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提升康明斯柴油發(fā)電機(jī)冷卻效果的措施 |
摘要：對柴油發(fā)電機(jī)高溫進(jìn)行冷卻能大大降低冷卻水和機(jī)油的散熱量，減少柴油發(fā)電機(jī)的熱損失，改善柴油發(fā)電機(jī)工作過程狀況。冷卻系統(tǒng)作為柴油機(jī)的重要組成部分，其作用效果不僅影響柴油機(jī)工作的可靠性，更直接影響其經(jīng)濟(jì)性能。康明斯公司通過高溫冷卻試驗(yàn)和試車試驗(yàn)，結(jié)果表明冷卻水溫度對燃油經(jīng)濟(jì)性的影響極大。因此，提升冷卻系統(tǒng)的效果會使柴油發(fā)電機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)性得到了充分發(fā)揮，可滿足柴油發(fā)電機(jī)在各種工況下使用。
一、冷卻系統(tǒng)的作用和影響因素
1、冷卻系統(tǒng)的作用
四沖程柴油機(jī)通過空氣與燃料在氣缸內(nèi)部的混合、燃燒，把燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽苿忧B桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，向外輸出扭矩，并把廢氣排入大氣中。在此過程中，有相當(dāng)一部分熱量通過氣缸壁傳給冷卻水系統(tǒng)，由冷卻水循環(huán)向周圍的環(huán)境散熱。常見的柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)由冷卻水泵、柴油發(fā)電機(jī)冷卻腔、調(diào)溫器、散熱水箱、冷卻風(fēng)扇等組成。
當(dāng)冷卻效果良好，柴油機(jī)能夠運(yùn)行在最佳工作溫度時，柴油發(fā)電機(jī)氣缸內(nèi)吸進(jìn)的新鮮空氣量充足，噴入氣缸的燃油能與渦動的空氣充分混合并完全燃燒，輸出最高動力；各部件受熱均勻，變形小；各相對運(yùn)動部件間的間隙符合設(shè)計(jì)要求、潤滑油的潤滑性能得到充分的發(fā)揮，潤滑油不易變質(zhì)，相對運(yùn)動部件的磨損降低；排出的廢氣中對大氣環(huán)境污染的成分減少。
衡量現(xiàn)代柴油機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性能，除了指示耗油率、有效耗油率、指示效率、有效效率等經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，還必須考慮在運(yùn)行過程中各相對運(yùn)行部件的過度磨損導(dǎo)致的零件損壞的損失，惡劣的工作環(huán)境導(dǎo)致潤滑油提前變質(zhì)而縮短使用周期的損失，柴油發(fā)電機(jī)在工作過程中因不完全燃燒生成的HC、NOx、SO2、CO等污染物造成對機(jī)件的腐蝕破壞，排放廢氣造成的環(huán)境污染等。無論是經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)，還是柴油發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中引發(fā)的各種損失，都直接與柴油發(fā)電機(jī)的冷卻效果有關(guān)。
柴油發(fā)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)水溫過低，容易增加廢氣排放、加劇零部件磨損、減小功率輸出，縮短柴油發(fā)電機(jī)的使用壽命及增加使用費(fèi)用；水溫過高同樣會引起柴油發(fā)電機(jī)新的磨損。對水冷式柴油機(jī)最佳冷卻液工作溫度的試驗(yàn)結(jié)果表明，柴油機(jī)全工況最佳冷卻液工作溫度為86.3 ℃。有研究表明，當(dāng)冷卻水溫度從80 ℃降到30 ℃時，零件的磨損速度會增加1～2倍。
2、影響冷卻效果的因素
在正常運(yùn)行狀態(tài)下，冷卻水溫度維持在80～90 ℃，柴油發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較高。由于農(nóng)用柴油機(jī)的工作受環(huán)境影響比較大，工作條件比較惡劣，對冷卻水的循環(huán)路徑及冷卻強(qiáng)度的調(diào)節(jié)一般使用機(jī)械的調(diào)節(jié)方法，無法及時地根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)的熱負(fù)荷調(diào)整柴油發(fā)電機(jī)冷卻效果，造成柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行功率不能充分發(fā)揮、額外損失增大；另外，使用者的使用管理不當(dāng)，使冷卻系統(tǒng)無法真正發(fā)揮其功能，進(jìn)一步惡化柴油發(fā)電機(jī)工作條件，增加柴油機(jī)的額外損失，甚至影響到柴油發(fā)電機(jī)工作的可靠性。冷卻系統(tǒng)對柴油發(fā)電機(jī)的影響主要表現(xiàn)在以下方面：
（1）柴油發(fā)電機(jī)冷卻水量不足夠；
（2）柴油發(fā)電機(jī)冷卻水泵排出壓力不夠，供水不足或中斷；
（3）柴油發(fā)電機(jī)節(jié)溫器不能及時打開或打開不完全；
（4）冷卻水道銹蝕或臟污過多堵塞，使用冷卻水流量達(dá)不到要求；
（5）冷卻水道中含有氣泡，積存在冷卻腔內(nèi)沒有放出而造成氣阻；
（6）冷卻水質(zhì)太臟，水溫過高后產(chǎn)生水垢堵塞水道；
（7）冷卻水管彎折或阻塞；
（8）冷卻水道水垢多，產(chǎn)生阻塞；
（9）柴油發(fā)動機(jī)房（或設(shè)備）所處環(huán)境不好，通風(fēng)不佳；
（10）散熱水箱（或熱交換器散熱片管）阻塞，使冷卻水流通不暢產(chǎn)生高溫；
（11）冷卻風(fēng)扇皮帶打滑或松弛、損壞，使散熱風(fēng)量不足；
（12）冷卻水泵狀態(tài)不好，例如葉輪水垢多、徑向間隙大等；
（13）柴油發(fā)電機(jī)供油時間不準(zhǔn)確，延遲或提前過多導(dǎo)致在缸內(nèi)燃燒不充分，在排氣管燃燒產(chǎn)生高溫，影響冷卻；
（14）柴油發(fā)電機(jī)噴油嘴霧化不良，燃燒不好，在排氣管燃燒產(chǎn)生高溫，影響冷卻；
（15）柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷過大，導(dǎo)致冷卻系無法滿足冷卻而產(chǎn)生高溫等。
二、提高冷卻效果的措施
1、水垢的清除
如果冷卻系統(tǒng)中已經(jīng)形成水垢，將嚴(yán)重影響康明斯發(fā)電機(jī)的冷卻效果，應(yīng)及時地進(jìn)行清除。其清洗方法有兩種。
（1）用酸堿清洗劑清除
清洗劑的配制與使用方法對于鋁合金氣缸蓋的發(fā)動機(jī)，不能用酸堿性較大的清洗劑。
（2）用壓力水沖洗
在缺少酸堿清洗劑的情況下，亦可使用有壓力的清水來沖洗，但沖水壓力不能超過0.3MPa（3kgf/cm2）。其步驟如下：
① 放出冷卻水箱的冷卻水，拆下散熱器進(jìn)、出水管，氣缸蓋出水管、節(jié)溫器，然后裝回氣缸蓋出水管。
② 用壓力不超過0.3MPa（3kgf/cm2）的清水從氣缸蓋出水管灌進(jìn)，沖洗水套，將積垢排除，直至水泵流出水不渾濁為止。
③ 從散熱器出水管處將水沖入，排除水垢，直至加水口流出水不渾濁為止。
2、風(fēng)扇皮帶松緊度的檢查與調(diào)整
風(fēng)扇皮帶不能過緊或過松。過緊會加速皮帶磨損，縮短使用壽命，增大了充電機(jī)和水泵的拉力，加速了充電機(jī)和水泵軸的磨損，同時也增加了內(nèi)燃機(jī)功率的消耗；過松會使皮帶打滑，充電機(jī)、水泵和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速降低，影響散熱效率，使充電電壓降低。因此，皮帶過緊或過松時，必須進(jìn)行調(diào)整。
風(fēng)扇皮帶松緊度的檢查方法，若不符合規(guī)定值，可旋松充電發(fā)電機(jī)支架上的固定螺釘，向外移動發(fā)電機(jī)時，皮帶變緊，反之則變松。調(diào)好后，將固定螺釘旋緊，再復(fù)查一遍，如不符合要求，應(yīng)重新調(diào)整，直至完全合格為止。
3、及時向軸承添加潤滑油脂
在發(fā)電機(jī)組中修、大修及水泵、風(fēng)扇等處軸承潤滑油脂不足時，應(yīng)及時向水泵、風(fēng)扇等處軸承注入潤滑油脂（黃油），以減少軸承的磨損。
4、使用冷熱交換器
應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組冷卻水換熱系統(tǒng)，系統(tǒng)包括第一換熱器、第二換熱器、水泵、控制閥、過濾器、溫度計(jì)和壓力傳感器，冷卻用中間水經(jīng)過過濾器、水泵和控制閥后通過第二換熱器、發(fā)電機(jī)組水道、第一換熱器后回流冷卻再循環(huán)，已持續(xù)對發(fā)電機(jī)組冷卻；所述第一換熱器可選的接入發(fā)電機(jī)組水道；控制閥、所述溫度計(jì)、壓力傳感器設(shè)置在水管上且與控制箱電訊連接。
在整體結(jié)構(gòu)上，該冷卻水系統(tǒng)換熱系統(tǒng)采用兩套板式換熱器、一臺離心泵、及相對應(yīng)儀器儀表和控制箱，在工作過程中，通過離心泵將中間水導(dǎo)入冷卻水系統(tǒng)換熱模塊進(jìn)行冷卻，再將冷卻后的冷卻水送回柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)，以保證冷卻水的流量、壓力和溫度，從而整個系統(tǒng)的用電負(fù)荷，增加冷卻水系統(tǒng)可靠性。通過兩套板式換熱器，能夠減小空間占用，提高轉(zhuǎn)配安裝靈活性，便于維修且對發(fā)電效率影響小。
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圖1 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)工作過程 |
圖2 應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組冷卻水換熱系統(tǒng) |
5、冷卻水的正確使用
（1）冷卻水盡量使用自來水等雜質(zhì)少的軟水。含鹽分多的水，礦山或溫泉附近的水對機(jī)體和恒溫器等有腐蝕作用，盡量不要使用。
（2）冷卻水標(biāo)準(zhǔn)
① 冷卻水的PH值6.5~8.0，氮離子（Clˉ）在100ppm以下。
② 水質(zhì)不符合上述規(guī)格時，參入規(guī)定量的防銹劑（當(dāng)?shù)啬苜I到）混合使用。
③ 使用防凍液的時候，濃度等可向康明斯發(fā)電機(jī)組代理商咨詢。
（3）冷卻水的補(bǔ)充和檢查
① 擰緊發(fā)動機(jī)冷卻水堵頭和排泄旋塞（發(fā)動機(jī)出廠時旋塞處于打開狀態(tài)）。
② 補(bǔ)充冷卻水時，打開散熱器端蓋，將水緩緩灌入至端蓋位置，（10L/MIJ）。這時，要注意避免雜質(zhì)的混入，加水速度太快會混入空氣，這也是引起發(fā)動機(jī)過熱的原因，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后水位可能會下降，怠速運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)分鐘后可檢查一下水位，不足時加以補(bǔ)充。
③ 在運(yùn)轉(zhuǎn)中，特別是在高溫時打開散熱器蓋，高溫冷卻水會突然噴出引起燙傷。
④ 排除冷卻水系統(tǒng)內(nèi)的空氣時，松開發(fā)動機(jī)的出口水管或恒溫器上的水溫感應(yīng)器的話，效果會更好。
三、改進(jìn)冷卻系統(tǒng)的措施
提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能，不僅要提高柴油發(fā)電機(jī)的有用功率，減少柴油發(fā)電機(jī)的有效耗油率，還要減少柴油發(fā)電機(jī)在各種負(fù)荷情況下的額外損失，減少對環(huán)境的污染。通過采用新型的冷卻技術(shù)，對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，改善冷卻系統(tǒng)的冷卻性能，有利于提高能源的利用率，減少污染物的排出，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
1、冷卻系統(tǒng)調(diào)溫器的改進(jìn)
（1）采用電控調(diào)溫器代替原有的調(diào)溫器
通過對柴油發(fā)電機(jī)冷卻水溫度等實(shí)施實(shí)時監(jiān)測，將水溫等信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柦?jīng)柴油發(fā)電機(jī)ECU處理后，控制電控調(diào)溫器電磁線圈的供電情況，及時、準(zhǔn)確地獲得與柴油發(fā)電機(jī)冷卻水溫度要求相匹配的閥門開度，控制冷卻系統(tǒng)的水流循環(huán)途徑；適時起動、關(guān)閉電動風(fēng)機(jī)及改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，改善冷卻強(qiáng)度，使柴油發(fā)電機(jī)獲得良好的燃燒性能，提高能源的利用率。周天翼等[7]模糊控制系統(tǒng)的實(shí)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)定控制溫度為90 ℃，環(huán)境溫度為15 ℃時，冷卻水溫可控制為（90±4） ℃，獲得良好的控制精度。對柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)模糊控制研究表明：冷卻系統(tǒng)智能控制裝置實(shí)現(xiàn)了散熱能力控制的智能化，可以精確自動地調(diào)節(jié)冷卻液的溫度，把柴油發(fā)電機(jī)的工作溫度限制在最佳階段，延長了使用壽命，提高了工作效率，減少了故障率。該控制系統(tǒng)可根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行速度、柴油發(fā)電機(jī)的冷卻水溫來綜合控制冷卻系統(tǒng)，從而達(dá)到減少電耗、減少油耗的效果。具有性能穩(wěn)定、工作可靠、節(jié)能潛力大等優(yōu)點(diǎn)。
（2）采用電控蠟式調(diào)溫器代替普通蠟式調(diào)溫器
改變普通蠟式調(diào)溫器的溫度-升程曲線固定不變的狀況，以獲得能根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速等因素靈活控制的溫度-升程曲線。通過在普通蠟式調(diào)溫器的感應(yīng)體中嵌入電控加溫元件，采用柴油發(fā)電機(jī)ECU對冷卻水溫等參數(shù)檢測、處理后，按原先設(shè)置在柴油發(fā)電機(jī)ECU內(nèi)的溫控map圖，輸出信號控制電控加溫器的端電壓，使石蠟融化的過程不再是以柴油發(fā)電機(jī)的冷卻水溫為主導(dǎo)，大大提高調(diào)溫閥門的動作靈敏度。可以根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷、轉(zhuǎn)速、水溫高低要求，由柴油發(fā)電機(jī)ECU自動實(shí)現(xiàn)對加溫器兩端電壓的控制，使其在0、4、9、12 v的范圍內(nèi)變化，電控蠟式調(diào)溫器的反應(yīng)時間由普通蠟式調(diào)溫器的4.38 s減小到1.16 s，從而提前達(dá)到最佳工況，減少損失。
2、采用電控電動水泵代替直接驅(qū)動水泵
采用電控閥門和電控水泵取代傳統(tǒng)的節(jié)溫器和直驅(qū)水泵。改變水泵直接受柴油發(fā)電機(jī)驅(qū)動的限制，冷卻系統(tǒng)效能不僅受柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，還受到柴油發(fā)電機(jī)的散熱損失等影響。通過柴油發(fā)電機(jī)電控單元對柴油發(fā)電機(jī)溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，對冷卻水流量及在不同回路中的流量分配進(jìn)行精確控制，滿足不同工況下柴油發(fā)電機(jī)的冷卻要求，使柴油發(fā)電機(jī)冷啟動時間縮短，不同工況下柴油發(fā)電機(jī)工作溫度波動小、工作效率高。對柴油發(fā)電機(jī)電控冷卻系統(tǒng)研究認(rèn)為：與傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)冷卻方式相比，解除水泵與主軸間的耦合關(guān)系，通過精確控制水泵轉(zhuǎn)速及電控閥門開度，在滿足柴油發(fā)電機(jī)冷卻需要的同時冷卻水循環(huán)流量降到最小，使水泵平均功耗由1.50 kw降低至0.56 kw；柴油發(fā)電機(jī)水溫在效率最高點(diǎn)小幅波動，從而有助于降低燃油消耗率和有害氣體的排放。
3、采用冷卻腔分流式冷卻設(shè)計(jì)
柴油機(jī)理想的工作狀態(tài)是氣缸蓋溫度低于氣缸套溫度，較低的缸蓋溫度有利于氣缸吸氣和排氣；較高的氣缸套溫度有利于潤滑油膜的形成，降低磨損。通過對柴油發(fā)電機(jī)冷卻腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，采用分流式冷卻設(shè)計(jì)，可以分別使氣缸蓋和氣缸套獲得合理的冷卻水流量、壓力和流場分布。 氣缸蓋底部噴油器孔與進(jìn)、排氣閥座孔間是熱負(fù)荷最大的部位，必須優(yōu)先得到有效的冷卻保證，可以在氣缸蓋的冷卻腔中設(shè)置一塊帶孔的隔板，這樣在氣缸蓋的冷卻腔下部采用“橫流水”設(shè)計(jì)以利于對高熱負(fù)荷部位的冷卻；在冷卻腔的上部采用“縱流水”設(shè)計(jì)以利于減少流動阻力。對于進(jìn)入氣缸套冷卻腔的水流進(jìn)口設(shè)計(jì)為切向傾斜，有利于形成環(huán)繞圓周方向的流動，使氣缸套周圍的水流速度增大，提高換熱系數(shù)。康明斯公司認(rèn)為采用分流式冷卻方案，能夠獲得較高的氣缸體溫度，使油耗降低4%～6%，在部分負(fù)荷時hc排放降低20%～35%。
4、冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)傳熱性能的改善
隨著柴油發(fā)電機(jī)的動力性能不斷提高和適應(yīng)日益嚴(yán)格的節(jié)能減排要求。傳統(tǒng)的純水、水與乙二醇混合液等冷卻介質(zhì)的傳熱性能已不能適應(yīng)新的技術(shù)要求，尋找新型冷卻介質(zhì)備受各國關(guān)注。納米流體是以一定方式和比例在液體中添加納米粒子而形成的一種均勻、穩(wěn)定、高熱導(dǎo)率的新型傳熱工質(zhì)，如氧化鋁+水+乙二醇、銅+水等納米流體。由于傳熱效果好，可以把柴油發(fā)電機(jī)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)得更加緊湊；能在低壓下運(yùn)行及在較高溫度下保持單相流動，減少熱損失，提高熱效率。康明斯公司通過對納米流體（氧化鋁+水+乙二醇）的研究發(fā)現(xiàn)，對流換熱系數(shù)能提升20%～25%；搭建的散熱系統(tǒng)使用60 nm的納米流體，在冷卻條件最惡劣的情況下，可將水箱的平均溫度降低5 ℃，空氣出口溫度下降7.9 ℃，能防止水箱的“開鍋”發(fā)生，又能有效地改善柴油發(fā)電機(jī)艙的換熱。康明斯公司研究發(fā)現(xiàn)，采用納米流體的柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)可使重型發(fā)電機(jī)組的冷卻系統(tǒng)的尺寸和重量減少10%，這將增加大于5%的燃燒效率；而減少空氣流動阻力、減少冷卻介質(zhì)的流動損失及驅(qū)動風(fēng)扇的損失，可節(jié)省約10%的油耗。
5、提高對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的認(rèn)識
柴油機(jī)的動力性能能否得到合理的發(fā)揮、經(jīng)濟(jì)性能的好壞、廢氣污染物排放量的高低，很大部分還取決于柴油機(jī)使用者能否正確使用。通過專業(yè)技能的培訓(xùn)和相關(guān)政策、法規(guī)的宣傳，讓廣大用戶對四沖程柴油機(jī)的構(gòu)造、工作原理、工作性能的影響因素、使用方法、日常維護(hù)保養(yǎng)的重要性等有比較清楚的認(rèn)識。就冷卻系統(tǒng)而言，散熱器肋片的檢查、散熱器蓋的密封性對冷卻系統(tǒng)的影響、水垢的形成與影響、風(fēng)扇葉片的檢查、冷卻水溫度對柴油發(fā)電機(jī)工作的影響等都是專業(yè)技能培訓(xùn)的內(nèi)容，使廣大使用者認(rèn)識到冷卻系統(tǒng)對維持柴油發(fā)電機(jī)正常工作、提高柴油發(fā)電機(jī)經(jīng)濟(jì)性、減少污染排放的重要性，在使用柴油發(fā)電機(jī)過程中，自覺主動按規(guī)范要求操作，提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。
總結(jié)：
冷卻系統(tǒng)對柴油機(jī)的使用性能、經(jīng)濟(jì)性能、廢氣排放有著直接的影響，通過采用電控蠟式調(diào)溫器代替普通蠟式調(diào)溫器、采用電控硅油離合器的軸流式風(fēng)機(jī)代替直接驅(qū)動風(fēng)機(jī)、采用冷卻腔分流式冷卻設(shè)計(jì)、采用納米流體等技術(shù)，使冷卻效果與柴油機(jī)的工作性能更好地匹配，在工作過程中充分發(fā)揮柴油機(jī)的動力、減少廢氣排放，能夠有效地提高柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能。另外，必須注重加強(qiáng)培訓(xùn)宣傳，提高廣大使用者的專業(yè)技能以及對柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的認(rèn)識。
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