新聞主題	柴油發電機冷卻系統結構功用與國內外技術介紹

 

摘要：冷卻系統的主要功用是為柴油發電機組機件散熱，防止柴油發電機過熱而損壞。它是由水泵、水套、節溫器、散熱器、風扇、膨脹罐、冷卻液溫度傳感器和水管等組成的密團循環系統。冷卻系統還能對冷卻強度進行調節，以適應柴油發電機不同工況的需要。其原理是利用離心泵的高速旋轉產生的壓力使冷卻水循環，通過散熱器將熱量散發到外界中去，使水的溫度降低，進入下水箱，在水泵的作用下繼續循環冷卻內燃機的高溫部件，如此反復循環，以達到降低發動機高溫部件的溫度的目的。

 

一、國內冷卻系統的現狀

 

      目前國內的冷卻系統仍采用傳統的冷卻節溫器、保溫簾和冷卻風扇。節溫器仍主要以石蠟和乙醚作為反應介質，反應緩慢，截面損失大，失效率高。保溫簾則由人工控制，冷卻風扇由發動機曲軸驅動，且三者之間控制互不協調，導致機械能損失。

      發動機冷卻系統主要由發動機冷卻水套、散熱器、冷卻水泵、節溫器及冷卻風扇等部件組成。散熱器是冷卻系統中最重要的一部分，其作用是通過流動的空氣將冷卻系統中流過散熱器的循環水溫度降低，以達到降低發動機受熱零部件的溫度的目的。散熱器的制造材料現如今有兩種：鋁和銅。由于銅的導熱性能好，而且經過與一些材料進行結合（表面鍍鋅或將鋅塊附在散熱器的表面）能夠耐腐蝕，且易于釬焊加工。所以我國大部分發電機組都應用這種銅質的散熱器。況且銅制管片式散熱器是我國散熱器行業的傳統產品，其優點是散熱器芯子結構強度高，剛性好，散熱芯部不易被塵土和油垢等堵塞。缺點是同等芯子的正面面積下，散熱面積小，散熱效果明顯較差。且由于銅的價格和資源問題，不僅在散熱器厚度上有所改進，也在結構上有所突破。

      上世紀70年代后期開始研制和生產管帶式散熱器，以達到代替管片式散熱器，但由于國內加工工藝水平的限制，生產管帶式散熱器仍具有一定的困難。自從國家采用了新的標準來制造銅散熱器，導致散熱器的壽命明顯降低，腐蝕嚴重，使銅散熱器失去了原本具有的耐腐蝕的特性，于是將鋁制散熱器推到了人們的眼前，由于鋁資源較銅資源豐富，并且密度小，導電及導熱性能優良，再加上其表面易形成氧化膜，所以耐腐蝕性能好，且鋁的融化溫度較低，流動性好，很容易按照模具的形狀生產出各種復雜形狀的產品，根據上面的闡述可以總結出鋁制散熱器的幾大優點：質量輕，成本低，散熱效果好，節約能源，使用壽命長，裝卸方便，可以看出在經濟性和實用性上鋁制散熱器很明顯要優于銅制散熱器。從以上可以看出鋁制散熱器將取代銅制散熱器。

      據相關資料介紹，我國對于鋁制散熱器的研究和開發要相對于國外落后一段時間，現在的鋁制的散熱器也只是應用到轎車和微型車的冷卻系統中。其制作工藝基本屬于國際上70年代的水平，采用圓鋁管加百葉窗式翅片經脹管工藝成型[3]。隨著科技的進步，世界上的散熱器的生產工藝的進步，國內對散熱器的加工工藝也在不段進步，國內部分的生產企業已可以生產質量稍好的散熱器，隨之而來的工藝上的問題也擺在人們的面前，既生產效率低，產品外觀粗糙，廢品率高和生產成本增加等。一汽集團于1996年向美國某發電機組企業進口的鋁制散熱器的生產線已達到國際水平。哈爾濱某企業也應用該進口工藝生產鋁制散熱器，鋁材料選用國內自制的鋁復鋅板，在無腐蝕和無污染的環境下，使用自制的國際先進，國內首創的焊接技術，確保了焊接質量[4]。所生產的鋁制散熱器外觀不氧化，達到了產品的設計要求和使用標準，及產品的性能指標，尤其是焊接工藝達到了和國際同等產品和國內先進水平。該公司由于設備和原材料均使用國內產品，投資少，成本低，工藝靈活性很大，適合了我國發電機組工業生產規模小和品種規格多種多樣的現狀，具有高起點，高性能，高技術，低成本和國家化的特點。這不僅推動了我國發電機組生產工業水平的進步，同時也拉進了我國發電機組生產工藝與國際發電機組生產工業的距離。

      我國從“八五”期間開始進行扁圓管的試制，經過了失敗，改進再失敗再改進的相當艱苦的歷程，最后從設備，工夾具到工藝過程摸索出一套成熟的扁圓管生產工藝，再配以開窗翅片經過高溫釬焊制成高性能散熱器，改產品的生產工藝和成型工藝與一汽進口的美國發電機組生產企業所生產的產品屬于同一類型，雖然我國生產的產品相對于進口工藝的質量和散熱效果還有差距，但國產的產品與進口的生產工藝所生產出的產品在競爭上還有一定的優勢。我國生產的鋁制散熱器以通過了長春散熱器研究所的檢測，成功的通過了耐高溫壓力脈沖性能、耐震動性能、負壓密封性能、散熱性能這四項實驗，這四項實驗滿足德國大眾發電機組公司TL-VW874標準。這是國內唯一通過這響標準的新產品[5]。而這也預示著國內發電機組生產工藝已和國際發電機組生產工藝的差距越來越小。

      我國的發電機組工業起步較晚，所以和發電機組工業相關的產業都相對滯后，國內自行設計和50年代從蘇聯引進的發動機普遍采用，鋼板風扇，鋼板風扇是以圓鋼板制成托架再與薄鋼板葉片鉚接而成，由于加工誤差的積累和結構上設計的不足，風扇的效率較低，性能較差，功率消耗和噪聲都很大，明顯不能滿足發電機組生產的節能和無污染的要求，自從70年代以來，國外的發電機組生產企業生產的冷卻風扇主要以塑料風扇為主，而當時我國的發電機組生產企業仍然生產和使用鋼板風扇。不過隨著科技的進步和國內發電機組生產企業的研發投入，我國的工程塑料的開發和研制及生產工藝也相對成熟，已有部分車型應用了塑料風扇，國內工程塑料風扇年產量也達到了數十萬只。

      風扇在冷卻系統中雖然不是最重要的，但缺了風扇冷卻系統將陷入癱瘓的狀態，好的風扇和一個質量一般的散熱器配合只能起到一般的散熱效果，而好的散熱器和一般的風扇配合起到的效果也只能是一般冷卻效果，只有讓好的風扇和好的散熱器配合才能達到良好的冷卻效果。目前國內的輕型貨車和客車的風扇仍采用傳統的定傳動比的控制方式，這種控制方式是以發動機曲軸通過V帶以固定比驅動風扇，由于受到曲軸的轉速的變化的限制，冷卻風扇的轉速及冷卻能力只能隨發動機的轉速變化而變化，不能隨著發動機的熱符合的增大和改變風扇的轉速提高冷卻速度，進行自動調節，這直接導致發動機受熱部件的溫度過高而影響發動機的使用壽命，也影響發動機的工作質量。

 

二、國外冷卻系統的現狀

 

      國外的冷卻系統的技術水平比較先進，我國的發電機組散熱器生產工藝水平與國際相比仍有20年的差距。長期以來，銅一直是散熱器的首選材料，為達到節約能源和減少環境污染，發電機組工業向輕量化發展，提出了“全鋁發電機組”的口號，從這個角度看，鋁自然成為最佳的選擇材料，上實際50年代后期，國際上就開始研制鋁制散熱器。

     當然國外在研制該散熱器的時候也遇到了很多的困難，首先是焊接問題，鋁在自然狀態下是不能焊接的，于是隨后就開發出氣脹的方式，還有油脹和機械膨脹的方式和方法使管子與散熱片結合在一起。到1993年，伏特發電機組公司將無針釬焊技術應用到發電機組散熱器上，此技術是最先進的散熱管與帶結合技術，金屬表面的氧化膜在釬焊溫度時受釬焊合金中的合金物質作用而被變質和去除，釬焊前對金屬表面進行脫脂利用蒸汽和化學方法，在惰性氣體和真空狀態下對部件進行焊接。

      傳統的冷卻方式已明顯不能滿足現代發電機組工業發展的速度，基于以上的情況，于是有各種各樣新型設備相繼出現在現代發電機組的冷卻系統中，比如；由電動冷卻風扇取代了原來的皮帶傳動冷卻風扇，德國大眾發電機組公司在中國申請的專利。該專利在發電機組散熱器前方設置空氣吸入口和輔助通口，加快了散熱器的冷卻速度，減少了電動風扇的電能消耗。但散熱器輔助通口在自下向上吸入冷卻空氣，很容易將道路上的塵土和雜物吸入，造成散熱器臟污和堵塞，使散熱器散熱效率降低。隨著科技的進步，冷卻風扇已由傳統的控制方式改為只能控制方式，風扇的冷卻能力隨著發動機散熱的需要而自動精確的調節，提高了發動機的預熱速度，使其始終保持最佳的工作溫度，減少功率消耗90%，節省燃油10%。

 

三、冷卻系統組成及功用介紹

 

      柴油機冷卻系統結構框圖如圖1所示，水路循環示意圖如圖2所示。

1、冷卻水泵

      水泵使冷卻液產生一定的壓力和流量，強制冷卻液循環流動。水泵多為帶傳動，有些柴油發電機采用齒輪傳動。

2、散熱器

      冷卻液在散熱器芯內流動，空氣在散熱器芯外流過。冷卻液的熱量通過散熱器散發到大氣中，因此散熱器是一個熱交換器。散熱器負責冷卻液的冷卻，它的水管和散熱片多用鋁材制成，鋁制水管做成扁平形狀，散熱片為波紋狀，以利于散熱。散熱器由進水室、出水室、主片及散熱器芯等四部分構成。

3、節溫器

      節溫器用于冷卻強度的調節。溫度低時，關閉通往散熱器的水路；溫度超過80℃時，開放通往散熱器的水路，使冷卻液流過散熱器，提高散熱強度。

4、風扇及風圈

      風扇用于在散熱器外部形成氣流，使熱交換得以完成。風扇按驅動方式可分為普通機械驅動風扇和電動風扇兩種。其中，電動風扇由電動機直接驅動，僅用于小型發電機組。

      電控硅油風扇由柴油發電機ECU控制。柴油發電機溫度低時，風扇離合器分離，風扇隨動、轉速很低；柴油發電機溫度超過一定值（濰柴共軌柴油發電機為85℃），或同時打開空調AC開關和空調強冷（FAN control)開關時，風扇離合器接合，風扇全速運轉，以提高散熱能力。

5、散熱器蓋

      散熱器蓋用于自動調節散熱器內的水蒸氣壓力，保持壓力平衡。系統內合適的壓力能夠提高水的沸點，減少水的蒸發損耗。散熱器蓋上設有空氣閥和蒸汽閥，用于調節系統內壓力。當系統內壓力超過一定限值時，蒸汽閥打開，排出部分蒸汽，防止系統壓力過大，產生滲漏或機件受損；當系統壓力低于一定限值時，空氣閥打開，外部空氣進人系統內補充，防止系統內負壓過大，機件損壞。

6、膨脹罐

      膨脹罐其作用主要是使氣液分離，減少冷卻液的散失。膨脹罐上有水位刻線，加注冷卻液時要保證液位處于最高刻線與最低刻線之間。

7、冷卻液溫度傳感器

（1）用于檢測發動機冷卻液的溫度，并將此信號輸送到發動機的電子控制元件。

（2）根據該信號對噴射時間、點火時刻和怠速轉速等進行相應調節，同時也可作為其他控制系統的控制信號。

 

圖1  柴油機冷卻系統框架圖

圖2  柴油機冷卻系統循環水路示意圖

 

總結：

      冷卻系統需要具備足夠的可靠性和安全性，以確保柴油發電機組的穩定運行。設計時需要考慮冷卻系統的故障率和維修保養成本，合理選擇冷卻系統的組成部件，并定期進行檢查和維護。另外，柴油發電機不同的環境和應用場景需要不同的冷卻方案，設計時需要充分考慮環境因素，例如氣溫、濕度、海拔高度等，選擇適合的冷卻方式和組成部件，并進行合理的調試和優化。

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