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提升康明斯柴油發(fā)電機冷卻效果的措施 |
摘要：對柴油發(fā)電機高溫進(jìn)行冷卻能大大降低冷卻水和機油的散熱量，減少柴油發(fā)電機的熱損失，改善柴油發(fā)電機工作過(guò)程狀況。冷卻系統作為柴油機的重要組成部分，其作用效果不僅影響柴油機工作的可靠性，更直接影響其經(jīng)濟性能。康明斯公司通過(guò)高溫冷卻試驗和試車(chē)試驗，結果表明冷卻水溫度對燃油經(jīng)濟性的影響極大。因此，提升冷卻系統的效果會(huì )使柴油發(fā)電機動(dòng)力性和經(jīng)濟性得到了充分發(fā)揮，可滿(mǎn)足柴油發(fā)電機在各種工況下使用。
一、冷卻系統的作用和影響因素
1、冷卻系統的作用
四沖程柴油機通過(guò)空氣與燃料在氣缸內部的混合、燃燒，把燃料的化學(xué)能轉變?yōu)闊崮?，推?dòng)曲柄連桿機構運動(dòng)，向外輸出扭矩，并把廢氣排入大氣中。在此過(guò)程中，有相當一部分熱量通過(guò)氣缸壁傳給冷卻水系統，由冷卻水循環(huán)向周?chē)沫h(huán)境散熱。常見(jiàn)的柴油機冷卻系統由冷卻水泵、柴油發(fā)電機冷卻腔、調溫器、散熱水箱、冷卻風(fēng)扇等組成。
當冷卻效果良好，柴油機能夠運行在最佳工作溫度時(shí)，柴油發(fā)電機氣缸內吸進(jìn)的新鮮空氣量充足，噴入氣缸的燃油能與渦動(dòng)的空氣充分混合并完全燃燒，輸出最高動(dòng)力；各部件受熱均勻，變形??；各相對運動(dòng)部件間的間隙符合設計要求、潤滑油的潤滑性能得到充分的發(fā)揮，潤滑油不易變質(zhì)，相對運動(dòng)部件的磨損降低；排出的廢氣中對大氣環(huán)境污染的成分減少。
衡量現代柴油機運行的經(jīng)濟性能，除了指示耗油率、有效耗油率、指示效率、有效效率等經(jīng)濟性能指標，還必須考慮在運行過(guò)程中各相對運行部件的過(guò)度磨損導致的零件損壞的損失，惡劣的工作環(huán)境導致潤滑油提前變質(zhì)而縮短使用周期的損失，柴油發(fā)電機在工作過(guò)程中因不完全燃燒生成的HC、NOx、SO2、CO等污染物造成對機件的腐蝕破壞，排放廢氣造成的環(huán)境污染等。無(wú)論是經(jīng)濟性能指標，還是柴油發(fā)電機在運行過(guò)程中引發(fā)的各種損失，都直接與柴油發(fā)電機的冷卻效果有關(guān)。
柴油發(fā)電機的冷卻系統水溫過(guò)低，容易增加廢氣排放、加劇零部件磨損、減小功率輸出，縮短柴油發(fā)電機的使用壽命及增加使用費用；水溫過(guò)高同樣會(huì )引起柴油發(fā)電機新的磨損。對水冷式柴油機最佳冷卻液工作溫度的試驗結果表明，柴油機全工況最佳冷卻液工作溫度為86.3 ℃。有研究表明，當冷卻水溫度從80 ℃降到30 ℃時(shí)，零件的磨損速度會(huì )增加1～2倍。
2、影響冷卻效果的因素
在正常運行狀態(tài)下，冷卻水溫度維持在80～90 ℃，柴油發(fā)電機的經(jīng)濟指標比較高。由于農用柴油機的工作受環(huán)境影響比較大，工作條件比較惡劣，對冷卻水的循環(huán)路徑及冷卻強度的調節一般使用機械的調節方法，無(wú)法及時(shí)地根據柴油發(fā)電機的熱負荷調整柴油發(fā)電機冷卻效果，造成柴油發(fā)電機的運行功率不能充分發(fā)揮、額外損失增大；另外，使用者的使用管理不當，使冷卻系統無(wú)法真正發(fā)揮其功能，進(jìn)一步惡化柴油發(fā)電機工作條件，增加柴油機的額外損失，甚至影響到柴油發(fā)電機工作的可靠性。冷卻系統對柴油發(fā)電機的影響主要表現在以下方面：
（1）柴油發(fā)電機冷卻水量不足夠；
（2）柴油發(fā)電機冷卻水泵排出壓力不夠，供水不足或中斷；
（3）柴油發(fā)電機節溫器不能及時(shí)打開(kāi)或打開(kāi)不完全；
（4）冷卻水道銹蝕或臟污過(guò)多堵塞，使用冷卻水流量達不到要求；
（5）冷卻水道中含有氣泡，積存在冷卻腔內沒(méi)有放出而造成氣阻；
（6）冷卻水質(zhì)太臟，水溫過(guò)高后產(chǎn)生水垢堵塞水道；
（7）冷卻水管彎折或阻塞；
（8）冷卻水道水垢多，產(chǎn)生阻塞；
（9）柴油發(fā)動(dòng)機房（或設備）所處環(huán)境不好，通風(fēng)不佳；
（10）散熱水箱（或熱交換器散熱片管）阻塞，使冷卻水流通不暢產(chǎn)生高溫；
（11）冷卻風(fēng)扇皮帶打滑或松弛、損壞，使散熱風(fēng)量不足；
（12）冷卻水泵狀態(tài)不好，例如葉輪水垢多、徑向間隙大等；
（13）柴油發(fā)電機供油時(shí)間不準確，延遲或提前過(guò)多導致在缸內燃燒不充分，在排氣管燃燒產(chǎn)生高溫，影響冷卻；
（14）柴油發(fā)電機噴油嘴霧化不良，燃燒不好，在排氣管燃燒產(chǎn)生高溫，影響冷卻；
（15）柴油發(fā)電機負荷過(guò)大，導致冷卻系無(wú)法滿(mǎn)足冷卻而產(chǎn)生高溫等。
二、提高冷卻效果的措施
1、水垢的清除
如果冷卻系統中已經(jīng)形成水垢，將嚴重影響康明斯發(fā)電機的冷卻效果，應及時(shí)地進(jìn)行清除。其清洗方法有兩種。
（1）用酸堿清洗劑清除
清洗劑的配制與使用方法對于鋁合金氣缸蓋的發(fā)動(dòng)機，不能用酸堿性較大的清洗劑。
（2）用壓力水沖洗
在缺少酸堿清洗劑的情況下，亦可使用有壓力的清水來(lái)沖洗，但沖水壓力不能超過(guò)0.3MPa（3kgf/cm2）。其步驟如下：
① 放出冷卻水箱的冷卻水，拆下散熱器進(jìn)、出水管，氣缸蓋出水管、節溫器，然后裝回氣缸蓋出水管。
② 用壓力不超過(guò)0.3MPa（3kgf/cm2）的清水從氣缸蓋出水管灌進(jìn)，沖洗水套，將積垢排除，直至水泵流出水不渾濁為止。
③ 從散熱器出水管處將水沖入，排除水垢，直至加水口流出水不渾濁為止。
2、風(fēng)扇皮帶松緊度的檢查與調整
風(fēng)扇皮帶不能過(guò)緊或過(guò)松。過(guò)緊會(huì )加速皮帶磨損，縮短使用壽命，增大了充電機和水泵的拉力，加速了充電機和水泵軸的磨損，同時(shí)也增加了內燃機功率的消耗；過(guò)松會(huì )使皮帶打滑，充電機、水泵和風(fēng)扇的轉速降低，影響散熱效率，使充電電壓降低。因此，皮帶過(guò)緊或過(guò)松時(shí)，必須進(jìn)行調整。
風(fēng)扇皮帶松緊度的檢查方法，若不符合規定值，可旋松充電發(fā)電機支架上的固定螺釘，向外移動(dòng)發(fā)電機時(shí)，皮帶變緊，反之則變松。調好后，將固定螺釘旋緊，再復查一遍，如不符合要求，應重新調整，直至完全合格為止。
3、及時(shí)向軸承添加潤滑油脂
在發(fā)電機組中修、大修及水泵、風(fēng)扇等處軸承潤滑油脂不足時(shí)，應及時(shí)向水泵、風(fēng)扇等處軸承注入潤滑油脂（黃油），以減少軸承的磨損。
4、使用冷熱交換器
應急柴油發(fā)電機組冷卻水換熱系統，系統包括第一換熱器、第二換熱器、水泵、控制閥、過(guò)濾器、溫度計和壓力傳感器，冷卻用中間水經(jīng)過(guò)過(guò)濾器、水泵和控制閥后通過(guò)第二換熱器、發(fā)電機組水道、第一換熱器后回流冷卻再循環(huán)，已持續對發(fā)電機組冷卻；所述第一換熱器可選的接入發(fā)電機組水道；控制閥、所述溫度計、壓力傳感器設置在水管上且與控制箱電訊連接。
在整體結構上，該冷卻水系統換熱系統采用兩套板式換熱器、一臺離心泵、及相對應儀器儀表和控制箱，在工作過(guò)程中，通過(guò)離心泵將中間水導入冷卻水系統換熱模塊進(jìn)行冷卻，再將冷卻后的冷卻水送回柴油機冷卻水系統，以保證冷卻水的流量、壓力和溫度，從而整個(gè)系統的用電負荷，增加冷卻水系統可靠性。通過(guò)兩套板式換熱器，能夠減小空間占用，提高轉配安裝靈活性，便于維修且對發(fā)電效率影響小。
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圖1 柴油機冷卻系統工作過(guò)程 |
圖2 應急柴油發(fā)電機組冷卻水換熱系統 |
5、冷卻水的正確使用
（1）冷卻水盡量使用自來(lái)水等雜質(zhì)少的軟水。含鹽分多的水，礦山或溫泉附近的水對機體和恒溫器等有腐蝕作用，盡量不要使用。
（2）冷卻水標準
① 冷卻水的PH值6.5~8.0，氮離子（Clˉ）在100ppm以下。
② 水質(zhì)不符合上述規格時(shí)，參入規定量的防銹劑（當地能買(mǎi)到）混合使用。
③ 使用防凍液的時(shí)候，濃度等可向康明斯發(fā)電機組代理商咨詢(xún)。
（3）冷卻水的補充和檢查
① 擰緊發(fā)動(dòng)機冷卻水堵頭和排泄旋塞（發(fā)動(dòng)機出廠(chǎng)時(shí)旋塞處于打開(kāi)狀態(tài)）。
② 補充冷卻水時(shí)，打開(kāi)散熱器端蓋，將水緩緩灌入至端蓋位置，（10L/MIJ）。這時(shí)，要注意避免雜質(zhì)的混入，加水速度太快會(huì )混入空氣，這也是引起發(fā)動(dòng)機過(guò)熱的原因，發(fā)動(dòng)機運轉后水位可能會(huì )下降，怠速運轉數分鐘后可檢查一下水位，不足時(shí)加以補充。
③ 在運轉中，特別是在高溫時(shí)打開(kāi)散熱器蓋，高溫冷卻水會(huì )突然噴出引起燙傷。
④ 排除冷卻水系統內的空氣時(shí)，松開(kāi)發(fā)動(dòng)機的出口水管或恒溫器上的水溫感應器的話(huà)，效果會(huì )更好。
三、改進(jìn)冷卻系統的措施
提高柴油機的經(jīng)濟性能，不僅要提高柴油發(fā)電機的有用功率，減少柴油發(fā)電機的有效耗油率，還要減少柴油發(fā)電機在各種負荷情況下的額外損失，減少對環(huán)境的污染。通過(guò)采用新型的冷卻技術(shù)，對冷卻系統進(jìn)行改進(jìn)，改善冷卻系統的冷卻性能，有利于提高能源的利用率，減少污染物的排出，獲得良好的經(jīng)濟效益。
1、冷卻系統調溫器的改進(jìn)
（1）采用電控調溫器代替原有的調溫器
通過(guò)對柴油發(fā)電機冷卻水溫度等實(shí)施實(shí)時(shí)監測，將水溫等信號轉變?yōu)殡娦盘柦?jīng)柴油發(fā)電機ECU處理后，控制電控調溫器電磁線(xiàn)圈的供電情況，及時(shí)、準確地獲得與柴油發(fā)電機冷卻水溫度要求相匹配的閥門(mén)開(kāi)度，控制冷卻系統的水流循環(huán)途徑；適時(shí)起動(dòng)、關(guān)閉電動(dòng)風(fēng)機及改變風(fēng)機轉速，改善冷卻強度，使柴油發(fā)電機獲得良好的燃燒性能，提高能源的利用率。周天翼等[7]模糊控制系統的實(shí)機試驗結果表明，設定控制溫度為90 ℃，環(huán)境溫度為15 ℃時(shí)，冷卻水溫可控制為（90±4） ℃，獲得良好的控制精度。對柴油發(fā)電機冷卻系統模糊控制研究表明：冷卻系統智能控制裝置實(shí)現了散熱能力控制的智能化，可以精確自動(dòng)地調節冷卻液的溫度，把柴油發(fā)電機的工作溫度限制在最佳階段，延長(cháng)了使用壽命，提高了工作效率，減少了故障率。該控制系統可根據柴油發(fā)電機組的運行速度、柴油發(fā)電機的冷卻水溫來(lái)綜合控制冷卻系統，從而達到減少電耗、減少油耗的效果。具有性能穩定、工作可靠、節能潛力大等優(yōu)點(diǎn)。
（2）采用電控蠟式調溫器代替普通蠟式調溫器
改變普通蠟式調溫器的溫度-升程曲線(xiàn)固定不變的狀況，以獲得能根據柴油發(fā)電機負荷、轉速等因素靈活控制的溫度-升程曲線(xiàn)。通過(guò)在普通蠟式調溫器的感應體中嵌入電控加溫元件，采用柴油發(fā)電機ECU對冷卻水溫等參數檢測、處理后，按原先設置在柴油發(fā)電機ECU內的溫控map圖，輸出信號控制電控加溫器的端電壓，使石蠟融化的過(guò)程不再是以柴油發(fā)電機的冷卻水溫為主導，大大提高調溫閥門(mén)的動(dòng)作靈敏度?？梢愿鶕裼桶l(fā)電機負荷、轉速、水溫高低要求，由柴油發(fā)電機ECU自動(dòng)實(shí)現對加溫器兩端電壓的控制，使其在0、4、9、12 v的范圍內變化，電控蠟式調溫器的反應時(shí)間由普通蠟式調溫器的4.38 s減小到1.16 s，從而提前達到最佳工況，減少損失。
2、采用電控電動(dòng)水泵代替直接驅動(dòng)水泵
采用電控閥門(mén)和電控水泵取代傳統的節溫器和直驅水泵。改變水泵直接受柴油發(fā)電機驅動(dòng)的限制，冷卻系統效能不僅受柴油發(fā)電機轉速控制，還受到柴油發(fā)電機的散熱損失等影響。通過(guò)柴油發(fā)電機電控單元對柴油發(fā)電機溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，對冷卻水流量及在不同回路中的流量分配進(jìn)行精確控制，滿(mǎn)足不同工況下柴油發(fā)電機的冷卻要求，使柴油發(fā)電機冷啟動(dòng)時(shí)間縮短，不同工況下柴油發(fā)電機工作溫度波動(dòng)小、工作效率高。對柴油發(fā)電機電控冷卻系統研究認為：與傳統冷卻系統冷卻方式相比，解除水泵與主軸間的耦合關(guān)系，通過(guò)精確控制水泵轉速及電控閥門(mén)開(kāi)度，在滿(mǎn)足柴油發(fā)電機冷卻需要的同時(shí)冷卻水循環(huán)流量降到最小，使水泵平均功耗由1.50 kw降低至0.56 kw；柴油發(fā)電機水溫在效率最高點(diǎn)小幅波動(dòng)，從而有助于降低燃油消耗率和有害氣體的排放。
3、采用冷卻腔分流式冷卻設計
柴油機理想的工作狀態(tài)是氣缸蓋溫度低于氣缸套溫度，較低的缸蓋溫度有利于氣缸吸氣和排氣；較高的氣缸套溫度有利于潤滑油膜的形成，降低磨損。通過(guò)對柴油發(fā)電機冷卻腔結構進(jìn)行改進(jìn)，采用分流式冷卻設計，可以分別使氣缸蓋和氣缸套獲得合理的冷卻水流量、壓力和流場(chǎng)分布。 氣缸蓋底部噴油器孔與進(jìn)、排氣閥座孔間是熱負荷最大的部位，必須優(yōu)先得到有效的冷卻保證，可以在氣缸蓋的冷卻腔中設置一塊帶孔的隔板，這樣在氣缸蓋的冷卻腔下部采用“橫流水”設計以利于對高熱負荷部位的冷卻；在冷卻腔的上部采用“縱流水”設計以利于減少流動(dòng)阻力。對于進(jìn)入氣缸套冷卻腔的水流進(jìn)口設計為切向傾斜，有利于形成環(huán)繞圓周方向的流動(dòng)，使氣缸套周?chē)乃魉俣仍龃?，提高換熱系數?？得魉构菊J為采用分流式冷卻方案，能夠獲得較高的氣缸體溫度，使油耗降低4%～6%，在部分負荷時(shí)hc排放降低20%～35%。
4、冷卻系統中冷卻介質(zhì)傳熱性能的改善
隨著(zhù)柴油發(fā)電機的動(dòng)力性能不斷提高和適應日益嚴格的節能減排要求。傳統的純水、水與乙二醇混合液等冷卻介質(zhì)的傳熱性能已不能適應新的技術(shù)要求，尋找新型冷卻介質(zhì)備受各國關(guān)注。納米流體是以一定方式和比例在液體中添加納米粒子而形成的一種均勻、穩定、高熱導率的新型傳熱工質(zhì)，如氧化鋁+水+乙二醇、銅+水等納米流體。由于傳熱效果好，可以把柴油發(fā)電機散熱系統設計得更加緊湊；能在低壓下運行及在較高溫度下保持單相流動(dòng)，減少熱損失，提高熱效率?？得魉构就ㄟ^(guò)對納米流體（氧化鋁+水+乙二醇）的研究發(fā)現，對流換熱系數能提升20%～25%；搭建的散熱系統使用60 nm的納米流體，在冷卻條件最?lèi)毫拥那闆r下，可將水箱的平均溫度降低5 ℃，空氣出口溫度下降7.9 ℃，能防止水箱的“開(kāi)鍋”發(fā)生，又能有效地改善柴油發(fā)電機艙的換熱?？得魉构狙芯堪l(fā)現，采用納米流體的柴油發(fā)電機冷卻系統可使重型發(fā)電機組的冷卻系統的尺寸和重量減少10%，這將增加大于5%的燃燒效率；而減少空氣流動(dòng)阻力、減少冷卻介質(zhì)的流動(dòng)損失及驅動(dòng)風(fēng)扇的損失，可節省約10%的油耗。
5、提高對柴油機經(jīng)濟性能的認識
柴油機的動(dòng)力性能能否得到合理的發(fā)揮、經(jīng)濟性能的好壞、廢氣污染物排放量的高低，很大部分還取決于柴油機使用者能否正確使用。通過(guò)專(zhuān)業(yè)技能的培訓和相關(guān)政策、法規的宣傳，讓廣大用戶(hù)對四沖程柴油機的構造、工作原理、工作性能的影響因素、使用方法、日常維護保養的重要性等有比較清楚的認識。就冷卻系統而言，散熱器肋片的檢查、散熱器蓋的密封性對冷卻系統的影響、水垢的形成與影響、風(fēng)扇葉片的檢查、冷卻水溫度對柴油發(fā)電機工作的影響等都是專(zhuān)業(yè)技能培訓的內容，使廣大使用者認識到冷卻系統對維持柴油發(fā)電機正常工作、提高柴油發(fā)電機經(jīng)濟性、減少污染排放的重要性，在使用柴油發(fā)電機過(guò)程中，自覺(jué)主動(dòng)按規范要求操作，提高柴油機的經(jīng)濟性能。
總結：
冷卻系統對柴油機的使用性能、經(jīng)濟性能、廢氣排放有著(zhù)直接的影響，通過(guò)采用電控蠟式調溫器代替普通蠟式調溫器、采用電控硅油離合器的軸流式風(fēng)機代替直接驅動(dòng)風(fēng)機、采用冷卻腔分流式冷卻設計、采用納米流體等技術(shù)，使冷卻效果與柴油機的工作性能更好地匹配，在工作過(guò)程中充分發(fā)揮柴油機的動(dòng)力、減少廢氣排放，能夠有效地提高柴油機的經(jīng)濟性能。另外，必須注重加強培訓宣傳，提高廣大使用者的專(zhuān)業(yè)技能以及對柴油機經(jīng)濟性能的認識。
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