内燃机车干式冷却系统的研究与应用

本文介绍的内燃机车干式冷却系统，是在借鉴 国外内燃机车先进冷却技术的基础上，结合国产机 车的具体情况进行开发设计的，并首次将其在ＤＦ８ｃＩ 型交流传动货运机车上成功地进行了装车运用。
２机车冷却系统介绍
内燃机车冷却水系统一般由水泵、中冷器、机 油热交换器、冷却装置、膨胀水箱、仪表、阀类和管 路组成。
传统机车冷却系统的膨胀水箱是通大气的，因 此，称其为开式循环系统。由于在１个大气压力 下，当海拔高度超过３ ０００ ｍ时冷却水在８８。Ｃ就会 沸腾，所以这种冷却又称常温冷却。许多现代机车 都将冷却系统设计成封闭形式，称其为闭式循环系 统。在闭式循环系统中，通过采用系统加压的方法 来提高冷却水的沸点。例如：若在膨胀水箱的顶部 设置一个０．０５ ＭＰａ的限压阀来对系统加压的话， 那么，当机车在海拔３ ０００ ｍ的高度运行时，经计 算，冷却水的沸点可达１０５℃。所以，这种加压闭式 冷却通常也称高温冷却。同样，还有的冷却系统则 依据柴油机停机时，按散热器中有无冷却水而叫湿 式冷却或干式冷却。冷却系统的布置也有不同的 形式，有的采用单泵单循环，即柴油机、机油和增压
３干式冷却系统研究发展，内燃
机车单机功率越来越大。冷却系统作为柴油机的 重要组成部分，要求其散逸的热量相应加大，对冷 却装置的传热性能也提出了更高的设计要求。但 是，由于受机车限界、轴重、运营经济性和环保等多 种因素的影响，冷却装置结构尺寸的放大是受到一 定限制的。因此，冷却装置的结构设计与机车总体 布局之间的矛盾更加突出，冷却系统设计所面临的 技术难度也在不断加大。那么，如何在现有机车冷 却技术的基础上，通过采取一系列新的措施米满足 冷却系统较高的设计要求呢？我们认为，采用高温、 干式冷却系统和双流道散热器等新的冷却技术能够 有效解决单机大功率机车冷却系统的技术难题。
根据资阳机车有限公司提出的该型机车冷却 系统的设计要求，冷却系统采用干式冷却形式，冷 却装置呈顶置式布置结构。冷却风扇布置在散热 器的下方，为压风式；转速由变极电机控制。高温 系统冷却水的极限温度设定为９８℃，低温散热器进 口水温度设定为６８℃。 ３．２．２组合式温控阀装置的研制 ３．２．２．１组合式温控阀装置的控制原理．
温度控制三通阀是干式冷却系统的一个核心 部件。本文提出的组合式温控阀装置，是我公司自 行设计的一套新型的温度控制三通阀，它是干式冷 却系统研究工作的一个重要组成部分。该装置是 将２个单向阀组装在一个三通管路上，利用温度控 制器和电磁换向阀来控制２个单向阀的开关状态， 实现温度控制三通阀的功能。
该装置由安装在一个三通管路上的２个气动 蝶阀、６００。９００ ｋＰａ的压缩空气气源、１１０ Ｖ直流电
万方数据
第２期（总第４２０期）
吴平：内燃机车干式冷却系统的研究与应用
空气的冷却被布置在一个冷却系统中。有的采用 双泵双循环系统，即柴油机的冷却被单独设置为一 个系统，称其为高温系统；而机油和增压空气的冷 却被设置为另外一个系统，称其为低温系统。
目前，大多数型号的国产内燃机车冷却系统都 采用常温、常压、开式循环系统，如ＤＦｌｌ、ＤＦ８Ｂ、 ＤＦ４ｃ、ＤＦ４Ｂ、ＤＦ７和ＤＦ５型机车，柴油机的最高水温 通常限定在８８。Ｃ左右。只有少部分型号的国产内 燃机车，其高温系统采用高温、加压、闭式循环系 统，而低温系统仍然采用常温、常压、开式循环系 统，如ＤＦ４Ｄ和ＤＦ６型机车。我国在２０世纪８０年代 进口的ＮＤ５型机车，是最早将干式冷却系统技术引 进到我国内燃机车的，该型机车的冷却系统采用的 是高温、加压、干式、单泵单循环系统。
第２期（总第４２０期）
内燃机车
２００９年２月
内燃机车干式冷却系统的研究与应用
吴平
（大连机车研究所有限公司，辽宁大连１１６０２１）
摘要：阐述了内燃机车干式冷却系统的设计思路、结构组成，介绍了系统中重要部件的功能。 结合干式冷却系统与柴油机配套性能试验及其在ＤＦ８ｃｊ卉型＿交流传动货运机车上的装车设计，阐述了 干式冷却系统的优点及需要注意的问题。还简要介绍了该系统在内燃机车上的实际运用情况。
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根据铁道部下达的科技研究项目“内燃机车新 型冷却系统研究”课题，我公司与资阳机车有限公 司合作，针对ＤＦ，：型机车进行了干式冷却系统的研 制。并于２０（０）年８月，在我公司柴油机试验台上 进行了台架性能模拟试验。由于其他方面的原因， 最终，对ＤＦ】２型机车未能采用干式冷却系统的设计 方案。之后，我公司又与戚墅堰机车有限公司合 作，共同研制了ＤＦｓｃｊ型交流传动货运机车的干式 冷却系统。较好地解决了该型机车冷却系统的设 计难题。 ３．２ ＤＦｔｚ型机车干式冷却系统试验方案 ３．２．１干式冷却系统的基本设计要求
结合冷却系统的传热计算，计算求得温度控制器安 装点位置允许的水温度范围，依此来选择温度控制 器的型号。
试验方案中的温度控制器为ＷＴＹＫ．１ｌ型压力 式温度控制器。高温系统用控制器设定温度为 ９０℃和８５℃，低温系统用控制器设定温度为６５℃ 和６０℃；供电电源为１１０ Ｖ直流。 ３．２．２．４电磁换向阀
提高柴油机冷却水温度，一方面对提高柴油机 工作效率有利；另一方面，由于冷却装置散热器内 冷却水与环境空气之间的温差加大，因而单位体积 散热器散逸的热量加大，这样就能够有效缩小冷却 装置的结构尺寸，降低冷却装置的重量。
采用于式冷却系统，可对柴油机冷却水的温度 和流向实施控制。这样，一方面控制冷却水的温度 使柴油机处于最佳的运行工作状态，提高柴油机工 作效率；另一方面，在冷却水温度较低的时候，控制 冷却水不进入散热器，减少冷却水在散热器内的自 然散热量，加快柴油机的打温时间，节约燃料消耗， 从而达到降低能源消耗和利于排放的目的。
表１ 温度控制器触点动作温度值测试结果
从表ｌ中的测试结果可以看出，除设定温度为 ９０℃的温度控制器温度超差之外，其他３个温度控 制器触点动作温度值均符合设计要求。试验之后， 经与生产厂家协商，更换了这个设定温度为９０＂１２的 温度控制器。 ３．２．２．６干式冷却系统试验结果
为了验汪干式冷却系统的经济性和控制元件 动作的准确性、灵敏性，我公司研制了一套干式冷 却系统，并配柴油机进行了台架性能试验。
采用新型的双流道散热器冷却技术，是将一个 散热器分隔为两个腔道，迎风侧腔道设置为低温散
热器，出风侧腔道设置为高温散热器，高、低温散热 器均由同一股冷却空气进行冷却。经ＤＦ９型和 ＤＦｌｌ型机车冷却性能试验证明，双流道散热器能够 有效提高高、低温冷却水与冷却空气之间的平均对 数温差，达到提高散热量和减少冷却风扇消耗辅助 功率的目的。
关键词：内燃机车；干式冷却系统；结构特点；散热器；温度控制阀；设计；试验
中图分类号：Ｕ２６２．２３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００３．１８２０（２００９）０２．００１０．０４
１前言
内燃机车是铁路客、货运列车的牵引动力，是 铁路运输这一庞大系统工程的一个重要环节和组 成部分。随着国际石油价格的日益攀高，节能要求 和环保意识越来越受到各界的重视。柴油机作为 机车的动力装置，其工作性能直接影响到机车运行 的经济性和排放性能。本文仅就柴油机冷却水系 统的作用，来阐述其对柴油机运行经济性的影响。
在该系统中，高、低温水系统内各设置了一套 组合式温控阀装置；冷却装置为顶置式布置结构； 冷却风扇由变极变级电机驱动，风扇的高、低两种 转速分别由设置在高、低温水系统中的两个温度控 制器进行控制。
试验结果表明：
本文提出的机车干式冷却系统研究，其主要任 务是对冷却水的温度、流向实施控制，将冷却系统 各组成部件合理地组合为一体，优化冷却系统。所 谓干式冷却，主要是在冷却水系统中设置温控阀， 根据温控阀的没定温度来控制冷却水的流向。当 柴油机冷却水温度在设定温度之下或柴油机停机 时，冷却水不进入散热器，散热器呈干式状态，水直 接进入水箱；当柴油机冷却水温度达到或超过设定 温度时，水才开始进入散热器进行通风冷却，然后 流回水箱。
电磁换向阀选用德国ＦＥＳＴＯ的产品，型号为 Ｋ６０２ＪＭＦＩ－Ｉ－５—１／４Ｂ。采用弹性复位结构，气源压力 范围为２～１０ ｂａｒ。
电磁换向阀具有手动控制按钮，在出现故障的 情况下可以实施手动控制换向。 ３．２．２．５温度控制器触点动作温度的测试
试验用的温度控制器共有４只。其中，设定温 度值为９０℃和８５。Ｃ的用于高温水系统；６５℃和 ６０℃的用于低温水系统。试验共重复进行３—４ 次，试验时的压缩空气压力控制在６００ ｋＰａ。触点 动作温度值的测试结果如表ｌ所列。
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内燃机车
２００９正
源、１个两位五通电磁换向阀、２个温度控制器、水 管路、空气管路、电源线、法兰和管接头等组成。
控制原理说明： （１）在机车停机时，在无压缩空气供给的情况 下，２个蝶阀均为常开状态，阀板全部打开。 （２）在柴油机正常工作时，高（低）温水系统中 的２个蝶阀处于相反的工作状态，一个为常开状 态，另一个则为常闭状态，并互相连锁。 （３）当冷却水温度上升并低于温度控制器的 设定温度值时，温度控制器触点动作，接通电磁阀 一端的线圈的电源，使控制通往散热器水路的蝶阀 关闭，控制通往水箱的蝶阀打开。冷却水呈小循环 工作状态。 （４）当冷却水温度达到或超过温度控制器的 设定温度值时，温度控制器触点动作，接通电磁阀 另外一端线圈的电源，使控制通往散热器水路的蝶 阀打开，控制通往水箱的蝶阀关闭。冷却水进入散 热器进行冷却，此时，冷却水呈大循环工作状态。 （５）当冷却水温度下降时，温度控制器触点的 动作温度与设定温度值有一个温度差，一般比设定 值低２—３。Ｃ。当达到触点的动作温度时，两个蝶阀 开始实施换向，即原来开启的蝶阀关闭，原来关闭 的蝶阀重新开启。 （６）当组合式温控阀系统出现故障、无电源供 给或温度控制器失灵时，可以利用电磁阀上的手动 开关，控制蝶阀的开关状态。 ３．２．２．２气动蝶阀 试验方案中所采用的蝶阀及其气动执行器均 为德国著名的蝶阀制造公司ＥＢＲＯ的产品。蝶阀 选用Ｚ０１１．Ｋ１系列，蝶阀通径为１００ ｍｉｌｌ，阀体材料 为铸钢，阀板材料为不锈钢，最大压力为１６ ｂａｒ。该 阀类的主要优点是： （１）衬里结构特殊，保证了与管道连接的方 便。轴向定位准确，密封可靠。安装时毋需再加密 封垫，衬里的卷边防止了转动移位。 （２）阀板的精确加工，既保证了操作的灵便又 保证了１６ ｂａｒ压力下的高可靠性密封。阀板的流 体动力学设计，保证了高超的流体特性。 （３）阀体的加工精度高，保证了衬里与轴的定 位精确度，从而减少磨损，延长使用寿命。 气动执行器选用ＥＢ系列，它适用于９００旋转的 阀门，气源压力为６００～９００ ｋＰａ，带有阀板位置指 示器。 ３．２．２．３温度控制器 根据机车允许的高、低温冷却水的极限温度，