性能特點和作用說明

柴油發電機的冷卻系統組成原理和大小循環路線圖

 

摘要：柴油發電機冷卻系統的主要功能是把受熱零件吸收的部分熱量及時散發出去，保證柴油發電機在最適宜的溫度狀態下工作。冷卻系統按照冷卻介質不同可以分為風冷和水冷，如果把柴油發電機中高溫零件的熱量直接散入大氣而進行冷卻的裝置稱為風冷系統，而把這些熱量先傳給冷卻水，然后再散入大氣而進行冷卻的裝置稱為水冷系統。由于水冷系統冷卻均勻，效果好，而且柴油發電機運轉噪音小，目前柴油發電機上廣泛采用的是水冷系統。

一、冷卻系統的功能和原理

      冷卻系統的功能是使柴油發電機在所有工況下都保持在適當的溫度范圍內。冷卻系統既要防止柴油發電機過熱，也要防止冬季柴油發電機過冷。在柴油發電機冷起動之后，冷卻系統還要保證柴油發電機迅速升溫，盡快達到正常的工作溫度。工作原理如圖1所示。

      柴油發電機工作期間，氣缸內燃燒溫度高達1800～2000℃，瞬時溫度高達3000℃。燃燒所產生的熱量只有一部分轉化為機械功，使柴油發電機運轉并對外輸出做功；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）經各種傳熱方式傳給柴油發電機組件，其冷卻水循環路徑如圖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，使之強烈受熱，若不及時加以冷卻或冷卻不足，影響如下：

（1）柴油發電機會過熱、充氣系統數下降、燃燒不正常，易發生早燃和爆燃現象；

（2）與高溫接觸零件過熱，會導致材料力學性能降低和產生嚴重的熱應力，導致變形和裂紋；

（3）溫度過高，會使潤滑油變質、燒損和結焦失去潤滑性能，破壞潤滑油膜，零件的摩擦加劇和磨損加重。

      由此可見，機體溫度過高易引起柴油發電機的動力性、經濟性、可靠性和耐久性全面惡化。因此，柴油發電機不能在過高的溫度下工作。但如果系統的冷卻能力過強，亦會影響柴油發電機的工作性能。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，未蒸發的燃油經氣缸壁流到油底殼，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、柴油發電機工作粗暴。另外。通過冷卻系統帶走的熱量是燃油燃燒產生的熱量，一般約占燃燒熱量的20%～30%，這是一種損失。冷卻強度過大，散熱損失增加，會降低柴油發電機的經濟性。

      因此，柴油發電機過冷或過熱（即柴油發電機冷卻系統冷卻能力過強或過弱）都會對柴油發電機的經濟性、動力性、工作可靠性帶來不利的影響。冷卻系統的功用是用來保證柴油發電機在最適宜的溫度狀態下工作（通常以氣缸蓋中冷卻水的溫度保持在80～90℃為宜）。起動時，應能使柴油發電機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  冷卻液循環工作原理圖

圖2  柴油發電機冷卻系統水道循環路徑

 

二、冷卻系統的組成

      柴油發電機冷卻系統為強制循環水冷系統，即利用水泵提高冷卻液的壓力，強制冷卻液在柴油發電機中循環流動。這種系統包括水泵、散熱器、冷卻風扇、節溫器、補償水箱、柴油發電機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中的循環路徑。冷卻液在水泵中增壓后，進入柴油發電機的缸體水套。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節溫器。在發電機組運行或冷卻風扇工作時，空氣從散熱器周圍高速流過以增強對冷卻液的冷卻，使柴油發電機溫度保持在工作范圍內。冷卻系統改善了燃燒室的冷卻而允許柴油發電機有較高的壓縮比，從而可以提高柴油發電機的熱效率和功率。

1、水泵

      對冷卻液加壓，保證其在冷卻系統中循環流動。汽車發動機廣泛采用離心式水泵。

2、散熱器

      散熱器也稱之為冷卻水箱，主要由進水室、出水室及散熱器芯等三部分構成，外觀模擬圖如圖3、圖4所示。冷卻液在散熱器芯內流動，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，冷空氣則因為吸收冷卻液散出的熱星而升溫，所以散熱器是相當于一個熱交換器。

 

圖3  柴油機冷卻水箱模型正視圖

圖4  柴油機冷卻水箱模型側視圖

 

3、冷卻風扇

      當風扇旋轉時吸進空氣，使其通過散熱器，以增強散熱器的散熱能力，加速冷卻液的冷卻。

4、節溫器

      節溫器是控制冷卻液流動路徑的閥門。它根據冷卻液溫度的高低，打開或者關閉冷卻液通向散熱器的通道。

（1）小循環

      如圖5所示，當冷卻液溫度低于82℃時，節溫器關閉，即通向散熱器的管路被關閉，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，稱為小循環，它能使柴油發電機迅速到達工作溫度。

（2）大循環

      如圖6所示，當冷卻液溫度達到92℃時，節溫器打開，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閉，冷卻液經過散熱器進水軟管流入散熱器。在散熱器中冷卻液向流過散熱器周圍的空氣散熱而降溫，最后冷卻液經散熱器出水軟管返回水泵，如此循環不止，稱為大循環。

 

圖5  冷卻系統小循環路線圖

圖6  冷卻系統大循環路線圖

 

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，否則將在柴油發電機水套中產生水垢，使傳熱受阻，易造成柴油發電機過熱。純凈水在0℃時結冰。如果柴油發電機冷卻系統中的水結冰，將使冷卻水終止循環引起柴油發電機過熱。尤其嚴重的是水結冰時體積膨脹，可能將缸體、缸蓋和散熱器脹裂。為了適應冬季運行的需要，在純凈水中加入防凍劑制成冷卻液以防止循環冷卻水的凍結。

      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，其冰點也不同。50%的水與50%的乙二醇混合而成的冷卻液，其冰點約為-35.5℃。在水中加入防凍劑還同時提高了冷卻液的沸點。例如，含50%乙二醇的冷卻液在大氣壓力下的沸點是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電機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下會產生很多泡沫，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，這不僅是因為水具有良好的導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才能充分發揮其防凍作用。

（2）防凍劑

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

（3）添加劑

      為了使冷卻液性能指標達到使用要求，確保柴油機冷卻系統正常工作，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冷卻系統金屬零部件的腐蝕；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的腐蝕性，以保證冷卻系統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的散熱效果；消泡劑的作用是降低泡沫的產生，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，在冷卻系統發生故障時容易辨認滲漏位置。

2、冷卻液的分類

      冷卻液的分類方法很多，通常按基礎液類型、緩蝕劑組成、應用柴油機的負荷三種方法進行分類。

（1）按基礎液類型分類

① 無機鹽—水型

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

②醇—水型

      這種冷卻液的基礎液是甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇等醇類。因乙二醇不僅具有優良的降低冰點的效果，同時具有沸點高、黏度適中、性能穩定、毒性低等優點而廣泛使用，目前在用的絕大部分冷卻液是乙二醇型冷卻液。丙二醇也具有優良的降低冰點的效果，并且毒性更小，對環境污染小，但由于價格高，以前很少使用，近年來，隨著人們環境保護意識的增強，丙二醇型冷卻液在一些發達國家的使用量在逐漸增加。

（2）按緩蝕劑組成分類

① 無機鹽型

      這種冷卻液的緩蝕劑主要是無機鹽。無機鹽緩蝕劑的消耗速度較快，冷卻液在柴油發電機運行300小時后，需要添加新的緩蝕劑。

② 有機酸型

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

 

 

總結：

      柴油機通常設計時考慮到了許多因素，如柴油機內部摩擦的減小、柴油機冷卻效果的提升、排放要求的嚴格要求。但是若是部件出現異常，導致柴油機會處在高溫、高壓和高速的運動狀態，可能會給柴油機本身和其他柴油發電機部件等帶來極大的壓力和損壞。因此，在日常使用中，柴油機需要按照正確的方式使用和維護。柴油機潤滑劑的質量、刻蝕劑的使用量和柴油機的保養情況，都會直接影響到柴油機的壽命和性能。為了避免柴油機損壞，使用和維護正常的柴油機是必要的。

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