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性能特点和作用说明

柴油发电机的冷却系统组成原理和大小循环路线图

 

摘要：柴油发电机冷却系统的主要功能是把受热零件吸收的部分热量及时散发出去，保证柴油发电机在最适宜的温度状态下工作。冷却系统按照冷却介质不同可以分为风冷和水冷，如果把柴油发电机中高温零件的热量直接散入大气而进行冷却的装置称为风冷系统，而把这些热量先传给冷却水，然后再散入大气而进行冷却的装置称为水冷系统。由于水冷系统冷却均匀，效果好，而且柴油发电机运转噪音小，目前柴油发电机上广泛采用的是水冷系统。

一、冷却系统的功能和原理

      冷却系统的功能是使柴油发电机在所有工况下都保持在适当的温度范围内。冷却系统既要防止柴油发电机过热，也要防止冬季柴油发电机过冷。在柴油发电机冷起动之后，冷却系统还要保证柴油发电机迅速升温，尽快达到正常的工作温度。工作原理如图1所示。

      柴油发电机工作期间，气缸内燃烧温度高达1800～2000℃，瞬时温度高达3000℃。燃烧所产生的热量只有一部分转化为机械功，使柴油发电机运转并对外输出做功；另一部分热量被排出的废气带走；还有一部分热量（约占燃烧热量的三分之一）经各种传热方式传给柴油发电机组件，其冷却水循环路径如图2所示。此外，特别是直接与燃烧气体接触的气缸盖、活塞、气缸套和气门等零件，使之强烈受热，若不及时加以冷却或冷却不足，影响如下：

（1）柴油发电机会过热、充气系统数下降、燃烧不正常，易发生早燃和爆燃现象；

（2）与高温接触零件过热，会导致材料力学性能降低和产生严重的热应力，导致变形和裂纹；

（3）温度过高，会使润滑油变质、烧损和结焦失去润滑性能，破坏润滑油膜，零件的摩擦加剧和磨损加重。

      由此可见，机体温度过高易引起柴油发电机的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。因此，柴油发电机不能在过高的温度下工作。但如果系统的冷却能力过强，亦会影响柴油发电机的工作性能。润滑油有可能被燃油稀释（因缸壁过冷，可燃混合气体在缸壁冷凝并聚集，冲刷气缸壁上的润滑油膜，未蒸发的燃油经气缸壁流到油底壳，稀释润滑油），恶化混合气体形成和燃烧，增加润滑油粘度和摩擦功率，造成零件间的磨损加剧、摩擦损失增加、柴油发电机工作粗暴。另外。通过冷却系统带走的热量是燃油燃烧产生的热量，一般约占燃烧热量的20%～30%，这是一种损失。冷却强度过大，散热损失增加，会降低柴油发电机的经济性。

      因此，柴油发电机过冷或过热（即柴油发电机冷却系统冷却能力过强或过弱）都会对柴油发电机的经济性、动力性、工作可靠性带来不利的影响。冷却系统的功用是用来保证柴油发电机在最适宜的温度状态下工作（通常以气缸盖中冷却水的温度保持在80～90℃为宜）。起动时，应能使柴油发电机尽快加热到正常工作温度，并能在随后的工作中保持这一温度。

图1  冷却液循环工作原理图

图2  柴油发电机冷却系统水道循环路径

 

二、冷却系统的组成

      柴油发电机冷却系统为强制循环水冷系统，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。这种系统包括水泵、散热器、冷却风扇、节温器、补偿水箱、柴油发电机缸体水套和气缸盖中的水套以及其他附加装置等，是冷却液在冷却系统中的循环路径。冷却液在水泵中增压后，进入柴油发电机的缸体水套。冷却液从水套壁周围流过并从水套壁吸热而升温。然后向上流入气缸盖水套，从气缸盖水套壁吸热之后流经节温器。在发电机组运行或冷却风扇工作时，空气从散热器周围高速流过以增强对冷却液的冷却，使柴油发电机温度保持在工作范围内。冷却系统改善了燃烧室的冷却而允许柴油发电机有较高的压缩比，从而可以提高柴油发电机的热效率和功率。

1、水泵

      对冷却液加压，保证其在冷却系统中循环流动。汽车发动机广泛采用离心式水泵。

2、散热器

      散热器也称之为冷却水箱，主要由进水室、出水室及散热器芯等三部分构成，外观模拟图如图3、图4所示。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，冷空气则因为吸收冷却液散出的热星而升温，所以散热器是相当于一个热交换器。

 

图3  柴油机冷却水箱模型正视图

图4  柴油机冷却水箱模型侧视图

 

3、冷却风扇

      当风扇旋转时吸进空气，使其通过散热器，以增强散热器的散热能力，加速冷却液的冷却。

4、节温器

      节温器是控制冷却液流动路径的阀门。它根据冷却液温度的高低，打开或者关闭冷却液通向散热器的通道。

（1）小循环

      如图5所示，当冷却液温度低于82℃时，节温器关闭，即通向散热器的管路被关闭，通向缸体水泵入口的旁通管路打开，冷却液在缸体水套和缸盖水套之间循环，称为小循环，它能使柴油发电机迅速到达工作温度。

（2）大循环

      如图6所示，当冷却液温度达到92℃时，节温器打开，即通向散热器的管路被打开，通向缸体水泵入口的旁通管路被关闭，冷却液经过散热器进水软管流入散热器。在散热器中冷却液向流过散热器周围的空气散热而降温，最后冷却液经散热器出水软管返回水泵，如此循环不止，称为大循环。

 

图5  冷却系统小循环路线图

图6  冷却系统大循环路线图

 

三、冷却液的组成和分类

      冷却液是纯净水、防冻液和冷却系统添加剂DCA4的混合物，具体比例为50%的纯净水，50%的防冻液和0.5单位/升DCA4。冷却液必须使用纯净水，否则将在柴油发电机水套中产生水垢，使传热受阻，易造成柴油发电机过热。纯净水在0℃时结冰。如果柴油发电机冷却系统中的水结冰，将使冷却水终止循环引起柴油发电机过热。尤其严重的是水结冰时体积膨胀，可能将缸体、缸盖和散热器胀裂。为了适应冬季运行的需要，在纯净水中加入防冻剂制成冷却液以防止循环冷却水的冻结。

      最常用的防冻剂是乙二醇。冷却液中水与乙二醇的比例不同，其冰点也不同。50%的水与50%的乙二醇混合而成的冷却液，其冰点约为-35.5℃。在水中加入防冻剂还同时提高了冷却液的沸点。例如，含50%乙二醇的冷却液在大气压力下的沸点是107℃。因此，防冻剂有防止冷却液过早沸腾的作用。防冻剂中通常含有防锈剂和泡沫抑制剂。防锈剂可延缓或阻止柴油发电机水套壁及散热器的锈蚀或腐蚀。冷却液中的空气在水泵叶轮的搅动下会产生很多泡沫，这些泡沫将妨碍水套壁的散热。泡沫抑制剂能有效地抑制泡沫的产生。

1、冷却液的组成

      冷却液由水、防冻剂和各种添加剂组成。

（1）水

      水是冷却液的重要组成成分，这不仅是因为水具有良好的导热性和较大的比热容，而且一些防冻剂如乙二醇只有在配成一定比例的水溶液时才能充分发挥其防冻作用。

（2）防冻剂

      冷却液含有大量的水，水的冰点是0℃。在冬季，温度低于0℃时，冷却液结冰将损坏冷却系统，因此，需要加入防冻剂以降低冷却液的冰点。

（3）添加剂

      为了使冷却液性能指标达到使用要求，确保柴油机冷却系统正常工作，常在冷却液中加入缓蚀剂、缓冲剂、防垢剂、消泡剂、着色剂等添加剂。

      添加剂中，缓蚀剂的作用是防止或延缓柴油机冷却系统金属零部件的腐蚀；缓冲剂的作用是使冷却液维持一定的PH值，防止冷却液过度酸化而具有较强的腐蚀性，以保证冷却系统各金属零部件更好的工作；防垢剂的作用是防止水垢形成而影响冷却系统的散热效果；消泡剂的作用是降低泡沫的产生，以免因泡沫影响传热效率；着色剂的作用是使冷却液具有醒目的颜色，在冷却系统发生故障时容易辨认渗漏位置。

2、冷却液的分类

      冷却液的分类方法很多，通常按基础液类型、缓蚀剂组成、应用柴油机的负荷三种方法进行分类。

（1）按基础液类型分类

① 无机盐—水型

      这种冷却液的基础液是氯化钙、氯化钠、三氯化铁等无机盐。由于冷却液中的氯离子对铸铁、黄铜等金属具有严重的腐蚀性，目前已经很少使用。

②醇—水型

      这种冷却液的基础液是甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇等醇类。因乙二醇不仅具有优良的降低冰点的效果，同时具有沸点高、黏度适中、性能稳定、毒性低等优点而广泛使用，目前在用的绝大部分冷却液是乙二醇型冷却液。丙二醇也具有优良的降低冰点的效果，并且毒性更小，对环境污染小，但由于价格高，以前很少使用，近年来，随着人们环境保护意识的增强，丙二醇型冷却液在一些发达国家的使用量在逐渐增加。

（2）按缓蚀剂组成分类

① 无机盐型

      这种冷却液的缓蚀剂主要是无机盐。无机盐缓蚀剂的消耗速度较快，冷却液在柴油发电机运行300小时后，需要添加新的缓蚀剂。

② 有机酸型

      这种冷却液的缓蚀剂主要是有机酸。有机酸缓蚀剂的消耗速度很慢，冷却液的使用寿命长。

 

 

总结：

      柴油机通常设计时考虑到了许多因素，如柴油机内部摩擦的减小、柴油机冷却效果的提升、排放要求的严格要求。但是若是部件出现异常，导致柴油机会处在高温、高压和高速的运动状态，可能会给柴油机本身和其他柴油发电机部件等带来极大的压力和损坏。因此，在日常使用中，柴油机需要按照正确的方式使用和维护。柴油机润滑剂的质量、刻蚀剂的使用量和柴油机的保养情况，都会直接影响到柴油机的寿命和性能。为了避免柴油机损坏，使用和维护正常的柴油机是必要的。

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