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使用说明书 |
柴油发电机冷却系统的部件组成和大小循环原理 |
导读：柴油发电机组的冷却系统虽然是柴油发电机的辅助系统，但在保证柴油发电机正常工作中起着重要的作用，原理是及时地把发动机零部件所吸收的燃烧气体产生的热量进行散发，而促使发动机能够经常保持在合适的温度条件下工作，使其防止零部件温度过高的同时，也延长了其使用周期，从而使发动机能够充分的发挥出其强劲稳定的功率。
一、冷却系统的组成
柴油发电机的冷却系为强制循环水冷系，即利用水泵提高冷却液的压力，强制冷却液在柴油发电机中循环流动。冷却系主要由水泵、散热器、冷却风扇、节温器、柴油发电机机体和气缸盖中的水套以及附属装置等组成。
1、冷却液
冷却液冬天又称防冻液，是由防冻添加剂及防止金属产生锈蚀的添加剂和水组成的液体。它需要具有防冻性，防蚀性，热传导性和不变质的性能。经常使用乙二醇为主要成分，加有防腐蚀添加及水的防冻液。
发动机要求使用长效防冻防锈液，它是含有50%的水和50%的乙二醇的溶液(容积比)，在标准大气条件下，沸点为108℃，冰点为-37℃。实验证明，这种防冻防锈液对各种金属和橡胶都无腐蚀作用，更换周期为2年。
（1）推荐在大多数气候条件下使用50％乙烯乙二醇或丙烯乙二醇基的防冻液与50％纯净水的混合液作发动机的冷却液。对使用湿缸套的发动机建议还需要添加规定浓度的防腐蚀剂DCA4。某些新型防冻液可以不需要DCA4，如弗列加预混型冷却液；
（3）防冻液具有防冻和防沸的双重特性，同时还需具有防腐蚀等功能；
（3）防冻液浓度不能超过68％，
否则性能会恶化。
使用这种长效防冻防锈液，可以防止冷却器内腔结垢，减少水套穴蚀和锈蚀；提高炎热季节时的沸点，在冬季时可以防冻；在密封良好的冷却系中，无需经常添加冷却液，减少保养工作量。
2、节温器
从介绍冷却循环时，可以看出节温器是决定走“冷车循环”，还是“正常循环”的。节温器在80℃后开启，95℃时开度最大。节温器不能关闭，会使循环从开始就进入“正常循环”，这样就造成柴油发电机不能尽快达到或无法达到正常温度。节温器不能开启或开启不灵活，会使冷却液无法经过散热器循环，造成温度过高，或时高时正常。如果因节温器不能开启而引起过热时，散热器上下两水管的温度和压力会有所不同。
3、水泵
水泵的作用是对冷却液加压，保证其在冷却系中循环流动。水泵的故障通常为水封的损坏造成漏液，轴承毛病使转动不正常或出声。在出现柴油发电机过热现象时，最先应该注意的是水泵皮带，检查皮带是否断裂或松动。
水泵进口希望能保持正压，设计时应尽可能提高散热器上水室的位置。发动机出水口与进水口之间的最大外部压力降不得超过35 kPa，否则将影响发动机的水泵进口压力和冷却液循环速度。尽量不要将风扇装在水泵上，尽量不用水泵驱动空调压缩机，减少水泵承受的附加弯矩。
4、散热器
柴油发电机工作时，冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过，热的冷却液由于向空气散热而变冷。散热器上还有一个重要的小零件，就是散热器盖，这小零件很容易被忽略。随着温度变化，冷却液会“热胀冷缩”，散热器器因冷却液的膨胀而内压增大，内压到一定时，散热器盖开启，冷却液流到蓄液罐;当温度降低，冷却液回流入散热器。如果蓄液罐中的冷却液不见减少，散热器液面却有降低，那么，散热器盖就没有工作。
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图1 柴油机冷却系统工作过程 |
图2 散热水箱示意图 |
5、散热器管路
连接发动机与散热器之间的管路应尽量短而直，减少弯曲；总布置需要拐弯时，管子的曲率半径应尽可能大，以减少管道阻力，且管路的弯角处或截面变化处必须圆滑过渡；为了避免冷系统内产生气泡，从而对冷系统造成破坏和降低冷却效果，必须使发动机和散热器与副水箱相连的的排气管不形成U字形结构，应采用平顺或逐渐上行方式。如确有必要，则应在发动机水道最高点设置放气阀，加注冷却液时应打开该放气阀，让发动机水套内的气体及时排出。
所有管路要有一定的柔性，以适应发动机和散热器之间的相对运动，防止散热器的管口振裂。水泵进水管应有一定的刚性，以免发动机工作时被吸扁。
散热器的管路可用成形胶管或金属接管加胶管接头；金属接管要进行防锈处理，外径和发动机进出水口部位的管径相同或稍大；成形胶管或胶管接头的内径应和发动机进出水口的外径相同或稍大；胶管壁厚应在5 mm以上，且加有一层纤维，胶管性能应符合HG/T2491标准，具有耐热、耐油性，能在-40℃~120℃温度下长期正常使用，耐压能力应超过300kPa；如管路较长时，应对冷却管路固定，固定间隔约500mm；金属接管插入连接胶管的长度应大于50 mm，并采用平板带式卡箍紧固，卡箍到胶管边缘的距离为5mm～10 mm。
6、冷却风扇
柴油发电机组风扇的功能是扩大流经散热器芯部气体的空气流速，增强散热器的散热功能，柴油发电机组风扇通常有着排风量大，冷却效果明显，且噪音小的特性，按柴油发电机组型号和标定功率的不相同，可选用不相同规格型号的风扇，风扇有吸风式（如图3）和吹风式（如图4）这两种结构特征，使用者可按照需要在订购时随意选择1种。
冷却风扇首先要满足冷却系统对风量和压头的需要；同时要消耗功率小、风扇效率高，且有较宽的高效率区；风扇噪声小，重量轻，成本低等。目前普遍采用的有金属风扇和塑料风扇两种，风扇叶片应具有足够的强度，以防折断风叶。确定风扇直径与转速时，要注意风扇叶尖的圆周速度不大于91 m/s，否则对风扇噪声和强度都不利。风扇直径尽可能与散热器芯子迎风尺寸基本相同，以便风扇扫过的面积尽可能大地覆盖散热器芯子的迎风面积，使气流全面地通过散热器。风扇外径扫过的环形面积一般不小于散热器芯子迎风面积的55%。
为考虑冷却系整体阻力，通过散热器芯部的压差不应大于所选风扇特性曲线中最大工作压力的70%；风扇的风压、风速等设计应按发动机在标定工况下和在最大扭矩工况下冷却水所需最大散热量来计算确定，并经柴油发电机冷却系统的试验评价来最终确定。
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图3 柴油机吸风式冷却风扇. |
图4 柴油机吹风式冷却风扇. |
7、风扇护罩
风扇护罩是为了提高风扇的冷却效率，使通过散热器芯部的气流均匀分布，并减少发动机舱内热空气回流而设计的，因此，设计风扇护风罩时应注意技术的合理性。
对于前置发动机，风扇护风罩的设计分整体式和分开式两种；对于后置式发动机，一般都采用整体式。护风罩与风扇叶尖的径向间隙应尽可能小，以保证风扇冷却效率。当采用分开式护风罩时，风扇与护风罩无相对运行，其径向间隙应不超过风扇直径的1.5%，或者5 mm～10 mm；当采用整体式护风罩时，风扇与护风罩有相对运动，其径向间隙也不应超过风扇直径的2.5%，或者15 mm～20mm。操作员应经常检查风扇与护风罩之间的径向间隙，以确保发动机风扇与散热器发生相对位移时，风扇与护风罩之间不产生碰触。
风扇伸入护风罩的轴向位置，与进气效率有很大关系，对于吸风式风扇，风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩内2/3为宜，对于吸风式风扇，风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩内1/3为宜。
8、水温传感器
水温传感器其实是一个温度开关，当柴油发电机进水温度超出92℃以上，就会发生报警并强制停机。其工作原理如图5所示。
9、节温器
节温器结构如图6所示。当冷却液温度低于规定值时，节温器感温体内的石蜡呈固态，节温器阀在弹簧的作用下关闭发动机与散热器间的通道，进行小循环。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始熔化逐渐变成液体 ，体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩，在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力。由于推杆上端固定，推杆对橡胶管和感温体产生向下的反推力使阀门开启，这时冷却液经由散热器和节温器阀，再经水泵流回发动机，进行大循环。
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图5 水温传感器原理图 |
图6 节温器剖面图 |
10、散热器盖
散热器压力盖一般位于上方（位置如图7所示），其作用是密封水冷系统并调节系统的工作压力，原理如图4所示。当发动机工作时，冷却液的温度逐渐升高。由于冷却液容积膨胀使冷却系统内的压力增高，当压力超过预定值时，压力阀开启，一部分冷却液经溢流管流入补偿水桶，以防止冷却液胀裂散热器。当发动机停机后，冷却液的温度下降，冷却系统内的压力也随之降低。当压力降到大气压力以下出现真空时，真空阀开启，补偿水桶内的冷却液部分地流回散热器，可以避免散热器被大气压力压坏。
在无膨胀水箱的冷却系中，压力盖装在散热器上水室的加注口上，无膨胀水箱的冷却系统在安装设计时散热器上水室的加注口要高出发动机出水口的尺寸至少50毫米；在有膨胀水箱的冷却系中，压力盖装在膨胀水箱的加注口上。压力盖开启压力一般有0.5bar、0.7bar、0.9bar、1.05bar四种，应根据使用地区海拔高度选定，以补偿由于海拔高度上升引起的大气太力下降。推荐压力盖的开启压力为0.5bar～0.9bar，在高原地区使用时为1.05bar。同时，压力盖应带一个真空阀（即空气阀），真空阀的开启真空度10±1kPa。因为冷却液经外溢和冷缩后，系统内将产生负压，外界空气可通过真空阀进入散热器或副水箱，使系统内压力与外界大气接近平衡，这样对管路、密封垫及散热器等起到保护作用。如果汽车在高原运行，则由于海拔高，冷却液的沸点降低，更需要采用压力盖。否则，要发生早期沸腾，发动机无法正常工作。
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图7 柴油机水箱压力盖位置图 |
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图8 柴油机冷却水箱盖工作原理图
二、冷却系统的循环功能
冷却系统除了对发动机有冷却作用外，还有"保温"的作用，因为"过冷"或"过热"，都会影响发动机的正常工作。这个过程主要是通过节温器实现发动机冷却系统"大小循环"的切换。什么是冷却系统的大小循环?可以简单理解为，小循环的冷却液是不通过散热器的，而大循环的冷却液是通过散热器的。冷却系统能根据当前的冷却液温度，实现系统的大、小循环，实现冷却强度的自动调节。
1、小循环
原理如图9所示。冷却液温度较低时，柴油发电机需要一个暖机过程，此时节温器关闭，冷却液循环路线：水泵—机体、缸盖水套一缸盖水套出水管一节温器一水泵。由于不经过散热器，冷却液温度上升速度快。
2、大循环
原理如图10所示。当冷却液温度较高时（80℃以上）时，节温器打开，冷却液循环路线：水泵—机体、缸盖水套—缸盖水套出水管—节温器—散热器—水泵。由于经过散热器，冷却液将从机件吸收的热量散发到大气中，有效地控制了柴油发电机温度。
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图9 柴油发电机冷却系统小循环原理 |
图10 柴油发电机冷却系统大循环原理 |
总结：
在进行发动机冷却系统的管路连接中，对发动机和冷却系统散热器之间的连接管路，应确保其线路尽量为直形，尽量避免或减少弯曲，以确保系统运行中散热器中空气的排出；此外，对系统连接管路的选型设置，应尽量确保其管路具有较好的柔性，能够对发动机和系统散热器之间的相对运动及其性能要求有效适应；对发动机和散热器之间的距离设置相对较远，从而导致其管路连接相对较长的情况，应在管路布设中尽量沿着水流的方向向上合理翘起，尽量避免水平或者是呈凸形布置的情况发生，从而对系统管路的连接效果产生影响。一般情况下，进行冷却系统的管路连接中，对连接管路多会选择胶管或者是金属管，对金属管管路则需要增加胶管接头，且金属管伸入胶管接头的长度应超过50mm,而选择胶管作为管路的设计情况中，要求其管壁厚度在5mm以上；对管路连接距离较长的情况，还需要在中间进行固定支撑搭设应用，其支撑距离一般控制为500mm。
总之，冷却系统在发动机运行的良好性能支持以及整体性能提升等方面，都具有十分重要的作用和影响，并且良好的冷却系统设计和运行，能够对发呆安机组运行中的有关故障问题进行有效避免。尤其是随着发动机性能不断优化和提升，受涡轮增压器的应用影响，其发动机在发电机组运行中的热负荷增加更为明显。
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