性能特點(diǎn)和作用說明

柴油發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)組成原理和大小循環(huán)路線圖

 

摘要：柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的主要功能是把受熱零件吸收的部分熱量及時(shí)散發(fā)出去，保證柴油發(fā)電機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。冷卻系統(tǒng)按照冷卻介質(zhì)不同可以分為風(fēng)冷和水冷，如果把柴油發(fā)電機(jī)中高溫零件的熱量直接散入大氣而進(jìn)行冷卻的裝置稱為風(fēng)冷系統(tǒng)，而把這些熱量先傳給冷卻水，然后再散入大氣而進(jìn)行冷卻的裝置稱為水冷系統(tǒng)。由于水冷系統(tǒng)冷卻均勻，效果好，而且柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)噪音小，目前柴油發(fā)電機(jī)上廣泛采用的是水冷系統(tǒng)。

一、冷卻系統(tǒng)的功能和原理

      冷卻系統(tǒng)的功能是使柴油發(fā)電機(jī)在所有工況下都保持在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi)。冷卻系統(tǒng)既要防止柴油發(fā)電機(jī)過熱，也要防止冬季柴油發(fā)電機(jī)過冷。在柴油發(fā)電機(jī)冷起動(dòng)之后，冷卻系統(tǒng)還要保證柴油發(fā)電機(jī)迅速升溫，盡快達(dá)到正常的工作溫度。工作原理如圖1所示。

      柴油發(fā)電機(jī)工作期間，氣缸內(nèi)燃燒溫度高達(dá)1800～2000℃，瞬時(shí)溫度高達(dá)3000℃。燃燒所產(chǎn)生的熱量只有一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械功，使柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并對外輸出做功；另一部分熱量被排出的廢氣帶走；還有一部分熱量（約占燃燒熱量的三分之一）經(jīng)各種傳熱方式傳給柴油發(fā)電機(jī)組件，其冷卻水循環(huán)路徑如圖2所示。此外，特別是直接與燃燒氣體接觸的氣缸蓋、活塞、氣缸套和氣門等零件，使之強(qiáng)烈受熱，若不及時(shí)加以冷卻或冷卻不足，影響如下：

（1）柴油發(fā)電機(jī)會(huì)過熱、充氣系統(tǒng)數(shù)下降、燃燒不正常，易發(fā)生早燃和爆燃現(xiàn)象；

（2）與高溫接觸零件過熱，會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能降低和產(chǎn)生嚴(yán)重的熱應(yīng)力，導(dǎo)致變形和裂紋；

（3）溫度過高，會(huì)使?jié)櫥妥冑|(zhì)、燒損和結(jié)焦失去潤滑性能，破壞潤滑油膜，零件的摩擦加劇和磨損加重。

      由此可見，機(jī)體溫度過高易引起柴油發(fā)電機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性全面惡化。因此，柴油發(fā)電機(jī)不能在過高的溫度下工作。但如果系統(tǒng)的冷卻能力過強(qiáng)，亦會(huì)影響柴油發(fā)電機(jī)的工作性能。潤滑油有可能被燃油稀釋（因缸壁過冷，可燃混合氣體在缸壁冷凝并聚集，沖刷氣缸壁上的潤滑油膜，未蒸發(fā)的燃油經(jīng)氣缸壁流到油底殼，稀釋潤滑油），惡化混合氣體形成和燃燒，增加潤滑油粘度和摩擦功率，造成零件間的磨損加劇、摩擦損失增加、柴油發(fā)電機(jī)工作粗暴。另外。通過冷卻系統(tǒng)帶走的熱量是燃油燃燒產(chǎn)生的熱量，一般約占燃燒熱量的20%～30%，這是一種損失。冷卻強(qiáng)度過大，散熱損失增加，會(huì)降低柴油發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

      因此，柴油發(fā)電機(jī)過冷或過熱（即柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻能力過強(qiáng)或過弱）都會(huì)對柴油發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、工作可靠性帶來不利的影響。冷卻系統(tǒng)的功用是用來保證柴油發(fā)電機(jī)在最適宜的溫度狀態(tài)下工作（通常以氣缸蓋中冷卻水的溫度保持在80～90℃為宜）。起動(dòng)時(shí)，應(yīng)能使柴油發(fā)電機(jī)盡快加熱到正常工作溫度，并能在隨后的工作中保持這一溫度。

圖1  冷卻液循環(huán)工作原理圖

圖2  柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)水道循環(huán)路徑

 

二、冷卻系統(tǒng)的組成

      柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)為強(qiáng)制循環(huán)水冷系統(tǒng)，即利用水泵提高冷卻液的壓力，強(qiáng)制冷卻液在柴油發(fā)電機(jī)中循環(huán)流動(dòng)。這種系統(tǒng)包括水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、節(jié)溫器、補(bǔ)償水箱、柴油發(fā)電機(jī)缸體水套和氣缸蓋中的水套以及其他附加裝置等，是冷卻液在冷卻系統(tǒng)中的循環(huán)路徑。冷卻液在水泵中增壓后，進(jìn)入柴油發(fā)電機(jī)的缸體水套。冷卻液從水套壁周圍流過并從水套壁吸熱而升溫。然后向上流入氣缸蓋水套，從氣缸蓋水套壁吸熱之后流經(jīng)節(jié)溫器。在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行或冷卻風(fēng)扇工作時(shí)，空氣從散熱器周圍高速流過以增強(qiáng)對冷卻液的冷卻，使柴油發(fā)電機(jī)溫度保持在工作范圍內(nèi)。冷卻系統(tǒng)改善了燃燒室的冷卻而允許柴油發(fā)電機(jī)有較高的壓縮比，從而可以提高柴油發(fā)電機(jī)的熱效率和功率。

1、水泵

      對冷卻液加壓，保證其在冷卻系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛采用離心式水泵。

2、散熱器

      散熱器也稱之為冷卻水箱，主要由進(jìn)水室、出水室及散熱器芯等三部分構(gòu)成，外觀模擬圖如圖3、圖4所示。冷卻液在散熱器芯內(nèi)流動(dòng)，空氣在散熱器芯外通過。熱的冷卻液由于向空氣散熱而變冷，冷空氣則因?yàn)槲绽鋮s液散出的熱星而升溫，所以散熱器是相當(dāng)于一個(gè)熱交換器。

 

圖3  柴油機(jī)冷卻水箱模型正視圖

圖4  柴油機(jī)冷卻水箱模型側(cè)視圖

 

3、冷卻風(fēng)扇

      當(dāng)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)時(shí)吸進(jìn)空氣，使其通過散熱器，以增強(qiáng)散熱器的散熱能力，加速冷卻液的冷卻。

4、節(jié)溫器

      節(jié)溫器是控制冷卻液流動(dòng)路徑的閥門。它根據(jù)冷卻液溫度的高低，打開或者關(guān)閉冷卻液通向散熱器的通道。

（1）小循環(huán)

      如圖5所示，當(dāng)冷卻液溫度低于82℃時(shí)，節(jié)溫器關(guān)閉，即通向散熱器的管路被關(guān)閉，通向缸體水泵入口的旁通管路打開，冷卻液在缸體水套和缸蓋水套之間循環(huán)，稱為小循環(huán)，它能使柴油發(fā)電機(jī)迅速到達(dá)工作溫度。

（2）大循環(huán)

      如圖6所示，當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到92℃時(shí)，節(jié)溫器打開，即通向散熱器的管路被打開，通向缸體水泵入口的旁通管路被關(guān)閉，冷卻液經(jīng)過散熱器進(jìn)水軟管流入散熱器。在散熱器中冷卻液向流過散熱器周圍的空氣散熱而降溫，最后冷卻液經(jīng)散熱器出水軟管返回水泵，如此循環(huán)不止，稱為大循環(huán)。

 

圖5  冷卻系統(tǒng)小循環(huán)路線圖

圖6  冷卻系統(tǒng)大循環(huán)路線圖

 

三、冷卻液的組成和分類

      冷卻液是純凈水、防凍液和冷卻系統(tǒng)添加劑DCA4的混合物，具體比例為50%的純凈水，50%的防凍液和0.5單位/升DCA4。冷卻液必須使用純凈水，否則將在柴油發(fā)電機(jī)水套中產(chǎn)生水垢，使傳熱受阻，易造成柴油發(fā)電機(jī)過熱。純凈水在0℃時(shí)結(jié)冰。如果柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)中的水結(jié)冰，將使冷卻水終止循環(huán)引起柴油發(fā)電機(jī)過熱。尤其嚴(yán)重的是水結(jié)冰時(shí)體積膨脹，可能將缸體、缸蓋和散熱器脹裂。為了適應(yīng)冬季運(yùn)行的需要，在純凈水中加入防凍劑制成冷卻液以防止循環(huán)冷卻水的凍結(jié)。

      最常用的防凍劑是乙二醇。冷卻液中水與乙二醇的比例不同，其冰點(diǎn)也不同。50%的水與50%的乙二醇混合而成的冷卻液，其冰點(diǎn)約為-35.5℃。在水中加入防凍劑還同時(shí)提高了冷卻液的沸點(diǎn)。例如，含50%乙二醇的冷卻液在大氣壓力下的沸點(diǎn)是107℃。因此，防凍劑有防止冷卻液過早沸騰的作用。防凍劑中通常含有防銹劑和泡沫抑制劑。防銹劑可延緩或阻止柴油發(fā)電機(jī)水套壁及散熱器的銹蝕或腐蝕。冷卻液中的空氣在水泵葉輪的攪動(dòng)下會(huì)產(chǎn)生很多泡沫，這些泡沫將妨礙水套壁的散熱。泡沫抑制劑能有效地抑制泡沫的產(chǎn)生。

1、冷卻液的組成

      冷卻液由水、防凍劑和各種添加劑組成。

（1）水

      水是冷卻液的重要組成成分，這不僅是因?yàn)樗哂辛己玫膶?dǎo)熱性和較大的比熱容，而且一些防凍劑如乙二醇只有在配成一定比例的水溶液時(shí)才能充分發(fā)揮其防凍作用。

（2）防凍劑

      冷卻液含有大量的水，水的冰點(diǎn)是0℃。在冬季，溫度低于0℃時(shí)，冷卻液結(jié)冰將損壞冷卻系統(tǒng)，因此，需要加入防凍劑以降低冷卻液的冰點(diǎn)。

（3）添加劑

      為了使冷卻液性能指標(biāo)達(dá)到使用要求，確保柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)正常工作，常在冷卻液中加入緩蝕劑、緩沖劑、防垢劑、消泡劑、著色劑等添加劑。

      添加劑中，緩蝕劑的作用是防止或延緩柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)金屬零部件的腐蝕；緩沖劑的作用是使冷卻液維持一定的PH值，防止冷卻液過度酸化而具有較強(qiáng)的腐蝕性，以保證冷卻系統(tǒng)各金屬零部件更好的工作；防垢劑的作用是防止水垢形成而影響冷卻系統(tǒng)的散熱效果；消泡劑的作用是降低泡沫的產(chǎn)生，以免因泡沫影響傳熱效率；著色劑的作用是使冷卻液具有醒目的顏色，在冷卻系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)容易辨認(rèn)滲漏位置。

2、冷卻液的分類

      冷卻液的分類方法很多，通常按基礎(chǔ)液類型、緩蝕劑組成、應(yīng)用柴油機(jī)的負(fù)荷三種方法進(jìn)行分類。

（1）按基礎(chǔ)液類型分類

① 無機(jī)鹽—水型

      這種冷卻液的基礎(chǔ)液是氯化鈣、氯化鈉、三氯化鐵等無機(jī)鹽。由于冷卻液中的氯離子對鑄鐵、黃銅等金屬具有嚴(yán)重的腐蝕性，目前已經(jīng)很少使用。

②醇—水型

      這種冷卻液的基礎(chǔ)液是甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇等醇類。因乙二醇不僅具有優(yōu)良的降低冰點(diǎn)的效果，同時(shí)具有沸點(diǎn)高、黏度適中、性能穩(wěn)定、毒性低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛使用，目前在用的絕大部分冷卻液是乙二醇型冷卻液。丙二醇也具有優(yōu)良的降低冰點(diǎn)的效果，并且毒性更小，對環(huán)境污染小，但由于價(jià)格高，以前很少使用，近年來，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，丙二醇型冷卻液在一些發(fā)達(dá)國家的使用量在逐漸增加。

（2）按緩蝕劑組成分類

① 無機(jī)鹽型

      這種冷卻液的緩蝕劑主要是無機(jī)鹽。無機(jī)鹽緩蝕劑的消耗速度較快，冷卻液在柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行300小時(shí)后，需要添加新的緩蝕劑。

② 有機(jī)酸型

      這種冷卻液的緩蝕劑主要是有機(jī)酸。有機(jī)酸緩蝕劑的消耗速度很慢，冷卻液的使用壽命長。

 

 

總結(jié)：

      柴油機(jī)通常設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了許多因素，如柴油機(jī)內(nèi)部摩擦的減小、柴油機(jī)冷卻效果的提升、排放要求的嚴(yán)格要求。但是若是部件出現(xiàn)異常，導(dǎo)致柴油機(jī)會(huì)處在高溫、高壓和高速的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可能會(huì)給柴油機(jī)本身和其他柴油發(fā)電機(jī)部件等帶來極大的壓力和損壞。因此，在日常使用中，柴油機(jī)需要按照正確的方式使用和維護(hù)。柴油機(jī)潤滑劑的質(zhì)量、刻蝕劑的使用量和柴油機(jī)的保養(yǎng)情況，都會(huì)直接影響到柴油機(jī)的壽命和性能。為了避免柴油機(jī)損壞，使用和維護(hù)正常的柴油機(jī)是必要的。

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