(dāng)水溫超過80℃后,側(cè)孔全部關(guān)閉,冷卻水全部流經(jīng)散熱器,然后進(jìn)入水泵,由水泵壓入水套冷卻高溫零件。冷卻水流經(jīng)散熱器后進(jìn)入水泵的循環(huán)稱為大循環(huán)。此時高溫零件的熱量被冷卻水帶走并通過散熱器散出,柴油機(jī)不會過熱。

      主閥門頂上有一小圓孔,稱為通氣孔,用來將閥門上面的出水管內(nèi)腔與發(fā)動機(jī)水套相連通,使在加注冷卻水時,水套內(nèi)的空氣可以通過小孔排出,以保證水能充滿水套中。

      由于膨脹筒式節(jié)溫器閥門的開啟是靠筒中易揮發(fā)液體形成的蒸汽壓力的作用,故對冷卻系統(tǒng)中的工作壓力較敏感、工作可靠性差、使用壽命短、制造工藝也較復(fù)雜,故現(xiàn)在逐漸被對冷卻系統(tǒng)的壓力不敏感、工作可靠、壽命長的蠟式節(jié)溫器所取代。

② 蠟式節(jié)溫器

      如圖8所示,為蠟式雙閥節(jié)溫器工作原理示意圖。上支架與閥座、下支架鉚成一體。反推桿固定于支架的中心處,并插于橡膠套的中心孔中。橡膠套與感溫器外殼之間形成的腔體內(nèi)裝有石蠟。為防止石蠟流出,感溫器外殼上端向內(nèi)卷邊,并通過上蓋與密封墊將橡膠套壓緊在外殼的臺肩面上。

      在常溫時,石蠟呈固態(tài),當(dāng)水溫低于76℃時,彈簧將主閥門壓緊在閥座上,主閥門完全關(guān)閉,同時將副閥門向上帶動離開副閥門座,使副閥門開啟,此時冷卻水進(jìn)行小循環(huán)[如圖8(a)所示]。當(dāng)水溫升高時,石蠟逐漸變成液態(tài),體積膨脹,迫使橡膠套收縮,而對反推桿錐狀端頭產(chǎn)生向上的舉力,固定的反推桿就對橡膠套和感溫器外殼產(chǎn)生一個下推力。當(dāng)發(fā)動機(jī)的水溫達(dá)到76℃時,反推桿對感溫器外殼的下推力克服彈簧張力使主閥門開始打開。水溫超過86℃時,主閥門全開,而副閥門完全關(guān)閉,冷卻水進(jìn)行大循環(huán)[如圖8(b)所示]。

(2)改變冷卻空氣流量

      可在散熱器前安裝百葉窗或擋風(fēng)簾以部分或全部遮蔽散熱器芯子。百葉窗可由操作人員用手柄來操縱,也可由調(diào)溫器自動控制百葉窗的開度。

 

柴油機(jī)雙閥膨脹筒式節(jié)溫器.png

圖7  柴油機(jī)雙閥膨脹筒式節(jié)溫器

柴油機(jī)蠟式雙閥節(jié)溫器.png

圖8  柴油機(jī)蠟式雙閥節(jié)溫器

 

      水冷系統(tǒng)還設(shè)置有水溫傳感器和水溫表。水溫傳感器一般安裝在氣缸蓋出水管處,將出水管處的水溫傳給水溫表。操作人員可借助水溫表隨時了解冷卻系統(tǒng)的工作情況。

      為了防止和減輕冷卻水中的雜質(zhì)對發(fā)動機(jī)的腐蝕作用,某些柴油機(jī)(如康明斯N855型)在冷卻系統(tǒng)中還設(shè)有防腐裝置。在防腐裝置的外殼中裝有用鎂板夾緊著包有離子交換樹脂的零件。其作用是由金屬鎂作為化學(xué)反應(yīng)的金屬離子的來源,當(dāng)冷卻水流經(jīng)防腐裝置的內(nèi)腔時,水中的碳酸根離子便和金屬離子形成碳酸鎂而沉淀,在該裝置中被濾去,從而減小了冷卻水對發(fā)動機(jī)水套及冷卻系統(tǒng)各部件的腐蝕。

 

總結(jié):

      綜上所述,冷卻系統(tǒng)的主要任務(wù)是保證內(nèi)燃機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作,一個良好的冷卻系統(tǒng),應(yīng)滿足下列各項(xiàng)要求:

(1)散熱能力能滿足內(nèi)燃機(jī)在各種工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時的需要,當(dāng)工況和環(huán)境條件變化時,仍能保證內(nèi)燃機(jī)可靠地工作和維持最佳的冷卻水溫度;

(2)冷卻系統(tǒng)消耗功率小,起動后,能在短時期內(nèi)達(dá)到正常工作溫度;

(3)體積小,重量輕,又便于拆裝、維修;

(4)使用可靠,壽命長,制造成本低。

      冷卻系統(tǒng)的設(shè)計雖然并不一定是發(fā)動機(jī)設(shè)計人員的任務(wù),但因發(fā)動機(jī)的性能和使用可靠性與冷卻系統(tǒng)設(shè)計的好壞關(guān)系很大,故發(fā)動機(jī)設(shè)計人員也必須熟悉這方面的內(nèi)容。


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