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柴油发电机冷却系统结构功用与国内外技术介绍 |
摘要：冷却系统的主要功用是为柴油发电机组机件散热，防止柴油发电机过热而损坏。它是由水泵、水套、节温器、散热器、风扇、膨胀罐、冷却液温度传感器和水管等组成的密团循环系统。冷却系统还能对冷却强度进行调节，以适应柴油发电机不同工况的需要。其原理是利用离心泵的高速旋转产生的压力使冷却水循环，通过散热器将热量散发到外界中去，使水的温度降低，进入下水箱，在水泵的作用下继续循环冷却内燃机的高温部件，如此反复循环，以达到降低发动机高温部件的温度的目的。
一、国内冷却系统的现状
目前国内的冷却系统仍采用传统的冷却节温器、保温帘和冷却风扇。节温器仍主要以石蜡和乙醚作为反应介质，反应缓慢，截面损失大，失效率高。保温帘则由人工控制，冷却风扇由发动机曲轴驱动，且三者之间控制互不协调，导致机械能损失。
发动机冷却系统主要由发动机冷却水套、散热器、冷却水泵、节温器及冷却风扇等部件组成。散热器是冷却系统中最重要的一部分，其作用是通过流动的空气将冷却系统中流过散热器的循环水温度降低，以达到降低发动机受热零部件的温度的目的。散热器的制造材料现如今有两种：铝和铜。由于铜的导热性能好，而且经过与一些材料进行结合（表面镀锌或将锌块附在散热器的表面）能够耐腐蚀，且易于钎焊加工。所以我国大部分发电机组都应用这种铜质的散热器。况且铜制管片式散热器是我国散热器行业的传统产品，其优点是散热器芯子结构强度高，刚性好，散热芯部不易被尘土和油垢等堵塞。缺点是同等芯子的正面面积下，散热面积小，散热效果明显较差。且由于铜的价格和资源问题，不仅在散热器厚度上有所改进，也在结构上有所突破。
上世纪70年代后期开始研制和生产管带式散热器，以达到代替管片式散热器，但由于国内加工工艺水平的限制，生产管带式散热器仍具有一定的困难。自从国家采用了新的标准来制造铜散热器，导致散热器的寿命明显降低，腐蚀严重，使铜散热器失去了原本具有的耐腐蚀的特性，于是将铝制散热器推到了人们的眼前，由于铝资源较铜资源丰富，并且密度小，导电及导热性能优良，再加上其表面易形成氧化膜，所以耐腐蚀性能好，且铝的融化温度较低，流动性好，很容易按照模具的形状生产出各种复杂形状的产品，根据上面的阐述可以总结出铝制散热器的几大优点：质量轻，成本低，散热效果好，节约能源，使用寿命长，装卸方便，可以看出在经济性和实用性上铝制散热器很明显要优于铜制散热器。从以上可以看出铝制散热器将取代铜制散热器。
据相关资料介绍，我国对于铝制散热器的研究和开发要相对于国外落后一段时间，现在的铝制的散热器也只是应用到轿车和微型车的冷却系统中。其制作工艺基本属于国际上70年代的水平，采用圆铝管加百叶窗式翅片经胀管工艺成型[3]。随着科技的进步，世界上的散热器的生产工艺的进步，国内对散热器的加工工艺也在不段进步，国内部分的生产企业已可以生产质量稍好的散热器，随之而来的工艺上的问题也摆在人们的面前，既生产效率低，产品外观粗糙，废品率高和生产成本增加等。一汽集团于1996年向美国某发电机组企业进口的铝制散热器的生产线已达到国际水平。哈尔滨某企业也应用该进口工艺生产铝制散热器，铝材料选用国内自制的铝复锌板，在无腐蚀和无污染的环境下，使用自制的国际先进，国内首创的焊接技术，确保了焊接质量[4]。所生产的铝制散热器外观不氧化，达到了产品的设计要求和使用标准，及产品的性能指标，尤其是焊接工艺达到了和国际同等产品和国内先进水平。该公司由于设备和原材料均使用国内产品，投资少，成本低，工艺灵活性很大，适合了我国发电机组工业生产规模小和品种规格多种多样的现状，具有高起点，高性能，高技术，低成本和国家化的特点。这不仅推动了我国发电机组生产工业水平的进步，同时也拉进了我国发电机组生产工艺与国际发电机组生产工业的距离。
我国从“八五”期间开始进行扁圆管的试制，经过了失败，改进再失败再改进的相当艰苦的历程，最后从设备，工夹具到工艺过程摸索出一套成熟的扁圆管生产工艺，再配以开窗翅片经过高温钎焊制成高性能散热器，改产品的生产工艺和成型工艺与一汽进口的美国发电机组生产企业所生产的产品属于同一类型，虽然我国生产的产品相对于进口工艺的质量和散热效果还有差距，但国产的产品与进口的生产工艺所生产出的产品在竞争上还有一定的优势。我国生产的铝制散热器以通过了长春散热器研究所的检测，成功的通过了耐高温压力脉冲性能、耐震动性能、负压密封性能、散热性能这四项实验，这四项实验满足德国大众发电机组公司TL-VW874标准。这是国内唯一通过这响标准的新产品[5]。而这也预示着国内发电机组生产工艺已和国际发电机组生产工艺的差距越来越小。
我国的发电机组工业起步较晚，所以和发电机组工业相关的产业都相对滞后，国内自行设计和50年代从苏联引进的发动机普遍采用，钢板风扇，钢板风扇是以圆钢板制成托架再与薄钢板叶片铆接而成，由于加工误差的积累和结构上设计的不足，风扇的效率较低，性能较差，功率消耗和噪声都很大，明显不能满足发电机组生产的节能和无污染的要求，自从70年代以来，国外的发电机组生产企业生产的冷却风扇主要以塑料风扇为主，而当时我国的发电机组生产企业仍然生产和使用钢板风扇。不过随着科技的进步和国内发电机组生产企业的研发投入，我国的工程塑料的开发和研制及生产工艺也相对成熟，已有部分车型应用了塑料风扇，国内工程塑料风扇年产量也达到了数十万只。
风扇在冷却系统中虽然不是最重要的，但缺了风扇冷却系统将陷入瘫痪的状态，好的风扇和一个质量一般的散热器配合只能起到一般的散热效果，而好的散热器和一般的风扇配合起到的效果也只能是一般冷却效果，只有让好的风扇和好的散热器配合才能达到良好的冷却效果。目前国内的轻型货车和客车的风扇仍采用传统的定传动比的控制方式，这种控制方式是以发动机曲轴通过V带以固定比驱动风扇，由于受到曲轴的转速的变化的限制，冷却风扇的转速及冷却能力只能随发动机的转速变化而变化，不能随着发动机的热符合的增大和改变风扇的转速提高冷却速度，进行自动调节，这直接导致发动机受热部件的温度过高而影响发动机的使用寿命，也影响发动机的工作质量。
二、国外冷却系统的现状
国外的冷却系统的技术水平比较先进，我国的发电机组散热器生产工艺水平与国际相比仍有20年的差距。长期以来，铜一直是散热器的首选材料，为达到节约能源和减少环境污染，发电机组工业向轻量化发展，提出了“全铝发电机组”的口号，从这个角度看，铝自然成为最佳的选择材料，上实际50年代后期，国际上就开始研制铝制散热器。
当然国外在研制该散热器的时候也遇到了很多的困难，首先是焊接问题，铝在自然状态下是不能焊接的，于是随后就开发出气胀的方式，还有油胀和机械膨胀的方式和方法使管子与散热片结合在一起。到1993年，伏特发电机组公司将无针钎焊技术应用到发电机组散热器上，此技术是最先进的散热管与带结合技术，金属表面的氧化膜在钎焊温度时受钎焊合金中的合金物质作用而被变质和去除，钎焊前对金属表面进行脱脂利用蒸汽和化学方法，在惰性气体和真空状态下对部件进行焊接。
传统的冷却方式已明显不能满足现代发电机组工业发展的速度，基于以上的情况，于是有各种各样新型设备相继出现在现代发电机组的冷却系统中，比如；由电动冷却风扇取代了原来的皮带传动冷却风扇，德国大众发电机组公司在中国申请的专利。该专利在发电机组散热器前方设置空气吸入口和辅助通口，加快了散热器的冷却速度，减少了电动风扇的电能消耗。但散热器辅助通口在自下向上吸入冷却空气，很容易将道路上的尘土和杂物吸入，造成散热器脏污和堵塞，使散热器散热效率降低。随着科技的进步，冷却风扇已由传统的控制方式改为只能控制方式，风扇的冷却能力随着发动机散热的需要而自动精确的调节，提高了发动机的预热速度，使其始终保持最佳的工作温度，减少功率消耗90%，节省燃油10%。
三、冷却系统组成及功用介绍
柴油机冷却系统结构框图如图1所示，水路循环示意图如图2所示。
1、冷却水泵
水泵使冷却液产生一定的压力和流量，强制冷却液循环流动。水泵多为带传动，有些柴油发电机采用齿轮传动。
2、散热器
冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外流过。冷却液的热量通过散热器散发到大气中，因此散热器是一个热交换器。散热器负责冷却液的冷却，它的水管和散热片多用铝材制成，铝制水管做成扁平形状，散热片为波纹状，以利于散热。散热器由进水室、出水室、主片及散热器芯等四部分构成。
3、节温器
节温器用于冷却强度的调节。温度低时，关闭通往散热器的水路；温度超过80℃时，开放通往散热器的水路，使冷却液流过散热器，提高散热强度。
4、风扇及风圈
风扇用于在散热器外部形成气流，使热交换得以完成。风扇按驱动方式可分为普通机械驱动风扇和电动风扇两种。其中，电动风扇由电动机直接驱动，仅用于小型发电机组。
电控硅油风扇由柴油发电机ECU控制。柴油发电机温度低时，风扇离合器分离，风扇随动、转速很低；柴油发电机温度超过一定值（潍柴共轨柴油发电机为85℃），或同时打开空调AC开关和空调强冷（FAN control)开关时，风扇离合器接合，风扇全速运转，以提高散热能力。
5、散热器盖
散热器盖用于自动调节散热器内的水蒸气压力，保持压力平衡。系统内合适的压力能够提高水的沸点，减少水的蒸发损耗。散热器盖上设有空气阀和蒸汽阀，用于调节系统内压力。当系统内压力超过一定限值时，蒸汽阀打开，排出部分蒸汽，防止系统压力过大，产生渗漏或机件受损；当系统压力低于一定限值时，空气阀打开，外部空气进人系统内补充，防止系统内负压过大，机件损坏。
6、膨胀罐
膨胀罐其作用主要是使气液分离，减少冷却液的散失。膨胀罐上有水位刻线，加注冷却液时要保证液位处于最高刻线与最低刻线之间。
7、冷却液温度传感器
（1）用于检测发动机冷却液的温度，并将此信号输送到发动机的电子控制元件。
（2）根据该信号对喷射时间、点火时刻和怠速转速等进行相应调节，同时也可作为其他控制系统的控制信号。
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图1 柴油机冷却系统框架图 |
图2 柴油机冷却系统循环水路示意图 |
总结：
冷却系统需要具备足够的可靠性和安全性，以确保柴油发电机组的稳定运行。设计时需要考虑冷却系统的故障率和维修保养成本，合理选择冷却系统的组成部件，并定期进行检查和维护。另外，柴油发电机不同的环境和应用场景需要不同的冷却方案，设计时需要充分考虑环境因素，例如气温、湿度、海拔高度等，选择适合的冷却方式和组成部件，并进行合理的调试和优化。
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