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柴油发电机冷却系统布置方式 |
摘要：柴油发动机工作时，燃油在燃烧室内燃烧产生大量的热量，使气缸内气体温度高达1800℃以上。如不加以适当的冷却，会使柴油机过热，充气系数下降，燃烧不正常（爆燃、早燃等），机油变质和烧损，零件的摩擦和磨损加剧，引起柴油发电机组的动力性、经济性、可靠性和耐久性全面恶化。但是，如果冷却过强，柴油机混合气形成不良，机油被燃油稀释，柴油机工作粗暴，散热损失和摩擦损失增加，零件的磨损加剧，也会使柴油机工作变坏。因此，柴油发电机组要正常发电，就必须设计有效的冷却系统，而选择适当的冷却型式与布置方式更成为其关键因素。
一、冷却型式
1、水冷
在水冷柴油机上，采用一个循环水泵迫使冷却水流过气缸套和气缸盖需要冷却的部分，通过适当布置导水管或采用其他导流措施，可以对热负荷很严重的部分（气门间的鼻梁区、气缸套上缘等）实现有效的冷却。内燃机的发明人奥托（O tto）就是采用水作为冷却气缸的介质。水具有良好的热容量（比热大），与壁面之间的换热系数较高，而且一般说来，也是比较便宜和随手可得的，这也就是水冷方式目前得到广泛应用的原因。但水冷方式也存在一些缺点，因为不是任何一种水都适用于作冷却剂，因此，现代发动机利用防高温冷却液（如弗列加预混合冷却液）来代替水作为冷却介质。
（1）蒸发冷却
在开式冷却系统中，利用水的汽化潜热（其值在100℃时为2258kJ/kg）可以达到良好的冷却效果。根据燃油耗率和通过冷却水所带走的热量比例，可以估算出这种冷却方式需消耗的冷却水量为1~3L/kW·h。这种冷却方式主要用于一些老式的小型柴油机上。
（2）开式循环冷却
在开式循环水冷却方式中，冷却水连同带走的热量重新流回江湖中去。因为自然界的水一般处于低温状态（最高35℃），为了防止热应力过大，柴油机的进出口温度又不允许太高（仅允许20℃左右），致使在这种冷却方式下柴油机总是在比较冷的状态下运转。因此实际上经常应用的是一种属于半开式循环的混合冷却方式，在这种冷却方式中，为了保持预先规定的温度状态，只有一部分水参与开式循环。
（3）闭式循环冷却
柴油发电机大部分采用此种冷却型式。其原理是水泵从散热水箱内吸入低温水，升高压力后，送到机油冷却器，然后流经汽缸体和汽缸的冷却水套，带走热量后经问水管流回散热水箱进行降温。冷却水不断地循环流动，使柴油机的工作温度保持在一定范围内。通常冷却水出门温度为343~363K。闭式系统中，水在密闭系统内循环，冷却系统的蒸压力大于大气压力，由于冷却水温与外界气温温差加大，因而提高了整个冷却系统的散热能力。
（4）压力冷却
当散热器和贮水箱都与大气相通时，冷却介质处于大气压力的作用下，压力式冷却方式的优点是可以通过提高冷却水温度（如120℃）来缩小散热器的尺寸。它的缺点是密封比较困难，而且减少了柴油机进出口水的温差，这种冷却型式主要应用在飞机内燃机上。
2、风冷
单缸风冷柴油机是一种较为简单的内燃机，由缸体、曲轴、连杆、活塞、气门、喷油器、供油系统、点火系统、排气系统、冷却系统等组件组成。其中，缸体是内燃机的核心零部件，缸内活塞与曲轴相连，气门控制着进气和排气过程，而喷油器则负责将燃油喷入缸内。
其工作原理是燃油与空气通过喷油器和气门进入缸内，在活塞上升过程中进行压缩，在活塞到达顶点时喷油器喷出燃油，燃油在高温高压气体的作用下瞬间燃烧，产生高温高压气体推动活塞向下运动，从而带动曲轴旋转，产生机械动力。
为了保证缸内气体的充分混合和燃烧，单缸风冷柴油机还配备了气门和喷油器。气门负责进气和排气，喷油器则负责将燃油直接喷入缸内。在活塞下行时，缸内气体排出，同时喷油器向缸内喷射燃油，在高温高压气体的作用下自燃燃烧，推动活塞向上运动，完成一个工作循环。
3、活塞冷却
活塞顶部从燃烧室接受的热量，大部分是通过活塞环传给气缸壁的（缸壁外圆受到冷却），还有一小部分热量则通过活塞裙传到气缸壁或由飞溅至活塞底面的机油带走。虽然随着柴油机强化程度的提高，对活塞耐热性能的要求愈来愈高，但是对于热负荷较高的柴油机活塞，必须加强冷却措施。
二、闭式循环冷却的布置特点
在闭式循环冷却方式中（如图1所示），冷却水在水泵的压力下进行封闭循环，水泵出来的冷却水经机油冷却器，有时还有液力传动油散热器和增压空气中冷器，进入机体各个气缸周围，再由此向上冷却气缸盖以后经出水总管流出，从出水总管流出的水先流到节温器，当水温较低时，节温器控制水流不经过散热器而直接返回水泵的吸水端；当水温较高时，则使冷却水经过散热器后再返回水泵吸水端，节温器起作用的温度约为85℃~90℃。当散热器尺寸足够时，通过节温器的自动调节作用，可使冷却水温度在上述温度范围内基本维持恒定，而不受发动机负荷的影响。冷却水在一般蜂巢式散热器（冷却水箱）中受到空气的再冷却，当用空气冷却时，用风扇将冷却空气吹过散热器，此风扇可由发动机直接驱动。整个水冷流程如图2所示。
在小型发动机上，冷却水泵大多用三角皮带驱动，发电机亦由此三角皮带驱动并同时用来调节皮带的张紧程度，能采用三角皮带驱动的条件是水泵布置在发动机前上方的机体端面上。水泵这种布置方案的优点是，冷却水能够以最短的路程由水泵直接流入机体而毋需专门的管道，此外在这种方案中，风扇叶片正好可以装在水泵的三角皮带轮的轮毂上而不需要另外的支承。但是水泵装在机体的前端面上以后会影响发动机的长度。若我们要求尽量缩短发动机长度时，则只能将水泵布置在发动机侧面，这样一来，前述省管道和布置风扇比较方便的两项优点也就不存在了，但将风扇与水泵装在一起也是有缺点的。因为这样一来水泵和风扇的转速完全一样。为了使噪声不至于过大，风扇叶尖的圆周速度不允许超过75~80m/s，风扇的转速因此受到一定的限制，致使水泵的转速不可能得到有利的发挥。
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图1 闭式循环冷却系统图 |
图2 柴油机冷却系统水冷流程图 |
三、柴发冷却系统的安装布置
备用发电机组带载运行时，大小约为发电机组输出功率71.43%的燃烧热需要冷却系统从发动机本体带出，因此，备用电源系统要按其装机容量正常发电，就必须在项目前期规划过程中考虑备用电源的机房设计，并在备用发电机组选型时根据环境温度、机房最大容许进风量等用户环境条件，确定发电机组最合适的冷却系统设计方案，以确保发电机组发电过程中20%～40%的燃烧热量能有效带出冷却，否则备用电源系统无法满足用户环境下负载的启动运行需求。
柴油发电机组的冷却系统安装布置时，可分为联机式冷却系统和远置式冷却系统：
1、联机式冷却系统
其中联机式冷却系统即一体式冷却系统，在发电机组的开发阶段验证定型，可靠性和冷却效率都很高，性价比高且现场安装简单，故障率低且故障处理容易，但对发电机房的进风量要求大，发电机组运行时水箱/散热器风扇噪声大。如进风量不够时，很容易出现高水温现象，因此，若有必要可加装热交换器系统（如图3所示）。
2、外循环冷却系统
主要加装冷却水塔和热交换器同时使用，如图4所示。发动机冷却系统与热交换器低温端形成内循环，热交换器高温端与冷却水塔连接形成外循环。
当机房的温度偏高而遇通风系统不畅时，可以考虑冷却水塔作为冷却系统。冷却水塔的工作原理和远置水箱原理差不多，不过后者循环水是全封闭式，而水塔的水会经过室外的空气进行冷却，室外空气中的尘埃及酸性雨水会对水塔循环水造成污染，因此使用水塔时，应注意对循环水做处理。
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图3 柴油发电机组冷热交换器示意图 |
图4 冷却水塔+热交换器冷却系统 |
3、远置式冷却系统
远置式冷却系统即分体式冷却系统，其水箱/散热器远置于发电机房外，冷却系统具体方案在机房设计阶段定型，属于客户化设计，故可靠性和冷却效率都比较低，且现场安装复杂，故障率高且故障处理难度大，但发电机组运行对机房的进风量要求较小，发电机组运行时机房内噪声较小。
（1）立式远置水箱
安装布置如图5所示。当远置式散热器与发动机的距离和高度产生的压阻不超过允许值时，发动机的冷却系统可以直接与远置散热器连接形成内循环。立式水箱的优点是结构简单、占地面积小和成本低。但是，在商业中心和住宅区需要进行严格的噪声控制。
（2）立式远置水箱+热交换器
安装布置如图6所示。当远置式散热器与发动机的距离和高度产生的压阻超过允许值时，发动机的冷却系统与热交换器低温端直接形成内循环，热交换器高温端与远置散热器连接形成外循环。
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图5 柴油发电机立式远置水箱安装图 |
图6 立式远置水箱+热交换器冷却系统 |
（3）卧式远置水箱
安装布置如图7所示。当远置式散热器与发动机的距离和高度产生的压阻不超过允许值时，发动机的冷却系统可以直接与远置散热器连接形成内循环。卧式远置散热器的优点是散热效果好、噪声容易控制。缺点是占地面积大、成本高。
（4）卧式远置水箱+热交换器
安装布置如图8所示。当远置式散热器与发动机的距离和高度产生的压阻超过允许值时，发动机的冷却系统与热交换器低温端直接形成内循环，热交换器高温端与远置散热器连接形成外循环。
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图7 柴油发电机卧式远置水箱安装图 |
图8 卧式远置水箱远置+热交换器冷却系统 |
四、冷却系统的设计考量因素
备用电源的冷却方式，即柴油发电机组采用何种冷却系统，受制于发电机组发动机进气方式，应在备用发电机组选型和机房土建规划时确定。
1、如果备用发电机组采用涡轮增压空空中冷，则只能采用跌机式冷却系统。
2、如果发电机组采用涡轮增压单泵双循环空水中冷，则建议采用联机式冷却系统。
3、如果备用发电机组采用其它进气方式，且机房满足所有发电机组满载运行的进风量需求，则发电机组应当优先采用联机式冷却系统，但如果机房需要进一步降噪，则可以考虑采用远置式冷却系统。
4、如果机房进风量无法通过土建规划设计满足发电机组满载运行的进风量需求，则必须采用远置式冷却系统，此时不能选用涡轮增压空空中冷的备用发电机组，也不建议选用涡轮增压单泵双循环空水中冷发电机组。
5、备用电源采用跌机式冷却方式时，机房设计不需要考虑冷却系统设计，直接使用发电机组联机式冷却系统即可，但机房的进风量，一定得按用户环境（海拔高度和环境温度）下各用系统满载运行时的总进风量需求设计。
6、备用电源采用远置式冷却方式时，安装于机房外的水箱/散热器与发电机组的相对位置，决定备用电源系统采用哪种冷却系统设计方案。
总结：
柴油发电机组在运行中常处于高温状态，过高的温度不仅蕴藏着危险，因燃烧空气的膨胀也会导致运转效率的下降。因必须用冷却液对不断对发动机、润滑油和燃烧空气进行冷却。使冷却水保持低温的办法，一般有内循环空气冷却和其它外循环低温水冷却二种。对它们的选择，根据发电机组安装场所和运行环境而定。对于柴油发电机组而言，最简单也是相对可靠的莫过于闭式内循环系统。因为闭式冷却系统的一个独特之处就是相对于外界是独立的系统，如果因某些不可抗拒因素导致公用电源故障，这亦可能切断了供水，使所有靠公共供水冷却的柴油发电机组出现重大安全隐患。
除了上文所述因素外，冷却方式的选择也有其他方面的影响。首先，在寸土寸金的今天，设备的布置必须考虑最有效的空间利用；其次是商业中心地段和住宅区等对噪声的抑制的高要求，以及投资的经济性。所以，有些项目的冷却系统解决方案，有很大的挑战性，而康明斯公司对于迎接挑战具有天然的优势。
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