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柴油發(fā)電機冷卻系統(tǒng)的部件組成和大小循環(huán)原理

 

導(dǎo)讀：柴油發(fā)電機組的冷卻系統(tǒng)雖然是柴油發(fā)電機的輔助系統(tǒng)，但在保證柴油發(fā)電機正常工作中起著重要的作用，原理是及時地把發(fā)動機零部件所吸收的燃燒氣體產(chǎn)生的熱量進行散發(fā)，而促使發(fā)動機能夠經(jīng)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(fā)動機能夠充分的發(fā)揮出其強勁穩(wěn)定的功率。

一、冷卻系統(tǒng)的組成

 

      柴油發(fā)電機的冷卻系為強制循環(huán)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(fā)電機中循環(huán)流動。冷卻系主要由水泵、散熱器、冷卻風(fēng)扇、節(jié)溫器、柴油發(fā)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(chǎn)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(dǎo)性和不變質(zhì)的性能。經(jīng)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(fā)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(fā)動機的冷卻液。對使用濕缸套的發(fā)動機建議還需要添加規(guī)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(yù)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(nèi)腔結(jié)垢，減少水套穴蝕和銹蝕；提高炎熱季節(jié)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(jīng)常添加冷卻液，減少保養(yǎng)工作量。

2、節(jié)溫器

      從介紹冷卻循環(huán)時，可以看出節(jié)溫器是決定走“冷車循環(huán)”，還是“正常循環(huán)”的。節(jié)溫器在80℃后開啟，95℃時開度最大。節(jié)溫器不能關(guān)閉，會使循環(huán)從開始就進入“正常循環(huán)”，這樣就造成柴油發(fā)電機不能盡快達到或無法達到正常溫度。節(jié)溫器不能開啟或開啟不靈活，會使冷卻液無法經(jīng)過散熱器循環(huán)，造成溫度過高，或時高時正常。如果因節(jié)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(huán)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(zhuǎn)動不正?；虺雎暋Ｔ诔霈F(xiàn)柴油發(fā)電機過熱現(xiàn)象時，最先應(yīng)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(shè)計時應(yīng)盡可能提高散熱器上水室的位置。發(fā)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(fā)動機的水泵進口壓力和冷卻液循環(huán)速度。盡量不要將風(fēng)扇裝在水泵上，盡量不用水泵驅(qū)動空調(diào)壓縮機，減少水泵承受的附加彎矩。

4、散熱器

      柴油發(fā)電機工作時，冷卻液在散熱器芯內(nèi)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(nèi)壓增大，內(nèi)壓到一定時，散熱器蓋開啟，冷卻液流到蓄液罐;當(dāng)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(tǒng)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(yīng)發(fā)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(yīng)有一定的剛性，以免發(fā)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(fā)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(nèi)徑應(yīng)和發(fā)動機進出水口的外徑相同或稍大；膠管壁厚應(yīng)在5 mm以上，且加有一層纖維，膠管性能應(yīng)符合HG/T2491標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)超過300kPa；如管路較長時，應(yīng)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(yīng)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(fēng)扇

      柴油發(fā)電機組風(fēng)扇的功能是擴大流經(jīng)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(fā)電機組風(fēng)扇通常有著排風(fēng)量大，冷卻效果明顯，且噪音小的特性，按柴油發(fā)電機組型號和標(biāo)定功率的不相同，可選用不相同規(guī)格型號的風(fēng)扇，風(fēng)扇有吸風(fēng)式（如圖3）和吹風(fēng)式（如圖4）這兩種結(jié)構(gòu)特征，使用者可按照需要在訂購時隨意選擇1種。

      冷卻風(fēng)扇首先要滿足冷卻系統(tǒng)對風(fēng)量和壓頭的需要；同時要消耗功率小、風(fēng)扇效率高，且有較寬的高效率區(qū)；風(fēng)扇噪聲小，重量輕，成本低等。目前普遍采用的有金屬風(fēng)扇和塑料風(fēng)扇兩種，風(fēng)扇葉片應(yīng)具有足夠的強度，以防折斷風(fēng)葉。確定風(fēng)扇直徑與轉(zhuǎn)速時，要注意風(fēng)扇葉尖的圓周速度不大于91 m/s，否則對風(fēng)扇噪聲和強度都不利。風(fēng)扇直徑盡可能與散熱器芯子迎風(fēng)尺寸基本相同，以便風(fēng)扇掃過的面積盡可能大地覆蓋散熱器芯子的迎風(fēng)面積，使氣流全面地通過散熱器。風(fēng)扇外徑掃過的環(huán)形面積一般不小于散熱器芯子迎風(fēng)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(yīng)大于所選風(fēng)扇特性曲線中最大工作壓力的70%；風(fēng)扇的風(fēng)壓、風(fēng)速等設(shè)計應(yīng)按發(fā)動機在標(biāo)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(jīng)柴油發(fā)電機冷卻系統(tǒng)的試驗評價來最終確定。

 

圖3  柴油機吸風(fēng)式冷卻風(fēng)扇.

圖4  柴油機吹風(fēng)式冷卻風(fēng)扇.

 

7、風(fēng)扇護罩

      風(fēng)扇護罩是為了提高風(fēng)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(fā)動機艙內(nèi)熱空氣回流而設(shè)計的，因此，設(shè)計風(fēng)扇護風(fēng)罩時應(yīng)注意技術(shù)的合理性。

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

      風(fēng)扇伸入護風(fēng)罩的軸向位置，與進氣效率有很大關(guān)系，對于吸風(fēng)式風(fēng)扇，風(fēng)扇葉片的投影寬度應(yīng)伸入護風(fēng)罩內(nèi)2/3為宜，對于吸風(fēng)式風(fēng)扇，風(fēng)扇葉片的投影寬度應(yīng)伸入護風(fēng)罩內(nèi)1/3為宜。

8、水溫傳感器

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

9、節(jié)溫器

      節(jié)溫器結(jié)構(gòu)如圖6所示。當(dāng)冷卻液溫度低于規(guī)定值時，節(jié)溫器感溫體內(nèi)的石蠟呈固態(tài)，節(jié)溫器閥在彈簧的作用下關(guān)閉發(fā)動機與散熱器間的通道，進行小循環(huán)。當(dāng)冷卻液溫度達到規(guī)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(chǎn)生向下的反推力使閥門開啟，這時冷卻液經(jīng)由散熱器和節(jié)溫器閥，再經(jīng)水泵流回發(fā)動機，進行大循環(huán)。

 

圖5  水溫傳感器原理圖

圖6  節(jié)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(tǒng)并調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作壓力，原理如圖4所示。當(dāng)發(fā)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(tǒng)內(nèi)的壓力增高，當(dāng)壓力超過預(yù)定值時，壓力閥開啟，一部分冷卻液經(jīng)溢流管流入補償水桶，以防止冷卻液脹裂散熱器。當(dāng)發(fā)動機停機后，冷卻液的溫度下降，冷卻系統(tǒng)內(nèi)的壓力也隨之降低。當(dāng)壓力降到大氣壓力以下出現(xiàn)真空時，真空閥開啟，補償水桶內(nèi)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(tǒng)在安裝設(shè)計時散熱器上水室的加注口要高出發(fā)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(yīng)根據(jù)使用地區(qū)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(qū)使用時為1.05bar。同時，壓力蓋應(yīng)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(jīng)外溢和冷縮后，系統(tǒng)內(nèi)將產(chǎn)生負(fù)壓，外界空氣可通過真空閥進入散熱器或副水箱，使系統(tǒng)內(nèi)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(fā)生早期沸騰，發(fā)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(tǒng)的循環(huán)功能

 

      冷卻系統(tǒng)除了對發(fā)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(fā)動機的正常工作。這個過程主要是通過節(jié)溫器實現(xiàn)發(fā)動機冷卻系統(tǒng)"大小循環(huán)"的切換。什么是冷卻系統(tǒng)的大小循環(huán)?可以簡單理解為，小循環(huán)的冷卻液是不通過散熱器的，而大循環(huán)的冷卻液是通過散熱器的。冷卻系統(tǒng)能根據(jù)當(dāng)前的冷卻液溫度，實現(xiàn)系統(tǒng)的大、小循環(huán)，實現(xiàn)冷卻強度的自動調(diào)節(jié)。 

1、小循環(huán)

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

2、大循環(huán)

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

 

圖9  柴油發(fā)電機冷卻系統(tǒng)小循環(huán)原理

圖10  柴油發(fā)電機冷卻系統(tǒng)大循環(huán)原理

 

總結(jié)：

      在進行發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的管路連接中，對發(fā)動機和冷卻系統(tǒng)散熱器之間的連接管路，應(yīng)確保其線路盡量為直形，盡量避免或減少彎曲，以確保系統(tǒng)運行中散熱器中空氣的排出；此外，對系統(tǒng)連接管路的選型設(shè)置，應(yīng)盡量確保其管路具有較好的柔性，能夠?qū)Πl(fā)動機和系統(tǒng)散熱器之間的相對運動及其性能要求有效適應(yīng)；對發(fā)動機和散熱器之間的距離設(shè)置相對較遠(yuǎn)，從而導(dǎo)致其管路連接相對較長的情況，應(yīng)在管路布設(shè)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(fā)生，從而對系統(tǒng)管路的連接效果產(chǎn)生影響。一般情況下，進行冷卻系統(tǒng)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(yīng)超過50mm,而選擇膠管作為管路的設(shè)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(shè)應(yīng)用，其支撐距離一般控制為500mm。

      總之，冷卻系統(tǒng)在發(fā)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(tǒng)設(shè)計和運行，能夠?qū)Πl(fā)呆安機組運行中的有關(guān)故障問題進行有效避免。尤其是隨著發(fā)動機性能不斷優(yōu)化和提升，受渦輪增壓器的應(yīng)用影響，其發(fā)動機在發(fā)電機組運行中的熱負(fù)荷增加更為明顯。

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