重康动力（深圳）有限公司

摘要：冷却系统的功用是使柴油发电机在所有的工况下都保持在适当的温度范围内。冷却系统要防止柴油发电机过热，也要防止冬季柴油发电机过冷。在冷态下的柴油发电机启动之后，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。康明斯柴油发电机在部分载荷的情况下其冷却液的温度大约为105 ℃，在高速及高载荷的情况下冷却液温度保持在90 ℃左右。本文系统阐述水温对柴油发电机性能的影响、冷却介质的组成与特性以及节温器的不同布置形式对冷却系统控制精度的影响，为用户提供冷却系统设计与维护的技术参考。

 

一、水温的影响

 

1. 柴油发电机过热的影响

（1）润滑油因为高温而变质，柴油发电机零件之间无法保持正常的油膜。当冷却液温度超过95 ℃时，机油粘度显著下降，油膜强度不足以承载摩擦副的负荷，导致边界润滑甚至干摩擦，加剧轴瓦和缸套的磨损。

（2）受热零件由于膨胀过大而破坏正常的间隙。活塞与缸套的配合间隙在常温下为0.10～0.20 mm，当温度超过设计值时，铝合金活塞的膨胀量大于铸铁缸套，可能导致活塞在缸套内卡死（拉缸），严重时造成活塞顶烧熔。

（3）高温促使金属材料的力学性能下降，以致承受不了正常的负载。当缸盖和活塞顶部温度超过400 ℃时，材料的抗拉强度和疲劳强度显著下降，在交变热应力作用下，缸盖鼻梁区和活塞顶部容易产生热疲劳裂纹。

2. 柴油发电机过冷的影响

（1）缸壁温度过低导致燃油蒸发不良，燃烧品质变坏。当冷却液温度低于60 ℃时，喷入气缸的燃油蒸发速度减慢，混合气形成质量差，燃烧不完全，部分燃油以液态形式沿缸壁流入油底壳，稀释机油并增加油耗。

（2）润滑油粘度加大，无法形成良好的润滑油膜，摩擦损失加大。机油温度低于50 ℃时，其粘度可增大至正常工作温度的3～5倍，启动阻力和运转摩擦损失显著增加，同时机油流动性差，不能及时到达各摩擦表面，加剧启动磨损。

（3）由于温度低而增加气缸的腐蚀磨损。当缸壁温度低于露点温度（约40～60 ℃）时，燃烧产生的水蒸气在缸壁上凝结成水膜，与废气中的SO₂、NOx等酸性气体结合生成硫酸和硝酸，对缸套表面产生电化学腐蚀，加速缸套的穴蚀和磨损。

 

二、冷却介质的组成

 

根据冷却介质的不同可以将冷却系统分为水冷系统和风冷系统，大型柴油发电机大都采用水冷系统（原理如图1所示），用以传递热量的介质为冷却液。冷却液是水与防冻剂的混合物，其中冷却液用水最好是软水，最常见的防冻剂是乙二醇。冷却液中水与乙二醇的比例不同，其冰点也不同，如下表所示。另外，防冻剂也有防止冷却液过早沸腾的附加作用，且其中含有防锈剂和泡沫抑制剂。柴油发电机的冷却液为50%的水和50%冷却液的混合，按照下表其冰点为-35.5 ℃，常压下的沸点为108 ℃左右。

1. 冷却液的成分与功能

（1）冷却液由基础液（水与乙二醇的混合物）和多种添加剂（防锈剂、防垢剂、消泡剂、pH缓冲剂等）组成。基础液负责热量的传递和防冻保护；添加剂则保护冷却系统部件免受腐蚀、结垢和气泡侵蚀。

（2）乙二醇防冻液的使用浓度应根据当地最低气温选择。50%乙二醇+50%水的混合液冰点为-35.5 ℃，适用于我国大部分温带和亚热带地区；60%乙二醇+40%水的混合液冰点可达-47.8 ℃，适用于东北、西北及内蒙古等高寒地区。乙二醇浓度不宜超过65%（质量分数），否则冰点反而会升高，且传热效率下降。

（3）防冻液中的添加剂（DCA4，即补充冷却液添加剂4号）浓度应保持在每加仑1～2个单元，以有效防止缸套穴蚀和冷却系统腐蚀。DCA4添加剂中的亚硝酸盐和钼酸盐可在缸套外壁形成保护膜，抑制气泡破裂对金属表面的冲击损伤；磷酸盐则起到缓冲pH值和防垢的作用。

（4）冷却液应定期更换——一般每运行2000小时或2年（先到为准）更换一次。更换前应使用专用清洗剂冲洗冷却系统，清除水垢和沉积物。更换后应检测防冻液浓度和pH值（应保持在9.0～10.5之间），确保冷却液的防护性能符合要求。

（5）严禁使用自来水或井水直接作为冷却液，因为硬水中的钙镁离子会在高温下形成水垢，附着在缸套和散热器管壁上，降低散热效率。必须使用软化水或蒸馏水与防冻液混合。

表1 冷却液的冰点与乙二醇质量分数的关系

2. 为什么柴油机不能用普通水？

柴油机（尤其是重负荷机型）功率大、爆发压力高，工作环境比汽油机更恶劣。使用普通水会带来几个严重问题：

（1）产生水垢：水中的矿物质受热后会在缸套、水箱等部件上形成坚硬的水垢。水垢的导热性能极差，会导致发动机散热不良，严重时会引起局部过热甚至“开锅”。

（2）引发穴蚀：这是对柴油机最致命的伤害。柴油机湿式缸套在活塞高频冲击下会产生高频振动，普通水在振动下容易形成气泡。这些气泡破裂时产生的冲击力足以“啃掉”缸套金属，形成蜂窝状麻点，最终导致缸套穿孔报废。专用冷却液中含有特殊添加剂，能有效抑制这种振动和气泡产生。

（3）冻裂风险：在寒冷地区，水结冰膨胀会直接冻裂缸体、水箱，导致发动机报废。

 

图1  发动机水冷系统

 

三、节温器的组成与布置形式

 

节温器核心是一个温控阀门，它根据冷却液温度自动调节流向散热器的水量，保证发动机在最佳温度下工作，其模型外观如图2所示。目前绝大多数柴油机采用的是蜡式节温器，它的基本结构就像一个“石蜡驱动的活塞”，主要包括以下核心部件：

1. 核心部件构成

（1）感温体（石蜡与胶管）：这是节温器的“心脏”，内部密封着高纯度石蜡。石蜡是感温介质，利用其热胀冷缩的特性工作。为提高导热性，石蜡中常掺有铜粉或铝粉。

（2）推杆：一端顶在固定的支架上，另一端插入感温体中。它负责将石蜡膨胀产生的力传递出去。

（3）主阀门与弹簧：主阀门控制通往散热器（大循环）的通道。弹簧在冷却液温度低时，依靠弹力将主阀门紧紧压在阀座上，使其保持关闭。

此外，许多节温器还带有一个副阀门，它在主阀门关闭时负责开启旁通通道，确保小循环畅通。

 

 

 

图2  柴油机节温器模型图

 

2. 节温器的布置形式

（1）节温器布置在出水口处

布置原理如图3所示。当冷却液温度较低时，节温器大循环关闭，冷却液经过小循环流经水泵入口，柴油发电机迅速暖机。当冷却液温度达到石蜡融化温度时，节温器主阀门开启，高温冷却液流入散热器，散热器中的低温冷却液经由水泵直接泵入机体内部，低温冷却液再次对柴油发电机冷却。根据冷却液温度的不同，节温器主阀门升程不同，从而控制流经散热器大循环的冷却液流量，调节柴油发电机的冷却液温度。节温器动态控制这个过程中，如果散热器的冷却液温度很低，而且冷却液容量很大，那么这个动态控制时间会比较长，冷却液温度处于一定范围内波动。

节温器的这种布置方式，对冷却液温度感应敏感，调节迅速，但是如果发电机组柴油发电机在低温地带运行，环境温度较低，发电机组工况变化复杂，将会导致冷却液温度波动较大，调节周期较长，温度的波动会使柴油发电机冷却液带走更多的热量，造成一定的能量损耗，从而导致油耗升高。柴油发电机冷却液温度的波动情况可以通过节温器动态平衡时间来确定。在初始进水温度32 ℃下，柴油发电机暖机过程约为200 s，冷却液温度波动约10 ℃。

（2）节温器布置在进水口处

布置原理如图4所示。当柴油发电机内循环的冷却液温度达到石蜡融化温度时，节温器主阀门开启，散热器中的低温冷却液经节温器后再由水泵泵入机体内部，高温冷却液经出水管流入散热器，进行大循环。当柴油发电机本体内冷却液温度达到节温器开启温度时，节温器主阀门打开，一定量低温冷却液流经节温器，经过柴油发电机加热，进入大循环散热器中，散热器另一端内的低温冷却液进入节温器，柴油发电机温度下降，节温器探测到柴油发电机温度的降低，将主阀门关闭，这样完成第一次开启和关闭。在节温器的这种控制过程中，只有很少的一部分低温冷却液进入机体，冷却液温度控制比较迅速，波动较小。

节温器布置在进水管口的工作形式可以减小柴油发电机内冷却液的温度波动，作为调节温度的装置，节温器在进水口的布置更有利于对柴油发电机内冷却液的精确控制，每次进入机体内的低温冷却液的流量相对来说比较少，可以降低柴油发电机机体内冷热冲击的程度，但此种布置形式使节温器波动频繁，控制延迟。在初始进水温度34 ℃下，柴油发电机暖机过程约为125 s，冷却液温度波动约6 ℃，暖机过程相对节温器布置在出水口位置快，冷却液温度控制比较精确，波动较小。

（3）两种布置形式的对比与应用

● 出水口布置（传统型） ：结构简单，节温器直接感应出水温度，响应快，适用于工况相对稳定的大功率发电机组和中速机。但温度波动较大（约±10 ℃），在变工况运行时油耗略有增加。

● 进水口布置（精确控制型） ：控制精度高（温度波动约±6 ℃），暖机时间短（约125 s），对缸套热冲击小，适用于电控高压共轨柴油机和需要精确温度管理的现代高速柴油机。但节温器动作频繁，对节温器寿命要求较高。

● 节温器性能检测标准：将节温器置于水中加热，康明斯发动机节温器主阀门开启温度为（87±2）℃，全开温度为（102±3）℃，全开升程不小于7 mm。安装时应确认节温器上的排气孔位置正确（通常朝向最高点），以保证冷却系统排气顺畅。

 

图3  节温器布置图（出水口处）

图4  节温器布置图（进水口处）

 

总结

柴油发电机冷却系统的主要功用是使发动机在所有工况下保持适当的温度范围——既要防止过热导致润滑油变质、零件膨胀和材料强度下降，也要防止过冷导致燃油蒸发不良、润滑油粘度增大和缸套腐蚀磨损。冷却液由水和乙二醇按不同比例混合而成，50%/50%比例的冷却液冰点为-35.5 ℃，沸点约为108 ℃，适用于我国大部分地区；60%/40%比例的冷却液冰点可达-47.8 ℃，适用于高寒地区。乙二醇浓度不应超过65%，防冻液中的DCA4添加剂浓度应保持在每加仑1～2个单元，冷却液应每2000小时或2年更换一次。节温器的布置形式直接影响冷却系统的控制精度和响应特性——布置在出水口处对温度感应敏感但波动较大（约10 ℃），暖机时间约200 s；布置在进水口处控制更精确（波动约6 ℃）且暖机更快（125 s），但节温器动作频繁。对于电控高压共轨发动机，推荐采用进水口布置方案；对于大功率发电机组，出水口布置方案因结构简单、可靠性高仍被广泛采用。定期检查冷却液液位、浓度和DCA4添加剂含量，并检测节温器是否卡滞或动作迟缓（标准动作温度：开始开启87±2 ℃，全开102±3 ℃，升程≥7 mm），是保障冷却系统正常工作的重要维护措施。

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