摘要：發動機在工作時，由于燃料的燃燒以及運動零件間的摩擦產生大量的熱量，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，如果沒有適當的冷卻，將不能保證發動機的正常工作，冷卻系統的作用就是維持發動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、風扇、水溫調節裝置和水溫表等。隨著柴油機工業的發展，人們對柴油發電機供電的要求也越來越高，這就給發電機組制造商提出了更高的要求。整機的冷卻系一個根本的性能指標，冷卻系統好壞直接影響到柴油發電機的安全運行。為此，用戶和使用人員了解柴油發電機冷卻系統的設計要求、工作原理及組成部分是至關重要的。
一、冷卻系統的設計要求
冷卻系統由散熱器、風扇、膨脹箱等部件組成。其功能是對發動機進行強制冷卻，保證發動機能始終處于最適宜的溫度狀態下工作，以獲得較高的動力性、經濟性及可靠性。
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，發動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）如果使用長效防凍防銹液作冷卻液和0.5bar以下的壓力蓋時，發動機出水口的溫度允許到105℃;使用長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傳統的熱平衡計算方法，并輔以相應的CFD軟件進行冷卻系統內流場計算分析，最終以發電機組高溫試驗結果對冷卻系統設計是否滿足使用要求進行確認。以康明斯發動機冷卻系統為例（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，其主要作用是對發動機進行強制冷卻，以保證發動機能始終處于最適宜的溫度狀態下工作，以獲得最高的動力性、經濟性和可靠性。
（2）散熱器和風扇組合匹配效率是當散熱器芯子未被氣流掃過的面積最小時為最高，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、芯子的迎風面積、結構形狀和結構尺寸要通過發動機冷卻系統所需最大散熱量來計算確定，并應通過試驗評價來最終確定。理論計算一般是根據有關計算公式及所配發動機的相關參數，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、散熱器及風扇計算過程
（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——發動機燃料消耗率（g/kw·h）；
Pe——發動機功率（kw）；
hn——燃料低熱值（kJ/kg）。
（2）冷卻水的循環量Vw的計算公式
Vw=Qw/（tw1-tw2）γwcw(m3/s)....................（式2）
式中：tw1——發動機出水口溫度（一般為85℃~95℃)
tw2——發動機進水口溫度（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——空氣進入散熱器以前與通過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口溫度（一般為40℃)
（5）風扇風量
Vf=1.2 Va(m3/s)....................（式4）
（6）風扇外徑D的計算
D=（0.79~0.93）·（Fr）0.5（m）....................（式5）
（7）冷卻能力評價
TC=Tmax－(tw1-Te)
推薦標準：TC=36℃-54℃
式中，TC——極限使用環境溫度
Tmax——為最高允許出水溫度
tw1——為發動機的出水口溫度
Te——為環境溫度。
散熱器進風口的實際面積不得小于散熱器芯子迎風面積的80%，以防止散熱能力下降。
二、冷卻系統工作過程
康明斯發動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節溫器將低溫水吸入，冷卻液首先經機油散熱器進入汽缸體內水套冷卻汽缸套，再由水道進入冷卻汽缸蓋的水套中，最后回到散熱器。
1、冷卻液小循環
冷發動機在熱起前，水溫低于83℃時，主閥門關閉，旁通閥門開放，冷卻水只能經旁通管直接流回水泵進水口，又被水泵壓入水套。此時水不流經散熱器，只在水套和水泵間小范圍循環。此時，冷卻強度小、促使水溫迅速上升，從而保證發動機各部位均勻迅速地熱起或避免發動機過冷。由于冷卻水的流動路線短、流量小，故稱小循環，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
當發動機內水溫升高達95℃時，主閥門全開，旁通閥全關閉，冷卻水全部流進散熱器。此時，冷卻強度增大，促使水溫下降或不致過高。由于這時的冷卻水流動路線長、流量大，故稱大循環，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
當發動機內冷卻水處于上述兩種溫度之間時，主閥門和旁通閥均部分開放，故冷卻水的大小循環同時存在。此時冷卻水的循環稱為混合循環。
其中，4B\6C系列康明斯發動機均為無汽缸套水冷發動機。冷卻液為傳熱介質，再傳給空氣，也就是以少量的水進行不斷循環的力法，在發動機水套中吸收多余熱量，再流到散熱器中散去熱量。由于水套進出口的溫差較小，汽缸下部不致過冷，且水冷的冷卻強度大小容易調節，能保持發動機的正常溫度。并能用熱水預熱發動機，便于冬季啟動。
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圖3 冷卻液小循環示意圖 |
圖4 冷卻系統大循環示意圖 |
三、發動機過冷或過熱的危害
1、發動機過熱的危害
① 充氣效率降低，導致發動機功率下降。
② 早燃和爆燃的傾向加大，破壞了發動機的正常工作、同時也促使零件承受額外的沖擊載荷而造成早期損壞。
③ 運動件間的正常間隙被破壞，使零件不能正常運動，甚至損壞。
④ 金屬材料的力學性能降低，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。發動機的冷卻，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行必要的強制冷卻，才能保證發動機正常運轉。但是，過分的冷卻也會引起不良后果。
2、發動機過冷的危害
① 進入汽缸的可燃混合氣(或空氣)溫度太低，使點燃困難或燃燒遲緩，造成發動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，加重了對零件特別是汽缸壁的侵蝕作用。
④ 因溫度過低而未汽化的燃料對摩擦表面(汽缸壁、活塞、活塞環等)上油膜的沖刷以及對潤滑油的稀釋，加重了對零件的磨損。
總結：
柴油機工作溫度過高或過低都會降低它的動力性和經濟性。冷卻系統的作用是保持柴油機在最適宜的溫度狀態下工作，以獲得良好的經濟性、動力性和耐久性。為了提高散熱的散熱效果，其進、出水管口內徑尺寸應與發動機出、進水管口尺寸一致，另外還應保證進出水口在上下位置盡量錯開，處于對角線上最好，不要在同一側。
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