柴油机的冷却系统1

柴油机的冷却系统

一、冷却系统的方式

冷却系统的功用是保证发动机在正常的温度下工作，把发动机工作时产生的热量通过它散发出去，加以冷却，经常检查冷却系统的工作状况，不能有缺水、漏水或风向、风流、风量不对等现象，以免破坏发动机的正常工作，损坏机件，造成事故。冷却系统按发动机的冷却方式可分为风冷却和水冷却两种[1]。

1.风冷却系统

风冷却一般用于小型发动机上。依靠飞轮上的风扇叶旋转，产生气流，通过导风罩、引风圈、导风板等导风装置的导向作用，直接吹向气缸盖和气缸体的外表，将热量带走。气缸盖、气缸体外表上分布了很多散热片，它的功用是加大与空气的接触面积，提高散热能力。导风罩和引风圈、导风板的作用是将冷空气引导到需要冷却的部位，使各部位冷却均匀，达到维持其适宜工作温度的目的。若不用导风装置，则在气缸盖、气缸体等零件的背面就不能得到足够的冷却，使之温度过高，造成很大温差，引起气缸和其他零件变形，严重时还会发生活塞拉缸和卡死等故障。

2．水冷却系统

水冷却系统的主要部件有水泵、散热水箱、风扇、水温调节装置和水温表。按冷却水循环方式的不同，小型柴油机的冷却系可分为三种：蒸发式冷却、热对流循环式冷却、压流循环式冷却。

①蒸发式冷却。发动机工作时，气缸体水套和气缸盖水套中的水因接触高温零件而温度升高，这部分水受热膨胀，密度减小，便上升到水箱的顶部，水箱表层的水受到外界空气的冷却，密度加大而下沉，分别进入缸体水套和缸盖水套，形成上下对流，连续不断地循环，从而将气缸体和气缸盖周围的热量带到水箱散发掉。当水箱内的水温升高到沸点时，缸体水套和缸盖水套内水逐渐变成水蒸气，冲击水箱水面散发到空气中去。蒸发式水冷却系统靠水沸腾吸收大量的热并散发到空气中去，加强散热冷却作用。因此，水箱常常出现“开锅”现象，这是正常的，应注意经常补充冷却水，以保证发动机的正常工作温度。

②热对流式循环冷却。立式195T 和德力1105型柴油机的冷却系统属于此种冷却方式，利用水的温度差所引起的密度变化形成水的热对流自然循环，当柴油机工作时，气缸体水套与气缸盖水套的冷却水由于接触高温零件而温度升高，密度变小，沿上水管进入水箱的上水室，而水箱内的冷却水因密度较大靠自重而进入下水室，经下水管进入气缸体水套和气缸盖水套，缸体水套和缸盖水套的低温水受热后密度变小又上升进入上水室，水箱内的冷却水下沉到下水室进入缸体水套和缸盖水套，如此往复，使冷却水连续不断地循环，达到传热和散热的目的.

③压流循环式冷却。多缸发动机和泰山12型拖拉机配置的195T型柴油机的冷却系统，利用离心式水泵将水加压进行强制循环，主要由水泵、散热器、轴流式风扇及进水橡胶管等组成，散热器及其蒸汽空气阀的结构同热对流循环式相同。发动机工作时，曲轴通过三角皮带，带动冷却水泵的叶轮旋转，冷却水以一定的压力进入气缸体水套、气缸盖水套和散热器上水室，受热的冷却水经散热器芯向下流动，被风扇吹来的大量冷空气冷却，流到散热器下水室，又被吸入水泵，再压入气缸体水套，实现冷却水的强制循环。

水冷却的效果跟冷却液有很大的关系，使用水作为冷却液已经不能满足现代柴油机的冷却要求。应用防冻液和水按不同的比例进行配置，并且添加一定量的

添加剂的冷却液才能够满足冷却系统的基本要求。常用冷却液是由乙二醇和水按不同的比例配置，并产生不同的防冻性能。当乙二醇的浓度达到60％时，冷却液达到最高防冻能力，浓度大于60％时冷却液的防冻能力和冷却效果反而降低，影响添加剂的吸收[2]。

二、冷却系统的发展趋势

目前国内外前沿的发动机冷却系统的设计理念有智能化电控冷却系统、精确冷却理念、分流式冷却、空气侧流动等等[3]。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，电控零部件技术成熟，冷却系统的智能化和自动化成为可能。国内外学者在对柴油机冷却液温度智能控制方面作了大量研究，如：利用电动冷却水泵取代传统机械冷却水泵和电控节温器取代传统的节温器技术。智能控制冷却系统，在以温度传感器反馈的基础上可以根据柴油机的工况通过电子芯片进行控制与自动调节冷却液温度与流量，将冷却液温度控制在柴油机各工况运行在最佳状态时所需的冷却水温度[4]。

2.1冷却系统的智能化

①智能化控制冷却系统采用高低温双循环方式布置[5],高温循环部件有:发动机水腔、电控水泵、节温器、水散热器、电控阀。低温循环部件有:中冷器、机油散热器、节温器、水散热器、电控水泵、电控阀。通过调节电控水泵转速及电控阀开度来调节冷却系统冷却能力,其中电控阀开度用于调节外循环的水流量,冷却系统热量主要通过外循环水带走,电控水泵用于调节内循环的水流量,当外循环水冷却不及时或过度冷却时, 通过电控水泵调节内循环水流量进行补偿。电控阀开度的控制由发动机工况、环境温度及电控阀前后压差确定。先通过热平衡实验,对发动机进行散热需求分析,结合GT-COOL冷却系统性能仿真模型,确定发动机在不同工况和环境温度下冷却系统所需冷却水流量。水是典型的大惯性传热介质,当采用开环控制对电控阀开度进行调节后,冷却水的温度并不是马上发生变化达到目标温度,且波动较大。因此,有必要对发动机冷却系统内循环水流量进行闭环控制,从而使开环控制及时得到补偿,即当冷却水温度高于目标温度时,则提高电控水泵转速,增大内循环冷却水流量;当冷却水温度低于目标温度时,则降低电控水泵转速,减小内循环冷却水流量。控制过程采取模糊控制。

②基于GT-COOL软件建立了某型柴油机冷却系统数值仿真模型，对该冷却系统瞬态过程的系统响应问题做了研究，为该冷却系统实现智能化控制提供了依据[6]。在研究智能化控制冷却系统时，将机械水泵更换为不受柴油机转速影响的电控水泵。在制定控制策略时，为使柴油机出水温度迅速达到稳定状态，应根据工况首先调节外循环水流量，再根据柴油机出水温度调节水泵转速，达到稳定出水温度的目的。

2.2EGR电控冷却系统

ERG冷却系统作为发动机原冷却系的分支通过电动水泵实现冷却水的强制循环流动[7]。EGR冷却控制系统主要由各种传感器、电控单元ECU、执行元件电动水泵等组成。传感器有发动机冷却水温度传感器、发动机转速传感器、油门踏板位置传感器以及冷却后EGR温度传感器等，安装在EGR电控冷却系统的各个部位，分别提供给EGR发动机冷却水温度信号、发动机转速、负荷信号及冷却后EGR温度信号。ECU对各种传感器送来的信号进行处理、运算、分析和判断后，发出水泵转速控制命令，控制直流电动水泵的转速，通过控制冷却水循环量的方法，最终达到控制EGR冷却温度的目的。执行部分是直流电动水泵，它根据ECU的指令实现无极调速。EGR电控冷却系统研究的首要任务是找全发动机不同转速和负荷