摘要：发动机在工作时，由于燃料的燃烧以及运动零件间的摩擦产生大量的热量，使零件强烈受热，特别是直接与燃烧气体接触的零件温度很高，如果没有适当的冷却，将不能保证发动机的正常工作，冷却系统的作用就是维持发动机在最适宜的温度下工作。水冷却系统的主要部件有水泵、散热水箱、风扇、水温调节装置和水温表等。随着柴油机工业的发展，人们对柴油发电机供电的要求也越来越高，这就给发电机组制造商提出了更高的要求。整机的冷却系一个根本的性能指标，冷却系统好坏直接影响到柴油发电机的安全运行。为此，用户和使用人员了解柴油发电机冷却系统的设计要求、工作原理及组成部分是至关重要的。
一、冷却系统的设计要求
冷却系统由散热器、风扇、膨胀箱等部件组成。其功能是对发动机进行强制冷却，保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得较高的动力性、经济性及可靠性。
1、冷却系统的设计要求
（1）冷却系统的设计应保证：使用冷却水作冷却液和0.5bar以下的压力盖时，发动机出水口的温度允许到100℃;使用冷却水作冷却液和0.7-0.9bar压力盖，在不连续工况运行下，最高水温允许到110℃。
（2）如果使用长效防冻防锈液作冷却液和0.5bar以下的压力盖时，发动机出水口的温度允许到105℃;使用长效防冻防锈液作冷却液和0.7-0.9bar压力盖，在不连续工况运行下，最高水温允许到115℃。
（3）冷却液的膨胀容积应大于等于整个系统冷却液容量的6%。
（4）冷却系统必须用不低于19 L/min的速度加注冷却液，直至达到应有的冷却液平面，以保证所有工作条件下气缸体水套内冷却液能保持正常的压力。
2、冷却系统设计
冷却系统设计主要是通过传统的热平衡计算方法，并辅以相应的CFD软件进行冷却系统内流场计算分析，最终以发电机组高温试验结果对冷却系统设计是否满足使用要求进行确认。以康明斯发动机冷却系统为例（结构如图1、图2所示），具体各主要部件的设计过程如下。
（1）散热器是冷却系统中的重要部件，其主要作用是对发动机进行强制冷却，以保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得最高的动力性、经济性和可靠性。
（2）散热器和风扇组合匹配效率是当散热器芯子未被气流扫过的面积最小时为最高，因此，最好采用接近正方形的散热器芯子。
（3）散热器的总散热面积、芯子的迎风面积、结构形状和结构尺寸要通过发动机冷却系统所需最大散热量来计算确定，并应通过试验评价来最终确定。理论计算一般是根据有关计算公式及所配发动机的相关参数，如功率，油耗等，确定水冷散热器的总散热面积。根据散热器面积计算公式选取散热器芯厚尺寸。
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图1 柴油发电机冷却系统组成图 |
图2 柴油机冷却系统冷却液流向图 |
3、散热器及风扇计算过程
（1）冷却系统散走的热量Qw的计算公式
Qw=AgePehn/3600(kJ/s)....................（式1）
式中：A——传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比，
Ge——发动机燃料消耗率（g/kw·h）；
Pe——发动机功率（kw）；
hn——燃料低热值（kJ/kg）。
（2）冷却水的循环量Vw的计算公式
Vw=Qw/（tw1-tw2）γwcw(m3/s)....................（式2）
式中：tw1——发动机出水口温度（一般为85℃~95℃)
tw2——发动机进水口温度（一般为75℃~85℃)
γw——水的比重，可近似取1000kg/m3；
cw——水的比热，可近似取4.187kJ/kg·℃
（3）冷却空气需要量Va的计算公式
Va=Qw/△taγacp(m3/s)....................（式3）
式中△ta——空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，通常为20~30℃;
Ya——空气的重量，一般取值1.05kg/m3；
Cp——空气定压比热，可取值1.047kJ/kg·℃。
（4）散热器的散热面积计算公式
额定工况所需散热面积：
F1=βQw1/(Kr1*△t）
最大扭矩工况所需散热面积
F2=βQw2/(Kr2*△t)
式中：β——散热面积储备系数（一般取1.1~1.15）
Kr1——散热器在额定工况下的传热系数；
Kr2——散热器在最大扭矩工况下的传热系数；
△t——散热器冷却水和冷却空气的平均温差。
其中：△t=tw-ta
tw=（tw1+tw2）/2
ta=ta1+△ta/2
式中：tw-冷却水的平均温度
ta-冷却空气的平均温度
ta1–散热器冷却空气的进口温度（一般为40℃)
（5）风扇风量
Vf=1.2 Va(m3/s)....................（式4）
（6）风扇外径D的计算
D=（0.79~0.93）·（Fr）0.5（m）....................（式5）
（7）冷却能力评价
TC=Tmax－(tw1-Te)
推荐标准：TC=36℃-54℃
式中，TC——极限使用环境温度
Tmax——为最高允许出水温度
tw1——为发动机的出水口温度
Te——为环境温度。
散热器进风口的实际面积不得小于散热器芯子迎风面积的80%，以防止散热能力下降。
二、冷却系统工作过程
康明斯发动机采用外接散热器式冷却系统。冷却液泵由外接的散热器通过节温器将低温水吸入，冷却液首先经机油散热器进入汽缸体内水套冷却汽缸套，再由水道进入冷却汽缸盖的水套中，最后回到散热器。
1、冷却液小循环
冷发动机在热起前，水温低于83℃时，主阀门关闭，旁通阀门开放，冷却水只能经旁通管直接流回水泵进水口，又被水泵压入水套。此时水不流经散热器，只在水套和水泵间小范围循环。此时，冷却强度小、促使水温迅速上升，从而保证发动机各部位均匀迅速地热起或避免发动机过冷。由于冷却水的流动路线短、流量小，故称小循环，如图3所示，即节温器→水泵→机油散热器→水套一节温器。
2、冷却液大循环
当发动机内水温升高达95℃时，主阀门全开，旁通阀全关闭，冷却水全部流进散热器。此时，冷却强度增大，促使水温下降或不致过高。由于这时的冷却水流动路线长、流量大，故称大循环，如图4所示，即节温器→水泵→机油散热器→水套一散热器一节温器。
3、冷却液的混合循环
当发动机内冷却水处于上述两种温度之间时，主阀门和旁通阀均部分开放，故冷却水的大小循环同时存在。此时冷却水的循环称为混合循环。
其中，4B\6C系列康明斯发动机均为无汽缸套水冷发动机。冷却液为传热介质，再传给空气，也就是以少量的水进行不断循环的力法，在发动机水套中吸收多余热量，再流到散热器中散去热量。由于水套进出口的温差较小，汽缸下部不致过冷，且水冷的冷却强度大小容易调节，能保持发动机的正常温度。并能用热水预热发动机，便于冬季启动。
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图3 冷却液小循环示意图 |
图4 冷却系统大循环示意图 |
三、发动机过冷或过热的危害
1、发动机过热的危害
① 充气效率降低，导致发动机功率下降。
② 早燃和爆燃的倾向加大，破坏了发动机的正常工作、同时也促使零件承受额外的冲击载荷而造成早期损坏。
③ 运动件间的正常间隙被破坏，使零件不能正常运动，甚至损坏。
④ 金属材料的力学性能降低，造成零件的变形及损坏。
⑤ 润滑情况恶化，加剧了零件的摩擦和磨损。发动机的冷却，如果单纯依靠零件本身对外散热是不够的，必须对某些零件特别是与高温气体直接接触的零件进行必要的强制冷却，才能保证发动机正常运转。但是，过分的冷却也会引起不良后果。
2、发动机过冷的危害
① 进入汽缸的可燃混合气(或空气)温度太低，使点燃困难或燃烧迟缓，造成发动机功率下降以及燃料消耗量增加。
② 润滑油的黏度增大，造成润滑不良，加剧了零件的磨损，同时增大了功率消耗。
③ 燃烧后的生成物中的水蒸气易冷凝成水与酸性气体形成酸类，加重了对零件特别是汽缸壁的侵蚀作用。
④ 因温度过低而未汽化的燃料对摩擦表面(汽缸壁、活塞、活塞环等)上油膜的冲刷以及对润滑油的稀释，加重了对零件的磨损。
总结：
柴油机工作温度过高或过低都会降低它的动力性和经济性。冷却系统的作用是保持柴油机在最适宜的温度状态下工作，以获得良好的经济性、动力性和耐久性。为了提高散热的散热效果，其进、出水管口内径尺寸应与发动机出、进水管口尺寸一致，另外还应保证进出水口在上下位置尽量错开，处于对角线上最好，不要在同一侧。
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