船舶发动机冷却系统

第六章冷却系统
第一节冷却系统的功用、组成和布置
一、冷却系统的功用
柴油机工作时的燃气温度高达1800C左右，使与燃气直接接触的气缸盖、气缸套、
活塞、气阀、喷油器等部件严重受热。

严重的受热会造成：
①材料的机械性能下降，产生较大的热应力与变形，导致上述部件产生疲劳裂纹或塑性变形；
②破坏运动部件之间的正常间隙，引起过度磨损，甚至发生相互咬死或损坏事故；
③燃烧室周围部件温度过高，使进气温度升高，密度降低，从而减少进气量；增压
后的空气温度也会升高，并影响进气量；
④润滑油的温度也逐渐升高，粘度下降，不利于摩擦表面油膜的形成，甚至失去润滑作用。

综上所述，为了保证柴油机可靠工作必须对柴油机受热机件，滑油及增压后的空气等进行冷却。

然而从能量利用观点来看，柴油机的冷却是一种能量损失，过分冷却将导致燃油滞燃期延长，产生爆燃和燃烧不完全，增加加散热损失；机件内外温度差过大，以致热应力超过材料本身
的强度而产生裂纹，润滑油粘度变大而增加摩擦功的消耗；在燃用含硫量较高的重油时，将产生
低温腐蚀，使缸套严重腐蚀等。

因此，在管理中应既不使柴油机因缺乏冷却而导致机件过热，也不使柴油机因过分
冷却而造成不良后果，应有所兼顾。

冷却系统的主要任务应是保证柴油机在最适宜的温度状态下
工作，达到既能避免零件的损坏和减小其磨损，又能充分发出它的有效功率。

近代，从尽量减少
冷却损失以充分利用燃烧能量出发，国内、外正在进行绝热发动机的研究，相应发展了一批耐高
温的受热部件材料，如陶瓷材料等。

目前，柴油机的冷却方式分为强制液体冷却和风冷两种，绝大多数柴油机使用前者。

而液体冷却的介质通常有淡水、海水、滑油等三种。

淡水的水质稳定，传热效果好并可采用水处理解决其腐蚀和结垢的缺陷，因而它是目前使用最广泛的一种理想冷却介质；
海水的水源充裕但水质难以控制且其腐蚀和结垢问题比较突出，为减少腐蚀和结垢
应限制海水的出口温度不应超过55C；
滑油的比热小，传热效果较差，在高温状态易在冷却腔内产生结焦，但它不存在因漏泄而污染曲轴箱油的危险，因而适于作为活塞的冷却介质。

二、冷却系统的组成和布置
柴油机冷却系统一般是用海水强制冷却淡水和其它载热流体（如滑油、增压空气等）在系
统布置上，海水系统属开式循环，淡水及滑油等属于闭式循环，两者组成的冷却系统称“闭式冷
却系统” 。

（一）开式循环冷却系统
开式循环冷却系统是直接利用舷外水（海水或河水）冷却各受热部件，然后再排至舷外。

图6-1所示为135系列柴油机的开式循环冷却系统。

淡水泵1将舷外水泵经滑油冷却器3
冷却滑油后，一路由机体进水管4进机，冷却气缸套和气缸盖；另一路去冷却增
压器。

冷却过柴油机和增压器的冷却水，经出水管8排至舷外。

为了控制冷却水进机温
度，缸盖出水管6末端内装有调温器7用以旁通已升温的淡水，使它从回水管5至淡水
泵进口。

图6-2是6300C型船舶柴油机的开式循环冷却系统线路图。

图6-1 135系列柴油机的开式循环冷却系统
1-淡水泵；2-滑油冷却器进水管；3-滑油冷却器；
4-机体进水管；5-回水管；6-气缸盖岀水管；7- 调温器；8-出水管；9-增压器出水管；10-增压器进水管
图6-2 开式循环冷却系统线路图
1-通海阀；2-进水阀；3-海水滤器；4-止回阀；5-冷却水泵；6-进水总管；7-压力表；8-遥测温度计；9- 出水支管；10-水银温度计；11-调节旋塞；12-出水观察器；13-单环式推力轴承；14-调压阀；15-轴承出水管；16-出水总管；17-防水阀；18-滑油冷却器；19-旁观管；20-三通旋塞；21-调压阀；22-调温阀
柴油机前端盖板上装有可逆转离心式水泵5,由曲轴齿轮直接冲动。

海水经机舱统
海阀1、进水阀2、海水滤器3和止回阀4由冷却水泵5吸入后，经三通旋塞20被输送滑油冷却器18,再经柴油机的进水总管6进入机体冷却水腔，冷却气缸套后由弯管接入气缸盖，最后经调节旋塞11转入排气总管的冷却水腔，汇集于出水总管16排出舷外。

在滑油冷却器后，有一支路海水通往单环式推力轴承底部的滑油冷却器，推力轴承因摩擦产生的热量经滑油传给冷却水带走。

管系中海水滤器3用来拦阻杂物进入管系，防止管系被堵塞。

止回阀4用来防止水泵吸入管路的水倒流，使停车后仍能保持满水，以保证水泵起动可靠。

调压阀21用来保证管系所需压头，压头可以通过调节调压阀弹簧压力（即启阀压力）来达到。

当压力超过时，调压阀开启，一部分出水又流回水泵入口，从而使系统的压力限制在一定的数值。

调温阀22用来调节进水温度，它使从柴油机排出的部分热水经旁通管直接回到水泵进口，这样就可以在各种负荷和不同的环境条件下，调节和控制进水温度，以保持发动机冷却温差和热力状况稳定，同时，在起动后的短时间内，发动机即能达到正常的热力状况。

三通旋塞20用来控制流过滑油冷却器的水流量，以控制滑油的温度。

当滑油不需要
冷却时，可利用三通旋塞转换水的通路，冷却水就会绕开冷却器直接进入冷却机体的进水总管。

调节旋塞11用来调节各缸的出水量，从而控制水温。

压力表7,水银温度计10
和遥测温度计8分别用来测量进水压力，各缸出水温度和排气总管出水温度。

开式循环冷却系统的优点是装置简单、维护方便，水源充裕，但存在如下缺点：
1.水中含有较多的杂质和盐分，容易生成水垢。

水垢不但会因其热阻大妨碍冷却散
热影响冷却效果。

而且水垢的生成和增厚还会使水容积和水通道变小，阻力增大，流水
不畅，致使机件产生局部过热。

2•用海水作冷却水源时，为了防止盐分大量析出，出水温度不得超过55C，否则
将会柴油机冷却水腔结垢严重，传热效果降低，零件的热应力增加。

所以，开式循环冷却系统仅用于技术指标不高的中、小型柴油机中。

随着船用柴油
机强化程度的不断提高，很少再采用开式循环冷却系统。

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10
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图6-3 闭式循环冷却系统循环示意图
1-压力表；2-出水调节阀；3-温度计；4-监视器；5-放气旋塞；6-膨胀水箱；7-废气涡轮增压
器；8-备用排出阀；9-排出阀；10-压气机；11-通海阀；12-滤器；13-备用海水阀；14-滑油冷却
器；15-海水活塞泵；16-三通旋塞；17-备用淡水离心泵；18-预热供给水泵；19-淡水离心泵；20-
预热供给水管；21-自动调温器；22-淡水冷却器
（二）闭式循环冷却系统
为了克服开式循环冷却系统的缺点，在闭式循环冷却系统中用经过处理的淡水冷却柴油机受
热部件，并在冷却系统内形成封闭循环线路。

作封闭循环的冷却淡水再由一个
开式循环的舷外水通过淡水冷却器进行冷却。

图6-3 为6NVD36 型柴油机的闭式循环冷却系统示意图。

在其海水系统中，海水由海水泵15 经通海阀11 和滤器12 吸入，并压送至滑油冷却器14 冷却滑油，然后又进入淡水冷却器22 冷却淡水，最后经排出阀9 排出舷外。

海水
泵排出管路接出一支管去冷却压气机l0。

在淡水系统中，冷却柴油机的淡水由淡水泵19 压入进水总管，由此进入柴油机各气缸的冷却水腔，并上行转入气缸盖中，再经气缸盖上的出水管流至出水总管，然后被引至淡水冷却器22 由海水冷却，冷却后的淡水又被淡水泵19 吸入，再压送到柴油机中
去，形成封闭的循环冷却。

在淡水泵19 的出口处另有一支管路将冷却水引至废气涡轮增压器7 的涡轮壳体中进行冷却，然后流入出水总管与从气缸盖中流出的淡水汇合，一起进入淡水冷却器。

在淡水系统的最高处设置了一个高位膨胀水箱6，其底部用一较细的管子通至冷却水泵入口端附近。

为了检视淡水循环是否流畅和放泄系统中的气体，在出水总管最高处设有检视器4 和放气旋塞5，放气管通至膨胀水箱上部，气体由此逸出，以免影响水的循环。

为了控制淡水温度，设有自动调温器21，可使淡水温度自动控制在规定的范围内，
柴油机进口最高温度为76C,出口最高温度为86C。

各缸的气缸盖出水口处设有调节阀 2 和温度表。

当各缸出水温度不一时，可通过调整调节阀工作开度来调节各缸的冷却水流量，使各缸的出水温度趋于一致。

为了保证系统工作可靠，设有备用淡水泵17 和备用海水泵13。

此外，利用管路上装置的三通旋塞16的适当转换组合成应急管路。

当淡水缺乏或淡水泵发生故障时，可通过旋转滑油冷
却器、淡水泵和检视器后的三通旋塞（图示为顺时针旋转90°），改变水流路线，使海水流过滑油冷却器14 后即行改道，直接进入柴油
机去冷却缸套和缸盖，然后流入出水总管，从备用排出阀8排至舷外。

显然，应急管路
是开式循环。

闭式循环冷却系统具有以下优点：
1．淡水中所含杂质和盐分较少，腐蚀和结垢不严重，能保持机件良好的散热。

2.出水温度可提高到75C〜90C,进水温度也不受自然环境的影响，而且温度还可以自动调节，使进出口温差较小，因此机件所受热应力不致过大。

3.燃气与冷却水之间的温度降减小，减小了传给冷却水的热损失，可以提高工作循环的热效率。

缺点是整个系统较为复杂。

大型低速柴油机的冷却系统一般是由几个独立的管系组成，分别输送冷却介质去冷却气缸套和气缸盖、活塞、喷油器、增压器、增压后的空气等。

9ESDZ58 ／100 型柴油机冷却系统有如下四个独立冷却管系。

1.空气冷却器管系：增压后的空气经过空气冷却器由海水进行冷却，海水泵将海水从舷
外吸入经进水总管及支管通入空气冷却器，然后从出水支管汇于出水总管排出。

在进、出支管上均设有截止阀，以便调节或切断进入各空气冷却器（本机有三个）的海水量，如图6-4 所示。

2.气缸、气缸盖及增压器冷却管系：淡水由淡水泵打入主机的进水总管，由此分别进入各气缸水套空间下部，沿导向槽往上流动，经气缸套上部隔圈从旁通弯管引入气缸
盖，再由气缸盖进入出水总管，然后一部分直接流回到循环水柜，一部分经管路引到增 压器，冷却废气和排气蜗壳，两部分的水量分配可以调节，以利于冷却增压器。

通过阀 门的关和开，可把对增压器和对气缸的冷却改为并联式如图
6-5所示。

3.
活塞冷却管系：由淡水泵来的冷却水经进水总管到各支管， 再由伸缩管引入活塞 头部，冷却活塞头部后的冷却水经旁孔回到伸缩管的外部空间（本机活塞冷却水套管是 同心的单拉管式），经出口流回到活塞冷却水循环柜，如图 6-6所示。

（三）中央冷却系统
自70年代初开始，出现了一种“中央冷却系统”的新型柴油机冷却系统。

其特点是 使用不同工作温度的两个单独淡水循环系统， 即高温的热淡水和低温的温淡水闭式系统。

前者用于冷却主机，后者用于冷却高温淡水和各种冷却器。

受热后的温淡水再在一个中 央冷却器中由开式的海水系统进行冷却。

由此，可保证只使用一个用海水作为冷却液的 冷却器，简化了海水管系的布置，并可保证柴油机在工况变化时其冷却水参数变化较小。

由于这种中央冷却系统较前述传统的冷却水系统有明显优点，因而它已陆续在新型柴油 机动力装置中得到应用。

水粗
由漁水聚奉 图6-6 活塞冷却水管系 图6-7 喷油器冷却水管系
图6-5
气缸盖、气缸及增压器的冷却管
系 4 •喷油器冷却管系：该机喷油器也用水冷却（有的船上改用柴油冷却）
，为了避免 柴油混入整个冷却水中，喷油器采用独立冷却系统，如图 6-7所示。

由淡水泵来的淡水 经总管、各支管进入喷油器冷却水腔，冷却后的淡水汇集到排水总管回到循环水柜。

图6-4 空气冷却器冷却管系
图6-8 6135 型船舶柴油机的淡水冷却器
第六节冷却系统的设备
冷却系统的设备主要有淡水泵、海水泵、滤器、淡水冷却器、自动调温器、压力表、温度表、膨胀水箱以及阀门和管路等。

小型柴油机结构紧凑，往往将膨胀水箱，淡水冷却器，自动调温器布置在一起，如图6-8所示。

下面就冷却系统中的主要机件作简单介
绍。

一、水泵
水泵的功用是使冷却水有一定的压力，加速循环流动。

离心式水泵因其结构简单、尺寸小、排量大、工作可靠、制造容易，以及当水泵由于故障而停止工作时，冷却水仍可进行自然循环，防止柴油机因局部过热而损坏等优点，在冷却系统中被广泛采用。

缺点是吸头低。

扬程小。

二、膨胀水箱
膨胀水箱设置在淡水系统的高处，各冷却水管系出口的最高处均有细管与膨胀水箱相通，水箱底部用管子与淡水泵的进口相通。

膨胀水箱是闭式淡水系统中的重要机件，它有如下功用：当系统中的淡水受热后膨胀或冷却后收缩时，它能提供膨胀收缩的余地;
它能及时排出系统中的气体；当淡水蒸发或系统有漏泄时能及时给系统补水；高置的膨胀水箱还保证了淡水泵具有一定的吸入压力；膨胀水箱还可作为水处理的投药处；暖缸时也可通过它对淡水进行加
三、冷却器
淡水冷却器是用海水来冷却封闭循环的淡水；滑油冷却器是用水来冷却润滑系统中温度升高的滑油；空气冷却器是用水来冷却增压后温度升高的空气。

从热交换的角度来看，它们都是热交换器。

近年来出现了一些较新式的板式热交换器，但目前船舶柴油机上使用较广泛的仍是管式热交换器。

淡水冷却器结构原理与前述滑油冷却器相近。

四、调温器
调温器是柴油机冷却系统中的温度自动调节设备。

柴油机运转时，要求冷却水温能 维持在一定范围。

然而冷却水温是随柴油机的负荷大小和转速高低而变化的，要想维持 恒温，必须随时调节冷却水的进口温度，这就是当水温较低时，使冷却水不去淡水冷却 器冷却，只进行有利于提高进水温度的“小循环”；当水温升高到一定数值时，再使冷却 水全部通过淡水冷却器，进行有利于降低进水温度的“大循环”；或者是一部分冷却水作 大循环，另一部分作小循环，使冷却水汇合时得到适宜的进水温度。

冷却水的循环路线 和流量由自动调温器来控制。

目前调温器的型式较多，但较常用的是波纹管调温器和蜡质调温器。

图6-9是波纹管调温器工作原理图。

在波纹型密封容器 2内装有易于挥发的乙醇或 乙醚与蒸馏水溶液 （比例为I : 2）。

波纹管浸在冷却水的出水流中， 感受着出水温度的高 阀3打开，使得一部分或全部冷却水直接流向循环冷却水泵的入口，不通过冷却器。

如 果水温达最大值时，波纹管膨胀到使主阀全开，旁通阀全关，致使冷却水全部流向冷却 器。

经冷却后再流至循环水泵入口。

波纹管型式调温器结构简单，但是由薄金属片做成的波纹管工作可靠性差，使用寿 命也短。

图 6-l0 是蜡质调温器的一种结构型式。

它的感温元件是由感应器体
8 及密封在其中 的石蜡组成，为了提高导热性能，常在石蜡中加入铜粉。

石蜡在 82.5C 〜83C 熔化成液 体时体积膨胀特别大， 通过胶管 6 推动推杆 4，控制与推杆相连的主阀 1 和旁通阀 2。

当 水温达到最高值时，主阀 1 全开，通往循环冷却水泵入口的旁通阀关闭，冷却水全部进 入冷却器经冷却后至水泵入口。

这种调温器对冷却系统中的工作压力不敏感， 工作可靠， 使用寿命较长，但结构比较复杂。

低，并产生不同的伸长或收缩。

当水温低于所要求的数值时，主阀 6关小或关闭，旁通
图6-9 波纹管调温器原理
1-壳体；2-波纹管型密封容器；3-旁通 阀；4、5-水管；6-主阀；7-冷却器；
8-柴油机冷却水出水管；9-冷却水泵进 水管
图6-10 腊质调温器结构 1-主阀；2-旁通阀；3-壳体；4-推杆；5-
密封器；6-胶管；7-石蜡；8-感应器体
第三节冷却系统的维护与管理
柴油机工作中，只有确保冷却系统各设备、管路正常工作，才能使柴油机处于良好的工作状态。

冷却系统在使用中必须注意以下几点：
（1）淡水泵出口压力应调整在正常工作范围。

淡水压力应高于海水压力，防止冷却器泄漏时海水漏入淡水中，引起其变质。

流量的大小一般是通过水压来反映的。

从水压的变化情况往往可反映系统某些设备发生了故障。

如压力下降表示吸入口堵塞或漏入空气，或者水泵效率降低。

压力逐步上升则表示内部水垢增厚而使通路狭窄，阻力增加，必须清洗，或者是由于循环路线上的阀门未开定。

（2）淡水温度应根据说明书的规定调整至正常工作范围。

勿使淡水出口温度过低（造
成热损失增加、热应力增大、低温腐蚀）或过高（使缸壁滑油膜蒸发，缸壁磨损加剧、冷却腔内发生汽化、缸套密封圈迅速老化）。

对于中高速柴油机，一般出口温度可控制在70C〜80C，低速机可控制在60C〜70C ;进出口温差不大于12C。

一般淡水出口温度以接近允许上限为宜。

在管理维护中，当个别气缸出现水温不正常时，首先应结合排烟温度判明该缸的热负荷情况是否正常，当断定供油量和喷油器正常后，可调整该缸的出水调节阀，改变其循环水量使水温达到正常。

当柴油机已出现过热，应先减小或卸掉负荷，使水温逐渐降低，切不可立即停止运转，更不得将热水放掉加入冷水，以免机件聚冷收缩而将活塞咬死，甚至引起炸缸事故。

（3）海水出口温度不应超过55C，以免盐分析出而沉淀积垢，影响传热。

（4）检查各缸冷却水的流动情况，如需调整冷却水的流量，应调整淡水泵的出口阀，
调节速度应尽量缓慢。

淡水泵的进口阀应始终处于全开的位置。

（5）注意膨胀水箱和淡水循环柜的水位变化。

应水位降低过快，应迅速查明原因，加以排除。

（6）在进出港机动航行时，可关掉海水泵或控制其流量，以保证淡水温度不致波动过大。

主机完车后，不应立即关闭淡水泵，应使淡水泵继续运行一段时间（如30min），以带走缸内残留的热量防止缸壁表面滑油膜蒸发。

（7）在备车时，应开动淡水泵进行冷却系统驱气，一般使淡水在系统内循环15 min〜30 min。

在需要时，还应同时进行暖缸，使水温达到45C左右。

暖缸有利于缸内发火，
易于起动，还可以使滑油均匀布散，防止缸套严重磨损，并可降低缸壁的热应力。

（8）平时应注意检查海底阀是否被杂物堵塞。

在寒冷地区航行时，应注意海水管系的管理，防止海底阀被冰块卡死。

此外，应定期对水泵加注滑油，检查其水封。

定期清洗冷却系统的杂物、水垢。

定期检查调温器等。

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