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提升康明斯柴油发电机冷却效果的措施 |
摘要：对柴油发电机高温进行冷却能大大降低冷却水和机油的散热量，减少柴油发电机的热损失，改善柴油发电机工作过程状况。冷却系统作为柴油机的重要组成部分，其作用效果不仅影响柴油机工作的可靠性，更直接影响其经济性能。康明斯公司通过高温冷却试验和试车试验，结果表明冷却水温度对燃油经济性的影响极大。因此，提升冷却系统的效果会使柴油发电机动力性和经济性得到了充分发挥，可满足柴油发电机在各种工况下使用。
一、冷却系统的作用和影响因素
1、冷却系统的作用
四冲程柴油机通过空气与燃料在气缸内部的混合、燃烧，把燃料的化学能转变为热能，推动曲柄连杆机构运动，向外输出扭矩，并把废气排入大气中。在此过程中，有相当一部分热量通过气缸壁传给冷却水系统，由冷却水循环向周围的环境散热。常见的柴油机冷却系统由冷却水泵、柴油发电机冷却腔、调温器、散热水箱、冷却风扇等组成。
当冷却效果良好，柴油机能够运行在最佳工作温度时，柴油发电机气缸内吸进的新鲜空气量充足，喷入气缸的燃油能与涡动的空气充分混合并完全燃烧，输出最高动力；各部件受热均匀，变形小；各相对运动部件间的间隙符合设计要求、润滑油的润滑性能得到充分的发挥，润滑油不易变质，相对运动部件的磨损降低；排出的废气中对大气环境污染的成分减少。
衡量现代柴油机运行的经济性能，除了指示耗油率、有效耗油率、指示效率、有效效率等经济性能指标，还必须考虑在运行过程中各相对运行部件的过度磨损导致的零件损坏的损失，恶劣的工作环境导致润滑油提前变质而缩短使用周期的损失，柴油发电机在工作过程中因不完全燃烧生成的HC、NOx、SO2、CO等污染物造成对机件的腐蚀破坏，排放废气造成的环境污染等。无论是经济性能指标，还是柴油发电机在运行过程中引发的各种损失，都直接与柴油发电机的冷却效果有关。
柴油发电机的冷却系统水温过低，容易增加废气排放、加剧零部件磨损、减小功率输出，缩短柴油发电机的使用寿命及增加使用费用；水温过高同样会引起柴油发电机新的磨损。对水冷式柴油机最佳冷却液工作温度的试验结果表明，柴油机全工况最佳冷却液工作温度为86.3 ℃。有研究表明，当冷却水温度从80 ℃降到30 ℃时，零件的磨损速度会增加1～2倍。
2、影响冷却效果的因素
在正常运行状态下，冷却水温度维持在80～90 ℃，柴油发电机的经济指标比较高。由于农用柴油机的工作受环境影响比较大，工作条件比较恶劣，对冷却水的循环路径及冷却强度的调节一般使用机械的调节方法，无法及时地根据柴油发电机的热负荷调整柴油发电机冷却效果，造成柴油发电机的运行功率不能充分发挥、额外损失增大；另外，使用者的使用管理不当，使冷却系统无法真正发挥其功能，进一步恶化柴油发电机工作条件，增加柴油机的额外损失，甚至影响到柴油发电机工作的可靠性。冷却系统对柴油发电机的影响主要表现在以下方面：
（1）柴油发电机冷却水量不足够；
（2）柴油发电机冷却水泵排出压力不够，供水不足或中断；
（3）柴油发电机节温器不能及时打开或打开不完全；
（4）冷却水道锈蚀或脏污过多堵塞，使用冷却水流量达不到要求；
（5）冷却水道中含有气泡，积存在冷却腔内没有放出而造成气阻；
（6）冷却水质太脏，水温过高后产生水垢堵塞水道；
（7）冷却水管弯折或阻塞；
（8）冷却水道水垢多，产生阻塞；
（9）柴油发动机房（或设备）所处环境不好，通风不佳；
（10）散热水箱（或热交换器散热片管）阻塞，使冷却水流通不畅产生高温；
（11）冷却风扇皮带打滑或松弛、损坏，使散热风量不足；
（12）冷却水泵状态不好，例如叶轮水垢多、径向间隙大等；
（13）柴油发电机供油时间不准确，延迟或提前过多导致在缸内燃烧不充分，在排气管燃烧产生高温，影响冷却；
（14）柴油发电机喷油嘴雾化不良，燃烧不好，在排气管燃烧产生高温，影响冷却；
（15）柴油发电机负荷过大，导致冷却系无法满足冷却而产生高温等。
二、提高冷却效果的措施
1、水垢的清除
如果冷却系统中已经形成水垢，将严重影响康明斯发电机的冷却效果，应及时地进行清除。其清洗方法有两种。
（1）用酸碱清洗剂清除
清洗剂的配制与使用方法对于铝合金气缸盖的发动机，不能用酸碱性较大的清洗剂。
（2）用压力水冲洗
在缺少酸碱清洗剂的情况下，亦可使用有压力的清水来冲洗，但冲水压力不能超过0.3MPa（3kgf/cm2）。其步骤如下：
① 放出冷却水箱的冷却水，拆下散热器进、出水管，气缸盖出水管、节温器，然后装回气缸盖出水管。
② 用压力不超过0.3MPa（3kgf/cm2）的清水从气缸盖出水管灌进，冲洗水套，将积垢排除，直至水泵流出水不浑浊为止。
③ 从散热器出水管处将水冲入，排除水垢，直至加水口流出水不浑浊为止。
2、风扇皮带松紧度的检查与调整
风扇皮带不能过紧或过松。过紧会加速皮带磨损，缩短使用寿命，增大了充电机和水泵的拉力，加速了充电机和水泵轴的磨损，同时也增加了内燃机功率的消耗；过松会使皮带打滑，充电机、水泵和风扇的转速降低，影响散热效率，使充电电压降低。因此，皮带过紧或过松时，必须进行调整。
风扇皮带松紧度的检查方法，若不符合规定值，可旋松充电发电机支架上的固定螺钉，向外移动发电机时，皮带变紧，反之则变松。调好后，将固定螺钉旋紧，再复查一遍，如不符合要求，应重新调整，直至完全合格为止。
3、及时向轴承添加润滑油脂
在发电机组中修、大修及水泵、风扇等处轴承润滑油脂不足时，应及时向水泵、风扇等处轴承注入润滑油脂（黄油），以减少轴承的磨损。
4、使用冷热交换器
应急柴油发电机组冷却水换热系统，系统包括第一换热器、第二换热器、水泵、控制阀、过滤器、温度计和压力传感器，冷却用中间水经过过滤器、水泵和控制阀后通过第二换热器、发电机组水道、第一换热器后回流冷却再循环，已持续对发电机组冷却；所述第一换热器可选的接入发电机组水道；控制阀、所述温度计、压力传感器设置在水管上且与控制箱电讯连接。
在整体结构上，该冷却水系统换热系统采用两套板式换热器、一台离心泵、及相对应仪器仪表和控制箱，在工作过程中，通过离心泵将中间水导入冷却水系统换热模块进行冷却，再将冷却后的冷却水送回柴油机冷却水系统，以保证冷却水的流量、压力和温度，从而整个系统的用电负荷，增加冷却水系统可靠性。通过两套板式换热器，能够减小空间占用，提高转配安装灵活性，便于维修且对发电效率影响小。
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图1 柴油机冷却系统工作过程 |
图2 应急柴油发电机组冷却水换热系统 |
5、冷却水的正确使用
（1）冷却水尽量使用自来水等杂质少的软水。含盐分多的水，矿山或温泉附近的水对机体和恒温器等有腐蚀作用，尽量不要使用。
（2）冷却水标准
① 冷却水的PH值6.5~8.0，氮离子（Clˉ）在100ppm以下。
② 水质不符合上述规格时，参入规定量的防锈剂（当地能买到）混合使用。
③ 使用防冻液的时候，浓度等可向康明斯发电机组代理商咨询。
（3）冷却水的补充和检查
① 拧紧发动机冷却水堵头和排泄旋塞（发动机出厂时旋塞处于打开状态）。
② 补充冷却水时，打开散热器端盖，将水缓缓灌入至端盖位置，（10L/MIJ）。这时，要注意避免杂质的混入，加水速度太快会混入空气，这也是引起发动机过热的原因，发动机运转后水位可能会下降，怠速运转数分钟后可检查一下水位，不足时加以补充。
③ 在运转中，特别是在高温时打开散热器盖，高温冷却水会突然喷出引起烫伤。
④ 排除冷却水系统内的空气时，松开发动机的出口水管或恒温器上的水温感应器的话，效果会更好。
三、改进冷却系统的措施
提高柴油机的经济性能，不仅要提高柴油发电机的有用功率，减少柴油发电机的有效耗油率，还要减少柴油发电机在各种负荷情况下的额外损失，减少对环境的污染。通过采用新型的冷却技术，对冷却系统进行改进，改善冷却系统的冷却性能，有利于提高能源的利用率，减少污染物的排出，获得良好的经济效益。
1、冷却系统调温器的改进
（1）采用电控调温器代替原有的调温器
通过对柴油发电机冷却水温度等实施实时监测，将水温等信号转变为电信号经柴油发电机ECU处理后，控制电控调温器电磁线圈的供电情况，及时、准确地获得与柴油发电机冷却水温度要求相匹配的阀门开度，控制冷却系统的水流循环途径；适时起动、关闭电动风机及改变风机转速，改善冷却强度，使柴油发电机获得良好的燃烧性能，提高能源的利用率。周天翼等[7]模糊控制系统的实机试验结果表明，设定控制温度为90 ℃，环境温度为15 ℃时，冷却水温可控制为（90±4） ℃，获得良好的控制精度。对柴油发电机冷却系统模糊控制研究表明：冷却系统智能控制装置实现了散热能力控制的智能化，可以精确自动地调节冷却液的温度，把柴油发电机的工作温度限制在最佳阶段，延长了使用寿命，提高了工作效率，减少了故障率。该控制系统可根据柴油发电机组的运行速度、柴油发电机的冷却水温来综合控制冷却系统，从而达到减少电耗、减少油耗的效果。具有性能稳定、工作可靠、节能潜力大等优点。
（2）采用电控蜡式调温器代替普通蜡式调温器
改变普通蜡式调温器的温度-升程曲线固定不变的状况，以获得能根据柴油发电机负荷、转速等因素灵活控制的温度-升程曲线。通过在普通蜡式调温器的感应体中嵌入电控加温元件，采用柴油发电机ECU对冷却水温等参数检测、处理后，按原先设置在柴油发电机ECU内的温控map图，输出信号控制电控加温器的端电压，使石蜡融化的过程不再是以柴油发电机的冷却水温为主导，大大提高调温阀门的动作灵敏度。可以根据柴油发电机负荷、转速、水温高低要求，由柴油发电机ECU自动实现对加温器两端电压的控制，使其在0、4、9、12 v的范围内变化，电控蜡式调温器的反应时间由普通蜡式调温器的4.38 s减小到1.16 s，从而提前达到最佳工况，减少损失。
2、采用电控电动水泵代替直接驱动水泵
采用电控阀门和电控水泵取代传统的节温器和直驱水泵。改变水泵直接受柴油发电机驱动的限制，冷却系统效能不仅受柴油发电机转速控制，还受到柴油发电机的散热损失等影响。通过柴油发电机电控单元对柴油发电机温度进行实时监测，对冷却水流量及在不同回路中的流量分配进行精确控制，满足不同工况下柴油发电机的冷却要求，使柴油发电机冷启动时间缩短，不同工况下柴油发电机工作温度波动小、工作效率高。对柴油发电机电控冷却系统研究认为：与传统冷却系统冷却方式相比，解除水泵与主轴间的耦合关系，通过精确控制水泵转速及电控阀门开度，在满足柴油发电机冷却需要的同时冷却水循环流量降到最小，使水泵平均功耗由1.50 kw降低至0.56 kw；柴油发电机水温在效率最高点小幅波动，从而有助于降低燃油消耗率和有害气体的排放。
3、采用冷却腔分流式冷却设计
柴油机理想的工作状态是气缸盖温度低于气缸套温度，较低的缸盖温度有利于气缸吸气和排气；较高的气缸套温度有利于润滑油膜的形成，降低磨损。通过对柴油发电机冷却腔结构进行改进，采用分流式冷却设计，可以分别使气缸盖和气缸套获得合理的冷却水流量、压力和流场分布。 气缸盖底部喷油器孔与进、排气阀座孔间是热负荷最大的部位，必须优先得到有效的冷却保证，可以在气缸盖的冷却腔中设置一块带孔的隔板，这样在气缸盖的冷却腔下部采用“横流水”设计以利于对高热负荷部位的冷却；在冷却腔的上部采用“纵流水”设计以利于减少流动阻力。对于进入气缸套冷却腔的水流进口设计为切向倾斜，有利于形成环绕圆周方向的流动，使气缸套周围的水流速度增大，提高换热系数。康明斯公司认为采用分流式冷却方案，能够获得较高的气缸体温度，使油耗降低4%～6%，在部分负荷时hc排放降低20%～35%。
4、冷却系统中冷却介质传热性能的改善
随着柴油发电机的动力性能不断提高和适应日益严格的节能减排要求。传统的纯水、水与乙二醇混合液等冷却介质的传热性能已不能适应新的技术要求，寻找新型冷却介质备受各国关注。纳米流体是以一定方式和比例在液体中添加纳米粒子而形成的一种均匀、稳定、高热导率的新型传热工质，如氧化铝+水+乙二醇、铜+水等纳米流体。由于传热效果好，可以把柴油发电机散热系统设计得更加紧凑；能在低压下运行及在较高温度下保持单相流动，减少热损失，提高热效率。康明斯公司通过对纳米流体（氧化铝+水+乙二醇）的研究发现，对流换热系数能提升20%～25%；搭建的散热系统使用60 nm的纳米流体，在冷却条件最恶劣的情况下，可将水箱的平均温度降低5 ℃，空气出口温度下降7.9 ℃，能防止水箱的“开锅”发生，又能有效地改善柴油发电机舱的换热。康明斯公司研究发现，采用纳米流体的柴油发电机冷却系统可使重型发电机组的冷却系统的尺寸和重量减少10%，这将增加大于5%的燃烧效率；而减少空气流动阻力、减少冷却介质的流动损失及驱动风扇的损失，可节省约10%的油耗。
5、提高对柴油机经济性能的认识
柴油机的动力性能能否得到合理的发挥、经济性能的好坏、废气污染物排放量的高低，很大部分还取决于柴油机使用者能否正确使用。通过专业技能的培训和相关政策、法规的宣传，让广大用户对四冲程柴油机的构造、工作原理、工作性能的影响因素、使用方法、日常维护保养的重要性等有比较清楚的认识。就冷却系统而言，散热器肋片的检查、散热器盖的密封性对冷却系统的影响、水垢的形成与影响、风扇叶片的检查、冷却水温度对柴油发电机工作的影响等都是专业技能培训的内容，使广大使用者认识到冷却系统对维持柴油发电机正常工作、提高柴油发电机经济性、减少污染排放的重要性，在使用柴油发电机过程中，自觉主动按规范要求操作，提高柴油机的经济性能。
总结：
冷却系统对柴油机的使用性能、经济性能、废气排放有着直接的影响，通过采用电控蜡式调温器代替普通蜡式调温器、采用电控硅油离合器的轴流式风机代替直接驱动风机、采用冷却腔分流式冷却设计、采用纳米流体等技术，使冷却效果与柴油机的工作性能更好地匹配，在工作过程中充分发挥柴油机的动力、减少废气排放，能够有效地提高柴油机的经济性能。另外，必须注重加强培训宣传，提高广大使用者的专业技能以及对柴油机经济性能的认识。
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