新聞主題	柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)布置方式

 

摘要：柴油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，燃油在燃燒室內(nèi)燃燒產(chǎn)生大量的熱量，使氣缸內(nèi)氣體溫度高達(dá)1800℃以上。如不加以適當(dāng)?shù)睦鋮s，會(huì)使柴油機(jī)過(guò)熱，充氣系數(shù)下降，燃燒不正常（爆燃、早燃等），機(jī)油變質(zhì)和燒損，零件的摩擦和磨損加劇，引起柴油發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性全面惡化。但是，如果冷卻過(guò)強(qiáng)，柴油機(jī)混合氣形成不良，機(jī)油被燃油稀釋?zhuān)裼蜋C(jī)工作粗暴，散熱損失和摩擦損失增加，零件的磨損加劇，也會(huì)使柴油機(jī)工作變壞。因此，柴油發(fā)電機(jī)組要正常發(fā)電，就必須設(shè)計(jì)有效的冷卻系統(tǒng)，而選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s型式與布置方式更成為其關(guān)鍵因素。

 

一、冷卻型式

 

1、水冷

      在水冷柴油機(jī)上，采用一個(gè)循環(huán)水泵迫使冷卻水流過(guò)氣缸套和氣缸蓋需要冷卻的部分，通過(guò)適當(dāng)布置導(dǎo)水管或采用其他導(dǎo)流措施，可以對(duì)熱負(fù)荷很?chē)?yán)重的部分（氣門(mén)間的鼻梁區(qū)、氣缸套上緣等）實(shí)現(xiàn)有效的冷卻。內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明人奧托（O tto）就是采用水作為冷卻氣缸的介質(zhì)。水具有良好的熱容量（比熱大），與壁面之間的換熱系數(shù)較高，而且一般說(shuō)來(lái)，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(yīng)用的原因。但水冷方式也存在一些缺點(diǎn)，因?yàn)椴皇侨魏我环N水都適用于作冷卻劑，因此，現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)利用防高溫冷卻液（如弗列加預(yù)混合冷卻液）來(lái)代替水作為冷卻介質(zhì)。

（1）蒸發(fā)冷卻

      在開(kāi)式冷卻系統(tǒng)中，利用水的汽化潛熱（其值在100℃時(shí)為2258kJ/kg）可以達(dá)到良好的冷卻效果。根據(jù)燃油耗率和通過(guò)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(jī)上。

（2）開(kāi)式循環(huán)冷卻

      在開(kāi)式循環(huán)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?yàn)樽匀唤绲乃话闾幱诘蜏貭顟B(tài)（最高35℃），為了防止熱應(yīng)力過(guò)大，柴油機(jī)的進(jìn)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(jī)總是在比較冷的狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)。因此實(shí)際上經(jīng)常應(yīng)用的是一種屬于半開(kāi)式循環(huán)的混合冷卻方式，在這種冷卻方式中，為了保持預(yù)先規(guī)定的溫度狀態(tài)，只有一部分水參與開(kāi)式循環(huán)。

（3）閉式循環(huán)冷卻

      柴油發(fā)電機(jī)大部分采用此種冷卻型式。其原理是水泵從散熱水箱內(nèi)吸入低溫水，升高壓力后，送到機(jī)油冷卻器，然后流經(jīng)汽缸體和汽缸的冷卻水套，帶走熱量后經(jīng)問(wèn)水管流回散熱水箱進(jìn)行降溫。冷卻水不斷地循環(huán)流動(dòng)，使柴油機(jī)的工作溫度保持在一定范圍內(nèi)。通常冷卻水出門(mén)溫度為343~363K。閉式系統(tǒng)中，水在密閉系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，冷卻系統(tǒng)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(gè)冷卻系統(tǒng)的散熱能力。

（4）壓力冷卻

      當(dāng)散熱器和貯水箱都與大氣相通時(shí)，冷卻介質(zhì)處于大氣壓力的作用下，壓力式冷卻方式的優(yōu)點(diǎn)是可以通過(guò)提高冷卻水溫度（如120℃）來(lái)縮小散熱器的尺寸。它的缺點(diǎn)是密封比較困難，而且減少了柴油機(jī)進(jìn)出口水的溫差，這種冷卻型式主要應(yīng)用在飛機(jī)內(nèi)燃機(jī)上。

2、風(fēng)冷

      單缸風(fēng)冷柴油機(jī)是一種較為簡(jiǎn)單的內(nèi)燃機(jī)，由缸體、曲軸、連桿、活塞、氣門(mén)、噴油器、供油系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組件組成。其中，缸體是內(nèi)燃機(jī)的核心零部件，缸內(nèi)活塞與曲軸相連，氣門(mén)控制著進(jìn)氣和排氣過(guò)程，而噴油器則負(fù)責(zé)將燃油噴入缸內(nèi)。

      其工作原理是燃油與空氣通過(guò)噴油器和氣門(mén)進(jìn)入缸內(nèi)，在活塞上升過(guò)程中進(jìn)行壓縮，在活塞到達(dá)頂點(diǎn)時(shí)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(chǎn)生高溫高壓氣體推動(dòng)活塞向下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生機(jī)械動(dòng)力。

      為了保證缸內(nèi)氣體的充分混合和燃燒，單缸風(fēng)冷柴油機(jī)還配備了氣門(mén)和噴油器。氣門(mén)負(fù)責(zé)進(jìn)氣和排氣，噴油器則負(fù)責(zé)將燃油直接噴入缸內(nèi)。在活塞下行時(shí)，缸內(nèi)氣體排出，同時(shí)噴油器向缸內(nèi)噴射燃油，在高溫高壓氣體的作用下自燃燃燒，推動(dòng)活塞向上運(yùn)動(dòng)，完成一個(gè)工作循環(huán)。

3、活塞冷卻

      活塞頂部從燃燒室接受的熱量，大部分是通過(guò)活塞環(huán)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(guò)活塞裙傳到氣缸壁或由飛濺至活塞底面的機(jī)油帶走。雖然隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度的提高，對(duì)活塞耐熱性能的要求愈來(lái)愈高，但是對(duì)于熱負(fù)荷較高的柴油機(jī)活塞，必須加強(qiáng)冷卻措施。

 

二、閉式循環(huán)冷卻的布置特點(diǎn)

 

      在閉式循環(huán)冷卻方式中（如圖1所示），冷卻水在水泵的壓力下進(jìn)行封閉循環(huán)，水泵出來(lái)的冷卻水經(jīng)機(jī)油冷卻器，有時(shí)還有液力傳動(dòng)油散熱器和增壓空氣中冷器，進(jìn)入機(jī)體各個(gè)氣缸周?chē)?，再由此向上冷卻氣缸蓋以后經(jīng)出水總管流出，從出水總管流出的水先流到節(jié)溫器，當(dāng)水溫較低時(shí)，節(jié)溫器控制水流不經(jīng)過(guò)散熱器而直接返回水泵的吸水端；當(dāng)水溫較高時(shí)，則使冷卻水經(jīng)過(guò)散熱器后再返回水泵吸水端，節(jié)溫器起作用的溫度約為85℃~90℃。當(dāng)散熱器尺寸足夠時(shí)，通過(guò)節(jié)溫器的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，可使冷卻水溫度在上述溫度范圍內(nèi)基本維持恒定，而不受發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(dāng)用空氣冷卻時(shí)，用風(fēng)扇將冷卻空氣吹過(guò)散熱器，此風(fēng)扇可由發(fā)動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。整個(gè)水冷流程如圖2所示。

      在小型發(fā)動(dòng)機(jī)上，冷卻水泵大多用三角皮帶驅(qū)動(dòng)，發(fā)電機(jī)亦由此三角皮帶驅(qū)動(dòng)并同時(shí)用來(lái)調(diào)節(jié)皮帶的張緊程度，能采用三角皮帶驅(qū)動(dòng)的條件是水泵布置在發(fā)動(dòng)機(jī)前上方的機(jī)體端面上。水泵這種布置方案的優(yōu)點(diǎn)是，冷卻水能夠以最短的路程由水泵直接流入機(jī)體而毋需專(zhuān)門(mén)的管道，此外在這種方案中，風(fēng)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(jī)體的前端面上以后會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)度。若我們要求盡量縮短發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度時(shí)，則只能將水泵布置在發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)面，這樣一來(lái)，前述省管道和布置風(fēng)扇比較方便的兩項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)也就不存在了，但將風(fēng)扇與水泵裝在一起也是有缺點(diǎn)的。因?yàn)檫@樣一來(lái)水泵和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速完全一樣。為了使噪聲不至于過(guò)大，風(fēng)扇葉尖的圓周速度不允許超過(guò)75~80m/s，風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速因此受到一定的限制，致使水泵的轉(zhuǎn)速不可能得到有利的發(fā)揮。

 

圖1  閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)圖

圖2  柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)水冷流程圖

 

 

 

三、柴發(fā)冷卻系統(tǒng)的安裝布置

 

    備用發(fā)電機(jī)組帶載運(yùn)行時(shí)，大小約為發(fā)電機(jī)組輸出功率71.43%的燃燒熱需要冷卻系統(tǒng)從發(fā)動(dòng)機(jī)本體帶出，因此，備用電源系統(tǒng)要按其裝機(jī)容量正常發(fā)電，就必須在項(xiàng)目前期規(guī)劃過(guò)程中考慮備用電源的機(jī)房設(shè)計(jì)，并在備用發(fā)電機(jī)組選型時(shí)根據(jù)環(huán)境溫度、機(jī)房最大容許進(jìn)風(fēng)量等用戶環(huán)境條件，確定發(fā)電機(jī)組最合適的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，以確保發(fā)電機(jī)組發(fā)電過(guò)程中20%～40%的燃燒熱量能有效帶出冷卻，否則備用電源系統(tǒng)無(wú)法滿足用戶環(huán)境下負(fù)載的啟動(dòng)運(yùn)行需求。

  柴油發(fā)電機(jī)組的冷卻系統(tǒng)安裝布置時(shí)，可分為聯(lián)機(jī)式冷卻系統(tǒng)和遠(yuǎn)置式冷卻系統(tǒng)：

1、聯(lián)機(jī)式冷卻系統(tǒng)

      其中聯(lián)機(jī)式冷卻系統(tǒng)即一體式冷卻系統(tǒng)，在發(fā)電機(jī)組的開(kāi)發(fā)階段驗(yàn)證定型，可靠性和冷卻效率都很高，性價(jià)比高且現(xiàn)場(chǎng)安裝簡(jiǎn)單，故障率低且故障處理容易，但對(duì)發(fā)電機(jī)房的進(jìn)風(fēng)量要求大，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)水箱/散熱器風(fēng)扇噪聲大。如進(jìn)風(fēng)量不夠時(shí)，很容易出現(xiàn)高水溫現(xiàn)象，因此，若有必要可加裝熱交換器系統(tǒng)（如圖3所示）。

2、外循環(huán)冷卻系統(tǒng)

      主要加裝冷卻水塔和熱交換器同時(shí)使用，如圖4所示。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)與熱交換器低溫端形成內(nèi)循環(huán)，熱交換器高溫端與冷卻水塔連接形成外循環(huán)。

     當(dāng)機(jī)房的溫度偏高而遇通風(fēng)系統(tǒng)不暢時(shí)，可以考慮冷卻水塔作為冷卻系統(tǒng)。冷卻水塔的工作原理和遠(yuǎn)置水箱原理差不多，不過(guò)后者循環(huán)水是全封閉式，而水塔的水會(huì)經(jīng)過(guò)室外的空氣進(jìn)行冷卻，室外空氣中的塵埃及酸性雨水會(huì)對(duì)水塔循環(huán)水造成污染，因此使用水塔時(shí)，應(yīng)注意對(duì)循環(huán)水做處理。

 

圖3  柴油發(fā)電機(jī)組冷熱交換器示意圖

圖4  冷卻水塔+熱交換器冷卻系統(tǒng)

 

3、遠(yuǎn)置式冷卻系統(tǒng)

      遠(yuǎn)置式冷卻系統(tǒng)即分體式冷卻系統(tǒng)，其水箱/散熱器遠(yuǎn)置于發(fā)電機(jī)房外，冷卻系統(tǒng)具體方案在機(jī)房設(shè)計(jì)階段定型，屬于客戶化設(shè)計(jì)，故可靠性和冷卻效率都比較低，且現(xiàn)場(chǎng)安裝復(fù)雜，故障率高且故障處理難度大，但發(fā)電機(jī)組運(yùn)行對(duì)機(jī)房的進(jìn)風(fēng)量要求較小，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)機(jī)房?jī)?nèi)噪聲較小。

（1）立式遠(yuǎn)置水箱

      安裝布置如圖5所示。當(dāng)遠(yuǎn)置式散熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)的距離和高度產(chǎn)生的壓阻不超過(guò)允許值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)可以直接與遠(yuǎn)置散熱器連接形成內(nèi)循環(huán)。立式水箱的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占地面積小和成本低。但是，在商業(yè)中心和住宅區(qū)需要進(jìn)行嚴(yán)格的噪聲控制。

（2）立式遠(yuǎn)置水箱+熱交換器

      安裝布置如圖6所示。當(dāng)遠(yuǎn)置式散熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)的距離和高度產(chǎn)生的壓阻超過(guò)允許值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)與熱交換器低溫端直接形成內(nèi)循環(huán)，熱交換器高溫端與遠(yuǎn)置散熱器連接形成外循環(huán)。

 

圖5  柴油發(fā)電機(jī)立式遠(yuǎn)置水箱安裝圖

圖6  立式遠(yuǎn)置水箱+熱交換器冷卻系統(tǒng)

 

（3）臥式遠(yuǎn)置水箱

      安裝布置如圖7所示。當(dāng)遠(yuǎn)置式散熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)的距離和高度產(chǎn)生的壓阻不超過(guò)允許值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)可以直接與遠(yuǎn)置散熱器連接形成內(nèi)循環(huán)。臥式遠(yuǎn)置散熱器的優(yōu)點(diǎn)是散熱效果好、噪聲容易控制。缺點(diǎn)是占地面積大、成本高。

（4）臥式遠(yuǎn)置水箱+熱交換器

      安裝布置如圖8所示。當(dāng)遠(yuǎn)置式散熱器與發(fā)動(dòng)機(jī)的距離和高度產(chǎn)生的壓阻超過(guò)允許值時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)與熱交換器低溫端直接形成內(nèi)循環(huán)，熱交換器高溫端與遠(yuǎn)置散熱器連接形成外循環(huán)。

 

圖7  柴油發(fā)電機(jī)臥式遠(yuǎn)置水箱安裝圖

圖8  臥式遠(yuǎn)置水箱遠(yuǎn)置+熱交換器冷卻系統(tǒng)

 

四、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考量因素

 

      備用電源的冷卻方式，即柴油發(fā)電機(jī)組采用何種冷卻系統(tǒng)，受制于發(fā)電機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣方式，應(yīng)在備用發(fā)電機(jī)組選型和機(jī)房土建規(guī)劃時(shí)確定。

1、如果備用發(fā)電機(jī)組采用渦輪增壓空空中冷，則只能采用跌機(jī)式冷卻系統(tǒng)。

2、如果發(fā)電機(jī)組采用渦輪增壓?jiǎn)伪秒p循環(huán)空水中冷，則建議采用聯(lián)機(jī)式冷卻系統(tǒng)。

3、如果備用發(fā)電機(jī)組采用其它進(jìn)氣方式，且機(jī)房滿足所有發(fā)電機(jī)組滿載運(yùn)行的進(jìn)風(fēng)量需求，則發(fā)電機(jī)組應(yīng)當(dāng)優(yōu)先采用聯(lián)機(jī)式冷卻系統(tǒng)，但如果機(jī)房需要進(jìn)一步降噪，則可以考慮采用遠(yuǎn)置式冷卻系統(tǒng)。

4、如果機(jī)房進(jìn)風(fēng)量無(wú)法通過(guò)土建規(guī)劃設(shè)計(jì)滿足發(fā)電機(jī)組滿載運(yùn)行的進(jìn)風(fēng)量需求，則必須采用遠(yuǎn)置式冷卻系統(tǒng)，此時(shí)不能選用渦輪增壓空空中冷的備用發(fā)電機(jī)組，也不建議選用渦輪增壓?jiǎn)伪秒p循環(huán)空水中冷發(fā)電機(jī)組。

5、備用電源采用跌機(jī)式冷卻方式時(shí)，機(jī)房設(shè)計(jì)不需要考慮冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，直接使用發(fā)電機(jī)組聯(lián)機(jī)式冷卻系統(tǒng)即可，但機(jī)房的進(jìn)風(fēng)量，一定得按用戶環(huán)境（海拔高度和環(huán)境溫度）下各用系統(tǒng)滿載運(yùn)行時(shí)的總進(jìn)風(fēng)量需求設(shè)計(jì)。

6、備用電源采用遠(yuǎn)置式冷卻方式時(shí)，安裝于機(jī)房外的水箱/散熱器與發(fā)電機(jī)組的相對(duì)位置，決定備用電源系統(tǒng)采用哪種冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

 

總結(jié)：

　柴油發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中常處于高溫狀態(tài)，過(guò)高的溫度不僅蘊(yùn)藏著危險(xiǎn)，因燃燒空氣的膨脹也會(huì)導(dǎo)致運(yùn)轉(zhuǎn)效率的下降。因必須用冷卻液對(duì)不斷對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑油和燃燒空氣進(jìn)行冷卻。使冷卻水保持低溫的辦法，一般有內(nèi)循環(huán)空氣冷卻和其它外循環(huán)低溫水冷卻二種。對(duì)它們的選擇，根據(jù)發(fā)電機(jī)組安裝場(chǎng)所和運(yùn)行環(huán)境而定。對(duì)于柴油發(fā)電機(jī)組而言，最簡(jiǎn)單也是相對(duì)可靠的莫過(guò)于閉式內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)。因?yàn)殚]式冷卻系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)特之處就是相對(duì)于外界是獨(dú)立的系統(tǒng)，如果因某些不可抗拒因素導(dǎo)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(fā)電機(jī)組出現(xiàn)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(shè)備的布置必須考慮最有效的空間利用；其次是商業(yè)中心地段和住宅區(qū)等對(duì)噪聲的抑制的高要求，以及投資的經(jīng)濟(jì)性。所以，有些項(xiàng)目的冷卻系統(tǒng)解決方案，有很大的挑戰(zhàn)性，而康明斯公司對(duì)于迎接挑戰(zhàn)具有天然的優(yōu)勢(shì)。

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