柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)應(yīng)用前景研究

韓曉鋼 張飛飛 王利斌 侯召峰 梁東輝

摘要：針對(duì)柴油機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)進(jìn)行分析對(duì)比，綜述應(yīng)用領(lǐng)域和未來(lái)發(fā)展前景。目前，柴油機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異，品牌也是日漸增多，各式各樣型號(hào)的柴油機(jī)不斷的出現(xiàn)，極大地提高了我們裝備的保障能力，確保了柴油機(jī)供電系統(tǒng)工作的可靠性，增強(qiáng)了我們完成各種高難度任務(wù)的實(shí)效性，同時(shí)由于柴油機(jī)種類(lèi)繁多，維護(hù)和修理的標(biāo)準(zhǔn)不同，在給我們工作帶來(lái)便利的同時(shí)，也增加了一定的難度。

關(guān)鍵詞：風(fēng)冷系統(tǒng);水冷系統(tǒng);應(yīng)用前景

0? 引言

冷卻系統(tǒng)作為柴油機(jī)的重要組成部分之一，有著不可取代重要的地位。發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，氣缸內(nèi)部工作溫度可以達(dá)到2000℃左右，即使是廢氣也有400℃-700℃左右的高溫。如果不及時(shí)將這些熱量散去，發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)油就會(huì)焦化變質(zhì)，將會(huì)破壞機(jī)件表面形成的油膜，進(jìn)而造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)卡死，機(jī)器損壞，此時(shí)冷卻系統(tǒng)作用的發(fā)揮就顯得尤為重要。

1? 柴油機(jī)冷卻系統(tǒng)分類(lèi)

冷卻系統(tǒng)，顧名思義，主要是對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行冷卻，保證柴油機(jī)在一定的溫度范圍內(nèi)可靠地工作，根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，分為風(fēng)冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)。

1.1 柴油機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)

風(fēng)冷柴油機(jī)的冷卻介質(zhì)采用的是風(fēng)，需要風(fēng)扇吸引空氣形成的氣流來(lái)進(jìn)行冷卻，氣流依次流經(jīng)氣缸體、氣缸蓋、機(jī)油散熱器等部件，將熱量及時(shí)帶走，從而達(dá)到冷卻效果。

在氣缸蓋和氣缸體的背風(fēng)面通常都會(huì)設(shè)有擋風(fēng)板，用來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量的分配[1]。冷空氣在冷卻風(fēng)扇的吸引下進(jìn)入風(fēng)壓室，然后根據(jù)需要流過(guò)各個(gè)冷卻零部件。冷卻風(fēng)扇有軸流式和徑流式兩種類(lèi)型。冷卻風(fēng)扇主要包括靜葉輪和動(dòng)葉輪兩部分。靜葉輪常采用鋁合金精密壓鑄件的方式，液力耦合器位于靜葉輪轂內(nèi)部。動(dòng)葉輪與風(fēng)扇外殼之間的有一定的間隙。柴油機(jī)風(fēng)冷系統(tǒng)的一大特點(diǎn)就是機(jī)體上的各個(gè)部件上布滿(mǎn)了大大小小形狀各異的散熱片從而增強(qiáng)它的冷卻效果。

1.2 柴油機(jī)水冷系統(tǒng)

水冷柴油機(jī)的冷卻介質(zhì)一般為水或防凍液，通過(guò)水和防凍液的流動(dòng)及時(shí)帶走柴油機(jī)的熱量，保證其時(shí)刻處于正常的溫度范圍內(nèi)[3]。水冷系統(tǒng)一般由散熱器、水泵、風(fēng)扇、水箱、水管、節(jié)溫器、缸體和缸蓋中的水套等部分組成，冷卻液在水泵的帶動(dòng)下不斷的流動(dòng)，及時(shí)吸收高溫機(jī)件熱量，然后在散熱器中通過(guò)風(fēng)扇和氣流來(lái)對(duì)其進(jìn)行冷卻，隨后再次循環(huán)進(jìn)入水套內(nèi)，進(jìn)行循環(huán)冷卻。

水冷系統(tǒng)中，水泵的作用非常重要，通過(guò)其不斷的工作使水冷系統(tǒng)保持一定的壓力，節(jié)溫器的功用是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度，自動(dòng)來(lái)調(diào)整冷卻系中大循環(huán)的開(kāi)啟程度，風(fēng)扇的工作受其溫控開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)冷卻液的溫度變化時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)自動(dòng)改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兞肆鹘?jīng)散熱器片間的空氣流量，以此來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系的冷卻溫度。工作原理有大循環(huán)和小循環(huán)兩種[2]。

2? 風(fēng)冷系統(tǒng)與水冷系統(tǒng)性能對(duì)比

結(jié)合風(fēng)冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)造、振動(dòng)噪聲、冷卻效果、低溫性能、使用壽命，進(jìn)行分析比較。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)造

水冷柴油機(jī)的氣缸套分為干式氣缸套（不直接與水接觸）和濕式氣缸套（直接與水接觸），活塞在缸套內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，將熱量傳給缸套，缸套又將熱量傳遞給冷卻液來(lái)實(shí)施冷卻，需要有水泵、水管、節(jié)溫器等專(zhuān)用零部件，構(gòu)造復(fù)雜;風(fēng)冷柴油機(jī)則省去許多部件和環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但風(fēng)冷系統(tǒng)對(duì)材料的耐熱，耐磨，膨脹系數(shù)要求更高，制造起來(lái)技術(shù)工藝要求也比水冷要高。

2.2 振動(dòng)噪聲

水冷系統(tǒng)由于在缸套外側(cè)配備水套，噪音經(jīng)過(guò)水后變小，從而大大降低了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部噪音，相對(duì)來(lái)說(shuō)水冷柴油機(jī)機(jī)的噪聲更小、震動(dòng)較小，擁有更高的壓縮比，爆發(fā)力更強(qiáng)，功率更高，風(fēng)冷系統(tǒng)需要風(fēng)扇高速運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)進(jìn)行抽風(fēng)與排風(fēng)，風(fēng)燥比較大，震動(dòng)較為明顯。

2.3 冷卻效果

水冷系統(tǒng)的缸體和缸蓋剛度好，冷卻強(qiáng)度高，發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部和外部冷卻均勻，冷卻水路設(shè)計(jì)自由度大，工作可靠，循環(huán)性好，降溫迅速，不容易過(guò)熱，不受環(huán)境影響;風(fēng)冷系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為空氣，空氣的比熱容大約為水的比熱容的1/4左右，空氣的傳熱系數(shù)大概為水的傳熱系數(shù)的1/20-1/30左右，空氣的降溫效果不如水明顯，尤其在夏季使用中，水冷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。

2.4 低溫性能

風(fēng)冷系統(tǒng)啟動(dòng)方便、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，啟動(dòng)后氣缸的溫度上升較快，在短時(shí)間內(nèi)即可進(jìn)入大負(fù)荷工作狀態(tài)，沒(méi)有凍裂和過(guò)熱沸騰的危險(xiǎn)，其低溫性能優(yōu)良;水冷系統(tǒng)啟動(dòng)后，溫升比較緩慢，而且冷卻液更換不及時(shí)容易凍壞發(fā)動(dòng)機(jī)，需要定期檢查冷卻液的質(zhì)量，低溫環(huán)境下風(fēng)冷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更大。

2.5 使用壽命

風(fēng)冷系統(tǒng)由于氣缸壁溫度高，升溫速度快，酸性腐蝕和磨損在很大程度上降低了，柴油機(jī)在露點(diǎn)以下的工作時(shí)間也大大縮短了，因而風(fēng)冷系統(tǒng)機(jī)件腐蝕、銹蝕程度小，而且缸體、缸蓋、散熱器、冷卻部件上也不會(huì)像水冷系統(tǒng)一樣存有水垢;水冷系統(tǒng)時(shí)間久了，冷卻管道容易受到腐蝕和損壞，相關(guān)部件容易老化、開(kāi)裂，水箱容易產(chǎn)生水垢反而影響冷卻效果，風(fēng)冷系統(tǒng)使用壽命更長(zhǎng)。

3? 風(fēng)冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)應(yīng)用前景

兩種冷卻系統(tǒng)各有所長(zhǎng)，在某些方面不能完全被對(duì)方所取代，只是在某些相對(duì)的領(lǐng)域某一類(lèi)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯，很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)仍然是共存的一種局面。

3.1 民用領(lǐng)域應(yīng)用

風(fēng)冷系統(tǒng)具有啟動(dòng)迅速、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)，對(duì)環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，風(fēng)冷系統(tǒng)可以用在地址勘察，石油開(kāi)采等特殊行業(yè);水冷系統(tǒng)冷卻效果理想，功率相對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)更加穩(wěn)定耐用，可以長(zhǎng)時(shí)間不間斷運(yùn)作，可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械、汽車(chē)工業(yè)、船舶機(jī)械、電力工業(yè)等領(lǐng)域。

3.2 軍用領(lǐng)域應(yīng)用

風(fēng)冷柴油機(jī)的冷卻效果雖然比不上水冷，但其對(duì)環(huán)境整體的適應(yīng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水冷柴油機(jī)，鑒于任務(wù)單位的機(jī)動(dòng)范圍大，野外執(zhí)行任務(wù)多，經(jīng)常在跨區(qū)域、跨氣候條件下使用，因而對(duì)柴油機(jī)的適應(yīng)性能要求較高，因此風(fēng)冷系統(tǒng)在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將會(huì)越來(lái)越廣。風(fēng)冷柴油機(jī)因?yàn)闆](méi)有了水箱、水泵、水管等結(jié)構(gòu)而減少了維護(hù)部件，而且由于通用化、系列化的程度高，主要零部件通用性強(qiáng)，因此拆裝容易，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低;相反，水冷系統(tǒng)的故障率較高，發(fā)生故障的可能性更大。對(duì)于經(jīng)常在野外機(jī)動(dòng)作業(yè)的單位，對(duì)可靠性要求較高，在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，風(fēng)冷系統(tǒng)應(yīng)用前景更為廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛必顯，蔣紅暉.道依茨風(fēng)冷柴油機(jī)的構(gòu)造和原理[M].西南交通大學(xué)出版社，2003.

[2]王建昕，帥石金.汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2018.

[3]張金柱，汽車(chē)原理與構(gòu)造[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.