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摘要： 风冷发动机结构简单，缸体和缸头上的散热片可满足基本散热需求，但连续运行因散热方式单一存在热衰现象；水冷发动机借助液体介质散热效果更明显，长时间运转温度不易过高，是散热效果更出色的冷却方式。本文阐述水冷系统的强制循环与自然循环两种类型及冷却水路，分析冷却液与防冻液的选择与使用要点；介绍风冷系统的布置、轴流式风扇结构与传动方式及冷却强度自动调节装置，归纳风冷柴油机的优缺点，并对两种冷却系统的对比与选型建议，为不同工况下的冷却系统选型与维护提供参考。

 

一、水冷系统

 

1. 水冷系统的类型及冷却水路

按冷却液的循环方式，水冷系统又可以分为强制循环水冷系统和自然循环水冷系统。

（1）强制循环水冷系统。图1为柴油机强制循环水冷系统示意图，柴油机气缸盖和气缸体中都铸有冷却水套。冷却液经水泵加压以后，经分水管进入气缸水套内，冷却液在流动的同时吸收气缸壁的热量，温度升高，然后流入气缸盖水套，经节温器及散热器进水管进入散热器。与此同时由于风扇的旋转抽吸，空气从散热器芯吹过，使流经散热器芯的冷却液的热量不断散到大气中去，温度降低。最后又经水泵加压后再一次流入缸体水套，如此不断循环，柴油机得到不断冷却。柴油机转速升高，水泵和风扇的转速也随之升高，冷却液的循环加快，风扇流量加大，散热能力加强。为了使多缸柴油机前后各缸冷却均匀，一般柴油机在缸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，沿纵向开有若干出水孔，离水泵越远，出水孔越大，这样就可以使前后各缸的冷却强度相近，整机冷却均匀。大多数柴油机均采用强制循环水冷系统，其体积比自然循环的小得多，而且气缸上下的冷却较均匀。水冷系统还设置有水温传感器和水温表，水温传感器安装在气缸盖出水管处，将出水管的水温传给水温表，操作人员可借助水温表随时了解冷却系统的工作情况，正常工作水温一般在80～90℃之间。

（2）自然循环水冷系统。如果去掉图1中的水泵则构成自然循环水冷系统，主要由水套、散热器、节温器、风扇和连接水管组成。工作时冷却液在机体水套中受热后，密度减小而上浮，经节温器6流入散热器中，在散热器中冷却后，冷却液密度增大而下降，经进水管回到水套。在柴油机工作时，冷却液在冷却系统中靠自然温差来循环，冷却能力较低，只适用于小型柴油机。

图1 强制循环水冷系统示意

2. 冷却液与防冻液

（1）冷却液的选择与水质要求。柴油机使用的冷却液应该是清洁的软水。如果使用硬水，其中的矿物质在高温时沉析出来，附着在管道、水套和散热器芯中生成水垢，降低了散热能力，易使柴油机过热，还会使散热器芯堵死和加速水泵叶轮和泵壳的磨损。对含矿物质较多的硬水，则需经过软化处理后，方可加入冷却系统使用。硬水软化常用的方法是：在一升水中加入碳酸钠0.5～1.5g，或加入氢氧化钠0.5～0.8g，待生成的杂质沉淀后，取上面的清洁水注入冷却系统中。

（2）防冻液的配制与使用。在寒冷地区，柴油机熄火后若长时间搁置，冷却系统内的水会冻结，致使散热器、气缸体和气缸盖胀裂。因此，应放掉冷却液。为了防止零件胀裂，减少放水和加水的工作，增加柴油机的机动性，可采用冰点低的防冻液作为冷却介质。通常在冷却水中加入适量的乙二醇或酒精，配成防冻液。用工业乙二醇配成的防冻液与冰点的关系见表1，可以看出，随着乙二醇含量的增加，防冻液的冰点降低，因此可根据不同地区的气候条件来选择乙二醇与水的比例。此外，还因为乙二醇本身的沸点较高（194.7℃），所以它又可以提高防冻液的沸点。例如在密闭的冷却系统内，以防冻液作为冷却液，其沸点可高于110℃。这对于负荷变化大、冷却液容易沸腾的工程机械柴油机是有利的。

表1   乙二醇防冻液

（3）乙二醇防冻液使用注意事项。在使用乙二醇配制的防冻液时，应注意：①乙二醇有毒，切勿用口吸；②乙二醇对橡胶有腐蚀作用；③乙二醇吸水性强，且表面张力小，易渗透，故要求冷却系统密封性好；④使用中切勿混入石油产品，否则会在防冻液中产生大量的泡沫。

3. 水冷系统的维护要点

（1）冷却液更换周期。建议每运行2000小时或每两年更换一次冷却液，更换时应彻底排空旧液，用清水冲洗冷却系统后再加入新液。

（2）散热器清洁。定期清除散热器外部翅片上的灰尘、油污和杂物，保证空气流通顺畅，清洗时使用低压水或压缩空气从内侧向外吹。

（3）水泵检查。定期检查水泵轴封处有无渗漏，叶轮有无腐蚀或磨损，轴承运转是否平稳无异响。

（4）节温器检测。节温器每运行1000小时应拆下进行开启温度检测，确保其在规定温度（通常82～88℃）下正常开启，全开升程不低于8mm。

 

图1 强制循环水冷系统示意

 

二、风冷系统

 

1. 风冷系统的布置和冷却风扇

（1）风冷系统的总体布置。图2为风冷柴油机冷却系统示意图。冷却风扇位于两排气缸中间，由缸盖、气缸体、机油冷却器、前后挡板和顶盖板等构成风压室。在气缸盖和气缸体的背风面设有挡风板，用来调节风量的分配。冷空气经冷却风扇增压后进入风压室，再由风压室流过各个需要冷却的零部件表面。由于各个零部件的通道阻力不同，因此流过的风量有多有少，以保证其适度而可靠的冷却。

（2）轴流式风扇的结构与传动。冷却风扇有轴流式和径流式两种。多缸风冷柴油机采用轴流式。图3所示为前置静叶轮轴流压风式风扇的结构图。风冷风扇主要由静叶轮和动叶轮两部分组成。静叶轮为铝合金精密压铸件，静叶轮毂内装液力耦合器。动叶轮与风扇外壳之间的间隙很小，以提高风扇效率。动叶片与静叶片的端面均为翼形。风扇的传动如图4所示，由柴油机功率输出端曲轴齿轮经凸轮轴传动齿轮、喷油泵传动齿轮、增速齿轮和连接轴、一对变速齿轮和胶辊联轴器，最后传到液力耦合器的泵轮，再由泵轮耦合到涡轮和风扇动叶轮。

2. 冷却强度的调节

为了保持柴油机在不同工况下都能在最适宜的温度下正常工作，需对其冷却强度随时进行调节。一种能随负荷变化自动调节柴油机冷却强度的装置如图5所示。机油泵将油底壳内的机油泵入主油道，通过外接油管引入温控阀，再经温控阀出口引入液力耦合器。温控阀装在排气管上，直接感知排气温度的变化。当负荷增加时，排气温度升高，温控阀开度增大，进入液力耦合器的油量增多，风扇转速增高，风量增加，冷却强度增强；反之，当负荷减小时，冷却强度随之减弱。自动调节装置能够根据柴油机负荷的变化，自动调节冷却风量，使柴油机始终保持在最佳状态。

3. 风冷柴油机的特点

与水冷柴油机相比，风冷柴油机具有以下特点：

（1）不用冷却液，无漏水、冰冻、结垢等故障，使用维修方便；

（2）零件少、结构简单、重量轻；

（3）因其工作温度较高，缸套的平均温度一般为150～180℃，柴油机与空气之间传热温差较大，风冷系统的散热能力对大气温度变化不敏感，因此在严寒、酷热和缺水地区使用具有很大的优越性；

（4）启动后暖机时间短；

（5）由于没有水套吸音，再加上高速风扇的噪声以及散热片和导风装置振动的噪声，运转时风冷柴油机噪声较大；

（6）由于金属与空气的传热系数大大低于金属与水的传热系数，风冷柴油机热负荷较高，不如水冷柴油机工作可靠；

（7）由于热负荷较大，充气系数较低，风冷柴油机输出的有效功率受到影响。

在军用及高原干旱地区使用风冷柴油机较多。

 

图2  风冷系统布置示意	图3  轴流式风扇
图4 风扇的传动	图5  冷却强度自动调节装置

 

三、水冷与风冷系统的对比与选型建议

 

1. 散热性能对比

（1）水冷系统。水的比热容（4.18kJ/(kg·K)）远高于空气（1.005kJ/(kg·K)），且金属与水的传热系数约为金属与空气传热系数的20～50倍。因此水冷系统的散热效率明显优于风冷系统，能更有效地控制柴油机工作温度。

（2）风冷系统。散热能力受环境温度影响较大，夏季高温时散热能力下降，热衰现象明显。同时，风冷系统对风扇转速依赖度高，低速大负荷工况下散热能力不足。

2. 环境适应性对比

（1）水冷系统。在寒冷地区需使用防冻液，防止冷却液冻结胀裂缸体和散热器；在缺水地区需补充水源，维护较为繁琐。但水冷系统在极端高温和低温下的温度控制能力更稳定。

（2）风冷系统。不受缺水影响，在沙漠、高原等缺水地区具有天然优势。严寒条件下无需担心冻结问题，启动后暖机时间短，机动性好。军用装备常采用风冷设计以保证高寒、高热环境下的快速部署能力。

3. 可靠性与维护对比

（1）水冷系统。部件较多（水泵、散热器、节温器、水管等），故障点相对较多，存在漏水、水垢、水泵损坏等风险，但技术成熟，维修配件供应广泛。

（2）风冷系统。结构简单，零部件数量少，故障率低，维修方便。但风冷发动机工作温度较高，对零部件热强度要求更高，润滑油的氧化速度加快，换油周期相对较短。

4. 噪声与舒适性对比

（1）水冷系统。水套具有隔音作用，且风扇转速相对较低，整体噪声水平低于风冷系统，适用于对噪声要求较高的场所。

（2）风冷系统。无吸音水套，加之高速风扇和散热片振动，噪声明显偏高，需额外加装隔音措施。

5. 选型建议

（1）对于长期连续运行的大功率发电机组，优先选用水冷系统，以保证稳定散热和较长使用寿命。

（2）对于缺水地区、移动式电源或军用装备，风冷系统具有显著优势。

（3）对噪声有严格要求的场所（如医院、居民区），应优先考虑水冷系统并配套消声措施。

（4）在极寒地区使用水冷系统时，须按表1选用合适比例的乙二醇防冻液，并确保冷却系统密封良好。

 

 

 

总结： 水冷系统通过水泵强制循环和散热器散热，冷却效果稳定可靠，适用于连续运行和大功率发电机组，但需维护冷却液质量和防冻措施；风冷系统结构简单、无漏水风险，适用于缺水地区和军用场景，但热负荷较高、噪声较大。选型时应根据使用环境、运行时长和功率需求综合考虑。

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