新聞主題	柴油發(fā)電機冷卻系統結構功用與國內外技術(shù)介紹

 

摘要：冷卻系統的主要功用是為柴油發(fā)電機組機件散熱，防止柴油發(fā)電機過(guò)熱而損壞。它是由水泵、水套、節溫器、散熱器、風(fēng)扇、膨脹罐、冷卻液溫度傳感器和水管等組成的密團循環(huán)系統。冷卻系統還能對冷卻強度進(jìn)行調節，以適應柴油發(fā)電機不同工況的需要。其原理是利用離心泵的高速旋轉產(chǎn)生的壓力使冷卻水循環(huán)，通過(guò)散熱器將熱量散發(fā)到外界中去，使水的溫度降低，進(jìn)入下水箱，在水泵的作用下繼續循環(huán)冷卻內燃機的高溫部件，如此反復循環(huán)，以達到降低發(fā)動(dòng)機高溫部件的溫度的目的。

 

一、國內冷卻系統的現狀

 

      目前國內的冷卻系統仍采用傳統的冷卻節溫器、保溫簾和冷卻風(fēng)扇。節溫器仍主要以石蠟和乙醚作為反應介質(zhì)，反應緩慢，截面損失大，失效率高。保溫簾則由人工控制，冷卻風(fēng)扇由發(fā)動(dòng)機曲軸驅動(dòng)，且三者之間控制互不協(xié)調，導致機械能損失。

      發(fā)動(dòng)機冷卻系統主要由發(fā)動(dòng)機冷卻水套、散熱器、冷卻水泵、節溫器及冷卻風(fēng)扇等部件組成。散熱器是冷卻系統中最重要的一部分，其作用是通過(guò)流動(dòng)的空氣將冷卻系統中流過(guò)散熱器的循環(huán)水溫度降低，以達到降低發(fā)動(dòng)機受熱零部件的溫度的目的。散熱器的制造材料現如今有兩種：鋁和銅。由于銅的導熱性能好，而且經(jīng)過(guò)與一些材料進(jìn)行結合（表面鍍鋅或將鋅塊附在散熱器的表面）能夠耐腐蝕，且易于釬焊加工。所以我國大部分發(fā)電機組都應用這種銅質(zhì)的散熱器。況且銅制管片式散熱器是我國散熱器行業(yè)的傳統產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)是散熱器芯子結構強度高，剛性好，散熱芯部不易被塵土和油垢等堵塞。缺點(diǎn)是同等芯子的正面面積下，散熱面積小，散熱效果明顯較差。且由于銅的價(jià)格和資源問(wèn)題，不僅在散熱器厚度上有所改進(jìn)，也在結構上有所突破。

      上世紀70年代后期開(kāi)始研制和生產(chǎn)管帶式散熱器，以達到代替管片式散熱器，但由于國內加工工藝水平的限制，生產(chǎn)管帶式散熱器仍具有一定的困難。自從國家采用了新的標準來(lái)制造銅散熱器，導致散熱器的壽命明顯降低，腐蝕嚴重，使銅散熱器失去了原本具有的耐腐蝕的特性，于是將鋁制散熱器推到了人們的眼前，由于鋁資源較銅資源豐富，并且密度小，導電及導熱性能優(yōu)良，再加上其表面易形成氧化膜，所以耐腐蝕性能好，且鋁的融化溫度較低，流動(dòng)性好，很容易按照模具的形狀生產(chǎn)出各種復雜形狀的產(chǎn)品，根據上面的闡述可以總結出鋁制散熱器的幾大優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量輕，成本低，散熱效果好，節約能源，使用壽命長(cháng)，裝卸方便，可以看出在經(jīng)濟性和實(shí)用性上鋁制散熱器很明顯要優(yōu)于銅制散熱器。從以上可以看出鋁制散熱器將取代銅制散熱器。

      據相關(guān)資料介紹，我國對于鋁制散熱器的研究和開(kāi)發(fā)要相對于國外落后一段時(shí)間，現在的鋁制的散熱器也只是應用到轎車(chē)和微型車(chē)的冷卻系統中。其制作工藝基本屬于國際上70年代的水平，采用圓鋁管加百葉窗式翅片經(jīng)脹管工藝成型[3]。隨著(zhù)科技的進(jìn)步，世界上的散熱器的生產(chǎn)工藝的進(jìn)步，國內對散熱器的加工工藝也在不段進(jìn)步，國內部分的生產(chǎn)企業(yè)已可以生產(chǎn)質(zhì)量稍好的散熱器，隨之而來(lái)的工藝上的問(wèn)題也擺在人們的面前，既生產(chǎn)效率低，產(chǎn)品外觀(guān)粗糙，廢品率高和生產(chǎn)成本增加等。一汽集團于1996年向美國某發(fā)電機組企業(yè)進(jìn)口的鋁制散熱器的生產(chǎn)線(xiàn)已達到國際水平。哈爾濱某企業(yè)也應用該進(jìn)口工藝生產(chǎn)鋁制散熱器，鋁材料選用國內自制的鋁復鋅板，在無(wú)腐蝕和無(wú)污染的環(huán)境下，使用自制的國際先進(jìn)，國內首創(chuàng )的焊接技術(shù)，確保了焊接質(zhì)量[4]。所生產(chǎn)的鋁制散熱器外觀(guān)不氧化，達到了產(chǎn)品的設計要求和使用標準，及產(chǎn)品的性能指標，尤其是焊接工藝達到了和國際同等產(chǎn)品和國內先進(jìn)水平。該公司由于設備和原材料均使用國內產(chǎn)品，投資少，成本低，工藝靈活性很大，適合了我國發(fā)電機組工業(yè)生產(chǎn)規模小和品種規格多種多樣的現狀，具有高起點(diǎn)，高性能，高技術(shù)，低成本和國家化的特點(diǎn)。這不僅推動(dòng)了我國發(fā)電機組生產(chǎn)工業(yè)水平的進(jìn)步，同時(shí)也拉進(jìn)了我國發(fā)電機組生產(chǎn)工藝與國際發(fā)電機組生產(chǎn)工業(yè)的距離。

      我國從“八五”期間開(kāi)始進(jìn)行扁圓管的試制，經(jīng)過(guò)了失敗，改進(jìn)再失敗再改進(jìn)的相當艱苦的歷程，最后從設備，工夾具到工藝過(guò)程摸索出一套成熟的扁圓管生產(chǎn)工藝，再配以開(kāi)窗翅片經(jīng)過(guò)高溫釬焊制成高性能散熱器，改產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和成型工藝與一汽進(jìn)口的美國發(fā)電機組生產(chǎn)企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品屬于同一類(lèi)型，雖然我國生產(chǎn)的產(chǎn)品相對于進(jìn)口工藝的質(zhì)量和散熱效果還有差距，但國產(chǎn)的產(chǎn)品與進(jìn)口的生產(chǎn)工藝所生產(chǎn)出的產(chǎn)品在競爭上還有一定的優(yōu)勢。我國生產(chǎn)的鋁制散熱器以通過(guò)了長(cháng)春散熱器研究所的檢測，成功的通過(guò)了耐高溫壓力脈沖性能、耐震動(dòng)性能、負壓密封性能、散熱性能這四項實(shí)驗，這四項實(shí)驗滿(mǎn)足德國大眾發(fā)電機組公司TL-VW874標準。這是國內唯一通過(guò)這響標準的新產(chǎn)品[5]。而這也預示著(zhù)國內發(fā)電機組生產(chǎn)工藝已和國際發(fā)電機組生產(chǎn)工藝的差距越來(lái)越小。

      我國的發(fā)電機組工業(yè)起步較晚，所以和發(fā)電機組工業(yè)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)都相對滯后，國內自行設計和50年代從蘇聯(lián)引進(jìn)的發(fā)動(dòng)機普遍采用，鋼板風(fēng)扇，鋼板風(fēng)扇是以圓鋼板制成托架再與薄鋼板葉片鉚接而成，由于加工誤差的積累和結構上設計的不足，風(fēng)扇的效率較低，性能較差，功率消耗和噪聲都很大，明顯不能滿(mǎn)足發(fā)電機組生產(chǎn)的節能和無(wú)污染的要求，自從70年代以來(lái)，國外的發(fā)電機組生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的冷卻風(fēng)扇主要以塑料風(fēng)扇為主，而當時(shí)我國的發(fā)電機組生產(chǎn)企業(yè)仍然生產(chǎn)和使用鋼板風(fēng)扇。不過(guò)隨著(zhù)科技的進(jìn)步和國內發(fā)電機組生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)投入，我國的工程塑料的開(kāi)發(fā)和研制及生產(chǎn)工藝也相對成熟，已有部分車(chē)型應用了塑料風(fēng)扇，國內工程塑料風(fēng)扇年產(chǎn)量也達到了數十萬(wàn)只。

      風(fēng)扇在冷卻系統中雖然不是最重要的，但缺了風(fēng)扇冷卻系統將陷入癱瘓的狀態(tài)，好的風(fēng)扇和一個(gè)質(zhì)量一般的散熱器配合只能起到一般的散熱效果，而好的散熱器和一般的風(fēng)扇配合起到的效果也只能是一般冷卻效果，只有讓好的風(fēng)扇和好的散熱器配合才能達到良好的冷卻效果。目前國內的輕型貨車(chē)和客車(chē)的風(fēng)扇仍采用傳統的定傳動(dòng)比的控制方式，這種控制方式是以發(fā)動(dòng)機曲軸通過(guò)V帶以固定比驅動(dòng)風(fēng)扇，由于受到曲軸的轉速的變化的限制，冷卻風(fēng)扇的轉速及冷卻能力只能隨發(fā)動(dòng)機的轉速變化而變化，不能隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機的熱符合的增大和改變風(fēng)扇的轉速提高冷卻速度，進(jìn)行自動(dòng)調節，這直接導致發(fā)動(dòng)機受熱部件的溫度過(guò)高而影響發(fā)動(dòng)機的使用壽命，也影響發(fā)動(dòng)機的工作質(zhì)量。

 

二、國外冷卻系統的現狀

 

      國外的冷卻系統的技術(shù)水平比較先進(jìn)，我國的發(fā)電機組散熱器生產(chǎn)工藝水平與國際相比仍有20年的差距。長(cháng)期以來(lái)，銅一直是散熱器的首選材料，為達到節約能源和減少環(huán)境污染，發(fā)電機組工業(yè)向輕量化發(fā)展，提出了“全鋁發(fā)電機組”的口號，從這個(gè)角度看，鋁自然成為最佳的選擇材料，上實(shí)際50年代后期，國際上就開(kāi)始研制鋁制散熱器。

     當然國外在研制該散熱器的時(shí)候也遇到了很多的困難，首先是焊接問(wèn)題，鋁在自然狀態(tài)下是不能焊接的，于是隨后就開(kāi)發(fā)出氣脹的方式，還有油脹和機械膨脹的方式和方法使管子與散熱片結合在一起。到1993年，伏特發(fā)電機組公司將無(wú)針釬焊技術(shù)應用到發(fā)電機組散熱器上，此技術(shù)是最先進(jìn)的散熱管與帶結合技術(shù)，金屬表面的氧化膜在釬焊溫度時(shí)受釬焊合金中的合金物質(zhì)作用而被變質(zhì)和去除，釬焊前對金屬表面進(jìn)行脫脂利用蒸汽和化學(xué)方法，在惰性氣體和真空狀態(tài)下對部件進(jìn)行焊接。

      傳統的冷卻方式已明顯不能滿(mǎn)足現代發(fā)電機組工業(yè)發(fā)展的速度，基于以上的情況，于是有各種各樣新型設備相繼出現在現代發(fā)電機組的冷卻系統中，比如；由電動(dòng)冷卻風(fēng)扇取代了原來(lái)的皮帶傳動(dòng)冷卻風(fēng)扇，德國大眾發(fā)電機組公司在中國申請的專(zhuān)利。該專(zhuān)利在發(fā)電機組散熱器前方設置空氣吸入口和輔助通口，加快了散熱器的冷卻速度，減少了電動(dòng)風(fēng)扇的電能消耗。但散熱器輔助通口在自下向上吸入冷卻空氣，很容易將道路上的塵土和雜物吸入，造成散熱器臟污和堵塞，使散熱器散熱效率降低。隨著(zhù)科技的進(jìn)步，冷卻風(fēng)扇已由傳統的控制方式改為只能控制方式，風(fēng)扇的冷卻能力隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機散熱的需要而自動(dòng)精確的調節，提高了發(fā)動(dòng)機的預熱速度，使其始終保持最佳的工作溫度，減少功率消耗90%，節省燃油10%。

 

三、冷卻系統組成及功用介紹

 

      柴油機冷卻系統結構框圖如圖1所示，水路循環(huán)示意圖如圖2所示。

1、冷卻水泵

      水泵使冷卻液產(chǎn)生一定的壓力和流量，強制冷卻液循環(huán)流動(dòng)。水泵多為帶傳動(dòng)，有些柴油發(fā)電機采用齒輪傳動(dòng)。

2、散熱器

      冷卻液在散熱器芯內流動(dòng)，空氣在散熱器芯外流過(guò)。冷卻液的熱量通過(guò)散熱器散發(fā)到大氣中，因此散熱器是一個(gè)熱交換器。散熱器負責冷卻液的冷卻，它的水管和散熱片多用鋁材制成，鋁制水管做成扁平形狀，散熱片為波紋狀，以利于散熱。散熱器由進(jìn)水室、出水室、主片及散熱器芯等四部分構成。

3、節溫器

      節溫器用于冷卻強度的調節。溫度低時(shí)，關(guān)閉通往散熱器的水路；溫度超過(guò)80℃時(shí)，開(kāi)放通往散熱器的水路，使冷卻液流過(guò)散熱器，提高散熱強度。

4、風(fēng)扇及風(fēng)圈

      風(fēng)扇用于在散熱器外部形成氣流，使熱交換得以完成。風(fēng)扇按驅動(dòng)方式可分為普通機械驅動(dòng)風(fēng)扇和電動(dòng)風(fēng)扇兩種。其中，電動(dòng)風(fēng)扇由電動(dòng)機直接驅動(dòng)，僅用于小型發(fā)電機組。

      電控硅油風(fēng)扇由柴油發(fā)電機ECU控制。柴油發(fā)電機溫度低時(shí)，風(fēng)扇離合器分離，風(fēng)扇隨動(dòng)、轉速很低；柴油發(fā)電機溫度超過(guò)一定值（濰柴共軌柴油發(fā)電機為85℃），或同時(shí)打開(kāi)空調AC開(kāi)關(guān)和空調強冷（FAN control)開(kāi)關(guān)時(shí)，風(fēng)扇離合器接合，風(fēng)扇全速運轉，以提高散熱能力。

5、散熱器蓋

      散熱器蓋用于自動(dòng)調節散熱器內的水蒸氣壓力，保持壓力平衡。系統內合適的壓力能夠提高水的沸點(diǎn)，減少水的蒸發(fā)損耗。散熱器蓋上設有空氣閥和蒸汽閥，用于調節系統內壓力。當系統內壓力超過(guò)一定限值時(shí)，蒸汽閥打開(kāi)，排出部分蒸汽，防止系統壓力過(guò)大，產(chǎn)生滲漏或機件受損；當系統壓力低于一定限值時(shí)，空氣閥打開(kāi)，外部空氣進(jìn)人系統內補充，防止系統內負壓過(guò)大，機件損壞。

6、膨脹罐

      膨脹罐其作用主要是使氣液分離，減少冷卻液的散失。膨脹罐上有水位刻線(xiàn)，加注冷卻液時(shí)要保證液位處于最高刻線(xiàn)與最低刻線(xiàn)之間。

7、冷卻液溫度傳感器

（1）用于檢測發(fā)動(dòng)機冷卻液的溫度，并將此信號輸送到發(fā)動(dòng)機的電子控制元件。

（2）根據該信號對噴射時(shí)間、點(diǎn)火時(shí)刻和怠速轉速等進(jìn)行相應調節，同時(shí)也可作為其他控制系統的控制信號。

 

圖1  柴油機冷卻系統框架圖

圖2  柴油機冷卻系統循環(huán)水路示意圖

 

總結：

      冷卻系統需要具備足夠的可靠性和安全性，以確保柴油發(fā)電機組的穩定運行。設計時(shí)需要考慮冷卻系統的故障率和維修保養成本，合理選擇冷卻系統的組成部件，并定期進(jìn)行檢查和維護。另外，柴油發(fā)電機不同的環(huán)境和應用場(chǎng)景需要不同的冷卻方案，設計時(shí)需要充分考慮環(huán)境因素，例如氣溫、濕度、海拔高度等，選擇適合的冷卻方式和組成部件，并進(jìn)行合理的調試和優(yōu)化。

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