水冷柴油发电机的构造与原理

摘要：实践表明，柴油发电机经常在防锈水温为40～50℃条件下使用时，其零件磨耗要比正常温度下运行时大好几倍。因此柴油发电机也不应冷却过大。柴油发电机冷却系统的功能是保证发电机在较适宜的温度范围内作业。对于水冷式柴油发电机，缸壁水套中适宜的温度为80～90℃，对于风冷式柴油发电机，缸壁适宜温度为160～200℃。根据冷却介质的不一样，柴油发电机冷却装置可分为水冷式和风冷式两种。本文中康明斯公司重点为你引荐水冷式柴油发电机的组成构成和基本特点。

      柴油发电机作业时，过热燃气及摩擦生成的热会使汽缸（盖）、活塞和气门等零部件的温度升高。如不采取适当的冷却举措，将会使这些零件的温度较高。受热零件的机械强度和刚度会显着减小，相互间的正常配合间隙会被破坏。润滑油也会因温度升高而变稀，失去应有的润滑用途，加剧零件的损伤和变形，严重时配合件可能会卡死或损坏。柴油发电机偏热，会引起充气系数减轻，燃烧不正常，功率无劲，耗油比增加等。如柴油发电机温度较低，则混合气形成不佳，造成工作粗暴、散热损失大、功率不足、油耗增加、机油黏度大、零件磨损加剧等，引起柴油发电机使用寿命缩短。

      水冷却步骤是用水作为冷却介质，将柴油发电机受热零件的热量传递出去。这种冷却方法具有冷却比较均匀、可使柴油发电机稳定在较有利的水温下工作、运行时噪音小等优点，于是目前绝大多数柴油发电机采用的是水冷式冷却系统。根据防冻液在柴油发电机中进行循环的步骤不同，可分为自然循环冷却和强制循环冷却两类。

      自然循环冷却是利用水的密度随温度变化的特征，以产生自然对流，使防锈水在冷却装置中循环流动。其特点是构成简单，保养方便；缺点是水循环缓慢，冷却不均匀，柴油发电机下部水温低，上部水温高，局部地方因为防锈水循环强度不够而可能产生太热状况。并且自然循环冷却系统要求水箱功率较大，故只在小型柴油发电机上采用。自然循环冷却可分为蒸发式、冷凝器式和热流式三种。

      强制循环冷却是利用水泵使水在柴油发电机中循环流动。强制循环冷却装置可分为开式和闭式两种。在开式强制循环冷却装置中，冷却介质直接与大气相通，冷却系统内的蒸汽压力总保持为外界大气压，其消耗水量比较多。而在闭式强制循环冷却系统中，水箱盖上装配了一个空气-蒸汽阀，冷却介质与外界大气不直接相通，水在密闭机构内循环，冷却装置的蒸汽压力稍高于大气压力，水的沸点可以提升到100℃以上。其特征是可提高柴油发电机的进、出水口水温，使防锈水温差小，能稳定柴油发电机作业温度和提升其经济性；与此同时，还能提高散热器的平均温度，从而缩小散热面积，降低水的消耗量，并可缩短机油预热时间。其缺点是冷却机构零配件的耐压要求较高。这种冷却方式目前运用较为广泛。

      如图1所示为康明斯系列柴油发电机闭式强制循环水冷却装置示意图。柴油发电机的气缸体和气缸盖中都铸造有水套。冷却液经水泵加压后，经分水管进入机体水套内，防冻液在流动的同时吸收气缸壁的热量并使自身的温度升高，然后流入气缸盖水套，在此吸热升温后经节温器及散热器进水管进入散热器中。与此同时，因为风扇的旋转抽吸，空气从散热器芯吹过，流经散热器芯的水箱宝热量不断地散发到大气中去，使水温降低。冷却后的水流到散热器底部后，又经水泵加压后再一次流入机体水套中，如此不断地循环，柴油发电机就不断地得到冷却。当水温高于节温器的开启温度时，回水进入水箱散热器进行冷却，完成水循环，这种循环一般称为大循环；当水温低于节温器开启温度时，回水便直接流入水泵进行循环，这种循环通常称为小循环。循环演示如图2所示。

       柴油发电机转速升高，水泵和风扇的速度也随之升高，则防冻液的循环加快，扇风量加大，散热能力就提升。为了使多缸机前后各缸冷却均匀，通常柴油发电机在机体水套中设置有分水管或铸出配水室。分水管是一根金属管，沿纵向开有若干个出水孔，离水泵愈远处，出水孔愈大，这样就可以使前后各缸的冷却强度相近，整机冷却均匀。

      散热器的用途是将冷却液所携带的热量散入大气以减轻防冻液的温度。散热器必须有足够的散热面积，并用导热性好的材料制造，其构成如图3（a）所示，它由上水箱（有的带有空气-蒸汽阀）、芯部和下水箱三部分构造。上、下水箱用来存放冷却水，上水箱顶部开有注入水箱宝的加水口，用水箱盖封闭。柴油发电机水套中的热水从气缸盖上的出水口流进上水箱，经散热器芯子冷却后流到下水箱，再经下水箱的出水管被吸入水泵。

       散热器芯部结构形式有多种，主用的有管片式和管带式两种。管片式的芯部组成如图3（b）所示，它由许多扁形水管焊在多层散热片上构成。其芯部的散热面积大，对气流的阻力小，构成刚度好，承压能力强，不易破裂，故而目前被广泛采用。其弊端是制造工艺比较复杂。管带式芯部的结构如图3（c）所示，它由波纹状散热带与冷却扁管相间排列组合而成。带上开有缝槽，可以破坏气流附面层以增加传热效果。该型芯部的刚度不如管片式好，但制造工艺大概，便于大量生产，其应用有逐渐增多之势。

      散热器芯子多用黄铜制造。黄铜具有较好的导热和耐腐蚀性能，易于成形，有足够的强度且便于焊修。为了节约铜，近年来，铝合金散热器也有一定发展。

      闭式强制循环冷却系统是一个封闭的机构，提高装置的蒸汽压力后，可以提高防冻液的沸点。因为水箱宝温和外界气温温差加大，因而也就提高了整个冷却机构的散热能力。但如果冷却装置内蒸汽压力过度，就可能使散热器芯的焊缝或水管破裂。当冷却机构中的蒸汽凝结时，会使系统中的蒸汽压力低于外界大气压力，如果这个压力偏低，散热器芯部就可能被外界大气压压坏。因此闭式冷却系统的水箱盖上装有空气-蒸汽阀，其构造及工作机理如图4所示。当冷却装置内蒸汽压力低于大气压力0.01～0.02MPa时，在压差功用下，空气阀3便克服弹簧的预紧力而开启，如图4（a）所示。空气从蒸汽引出管5经空气阀进入上水箱，使冷却机构的压力升高。当冷却系统内蒸汽压力超过大气压0.02～0.03MPa时，蒸汽阀弹簧2被压缩，蒸汽阀1便开启，如图4（b）所示，此时将从蒸汽引出管5中出一部分蒸汽，使冷却机构的压力下降。此时，防锈水的沸点可提高到108℃左右，减轻了冷却液的消耗。

      空气-蒸汽阀通常安装在散热器盖上，有的柴油发电机则装配在散热器上储水箱的侧面。当柴油发电机偏热时，如需打开闭式强制循环冷却机构的散热器盖，应将其慢慢旋开，使冷却机构内的压力逐渐降低，以免蒸汽和热水喷出伤人。如果要旋松放水开关放出水箱宝时，也需先打开散热器盖，才能将水放尽。

      风扇的作用是增大流经散热器芯部空气的流速，提高散热器的散热能力。水冷系统的风扇要求足够的风量，适度的风压，功率消耗少，效率高，噪音低以及工艺简单。在水冷机构中常载的是轴流式风扇，这种形式的风扇组成简易，布置方便，低压头时风量大，效率高。它一般装在散热器芯部后面，利用吸风来冷却芯部。

      风扇的构造如图5所示。在固定于带轮上的风扇支架上康明斯柴油发电机价格，铆着用薄钢板冲制成的风扇叶片。风扇的扇风量详细与风扇直径、转速、叶片形状、叶片装配角及叶片数目有关。叶片大多用薄钢板冲压制成，断面形状多为弧形。但也可用塑料或铝合金铸成翼形断面的整体式风扇，虽然制造工艺较复杂，但效率高，功率消耗小。在有些发电机上，冷却风扇的冲压叶片端部弯曲，以增加扇风量。叶片应装配得与风扇旋转平面成30°～60°倾斜角。叶片数目一般为4片或6片。有的将叶片间夹角做成不等，以减轻旋转时产生的震动和噪音。风扇外围装设护风圈，可适当提高风扇的作业效率。

      水泵的功用是提高防冻液压力，使水在冷却装置内加载循环。柴油发电机上广泛采用离心式水泵，作业原理如图6所示。水泵叶轮由主轴驱动旋转时，带动水泵中的水一起转动，因为离心力的功能，水被抛向叶轮边缘并出现一定的压力，经出水管被压入缸体水套中，在叶轮中心处，因为水被甩向外缘而压力减少，水箱中的水经进水管被吸入泵中，再被叶轮甩出。水泵叶轮一般有6～8个轮叶，轮叶形状有径向直叶片的，其构成大概；有曲线形叶片的，其泵水效率高。离心式水泵的具体优点是结构大概、外形尺寸小、工作可靠、制造容易以及当水泵因为损坏而停止转动时，防锈水仍可进行自然循环。

      冷却装置的散热能力是按照发电机主用工况和气温过高的情况下能保证可靠冷却而布置的。但操作要素（如转速、负载和气温等）变化时，必须改变散热器的散热能力，使需要从冷却机构散走的热量与冷却机构的散热能力相协调。可通过改变流经散热器芯部冷却水的循环流量或冷却空气流量的方案来调节其冷却强度，以保证发电机在较佳温度状况下作业。

      冷却水将发烫零件的热量带走后，并在流经散热器时，将热量散入大气。若降低流经散热器的水量，则会使散热量降低，整个冷却机构的温度将会提升。流经散热器的水量，由装在气缸盖出水口附近水道中的节温器来调整。节温器有膨胀筒式和蜡式两种。

      双阀膨胀筒式节温器的构成及作业状况如图6所示。弹性折迭式的密闭圆筒用黄铜制成，是温度感应件发电机组厂家，筒内装有低沸点的易挥发液体（通常是由1/3的乙醇和2/3的水溶液混合而成），其蒸汽压力随温度而变。温度高时，其蒸汽压力大，弹性膨胀圆筒伸长得多。圆筒伸长时，焊在它上面的旁通阀门和主阀门也随之上移，使旁通孔逐渐关小，顶部通道逐渐开大，当旁通孔全部关闭时，主阀开度达到较大。主阀关闭时，旁通孔全部开启。

      当冷却液温度低于70℃时［如图7（a）所示］，节温器主阀关闭，旁通孔开启。冷却水无法流入散热器，只能经节温器旁通孔进入回水管流回水泵，再由水泵压入分水管流到水套中去。这种水箱宝在水泵和水套之间的循环称为小循环。由于防冻液不流经散热器，而预防了柴油发电机过冷，同时也可使冷态的柴油发电机很快被加热。

      当水温超过70℃后［如图7（b）所示］，弹性膨胀筒内的蒸汽压力使筒伸长，主阀逐渐开启，侧孔逐渐关闭。一部分冷却水经主阀注入散热器散走热量，另一部分冷却液进行小循环。当水温超过80℃后，侧孔全部关闭，防冻液全部流经散热器，然后进入水泵，由水泵压入水套冷却发烫零件。冷却液流经散热器后进入水泵的循环称为大循环。此时发热零件的热量被冷却水带走并通过散热器散出，柴油发电机不会偏热。

      主阀门顶上有一小圆孔，称为通气孔，用来将阀门上面的出水管内腔与发电机水套相连通，使在加注水箱宝时，水套内的空气可以通过小孔排出，以保证水能充满水套中。

      因为膨胀筒式节温器阀门的开启是靠筒中易挥发液体形成的蒸汽压力的作用，故对冷却系统中的作业压力较敏感、工作可靠性差、使用寿命短、制造工艺也较复杂，故现在逐渐被对冷却装置的压力不敏感、作业可靠、寿命长的蜡式节温器所取代。

      如图8所示，为蜡式双阀节温器工作原理示意图。上支架与阀座、下支架铆成一体。反推杆固定于支架的中心处，并插于橡胶套的中心孔中。橡胶套与感温器外壳之间形成的腔体内装有石蜡。为防止石蜡流出，感温器外壳上端向内卷边，并通过上盖与密封垫将橡胶套压紧在外壳的台肩面上。

      在常温时，石蜡呈固态，当水温低于76℃时，弹簧将主阀门压紧在阀座上，主阀门完全关闭，同时将副阀门向上带动离开副阀门座，使副阀门开启，此时冷却水进行小循环［如图8（a）所示］。当水温升高时，石蜡逐渐变成液态东风康明斯柴油发电机，体积膨胀，迫使橡胶套收缩，而对反推杆锥状端头产生向上的举力，固定的反推杆就对橡胶套和感温器外壳出现一个下推力。当发电机的水温达到76℃时，反推杆对感温器外壳的下推力克服弹簧张力使主阀门开始打开。水温超过86℃时，主阀门全开，而副阀门完全关闭，水箱宝进行大循环［如图8（b）所示］。

      可在散热器前安装百叶窗或挡风帘以部分或全部遮蔽散热器芯子。百叶窗可由操作人员用手柄来操纵，也可由调温器自动控制百叶窗的开度。

      水冷机构还设置有水温传感器和水温表。水温感应器一般安装在汽缸盖出水管处，将出水管处的水温传给水温表。使用人员可借助水温表随时通晓冷却装置的工作情形。

      为了防止和降低防冻液中的杂质对发电机的腐蚀用途，某些柴油发电机（如康明斯N855型）在冷却机构中还设有防腐系统。在防腐机构的外壳中装有用镁板夹紧着包有离子交换树脂的零件。其功用是由金属镁作为化学反应的金属离子的来源，当防锈水流经防腐装置的内腔时，水中的碳酸根离子便和金属离子形成碳酸镁而沉淀，在该装置中被滤去，从而减小了水箱宝对发电机水套及冷却装置各部件的腐蚀。

      综上所述，冷却系统的具体任务是保证内燃机在较适宜的温度状态下工作，一个良好的冷却装置，应满足下列各项要求：

（1）散热能力能满足内燃机在各种工况下运行时的需要，当工况和环境要素变化时，仍能保证内燃机可靠地工作和维持较佳的冷却水温度；

      冷却装置的布置虽然并不一定是发电机规划人员的任务，但因发电机的性能和操作可靠性与冷却装置布置的好坏关系很大，故发电机设计人员也必须领悟这方面的内容。