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柴油發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功用與國(guó)內(nèi)外技術(shù)介紹 |
摘要:冷卻系統(tǒng)的主要功用是為柴油發(fā)電機(jī)組機(jī)件散熱,防止柴油發(fā)電機(jī)過熱而損壞。它是由水泵、水套、節(jié)溫器、散熱器、風(fēng)扇、膨脹罐、冷卻液溫度傳感器和水管等組成的密團(tuán)循環(huán)系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)還能對(duì)冷卻強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié),以適應(yīng)柴油發(fā)電機(jī)不同工況的需要。其原理是利用離心泵的高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力使冷卻水循環(huán),通過散熱器將熱量散發(fā)到外界中去,使水的溫度降低,進(jìn)入下水箱,在水泵的作用下繼續(xù)循環(huán)冷卻內(nèi)燃機(jī)的高溫部件,如此反復(fù)循環(huán),以達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的溫度的目的。
一、國(guó)內(nèi)冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀
目前國(guó)內(nèi)的冷卻系統(tǒng)仍采用傳統(tǒng)的冷卻節(jié)溫器、保溫簾和冷卻風(fēng)扇。節(jié)溫器仍主要以石蠟和乙醚作為反應(yīng)介質(zhì),反應(yīng)緩慢,截面損失大,失效率高。保溫簾則由人工控制,冷卻風(fēng)扇由發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸驅(qū)動(dòng),且三者之間控制互不協(xié)調(diào),導(dǎo)致機(jī)械能損失。
發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套、散熱器、冷卻水泵、節(jié)溫器及冷卻風(fēng)扇等部件組成。散熱器是冷卻系統(tǒng)中最重要的一部分,其作用是通過流動(dòng)的空氣將冷卻系統(tǒng)中流過散熱器的循環(huán)水溫度降低,以達(dá)到降低發(fā)動(dòng)機(jī)受熱零部件的溫度的目的。散熱器的制造材料現(xiàn)如今有兩種:鋁和銅。由于銅的導(dǎo)熱性能好,而且經(jīng)過與一些材料進(jìn)行結(jié)合(表面鍍鋅或?qū)\塊附在散熱器的表面)能夠耐腐蝕,且易于釬焊加工。所以我國(guó)大部分發(fā)電機(jī)組都應(yīng)用這種銅質(zhì)的散熱器。況且銅制管片式散熱器是我國(guó)散熱器行業(yè)的傳統(tǒng)產(chǎn)品,其優(yōu)點(diǎn)是散熱器芯子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高,剛性好,散熱芯部不易被塵土和油垢等堵塞。缺點(diǎn)是同等芯子的正面面積下,散熱面積小,散熱效果明顯較差。且由于銅的價(jià)格和資源問題,不僅在散熱器厚度上有所改進(jìn),也在結(jié)構(gòu)上有所突破。
上世紀(jì)70年代后期開始研制和生產(chǎn)管帶式散熱器,以達(dá)到代替管片式散熱器,但由于國(guó)內(nèi)加工工藝水平的限制,生產(chǎn)管帶式散熱器仍具有一定的困難。自從國(guó)家采用了新的標(biāo)準(zhǔn)來制造銅散熱器,導(dǎo)致散熱器的壽命明顯降低,腐蝕嚴(yán)重,使銅散熱器失去了原本具有的耐腐蝕的特性,于是將鋁制散熱器推到了人們的眼前,由于鋁資源較銅資源豐富,并且密度小,導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能優(yōu)良,再加上其表面易形成氧化膜,所以耐腐蝕性能好,且鋁的融化溫度較低,流動(dòng)性好,很容易按照模具的形狀生產(chǎn)出各種復(fù)雜形狀的產(chǎn)品,根據(jù)上面的闡述可以總結(jié)出鋁制散熱器的幾大優(yōu)點(diǎn):質(zhì)量輕,成本低,散熱效果好,節(jié)約能源,使用壽命長(zhǎng),裝卸方便,可以看出在經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性上鋁制散熱器很明顯要優(yōu)于銅制散熱器。從以上可以看出鋁制散熱器將取代銅制散熱器。
據(jù)相關(guān)資料介紹,我國(guó)對(duì)于鋁制散熱器的研究和開發(fā)要相對(duì)于國(guó)外落后一段時(shí)間,現(xiàn)在的鋁制的散熱器也只是應(yīng)用到轎車和微型車的冷卻系統(tǒng)中。其制作工藝基本屬于國(guó)際上70年代的水平,采用圓鋁管加百葉窗式翅片經(jīng)脹管工藝成型[3]。隨著科技的進(jìn)步,世界上的散熱器的生產(chǎn)工藝的進(jìn)步,國(guó)內(nèi)對(duì)散熱器的加工工藝也在不段進(jìn)步,國(guó)內(nèi)部分的生產(chǎn)企業(yè)已可以生產(chǎn)質(zhì)量稍好的散熱器,隨之而來的工藝上的問題也擺在人們的面前,既生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品外觀粗糙,廢品率高和生產(chǎn)成本增加等。一汽集團(tuán)于1996年向美國(guó)某發(fā)電機(jī)組企業(yè)進(jìn)口的鋁制散熱器的生產(chǎn)線已達(dá)到國(guó)際水平。哈爾濱某企業(yè)也應(yīng)用該進(jìn)口工藝生產(chǎn)鋁制散熱器,鋁材料選用國(guó)內(nèi)自制的鋁復(fù)鋅板,在無腐蝕和無污染的環(huán)境下,使用自制的國(guó)際先進(jìn),國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的焊接技術(shù),確保了焊接質(zhì)量[4]。所生產(chǎn)的鋁制散熱器外觀不氧化,達(dá)到了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求和使用標(biāo)準(zhǔn),及產(chǎn)品的性能指標(biāo),尤其是焊接工藝達(dá)到了和國(guó)際同等產(chǎn)品和國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。該公司由于設(shè)備和原材料均使用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品,投資少,成本低,工藝靈活性很大,適合了我國(guó)發(fā)電機(jī)組工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小和品種規(guī)格多種多樣的現(xiàn)狀,具有高起點(diǎn),高性能,高技術(shù),低成本和國(guó)家化的特點(diǎn)。這不僅推動(dòng)了我國(guó)發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)工業(yè)水平的進(jìn)步,同時(shí)也拉進(jìn)了我國(guó)發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)工藝與國(guó)際發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)工業(yè)的距離。
我國(guó)從“八五”期間開始進(jìn)行扁圓管的試制,經(jīng)過了失敗,改進(jìn)再失敗再改進(jìn)的相當(dāng)艱苦的歷程,最后從設(shè)備,工夾具到工藝過程摸索出一套成熟的扁圓管生產(chǎn)工藝,再配以開窗翅片經(jīng)過高溫釬焊制成高性能散熱器,改產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝和成型工藝與一汽進(jìn)口的美國(guó)發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品屬于同一類型,雖然我國(guó)生產(chǎn)的產(chǎn)品相對(duì)于進(jìn)口工藝的質(zhì)量和散熱效果還有差距,但國(guó)產(chǎn)的產(chǎn)品與進(jìn)口的生產(chǎn)工藝所生產(chǎn)出的產(chǎn)品在競(jìng)爭(zhēng)上還有一定的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)生產(chǎn)的鋁制散熱器以通過了長(zhǎng)春散熱器研究所的檢測(cè),成功的通過了耐高溫壓力脈沖性能、耐震動(dòng)性能、負(fù)壓密封性能、散熱性能這四項(xiàng)實(shí)驗(yàn),這四項(xiàng)實(shí)驗(yàn)滿足德國(guó)大眾發(fā)電機(jī)組公司TL-VW874標(biāo)準(zhǔn)。這是國(guó)內(nèi)唯一通過這響標(biāo)準(zhǔn)的新產(chǎn)品[5]。而這也預(yù)示著國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)工藝已和國(guó)際發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)工藝的差距越來越小。
我國(guó)的發(fā)電機(jī)組工業(yè)起步較晚,所以和發(fā)電機(jī)組工業(yè)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)都相對(duì)滯后,國(guó)內(nèi)自行設(shè)計(jì)和50年代從蘇聯(lián)引進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用,鋼板風(fēng)扇,鋼板風(fēng)扇是以圓鋼板制成托架再與薄鋼板葉片鉚接而成,由于加工誤差的積累和結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)的不足,風(fēng)扇的效率較低,性能較差,功率消耗和噪聲都很大,明顯不能滿足發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)的節(jié)能和無污染的要求,自從70年代以來,國(guó)外的發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的冷卻風(fēng)扇主要以塑料風(fēng)扇為主,而當(dāng)時(shí)我國(guó)的發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)企業(yè)仍然生產(chǎn)和使用鋼板風(fēng)扇。不過隨著科技的進(jìn)步和國(guó)內(nèi)發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)企業(yè)的研發(fā)投入,我國(guó)的工程塑料的開發(fā)和研制及生產(chǎn)工藝也相對(duì)成熟,已有部分車型應(yīng)用了塑料風(fēng)扇,國(guó)內(nèi)工程塑料風(fēng)扇年產(chǎn)量也達(dá)到了數(shù)十萬只。
風(fēng)扇在冷卻系統(tǒng)中雖然不是最重要的,但缺了風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)將陷入癱瘓的狀態(tài),好的風(fēng)扇和一個(gè)質(zhì)量一般的散熱器配合只能起到一般的散熱效果,而好的散熱器和一般的風(fēng)扇配合起到的效果也只能是一般冷卻效果,只有讓好的風(fēng)扇和好的散熱器配合才能達(dá)到良好的冷卻效果。目前國(guó)內(nèi)的輕型貨車和客車的風(fēng)扇仍采用傳統(tǒng)的定傳動(dòng)比的控制方式,這種控制方式是以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸通過V帶以固定比驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇,由于受到曲軸的轉(zhuǎn)速的變化的限制,冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速及冷卻能力只能隨發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化而變化,不能隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的熱符合的增大和改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速提高冷卻速度,進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),這直接導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)受熱部件的溫度過高而影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命,也影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作質(zhì)量。
二、國(guó)外冷卻系統(tǒng)的現(xiàn)狀
國(guó)外的冷卻系統(tǒng)的技術(shù)水平比較先進(jìn),我國(guó)的發(fā)電機(jī)組散熱器生產(chǎn)工藝水平與國(guó)際相比仍有20年的差距。長(zhǎng)期以來,銅一直是散熱器的首選材料,為達(dá)到節(jié)約能源和減少環(huán)境污染,發(fā)電機(jī)組工業(yè)向輕量化發(fā)展,提出了“全鋁發(fā)電機(jī)組”的口號(hào),從這個(gè)角度看,鋁自然成為最佳的選擇材料,上實(shí)際50年代后期,國(guó)際上就開始研制鋁制散熱器。
當(dāng)然國(guó)外在研制該散熱器的時(shí)候也遇到了很多的困難,首先是焊接問題,鋁在自然狀態(tài)下是不能焊接的,于是隨后就開發(fā)出氣脹的方式,還有油脹和機(jī)械膨脹的方式和方法使管子與散熱片結(jié)合在一起。到1993年,伏特發(fā)電機(jī)組公司將無針釬焊技術(shù)應(yīng)用到發(fā)電機(jī)組散熱器上,此技術(shù)是最先進(jìn)的散熱管與帶結(jié)合技術(shù),金屬表面的氧化膜在釬焊溫度時(shí)受釬焊合金中的合金物質(zhì)作用而被變質(zhì)和去除,釬焊前對(duì)金屬表面進(jìn)行脫脂利用蒸汽和化學(xué)方法,在惰性氣體和真空狀態(tài)下對(duì)部件進(jìn)行焊接。
傳統(tǒng)的冷卻方式已明顯不能滿足現(xiàn)代發(fā)電機(jī)組工業(yè)發(fā)展的速度,基于以上的情況,于是有各種各樣新型設(shè)備相繼出現(xiàn)在現(xiàn)代發(fā)電機(jī)組的冷卻系統(tǒng)中,比如;由電動(dòng)冷卻風(fēng)扇取代了原來的皮帶傳動(dòng)冷卻風(fēng)扇,德國(guó)大眾發(fā)電機(jī)組公司在中國(guó)申請(qǐng)的專利。該專利在發(fā)電機(jī)組散熱器前方設(shè)置空氣吸入口和輔助通口,加快了散熱器的冷卻速度,減少了電動(dòng)風(fēng)扇的電能消耗。但散熱器輔助通口在自下向上吸入冷卻空氣,很容易將道路上的塵土和雜物吸入,造成散熱器臟污和堵塞,使散熱器散熱效率降低。隨著科技的進(jìn)步,冷卻風(fēng)扇已由傳統(tǒng)的控制方式改為只能控制方式,風(fēng)扇的冷卻能力隨著發(fā)動(dòng)機(jī)散熱的需要而自動(dòng)精確的調(diào)節(jié),提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)熱速度,使其始終保持最佳的工作溫度,減少功率消耗90%,節(jié)省燃油10%。
三、冷卻系統(tǒng)組成及功用介紹
柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,水路循環(huán)示意圖如圖2所示。
1、冷卻水泵
水泵使冷卻液產(chǎn)生一定的壓力和流量,強(qiáng)制冷卻液循環(huán)流動(dòng)。水泵多為帶傳動(dòng),有些柴油發(fā)電機(jī)采用齒輪傳動(dòng)。
2、散熱器
冷卻液在散熱器芯內(nèi)流動(dòng),空氣在散熱器芯外流過。冷卻液的熱量通過散熱器散發(fā)到大氣中,因此散熱器是一個(gè)熱交換器。散熱器負(fù)責(zé)冷卻液的冷卻,它的水管和散熱片多用鋁材制成,鋁制水管做成扁平形狀,散熱片為波紋狀,以利于散熱。散熱器由進(jìn)水室、出水室、主片及散熱器芯等四部分構(gòu)成。
3、節(jié)溫器
節(jié)溫器用于冷卻強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。溫度低時(shí),關(guān)閉通往散熱器的水路;溫度超過80℃時(shí),開放通往散熱器的水路,使冷卻液流過散熱器,提高散熱強(qiáng)度。
4、風(fēng)扇及風(fēng)圈
風(fēng)扇用于在散熱器外部形成氣流,使熱交換得以完成。風(fēng)扇按驅(qū)動(dòng)方式可分為普通機(jī)械驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和電動(dòng)風(fēng)扇兩種。其中,電動(dòng)風(fēng)扇由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng),僅用于小型發(fā)電機(jī)組。
電控硅油風(fēng)扇由柴油發(fā)電機(jī)ECU控制。柴油發(fā)電機(jī)溫度低時(shí),風(fēng)扇離合器分離,風(fēng)扇隨動(dòng)、轉(zhuǎn)速很低;柴油發(fā)電機(jī)溫度超過一定值(濰柴共軌柴油發(fā)電機(jī)為85℃),或同時(shí)打開空調(diào)AC開關(guān)和空調(diào)強(qiáng)冷(FAN control)開關(guān)時(shí),風(fēng)扇離合器接合,風(fēng)扇全速運(yùn)轉(zhuǎn),以提高散熱能力。
5、散熱器蓋
散熱器蓋用于自動(dòng)調(diào)節(jié)散熱器內(nèi)的水蒸氣壓力,保持壓力平衡。系統(tǒng)內(nèi)合適的壓力能夠提高水的沸點(diǎn),減少水的蒸發(fā)損耗。散熱器蓋上設(shè)有空氣閥和蒸汽閥,用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)壓力。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力超過一定限值時(shí),蒸汽閥打開,排出部分蒸汽,防止系統(tǒng)壓力過大,產(chǎn)生滲漏或機(jī)件受損;當(dāng)系統(tǒng)壓力低于一定限值時(shí),空氣閥打開,外部空氣進(jìn)人系統(tǒng)內(nèi)補(bǔ)充,防止系統(tǒng)內(nèi)負(fù)壓過大,機(jī)件損壞。
6、膨脹罐
膨脹罐其作用主要是使氣液分離,減少冷卻液的散失。膨脹罐上有水位刻線,加注冷卻液時(shí)要保證液位處于最高刻線與最低刻線之間。
7、冷卻液溫度傳感器
(1)用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度,并將此信號(hào)輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)的電子控制元件。
(2)根據(jù)該信號(hào)對(duì)噴射時(shí)間、點(diǎn)火時(shí)刻和怠速轉(zhuǎn)速等進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié),同時(shí)也可作為其他控制系統(tǒng)的控制信號(hào)。
圖1 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)框架圖 |
圖2 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)循環(huán)水路示意圖 |
總結(jié):
冷卻系統(tǒng)需要具備足夠的可靠性和安全性,以確保柴油發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮冷卻系統(tǒng)的故障率和維修保養(yǎng)成本,合理選擇冷卻系統(tǒng)的組成部件,并定期進(jìn)行檢查和維護(hù)。另外,柴油發(fā)電機(jī)不同的環(huán)境和應(yīng)用場(chǎng)景需要不同的冷卻方案,設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮環(huán)境因素,例如氣溫、濕度、海拔高度等,選擇適合的冷卻方式和組成部件,并進(jìn)行合理的調(diào)試和優(yōu)化。
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