新聞主題	柴油發電機冷卻系統布置方式

 

摘要：柴油發動機工作時，燃油在燃燒室內燃燒產生大量的熱量，使氣缸內氣體溫度高達1800℃以上。如不加以適當的冷卻，會使柴油機過熱，充氣系數下降，燃燒不正常（爆燃、早燃等），機油變質和燒損，零件的摩擦和磨損加劇，引起柴油發電機組的動力性、經濟性、可靠性和耐久性全面惡化。但是，如果冷卻過強，柴油機混合氣形成不良，機油被燃油稀釋，柴油機工作粗暴，散熱損失和摩擦損失增加，零件的磨損加劇，也會使柴油機工作變壞。因此，柴油發電機組要正常發電，就必須設計有效的冷卻系統，而選擇適當的冷卻型式與布置方式更成為其關鍵因素。

 

一、冷卻型式

 

1、水冷

      在水冷柴油機上，采用一個循環水泵迫使冷卻水流過氣缸套和氣缸蓋需要冷卻的部分，通過適當布置導水管或采用其他導流措施，可以對熱負荷很嚴重的部分（氣門間的鼻梁區、氣缸套上緣等）實現有效的冷卻。內燃機的發明人奧托（O tto）就是采用水作為冷卻氣缸的介質。水具有良好的熱容量（比熱大），與壁面之間的換熱系數較高，而且一般說來，也是比較便宜和隨手可得的，這也就是水冷方式目前得到廣泛應用的原因。但水冷方式也存在一些缺點，因為不是任何一種水都適用于作冷卻劑，因此，現代發動機利用防高溫冷卻液（如弗列加預混合冷卻液）來代替水作為冷卻介質。

（1）蒸發冷卻

      在開式冷卻系統中，利用水的汽化潛熱（其值在100℃時為2258kJ/kg）可以達到良好的冷卻效果。根據燃油耗率和通過冷卻水所帶走的熱量比例，可以估算出這種冷卻方式需消耗的冷卻水量為1~3L/kW·h。這種冷卻方式主要用于一些老式的小型柴油機上。

（2）開式循環冷卻

      在開式循環水冷卻方式中，冷卻水連同帶走的熱量重新流回江湖中去。因為自然界的水一般處于低溫狀態（最高35℃），為了防止熱應力過大，柴油機的進出口溫度又不允許太高（僅允許20℃左右），致使在這種冷卻方式下柴油機總是在比較冷的狀態下運轉。因此實際上經常應用的是一種屬于半開式循環的混合冷卻方式，在這種冷卻方式中，為了保持預先規定的溫度狀態，只有一部分水參與開式循環。

（3）閉式循環冷卻

      柴油發電機大部分采用此種冷卻型式。其原理是水泵從散熱水箱內吸入低溫水，升高壓力后，送到機油冷卻器，然后流經汽缸體和汽缸的冷卻水套，帶走熱量后經問水管流回散熱水箱進行降溫。冷卻水不斷地循環流動，使柴油機的工作溫度保持在一定范圍內。通常冷卻水出門溫度為343~363K。閉式系統中，水在密閉系統內循環，冷卻系統的蒸壓力大于大氣壓力，由于冷卻水溫與外界氣溫溫差加大，因而提高了整個冷卻系統的散熱能力。

（4）壓力冷卻

      當散熱器和貯水箱都與大氣相通時，冷卻介質處于大氣壓力的作用下，壓力式冷卻方式的優點是可以通過提高冷卻水溫度（如120℃）來縮小散熱器的尺寸。它的缺點是密封比較困難，而且減少了柴油機進出口水的溫差，這種冷卻型式主要應用在飛機內燃機上。

2、風冷

      單缸風冷柴油機是一種較為簡單的內燃機，由缸體、曲軸、連桿、活塞、氣門、噴油器、供油系統、點火系統、排氣系統、冷卻系統等組件組成。其中，缸體是內燃機的核心零部件，缸內活塞與曲軸相連，氣門控制著進氣和排氣過程，而噴油器則負責將燃油噴入缸內。

      其工作原理是燃油與空氣通過噴油器和氣門進入缸內，在活塞上升過程中進行壓縮，在活塞到達頂點時噴油器噴出燃油，燃油在高溫高壓氣體的作用下瞬間燃燒，產生高溫高壓氣體推動活塞向下運動，從而帶動曲軸旋轉，產生機械動力。

      為了保證缸內氣體的充分混合和燃燒，單缸風冷柴油機還配備了氣門和噴油器。氣門負責進氣和排氣，噴油器則負責將燃油直接噴入缸內。在活塞下行時，缸內氣體排出，同時噴油器向缸內噴射燃油，在高溫高壓氣體的作用下自燃燃燒，推動活塞向上運動，完成一個工作循環。

3、活塞冷卻

      活塞頂部從燃燒室接受的熱量，大部分是通過活塞環傳給氣缸壁的（缸壁外圓受到冷卻），還有一小部分熱量則通過活塞裙傳到氣缸壁或由飛濺至活塞底面的機油帶走。雖然隨著柴油機強化程度的提高，對活塞耐熱性能的要求愈來愈高，但是對于熱負荷較高的柴油機活塞，必須加強冷卻措施。

 

二、閉式循環冷卻的布置特點

 

      在閉式循環冷卻方式中（如圖1所示），冷卻水在水泵的壓力下進行封閉循環，水泵出來的冷卻水經機油冷卻器，有時還有液力傳動油散熱器和增壓空氣中冷器，進入機體各個氣缸周圍，再由此向上冷卻氣缸蓋以后經出水總管流出，從出水總管流出的水先流到節溫器，當水溫較低時，節溫器控制水流不經過散熱器而直接返回水泵的吸水端；當水溫較高時，則使冷卻水經過散熱器后再返回水泵吸水端，節溫器起作用的溫度約為85℃~90℃。當散熱器尺寸足夠時，通過節溫器的自動調節作用，可使冷卻水溫度在上述溫度范圍內基本維持恒定，而不受發動機負荷的影響。冷卻水在一般蜂巢式散熱器（冷卻水箱）中受到空氣的再冷卻，當用空氣冷卻時，用風扇將冷卻空氣吹過散熱器，此風扇可由發動機直接驅動。整個水冷流程如圖2所示。

      在小型發動機上，冷卻水泵大多用三角皮帶驅動，發電機亦由此三角皮帶驅動并同時用來調節皮帶的張緊程度，能采用三角皮帶驅動的條件是水泵布置在發動機前上方的機體端面上。水泵這種布置方案的優點是，冷卻水能夠以最短的路程由水泵直接流入機體而毋需專門的管道，此外在這種方案中，風扇葉片正好可以裝在水泵的三角皮帶輪的輪轂上而不需要另外的支承。但是水泵裝在機體的前端面上以后會影響發動機的長度。若我們要求盡量縮短發動機長度時，則只能將水泵布置在發動機側面，這樣一來，前述省管道和布置風扇比較方便的兩項優點也就不存在了，但將風扇與水泵裝在一起也是有缺點的。因為這樣一來水泵和風扇的轉速完全一樣。為了使噪聲不至于過大，風扇葉尖的圓周速度不允許超過75~80m/s，風扇的轉速因此受到一定的限制，致使水泵的轉速不可能得到有利的發揮。

 

圖1  閉式循環冷卻系統圖

圖2  柴油機冷卻系統水冷流程圖

 

 

 

三、柴發冷卻系統的安裝布置

 

    備用發電機組帶載運行時，大小約為發電機組輸出功率71.43%的燃燒熱需要冷卻系統從發動機本體帶出，因此，備用電源系統要按其裝機容量正常發電，就必須在項目前期規劃過程中考慮備用電源的機房設計，并在備用發電機組選型時根據環境溫度、機房最大容許進風量等用戶環境條件，確定發電機組最合適的冷卻系統設計方案，以確保發電機組發電過程中20%～40%的燃燒熱量能有效帶出冷卻，否則備用電源系統無法滿足用戶環境下負載的啟動運行需求。

  柴油發電機組的冷卻系統安裝布置時，可分為聯機式冷卻系統和遠置式冷卻系統：

1、聯機式冷卻系統

      其中聯機式冷卻系統即一體式冷卻系統，在發電機組的開發階段驗證定型，可靠性和冷卻效率都很高，性價比高且現場安裝簡單，故障率低且故障處理容易，但對發電機房的進風量要求大，發電機組運行時水箱/散熱器風扇噪聲大。如進風量不夠時，很容易出現高水溫現象，因此，若有必要可加裝熱交換器系統（如圖3所示）。

2、外循環冷卻系統

      主要加裝冷卻水塔和熱交換器同時使用，如圖4所示。發動機冷卻系統與熱交換器低溫端形成內循環，熱交換器高溫端與冷卻水塔連接形成外循環。

     當機房的溫度偏高而遇通風系統不暢時，可以考慮冷卻水塔作為冷卻系統。冷卻水塔的工作原理和遠置水箱原理差不多，不過后者循環水是全封閉式，而水塔的水會經過室外的空氣進行冷卻，室外空氣中的塵埃及酸性雨水會對水塔循環水造成污染，因此使用水塔時，應注意對循環水做處理。

 

圖3  柴油發電機組冷熱交換器示意圖

圖4  冷卻水塔+熱交換器冷卻系統

 

3、遠置式冷卻系統

      遠置式冷卻系統即分體式冷卻系統，其水箱/散熱器遠置于發電機房外，冷卻系統具體方案在機房設計階段定型，屬于客戶化設計，故可靠性和冷卻效率都比較低，且現場安裝復雜，故障率高且故障處理難度大，但發電機組運行對機房的進風量要求較小，發電機組運行時機房內噪聲較小。

（1）立式遠置水箱

      安裝布置如圖5所示。當遠置式散熱器與發動機的距離和高度產生的壓阻不超過允許值時，發動機的冷卻系統可以直接與遠置散熱器連接形成內循環。立式水箱的優點是結構簡單、占地面積小和成本低。但是，在商業中心和住宅區需要進行嚴格的噪聲控制。

（2）立式遠置水箱+熱交換器

      安裝布置如圖6所示。當遠置式散熱器與發動機的距離和高度產生的壓阻超過允許值時，發動機的冷卻系統與熱交換器低溫端直接形成內循環，熱交換器高溫端與遠置散熱器連接形成外循環。

 

圖5  柴油發電機立式遠置水箱安裝圖

圖6  立式遠置水箱+熱交換器冷卻系統

 

（3）臥式遠置水箱

      安裝布置如圖7所示。當遠置式散熱器與發動機的距離和高度產生的壓阻不超過允許值時，發動機的冷卻系統可以直接與遠置散熱器連接形成內循環。臥式遠置散熱器的優點是散熱效果好、噪聲容易控制。缺點是占地面積大、成本高。

（4）臥式遠置水箱+熱交換器

      安裝布置如圖8所示。當遠置式散熱器與發動機的距離和高度產生的壓阻超過允許值時，發動機的冷卻系統與熱交換器低溫端直接形成內循環，熱交換器高溫端與遠置散熱器連接形成外循環。

 

圖7  柴油發電機臥式遠置水箱安裝圖

圖8  臥式遠置水箱遠置+熱交換器冷卻系統

 

四、冷卻系統的設計考量因素

 

      備用電源的冷卻方式，即柴油發電機組采用何種冷卻系統，受制于發電機組發動機進氣方式，應在備用發電機組選型和機房土建規劃時確定。

1、如果備用發電機組采用渦輪增壓空空中冷，則只能采用跌機式冷卻系統。

2、如果發電機組采用渦輪增壓單泵雙循環空水中冷，則建議采用聯機式冷卻系統。

3、如果備用發電機組采用其它進氣方式，且機房滿足所有發電機組滿載運行的進風量需求，則發電機組應當優先采用聯機式冷卻系統，但如果機房需要進一步降噪，則可以考慮采用遠置式冷卻系統。

4、如果機房進風量無法通過土建規劃設計滿足發電機組滿載運行的進風量需求，則必須采用遠置式冷卻系統，此時不能選用渦輪增壓空空中冷的備用發電機組，也不建議選用渦輪增壓單泵雙循環空水中冷發電機組。

5、備用電源采用跌機式冷卻方式時，機房設計不需要考慮冷卻系統設計，直接使用發電機組聯機式冷卻系統即可，但機房的進風量，一定得按用戶環境（海拔高度和環境溫度）下各用系統滿載運行時的總進風量需求設計。

6、備用電源采用遠置式冷卻方式時，安裝于機房外的水箱/散熱器與發電機組的相對位置，決定備用電源系統采用哪種冷卻系統設計方案。

 

總結：

　柴油發電機組在運行中常處于高溫狀態，過高的溫度不僅蘊藏著危險，因燃燒空氣的膨脹也會導致運轉效率的下降。因必須用冷卻液對不斷對發動機、潤滑油和燃燒空氣進行冷卻。使冷卻水保持低溫的辦法，一般有內循環空氣冷卻和其它外循環低溫水冷卻二種。對它們的選擇，根據發電機組安裝場所和運行環境而定。對于柴油發電機組而言，最簡單也是相對可靠的莫過于閉式內循環系統。因為閉式冷卻系統的一個獨特之處就是相對于外界是獨立的系統，如果因某些不可抗拒因素導致公用電源故障，這亦可能切斷了供水，使所有靠公共供水冷卻的柴油發電機組出現重大安全隱患。

　　除了上文所述因素外，冷卻方式的選擇也有其他方面的影響。首先，在寸土寸金的今天，設備的布置必須考慮最有效的空間利用；其次是商業中心地段和住宅區等對噪聲的抑制的高要求，以及投資的經濟性。所以，有些項目的冷卻系統解決方案，有很大的挑戰性，而康明斯公司對于迎接挑戰具有天然的優勢。

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