性能特點(diǎn)和作用說(shuō)明

柴油發(fā)電機的冷卻系統組成原理和大小循環(huán)路線(xiàn)圖

 

摘要：柴油發(fā)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(shí)散發(fā)出去，保證柴油發(fā)電機在最適宜的溫度狀態(tài)下工作。冷卻系統按照冷卻介質(zhì)不同可以分為風(fēng)冷和水冷，如果把柴油發(fā)電機中高溫零件的熱量直接散入大氣而進(jìn)行冷卻的裝置稱(chēng)為風(fēng)冷系統，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(chēng)為水冷系統。由于水冷系統冷卻均勻，效果好，而且柴油發(fā)電機運轉噪音小，目前柴油發(fā)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(fā)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(fā)電機過(guò)熱，也要防止冬季柴油發(fā)電機過(guò)冷。在柴油發(fā)電機冷起動(dòng)之后，冷卻系統還要保證柴油發(fā)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(fā)電機工作期間，氣缸內燃燒溫度高達1800～2000℃，瞬時(shí)溫度高達3000℃。燃燒所產(chǎn)生的熱量只有一部分轉化為機械功，使柴油發(fā)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(jīng)各種傳熱方式傳給柴油發(fā)電機組件，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(mén)等零件，使之強烈受熱，若不及時(shí)加以冷卻或冷卻不足，影響如下：

（1）柴油發(fā)電機會(huì )過(guò)熱、充氣系統數下降、燃燒不正常，易發(fā)生早燃和爆燃現象；

（2）與高溫接觸零件過(guò)熱，會(huì )導致材料力學(xué)性能降低和產(chǎn)生嚴重的熱應力，導致變形和裂紋；

（3）溫度過(guò)高，會(huì )使潤滑油變質(zhì)、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(jiàn)，機體溫度過(guò)高易引起柴油發(fā)電機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性、可靠性和耐久性全面惡化。因此，柴油發(fā)電機不能在過(guò)高的溫度下工作。但如果系統的冷卻能力過(guò)強，亦會(huì )影響柴油發(fā)電機的工作性能。潤滑油有可能被燃油稀釋?zhuān)ㄒ蚋妆谶^(guò)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)電機工作粗暴。另外。通過(guò)冷卻系統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。冷卻強度過(guò)大，散熱損失增加，會(huì )降低柴油發(fā)電機的經(jīng)濟性。

      因此，柴油發(fā)電機過(guò)冷或過(guò)熱（即柴油發(fā)電機冷卻系統冷卻能力過(guò)強或過(guò)弱）都會(huì )對柴油發(fā)電機的經(jīng)濟性、動(dòng)力性、工作可靠性帶來(lái)不利的影響。冷卻系統的功用是用來(lái)保證柴油發(fā)電機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)，應能使柴油發(fā)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(huán)工作原理圖

圖2  柴油發(fā)電機冷卻系統水道循環(huán)路徑

 

二、冷卻系統的組成

      柴油發(fā)電機冷卻系統為強制循環(huán)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(fā)電機中循環(huán)流動(dòng)。這種系統包括水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、節溫器、補償水箱、柴油發(fā)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(huán)路徑。冷卻液在水泵中增壓后，進(jìn)入柴油發(fā)電機的缸體水套。冷卻液從水套壁周?chē)鬟^(guò)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)節溫器。在發(fā)電機組運行或冷卻風(fēng)扇工作時(shí)，空氣從散熱器周?chē)咚倭鬟^(guò)以增強對冷卻液的冷卻，使柴油發(fā)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(fā)電機有較高的壓縮比，從而可以提高柴油發(fā)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(huán)流動(dòng)。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機廣泛采用離心式水泵。

2、散熱器

      散熱器也稱(chēng)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成，外觀(guān)模擬圖如圖3、圖4所示。冷卻液在散熱器芯內流動(dòng)，空氣在散熱器芯外通過(guò)。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(gè)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(fēng)扇

      當風(fēng)扇旋轉時(shí)吸進(jìn)空氣，使其通過(guò)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(dòng)路徑的閥門(mén)。它根據冷卻液溫度的高低，打開(kāi)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，當冷卻液溫度低于82℃時(shí)，節溫器關(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(kāi)，冷卻液在缸體水套和缸蓋水套之間循環(huán)，稱(chēng)為小循環(huán)，它能使柴油發(fā)電機迅速到達工作溫度。

（2）大循環(huán)

      如圖6所示，當冷卻液溫度達到92℃時(shí)，節溫器打開(kāi)，即通向散熱器的管路被打開(kāi)，通向缸體水泵入口的旁通管路被關(guān)閉，冷卻液經(jīng)過(guò)散熱器進(jìn)水軟管流入散熱器。在散熱器中冷卻液向流過(guò)散熱器周?chē)目諝馍岫禍?，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(chēng)為大循環(huán)。

 

圖5  冷卻系統小循環(huán)路線(xiàn)圖

圖6  冷卻系統大循環(huán)路線(xiàn)圖

 

三、冷卻液的組成和分類(lèi)

      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(fā)電機水套中產(chǎn)生水垢，使傳熱受阻，易造成柴油發(fā)電機過(guò)熱。純凈水在0℃時(shí)結冰。如果柴油發(fā)電機冷卻系統中的水結冰，將使冷卻水終止循環(huán)引起柴油發(fā)電機過(guò)熱。尤其嚴重的是水結冰時(shí)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(huán)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(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(guò)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(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(diǎn)。

（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(zhù)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(guò)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(chǎn)生，以免因泡沫影響傳熱效率；著(zhù)色劑的作用是使冷卻液具有醒目的顏色，在冷卻系統發(fā)生故障時(shí)容易辨認滲漏位置。

2、冷卻液的分類(lèi)

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

（1）按基礎液類(lèi)型分類(lèi)

① 無(wú)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(wú)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(jīng)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(lèi)。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(lái)，隨著(zhù)人們環(huán)境保護意識的增強，丙二醇型冷卻液在一些發(fā)達國家的使用量在逐漸增加。

（2）按緩蝕劑組成分類(lèi)

① 無(wú)機鹽型

      這種冷卻液的緩蝕劑主要是無(wú)機鹽。無(wú)機鹽緩蝕劑的消耗速度較快，冷卻液在柴油發(fā)電機運行300小時(shí)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(cháng)。

 

 

總結：

      柴油機通常設計時(shí)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(huì )處在高溫、高壓和高速的運動(dòng)狀態(tài)，可能會(huì )給柴油機本身和其他柴油發(fā)電機部件等帶來(lái)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(zhì)量、刻蝕劑的使用量和柴油機的保養情況，都會(huì )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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