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柴油發電機冷卻系統的部件組成和大小循環原理

 

導讀：柴油發電機組的冷卻系統雖然是柴油發電機的輔助系統，但在保證柴油發電機正常工作中起著重要的作用，原理是及時地把發動機零部件所吸收的燃燒氣體產生的熱量進行散發，而促使發動機能夠經常保持在合適的溫度條件下工作，使其防止零部件溫度過高的同時，也延長了其使用周期，從而使發動機能夠充分的發揮出其強勁穩定的功率。

一、冷卻系統的組成

 

      柴油發電機的冷卻系為強制循環水冷系，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。冷卻系主要由水泵、散熱器、冷卻風扇、節溫器、柴油發電機機體和氣缸蓋中的水套以及附屬裝置等組成。

1、冷卻液

      冷卻液冬天又稱防凍液，是由防凍添加劑及防止金屬產生銹蝕的添加劑和水組成的液體。它需要具有防凍性，防蝕性，熱傳導性和不變質的性能。經常使用乙二醇為主要成分，加有防腐蝕添加及水的防凍液。

      發動機要求使用長效防凍防銹液，它是含有50%的水和50%的乙二醇的溶液(容積比)，在標準大氣條件下，沸點為108℃，冰點為-37℃。實驗證明，這種防凍防銹液對各種金屬和橡膠都無腐蝕作用，更換周期為2年。

（1）推薦在大多數氣候條件下使用50％乙烯乙二醇或丙烯乙二醇基的防凍液與50％純凈水的混合液作發動機的冷卻液。對使用濕缸套的發動機建議還需要添加規定濃度的防腐蝕劑DCA4。某些新型防凍液可以不需要DCA4，如弗列加預混型冷卻液；

（3）防凍液具有防凍和防沸的雙重特性，同時還需具有防腐蝕等功能；

 （3）防凍液濃度不能超過68％，否則性能會惡化。

      使用這種長效防凍防銹液，可以防止冷卻器內腔結垢，減少水套穴蝕和銹蝕；提高炎熱季節時的沸點，在冬季時可以防凍；在密封良好的冷卻系中，無需經常添加冷卻液，減少保養工作量。

2、節溫器

      從介紹冷卻循環時，可以看出節溫器是決定走“冷車循環”，還是“正常循環”的。節溫器在80℃后開啟，95℃時開度最大。節溫器不能關閉，會使循環從開始就進入“正常循環”，這樣就造成柴油發電機不能盡快達到或無法達到正常溫度。節溫器不能開啟或開啟不靈活，會使冷卻液無法經過散熱器循環，造成溫度過高，或時高時正常。如果因節溫器不能開啟而引起過熱時，散熱器上下兩水管的溫度和壓力會有所不同。

3、水泵

      水泵的作用是對冷卻液加壓，保證其在冷卻系中循環流動。水泵的故障通常為水封的損壞造成漏液，軸承毛病使轉動不正常或出聲。在出現柴油發電機過熱現象時，最先應該注意的是水泵皮帶，檢查皮帶是否斷裂或松動。

      水泵進口希望能保持正壓，設計時應盡可能提高散熱器上水室的位置。發動機出水口與進水口之間的最大外部壓力降不得超過35 kPa，否則將影響發動機的水泵進口壓力和冷卻液循環速度。盡量不要將風扇裝在水泵上，盡量不用水泵驅動空調壓縮機，減少水泵承受的附加彎矩。

4、散熱器

      柴油發電機工作時，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。散熱器上還有一個重要的小零件，就是散熱器蓋，這小零件很容易被忽略。隨著溫度變化，冷卻液會“熱脹冷縮”，散熱器器因冷卻液的膨脹而內壓增大，內壓到一定時，散熱器蓋開啟，冷卻液流到蓄液罐;當溫度降低，冷卻液回流入散熱器。如果蓄液罐中的冷卻液不見減少，散熱器液面卻有降低，那么，散熱器蓋就沒有工作。

 

圖1  柴油機冷卻系統工作過程

圖2  散熱水箱示意圖

 

5、散熱器管路

      所有管路要有一定的柔性，以適應發動機和散熱器之間的相對運動，防止散熱器的管口振裂。水泵進水管應有一定的剛性，以免發動機工作時被吸扁。

      散熱器的管路可用成形膠管或金屬接管加膠管接頭；金屬接管要進行防銹處理，外徑和發動機進出水口部位的管徑相同或稍大；成形膠管或膠管接頭的內徑應和發動機進出水口的外徑相同或稍大；膠管壁厚應在5 mm以上，且加有一層纖維，膠管性能應符合HG/T2491標準，具有耐熱、耐油性，能在-40℃~120℃溫度下長期正常使用，耐壓能力應超過300kPa；如管路較長時，應對冷卻管路固定，固定間隔約500mm；金屬接管插入連接膠管的長度應大于50 mm，并采用平板帶式卡箍緊固，卡箍到膠管邊緣的距離為5mm～10 mm。

6、冷卻風扇

      柴油發電機組風扇的功能是擴大流經散熱器芯部氣體的空氣流速，增強散熱器的散熱功能，柴油發電機組風扇通常有著排風量大，冷卻效果明顯，且噪音小的特性，按柴油發電機組型號和標定功率的不相同，可選用不相同規格型號的風扇，風扇有吸風式（如圖3）和吹風式（如圖4）這兩種結構特征，使用者可按照需要在訂購時隨意選擇1種。

      冷卻風扇首先要滿足冷卻系統對風量和壓頭的需要；同時要消耗功率小、風扇效率高，且有較寬的高效率區；風扇噪聲小，重量輕，成本低等。目前普遍采用的有金屬風扇和塑料風扇兩種，風扇葉片應具有足夠的強度，以防折斷風葉。確定風扇直徑與轉速時，要注意風扇葉尖的圓周速度不大于91 m/s，否則對風扇噪聲和強度都不利。風扇直徑盡可能與散熱器芯子迎風尺寸基本相同，以便風扇掃過的面積盡可能大地覆蓋散熱器芯子的迎風面積，使氣流全面地通過散熱器。風扇外徑掃過的環形面積一般不小于散熱器芯子迎風面積的55%。

      為考慮冷卻系整體阻力，通過散熱器芯部的壓差不應大于所選風扇特性曲線中最大工作壓力的70%；風扇的風壓、風速等設計應按發動機在標定工況下和在最大扭矩工況下冷卻水所需最大散熱量來計算確定，并經柴油發電機冷卻系統的試驗評價來最終確定。

 

圖3  柴油機吸風式冷卻風扇.

圖4  柴油機吹風式冷卻風扇.

 

7、風扇護罩

      風扇護罩是為了提高風扇的冷卻效率，使通過散熱器芯部的氣流均勻分布，并減少發動機艙內熱空氣回流而設計的，因此，設計風扇護風罩時應注意技術的合理性。

      對于前置發動機，風扇護風罩的設計分整體式和分開式兩種；對于后置式發動機，一般都采用整體式。護風罩與風扇葉尖的徑向間隙應盡可能小，以保證風扇冷卻效率。當采用分開式護風罩時，風扇與護風罩無相對運行，其徑向間隙應不超過風扇直徑的1.5%，或者5 mm～10 mm；當采用整體式護風罩時，風扇與護風罩有相對運動，其徑向間隙也不應超過風扇直徑的2.5%，或者15 mm～20mm。操作員應經常檢查風扇與護風罩之間的徑向間隙，以確保發動機風扇與散熱器發生相對位移時，風扇與護風罩之間不產生碰觸。

      風扇伸入護風罩的軸向位置，與進氣效率有很大關系，對于吸風式風扇，風扇葉片的投影寬度應伸入護風罩內2/3為宜，對于吸風式風扇，風扇葉片的投影寬度應伸入護風罩內1/3為宜。

8、水溫傳感器

      水溫傳感器其實是一個溫度開關，當柴油發電機進水溫度超出92℃以上，就會發生報警并強制停機。其工作原理如圖5所示。

9、節溫器

      節溫器結構如圖6所示。當冷卻液溫度低于規定值時，節溫器感溫體內的石蠟呈固態，節溫器閥在彈簧的作用下關閉發動機與散熱器間的通道，進行小循環。當冷卻液溫度達到規定值后，石蠟開始熔化逐漸變成液體 ，體積隨之增大并壓迫橡膠管使其收縮，在橡膠管收縮的同時對推桿作用以向上的推力。由于推桿上端固定，推桿對橡膠管和感溫體產生向下的反推力使閥門開啟，這時冷卻液經由散熱器和節溫器閥，再經水泵流回發動機，進行大循環。

 

圖5  水溫傳感器原理圖

圖6  節溫器剖面圖

 

10、散熱器蓋

      散熱器壓力蓋一般位于上方（位置如圖7所示），其作用是密封水冷系統并調節系統的工作壓力，原理如圖4所示。當發動機工作時，冷卻液的溫度逐漸升高。由于冷卻液容積膨脹使冷卻系統內的壓力增高，當壓力超過預定值時，壓力閥開啟，一部分冷卻液經溢流管流入補償水桶，以防止冷卻液脹裂散熱器。當發動機停機后，冷卻液的溫度下降，冷卻系統內的壓力也隨之降低。當壓力降到大氣壓力以下出現真空時，真空閥開啟，補償水桶內的冷卻液部分地流回散熱器，可以避免散熱器被大氣壓力壓壞。

     在無膨脹水箱的冷卻系中，壓力蓋裝在散熱器上水室的加注口上，無膨脹水箱的冷卻系統在安裝設計時散熱器上水室的加注口要高出發動機出水口的尺寸至少50毫米；在有膨脹水箱的冷卻系中，壓力蓋裝在膨脹水箱的加注口上。壓力蓋開啟壓力一般有0.5bar、0.7bar、0.9bar、1.05bar四種，應根據使用地區海拔高度選定，以補償由于海拔高度上升引起的大氣太力下降。推薦壓力蓋的開啟壓力為0.5bar～0.9bar，在高原地區使用時為1.05bar。同時，壓力蓋應帶一個真空閥（即空氣閥），真空閥的開啟真空度10±1kPa。因為冷卻液經外溢和冷縮后，系統內將產生負壓，外界空氣可通過真空閥進入散熱器或副水箱，使系統內壓力與外界大氣接近平衡，這樣對管路、密封墊及散熱器等起到保護作用。如果汽車在高原運行，則由于海拔高，冷卻液的沸點降低，更需要采用壓力蓋。否則，要發生早期沸騰，發動機無法正常工作。

圖7  柴油機水箱壓力蓋位置圖

圖8   柴油機冷卻水箱蓋工作原理圖

 

二、冷卻系統的循環功能

 

      冷卻系統除了對發動機有冷卻作用外，還有"保溫"的作用，因為"過冷"或"過熱"，都會影響發動機的正常工作。這個過程主要是通過節溫器實現發動機冷卻系統"大小循環"的切換。什么是冷卻系統的大小循環?可以簡單理解為，小循環的冷卻液是不通過散熱器的，而大循環的冷卻液是通過散熱器的。冷卻系統能根據當前的冷卻液溫度，實現系統的大、小循環，實現冷卻強度的自動調節。 

1、小循環

      原理如圖9所示。冷卻液溫度較低時，柴油發電機需要一個暖機過程，此時節溫器關閉，冷卻液循環路線：水泵—機體、缸蓋水套一缸蓋水套出水管一節溫器一水泵。由于不經過散熱器，冷卻液溫度上升速度快。

2、大循環

      原理如圖10所示。當冷卻液溫度較高時（80℃以上）時，節溫器打開，冷卻液循環路線：水泵—機體、缸蓋水套—缸蓋水套出水管—節溫器—散熱器—水泵。由于經過散熱器，冷卻液將從機件吸收的熱量散發到大氣中，有效地控制了柴油發電機溫度。

 

圖9  柴油發電機冷卻系統小循環原理

圖10  柴油發電機冷卻系統大循環原理

 

總結：

      在進行發動機冷卻系統的管路連接中，對發動機和冷卻系統散熱器之間的連接管路，應確保其線路盡量為直形，盡量避免或減少彎曲，以確保系統運行中散熱器中空氣的排出；此外，對系統連接管路的選型設置，應盡量確保其管路具有較好的柔性，能夠對發動機和系統散熱器之間的相對運動及其性能要求有效適應；對發動機和散熱器之間的距離設置相對較遠，從而導致其管路連接相對較長的情況，應在管路布設中盡量沿著水流的方向向上合理翹起，盡量避免水平或者是呈凸形布置的情況發生，從而對系統管路的連接效果產生影響。一般情況下，進行冷卻系統的管路連接中，對連接管路多會選擇膠管或者是金屬管，對金屬管管路則需要增加膠管接頭，且金屬管伸入膠管接頭的長度應超過50mm,而選擇膠管作為管路的設計情況中，要求其管壁厚度在5mm以上；對管路連接距離較長的情況，還需要在中間進行固定支撐搭設應用，其支撐距離一般控制為500mm。

      總之，冷卻系統在發動機運行的良好性能支持以及整體性能提升等方面，都具有十分重要的作用和影響，并且良好的冷卻系統設計和運行，能夠對發呆安機組運行中的有關故障問題進行有效避免。尤其是隨著發動機性能不斷優化和提升，受渦輪增壓器的應用影響，其發動機在發電機組運行中的熱負荷增加更為明顯。

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