摘要：發(fā)動(dòng)機在工作時(shí)，由于燃料的燃燒以及運動(dòng)零件間的摩擦產(chǎn)生大量的熱量，使零件強烈受熱，特別是直接與燃燒氣體接觸的零件溫度很高，如果沒(méi)有適當的冷卻，將不能保證發(fā)動(dòng)機的正常工作，冷卻系統的作用就是維持發(fā)動(dòng)機在最適宜的溫度下工作。水冷卻系統的主要部件有水泵、散熱水箱、風(fēng)扇、水溫調節裝置和水溫表等。隨著(zhù)柴油機工業(yè)的發(fā)展，人們對柴油發(fā)電機供電的要求也越來(lái)越高，這就給發(fā)電機組制造商提出了更高的要求。整機的冷卻系一個(gè)根本的性能指標，冷卻系統好壞直接影響到柴油發(fā)電機的安全運行。為此，用戶(hù)和使用人員了解柴油發(fā)電機冷卻系統的設計要求、工作原理及組成部分是至關(guān)重要的。
一、冷卻系統的設計要求
冷卻系統由散熱器、風(fēng)扇、膨脹箱等部件組成。其功能是對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行強制冷卻，保證發(fā)動(dòng)機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)濟性及可靠性。
1、冷卻系統的設計要求
（1）冷卻系統的設計應保證：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，在不連續工況運行下，最高水溫允許到110℃。
（2）如果使用長(cháng)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)機出水口的溫度允許到105℃;使用長(cháng)效防凍防銹液作冷卻液和0.7-0.9bar壓力蓋，在不連續工況運行下，最高水溫允許到115℃。
（3）冷卻液的膨脹容積應大于等于整個(gè)系統冷卻液容量的6%。
（4）冷卻系統必須用不低于19 L/min的速度加注冷卻液，直至達到應有的冷卻液平面，以保證所有工作條件下氣缸體水套內冷卻液能保持正常的壓力。
2、冷卻系統設計
冷卻系統設計主要是通過(guò)傳統的熱平衡計算方法，并輔以相應的CFD軟件進(jìn)行冷卻系統內流場(chǎng)計算分析，最終以發(fā)電機組高溫試驗結果對冷卻系統設計是否滿(mǎn)足使用要求進(jìn)行確認。以康明斯發(fā)動(dòng)機冷卻系統為例（結構如圖1、圖2所示），具體各主要部件的設計過(guò)程如下。
（1）散熱器是冷卻系統中的重要部件，其主要作用是對發(fā)動(dòng)機進(jìn)行強制冷卻，以保證發(fā)動(dòng)機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)濟性和可靠性。
（2）散熱器和風(fēng)扇組合匹配效率是當散熱器芯子未被氣流掃過(guò)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、結構形狀和結構尺寸要通過(guò)發(fā)動(dòng)機冷卻系統所需最大散熱量來(lái)計算確定，并應通過(guò)試驗評價(jià)來(lái)最終確定。理論計算一般是根據有關(guān)計算公式及所配發(fā)動(dòng)機的相關(guān)參數，如功率，油耗等，確定水冷散熱器的總散熱面積。根據散熱器面積計算公式選取散熱器芯厚尺寸。
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圖1 柴油發(fā)電機冷卻系統組成圖 |
圖2 柴油機冷卻系統冷卻液流向圖 |
3、散熱器及風(fēng)扇計算過(guò)程
（1）冷卻系統散走的熱量Qw的計算公式
Qw=AgePehn/3600(kJ/s)....................（式1）
式中：A——傳給冷卻系統的熱量占燃料熱能的百分比，
Ge——發(fā)動(dòng)機燃料消耗率（g/kw·h）；
Pe——發(fā)動(dòng)機功率（kw）；
hn——燃料低熱值（kJ/kg）。
（2）冷卻水的循環(huán)量Vw的計算公式
Vw=Qw/（tw1-tw2）γwcw(m3/s)....................（式2）
式中：tw1——發(fā)動(dòng)機出水口溫度（一般為85℃~95℃)
tw2——發(fā)動(dòng)機進(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(guò)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——散熱面積儲備系數（一般取1.1~1.15）
Kr1——散熱器在額定工況下的傳熱系數；
Kr2——散熱器在最大扭矩工況下的傳熱系數；
△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的計算
D=（0.79~0.93）·（Fr）0.5（m）....................（式5）
（7）冷卻能力評價(jià)
TC=Tmax－(tw1-Te)
推薦標準：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、冷卻系統工作過(guò)程
康明斯發(fā)動(dòng)機采用外接散熱器式冷卻系統。冷卻液泵由外接的散熱器通過(guò)節溫器將低溫水吸入，冷卻液首先經(jīng)機油散熱器進(jìn)入汽缸體內水套冷卻汽缸套，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)機在熱起前，水溫低于83℃時(shí)，主閥門(mén)關(guān)閉，旁通閥門(mén)開(kāi)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)，冷卻強度小、促使水溫迅速上升，從而保證發(fā)動(dòng)機各部位均勻迅速地熱起或避免發(fā)動(dòng)機過(guò)冷。由于冷卻水的流動(dòng)路線(xiàn)短、流量小，故稱(chēng)小循環(huán)，如圖3所示，即節溫器→水泵→機油散熱器→水套一節溫器。
2、冷卻液大循環(huán)
當發(fā)動(dòng)機內水溫升高達95℃時(shí)，主閥門(mén)全開(kāi)，旁通閥全關(guān)閉，冷卻水全部流進(jìn)散熱器。此時(shí)，冷卻強度增大，促使水溫下降或不致過(guò)高。由于這時(shí)的冷卻水流動(dòng)路線(xiàn)長(cháng)、流量大，故稱(chēng)大循環(huán)，如圖4所示，即節溫器→水泵→機油散熱器→水套一散熱器一節溫器。
3、冷卻液的混合循環(huán)
當發(fā)動(dòng)機內冷卻水處于上述兩種溫度之間時(shí)，主閥門(mén)和旁通閥均部分開(kāi)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(chēng)為混合循環(huán)。
其中，4B\6C系列康明斯發(fā)動(dòng)機均為無(wú)汽缸套水冷發(fā)動(dòng)機。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(guò)冷，且水冷的冷卻強度大小容易調節，能保持發(fā)動(dòng)機的正常溫度。并能用熱水預熱發(fā)動(dòng)機，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 冷卻系統大循環(huán)示意圖 |
三、發(fā)動(dòng)機過(guò)冷或過(guò)熱的危害
1、發(fā)動(dòng)機過(guò)熱的危害
① 充氣效率降低，導致發(fā)動(dòng)機功率下降。
② 早燃和爆燃的傾向加大，破壞了發(fā)動(dòng)機的正常工作、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 運動(dòng)件間的正常間隙被破壞，使零件不能正常運動(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 潤滑情況惡化，加劇了零件的摩擦和磨損。發(fā)動(dòng)機的冷卻，如果單純依靠零件本身對外散熱是不夠的，必須對某些零件特別是與高溫氣體直接接觸的零件進(jìn)行必要的強制冷卻，才能保證發(fā)動(dòng)機正常運轉。但是，過(guò)分的冷卻也會(huì )引起不良后果。
2、發(fā)動(dòng)機過(guò)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)機功率下降以及燃料消耗量增加。
② 潤滑油的黏度增大，造成潤滑不良，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(lèi)，加重了對零件特別是汽缸壁的侵蝕作用。
④ 因溫度過(guò)低而未汽化的燃料對摩擦表面(汽缸壁、活塞、活塞環(huán)等)上油膜的沖刷以及對潤滑油的稀釋?zhuān)又亓藢α慵哪p。
總結：
柴油機工作溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì )降低它的動(dòng)力性和經(jīng)濟性。冷卻系統的作用是保持柴油機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作，以獲得良好的經(jīng)濟性、動(dòng)力性和耐久性。為了提高散熱的散熱效果，其進(jìn)、出水管口內徑尺寸應與發(fā)動(dòng)機出、進(jìn)水管口尺寸一致，另外還應保證進(jìn)出水口在上下位置盡量錯開(kāi)，處于對角線(xiàn)上最好，不要在同一側。
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