摘要： 柴油发电机组的冷却系统虽是辅助系统，但在保证柴油发电机正常工作中起着重要作用，其原理是及时将发动机零部件所吸收的燃烧气体热量散发出去，使发动机能经常保持在合适的温度条件下工作，防止零部件温度过高，延长使用周期，使发动机充分发挥强劲稳定的功率。本文系统阐述冷却系统各主要部件（冷却液、节温器、水泵、散热器、散热器管路、冷却风扇、风扇护罩、水温传感器、散热器盖）的结构特点与功能要求，详细说明冷却系统小循环与大循环的工作原理及节温器的调节机制，并归纳冷却系统管路连接的设计规范与施工要点，为冷却系统的设计、安装与维护提供技术参考。
一、冷却系统的组成
柴油发电机的冷却系为强制循环水冷系，即利用水泵提高冷却液的压力，强制冷却液在柴油发电机中循环流动，其原理如图1所示。冷却系主要由水泵、散热器、冷却风扇、节温器、柴油发电机机体和气缸盖中的水套以及附属装置等组成。
1. 水泵
水泵的作用是对冷却液加压，保证其在冷却系中循环流动。水泵的故障通常为水封的损坏造成漏液，轴承毛病使转动不正常或出声。在出现柴油发电机过热现象时，最先应该注意的是水泵皮带，检查皮带是否断裂或松动。
水泵进口希望能保持正压，设计时应尽可能提高散热器上水室的位置。发动机出水口与进水口之间的最大外部压力降不得超过35 kPa，否则将影响发动机的水泵进口压力和冷却液循环速度。尽量不要将风扇装在水泵上，尽量不用水泵驱动空调压缩机，减少水泵承受的附加弯矩。
2. 散热器
柴油发电机工作时，冷却液在散热器芯内流动，空气在散热器芯外通过，热的冷却液由于向空气散热而变冷。随着温度变化，冷却液会“热胀冷缩”，散热器因冷却液的膨胀而内压增大，内压到一定时，散热器盖开启，冷却液流到蓄液罐；当温度降低，冷却液回流入散热器。散热器结构示意图如图2所示。
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图1 柴油机冷却系统工作过程 |
图2 散热水箱示意图 |
3. 散热器管路
连接发动机与散热器之间的管路应尽量短而直，减少弯曲；总布置需要拐弯时，管子的曲率半径应尽可能大，以减少管道阻力，且管路的弯角处或截面变化处必须圆滑过渡；为了避免冷却系统内产生气泡，从而对冷却系统造成破坏和降低冷却效果，必须使发动机和散热器与副水箱相连的排气管不形成U字形结构，应采用平顺或逐渐上行方式。如确有必要，则应在发动机水道最高点设置放气阀，加注冷却液时应打开该放气阀，让发动机水套内的气体及时排出。
所有管路要有一定的柔性，以适应发动机和散热器之间的相对运动，防止散热器的管口振裂。水泵进水管应有一定的刚性，以免发动机工作时被吸扁。
散热器的管路可用成形胶管或金属接管加胶管接头；金属接管要进行防锈处理，外径和发动机进出水口部位的管径相同或稍大；成形胶管或胶管接头的内径应和发动机进出水口的外径相同或稍大；胶管壁厚应在5 mm以上，且加有一层纤维，胶管性能应符合HG/T2491标准，具有耐热、耐油性，能在-40℃~120℃温度下长期正常使用，耐压能力应超过300kPa；如管路较长时，应对冷却管路固定，固定间隔约500mm；金属接管插入连接胶管的长度应大于50 mm，并采用平板带式卡箍紧固，卡箍到胶管边缘的距离为5mm～10 mm。
4. 冷却风扇
柴油发电机组风扇的功能是扩大流经散热器芯部气体的空气流速，增强散热器的散热功能，柴油发电机组风扇通常有着排风量大、冷却效果明显、且噪音小的特性，按柴油发电机组型号和标定功率的不同，可选用不同规格型号的风扇，风扇有吸风式（如图3）和吹风式（如图4）两种结构特征，使用者可按照需要在订购时随意选择一种。
冷却风扇首先要满足冷却系统对风量和压头的需要；同时要消耗功率小、风扇效率高，且有较宽的高效率区；风扇噪声小，重量轻，成本低等。目前普遍采用的有金属风扇和塑料风扇两种，风扇叶片应具有足够的强度，以防折断风叶。确定风扇直径与转速时，要注意风扇叶尖的圆周速度不大于91 m/s，否则对风扇噪声和强度都不利。风扇直径尽可能与散热器芯子迎风尺寸基本相同，以便风扇扫过的面积尽可能大地覆盖散热器芯子的迎风面积，使气流全面地通过散热器。风扇外径扫过的环形面积一般不小于散热器芯子迎风面积的55%。
为考虑冷却系整体阻力，通过散热器芯部的压差不应大于所选风扇特性曲线中最大工作压力的70%；风扇的风压、风速等设计应按发动机在标定工况下和在最大扭矩工况下冷却水所需最大散热量来计算确定，并经柴油发电机冷却系统的试验评价来最终确定。
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图3 柴油机吸风式冷却风扇 |
图4 柴油机吹风式冷却风扇 |
5. 风扇护罩
风扇护罩是为了提高风扇的冷却效率，使通过散热器芯部的气流均匀分布，并减少发动机舱内热空气回流而设计的，因此，设计风扇护风罩时应注意技术的合理性。
对于前置发动机，风扇护风罩的设计分整体式和分开式两种；对于后置式发动机，一般都采用整体式。护风罩与风扇叶尖的径向间隙应尽可能小，以保证风扇冷却效率。当采用分开式护风罩时，风扇与护风罩无相对运行，其径向间隙应不超过风扇直径的1.5%，或者5 mm～10 mm；当采用整体式护风罩时，风扇与护风罩有相对运动，其径向间隙也不应超过风扇直径的2.5%，或者15 mm～20 mm。操作员应经常检查风扇与护风罩之间的径向间隙，以确保发动机风扇与散热器发生相对位移时，风扇与护风罩之间不产生碰触。
风扇伸入护风罩的轴向位置，与进气效率有很大关系，对于吸风式风扇，风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩内2/3为宜，对于吹风式风扇，风扇叶片的投影宽度应伸入护风罩内1/3为宜。
6. 水温传感器
水温传感器其实是一个温度开关，当柴油发电机进水温度超出92℃以上，就会发生报警并强制停机。其工作原理如图5所示。
7. 节温器
节温器结构如图6所示。当冷却液温度低于规定值时，节温器感温体内的石蜡呈固态，节温器阀在弹簧的作用下关闭发动机与散热器间的通道，进行小循环。当冷却液温度达到规定值后，石蜡开始熔化逐渐变成液体，体积随之增大并压迫橡胶管使其收缩，在橡胶管收缩的同时对推杆作用以向上的推力。由于推杆上端固定，推杆对橡胶管和感温体产生向下的反推力使阀门开启，这时冷却液经由散热器和节温器阀，再经水泵流回发动机，进行大循环。
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图5 水温传感器原理图 |
图6 节温器剖面图 |
9. 散热器盖
散热器压力盖一般位于上方（位置如图7所示），其作用是密封水冷系统并调节系统的工作压力，原理如图8所示。当发动机工作时，冷却液的温度逐渐升高。由于冷却液容积膨胀使冷却系统内的压力增高，当压力超过预定值时，压力阀开启，一部分冷却液经溢流管流入补偿水桶，以防止冷却液胀裂散热器。当发动机停机后，冷却液的温度下降，冷却系统内的压力也随之降低。当压力降到大气压力以下出现真空时，真空阀开启，补偿水桶内的冷却液部分地流回散热器，可以避免散热器被大气压力压坏。
在无膨胀水箱的冷却系中，压力盖装在散热器上水室的加注口上，无膨胀水箱的冷却系统在安装设计时散热器上水室的加注口要高出发动机出水口的尺寸至少50毫米；在有膨胀水箱的冷却系中，压力盖装在膨胀水箱的加注口上。压力盖开启压力一般有0.5bar、0.7bar、0.9bar、1.05bar四种，应根据使用地区海拔高度选定，以补偿由于海拔高度上升引起的大气压力下降。推荐压力盖的开启压力为0.5bar～0.9bar，在高原地区使用时为1.05bar。同时，压力盖应带一个真空阀（即空气阀），真空阀的开启真空度10±1kPa。因为冷却液经外溢和冷缩后，系统内将产生负压，外界空气可通过真空阀进入散热器或副水箱，使系统内压力与外界大气接近平衡，这样对管路、密封垫及散热器等起到保护作用。如果汽车在高原运行，则由于海拔高，冷却液的沸点降低，更需要采用压力盖。否则，要发生早期沸腾，发动机无法正常工作。
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图7 柴油机水箱压力盖位置图 |
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图8 柴油机冷却水箱盖工作原理图
二、冷却系统的循环功能
冷却系统除了对发动机有冷却作用外，还有“保温”的作用，因为“过冷”或“过热”，都会影响发动机的正常工作。这个过程主要是通过节温器实现发动机冷却系统“大小循环”的切换。什么是冷却系统的大小循环？可以简单理解为，小循环的冷却液是不通过散热器的，而大循环的冷却液是通过散热器的。冷却系统能根据当前的冷却液温度，实现系统的大、小循环，实现冷却强度的自动调节。
1. 小循环的工作原理
（1）启动条件。原理如图9所示。冷却液温度较低时，柴油发电机需要一个暖机过程，此时冷却液温度低于83℃，节温器主阀门关闭，旁通阀门开放。
（2）循环路径。冷却液循环路线为：水泵→机体、缸盖水套→缸盖水套出水管→节温器（旁通阀）→水泵。由于不经过散热器，冷却液温度上升速度快。
（3）功能目的。小循环旨在使发动机在冷启动后快速升温至正常工作温度，缩短暖机时间，减少低温磨损。冷却液只在水套和水泵间小范围循环，流动路线短、流量小，冷却强度低，促使水温迅速上升。
（4）典型温差。在小循环状态下，发动机出水口与进水口温差较小（约2℃～5℃），表明冷却液未经过充分散热即返回发动机。
2. 大循环的工作原理
（1）启动条件。原理如图10所示。当冷却液温度较高时（95℃以上），节温器主阀门全开，旁通阀全关闭。
（2）循环路径。冷却液循环路线为：水泵→机体、缸盖水套→缸盖水套出水管→节温器（主阀门）→散热器→水泵。由于经过散热器，冷却液将从机件吸收的热量散发到大气中，有效地控制了柴油发电机温度。
（3）功能目的。大循环旨在将发动机在额定工况下产生的大量热量通过散热器散发出去，维持发动机的热平衡。冷却液流动路线长、流量大，冷却强度高，使水温保持在工作范围内。
（4）典型温差。在大循环状态下，散热器进出水口温差约6℃～12℃，表明冷却液在散热器中充分降温。
3. 混合循环的工作特性
（1）工作区间。当发动机内冷却水温度处于83℃～95℃之间时，主阀门和旁通阀均部分开放，冷却水的大小循环同时存在。
（2）调节特性。流经散热器的冷却液比例随温度升高而线性增加，混合循环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，实现了从“保温”到“强制冷却”的平稳过渡。
（3）动态平衡。发动机在不同负荷下，节温器阀门开度自动调节至平衡位置，使冷却液温度稳定在某一中间值，实现冷却强度的自动精细调节。
4. 节温器对循环切换的控制机制
（1）感温原理。节温器利用感温蜡包内石蜡的固液相变体积变化驱动阀门动作。83℃时石蜡开始熔化，体积膨胀，推动推杆上移，阀门开启；95℃时石蜡完全液化，阀门开度最大。
（2）开度特性曲线。节温器开度与温度成非线性关系，在83℃～95℃区间内呈近似线性增加，滞后特性较小（约±1℃），保证切换过程快速而平稳。
（3）故障模式。若节温器卡滞在开启位置，发动机暖机时间过长，冬季可能无法达到正常工作温度；若卡滞在关闭位置，冷却液无法通过散热器，导致过热开锅。
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图9 柴油发电机冷却系统小循环原理 |
图10 柴油发电机冷却系统大循环原理 |
三、冷却系统温度异常的故障诊断与排除
1. 发动机过热的故障排查
（1）检查冷却液液位与浓度。首先检查膨胀水箱或散热器的冷却液液位，不足时补充至规定刻度。使用折射计检测防冻液浓度，确保在30%～68%之间。液位过低会导致冷却能力不足，浓度超标则影响传热性能。
（2）检查水泵皮带与散热器表面。检查水泵皮带张紧度，过松会导致水泵转速不足，冷却液循环减慢。散热器表面被灰尘、油污或杂物堵塞时，散热效率下降，需用压缩空气或低压水从反面冲洗清除堵塞物。
（3）检查节温器功能。将节温器拆下放入热水中，观察其开启温度是否在83℃±2℃范围内，全开温度是否在95℃±2℃，升程是否大于8mm，若不符合则应更换。
（4）检查散热器盖的密封性。使用散热器盖测试仪检查压力阀开启压力是否符合标称值（0.5～1.05bar），真空阀开启真空度是否为10±1kPa，否则更换散热器盖。
（5）检查风扇运转状态。停机状态下用手转动风扇，检查轴承是否卡滞。运行时观察风扇转速，若皮带打滑或离合器失效，风扇转速不足，需更换皮带或离合器。
2. 发动机过冷的故障排查
（1）检查节温器是否常开。若节温器主阀门无法完全关闭，冷启动后冷却液直接从大循环流经散热器，导致水温上升缓慢。应将节温器拆下检查其常温时是否完全关闭。
（2）检查风扇离合器是否锁死。硅油风扇离合器故障时可能始终以高转速运转，导致过度冷却。冷机时用手转动风扇，若阻力异常大，说明离合器锁死，需更换。
（3）检查百叶窗或保温装置是否失效。冬季运行时机房百叶窗未关闭或保温装置故障，冷空气过度冷却散热器，需检查并调整百叶窗开度。
3. 冷却液异常消耗的排查
（1）外部渗漏。检查水泵水封、散热器、管路接头和放水开关处是否有可见泄漏。水泵泄水孔有水滴出或线状水流说明水封损坏，需更换水泵。
（2）内部渗漏。若外部无泄漏但冷却液持续减少，检查机油是否乳化（机油呈乳白色泡沫状），若有说明冷却液通过缸垫或缸体裂纹进入油底壳，需更换缸垫或修复缸体。
（3）散热器盖故障。散热器盖压力阀或真空阀失效会导致冷却液从溢流管流失而不回流，需用测试仪检查后更换。
4. 冷却系统的预防性维护
（1）定期更换冷却液。每两年或每运行2000h更换一次冷却液，更换时排尽旧液并用清水冲洗系统。
（2）检查皮带与软管。每运行500h检查水泵皮带张紧度和磨损情况，检查所有橡胶软管有无老化、裂纹或鼓包。
（3）清洁散热器表面。每季使用压缩空气（压力不超过0.3MPa）从散热器背面向正面吹扫散热器翅片，清除附着杂物。
（4）检查节温器与散热器盖。每年入冬前和入夏前分别检查节温器开启特性和散热器盖密封性能，确保寒冷季节暖机正常、炎热季节冷却系统压力正常。
总结： 冷却系统在发动机运行的良好性能支持以及整体性能提升等方面，都具有十分重要的作用和影响，并且良好的冷却系统设计和运行，能够对发电机组运行中的有关故障问题进行有效避免。尤其是随着发动机性能不断优化和提升，受涡轮增压器的应用影响，其发动机在发电机组运行中的热负荷增加更为明显。冷却系统通过节温器在83℃以下实现小循环（快速暖机）、95℃以上实现大循环（强制散热）、83℃～95℃为混合循环（连续调节）。对小循环而言，冷却液不经散热器，升温速度快，用于冷启动暖机；大循环则经散热器散热，用于正常工况。合理控制大小循环切换和做好日常维护是保证发动机长期可靠运行的关键。
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