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性能特点和作用说明 |
管壳和板翅式机油冷却器的内部结构分解图 |
摘要：机油冷却器的作用是用来冷却润滑油，使柴油机润滑油温度保持在最有利的温度范围内(80~105℃)，以保证润滑油具有正常的润滑作用。管壳式和板翅式机油冷却器是两种主流的机油冷却技术，其设计结构、性能特点及适用场景存在显著差异。例如板翅式铝质机油冷却器传热效率高，结构紧凑，比管壳式提高20%~30%的效率，传热面积是管壳式的几十倍，而且重量轻。而管壳式可以在高温高压环境下工作，适用性能力较强。本文对两者从传热效率、结构紧凑性、重量、维护难度、适用环境、成本等多方面的对比，供于柴油机设备制造商根据两者优劣势和综合因素进行选择。
一、水冷式机油冷却器（管壳）
水冷式机油冷却器是一种利用冷却液（通常是水或防冻液）作为介质来降低机油温度的装置。其核心原理是通过热交换将机油的热量传递给冷却液，再由冷却液通过散热器散发到空气中。水冷式机油冷却器为圆筒形，内部有黄钢管、散热片和隔片组成的芯子。水在芯子的管内流动；油在芯子与外壳的夹层流动，其基本结构如图1所示，三维立体图如图2所示。根据机型和功率的不同，配用不同规格的水冷式机油冷却器，用户在购买配件时应注意与使用机型相配。
1、结构组成
（1）热交换芯体
① 管束（油道）：通常由铜、黄铜或不锈钢制成，机油从管束内部流过。
② 壳体（冷却液腔）：包围管束的外壳，冷却液在壳体内流动，与管束外壁接触进行热交换。
③ 隔板：在壳体内设置隔板，引导冷却液流动，增加换热路径（多流程设计）。
（2）端盖与密封件
① 端盖：安装在壳体两端，用于固定管束并分配机油和冷却液的流动方向。
② 密封垫片：确保冷却液和机油不会混合泄漏。
（2）辅助组件
① 温度传感器：监测机油和冷却液温度，联动控制系统调节冷却效率。
② 水泵：驱动冷却液循环，确保热量及时带走。
③ 散热器：冷却液在热交换后流经散热器，通过风扇或自然对流将热量散发到空气中。
2、工作原理
（1）热传导阶段
① 高温机油从发动机流入冷却器的管束内部，热量通过管壁传递到冷却液。
② 冷却液在壳体内流动，吸收热量后温度升高。
（2）对流换热阶段
① 冷却液循环：水泵驱动冷却液在壳体内流动，形成强制对流，提升换热效率。
② 多流程设计：隔板将冷却液流动路径延长，增加换热时间（如U型或S型流道）。
（3）热量散发阶段
① 吸热后的冷却液流经散热器，通过风扇或自然对流将热量散发到空气中。
② 冷却后的冷却液重新进入冷却器，形成闭环循环。
（4）温度调节闭环：传感器实时监测机油和冷却液温度，若温度过高，联动水泵或风扇提高冷却效率。
水冷式机油冷却器通过高效的换热设计和稳定的冷却液循环，实现了对机油温度的精确控制，尤其适合高温高压或持续高负荷工况。但其结构复杂、成本较高，需根据具体需求权衡选择。
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图1 水冷式机油冷却器结构图 |
图2 水冷式机油冷却器模型图 |
二、风冷式机油散热器（管壳）
风冷式机油散热器是一种通过空气流动带走热量的散热装置，其核心原理是通过增大机油与空气的接触面积，利用对流换热降低机油温度。 风冷式机油散热器采用铜制的管片式结构，它限于带风扇冷却的柴油发电机组上，安装在冷却水的水散热器后面。柴油发电机组工作时，机油流经铜管将热量传给管壁和散热片，最后借风扇鼓风将热量带走。用于4、6缸直列型柴油发电机组的风冷式机油散热器，有两种规格。
表1 东风康明斯机油冷却器的典型类型
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柴油机型号
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4B系列
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6B/6C系列
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型式
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管片式
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管片式
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总散热面积（㎡）
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5.51
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7.78
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机油容量（L）
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1.41
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1.82
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1、结构组成
（1）散热芯体
① 翅片（散热片）：核心部件，通常由铝或铝合金制成，呈密集波浪形或百叶窗式排列，大幅增加散热表面积（单位体积内可达管壳式的数十倍）。
② 油道（扁管或通道）：内部为扁平金属管或钎焊形成的流道，机油从中流过，热量通过管壁传递到翅片。
③ 集流管（分配腔）：位于芯体两端，用于均匀分配机油进入各油道，避免局部流量不均导致散热效率下降。
（2）外壳与导流罩
① 导流罩：安装在散热器前方，引导气流集中穿过翅片间隙，提高空气流速（强制对流）。
② 防护网：防止飞石、杂物撞击损坏翅片。
（3）辅助组件
① 风扇（部分设计）：在低速或静止工况下（如工程机械），通过电动风扇强制散热。
② 温度传感器：监测油温，联动风扇启停或报警系统。
2、工作原理
（1）热传导阶段：高温机油从发动机流入散热芯体的油道，热量通过油道壁传递至翅片表面。翅片的高导热性（铝的导热系数约237 W/m·K）确保热量快速扩散至整个散热面。
（2）对流散热阶段
① 自然对流：外部空气因速度差形成流动（风压），穿过翅片间隙带走热量。
② 强制对流：若安装风扇，在低速或高温环境下启动，主动增强空气流动（风速可达5~10 m/s）。
③ 紊流效应：翅片的波浪形或百叶窗结构破坏空气层流，形成紊流，提升换热效率（较层流高3~5倍）。
（3）温度调节闭环：散热后机油温度降低，返回发动机润滑系统；若油温仍过高，传感器触发风扇或报警，确保系统安全。
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图3 风冷式机油冷却器模型正视图 |
图4 风冷式机油冷却器模型俯视图 |
三、板翅式机油冷却器结构和原理
1、板翅式机油冷却器的结构
板翅式机油冷却器他是由上下板片及中间翅片的单元,并根据发动机功率大小,由若干层单元体钎焊而成的板翅式机油冷却器总成部件,以满足所需散热量的需求。根据翅片在单元体内放置位置和方向，又把翅片分为直流（Z式）和横流(H式)两种结构型式。板翅式机油冷却器单元体内的翅片是该种机油冷却器的主要结构特征，也是决定这种机油冷却器热性能的关键，翅片是冲有类似百叶窗口的凸凹形结构，这不仅增加了油侧传热面积，也增强了机油流动时扰动，从而提高了散热效果。
（1）机冷器“Z”式和“H”式结构的选择
翅片在单元体内有两种基本放置位置。一是按直流方向放置的“Z”式，一是按横流方向放置的“H”式。通过试验表明，同一型号的机冷器在相同工况下，“H”式的传热效率要比“Z”式高25％一30％，但油侧压差也较“Z”式大30％一40％。因此，究竟选哪种结构为好，要根据柴油机的匹配需要而定。一般原则是：尺寸较长的机冷器采用直流型(Z)为宜，这样一方面可保证其传热效果，又不至于使阻力很大。尺寸短的机冷器一般选用横流结构(H)为好，这样虽然阻力大一些，但由于机冷器尺寸较短，阻力增加的也不太大，散热效果却明显地提高。尺寸长的机冷器由于芯片较长，易产生弯曲变形，使芯片间距离不匀，影响水的流动，故在长尺寸机冷器设计中，上、下板片表面上常冲有若干个小凸起，这样就可保证芯片同等距，又增加了板片刚度，保证了水的扰流程度，和冷却器芯子的工作可靠。
（2）板翅式机油冷却器材料的选用
目前制造机冷器所使用的材料一般为两种。一种是板片及翅片均用B19镍白铜，一种是板片和翅片使用不锈钢。此外，尚有使用H68黄铜来做板片和翅片材料的，虽然此种材料传热性能均比上二种材料为高，但由于采用价格昴贵的银焊料焊接，其强度和耐腐蚀程度又低，所以用的较少。目前用铝材做板片和翅片材料的设想正在形成，并着手研制。这样，价格会大幅度减少。只是耐腐蚀的寿命问题有待解决。从经济、焊接及实用上综合考虑以采用BI9镍白铜(铜镍合金)为最多，次之为不锈钢。采用镍白铜的理由是该种材料导热性能较好，钎焊比较容易，可省去价格昂贵的银焊料而采用铜基合金焊料(T2紫铜)焊接。而不锈钢的传热性能不及镍白铜，且钎焊较困难，但由于其强度高、耐脯蚀，这正是板翅式机冷器所要求的，所以目前采用这种材料的也不少。
（3）板翅式机油冷却器的缺点
由于是不可拆卸的整体结构，内部又有纵横交错的网状翅片，所以使用时很容易堵塞。且不易清洗，因此对发动机所用机油及润滑系统的维护和保养要求较高。
2、康明斯板翅式机油冷却器的特点
B、C系列柴油机的机油冷却器盖和机油滤清器座是连在一起的一个铸件。润滑油压力调节阀和滤清器旁通阀都安装在铸件里面，机油冷却器为板翘式，各芯片之间、芯片与底板之间的垫片焊在一起。机油冷却器为内藏式，安装在缸体水套内，散热片浸泡在气缸体水腔中，高温润滑油从进油孔流入机油冷却器，各散热片将热量传递给冷却液，从而降低润滑油温度，以防止由于润滑油温度过高、润滑不良造成柴油机各部件的损坏。
实际工作中，柴油机的润滑油压力随着工作环境、条件等情况不断发生变化，机油压力调节阀在柴油机冷起动时，可以减小润滑系统的润滑油压力，而当润滑油温度升高后，可以调节系统的润滑油压力。润滑油压力调节阀(调压阀、回油阀)由弹簧、柱塞(钢珠)及阀座等组成。当机油压力小于压力调节阀的开启压力时，调压阀处于关闭状态。而当润滑油压力大于压力调压阀的开启压力时，调压阀打开，部分润滑油直接回到油底壳，压力越大，阀门开度越大，从而保持润滑油压力在正常范围内。
康明斯C系列柴油机在机油冷却器盖的顶部装有一个机油节温器，当润滑油温度在100～115℃时，该节温器调节通过机油冷却器的润滑油流量；如果润滑油温度低，节温器打开，允许一部分润滑油直接流向滤清器。当润滑油温度升高至115℃时，节温器让润滑油全部通过机油冷却器。该节温器也装有一个压力调节装置，当机油冷却器发生堵塞时，该装置起到旁通阀的作用，可以使润滑油绕过冷却器。康明斯C系列柴油机的机油冷却器调压阀和节温器的安装位置。康明斯K系列柴油机机油冷却器也采用板翅式结构，内置于缸体侧面水腔中，结构紧凑，不易破损。但N系列柴油机机油冷却器采用管束式，置于柴油机排气管侧，由冷却器芯、壳体、前盖、后盖、O形密封圈等构成。
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图5 板翅式机油冷却器模型图 |
图6 板翅式机油冷却器结构图 |
四、两者的优劣对比分析
柴油发电机组在转运过程中，机油流经运动件的摩擦表面时吸收了一定的热量。随着机油的往复循环，机油温度会逐渐升高，若油温超过规定值，机油的黏度将严重下降并丧失润滑效果，同时机油还会发生氧化变质，所以，柴油机润滑油路中必须装配机油冷却装置。
1、传热效率与结构设计
（1）板翅式
① 优势：采用翅片结构（二次传热面），单位体积传热面积可达管壳式的几十倍，整体传热效率比管壳式高20%~30%。翅片设计（如H型错位翅片或拱形体结构）通过增加流体紊流和接触面积，进一步提升散热效果。结构紧凑，体积小，重量轻，适用于空间受限的柴油机。
② 劣势：内部通道复杂，易堵塞且清洗困难，对机油清洁度要求高39。
（2）管壳式
① 优势：结构简单可靠，以管束和壳体为基础，耐高温高压，适用于化工、发电等严苛环境。维护方便，可通过拆卸清洗或替换部分管束延长寿命。
② 劣势：单位体积传热面积小，需更大体积才能达到同等散热效果，不符合轻量化趋势79。
2、材料与重量
（1）板翅式：多采用铝合金或不锈钢材质。铝合金散热性能优于不锈钢（同等体积下散热效率提升近十倍），且重量更轻，适合柴油机轻量化需求。但铝材耐腐蚀性较差，需通过表面处理或钎焊工艺增强可靠性。
（2）管壳式：传统材质以铜、黄铜或不锈钢为主，耐腐蚀性强，但重量较大。例如，水冷式管壳冷却器常采用黄铜管，虽散热性能稳定但金属消耗量高。
3、应用场景与适应性
（1）板翅式：适用于对空间和重量敏感的场景，如电控柴油机、工程机械等，尤其在高制动功率（如850kW）下仍能保持高效散热。风冷板翅式依赖环境温度，高温环境下冷却效果受限；水冷式需稳定水源。
（2）管壳式：在高温高压、腐蚀性环境（如直喷式柴油发电机组）中表现稳定，且可通过调整管束数量适应不同容量需求。因体积较大，多用于固定设备或对空间要求不高的场景。
4、维护与经济性
（1）板翅式：制造成本较高，尤其是钎焊工艺和复杂翅片设计导致加工难度大。维护成本高，一旦内部堵塞或损坏，通常需整体更换。
（2）管壳式：初期成本低，结构简单易于生产，且维护灵活（可局部维修或更换管束）。但单位传热面积金属消耗量大，长期使用能耗较高。
5、未来发展趋势
（1）板翅式：向智能化、轻量化发展，集成传感器动态调节冷却效率，并探索铝材替代以降低成本。
（2）管壳式：通过优化管束排列和材料（如复合金属）提升效率，但仍面临紧凑化挑战。
总结：
综上所述，在机油冷却器选型过程中，若需高效散热、轻量化设计且环境条件允许（如清洁机油、水源充足或风冷适用），就应当选择板翅式机油冷却器；若需耐高压高温、维护便捷或成本敏感的场景（如固定设备），就应当选择管壳式机油冷却器。两种技术各具优势，实际应用中需结合具体需求（如散热功率、空间限制、维护条件）综合考量。
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