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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)電機工作過程狀況。冷卻系統(tǒng)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，更直接影響其經濟性能。康明斯公司通過高溫冷卻試驗和試車試驗，結果表明冷卻水溫度對燃油經濟性的影響極大。因此，提升冷卻系統(tǒng)的效果會使柴油發(fā)電機動力性和經濟性得到了充分發(fā)揮，可滿足柴油發(fā)電機在各種工況下使用。
一、冷卻系統(tǒng)的作用和影響因素
1、冷卻系統(tǒng)的作用
四沖程柴油機通過空氣與燃料在氣缸內部的混合、燃燒，把燃料的化學能轉變?yōu)闊崮?，推動曲柄連桿機構運動，向外輸出扭矩，并把廢氣排入大氣中。在此過程中，有相當一部分熱量通過氣缸壁傳給冷卻水系統(tǒng)，由冷卻水循環(huán)向周圍的環(huán)境散熱。常見的柴油機冷卻系統(tǒng)由冷卻水泵、柴油發(fā)電機冷卻腔、調溫器、散熱水箱、冷卻風扇等組成。
當冷卻效果良好，柴油機能夠運行在最佳工作溫度時，柴油發(fā)電機氣缸內吸進的新鮮空氣量充足，噴入氣缸的燃油能與渦動的空氣充分混合并完全燃燒，輸出最高動力；各部件受熱均勻，變形小；各相對運動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，相對運動部件的磨損降低；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、有效效率等經濟性能指標，還必須考慮在運行過程中各相對運行部件的過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而縮短使用周期的損失，柴油發(fā)電機在工作過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。無論是經濟性能指標，還是柴油發(fā)電機在運行過程中引發(fā)的各種損失，都直接與柴油發(fā)電機的冷卻效果有關。
柴油發(fā)電機的冷卻系統(tǒng)水溫過低，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；水溫過高同樣會引起柴油發(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，零件的磨損速度會增加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(jié)一般使用機械的調節(jié)方法，無法及時地根據柴油發(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(tǒng)無法真正發(fā)揮其功能，進一步惡化柴油發(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(tǒng)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(jié)溫器不能及時打開或打開不完全；
（4）冷卻水道銹蝕或臟污過多堵塞，使用冷卻水流量達不到要求；
（5）冷卻水道中含有氣泡，積存在冷卻腔內沒有放出而造成氣阻；
（6）冷卻水質太臟，水溫過高后產生水垢堵塞水道；
（7）冷卻水管彎折或阻塞；
（8）冷卻水道水垢多，產生阻塞；
（9）柴油發(fā)動機房（或設備）所處環(huán)境不好，通風不佳；
（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生高溫；
（11）冷卻風扇皮帶打滑或松弛、損壞，使散熱風量不足；
（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)電機供油時間不準確，延遲或提前過多導致在缸內燃燒不充分，在排氣管燃燒產生高溫，影響冷卻；
（14）柴油發(fā)電機噴油嘴霧化不良，燃燒不好，在排氣管燃燒產生高溫，影響冷卻；
（15）柴油發(fā)電機負荷過大，導致冷卻系無法滿足冷卻而產生高溫等。
二、提高冷卻效果的措施
1、水垢的清除
如果冷卻系統(tǒng)中已經形成水垢，將嚴重影響康明斯發(fā)電機的冷卻效果，應及時地進行清除。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沖洗，但沖水壓力不能超過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、出水管，氣缸蓋出水管、節(jié)溫器，然后裝回氣缸蓋出水管。
② 用壓力不超過0.3MPa（3kgf/cm2）的清水從氣缸蓋出水管灌進，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、風扇皮帶松緊度的檢查與調整
風扇皮帶不能過緊或過松。過緊會加速皮帶磨損，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，同時也增加了內燃機功率的消耗；過松會使皮帶打滑，充電機、水泵和風扇的轉速降低，影響散熱效率，使充電電壓降低。因此，皮帶過緊或過松時，必須進行調整。
風扇皮帶松緊度的檢查方法，若不符合規(guī)定值，可旋松充電發(fā)電機支架上的固定螺釘，向外移動發(fā)電機時，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、及時向軸承添加潤滑油脂
在發(fā)電機組中修、大修及水泵、風扇等處軸承潤滑油脂不足時，應及時向水泵、風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(tǒng)，系統(tǒng)包括第一換熱器、第二換熱器、水泵、控制閥、過濾器、溫度計和壓力傳感器，冷卻用中間水經過過濾器、水泵和控制閥后通過第二換熱器、發(fā)電機組水道、第一換熱器后回流冷卻再循環(huán)，已持續(xù)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(tǒng)換熱系統(tǒng)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，在工作過程中，通過離心泵將中間水導入冷卻水系統(tǒng)換熱模塊進行冷卻，再將冷卻后的冷卻水送回柴油機冷卻水系統(tǒng)，以保證冷卻水的流量、壓力和溫度，從而整個系統(tǒng)的用電負荷，增加冷卻水系統(tǒng)可靠性。通過兩套板式換熱器，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(tǒng)工作過程 |
圖2 應急柴油發(fā)電機組冷卻水換熱系統(tǒng) |
5、冷卻水的正確使用
（1）冷卻水盡量使用自來水等雜質少的軟水。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 水質不符合上述規(guī)格時，參入規(guī)定量的防銹劑（當地能買到）混合使用。
③ 使用防凍液的時候，濃度等可向康明斯發(fā)電機組代理商咨詢。
（3）冷卻水的補充和檢查
① 擰緊發(fā)動機冷卻水堵頭和排泄旋塞（發(fā)動機出廠時旋塞處于打開狀態(tài)）。
② 補充冷卻水時，打開散熱器端蓋，將水緩緩灌入至端蓋位置，（10L/MIJ）。這時，要注意避免雜質的混入，加水速度太快會混入空氣，這也是引起發(fā)動機過熱的原因，發(fā)動機運轉后水位可能會下降，怠速運轉數分鐘后可檢查一下水位，不足時加以補充。
③ 在運轉中，特別是在高溫時打開散熱器蓋，高溫冷卻水會突然噴出引起燙傷。
④ 排除冷卻水系統(tǒng)內的空氣時，松開發(fā)動機的出口水管或恒溫器上的水溫感應器的話，效果會更好。
三、改進冷卻系統(tǒng)的措施
提高柴油機的經濟性能，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。通過采用新型的冷卻技術，對冷卻系統(tǒng)進行改進，改善冷卻系統(tǒng)的冷卻性能，有利于提高能源的利用率，減少污染物的排出，獲得良好的經濟效益。
1、冷卻系統(tǒng)調溫器的改進
（1）采用電控調溫器代替原有的調溫器
通過對柴油發(fā)電機冷卻水溫度等實施實時監(jiān)測，將水溫等信號轉變?yōu)殡娦盘柦洸裼桶l(fā)電機ECU處理后，控制電控調溫器電磁線圈的供電情況，及時、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開度，控制冷卻系統(tǒng)的水流循環(huán)途徑；適時起動、關閉電動風機及改變風機轉速，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(tǒng)的實機試驗結果表明，設定控制溫度為90 ℃，環(huán)境溫度為15 ℃時，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(tǒng)模糊控制研究表明：冷卻系統(tǒng)智能控制裝置實現了散熱能力控制的智能化，可以精確自動地調節(jié)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，延長了使用壽命，提高了工作效率，減少了故障率。該控制系統(tǒng)可根據柴油發(fā)電機組的運行速度、柴油發(fā)電機的冷卻水溫來綜合控制冷卻系統(tǒng)，從而達到減少電耗、減少油耗的效果。具有性能穩(wěn)定、工作可靠、節(jié)能潛力大等優(yōu)點。
（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。通過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，大大提高調溫閥門的動作靈敏度。可以根據柴油發(fā)電機負荷、轉速、水溫高低要求，由柴油發(fā)電機ECU自動實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、采用電控電動水泵代替直接驅動水泵
采用電控閥門和電控水泵取代傳統(tǒng)的節(jié)溫器和直驅水泵。改變水泵直接受柴油發(fā)電機驅動的限制，冷卻系統(tǒng)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。通過柴油發(fā)電機電控單元對柴油發(fā)電機溫度進行實時監(jiān)測，對冷卻水流量及在不同回路中的流量分配進行精確控制，滿足不同工況下柴油發(fā)電機的冷卻要求，使柴油發(fā)電機冷啟動時間縮短，不同工況下柴油發(fā)電機工作溫度波動小、工作效率高。對柴油發(fā)電機電控冷卻系統(tǒng)研究認為：與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)冷卻方式相比，解除水泵與主軸間的耦合關系，通過精確控制水泵轉速及電控閥門開度，在滿足柴油發(fā)電機冷卻需要的同時冷卻水循環(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小幅波動，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。通過對柴油發(fā)電機冷卻腔結構進行改進，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、壓力和流場分布。 氣缸蓋底部噴油器孔與進、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阻力。對于進入氣缸套冷卻腔的水流進口設計為切向傾斜，有利于形成環(huán)繞圓周方向的流動，使氣缸套周圍的水流速度增大，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hc排放降低20%～35%。
4、冷卻系統(tǒng)中冷卻介質傳熱性能的改善
隨著柴油發(fā)電機的動力性能不斷提高和適應日益嚴格的節(jié)能減排要求。傳統(tǒng)的純水、水與乙二醇混合液等冷卻介質的傳熱性能已不能適應新的技術要求，尋找新型冷卻介質備受各國關注。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(wěn)定、高熱導率的新型傳熱工質，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(tǒng)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，減少熱損失，提高熱效率?？得魉构就ㄟ^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(tǒng)使用60 nm的納米流體，在冷卻條件最惡劣的情況下，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(tǒng)可使重型發(fā)電機組的冷卻系統(tǒng)的尺寸和重量減少10%，這將增加大于5%的燃燒效率；而減少空氣流動阻力、減少冷卻介質的流動損失及驅動風扇的損失，可節(jié)省約10%的油耗。
5、提高對柴油機經濟性能的認識
柴油機的動力性能能否得到合理的發(fā)揮、經濟性能的好壞、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。通過專業(yè)技能的培訓和相關政策、法規(guī)的宣傳，讓廣大用戶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(yǎng)的重要性等有比較清楚的認識。就冷卻系統(tǒng)而言，散熱器肋片的檢查、散熱器蓋的密封性對冷卻系統(tǒng)的影響、水垢的形成與影響、風扇葉片的檢查、冷卻水溫度對柴油發(fā)電機工作的影響等都是專業(yè)技能培訓的內容，使廣大使用者認識到冷卻系統(tǒng)對維持柴油發(fā)電機正常工作、提高柴油發(fā)電機經濟性、減少污染排放的重要性，在使用柴油發(fā)電機過程中，自覺主動按規(guī)范要求操作，提高柴油機的經濟性能。
總結：
冷卻系統(tǒng)對柴油機的使用性能、經濟性能、廢氣排放有著直接的影響，通過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機代替直接驅動風機、采用冷卻腔分流式冷卻設計、采用納米流體等技術，使冷卻效果與柴油機的工作性能更好地匹配，在工作過程中充分發(fā)揮柴油機的動力、減少廢氣排放，能夠有效地提高柴油機的經濟性能。另外，必須注重加強培訓宣傳，提高廣大使用者的專業(yè)技能以及對柴油機經濟性能的認識。
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