发动机冷却液的大循环、小循环和混合系统

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发动机冷却液的大循环、小循环和混合系统

发布时间：2022-06-07 12:36:55 ▏阅读：次

摘要：发动机在工作时，由于燃料的燃烧以及运动零件间的摩擦产生大量的热量，使零件强烈受热，特别是直接与燃烧气体接触的零件温度很高，如果没有适当的冷却，将不能保证发动机的正常工作。冷却系统的作用就是维持发动机在最适宜的温度下工作。水冷却系统的主要部件有水泵、散热水箱、风扇、水温调节装置和水温表等。整机的冷却系统是一个根本的性能指标，冷却系统好坏直接影响到柴油发电机的安全运行。本文系统阐述冷却系统的设计要求（含温度限值、散热器与风扇计算过程及冷却能力评价标准），详细说明冷却液小循环、大循环及混合循环的工作过程与节温器的调节原理，并分析发动机过热与过冷的危害，为冷却系统的设计、维护与故障诊断提供技术参考。

一、冷却系统的设计要求

冷却系统由散热器、风扇、膨胀箱等部件组成，其功能是对发动机进行强制冷却，保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得较高的动力性、经济性及可靠性。

1. 冷却系统的设计要求

（1）冷却系统的设计应保证：使用冷却水作冷却液和0.5bar以下的压力盖时，发动机出水口的温度允许到100℃；使用冷却水作冷却液和0.7～0.9bar压力盖，在不连续工况运行下，最高水温允许到110℃。

（2）如果使用长效防冻防锈液作冷却液和0.5bar以下的压力盖时，发动机出水口的温度允许到105℃；使用长效防冻防锈液作冷却液和0.7～0.9bar压力盖，在不连续工况运行下，最高水温允许到115℃。

（3）冷却液的膨胀容积应大于等于整个系统冷却液容量的6%。

（4）冷却系统必须用不低于19L/min的速度加注冷却液，直至达到应有的冷却液平面，以保证所有工作条件下气缸体水套内冷却液能保持正常的压力。

2. 冷却系统设计

冷却系统设计主要是通过传统的热平衡计算方法，并辅以相应的CFD软件进行冷却系统内流场计算分析，最终以发电机组高温试验结果对冷却系统设计是否满足使用要求进行确认。以康明斯发动机冷却系统为例（结构如图1、图2所示），具体各主要部件的设计过程如下。

（1）散热器是冷却系统中的重要部件，其主要作用是对发动机进行强制冷却，以保证发动机能始终处于最适宜的温度状态下工作，以获得最高的动力性、经济性和可靠性。

（2）散热器和风扇组合匹配效率是当散热器芯子未被气流扫过的面积最小时为最高，因此，最好采用接近正方形的散热器芯子。

（3）散热器的总散热面积、芯子的迎风面积、结构形状和结构尺寸要通过发动机冷却系统所需最大散热量来计算确定，并应通过试验评价来最终确定。理论计算一般是根据有关计算公式及所配发动机的相关参数，如功率、油耗等，确定水冷散热器的总散热面积。根据散热器面积计算公式选取散热器芯厚尺寸。

3. 散热器及风扇计算过程

（1）冷却系统散走的热量 $Q_{w}$ 的计算公式：

$\begin{matrix} Q_{w} = \frac{A \cdot g_{e} \cdot P_{e} \cdot h_{n}}{3600} (kJ/s) & (式1) \end{matrix}$

式中：A为传给冷却系统的热量占燃料热能的百分比； $g_{e}$ 为发动机燃料消耗率（g/kW·h）； $P_{e}$ 为发动机功率（kW）； $h_{n}$ 为燃料低热值（kJ/kg）。

（2）冷却水的循环量 $V_{w}$ 的计算公式：

$\begin{matrix} V_{w} = \frac{Q_{w}}{(t_{w 1} - t_{w 2}) \cdot γ_{w} \cdot c_{w}} (m³/s) & (式2) \end{matrix}$

式中： $t_{w 1}$ 为发动机出水口温度（一般为85℃～95℃）； $t_{w 2}$ 为发动机进水口温度（一般为75℃～85℃）； $γ_{w}$ 为水的比重，可近似取1000kg/m³； $c_{w}$ 为水的比热，可近似取4.187kJ/kg·℃。

（3）冷却空气需要量 $V_{a}$ 的计算公式：

$\begin{matrix} \end{matrix}$ $\begin{matrix} V_{a} = \frac{Q_{w}}{Δ t_{a} \cdot γ_{a} \cdot c_{p}} (m³/s) & (式3) \end{matrix}$

式中： $Δ t_{a}$ 为空气进入散热器以前与通过散热器以后的温度差，通常为20～30℃； $γ_{a}$ 为空气的重量，一般取值1.05kg/m³； $c_{p}$ 为空气定压比热，可取值1.047kJ/kg·℃。

（4）散热器的散热面积计算公式：

额定工况所需散热面积：

$F_{1} = \frac{β \cdot Q_{w 1}}{K_{r 1} \cdot Δ t}$

最大扭矩工况所需散热面积：

$F_{2} = \frac{β \cdot Q_{w 2}}{K_{r 2} \cdot Δ t}$

式中： $β 为散热面积储备系数（一般取1.1～1.15）；$ $K_{r 1}$ 为散热器在额定工况下的传热系数； $K_{r 2}$ 为散热器在最大扭矩工况下的传热系数； $Δ t$ 为散热器冷却水和冷却空气的平均温差。

其中：

$Δ t = t_{w} - t_{a}$ $t_{w} = \frac{t_{w 1} + t_{w 2}}{2}$ $t_{a} = t_{a 1} + \frac{Δ t_{a}}{2}$

式中： $t_{w}$ 为冷却水的平均温度； $t_{a}$ 为冷却空气的平均温度； $t_{a 1}$ 为散热器冷却空气的进口温度（一般为40℃）。

（5）风扇风量：

$\begin{matrix} V_{f} = 1.2 V_{a} (m³/s) & (式4) \end{matrix}$

（6）风扇外径 $D$ 的计算：

$\begin{matrix} D = (0.79 \sim 0.93) \cdot (F_{r})^{0.5} (m) & (式5) \end{matrix}$

（7）冷却能力评价：

$T_{C} = T_{\max} - (t_{w 1} - T_{e})$

推荐标准： $T_{C} = 36 ℃ \sim 54 ℃$

式中， $T_{C}$ 为极限使用环境温度； $T_{\max 为最高允许出水温度；}$ $t_{w 1}$ 为发动机的出水口温度； $T_{e}$ 为环境温度。

散热器进风口的实际面积不得小于散热器芯子迎风面积的80%，以防止散热能力下降。

柴油发电机冷却系统组成图.png

图1 柴油发电机冷却系统组成图

柴油机冷却系统冷却液流向图.png

图2 柴油机冷却系统冷却液流向图

二、冷却系统工作过程

康明斯发动机采用外接散热器式冷却系统。冷却液泵由外接的散热器通过节温器将低温水吸入，冷却液首先经机油散热器进入汽缸体内水套冷却汽缸套，再由水道进入冷却汽缸盖的水套中，最后回到散热器。节温器的作用是随发动机负荷和水温的大小改变水的循环强度（路线和流量），同时能缩短发动机的热起时间，减少燃料的消耗和机件的磨损。

1. 节温器的工作原理与温度控制

（1）节温器的结构组成。节温器由感温蜡包、主阀门、旁通阀门、推杆和弹簧等组成。感温蜡包内装有石蜡，当水温变化时，石蜡体积膨胀或收缩，通过推杆驱动主阀门和旁通阀门联动动作。

（2）节温器的温度特性曲线。节温器在83℃时开始开启，至95℃时主阀门全开，旁通阀门全关。开启过程随温度线性变化，约每升高1℃，阀门开度增加约8%。这一渐进式开启特性确保了循环切换的平稳过渡，避免了冷却强度的突变。

2. 冷却液小循环

（1）小循环的启动条件与路径。冷发动机在热起前，水温低于83℃时，主阀门关闭，旁通阀门开放。冷却水只能经旁通管直接流回水泵进水口，又被水泵压入水套。此时水不流经散热器，只在水套和水泵间小范围循环，其流动路径为：节温器→水泵→机油散热器→水套→节温器。

（2）小循环的功能与意义。此时冷却强度小，促使水温迅速上升，从而保证发动机各部位均匀迅速地热起或避免发动机过冷。由于冷却水的流动路线短、流量小，故称小循环，如图3所示。小循环可使发动机在冷启动后快速达到工作温度，减少暖机时间和冷态磨损。

3. 冷却液大循环

（1）大循环的启动条件与路径。当发动机内水温升高达95℃时，主阀门全开，旁通阀全关闭，冷却水全部流进散热器。其流动路径为：节温器→水泵→机油散热器→水套→散热器→节温器。

（2）大循环的功能与意义。此时冷却强度增大，促使水温下降或不致过高。由于这时的冷却水流动路线长、流量大，故称大循环，如图4所示。大循环确保发动机在高负荷工况下温度不会持续升高，维持热平衡状态。

4. 冷却液的混合循环

（1）混合循环的工作区间。当发动机内冷却水处于83℃～95℃之间时，主阀门和旁通阀均部分开放，故冷却水的大小循环同时存在。此时冷却水的循环称为混合循环。

（2）混合循环的调节特性。混合循环中，流经散热器的冷却液比例随温度升高而线性增加，使冷却强度连续可调，避免了因阀门突变开闭造成的温度冲击。这种连续调节特性使发动机温度更加稳定。

5. 康明斯发动机冷却系统特点

其中，4B/6C系列康明斯发动机均为无汽缸套水冷发动机。冷却液为传热介质，再传给空气，也就是以少量的水进行不断循环的方法，在发动机水套中吸收多余热量，再流到散热器中散去热量。由于水套进出口的温差较小（通常为6～12℃），汽缸下部不致过冷，且水冷的冷却强度大小容易调节，能保持发动机的正常温度，并能用热水预热发动机，便于冬季启动。

6. 冷却系统温度对发动机性能的定量影响

（1）温度对功率的影响。当出水温度从85℃升至95℃时，由于机油粘度下降和冷却液流动阻力变化，发动机功率约下降2%～3%。

（2）温度对油耗的影响。在75℃以下运行时，热损失增加，燃油消耗率较85℃时增加约5%～10%；在95℃以上运行时，燃烧室壁温过高，充气效率下降，油耗亦增加约3%～5%。

（3）温度对排放的影响。冷却液温度低于80℃时，CO和HC排放显著增加；高于100℃时，NOx排放急剧上升。因此，将水温稳定控制在83～95℃范围内是实现动力性、经济性和排放性能综合最优的关键。

冷却液小循环示意图-柴油发动机.png

图3 冷却液小循环示意图

冷却系统大循环示意图-柴油发电机组.png

图4 冷却系统大循环示意图

三、发动机过冷或过热的危害

1. 发动机过热的危害

（1）充气效率降低，导致发动机功率下降。高温使进气空气密度减小，进入气缸的新鲜空气量减少，燃烧不充分。

（2）早燃和爆燃的倾向加大，破坏了发动机的正常工作，同时也促使零件承受额外的冲击载荷而造成早期损坏。

（3）运动件间的正常间隙被破坏，使零件不能正常运动，甚至损坏。活塞受热膨胀后与缸套间隙减小，可能发生拉缸。

（4）金属材料的力学性能降低，造成零件的变形及损坏。高温下材料强度下降，缸盖易产生热疲劳裂纹。

（5）润滑情况恶化，加剧了零件的摩擦和磨损。机油在高温下粘度降低，油膜强度下降，无法形成有效润滑。

发动机的冷却，如果单纯依靠零件本身对外散热是不够的，必须对某些零件特别是与高温气体直接接触的零件进行必要的强制冷却，才能保证发动机正常运转。但是，过分的冷却也会引起不良后果。

2. 发动机过冷的危害

（1）进入气缸的可燃混合气（或空气）温度太低，使点燃困难或燃烧迟缓，造成发动机功率下降以及燃料消耗量增加。低温下燃油蒸发不良，混合气形成质量差，后燃增加。

（2）润滑油的黏度增大，造成润滑不良，加剧了零件的磨损，同时增大了功率消耗。冷启动时机油流动性差，到达各润滑部位的时间延长，启动磨损严重。

（3）燃烧后的生成物中的水蒸气易冷凝成水与酸性气体形成酸类，加重了对零件特别是气缸壁的侵蚀作用。低温腐蚀会加速缸套的化学磨损。

（4）因温度过低而未汽化的燃料对摩擦表面（气缸壁、活塞、活塞环等）上油膜的冲刷以及对润滑油的稀释，加重了对零件的磨损。燃油稀释机油会降低其润滑性能，缩短机油更换周期。

总结：柴油机冷却系统设计需保证散热面积储备系数1.1～1.15，散热器进风口面积不小于芯子迎风面积80%，极限使用环境温度36～54℃。节温器在83℃以下实现小循环（水套→水泵），95℃以上实现大循环（经散热器），中间为混合循环。水温每升高10℃，功率约下降3%～5%，润滑油氧化速率约增加50%。冷却系统正常出水温度85～95℃，允许最高温度依冷却液和压力盖不同为100～115℃。发动机过热会导致功率下降、爆燃、间隙破坏、材料强度降低和润滑恶化；过冷则使燃烧迟缓、机油粘度增大、酸性腐蚀加剧和燃油稀释机油。合理设计冷却系统并使发动机在80～95℃适宜温度范围内工作是保证动力性、经济性和耐久性的基础。

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