摘要：实践表明，柴油机经常在冷却水温为40～50℃条件下使用时，其零件磨损要比正常温度下运转时大好几倍。因此柴油机也不应冷却过度。柴油机冷却系统的作用是保证发动机在最适宜的温度范围内工作。对于水冷式柴油机，缸壁水套中适宜的温度为80～90℃，对于风冷式柴油机，缸壁适宜温度为160～200℃。根据冷却介质的不同，柴油机冷却系统可分为水冷式和风冷式两种。本文中康明斯公司重点为你介绍水冷式柴油发动机的结构组成和基本特点。
一、冷却系统的工作原理
柴油机工作时，高温燃气及摩擦生成的热会使气缸（盖）、活塞和气门等零部件的温度升高。如不采取适当的冷却措施，将会使这些零件的温度过高。受热零件的机械强度和刚度会显著降低，相互间的正常配合间隙会被破坏。润滑油也会因温度升高而变稀，失去应有的润滑作用，加剧零件的磨损和变形，严重时配合件可能会卡死或损坏。柴油机过热，会导致充气系数降低，燃烧不正常，功率下降，耗油量增加等。如柴油机温度过低，则混合气形成不良，造成工作粗暴、散热损失大、功率下降、油耗增加、机油黏度大、零件磨损加剧等，导致柴油机使用寿命缩短。
水冷却方式是用水作为冷却介质，将柴油机受热零件的热量传递出去。这种冷却方式具有冷却比较均匀、可使柴油机稳定在最有利的水温下工作、运转时噪声小等优点，所以目前绝大多数柴油机采用的是水冷式冷却系统。根据冷却水在柴油机中进行循环的方法不同，可分为自然循环冷却和强制循环冷却两类。
1. 冷却系统的功能与温度控制要求
1）冷却不足的危害：柴油机工作时，燃烧室内的燃气温度高达1800～2200 °C，与燃气直接接触的气缸盖、活塞顶、气缸套、气门等零件吸收大量热量。若不及时冷却，零件温度将急剧升高，导致金属材料的机械强度显著下降（如铝合金在300 °C以上强度下降50%以上），零件间的正常配合间隙因热膨胀而消失，可能造成活塞卡死在气缸中、气门烧蚀、喷油器头部过热变形等严重故障。同时，机油温度升高后粘度急剧下降，油膜承载能力降低，各摩擦副处于边界润滑甚至干摩擦状态，磨损量成倍增加。此外，高温还会使充气效率降低（因进气被加热膨胀），燃烧过程异常（爆燃或早燃），功率下降，油耗上升。
2）冷却过度的危害：柴油机长期在40～50 °C的过低水温下运转时，零件磨损要比正常温度（80～90 °C）下大好几倍。这是因为：温度过低时燃油雾化不良，部分燃油以液态形式附着在气缸壁上，冲刷掉润滑油膜，加剧缸套和活塞环的磨粒磨损；同时燃烧产物中的水蒸气和酸性物质（硫酸、硝酸等）在冷壁上凝结，形成腐蚀性介质，加速化学腐蚀。此外，低温时机油粘度过大，流动阻力增加，各摩擦副供油不足，启动后初期磨损严重。功率和热效率也因散热损失增大而明显下降。
3）适宜温度范围：对于水冷式柴油机，缸壁水套中冷却液的适宜温度为80～90 °C。在此温度区间内，机油粘度适中（约10～20 mm²/s），油膜承载能力良好；活塞与缸套间隙处于设计值，泄漏量最小；燃油雾化、蒸发和与空气混合的条件最佳，燃烧最完全；散热损失和排气损失达到优化平衡，热效率最高。对于风冷式柴油机，缸壁适宜温度为160～200 °C（因无冷却液作为热缓冲，缸壁温度需更高以保证机油正常工作温度）。
2. 水冷与风冷的对比
1）水冷式冷却系统：利用水（或冷却液）作为冷却介质，将受热零件的热量传递出去。优点是冷却均匀、可使柴油机稳定在最有利的水温下工作（80～90 °C）、运转时噪声小（水套对燃烧噪声有吸收作用）。因此，绝大多数柴油机采用水冷式冷却系统。
2）风冷式冷却系统：利用空气作为冷却介质，通过散热片增大散热面积，依靠风扇强制空气流过散热片带走热量。优点是结构简单、无水路故障、冬季不需防冻。缺点是冷却不均匀（迎风面与背风面温差大）、噪声大、对气温变化敏感、功率消耗较大。主要用于小型单缸机、摩托车发动机及部分航空发动机。
3. 自然循环冷却系统
自然循环冷却是利用水的密度随温度变化的特性（4 °C时密度最大，随温度升高密度减小），以产生自然对流，使冷却水在冷却系统中循环流动。其优点是结构简单，维护方便；缺点是水循环缓慢，冷却不均匀，柴油机下部水温低，上部水温高（因热水自然上升），局部地方由于冷却水循环强度不够而可能产生过热现象。并且自然循环冷却系统要求水箱容量较大（循环动力弱，需足够水量维持热虹吸高度），故只在小型柴油机上采用。自然循环冷却可分为蒸发式（利用水蒸发带走热量，需不断补水）、冷凝器式（蒸汽经冷凝器冷凝后回流）和热流式三种。
4. 强制循环冷却系统
强制循环冷却是利用水泵使水在柴油机中循环流动。强制循环冷却系统可分为开式和闭式两种。其中，闭式系统如图1所示。
1）开式强制循环冷却系统：冷却介质直接与大气相通，冷却系统内的蒸汽压力总保持为外界大气压，其消耗水量比较多（冷却水蒸发损失大）。系统结构简单，但易产生水垢和腐蚀，且沸点低（100 °C），高温下易沸腾。
2）闭式强制循环冷却系统：水箱盖上安装了一个空气-蒸汽阀，冷却介质与外界大气不直接相通，水在密闭系统内循环，冷却系统的蒸汽压力稍高于大气压力，水的沸点可以提高到100 °C以上。其优点包括：
① 提高柴油机的进、出水口水温，使冷却水温差小（进水80 °C、出水90 °C，温差约10 °C），能稳定柴油机工作温度和提高其经济性。
② 提高散热器的平均温度（从环境温度升至约85 °C），从而缩小散热面积（同功率下可缩小约15%～20%），减少水的消耗量（蒸发损失极小）。
③ 可缩短机油预热时间（冷启动时热量损失小，水温上升快）。
其缺点是冷却系统零部件的耐压要求较高（需承受0.02～0.03 MPa的压力）。这种冷却方式目前应用最为广泛，现代车用和固定式柴油机几乎全部采用闭式强制循环冷却系统。
5. 冷却系统的循环路径与大小循环切换
柴油发动机的气缸体和气缸盖中都铸造有水套。冷却液经水泵加压后，经分水管进入机体水套内，冷却液在流动的同时吸收气缸壁的热量并使自身的温度升高，然后流入气缸盖水套，在此吸热升温后经节温器及散热器进水管进入散热器中。与此同时，由于风扇的旋转抽吸，空气从散热器芯吹过，流经散热器芯的冷却液热量不断地散发到大气中去，使水温降低。冷却后的水流到散热器底部后，又经水泵加压后再一次流入缸体水套中，如此不断地循环，柴油机就不断地得到冷却。其循环路径如图2所示。
1）大循环路径（散热器参与散热）：当水温高于节温器的开启温度（蜡式节温器约76 °C开启，86 °C全开）时，节温器主阀门打开，回水经散热器进水管进入散热水箱进行冷却，然后从散热器下水管经水泵流回缸体水套。流经路径为：水泵→缸体水套→缸盖水套→节温器→散热器进水管→散热器（冷却）→散热器出水管→水泵。此循环称为大循环。此时全部冷却水均经散热器散热，散热能力最大，适用于高负荷工况。
2）小循环路径（绕过散热器）：当水温低于节温器开启温度时，节温器主阀门关闭，副阀门开启，回水不经过散热器，而经节温器旁通孔直接流入水泵，再经水泵压入水套。流经路径为：水泵→缸体水套→缸盖水套→节温器旁通孔→回水管→水泵。此循环称为小循环。此时冷却水不流经散热器，散热能力最小，可加速暖机过程，适用于冷启动和低负荷工况。
3）大小循环的过渡区域：当水温处于节温器初开温度与全开温度之间（76～86 °C）时，主阀门和副阀门同时处于半开状态，部分冷却水流经散热器进行大循环，另一部分进行小循环，大小循环同时进行，实现散热能力的无级调节，保证水温平稳过渡。循环演示如图2所示。
柴油发动机转速升高，水泵和风扇的转速也随之升高，则冷却液的循环加快（流量增加），扇风量加大（风量增加），散热能力就增强（散热量近似与转速的立方成正比）。因此在高转速高负荷时冷却能力自动增强，低转速低负荷时冷却能力自动减弱，形成自调节机制。
6. 分水管的均匀冷却设计原理
为了使多缸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（通常为铜管或不锈钢管），沿纵向开有若干个出水孔，离水泵愈远处，出水孔愈大。这是因为距离水泵越远，冷却水在流经前几个气缸后水温已升高，且水压逐渐降低，需要通过更大的出水孔来保证足够的水流量。通过合理设计各出水孔的孔径（从前到后逐步增大），可使各缸的冷却水流量基本一致，从而使各缸壁温相近，整机冷却均匀。康明斯B系列、N系列等机型均采用了分水管结构，有效解决了多缸机前后缸温差大（可达10～15 °C）的问题。
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图1 柴油机强制循环水冷却系统示意图 |
图2 柴油机冷却系统结构框图（大小循环图） |
二、冷却系统的基本组成
1. 散热器
散热器的作用是将冷却水所携带的热量散入大气以降低冷却水的温度。散热器必须有足够的散热面积，并用导热性好的材料制造，其构造如图3（a）所示，它由上水箱（有的带有空气-蒸汽阀）、芯部和下水箱三部分组成。上、下水箱用来存放冷却水，上水箱顶部开有注入冷却水的加水口，用水箱盖封闭。柴油机水套中的热水从气缸盖上的出水口流进上水箱，经散热器芯子冷却后流到下水箱，再经下水箱的出水管被吸入水泵。
（1）散热器芯：散热器芯部构造形式有多种，常用的有管片式和管带式两种。管片式的芯部构造如图3（b）所示，它由许多扁形水管焊在多层散热片上构成。其芯部的散热面积大，对气流的阻力小，结构刚度好，承压能力强，不易破裂，所以目前被广泛采用。其缺点是制造工艺比较复杂。管带式芯部的构造如图3（c）所示，它由波纹状散热带与冷却扁管相间排列组合而成。带上开有缝槽，可以破坏气流附面层以增加传热效果。该型芯部的刚度不如管片式好，但制造工艺简单，便于大量生产，其应用有逐渐增多之势。
散热器芯子多用黄铜制造。黄铜具有较好的导热和耐腐蚀性能，易于成形，有足够的强度且便于焊修。为了节约铜，近年来，铝合金散热器也有一定发展。
（2）水箱盖：闭式强制循环冷却系统是一个封闭的系统，提高系统的蒸汽压力后，可以提高冷却水的沸点。由于冷却水温和外界气温温差加大，因而也就提高了整个冷却系统的散热能力。但如果冷却系统内蒸汽压力过大，就可能使散热器芯的焊缝或水管破裂。当冷却系统中的蒸汽凝结时，会使系统中的蒸汽压力低于外界大气压力，如果这个压力过低，散热器芯部就可能被外界大气压压坏。因此闭式冷却系统的水箱盖上装有空气-蒸汽阀，其结构及工作原理如图4所示。当冷却系统内蒸汽压力低于大气压力0.01～0.02 MPa时，在压差作用下，空气阀3便克服弹簧的预紧力而开启，如图4（a）所示。空气从蒸汽引出管5经空气阀进入上水箱，使冷却系统的压力升高。当冷却系统内蒸汽压力超过大气压0.02～0.03 MPa时，蒸汽阀弹簧2被压缩，蒸汽阀1便开启，如图4（b）所示，此时将从蒸汽引出管5中排出一部分蒸汽，使冷却系统的压力下降。此时，冷却水的沸点可提高到108 °C左右，减少了冷却水的消耗。
空气-蒸汽阀一般安装在散热器盖上，有的柴油机则安装在散热器上储水箱的侧面。当柴油发动机过热时，如需打开闭式强制循环冷却系统的散热器盖，应将其慢慢旋开，使冷却系统内的压力逐渐降低，以免蒸汽和热水喷出伤人。如果要旋松放水开关放出冷却水时，也需先打开散热器盖，才能将水放尽。
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图3 柴油机散热器及芯部构造 |
图4 柴油机空气-蒸汽阀结构及工作原理示意图 |
2. 风扇
风扇的功用是增大流经散热器芯部空气的流速，提高散热器的散热能力。水冷系统的风扇要求足够的风量，适度的风压，功率消耗少，效率高，噪声低以及工艺简单。在水冷系统中常用的是轴流式风扇，这种形式的风扇结构简单，布置方便，低压头时风量大，效率高。它一般装在散热器芯部后面，利用吸风来冷却芯部。
风扇的构造如图5所示。在固定于带轮上的风扇支架上，铆着用薄钢板冲制成的风扇叶片。风扇的扇风量主要与风扇直径、转速、叶片形状、叶片安装角及叶片数目有关。叶片大多用薄钢板冲压制成，断面形状多为弧形。但也可用塑料或铝合金铸成翼形断面的整体式风扇，虽然制造工艺较复杂，但效率高，功率消耗小。在有些发动机上，冷却风扇的冲压叶片端部弯曲，以增加扇风量。叶片应安装得与风扇旋转平面成30°～60°倾斜角。叶片数目通常为4片或6片。有的将叶片间夹角做成不等，以减小旋转时产生的振动和噪声。风扇外围装设护风圈，可适当提高风扇的工作效率。
3. 水泵
水泵的作用是提高冷却水压力，使水在冷却系统内加速循环。柴油机上广泛采用离心式水泵，工作原理如图6所示。水泵叶轮由曲轴驱动旋转时，带动水泵中的水一起转动，由于离心力的作用，水被抛向叶轮边缘并产生一定的压力，经出水管被压入缸体水套中，在叶轮中心处，由于水被甩向外缘而压力降低，水箱中的水经进水管被吸入泵中，再被叶轮甩出。水泵叶轮一般有6～8个轮叶，轮叶形状有径向直叶片的，其构造简单；有曲线形叶片的，其泵水效率高。离心式水泵的主要特点是结构简单、外形尺寸小、工作可靠、制造容易以及当水泵由于故障而停止转动时，冷却水仍可进行自然循环。
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图5 柴油机水箱风扇的构造图 |
图6 柴油机离心式水泵工作原理 |
4. 冷却强度调节装置
冷却系统的散热能力是按照发动机常用工况和气温较高的情况下能保证可靠冷却而设计的。但使用条件（如转速、负荷和气温等）变化时，必须改变散热器的散热能力，使需要从冷却系统散走的热量与冷却系统的散热能力相协调。可通过改变流经散热器芯部冷却水的循环流量或冷却空气流量的方法来调节其冷却强度，以保证发动机在最佳温度状况下工作。
（1）改变冷却水的循环流量：冷却水将高温零件的热量带走后，并在流经散热器时，将热量散入大气。若减少流经散热器的水量，则会使散热量减少，整个冷却系统的温度将会提高。流经散热器的水量，由装在气缸盖出水口附近水道中的节温器来调节。节温器有膨胀筒式和蜡式两种。
① 双阀膨胀筒式节温器：如图7所示，弹性折叠式的密闭圆筒用黄铜制成，是温度感应件，筒内装有低沸点的易挥发液体（通常是由1/3的乙醇和2/3的水溶液混合而成），其蒸汽压力随温度而变。温度高时，其蒸汽压力大，弹性膨胀圆筒伸长得多。圆筒伸长时，焊在它上面的旁通阀门和主阀门也随之上移，使旁通孔逐渐关小，顶部通道逐渐开大，当旁通孔全部关闭时，主阀开度达到最大。主阀关闭时，旁通孔全部开启。
当冷却水温度低于70 °C时［如图7（a）所示］，节温器主阀关闭，旁通孔开启。冷却水不能流入散热器，只能经节温器旁通孔进入回水管流回水泵，再由水泵压入分水管流到水套中去。这种冷却水在水泵和水套之间的循环称为小循环。由于冷却水不流经散热器，可防止柴油机过冷，同时也可使冷态的柴油机很快被加热。
当水温超过70 °C后［如图7（b）所示］，弹性膨胀筒内的蒸汽压力使筒伸长，主阀逐渐开启，侧孔逐渐关闭。一部分冷却水经主阀注入散热器散走热量，另一部分冷却水进行小循环。当水温超过80 °C后，侧孔全部关闭，冷却水全部流经散热器，然后进入水泵，由水泵压入水套冷却高温零件。冷却水流经散热器后进入水泵的循环称为大循环。此时高温零件的热量被冷却水带走并通过散热器散出，柴油机不会过热。
主阀门顶上有一小圆孔，称为通气孔，用来将阀门上面的出水管内腔与发动机水套相连通，使在加注冷却水时，水套内的空气可以通过小孔排出，以保证水能充满水套中。
由于膨胀筒式节温器阀门的开启是靠筒中易挥发液体形成的蒸汽压力的作用，故对冷却系统中的工作压力较敏感、工作可靠性差、使用寿命短、制造工艺也较复杂，故现在逐渐被对冷却系统的压力不敏感、工作可靠、寿命长的蜡式节温器所取代。
② 蜡式节温器：如图8所示，为蜡式双阀节温器工作原理示意图。上支架与阀座、下支架铆成一体。反推杆固定于支架的中心处，并插于橡胶套的中心孔中。橡胶套与感温器外壳之间形成的腔体内装有石蜡。为防止石蜡流出，感温器外壳上端向内卷边，并通过上盖与密封垫将橡胶套压紧在外壳的台肩面上。
在常温时，石蜡呈固态，当水温低于76 °C时，弹簧将主阀门压紧在阀座上，主阀门完全关闭，同时将副阀门向上带动离开副阀门座，使副阀门开启，此时冷却水进行小循环［如图8（a）所示］。当水温升高时，石蜡逐渐变成液态，体积膨胀，迫使橡胶套收缩，而对反推杆锥状端头产生向上的举力，固定的反推杆就对橡胶套和感温器外壳产生一个下推力。当发动机的水温达到76 °C时，反推杆对感温器外壳的下推力克服弹簧张力使主阀门开始打开。水温超过86 °C时，主阀门全开，而副阀门完全关闭，冷却水进行大循环［如图8（b）所示］。
（2）改变冷却空气流量：可在散热器前安装百叶窗或挡风帘以部分或全部遮蔽散热器芯子。百叶窗可由操作人员用手柄来操纵，也可由调温器自动控制百叶窗的开度。
水冷系统还设置有水温传感器和水温表。水温传感器一般安装在气缸盖出水管处，将出水管处的水温传给水温表。操作人员可借助水温表随时了解冷却系统的工作情况。
为了防止和减轻冷却水中的杂质对发动机的腐蚀作用，某些柴油机（如康明斯N855型）在冷却系统中还设有防腐装置。在防腐装置的外壳中装有用镁板夹紧着包有离子交换树脂的零件。其作用是由金属镁作为化学反应的金属离子的来源，当冷却水流经防腐装置的内腔时，水中的碳酸根离子便和金属离子形成碳酸镁而沉淀，在该装置中被滤去，从而减小了冷却水对发动机水套及冷却系统各部件的腐蚀。
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图7 柴油机双阀膨胀筒式节温器 |
图8 柴油机蜡式双阀节温器 |
总结
柴油机水冷式冷却系统通过强制循环（闭式）使冷却液在缸体水套、缸盖水套、散热器和水泵之间循环流动，将受热零件的热量传递至大气，保证发动机在80～90 °C的最佳温度范围内工作。闭式强制循环冷却系统因散热均匀、沸点提高（108 °C）和耗水量少，成为目前应用最广泛的形式。冷却系统由散热器（上水箱/芯部/下水箱，管片式或管带式芯部，空气-蒸汽阀维持系统压力0.02～0.03 MPa）、轴流式风扇（叶片4或6片，安装角30°～60°）、离心式水泵（叶轮6～8片）和冷却强度调节装置（蜡式节温器主阀开启76 °C、全开86 °C，百叶窗控制空气流量）等部件组成。一个良好的冷却系统应满足散热能力适应工况变化、消耗功率小、体积小重量轻、使用可靠寿命长等要求。冷却系统设计的好坏直接影响发动机的性能和使用可靠性，操作人员应通过水温表监测冷却系统工作状况，并在柴油机过热时谨慎打开散热器盖（先慢旋泄压），防止蒸汽烫伤。理解冷却系统的工作原理与结构特点，对柴油机的正确使用和维护保养具有重要意义。
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